量子原理，即量子叠加、量子纠缠和量子隧穿，量子技术与未来应用息息相关，Asphericon

从宇宙最微小的基本构件到尖端技术，量子世界充满了挑战和重新定义我们对科学与技术理解的奥秘。但量子（quanta）不仅仅是局限于物理实验室的抽象概念，它们已经在我们日常生活中扮演着远比许多人意识到的更为基础的角色。

加入Asphericon，一起探索亚原子粒子如何构成我们宇宙的基本结构，并发现量子技术如何改变通信、传感器技术、计算和医学等领域，更有突破性的应用即将到来。

量子力学的特性

量子的其他原理帮助我们更好地理解物质的本质，并为当今先进的量子技术奠定了基础，这些原理包括量子叠加、量子纠缠和量子隧穿。

叠加：量子态的重叠

如果将量子视为数学描述的波，它们拥有不止一个解。在量子力学中，这些解被称为波函数的本征函数，可以描述系统的不同状态。波函数（也称为物质波的数学描述）是多个线性组合的基本态的叠加。这意味着一个量子物体可以同时存在于多个状态或同时拥有多个特性。

展示叠加原理的示意图。光子同时存在于状态1和状态2

叠加的一个著名例子是双缝实验中光子的行为，其中单个光子同时通过两条狭缝。在这种情况下，光子确实同时存在于两种不同的状态。

量子叠加在现代技术中扮演着关键角色。在先进的测量系统中，它被用来提高仪器的精度和灵敏度。在量子计算中，叠加使得大量信息的并行处理和传输成为可能。由于量子比特（qubit）可以同时处于多个状态，量子计算机能够并行处理海量信息。这种能力极大地提升了性能，使机器能够比传统计算机更高效地运行复杂算法。

无形的纽带：量子纠缠

量子纠缠描述了量子物体之间一种奇特而强大的联系，即使相隔遥远，这种联系依然存在。当两个粒子（如光子或电子）发生纠缠时，它们的状态以某种方式相互关联，以至于一个粒子的状态瞬间决定了另一个粒子的状态，无论它们相距多远。

如上半部分所示，两个纠缠光子的状态只能被描述为一个组合系统。每个粒子都有50%的概率处于两种状态中的一种，但一旦第一个粒子的状态被确定，第二个粒子的状态就立即可知。

量子纠缠原理

量子纠缠是量子通信的基础，并在确保量子信息传输的安全性方面起着至关重要的作用。当光子被用于传输数据时，纠缠使得检测信息是否被截获或篡改成为可能。任何试图观察或复制量子态的行为都会留下明显的痕迹，揭示出测量错误和潜在的窃听企图。

猫与放射性：量子物理学及其令人惊讶的日常联系 

量子物理学是现代物理学的一个分支，研究最小粒子（如原子、电子和光子）的奇特且常常违反直觉的行为。通过描述原子和亚原子层面的过程和状态，它为超越我们日常生活体验的可能性打开了大门。

量子物理学复杂本质最著名的例证之一是被称为“薛定谔的猫”的思想实验。在这个假设场景中，一只猫被放置在一个密封的盒子里，里面还有一个毒药瓶、放射性物质、一把锤子和一个盖革计数器。放射性原子是否会衰变，并触发锤子打破药瓶是完全不可预测的。根据量子理论，在有人打开盒子并观察系统之前，这只猫既是活的又是死的。这个悖论阐释了量子叠加原理，即量子系统在被测量或观察之前，可以同时存在于多个状态。

薛定谔的猫思想实验

什么是量子(Quanta)？

量子是现实的基本构件，微小的量子物体，如电子、光子，以及在特定条件下甚至整个原子。独特的是，它们既可以表现为离散的粒子，也可以表现为行进的波，这种现象被称为波粒二象性。这个悖论在著名的双缝实验中得到展示。

双缝实验

在这个实验中，单个光子被射向一块带有两条狭缝的不可穿透的板。尽管光子是一个一个发射的，并在屏幕上显现为微小的单个点（展示了其粒子性行为），但它们也表现出波的行为，同时穿过两条狭缝。随着时间的推移，屏幕上会出现明暗相间的干涉条纹，这是只有波才能产生的现象。这个非凡的结果之所以可能，是因为光子，事实上所有量子粒子都同时表现出粒子和波的特性。

量子隧穿：当量子穿透壁垒时

量子隧穿描述了量子粒子穿透壁垒的能力，而根据经典物理学，它们本没有足够的能量穿透这些壁垒。当量子波遇到一个壁垒时（见图5），其振幅会减小，但不会完全降至零。这意味着在壁垒的另一侧检测到粒子的概率不为零，尽管经典物理学会预测这是不可能的。

量子隧穿示意图。

这一非凡的特性被应用于成像技术。一个突出的例子是扫描隧道显微镜(STM)。在STM中，在超细针尖与被检测表面之间施加电压。即使根据经典物理学，电子无法跨越这个距离，但量子隧穿效应使它们能够做到，从而产生可测量的电流。这种电流使科学家能够以非凡的精度观察和成像单个原子结构。

量子技术的里程碑

量子技术的发展是一段非凡的科学旅程，始于二十世纪初。在此期间，两次截然不同的“量子革命”从根本上塑造了现代技术的演变。

量子1.0，第一次量子革命

第一次革命被称为量子1.0，它为我们理解已经观察到，但尚未完全解释的量子现象奠定了基础。研究人员专注于探索光和物质在原子和亚原子尺度上的复杂行为。这些发现带来了开创性的创新，至今仍在塑造我们的日常生活，包括激光器、LED、GPS、半导体以及许多其他技术的发明。

量子2.0，量子技术的未来

今天，我们正处于第二次量子革命，量子2.0之中。这个新时代超越了仅仅理解量子力学；它关乎精确控制和设计量子系统。科学家现在可以操控单个量子物体的振荡频率，以开发超灵敏仪器和可扩展的量子硬件。特别是，基于超导电路的系统已成为构建下一代量子机器的主导平台。

量子技术使得控制、操纵和测量单个量子粒子的状态和相互作用成为可能，为基于量子力学原理的全新设备和系统打开了大门。

第二次革命的关键发展包括原子钟、量子重力仪、量子计算机和量子磁力计。这些创新不仅承诺技术突破，还将对社会几乎各个领域产生深远影响。

量子物理学的实践：当今与未来的应用

在全球大量投资的推动下，量子技术已不再是一个纯粹的理论领域，它已经开始进入市场。现代激光系统、量子处理器和高灵敏度的量子显微镜是第一批商业化的量子技术。这一快速发展反映在全球研究实验室涌现出的越来越多的专利、科学出版物和实际应用中。量子计算尤其受到关注，其中高效算法和稳定量子比特架构的开发至关重要。基于超导硬件或囚禁离子的量子机器在实验环境中已经展现出卓越的性能。编写和优化量子代码的能力对于工程师和物理学家来说将变得越来越有价值。

量子技术也为当今许多最紧迫的挑战提供了变革性的解决方案。未来，先进的量子传感器可以通过提供高度精确的环境数据，为自然灾害提供更早、更准确的预警。在医学领域，量子技术已经在推动诊断学的突破，使检测阿尔茨海默症和帕金森病等疾病更早、更可靠成为可能。它们还开启了令人兴奋的可能性，如思维控制的假肢，为改善身体残疾人士的生活质量带来了新希望。

汽车行业是另一个有望受益的领域，特别是在自动驾驶技术的开发中。量子计算机已经展现出比人类更快、更有效地分析复杂环境和决策场景的能力。

量子与光子学

从叠加和纠缠到量子隧穿，量子揭示了自然界隐藏的秘密，并为未来技术开辟了广阔的新视野。Asphericon这篇关于量子物理学基础的介绍为深入探索量子与光子学之间的联系奠定了基础。在本系列的第二部分，Asphericon将探讨这种融合如何推动通信、传感器技术和信息技术的创新。敬请关注可能改变整个行业并重新定义人类成就极限的尖端发展。

来源

Neugebauer, R.: Quantentechnologien (Fraunhofer ZV), München 2022

Kagermann, H./Süssenguth, F./Körner, J./Liepold, A.: Innovationspotenziale der Quantentechnologien der zweiten Generation (acatech IMPULS), München 2020

Konzeptpapier der Nationalen Initiative zur Förderung der Quantentechnologie von Grundlagen bis Anwendungen (QUTEGA): QUANTENTECHNOLOGIE Grundlagen und Anwendungen, 2017

Photonics@Quantum: Technologies for Quantum Systems (Marktreport SPECTARIS und Messe München), Berlin/München 2022

Dowling J P./Milburn G. J.: Quantum technology: the second quantum revolution; the royal society, In: Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences Vol. 361, No. 1809, Information, Knowledge and Technology (Aug. 15, 2003), pp.1655-1674