0
| 本文作者： 包永刚 | 2019-12-31 18:02 | 专题：迈向20年代，2019年终大盘点 |
雷锋网按，量子计算无疑是2019年最受关注的前沿技术之一，IBM、谷歌、英特尔相继宣布了其最新成果，特别是谷歌宣布实现量子霸权更是引发轰动。当然，量子计算在学术圈也有不少进展，外媒livescience盘点了12个最重要的量子实验，许多实验都打破了我们的常规认知，文末的原文链接中有每个实验更具体地介绍，有兴趣的读者可以查阅。
小规模的事件也会产生巨大的后果。没有哪个学科能比量子物理学更好地证明了这一点，量子物理学探索的是非常小物体的奇怪行为。在2019年，量子实验进入了新的领域，尽管存在一些争议，实用的量子计算距离现实越来越近。下面这些是2019年最重要、最令人惊讶的量子事件。
谷歌宣布“量子霸权”
（图片来源：Eric Lucero / Google，Inc.）
如果2019年有一个量子新闻要被载入史册，那可能是来自Google的一个重大公告：这家科技公司宣布已实现“ 量子霸权（Quantum Supremacy）”。这是一种自命不凡的说法，那就是Google所制造的计算机可以比传统计算机更快地执行某些任务。（经典计算机依赖于常规的1和0，例如你用于阅读本文的设备。）
谷歌的量子霸权主张如果得到证实，将标志着计算机历史上的一个转折点。量子计算机依赖奇怪的小规模物理效应（例如纠缠），以及纳米宇宙中的某些不确定性来执行计算。从理论上讲，这种特性使这些计算机比传统计算机具有某些优势。它们可以轻松破解传统的加密方案，发送完美加密的消息，比传统计算机更快地运行某些模拟计算，更容易解决通常认为的难题。困难在于，直到Google的宣布之前，没有人能制造出和理论一样，足够快的量子计算机，或者至少没有一个人能做到。
但是，并非所有人都接受这家科技公司的量子霸权主张。俄克拉荷马州立大学的量子怀疑论者和研究员Subhash Kak在一篇文章中阐述了进行生命科学的几个原因。
雷锋网注，谷歌宣布量子霸权之后，既有支持者，也有反对者，具体可以参考《谷歌「量子霸权」文章正式在Nature发表，圈内人评价“或将迎来下一波科技浪潮”》、《炮轰 Google “实现量子霸权”论，IBM 拿出了终极依据》。
千克量子
2019年的另一个量子拐点来自度量衡世界。标准的千克是定义所测量物体质量的单位，在130年的历史里，都是以在法国一个房间里重2.2磅的铂铱圆柱体为标准。不过这个在今年发生了改变。
旧的公斤相当好，过去几乎没有变化。但是新的千克几乎完美，它是基于质量和能量之间的基本关系，以及量子尺度上能量行为的奇怪特性，物理学家能够得出一个千克的定义，该定义从今年到宇宙终结将不会改变。
现实有点破裂
图片来源：Shutterstock / Juergen Faelchle）
一个物理学家团队设计了一个量子实验，实验表明事实会根据一个人对形势的看法发生变化。物理学家使用微型量子计算机中的光子进行了一次“抛硬币”，得到的结论是，在不同的探测器上结果是不同的，这取决于他们的观点。
实验学家在《生命科学》上的一篇文章中写道：“我们证明，在由量子力学的奇怪规则支配的原子和粒子的微观世界中，两个不同的观察者有权获得自己的事实。换句话说，根据我们对自然本身构成部分的最佳理论，事实实际上可以是主观的。”
首次看到纠缠图像
（图片来源：格拉斯哥大学/ CC得分4.0）
物理学家第一次拍摄了阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）描述为“远距离的怪异动作”现象的照片，其中两个粒子尽管被隔开一定距离仍保持物理联系。量子世界的这一特征早已通过实验验证，但这是第一次有人看到它。
最大规模叠加
（图片来源：维也纳大学Yaakov Fein）
在某些方面，量子叠加是量子纠缠的反义词，它使单个物体可以同时处于两个（或多个）位置，这是物质作为粒子和波同时存在的结果。通常，这是通过像电子这样的微小颗粒来实现的。
但是在2019年的一次实验中，物理学家设法实现了有史以来最大规模的叠加：使用“庞大”的，来自医学界称为“富含氟烷基硫烷基链的低聚四苯基卟啉”的2000个原子的分子。
热量穿越真空
照片显示了允许热量穿过空白空间的实验装置。（图片来源：加州大学伯克利分校的紫罗兰·卡特）
在正常情况下，热量只能以一种方式穿越真空——辐射。（在夏日，当太阳的光线越过空间穿透你的脸时，你会感受到。）在标准物理模型中，热量以两种方式移动：首先，带电粒子可以撞击成其它粒子并转移其能量。（用手握住一杯温暖的茶上即可感觉到这种效果。）其次，温暖的液体可以替代较冷的液体。（当你打开车内的加热器，使温暖的空气充满车内时，就会发生这种情况。）因此，没有辐射，热量就无法越过真空。
但是像往常一样，量子物理学打破了规则。在2019年的一次实验中，物理学家发现了这样一个事实，在量子维度上，真空并不是真正的空。取而代之的是，它们充满了微小的、随机的波动，这些波动会突然出现或消失。研究人员发现，在足够小的范围内，热量可以通过从一个波动跃迁到显然是空的空间中的另一个波动，从而穿越真空。
因果反转
（图片来源：NASA / JPL-Caltech）
接下来的发现远非经过实验验证的发现，甚至超出了传统量子物理学的领域。但是研究量子引力（一种旨在统一量子力学世界和爱因斯坦的广义相对论的理论构架）的研究人员表明，在某些情况下，一个事件可能会导致时间更早事件发生的效应。
由于广义相对论，某些非常重的物体可能会影响它们附近的时间流。我们知道这是真的。量子叠加表明物体可以同时在多个地方。研究人员写道，将一个非常重的物体（例如大行星）置于量子叠加状态，你可以设计因果关系顺序错误的奇异场景。
量子隧道破裂
（图片来源：Shutterstock）
物理学家早就知道一种被称为“量子隧穿”的奇怪效应，也就是粒子穿过似乎无法通过的屏障。不是因为它们太小而发现了孔，2019年，一项实验说明了这是如何发生的。
量子物理学说粒子也是波，你可以将这些波视为粒子位置的概率预测。但是它们仍然在波动。海浪撞向海洋中，它会损失一些能量，但另一侧会出现较小的海浪。研究人员发现，在量子世界中也会发生类似的效应。而且，只要在障碍物的远端还有几分概率波，粒子就有机会使其穿过障碍物，并在似乎不适合的空间中穿行。
金属氢可能已经出现在地球上
（图片来源：NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Gerald Eichstadt / Justin Cowart）
对于超高压物理学来说，这是重要的一年。最大胆的主张之一来自法国的一家实验室，该实验室宣布已为材料科学创造了一种圣杯物质——金属氢。在足够高的压力下，例如被认为存在于木星核心的压力，单质子氢原子被认为是碱金属。但是，从来没有人能够产生足够高的压力来证明在实验室中的效果。该团队说，今年他们看到了425吉帕斯卡（420万倍于海平面的大气压）。但是，并非每个人都赞成该主张。
量子乌龟
（图片来源：芝加哥大学Courtesy of Lei Feng）
用磁场破坏大量的过冷原子，你将看到“量子烟花”：原子喷流沿随机的方向发射。研究人员怀疑烟花中可能有图案，但是从外观上并不清楚。不过，借助计算机，研究人员发现了烟花效果的形状——量子乌龟。但是，还没有人知道为什么要采用这种形状。
一台微型量子计算机使时光倒流
（图片来源：Africa Studio / Shutterstock）
时间只能朝一个方向移动：向前。将牛奶洒在地面上，无法完全干燥污垢并将同样干净的牛奶倒回杯中。一个扩散的量子波函数是不会扩散的。
除了在这种情况。物理学家们使用一个微型的两比特量子计算机，编写出一种算法，该算法可以将波的每一个波纹返回到产生它的粒子上，从而消除事件并有效地使时光倒退。
另一台量子计算机看到了16种未来
（图片来源：Sergei Slussarenko /格里菲斯大学）
量子计算机依赖叠加而不是1和0，它们具备一次执行多个计算的能力。这一优势在2019年开发的新型量子预测引擎中得到了充分展示。该引擎背后的研究人员通过模拟一系列关联事件，能够将16种可能的未来编码为引擎中的单个光子。现在是多任务处理！
雷锋网编译，via livescience
相关文章：
谷歌「量子霸权」文章正式在Nature发表，圈内人评价“或将迎来下一波科技浪潮”
炮轰 Google “实现量子霸权”论，IBM 拿出了终极依据
雷峰网原创文章，未经授权禁止转载。详情见转载须知。
专题
