如果您使用过 GPS、做过核磁共振或用激光笔逗您的猫，那么你应该了解，量子科学其实就是您生活的一部分。 

在本周的世界量子日到来之前，我们请了NIST量子物理部的负责人Andrew Wilson解释了量子科学到底是什么，以及它为什么重要。

以下是访谈内容：

我们正在庆祝世界量子日。让我们从简单的开始。当我们说“量子”时，我们指的是什么？

不同的人有不同的理解。但它本质上可以归结为利用基本的量子特性来做伟大的事情。当人们谈论量子时，通常可以归结为两件事：

• 量子叠加是一种有两种可能形式的东西，在某种程度上同时存在于这两种形式中。 
• 纠缠意味着你至少有两件事总是联系在一起的；他们不再有独立的存在。发生在一个人身上的事情总是会影响另一个人。 

纠缠和叠加是量子计算的资源。这些就是使量子计算强大的原因。 

为什么科学家对量子如此感兴趣？

我认为这可能是因为在量子物理学的早期，有像激光这样的想法。量子物理学支撑着激光，而激光被证明是相当重要的。它支持互联网。量子还涉及 MRI 成像和半导体芯片等领域。所以，我们依靠量子行为来理解这些东西是如何工作的。这就是量子物理学。这种早期版本的量子物理学被称为半经典物理学。并且基于此的很多技术都使用了叠加。现在，这被广泛称为Quantum 1.0。

但随着我们物理学家不断研究量子系统，并越来越擅长制造和控制这些系统，我们开始思考，也许我们可以用纠缠做一些有用的事情。因此，我们在工具箱中添加了纠缠。这就是Quantum 2.0。Quantum 2.0是关于尝试捕捉叠加和纠缠的优势和实际应用。我们确实在尝试了解如何使纠缠变得实用。要使这种技术在我们的经济和社会中无处不在，必须有许多科学突破，包括基础科学。

在实验室取得进展的同时，一些聪明的人意识到这个工具箱可以用于信息处理。量子计算源于实验室中聪明想法和进步的“融合”，是量子物理学和信息科学的结合。

我们可以开发量子计算机，但我们还能做什么？ 

我们还可以使用叠加和纠缠来改进传感器和通信。我们可以制造比经典物理学允许的更精确地测量事物的量子传感器。我们可以以抗窃听的量子形式传递信息。这些Quantum 2.0事物的挑战在于让它们变得实用。完成这些挑战还有很多工作要做，但看到正在取得的进展是非常令人兴奋的。

另一件让量子变得有趣的事情是，它在许多领域都有潜在的应用，远远超出了物理学。在化学、生物学、医疗保健、金融、运输、制造等领域正在寻求应用。它可以是一个非常跨学科的领域。这很难，因为我们每个人都只有一定数量的专业知识。另一方面，最酷的部分是你可以与其他领域的专家合作并向他们学习。 

称为“叠加”的量子物理学概念的插图。在普通的经典世界中，滑板者一次只能在一个位置或位置，例如坡道的左侧（可能代表数据值 0）或右侧（代表 1）。但是，如果一个滑板者的行为可以像一个量子物体（例如原子），他或她就可以处于 0 和 1 的“叠加态”，有效地同时存在于两个地方。  

“量子”这个词听起来很抽象，它在我们日常生活中的哪些地方出现?

人们确实倾向于将量子视为一种奇怪而抽象的事物。因为我们在现实世界中处理的大多数东西（比如钢笔、汽车、咖啡杯等）在我们的日常体验中，这些东西并不符合量子力学。对大多数人来说，量子力学不是日常经验，所以它看起来很奇怪。 

但量子不仅仅是一种理论，它就是大自然的样子。对于我们这些每天与此打交道的人来说，它既不神秘也不抽象。它与我们白天处理的任何其他事物一样实用，就像钢笔和咖啡。 

正如我所说，量子有很多实际应用。电子产品的某些部分严重依赖量子力学。医疗保健、通信和许多技术都依赖于它。 

最常见的实际应用之一是计时。您能够在手机或汽车上安装 GPS 的唯一原因是您在卫星上安装了一些原子钟。你可能不知道，但你在那些时钟中使用了量子叠加，确保你能弄清楚你要去哪里。因此，如果我应该在餐厅与我的妻子见面，而我不知道它在哪里，我将依靠量子力学将我带到那里，以实现该目标。这是量子力学的日常应用，看着我们的手机并弄清楚我们要去哪里。 

为什么继续研究量子科学很重要？

研究量子可能会让我们发现下一个大事件，无论下一个激光或 GPS 是什么。关于如何使用量子有很多想法，人们正在疯狂地试图弄清楚： 

• 量子技术可以用来做什么？
• 我们如何推进量子技术，使其可用于解决实际问题？

经济受到 Quantum 1.0 的影响，而 Quantum 2.0 很可能会产生另一种转型影响。人们为之兴奋的想法太多了；这就是我们这样做的原因。 

NIST 之所以这样做，是因为我们从事测量科学以帮助促进创新和竞争力。人们带着测量问题来到 NIST，通常，我们可以使用量子力学克服这个测量问题的经典障碍。这就是为什么 NIST 从一开始就因为涉及精确测量而成为量子力学领域的领导者。 

你越能精确地测量某件事，你就越能改进这项技术。因此，有一个更精确的测量、改进技术和更多测量是一个很好的循环。但在某些时候，我们达到了所用测量方案的极限，我们必须开发一种新方法。测量科学是推动技术进步的关键。我就是这么想的。 

您对这一研究领域的迷恋从何而来？

当我还是个孩子的时候，我喜欢建造和修理东西。我的自行车会坏，这是我出行的方式，所以我非常有动力想办法修理它。所以，我把东西拆开，然后又把它们放回原处。我修补了一些东西。我周围有一些懂电子学的人，我开始制作一些简单的电路或带有小电机或灯的简单小工具。 

我想了解事情是如何运作的。它为什么要做这件事？我很好奇并被吸引到事物中。对困惑有高度的容忍度是有帮助的。我想说的是，物理学家总是对他们正在思考的最新事物感到困惑，这就是我们学习的方式，对吧?你今天很困惑。你弄清楚了一些事情，你很高兴，但明天你又会被新的事情弄糊涂!

当我进入实验室后，我发现我非常擅长修理东西，让东西运转起来，理解为什么不能运转并修理这些东西。所以，当你有那种倾向时，你最终会成为一名实验主义者。 

至于量子，它很酷，对吧？例如，我用激光做了很多工作。几乎没有什么比激光更酷的了。如果您只看到过激光指示器的小红点，那么进入其中一些实验室，您会看到自然界中最不可思议的颜色。它基本上是类固醇的彩虹。他们是如此美丽，在身边真是太好了。看到从未有人见过的东西，有时甚至是科学家们几十年来一直在寻找的发现，也会带来一种深刻的喜悦。

实验室对我来说就像一个游乐场，尽管它具有挑战性的科学使命、艰苦的工作、长时间的工作、偶尔的挫折和严格的安全要求，需要仔细遵守协议。

对于像我这样的实验物理学家来说，实验室就像迪斯尼乐园。当你在实验室里，当你在屏幕上看到信号、图像、某物的踪迹时，经过所有的努力，它只是在提醒你大自然真的是多么不可思议。以我的愚见，它比任何一本小说书都要好。这项工作只是吸引你。 

当然，我们不只是在这里修修补补，我们是以使命为导向的。我们非常努力；这也是一个竞争非常激烈的领域。我们中的许多人都喜欢竞争。  

量子科学的前景如何？什么让你对未来感到兴奋？

有大量伟大的科学研究正在进行，量子技术正在开发。我们现在在实验室里例行公事地做一些事情，甚至就在几年前，我们只是梦想能够做到，但不知道怎么做。我们可以实现量子计算的重要算法。我们可以构建量子性能远超以往任何人的传感型设备。我们可以比以往任何时候都更远、更保真地传输量子信息。

许多公司现在正在建造不同种类的量子计算机。NIST 正在开发这些公司在未来尝试扩展机器功能时需要的想法和技术。 

关于量子技术如何发展尚未可知，但我们作为科学家非常耐心，慢慢地解决问题。当你追逐一些真正重要的东西时，它可以带来巨大的变革，你必须有很大的韧性和勇气。 

科学家们年复一年的思考如何解决问题。这就像跑马拉松。我们也有 100 米比赛，但量子确实是一项持续的努力。几十年来，NIST 一直在进行持续的量子研究。 

当我们开始研究量子的潜在应用时，我们正在学习很多超出量子物理学的知识。支持属于新兴量子产业的公司并看到他们推动技术发展的创造性方式令人兴奋。或许我们能够及时回顾这一时刻，就像量子技术革命一样，就像硅芯片和集成电路在 1960 年代和 70 年代所做的那样。希望如此。让我们拭目以待。

参考链接：https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/gps-laser-pointers-quantum-science-all-around-us