2019年最重要、最驚人的12個量子實驗
雷鋒網按，量子計算無疑是2019年最受關注的前沿技術之一，IBM、Google、英特爾相繼宣佈了其最新成果，特別是Google宣佈實現量子霸權更是引發轟動。當然，量子計算在學術圈也有不少進展，外媒livescience盤點了12個最重要的量子實驗，許多實驗都打破了我們的常規認知，文末的原文鏈接中有每個實驗更具體地介紹，有興趣的讀者可以查閲。
小規模的事件也會產生巨大的後果。沒有哪個學科能比量子物理學更好地證明了這一點，量子物理學探索的是非常小物體的奇怪行為。在2019年，量子實驗進入了新的領域，儘管存在一些爭議，實用的量子計算距離現實越來越近。下面這些是2019年最重要、最令人驚訝的量子事件。
Google宣佈“量子霸權”
（圖片來源：Eric Lucero / Google，Inc.）
如果2019年有一個量子新聞要被載入史冊，那可能是來自Google的一個重大公告：這家科技公司宣佈已實現“ 量子霸權（Quantum Supremacy）”。這是一種自命不凡的説法，那就是Google所製造的計算機可以比傳統計算機更快地執行某些任務。（經典計算機依賴於常規的1和0，例如你用於閲讀本文的設備。）
Google的量子霸權主張如果得到證實，將標誌着計算機歷史上的一個轉折點。量子計算機依賴奇怪的小規模物理效應（例如糾纏），以及納米宇宙中的某些不確定性來執行計算。從理論上講，這種特性使這些計算機比傳統計算機具有某些優勢。它們可以輕鬆破解傳統的加密方案，發送完美加密的消息，比傳統計算機更快地運行某些模擬計算，更容易解決通常認為的難題。困難在於，直到Google的宣佈之前，沒有人能製造出和理論一樣，足夠快的量子計算機，或者至少沒有一個人能做到。
但是，並非所有人都接受這家科技公司的量子霸權主張。俄克拉荷馬州立大學的量子懷疑論者和研究員Subhash Kak在一篇文章中闡述了進行生命科學的幾個原因。
雷鋒網注，Google宣佈量子霸權之後，既有支持者，也有反對者，具體可以參考《Google「量子霸權」文章正式在Nature發表，圈內人評價“或將迎來下一波科技浪潮”》、《炮轟 Google “實現量子霸權”論，IBM 拿出了終極依據》。
千克量子
2019年的另一個量子拐點來自度量衡世界。標準的千克是定義所測量物體質量的單位，在130年的歷史裏，都是以在法國一個房間裏重2.2磅的鉑銥圓柱體為標準。不過這個在今年發生了改變。
舊的公斤相當好，過去幾乎沒有變化。但是新的千克幾乎完美，它是基於質量和能量之間的基本關係，以及量子尺度上能量行為的奇怪特性，物理學家能夠得出一個千克的定義，該定義從今年到宇宙終結將不會改變。
現實有點破裂
圖片來源：Shutterstock / Juergen Faelchle）
一個物理學家團隊設計了一個量子實驗，實驗表明事實會根據一個人對形勢的看法發生變化。物理學家使用微型量子計算機中的光子進行了一次“拋硬幣”，得到的結論是，在不同的探測器上結果是不同的，這取決於他們的觀點。
實驗學家在《生命科學》上的一篇文章中寫道：“我們證明，在由量子力學的奇怪規則支配的原子和粒子的微觀世界中，兩個不同的觀察者有權獲得自己的事實。換句話説，根據我們對自然本身構成部分的最佳理論，事實實際上可以是主觀的。”
首次看到糾纏圖像
（圖片來源：格拉斯哥大學/ CC得分4.0）
物理學家第一次拍攝了阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）描述為“遠距離的怪異動作”現象的照片，其中兩個粒子儘管被隔開一定距離仍保持物理聯繫。量子世界的這一特徵早已通過實驗驗證，但這是第一次有人看到它。
最大規模疊加
（圖片來源：維也納大學Yaakov Fein）
在某些方面，量子疊加是量子糾纏的反義詞，它使單個物體可以同時處於兩個（或多個）位置，這是物質作為粒子和波同時存在的結果。通常，這是通過像電子這樣的微小顆粒來實現的。
但是在2019年的一次實驗中，物理學家設法實現了有史以來最大規模的疊加：使用“龐大”的，來自醫學界稱為“富含氟烷基硫烷基鏈的低聚四苯基卟啉”的2000個原子的分子。
熱量穿越真空
照片顯示了允許熱量穿過空白空間的實驗裝置。（圖片來源：加州大學伯克利分校的紫羅蘭·卡特）
在正常情況下，熱量只能以一種方式穿越真空——輻射。（在夏日，當太陽的光線越過空間穿透你的臉時，你會感受到。）在標準物理模型中，熱量以兩種方式移動：首先，帶電粒子可以撞擊成其它粒子並轉移其能量。（用手握住一杯温暖的茶上即可感覺到這種效果。）其次，温暖的液體可以替代較冷的液體。（當你打開車內的加熱器，使温暖的空氣充滿車內時，就會發生這種情況。）因此，沒有輻射，熱量就無法越過真空。
但是像往常一樣，量子物理學打破了規則。在2019年的一次實驗中，物理學家發現了這樣一個事實，在量子維度上，真空並不是真正的空。取而代之的是，它們充滿了微小的、隨機的波動，這些波動會突然出現或消失。研究人員發現，在足夠小的範圍內，熱量可以通過從一個波動躍遷到顯然是空的空間中的另一個波動，從而穿越真空。
因果反轉
（圖片來源：NASA / JPL-Caltech）
接下來的發現遠非經過實驗驗證的發現，甚至超出了傳統量子物理學的領域。但是研究量子引力（一種旨在統一量子力學世界和愛因斯坦的廣義相對論的理論構架）的研究人員表明，在某些情況下，一個事件可能會導致時間更早事件發生的效應。
由於廣義相對論，某些非常重的物體可能會影響它們附近的時間流。我們知道這是真的。量子疊加表明物體可以同時在多個地方。研究人員寫道，將一個非常重的物體（例如大行星）置於量子疊加狀態，你可以設計因果關係順序錯誤的奇異場景。
量子隧道破裂
（圖片來源：Shutterstock）
物理學家早就知道一種被稱為“量子隧穿”的奇怪效應，也就是粒子穿過似乎無法通過的屏障。不是因為它們太小而發現了孔，2019年，一項實驗説明了這是如何發生的。
量子物理學説粒子也是波，你可以將這些波視為粒子位置的概率預測。但是它們仍然在波動。海浪撞向海洋中，它會損失一些能量，但另一側會出現較小的海浪。研究人員發現，在量子世界中也會發生類似的效應。而且，只要在障礙物的遠端還有幾分概率波，粒子就有機會使其穿過障礙物，並在似乎不適合的空間中穿行。
金屬氫可能已經出現在地球上
（圖片來源：NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Gerald Eichstadt / Justin Cowart）
對於超高壓物理學來説，這是重要的一年。最大膽的主張之一來自法國的一家實驗室，該實驗室宣佈已為材料科學創造了一種聖盃物質——金屬氫。在足夠高的壓力下，例如被認為存在於木星核心的壓力，單質子氫原子被認為是鹼金屬。但是，從來沒有人能夠產生足夠高的壓力來證明在實驗室中的效果。該團隊説，今年他們看到了425吉帕斯卡（420萬倍於海平面的大氣壓）。但是，並非每個人都贊成該主張。
量子烏龜
（圖片來源：芝加哥大學Courtesy of Lei Feng）
用磁場破壞大量的過冷原子，你將看到“量子煙花”：原子噴流沿隨機的方向發射。研究人員懷疑煙花中可能有圖案，但是從外觀上並不清楚。不過，藉助計算機，研究人員發現了煙花效果的形狀——量子烏龜。但是，還沒有人知道為什麼要採用這種形狀。
一台微型量子計算機使時光倒流
（圖片來源：Africa Studio / Shutterstock）
時間只能朝一個方向移動：向前。將牛奶灑在地面上，無法完全乾燥污垢並將同樣乾淨的牛奶倒回杯中。一個擴散的量子波函數是不會擴散的。
除了在這種情況。物理學家們使用一個微型的兩比特量子計算機，編寫出一種算法，該算法可以將波的每一個波紋返回到產生它的粒子上，從而消除事件並有效地使時光倒退。
另一台量子計算機看到了16種未來
（圖片來源：Sergei Slussarenko /格里菲斯大學）
量子計算機依賴疊加而不是1和0，它們具備一次執行多個計算的能力。這一優勢在2019年開發的新型量子預測引擎中得到了充分展示。該引擎背後的研究人員通過模擬一系列關聯事件，能夠將16種可能的未來編碼為引擎中的單個光子。現在是多任務處理！
雷鋒網(公眾號：雷鋒網)編譯，via livescience
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雷鋒網原創文章，未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知。
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：包永剛
小規模的事件也會產生巨大的後果。沒有哪個學科能比量子物理學更好地證明了這一點，量子物理學探索的是非常小物體的奇怪行為。在2019年，量子實驗進入了新的領域，儘管存在一些爭議，實用的量子計算距離現實越來越近。下面這些是2019年最重要、最令人驚訝的量子事件。
Google宣佈“量子霸權”
（圖片來源：Eric Lucero / Google，Inc.）
如果2019年有一個量子新聞要被載入史冊，那可能是來自Google的一個重大公告：這家科技公司宣佈已實現“ 量子霸權（Quantum Supremacy）”。這是一種自命不凡的説法，那就是Google所製造的計算機可以比傳統計算機更快地執行某些任務。（經典計算機依賴於常規的1和0，例如你用於閲讀本文的設備。）
Google的量子霸權主張如果得到證實，將標誌着計算機歷史上的一個轉折點。量子計算機依賴奇怪的小規模物理效應（例如糾纏），以及納米宇宙中的某些不確定性來執行計算。從理論上講，這種特性使這些計算機比傳統計算機具有某些優勢。它們可以輕鬆破解傳統的加密方案，發送完美加密的消息，比傳統計算機更快地運行某些模擬計算，更容易解決通常認為的難題。困難在於，直到Google的宣佈之前，沒有人能製造出和理論一樣，足夠快的量子計算機，或者至少沒有一個人能做到。
但是，並非所有人都接受這家科技公司的量子霸權主張。俄克拉荷馬州立大學的量子懷疑論者和研究員Subhash Kak在一篇文章中闡述了進行生命科學的幾個原因。
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千克量子
2019年的另一個量子拐點來自度量衡世界。標準的千克是定義所測量物體質量的單位，在130年的歷史裏，都是以在法國一個房間裏重2.2磅的鉑銥圓柱體為標準。不過這個在今年發生了改變。
舊的公斤相當好，過去幾乎沒有變化。但是新的千克幾乎完美，它是基於質量和能量之間的基本關係，以及量子尺度上能量行為的奇怪特性，物理學家能夠得出一個千克的定義，該定義從今年到宇宙終結將不會改變。
現實有點破裂
圖片來源：Shutterstock / Juergen Faelchle）
一個物理學家團隊設計了一個量子實驗，實驗表明事實會根據一個人對形勢的看法發生變化。物理學家使用微型量子計算機中的光子進行了一次“拋硬幣”，得到的結論是，在不同的探測器上結果是不同的，這取決於他們的觀點。
實驗學家在《生命科學》上的一篇文章中寫道：“我們證明，在由量子力學的奇怪規則支配的原子和粒子的微觀世界中，兩個不同的觀察者有權獲得自己的事實。換句話説，根據我們對自然本身構成部分的最佳理論，事實實際上可以是主觀的。”
首次看到糾纏圖像
（圖片來源：格拉斯哥大學/ CC得分4.0）
物理學家第一次拍攝了阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）描述為“遠距離的怪異動作”現象的照片，其中兩個粒子儘管被隔開一定距離仍保持物理聯繫。量子世界的這一特徵早已通過實驗驗證，但這是第一次有人看到它。
最大規模疊加
（圖片來源：維也納大學Yaakov Fein）
在某些方面，量子疊加是量子糾纏的反義詞，它使單個物體可以同時處於兩個（或多個）位置，這是物質作為粒子和波同時存在的結果。通常，這是通過像電子這樣的微小顆粒來實現的。
但是在2019年的一次實驗中，物理學家設法實現了有史以來最大規模的疊加：使用“龐大”的，來自醫學界稱為“富含氟烷基硫烷基鏈的低聚四苯基卟啉”的2000個原子的分子。
熱量穿越真空
照片顯示了允許熱量穿過空白空間的實驗裝置。（圖片來源：加州大學伯克利分校的紫羅蘭·卡特）
在正常情況下，熱量只能以一種方式穿越真空——輻射。（在夏日，當太陽的光線越過空間穿透你的臉時，你會感受到。）在標準物理模型中，熱量以兩種方式移動：首先，帶電粒子可以撞擊成其它粒子並轉移其能量。（用手握住一杯温暖的茶上即可感覺到這種效果。）其次，温暖的液體可以替代較冷的液體。（當你打開車內的加熱器，使温暖的空氣充滿車內時，就會發生這種情況。）因此，沒有輻射，熱量就無法越過真空。
但是像往常一樣，量子物理學打破了規則。在2019年的一次實驗中，物理學家發現了這樣一個事實，在量子維度上，真空並不是真正的空。取而代之的是，它們充滿了微小的、隨機的波動，這些波動會突然出現或消失。研究人員發現，在足夠小的範圍內，熱量可以通過從一個波動躍遷到顯然是空的空間中的另一個波動，從而穿越真空。
因果反轉
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接下來的發現遠非經過實驗驗證的發現，甚至超出了傳統量子物理學的領域。但是研究量子引力（一種旨在統一量子力學世界和愛因斯坦的廣義相對論的理論構架）的研究人員表明，在某些情況下，一個事件可能會導致時間更早事件發生的效應。
由於廣義相對論，某些非常重的物體可能會影響它們附近的時間流。我們知道這是真的。量子疊加表明物體可以同時在多個地方。研究人員寫道，將一個非常重的物體（例如大行星）置於量子疊加狀態，你可以設計因果關係順序錯誤的奇異場景。
量子隧道破裂
（圖片來源：Shutterstock）
物理學家早就知道一種被稱為“量子隧穿”的奇怪效應，也就是粒子穿過似乎無法通過的屏障。不是因為它們太小而發現了孔，2019年，一項實驗説明了這是如何發生的。
量子物理學説粒子也是波，你可以將這些波視為粒子位置的概率預測。但是它們仍然在波動。海浪撞向海洋中，它會損失一些能量，但另一側會出現較小的海浪。研究人員發現，在量子世界中也會發生類似的效應。而且，只要在障礙物的遠端還有幾分概率波，粒子就有機會使其穿過障礙物，並在似乎不適合的空間中穿行。
金屬氫可能已經出現在地球上
（圖片來源：NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Gerald Eichstadt / Justin Cowart）
對於超高壓物理學來説，這是重要的一年。最大膽的主張之一來自法國的一家實驗室，該實驗室宣佈已為材料科學創造了一種聖盃物質——金屬氫。在足夠高的壓力下，例如被認為存在於木星核心的壓力，單質子氫原子被認為是鹼金屬。但是，從來沒有人能夠產生足夠高的壓力來證明在實驗室中的效果。該團隊説，今年他們看到了425吉帕斯卡（420萬倍於海平面的大氣壓）。但是，並非每個人都贊成該主張。
量子烏龜
（圖片來源：芝加哥大學Courtesy of Lei Feng）
用磁場破壞大量的過冷原子，你將看到“量子煙花”：原子噴流沿隨機的方向發射。研究人員懷疑煙花中可能有圖案，但是從外觀上並不清楚。不過，藉助計算機，研究人員發現了煙花效果的形狀——量子烏龜。但是，還沒有人知道為什麼要採用這種形狀。
一台微型量子計算機使時光倒流
（圖片來源：Africa Studio / Shutterstock）
時間只能朝一個方向移動：向前。將牛奶灑在地面上，無法完全乾燥污垢並將同樣乾淨的牛奶倒回杯中。一個擴散的量子波函數是不會擴散的。
除了在這種情況。物理學家們使用一個微型的兩比特量子計算機，編寫出一種算法，該算法可以將波的每一個波紋返回到產生它的粒子上，從而消除事件並有效地使時光倒退。
另一台量子計算機看到了16種未來
（圖片來源：Sergei Slussarenko /格里菲斯大學）
量子計算機依賴疊加而不是1和0，它們具備一次執行多個計算的能力。這一優勢在2019年開發的新型量子預測引擎中得到了充分展示。該引擎背後的研究人員通過模擬一系列關聯事件，能夠將16種可能的未來編碼為引擎中的單個光子。現在是多任務處理！
雷鋒網(公眾號：雷鋒網)編譯，via livescience
相關文章：
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亞馬遜AWS宣佈進軍量子計算 | re:Invent
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炮轟 Google “實現量子霸權”論，IBM 拿出了終極依據
雷鋒網原創文章，未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知。
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：包永剛