量子鼓 - 簡介

是由美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家安德魯·克萊蘭德和約翰·馬丁尼斯與同事一起設(shè)計(jì)的一種“實(shí)驗(yàn)機(jī)械”的實(shí)驗(yàn)裝置。其運(yùn)動(dòng)方式只能用量子力學(xué)來描述。由于實(shí)驗(yàn)在概念上的拓展、實(shí)驗(yàn)背后的獨(dú)創(chuàng)性以及其眾多的潛在用途，這一首創(chuàng)的量子機(jī)械是2010年的年度突破。《科學(xué)》雜志將其評選為2010年最重大的科學(xué)突破。

美國《科學(xué)》雜志

是對宏觀物體量子效應(yīng)的首次觀測。是科學(xué)家們第一次在一種人造物體的運(yùn)動(dòng)中示范了量子效應(yīng)。這在概念層次上來說非?？?，因?yàn)樗鼘⒘孔恿W(xué)擴(kuò)展到了一個(gè)全新的領(lǐng)域之中。在實(shí)用的層面上，它開啟了多種可能性：從將光量子調(diào)控以及電流和運(yùn)動(dòng)相融合的新實(shí)驗(yàn)到也許某一天人們可以測試量子力學(xué)的界限以及我們的現(xiàn)實(shí)感。

量子鼓英文為“Quantum drums”

量子鼓 - 新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

首次觀測到宏觀物體量子效應(yīng)

12月21日出版的美國《科學(xué)》雜志評出了2001年十大科技成就

研究中，科學(xué)家首先將“量子鼓”冷卻至“基態(tài)”(量子力學(xué)定律中的最低能態(tài))。隨即，將“量子鼓”提高一個(gè)量子級，讓其達(dá)到激發(fā)態(tài)。 此外，研究人員甚至設(shè)法讓“量子鼓”同時(shí)處于兩種能態(tài)，以同時(shí)處在振動(dòng)和不振動(dòng)的疊加狀態(tài)，這種奇怪的現(xiàn)象合理地存在于量子力學(xué)獨(dú)特的法則中。

量子力學(xué)的法則也適用于宏觀物體

量子機(jī)械證明，量子力學(xué)原理既適用于大到肉眼可見物體的運(yùn)動(dòng)，又適用于原子和亞原子顆粒的運(yùn)動(dòng)。它為人們朝著完全控制物體量子級振動(dòng)的方向邁出 了關(guān)鍵性的第一步。這種對某種人造裝置運(yùn)動(dòng)的控制將允許科學(xué)家們操控那些微小的運(yùn)動(dòng)，如同他們現(xiàn)在對電流和光子的控制。這種能力轉(zhuǎn)而可能引導(dǎo)人們開發(fā)出新裝置以控制光量子態(tài)、超靈敏力探測器，并最終探求量子力學(xué)和我們現(xiàn)實(shí)感之間的界限。

量子鼓 - 薛定諤貓

宏觀物體的量子效應(yīng)可以追溯到薛定諤的“薛定諤貓”理想實(shí)驗(yàn)。該理論認(rèn)為，量子力學(xué)不適用于由微觀粒子組成的宏觀體。

“薛定諤貓”是關(guān)于量子理論的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。設(shè)想在一個(gè)封閉的匣子里，有一只活貓、一小瓶毒藥、毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出α粒子，觸動(dòng)電子開關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，貓必死無疑。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，盒子都是密封的。按照常識，貓要么死，要么能活著。但是，薛定諤認(rèn)為，存在一個(gè)中間態(tài)，貓既不死也不活，貓可能處于死了和活著之間的一種“疊加”狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)中，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的安德魯·克萊蘭領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)約30微米長的細(xì)小的木槳(“量子鼓”)，當(dāng)該木槳以一定的頻率運(yùn)動(dòng)時(shí)會震動(dòng)。接著，他們給這個(gè)木槳通上了遵守量子力學(xué)法則的超導(dǎo)電路，隨后，他們將整個(gè)系統(tǒng)冷卻，讓系統(tǒng)處于量子基態(tài)。

克萊蘭和同事證實(shí)，處于基態(tài)的木槳沒有任何振動(dòng)能。他們接著通過同樣的超導(dǎo)電路給木槳一個(gè)推動(dòng)力，隨后，他們觀察到該木槳以一個(gè)特定的能量擺動(dòng)。接下來，研究人員將量子電路置于“推動(dòng)”和“不推”的疊加狀態(tài)，并且將它同木槳聯(lián)通，通過一系列非常精細(xì)的測試，研究人員證明，木槳同時(shí)處在振動(dòng)和不振動(dòng)的疊加狀態(tài)。

美國物理學(xué)會院士、俄勒岡大學(xué)教授王海林(音譯)表示，研究結(jié)論非?！傲钊顺泽@”。他們的研究表明，量子力學(xué)的法則也適用于宏觀物體，這對物理學(xué)的發(fā)展非常有用。

至于為什么我們很難在日常生活中觀察到宏觀物體處于量子狀態(tài)?克萊蘭表示，物體的大小確實(shí)起著重要的作用，物體越大，外力越容易破壞其量子狀態(tài)。

盡管如此，他仍然表示，我們需要讓更大的物體進(jìn)入量子狀態(tài)，大物體的量子狀態(tài)能夠給研究人員提供更多的信息，比如量子力學(xué)和引力之間的關(guān)系等，另外，這也將為量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)提供更多的信息。

量子鼓 - 證明人不可能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方

量子機(jī)械證明，量子力學(xué)原理適用于大到肉眼可見的物體的運(yùn)動(dòng)以及原子和亞原子顆粒的運(yùn)動(dòng)。它為人們朝著在量子水平獲取對一種物體的振動(dòng)的完全控制的方向邁出了關(guān)鍵性的第一步。這種對某種人造裝置的運(yùn)動(dòng)控制將允許科學(xué)家們操控那些極小的運(yùn)動(dòng)，這很像他們現(xiàn)在對電流和光粒子的控制。這種能力轉(zhuǎn)而可能會導(dǎo)致控制光量子態(tài)、超敏感力探測器等新裝置的出現(xiàn)以及最終的對量子力學(xué)的界限和我們的現(xiàn)實(shí)感的研究。(最后的這一宏偉目標(biāo)可以通過嘗試將一個(gè)肉眼可見的物體放入到一個(gè)能態(tài)中來完成;在這一能態(tài)中，該物體可同時(shí)直接處于2個(gè)略微不同的地方——這一實(shí)驗(yàn)可準(zhǔn)確地披露為什么大到像人這樣的物體不可能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方。)

請注意，物理學(xué)家還沒有達(dá)到讓一個(gè)像這樣細(xì)小的物體同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方的境界。但現(xiàn)在他們已經(jīng)進(jìn)入到量子運(yùn)動(dòng)的最簡單的狀態(tài);看來做到它要比過去容易得多了：這更像是一個(gè)‘什么時(shí)候可做到’而不是‘是否能做到’的問題?！?/p>

量子鼓 - 其它9大開創(chuàng)性成就的名錄

《科學(xué)》雜志2010年的其它9大開創(chuàng)性成就的名錄如下

合成生物學(xué)

合成生物學(xué)：在生物學(xué)和生物技術(shù)的一個(gè)決定性時(shí)刻，研究人員構(gòu)建了一個(gè)合成的基因組，并用它轉(zhuǎn)變了一種細(xì)菌的身份特性。該基因組取代了該細(xì)菌的DNA，使其生產(chǎn)出一組新的蛋白質(zhì)——這一成就促使國會對合成生物學(xué)召開了一個(gè)聽證會。研究人員預(yù)計(jì)，將來，定制的合成基因組可用來產(chǎn)生生物燃料、醫(yī)藥品或其它有用的化學(xué)制品。

尼安德特人基因組

尼安德特人基因組：研究人員對在3萬8000年至4萬4000年前曾經(jīng)生活在克羅地亞的3個(gè)女性尼安德特人的骨頭做了尼安德特人的基因組測序。對DNA降解片段進(jìn)行測序的新方法使得科學(xué)家們能夠第一次對現(xiàn)代人基因組與我們的尼安德特人祖先的基因組進(jìn)行直接的比較。

HIV預(yù)防

HIV預(yù)防：對預(yù)防HIV的兩種不同且新穎的方法的試驗(yàn)報(bào)道了所取得的不容置疑的成功：一種含有抗HIV藥物泰諾福韋(tenofovir)的陰道凝膠可使女性中HIV的感染減少39%，而一種口腔預(yù)先接觸的預(yù)防法可令一組與男性發(fā)生性關(guān)系的男子和變性女子的HIV感染減少43.8%。

罕見疾病基因

外顯子組測序/罕見疾病基因：通過只對某一基因組中的外顯子(或者說是那個(gè)極小的實(shí)際編碼蛋白質(zhì)的基因組部分)進(jìn)行測序，研究罕見遺傳性疾病的研究人員能夠發(fā)現(xiàn)造成至少12種疾病的特別的基因突變;這些遺傳性疾病是由某個(gè)單獨(dú)的有缺陷的基因引起的。

分子動(dòng)力學(xué)模擬

分子動(dòng)力學(xué)模擬：模擬蛋白質(zhì)在折疊時(shí)的旋轉(zhuǎn)一直是一種組合上的噩夢。如今，研究人員利用了世界上最強(qiáng)力的電腦之一的能力來跟蹤在一個(gè)小的正在折疊的蛋白質(zhì)中的原子運(yùn)動(dòng)，其能跟蹤的時(shí)間要比過去任何一種方法都要長100倍。

相關(guān)論文：Atomic-Level Characterization of the Structural Dynamics of Proteins

量子模擬器

量子模擬器：為了描繪在實(shí)驗(yàn)室所看見的情況，物理學(xué)家根據(jù)方程式推出了一些理論。這些方程式可能極其難以解出。但是在今年，研究人員通過量子模擬器發(fā)現(xiàn)了一條捷徑——即在人造的晶體中，激光光點(diǎn)扮演著截留在光中的電子位置的離子和原子的角色。這些裝置給在凝聚態(tài)物理學(xué)中的理論問題提供了快速的答案，它們可能最終會幫助人們解決諸如超導(dǎo)性等的謎團(tuán)。

相關(guān)論文：A Rydberg quantum simulator

下一世代的基因組學(xué)

下一世代的基因組學(xué)：更快更廉價(jià)的測序技術(shù)使人們能夠?qū)h(yuǎn)古和現(xiàn)代的DNA進(jìn)行非常大規(guī)模的研究。例如，1千個(gè)基因組計(jì)劃已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了令我們?nèi)祟惇?dú)一無二的基因組變異——而其它正在進(jìn)行中的計(jì)劃一定還會披露更多的基因組功能。

RNA的重新編程

RNA的重新編程：重新編程細(xì)胞——即將細(xì)胞的發(fā)育時(shí)鐘回?fù)?，使其表現(xiàn)如胚胎中的非特異性的“干細(xì)胞”——已經(jīng)成為一種研究疾病和發(fā)育的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。今年，研究人員找到了一種用合成RNA來做這一工作的方法。與以往的方法相比，這種新的技術(shù)的速度要快2倍，功效要高100倍，并在治療應(yīng)用上可能更為安全。

大鼠的回歸

大鼠的回歸：小鼠統(tǒng)治著實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)物世界，但研究人員為了諸多目的而更愿意用大鼠。人們更容易用大鼠來做實(shí)驗(yàn)，而大鼠在解剖上也與人類更加相似;但大鼠的重大缺陷是：用以制造“基因分離小鼠”——在這些動(dòng)物中根據(jù)研究需要而將其某些特定的基因準(zhǔn)確地關(guān)閉——的方法在大鼠中無效。然而，今年有一系列的研究承諾會給實(shí)驗(yàn)室?guī)泶笈摹盎蚍蛛x大鼠”。

量子鼓 - 什么是量子力學(xué)

是描寫微觀物質(zhì)的一個(gè)物理學(xué)理論，與相對論一起被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱，許多物理學(xué)理論和科學(xué)如原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)以及其它相關(guān)的學(xué)科都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)。

19世紀(jì)末，經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)在描述微觀系統(tǒng)時(shí)的不足越來越明顯。量子力學(xué)是在20世紀(jì)初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、薛定諤、沃爾夫?qū)づ堇?、德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費(fèi)米、保羅·狄拉克等一大批物理學(xué)家共同創(chuàng)立的。通過量子力學(xué)的發(fā)展人們對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及其相互作用的見解被革命化地改變。通過量子力學(xué)許多現(xiàn)象才得以真正地被解釋，新的、無法直覺想象出來的現(xiàn)象被預(yù)言，但是這些現(xiàn)象可以通過量子力學(xué)被精確地計(jì)算出來，而且后來也獲得了非常精確的實(shí)驗(yàn)證明。除通過廣義相對論描寫的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力學(xué)的框架內(nèi)描寫(量子場論)。

量子鼓 - 量子力學(xué)物理意義

基礎(chǔ)測量過程

量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)主要區(qū)別，在于測量過程在理論中的地位。在經(jīng)典力學(xué)中，一個(gè)物理系統(tǒng)的位置和動(dòng)量，可以無限精確地被確定和被預(yù)言。至少在理論上，測量對這個(gè)系統(tǒng)本身，并沒有任何影響，并可以無限精確地進(jìn)行。在量子力學(xué)中，測量過程本身對系統(tǒng)造成影響。

要描寫一個(gè)可觀察量的測量，需要將一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，線性分解為該可觀察量的一組本征態(tài)的線性組合。測量過程可以看作是在這些本征態(tài)上的一個(gè)投影，測量結(jié)果是對應(yīng)于被投影的本征態(tài)的本征值。假如，對這個(gè)系統(tǒng)的無限多個(gè)拷貝，每一個(gè)拷貝都進(jìn)行一次測量的話，我們可以獲得所有可能的測量值的機(jī)率分布，每個(gè)值的機(jī)率等于對應(yīng)的本征態(tài)的系數(shù)的絕對值平方。

由此可見，對于兩個(gè)不同的物理量 A 和 B 的測量順序，可能直接影響其測量結(jié)果。事實(shí)上，不相容可觀察量就是這樣的 。

不確定性原理

主條目：不確定性原理

最著名的不相容可觀察量，是一個(gè)粒子的位置 x 和動(dòng)量 p 。它們的不確定性 Δx 和 Δp 的乘積，大于或等于普朗克常數(shù)的一半：

這個(gè)公式被稱為不確定性原理。它是由海森堡首先提出的。不確定的原因是位置和動(dòng)量的測量順序，直接影響到其測量值，也就是說其測量順序的交換，直接會影響其測量值。

海森堡由此得出結(jié)論，認(rèn)為不確定性是由於測量過程的限制導(dǎo)致的，至于粒子的特性是否真的不確定還未知。玻爾則將不確定性看作是物理系統(tǒng)的一個(gè)原理。今天的物理學(xué)見解基本上接受了玻爾的解釋。不過，在今天的理論中，不確定性不是單一粒子的屬性，而是一個(gè)系綜相同的粒子的屬性。這可以視為一個(gè)統(tǒng)計(jì)問題。不確定性是整個(gè)系綜的不確定性。也就是說，對于整個(gè)系綜來說，其總的位置的不確定性 Δx 和總的動(dòng)量的不確定性 Δp ，不能小于一個(gè)特定的值：

機(jī)率

通過將一個(gè)狀態(tài)分解為可觀察量本征態(tài) 的線性組合，可以得到狀態(tài)在每一個(gè)本征態(tài)的機(jī)率幅 ci 。這機(jī)率幅的絕對值平方 | ci | 2 就是測量到該本征值 ni 的機(jī)率，這也是該系統(tǒng)處于本征態(tài) 的機(jī)率。ci 可以通過將 投影到各本征態(tài) 上計(jì)算出來：

因此，對于一個(gè)系綜的完全相同系統(tǒng)的某一可觀察量，進(jìn)行同樣地測量，一般獲得的結(jié)果是不同的;除非，該系統(tǒng)已經(jīng)處于該可觀察量的本征態(tài)上了。通過對系綜內(nèi)，每一個(gè)同一狀態(tài)的系統(tǒng)，進(jìn)行同樣的測量，可以獲得測量值 ni 的統(tǒng)計(jì)分布。所有試驗(yàn)，都面臨著這個(gè)測量值與量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算的問題。

同樣粒子的不可區(qū)分性和泡利原理

由於從原則上，無法徹底確定一個(gè)量子物理系統(tǒng)的狀態(tài)，因此在量子力學(xué)中內(nèi)在特性(比如質(zhì)量、電荷等)完全相同的粒子之間的區(qū)分，失去了其意義。在經(jīng)典力學(xué)中，每個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，全部是完全可知的，它們的軌跡可以被預(yù)言。通過一個(gè)測量，可以確定每一個(gè)粒子。在量子力學(xué)中，每個(gè)粒子的位置和動(dòng)量是由波函數(shù)表達(dá)，因此，當(dāng)幾個(gè)粒子的波函數(shù)互相重疊時(shí)，給每個(gè)粒子“掛上一個(gè)標(biāo)簽”的做法失去了其意義。

這個(gè)全同粒子 (identical particles) 的不可區(qū)分性，對狀態(tài)的對稱性，以及多粒子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，有深遠(yuǎn)的影響。比如說，一個(gè)由全同粒子組成的多粒子系統(tǒng)的狀態(tài)，在交換兩個(gè)粒子“1”和粒子“2”時(shí)，我們可以證明，不是對稱的 ，就是反對稱的 。對稱狀態(tài)的粒子被稱為玻色子，反對稱狀態(tài)的粒子被稱為費(fèi)米子。此外自旋的對換也形成對稱：自旋為半數(shù)的粒子(如電子、質(zhì)子和中子)是反對稱的，因此是費(fèi)米子;自旋為整數(shù)的粒子(如光子)是對稱的，因此是玻色子。

這個(gè)深?yuàn)W的粒子的自旋、對稱和統(tǒng)計(jì)學(xué)之間關(guān)系，只有通過相對論量子場論才能導(dǎo)出，但它也影響到了非相對論量子力學(xué)中的現(xiàn)象。費(fèi)米子的反對稱性的一個(gè)結(jié)果是泡利不相容原理，即兩個(gè)費(fèi)米子無法占據(jù)同一狀態(tài)。這個(gè)原理擁有極大的實(shí)用意義。它表示在我們的由原子組成的物質(zhì)世界裡，電子無法同時(shí)占據(jù)同一狀態(tài)，因此在最低狀態(tài)被占據(jù)后，下一個(gè)電子必須占據(jù)次低的狀態(tài)，直到所有的狀態(tài)均被滿足為止。這個(gè)現(xiàn)象決定了物質(zhì)的物理和化學(xué)特性。

費(fèi)米子與玻色子的狀態(tài)的熱分布也相差很大：玻色子遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，而費(fèi)米子則遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。

量子糾纏

主條目：量子糾纏

往往一個(gè)由多個(gè)粒子組成的系統(tǒng)的狀態(tài)，無法被分離為其組成的單個(gè)粒子的狀態(tài)，在這種情況下，單個(gè)粒子的狀態(tài)被稱為是糾纏的。糾纏的粒子有驚人的特性，這些特性違背一般的直覺。比如說，對一個(gè)粒子的測量，可以導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的波包立刻塌縮，因此也影響到另一個(gè)、遙遠(yuǎn)的、與被測量的粒子糾纏的粒子。這個(gè)現(xiàn)象并不違背狹義相對論，因?yàn)樵诹孔恿W(xué)的層面上，在測量粒子前，你不能定義它們，實(shí)際上它們?nèi)允且粋€(gè)整體。不過在測量它們之後，它們就會脫離量子糾纏這狀態(tài)。

量子退相干

主條目：量子退相干

作為一個(gè)基本理論，量子力學(xué)原則上，應(yīng)該適用于任何大小的物理系統(tǒng)，也就是說不僅限于微觀系統(tǒng)，那么，它應(yīng)該提供一個(gè)過渡到宏觀“經(jīng)典”物理的方法。量子現(xiàn)象的存在提出了一個(gè)問題，即怎樣從量子力學(xué)的觀點(diǎn)，解釋宏觀系統(tǒng)的經(jīng)典現(xiàn)象。尤其無法直接看出的是，量子力學(xué)中的疊加狀態(tài)，如何應(yīng)用到宏觀世界上來。1954年，愛因斯坦在給馬克斯·波恩的信中，就提出了怎樣從量子力學(xué)的角度，來解釋宏觀物體的定位的問題，他指出僅僅量子力學(xué)現(xiàn)象太“小”無法解釋這個(gè)問題。

這個(gè)問題的另一個(gè)例子是由薛定諤提出的薛定諤的貓的思想實(shí)驗(yàn)。

直到1970年左右，人們才開始真正領(lǐng)會到，上述的思想實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上并不實(shí)際，因?yàn)樗鼈兒雎粤瞬豢杀苊獾呐c周圍環(huán)境的相互作用。事實(shí)證明，疊加狀態(tài)非常容易受周圍環(huán)境的影響。比如說，在雙縫實(shí)驗(yàn)中，電子或光子與空氣分子的碰撞或者發(fā)射輻射，就可以影響到對形成衍射非常關(guān)鍵的各個(gè)狀態(tài) 之間的相位的關(guān)系。在量子力學(xué)中這個(gè)現(xiàn)象，被稱為量子退相干。它是由系統(tǒng)狀態(tài)與周圍環(huán)境影響的相互作用導(dǎo)致的。這個(gè)相互作用可以表達(dá)為每個(gè)系統(tǒng)狀態(tài) 與環(huán)境狀態(tài) 的糾纏。其結(jié)果是只有在考慮整個(gè)系統(tǒng)時(shí)(即實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)+環(huán)境系統(tǒng))疊加才有效，而假如孤立地只考慮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài) 的話，那么就只剩下這個(gè)系統(tǒng)的“經(jīng)典”分布了。

即使在非常弱的環(huán)境影響下，一個(gè)宏觀物體也已經(jīng)在極短的時(shí)間里退相干了。

在上面的這個(gè)敘述中，有一個(gè)內(nèi)在的假設(shè)，即退相干后的系統(tǒng)，自然地是我們所熟悉的經(jīng)典系統(tǒng)。但是，這個(gè)假設(shè)并不是那么理所當(dāng)然。比如說，退相干后的宏觀系統(tǒng)，一般是我們所熟悉的位置狀態(tài)明確的狀態(tài)，而微觀系統(tǒng)則往往退相干為位置狀態(tài)不明確的狀態(tài)(比如能量特征狀態(tài))，這是為什么呢?這個(gè)問題的答案也來自周圍環(huán)境對系統(tǒng)的影響。事實(shí)上，只有不被退相干過程直接摧毀的狀態(tài)，才提供一個(gè)堅(jiān)固的、退相干后的可觀察量。

量子退相干是今天量子力學(xué)解釋宏觀量子系統(tǒng)的經(jīng)典性質(zhì)的主要方式。

對于量子計(jì)算機(jī)來說，量子退相干也有實(shí)際意義。在一臺量子計(jì)算機(jī)中，需要多個(gè)量子狀態(tài)盡可能地長時(shí)間保持疊加。退相干時(shí)間短是一個(gè)非常大的技術(shù)問題。

應(yīng)用

在許多現(xiàn)代技術(shù)裝備中，量子物理學(xué)的效應(yīng)起了重要的作用。從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置，都關(guān)鍵地依靠了量子力學(xué)的原理和效應(yīng)。對半導(dǎo)體的研究導(dǎo)致了二極管和三極管的發(fā)明，最后為現(xiàn)代的電子工業(yè)鋪平了道路。在核武器的發(fā)明過程中，量子力學(xué)的概念也起了一個(gè)關(guān)鍵的作用。

在上述這些發(fā)明創(chuàng)造中，量子力學(xué)的概念和數(shù)學(xué)描述，往往很少直接起了一個(gè)作用，而是固體物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)或者核物理學(xué)的概念和規(guī)則，起了主要作用，但是，在所有這些學(xué)科中，量子力學(xué)均是其基礎(chǔ)，這些學(xué)科的基本理論，全部是建立在量子力學(xué)之上的。

以下僅能列舉出一些最顯著的量子力學(xué)的應(yīng)用，而且，這些列出的例子，肯定也非常不完全。實(shí)際上，在現(xiàn)代的技術(shù)中，量子力學(xué)無處不在。

原子物理和化學(xué)

任何物質(zhì)的化學(xué)特性，均是由其原子和分子的電子結(jié)構(gòu)所決定的。通過解析包括了所有相關(guān)的原子核和電子的多粒子薛定諤方程，可以計(jì)算出該原子或分子的電子結(jié)構(gòu)。在實(shí)踐中，人們認(rèn)識到，要計(jì)算這樣的方程實(shí)在太復(fù)雜，而且在許多情況下，只要使用簡化的模型和規(guī)則，就足以確定物質(zhì)的化學(xué)特性了。在建立這樣的簡化的模型中，量子力學(xué)起了一個(gè)非常重要的作用。

一個(gè)在化學(xué)中非常常用的模型是原子軌道。在這個(gè)模型中，分子的電子的多粒子狀態(tài)，通過將每個(gè)原子的電子單粒子狀態(tài)加到一起形成。這個(gè)模型包含著許多不同的近似(比如忽略電子之間的排斥力、電子運(yùn)動(dòng)與原子核運(yùn)動(dòng)脫離等等)，但是它可以近似地、準(zhǔn)確地描寫原子的能級。除比較簡單的計(jì)算過程外，這個(gè)模型還可以直覺地給出電子排布以及軌道的圖像描述。

通過原子軌道，人們可以使用非常簡單的原則(洪德定則)來區(qū)分電子排布?；瘜W(xué)穩(wěn)定性的規(guī)則(八隅律、幻數(shù))也很容易從這個(gè)量子力學(xué)模型中推導(dǎo)出來。

通過將數(shù)個(gè)原子軌道加在一起，可以將這個(gè)模型擴(kuò)展為分子軌道。由於分子一般不是球?qū)ΨQ的，因此這個(gè)計(jì)算要比原子軌道要復(fù)雜得多。理論化學(xué)中的分支，量子化學(xué)和計(jì)算機(jī)化學(xué)，專門使用近似的薛定諤方程，來計(jì)算復(fù)雜的分子的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)特性的學(xué)科。

原子核物理學(xué)

原子核物理學(xué)是研究原子核性質(zhì)的物理學(xué)分支。它主要有三大領(lǐng)域：研究各類次原子粒子與它們之間的關(guān)系、分類與分析原子核的結(jié)構(gòu)、帶動(dòng)相應(yīng)的核子技術(shù)進(jìn)展。