一百年前，量子力学仍被视为难以理解的激进理论；如今，它已成为多项关键技术的理论基础，应用范围覆盖激光、微芯片、量子计算机以及安全通信等领域。
《科学》杂志近日发表一篇文章，德克萨斯农工大学杰出教授马兰·斯卡利（Marlan Scully）在文中回顾量子力学从早期理论争论到推动现实技术与前沿研究的演进路径。斯卡利同时隶属于普林斯顿大学。他表示，量子力学最初用于解释微小粒子的行为，而当下已推动了此前难以想象的创新。
斯卡利在量子光学领域的研究与教学影响广泛。他合著教材《量子光学》，并在相干纳米激光光谱学等方向开展工作，相关研究使得以原子分辨率研究分子成为可能。文章还提到，他提出的量子热机相关思想对经典热力学极限提出挑战。
从思想实验到现实影响
文章将1935年欧文·薛定谔提出的“猫悖论”作为量子理论“怪异性”的代表案例：在未被观测前，系统可处于叠加态。斯卡利在文中指出，这类概念已不再停留在哲学讨论层面，而与量子计算、量子密码学以及引力波探测等研究方向相关。
在理论发展方面，早期研究者包括薛定谔与维尔纳·海森堡，分别以波动力学与矩阵力学提出不同表述，相关框架随后走向融合，并发展为量子场论，用于解释粒子与电磁力、核力等相互作用。文章同时提及尼尔斯·玻尔的早期原子模型对量子理论形成的影响。
量子相干与纠缠的技术路径
文章强调，量子相干是量子理论中具有关键意义的概念之一，用于描述原子、光子等粒子在一定条件下保持关联并协同作用的特性。基于这一原理，激光技术得以实现，并在条码扫描、眼科手术及科研等场景中广泛应用。
量子相干也与量子纠缠相关。文章提到，爱因斯坦曾将纠缠称为“幽灵般的远距离作用”。纠缠使粒子能够通过量子特性共享信息，推动量子加密技术发展，并提升包括LIGO在内的引力波探测装置的灵敏度。
量子热机与经典极限
在应用层面，文章提到量子热机研究引发关注。经典热机效率受热力学所描述的卡诺极限约束，而研究人员尝试利用量子相干等效应设计可能突破这一限制的装置。斯卡利在文中将其视为量子原理改写经典物理规则的例证。
延伸至生物学与宇宙问题
文章指出，量子力学的影响正扩展至物理学之外。例如，相干拉曼光谱等技术可用于在纳米尺度上绘制病毒等对象的图谱。
在宇宙尺度问题上，文章提到弦理论与量子引力等研究方向试图统一量子力学与爱因斯坦相对论，这一挑战长期存在。此外，湍流作为影响飞行安全、天气与气候的重要现象，长期难以被完整解释。文章称，研究人员通过研究表现出特殊量子行为的超流氦，获得了可能用于改进风暴预报、气候模型并提升飞行安全的规律线索。
仍待回答的问题
文章认为，尽管量子力学已带来大量成果，但仍存在未解问题，包括引力是否能够被量子化、量子计算机在医学与材料科学中的潜在作用，以及量子技术可能揭示的宇宙信息等。斯卡利在文中表示，持续探索仍是推动相关领域前进的关键。
量子力学影响现实生活的五个方向
- 激光：从超市条码扫描到眼科手术，依赖光放大的量子原理。
- 安全通信：量子密码学用于构建保护敏感数据的编码方式。
- 更快计算：量子计算机被认为有望在极短时间内完成经典计算机需要极长时间才能完成的任务。
- 更精准测量：引力波探测器利用“压缩光”等量子方法提升对时空涟漪的探测能力。
- 医学相关技术：基于量子的成像与光谱技术帮助研究人员在原子层面研究病毒与分子。
