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走进神秘的量子世界：微观之旅的奇妙探索

距离量子物理学的诞生已经过去了120多年，它催生的第一次量子革命带来了诸多颠覆性技术。如今，我们站在第二次量子革命的门槛上，前方是未知而充满魅力的量子领域。

量子力学，如同一本揭示微观世界奥秘的书籍。当我们进入这个比头发丝还要小1000万倍的微型世界时，会发现物质与能量的表现方式发生了根本性的变化。它们不再连续，而是变得离散。就像走上楼梯的人，只能站在整数台阶上，而无法站在小数位置上。这种离散的物理学概念，就是量子。

生活中的太阳光、灯光都是由一个个光子组成的。这些光子能量极小，但它们的组合构成了我们周围的世界。更为神奇的是，组成物质的基本单位——原子，其特征尺度比纳米还要小10倍。目前，量子领域的多种技术已经能够精确探测到如此微小的物体和能量。

要理解量子，不妨通过一场保龄球游戏展开想象。想象一下保龄球在微观尺度下的运动——缩小到只有原子大小。在这样的尺度下，保龄球的运动会产生怎样的现象？重复多次后，你会发现撞击痕迹不再是两条条纹，而是多条纹干涉现象。后方挡板最中间，反而是撞击概率最高的地方。这其实是以游戏的方式，描绘了物理历史上最经典的实验之一：单电子双缝干涉实验。

这个游戏揭示了一个奇怪的原理：在微观领域，物体可以同时处于多种状态。这就引出了量子力学的“相干叠加”原理。就像《西游记》中孙悟空的“分身术”，微观保龄球仿佛能变成两个分身，同时从两道缝隙间穿过。这在宏观世界中是无法想象的。

量子相干叠加原理为量子计算在特定问题上的处理提供了强大的计算能力。计算的基本单元是比特，也就是宏观世界中的0或1。但在量子世界中，它们可以同时存在多种状态。这使得量子计算具有处理指数级增长的数据能力。例如，一个寄存器可以同时存在2的N次方种状态，通过量子并行处理和巧妙的算法设计，可以在特定问题上实现量子加速。

量子世界中的现象也让许多物理学家感到惊讶。比如是否观测量子系统会反过来影响物理系统本身的状态。这就是所谓的“观察者效应”。薛定谔提出的“薛定谔的猫”假想实验就是探讨这一现象的典型例子。在这个实验中，一只猫可以处于既死又活的状态，直到被观察时才会坍缩到一种确定的状态。

量子纠缠是另一个经典物理学中不存在的奇怪现象。在量子世界中，两个纠缠的粒子无论相隔多远都保持着关联。这种量子随机性也为科学家们提供了量子加密的可能性。单光子传输过程中的行为会不可避免地改变通信载体的状态，从而被察觉。科学家们正试图利用这些可观测的量子效应来解决传统信息技术的一些问题。

随着第二次量子革命的推动，量子通信、量子计算和量子精密测量等前沿领域成果丰硕。我国在远距离量子通信方面已经领先欧洲和美国五年以上，尤其是成功发射了世界首颗量子科学实验卫星——墨子号，实现了千公里量级的通信。这一重大突破在营口奖颁奖典礼上得到了高度评价。

量子计算作为一种全新的计算范式，代表着后摩尔时代科技发展的方向。为解决经典计算机难以解决的高复杂度问题提供了新的可能。从概念提出到现在，整个领域面临的技术难题是如何真正制造出量子计算原型机，实现所谓的“量子计算优越性”。这一历史性目标已成为国际竞争的焦点。

面对激烈的国际竞争，我国科研团队在量子计算领域取得了重大突破。以“九章”系列量子计算原型机为例，我国科研团队不仅完成了理论创新，还攻克了核心技术难关，成功构建了光子型量子计算机。其中，“九章二号”在求解高斯玻色取样问题时，速度远超全球其他超级计算机。我国科研团队还成功构建了超导量子计算原型机“祖冲之号”，在两种主流物理体系上都实现了量子计算优越性。这一成果得到了国际学术界的高度评价，被誉为展示了新的可能性。

未来，为了实现有实际应用价值的专用量子模拟机，并最终构建超过百万甚至千万比特的量子计算机，科研人员还需攀登新的高峰。这需要运用量子纠错技术将错误率降至百亿分之一左右，才能进行大数分解。目前，我国的年轻科研人才正在积极攻关下一代量子计算原型机，他们是中国量子科学未来的希望。让我们期待他们带来更多的突破和创新！

（整理自光明日报李春剑报道）光明日报（光明网版）如有需要更多关于量子科学的信息或对文章内容有任何疑问，欢迎致电我们的客户服务专线：了解更多详情。