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量子鼓 - 简介

是由美国加州大学圣巴巴拉分校的物理学家安德鲁·克莱兰德和约翰·马丁尼斯与同事一起设计的一种“实验机械”的实验装置。其运动方式只能用量子力学来描述。由于实验在概念上的拓展、实验背后的独创性以及其众多的潜在用途，这一首创的量子机械是2010年的年度突破。《科学》杂志将其评选为2010年最重大的科学突破。

美国《科学》杂志

是对宏观物体量子效应的首次观测。是科学家们第一次在一种人造物体的运动中示范了量子效应。这在概念层次上来说非常酷，因为它将量子力学扩展到了一个全新的领域之中。在实用的层面上，它开启了多种可能性：从将光量子调控以及电流和运动相融合的新实验到也许某一天人们可以测试量子力学的界限以及我们的现实感。

量子鼓英文为“Quantum drums”

量子鼓 - 新的科学发现

首次观测到宏观物体量子效应

12月21日出版的美国《科学》杂志评出了2001年十大科技成就

研究中，科学家首先将“量子鼓”冷却至“基态”(量子力学定律中的最低能态)。随即，将“量子鼓”提高一个量子级，让其达到激发态。 此外，研究人员甚至设法让“量子鼓”同时处于两种能态，以同时处在振动和不振动的叠加状态，这种奇怪的现象合理地存在于量子力学独特的法则中。

量子力学的法则也适用于宏观物体

量子机械证明，量子力学原理既适用于大到肉眼可见物体的运动，又适用于原子和亚原子颗粒的运动。它为人们朝着完全控制物体量子级振动的方向迈出 了关键性的第一步。这种对某种人造装置运动的控制将允许科学家们操控那些微小的运动，如同他们现在对电流和光子的控制。这种能力转而可能引导人们开发出新装置以控制光量子态、超灵敏力探测器，并最终探求量子力学和我们现实感之间的界限。

量子鼓 - 薛定谔猫

宏观物体的量子效应可以追溯到薛定谔的“薛定谔猫”理想实验。该理论认为，量子力学不适用于由微观粒子组成的宏观体。

“薛定谔猫”是关于量子理论的一个理想实验。设想在一个封闭的匣子里，有一只活猫、一小瓶毒药、毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。

在整个实验过程中，盒子都是密封的。按照常识，猫要么死，要么能活着。但是，薛定谔认为，存在一个中间态，猫既不死也不活，猫可能处于死了和活着之间的一种“叠加”状态。

在实验中，美国加州大学圣巴巴拉分校的安德鲁·克莱兰领导的科研团队使用了一个约30微米长的细小的木桨(“量子鼓”)，当该木桨以一定的频率运动时会震动。接着，他们给这个木桨通上了遵守量子力学法则的超导电路，随后，他们将整个系统冷却，让系统处于量子基态。

克莱兰和同事证实，处于基态的木桨没有任何振动能。他们接着通过同样的超导电路给木桨一个推动力，随后，他们观察到该木桨以一个特定的能量摆动。接下来，研究人员将量子电路置于“推动”和“不推”的叠加状态，并且将它同木桨联通，通过一系列非常精细的测试，研究人员证明，木桨同时处在振动和不振动的叠加状态。

美国物理学会院士、俄勒冈大学教授王海林(音译)表示，研究结论非常“令人吃惊”。他们的研究表明，量子力学的法则也适用于宏观物体，这对物理学的发展非常有用。

至于为什么我们很难在日常生活中观察到宏观物体处于量子状态?克莱兰表示，物体的大小确实起着重要的作用，物体越大，外力越容易破坏其量子状态。

尽管如此，他仍然表示，我们需要让更大的物体进入量子状态，大物体的量子状态能够给研究人员提供更多的信息，比如量子力学和引力之间的关系等，另外，这也将为量子计算机的研发提供更多的信息。

量子鼓 - 证明人不可能同时出现在两个地方

量子机械证明，量子力学原理适用于大到肉眼可见的物体的运动以及原子和亚原子颗粒的运动。它为人们朝着在量子水平获取对一种物体的振动的完全控制的方向迈出了关键性的第一步。这种对某种人造装置的运动控制将允许科学家们操控那些极小的运动，这很像他们现在对电流和光粒子的控制。这种能力转而可能会导致控制光量子态、超敏感力探测器等新装置的出现以及最终的对量子力学的界限和我们的现实感的研究。(最后的这一宏伟目标可以通过尝试将一个肉眼可见的物体放入到一个能态中来完成;在这一能态中，该物体可同时直接处于2个略微不同的地方——这一实验可准确地披露为什么大到像人这样的物体不可能同时出现在两个地方。)

请注意，物理学家还没有达到让一个像这样细小的物体同时出现在两个地方的境界。但现在他们已经进入到量子运动的最简单的状态;看来做到它要比过去容易得多了：这更像是一个‘什么时候可做到’而不是‘是否能做到’的问题。”

量子鼓 - 其它9大开创性成就的名录

《科学》杂志2010年的其它9大开创性成就的名录如下

合成生物学

合成生物学：在生物学和生物技术的一个决定性时刻，研究人员构建了一个合成的基因组，并用它转变了一种细菌的身份特性。该基因组取代了该细菌的DNA，使其生产出一组新的蛋白质——这一成就促使国会对合成生物学召开了一个听证会。研究人员预计，将来，定制的合成基因组可用来产生生物燃料、医药品或其它有用的化学制品。

尼安德特人基因组

尼安德特人基因组：研究人员对在3万8000年至4万4000年前曾经生活在克罗地亚的3个女性尼安德特人的骨头做了尼安德特人的基因组测序。对DNA降解片段进行测序的新方法使得科学家们能够第一次对现代人基因组与我们的尼安德特人祖先的基因组进行直接的比较。

HIV预防

HIV预防：对预防HIV的两种不同且新颖的方法的试验报道了所取得的不容置疑的成功：一种含有抗HIV药物泰诺福韦(tenofovir)的阴道凝胶可使女性中HIV的感染减少39%，而一种口腔预先接触的预防法可令一组与男性发生性关系的男子和变性女子的HIV感染减少43.8%。

罕见疾病基因

外显子组测序/罕见疾病基因：通过只对某一基因组中的外显子(或者说是那个极小的实际编码蛋白质的基因组部分)进行测序，研究罕见遗传性疾病的研究人员能够发现造成至少12种疾病的特别的基因突变;这些遗传性疾病是由某个单独的有缺陷的基因引起的。

分子动力学模拟

分子动力学模拟：模拟蛋白质在折叠时的旋转一直是一种组合上的噩梦。如今，研究人员利用了世界上最强力的电脑之一的能力来跟踪在一个小的正在折叠的蛋白质中的原子运动，其能跟踪的时间要比过去任何一种方法都要长100倍。

相关论文：Atomic-Level Characterization of the Structural Dynamics of Proteins

量子模拟器

量子模拟器：为了描绘在实验室所看见的情况，物理学家根据方程式推出了一些理论。这些方程式可能极其难以解出。但是在今年，研究人员通过量子模拟器发现了一条捷径——即在人造的晶体中，激光光点扮演着截留在光中的电子位置的离子和原子的角色。这些装置给在凝聚态物理学中的理论问题提供了快速的答案，它们可能最终会帮助人们解决诸如超导性等的谜团。

相关论文：A Rydberg quantum simulator

下一世代的基因组学

下一世代的基因组学：更快更廉价的测序技术使人们能够对远古和现代的DNA进行非常大规模的研究。例如，1千个基因组计划已经发现了令我们人类独一无二的基因组变异——而其它正在进行中的计划一定还会披露更多的基因组功能。

RNA的重新编程

RNA的重新编程：重新编程细胞——即将细胞的发育时钟回拨，使其表现如胚胎中的非特异性的“干细胞”——已经成为一种研究疾病和发育的标准实验室技术。今年，研究人员找到了一种用合成RNA来做这一工作的方法。与以往的方法相比，这种新的技术的速度要快2倍，功效要高100倍，并在治疗应用上可能更为安全。

大鼠的回归

大鼠的回归：小鼠统治着实验室的动物世界，但研究人员为了诸多目的而更愿意用大鼠。人们更容易用大鼠来做实验，而大鼠在解剖上也与人类更加相似;但大鼠的重大缺陷是：用以制造“基因分离小鼠”——在这些动物中根据研究需要而将其某些特定的基因准确地关闭——的方法在大鼠中无效。然而，今年有一系列的研究承诺会给实验室带来大批的“基因分离大鼠”。

量子鼓 - 什么是量子力学

是描写微观物质的一个物理学理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱，许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科都是以量子力学为基础。

19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、薛定谔、沃尔夫冈·泡利、德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克等一大批物理学家共同创立的。通过量子力学的发展人们对物质的结构以及其相互作用的见解被革命化地改变。通过量子力学许多现象才得以真正地被解释，新的、无法直觉想象出来的现象被预言，但是这些现象可以通过量子力学被精确地计算出来，而且后来也获得了非常精确的实验证明。除通过广义相对论描写的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写(量子场论)。

量子鼓 - 量子力学物理意义

基础测量过程

量子力学与经典力学的一个主要区别，在于测量过程在理论中的地位。在经典力学中，一个物理系统的位置和动量，可以无限精确地被确定和被预言。至少在理论上，测量对这个系统本身，并没有任何影响，并可以无限精确地进行。在量子力学中，测量过程本身对系统造成影响。

要描写一个可观察量的测量，需要将一个系统的状态，线性分解为该可观察量的一组本征态的线性组合。测量过程可以看作是在这些本征态上的一个投影，测量结果是对应于被投影的本征态的本征值。假如，对这个系统的无限多个拷贝，每一个拷贝都进行一次测量的话，我们可以获得所有可能的测量值的机率分布，每个值的机率等于对应的本征态的系数的绝对值平方。

由此可见，对于两个不同的物理量 A 和 B 的测量顺序，可能直接影响其测量结果。事实上，不相容可观察量就是这样的 。

不确定性原理

主条目：不确定性原理

最著名的不相容可观察量，是一个粒子的位置 x 和动量 p 。它们的不确定性 Δx 和 Δp 的乘积，大于或等于普朗克常数的一半：

这个公式被称为不确定性原理。它是由海森堡首先提出的。不確定的原因是位置和动量的测量顺序，直接影响到其测量值，也就是说其测量顺序的交换，直接会影响其测量值。

海森堡由此得出结论，认为不确定性是由於测量过程的限制导致的，至于粒子的特性是否真的不确定还未知。玻尔则将不确定性看作是物理系统的一个原理。今天的物理学见解基本上接受了玻尔的解释。不过，在今天的理论中，不确定性不是单一粒子的属性，而是一个系綜相同的粒子的属性。这可以视为一个统计问题。不确定性是整个系綜的不确定性。也就是说，对于整个系綜来说，其总的位置的不确定性 Δx 和总的动量的不确定性 Δp ，不能小于一个特定的值：

机率

通过将一个状态分解为可观察量本征态 的线性组合，可以得到状态在每一个本征态的机率幅 ci 。这机率幅的绝对值平方 | ci | 2 就是测量到该本征值 ni 的機率，这也是该系统处于本征态 的機率。ci 可以通过将 投影到各本征态 上计算出来：

因此，对于一个系綜的完全相同系统的某一可观察量，进行同样地测量，一般获得的结果是不同的;除非，该系统已经处于该可观察量的本征态上了。通过对系綜內，每一個同一状态的系统，进行同樣的测量，可以获得测量值 ni 的统计分布。所有试验，都面临着这个测量值与量子力学的统计计算的问题。

同样粒子的不可区分性和泡利原理

由於从原则上，无法彻底确定一个量子物理系统的状态，因此在量子力学中内在特性(比如质量、电荷等)完全相同的粒子之间的区分，失去了其意义。在经典力学中，每个粒子的位置和动量，全部是完全可知的，它们的轨迹可以被预言。通过一个测量，可以确定每一个粒子。在量子力学中，每个粒子的位置和动量是由波函数表达，因此，当几个粒子的波函数互相重叠时，给每个粒子“挂上一个标签”的做法失去了其意义。

这个全同粒子 (identical particles) 的不可区分性，对状态的对称性，以及多粒子系统的统计力学，有深远的影响。比如说，一个由全同粒子组成的多粒子系统的状态，在交换两个粒子“1”和粒子“2”时，我们可以证明，不是对称的 ，就是反对称的 。对称状态的粒子被称为玻色子，反对称状态的粒子被称为费米子。此外自旋的对换也形成对称：自旋为半数的粒子(如电子、质子和中子)是反对称的，因此是费米子;自旋为整数的粒子(如光子)是对称的，因此是玻色子。

这个深奥的粒子的自旋、对称和统计学之间关系，只有通过相对论量子场论才能导出，但它也影响到了非相对论量子力学中的现象。费米子的反对称性的一个结果是泡利不相容原理，即两个费米子无法占据同一状态。这个原理拥有极大的实用意义。它表示在我们的由原子组成的物质世界裡，电子无法同时占据同一状态，因此在最低状态被占据后，下一个电子必须占据次低的状态，直到所有的状态均被满足为止。这个现象决定了物质的物理和化学特性。

费米子与玻色子的状态的热分布也相差很大：玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计，而费米子则遵循费米-狄拉克统计。

量子纠缠

主条目：量子纠缠

往往一个由多个粒子组成的系统的状态，无法被分离为其组成的单个粒子的状态，在这种情况下，单个粒子的状态被称为是纠缠的。纠缠的粒子有惊人的特性，这些特性违背一般的直觉。比如说，对一个粒子的测量，可以导致整个系统的波包立刻塌缩，因此也影响到另一个、遥远的、与被测量的粒子纠缠的粒子。这个现象并不违背狭义相对论，因为在量子力學的層面上，在測量粒子前，你不能定義它們，實際上它們仍是一個整體。不過在測量它們之後，它們就會脫離量子糾纏這狀態。

量子退相干

主条目：量子退相干

作为一个基本理论，量子力学原则上，应该适用于任何大小的物理系统，也就是说不仅限于微观系统，那么，它应该提供一个过渡到宏观“经典”物理的方法。量子现象的存在提出了一个问题，即怎样从量子力学的观点，解释宏观系统的经典现象。尤其无法直接看出的是，量子力学中的叠加状态，如何应用到宏观世界上来。1954年，爱因斯坦在给马克斯·波恩的信中，就提出了怎样从量子力学的角度，来解释宏观物体的定位的问题，他指出仅仅量子力学现象太“小”无法解释这个问题。

这个问题的另一个例子是由薛定谔提出的薛定谔的猫的思想实验。

直到1970年左右，人们才开始真正领会到，上述的思想实验，实际上并不实际，因为它们忽略了不可避免的与周围环境的相互作用。事实证明，叠加状态非常容易受周围环境的影响。比如说，在双缝实验中，电子或光子与空气分子的碰撞或者发射辐射，就可以影响到对形成衍射非常关键的各个状态 之间的相位的关系。在量子力学中这个现象，被称为量子退相干。它是由系统状态与周围环境影响的相互作用导致的。这个相互作用可以表达为每个系统状态 与环境状态 的纠缠。其结果是只有在考虑整个系统时(即实验系统+环境系统)叠加才有效，而假如孤立地只考虑实验系统的系统状态 的话，那么就只剩下这个系统的“经典”分布了。

即使在非常弱的环境影响下，一个宏观物体也已经在极短的时间里退相干了。

在上面的这个叙述中，有一个内在的假设，即退相干后的系统，自然地是我们所熟悉的经典系统。但是，这个假设并不是那么理所当然。比如说，退相干后的宏观系统，一般是我们所熟悉的位置状态明确的状态，而微观系统则往往退相干为位置状态不明确的状态(比如能量特征状态)，这是为什么呢?这个问题的答案也来自周围环境对系统的影响。事实上，只有不被退相干过程直接摧毁的状态，才提供一个坚固的、退相干后的可观察量。

量子退相干是今天量子力学解释宏观量子系统的经典性质的主要方式。

对于量子计算机来说，量子退相干也有实际意义。在一台量子计算机中，需要多个量子状态尽可能地长时间保持叠加。退相干时间短是一个非常大的技术问题。

应用

在许多现代技术装备中，量子物理学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置，都关键地依靠了量子力学的原理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明，最后为现代的电子工业铺平了道路。在核武器的发明过程中，量子力学的概念也起了一个关键的作用。

在上述这些发明创造中，量子力学的概念和数学描述，往往很少直接起了一个作用，而是固体物理学、化学、材料科学或者核物理学的概念和规则，起了主要作用，但是，在所有这些学科中，量子力学均是其基础，这些学科的基本理论，全部是建立在量子力学之上的。

以下仅能列举出一些最显著的量子力学的应用，而且，这些列出的例子，肯定也非常不完全。实际上，在现代的技术中，量子力学无处不在。

原子物理和化学

任何物质的化学特性，均是由其原子和分子的电子结构所决定的。通过解析包括了所有相关的原子核和电子的多粒子薛定谔方程，可以计算出该原子或分子的电子结构。在实践中，人们认识到，要计算这样的方程实在太复杂，而且在许多情况下，只要使用简化的模型和规则，就足以确定物质的化学特性了。在建立这样的简化的模型中，量子力学起了一个非常重要的作用。

一个在化学中非常常用的模型是原子轨道。在这个模型中，分子的电子的多粒子状态，通过将每个原子的电子单粒子状态加到一起形成。这个模型包含着许多不同的近似(比如忽略电子之间的排斥力、电子运动与原子核运动脱离等等)，但是它可以近似地、准确地描写原子的能级。除比较简单的计算过程外，这个模型还可以直觉地给出电子排布以及轨道的图像描述。

通过原子轨道，人们可以使用非常简单的原则(洪德定则)来区分电子排布。化学稳定性的规则(八隅律、幻数)也很容易从这个量子力学模型中推导出来。

通过将数个原子轨道加在一起，可以将这个模型扩展为分子轨道。由於分子一般不是球对称的，因此这个计算要比原子轨道要复杂得多。理论化学中的分支，量子化学和计算机化学，专门使用近似的薛定谔方程，来计算复杂的分子的结构及其化学特性的学科。

原子核物理学

原子核物理学是研究原子核性质的物理学分支。它主要有三大领域：研究各类次原子粒子与它们之间的关系、分类与分析原子核的结构、带动相应的核子技术进展。