从量子物理学到 “为生活而发明 ”的技术

日期:2025-07-17 浏览量:1555
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对于爱因斯坦来说,量子物理学是一个令人头疼的问题。未来,量子技术将有助于诊断阿尔茨海默氏症、癫痫和帕金森氏症。这很好地说明了在首次研究看似荒谬的波和粒子效应约 100 年后,研究和发展已达到的阶段。


量子物理学起源于对亚原子粒子自相矛盾行为的洞察--就经典牛顿力学而言,这种行为是自相矛盾的。例如,电子等粒子在测量时会发生状态变化。不确定性原理和量子叠加等术语被用来描述这种现象,物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)设计了著名的悖论,将其与一只既能活着又能死去的假想猫进行比较。


量子计算利用的首先是叠加。这意味着,这些计算机不再使用非零即一的比特,而是使用可以任意叠加非零即一的量子比特。这使得它们能够在某些任务中超越任何超级计算机。


量子计算机是实现二氧化碳中性动力系统的关键


不过,就目前而言,量子计算机离商业应用还有几年时间。尽管如此,如果欧洲工业界希望在未来几十年中发挥领先的技术作用,就应该建立自己的量子计算硬件平台。最重要的是,它必须尽早开发应用。博世感兴趣的应用之一是模拟新材料,直至其原子结构,这甚至是当今超级计算机无法做到的。其结果可能包括新型催化剂材料,从而大大减少燃料电池系统对贵金属的需求。这将是开发二氧化碳中性动力系统的一次巨大飞跃--许多人会说这是一次量子飞跃,因为量子是物理学中已知的最微小的飞跃。

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量子计算程序的可视化表示。最左边的符号是量子比特(qubit)。水平线上的方形和圆形代表对量子比特进行的运算。最右边的符号代表操作之后对量子比特进行的测量。


钻石缺陷可诊断帕金森病

尽管量子计算机可能具有巨大的颠覆性潜力,但量子技术还能做更多。例如,量子传感器技术有助于推动医疗诊断的发展。这也是博世的研究课题。与这一物理学领域的许多研究一样,量子传感技术所基于的是一种惊人的效应:钻石缺陷。它们是前所未有的精确测量的基础。完美无瑕的钻石由碳组成。

而瑕疵则是氮原子和相邻碳原子缺失的结果。而恰恰是这些 “氮空位中心 ”对磁场中最微小的变化--比如神经系统疾病中出现的变化--高度敏感。在未来几年里,量子传感器的开发还将把阿尔茨海默氏症、癫痫和帕金森氏症的诊断提升到一个新的水平,使诊断比以往任何时候都更准确、更简单,而且更经济实惠。


神经诊断领域的一场革命

更具体地说,在治疗这类疾病时,目的是尽可能精确地定位受影响的大脑区域。迄今为止,只有超导磁力计才能做到这一点,而超导磁力计必须用液氦冷却到零下 269 摄氏度。使用超导磁强计的扫描仪也相应复杂,体积庞大,病人使用起来非常拥挤,而且价格昂贵,因此很少出现在医院里。

相比之下,未来的量子传感器也能在室温下工作,而且无需冷却,这意味着它们可以安装在轻型头盔上。博世实验室目前安装的设备还比一台笔记本电脑大,但它最终会变成一块电路板,随着微型化的进程,也许还能变成一块成本不过几欧元的芯片。神经诊断领域的一场革命即将到来。


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