横幅图片:物理学家叶军给U.S. 代表. Joe Neguse参观了他在科罗拉多大学博尔德校区JILA的实验室. (资料来源:Glenn Asakawa/CU Boulder)
更新:1月. 26, 2024
在17世纪, 一位名叫安东尼·范·列文虎克的荷兰商人开始尝试制造新的显微镜镜头, 在这个过程中, 将人类带入了一个新世界——一个充满了以前未被发现的生命的世界, 从小细菌到单细胞藻类等等.
400多年后，科学家们正处于一场同样重要的革命之中. 他们正在潜入一个以前隐藏的领域——比凡·列文虎克的任何东西都要疯狂得多, 被称为“微生物学之父”,我能想象得到. 一些研究人员, 比如物理学家Margaret Murnane和Henry Kapteyn, 正在用比荷兰科学家的显微镜精确许多倍的显微镜探索这个由更小的东西组成的世界. 其他人, 像叶军一样, 用激光将原子云冷却到绝对零度以上的百万分之一度是为了更好地收集自然现象的测量数据吗.
借用一句短语, 博彩平台推荐要去没人去过的地方,量子物理学家叶说, 一个在 JILA是一个联合研究所 博彩平台推荐和美国.S. 国家标准与技术研究所 (NIST).
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Murnane, 越来越多的科罗拉多研究人员致力于量子物理学的探索，Kapteyn和Ye就是其中之一, 对宇宙最小尺度的研究. 在这个微观世界里，电子可以同时存在于几个地方. 粒子穿过固体物质，从另一边跳出来, 而原子就像微小的钟摆，每秒滴答千万亿次.
正如显微镜为抗生素和现代医学铺平了道路一样, 对量子世界的精确控制正在彻底改变从计时和医学成像到太空旅行和下一代电子和能源设备的一切. 它的诞生和发展都植根于科罗拉多州.
在百年州, 这场革命源于无数科学家的努力, 包括四位诺贝尔奖得主(见“互动的时间轴。)工作了几十年. 今天, 科罗拉多大学的研究人员和他们的合作者继续奠定基础, 像这样的研究中心 选通脉冲 和 纠缠科学与工程中的量子系统 (Q-SEnSE). 这些努力正在帮助加州转变为新的硅谷, 只是这一次, 量子态.
当我走在JILA的大厅里, 我经常回想这里所发生的令人惊叹的工作,斯科特·斯滕伯格说, 执行董事 CUbit量子主动性该项目旨在加强科罗拉多州在量子科学和技术方面的优势. “我的心灵, 然而, 迅速转向目前正在进行的伟大工作，以及它对博彩平台推荐未来的巨大影响.”
量子，到处都是量子
斯特恩伯格, 曾在博尔德及其周边地区从事经济发展工作的人, 认为量子发现的增长是博尔德生态系统的自然结果.
“数十年来，博尔德在人力和金融资本方面的投资使其获得了国际认可,他说. “将大学的资源与联邦实验室的联系结合起来, 在这里展示的企业家精神的推动下, 是一个成功的方程式.”
量子科学领域是由尼尔斯·玻尔等研究人员开创的, whose ideas about the structure of atoms still pop up in every high school chemistry textbook; Maria Goeppert Mayer, who predicted how atoms absorb intense laser light; 和 Werner Heisenberg, 它的测不准原理表明, 例如, 你可以精确地测量一个粒子的位置或它的速度，但不能同时测量两者. 科学家和工程师, 反过来, 利用这些见解来设计晶体管之类的设备, 半导体和激光——它们利用电子和光波的量子力学性质来运行所有现代电子产品和互联网.
但这些进步也仅仅是个开始.
想象一下，在未来，你上下班时使用的导航应用程序会一直运行, even when you duck into a subway station out of range of GPS; where microscopes can record real-time videos from deep inside living cells or nanodevices; 和 where new supercomputers can discover 和 test novel drugs in record time.
量子研究的新爆发包含了物理学中最奇怪的特性. 包括缠结, a kind of “spooky” connection between particles or atoms; 和 superposition, 或者同时存在于多种状态的对象(参见“量子词典”). 科学家们也在努力操纵量子系统，以实现新的显微镜，或者将量子效应带到更大的事物领域——使他们不知道可能实现的特性成为可能.
理论物理学家安娜·玛丽亚·雷伊说，这些概念并不总是容易理解的. 最终, 它们不像人类在日常生活中遇到的任何“经典”物理学.
“量子领域极其丰富和复杂, 完全理解它就像在没有指南针的情况下航海一样复杂,雷伊说。, 他是NIST和JILA的研究员.
许多公司, 然而, 开始探索那些水域了吗, 包括博彩平台推荐研究人员创立的几家企业. 它们包括 Inflleqtion (原ColdQuanta), Vescent光子学, LongPath技术, FieldLine公司., 原子计算, 稳定的激光系统, 公里的实验室, 梅萨量子系统 和 伊卡洛斯量子. 到2023年，美国经济将增长.S. 商务部点名 提升量子科罗拉多，一个由公司、大学等组成的财团，作为其中之一 全国有31个官方技术中心.
量子感应博彩平台推荐的世界
新的量子革命开始了, 在很多方面, 带着时钟，不是手表，也不是落地钟, 但是一个可以在原子的帮助下做更多事情的设备.
今天, JILA和NIST的科学家正在开发一些世界上最精确的原子钟. 他们建立在诺贝尔奖得主简·霍尔几十年的研究基础之上, 戴夫·温兰德，埃里克·康奈尔和卡尔·维曼.
第一个, 研究人员收集原子云并将其冷却, 然后将这些原子捕获在由激光制成的“人造晶体”中. 接下来，他们用另一束激光撞击原子. 就像推钟摆一样, 激光束使原子“滴答作响”,导致它们以每秒千万亿次的速度在能级之间振荡.
博彩平台推荐和LongPath技术的研究人员正在使用量子传感器检测石油和天然气站点的甲烷泄漏. (资料来源:博彩平台推荐)
这些时钟也非常灵敏. 例如，叶展示了一个原子钟可以 记录下地球引力的差异 如果你把它抬起一毫米. Ye, 他也是CUbit的主管, 领导了一个由国家科学基金会资助的校园中心 纠缠科学与工程中的量子系统 (Q-SEnSE).
他想象着用这样的装置来, 例如, 通过探测地表以下数英里处岩浆的流动来预测火山何时喷发.
“对我来说, 最有前途的技术途径之一是量子传感器,雷伊说。多年来，他一直与叶一起工作，将原子钟的精度提高到越来越高的水平. “博彩平台推荐已经看到量子可以帮助博彩平台推荐进行更好的测量.”
博彩平台推荐的一组工程师正在使用不同的量子传感器来 检测天然气作业中的甲烷泄漏 在西方.
与此同时, 博彩平台推荐的Svenja Knappe和她的同事使用了一种称为光泵磁力仪的量子传感器, 或OPM, 深入人类大脑的复杂领域.
“我第一次参加神经科学会议, 那里的神经科学家看我就像看火星人一样,纳普说, 大学副教授 保罗米. 雷迪机械工程系.
Knappe的opm的大小大约是两个方糖的大小. 它们包含一组可以改变自旋方向的原子,"原子和粒子的一种奇怪的特性, 以响应周围的磁场. 这有点像指南针上的针总是指向北方. 她和她的同事们正在使用传感器来测量人类运动时神经元发出的微小能量, 思考，甚至只是呼吸.
神经科学家已经在使用 头盔上嵌有128个这样的传感器 收集大脑活动图，或称脑磁图，. 它们是研究或诊断精神分裂症和帕金森病等疾病的重要工具. 到目前为止, Knappe和她的同事们已经通过一家位于博尔德的公司向十几个客户出售了传感器 FieldLine.
“这不是20年后才会出现的技术. 量子传感器现在可以对你的生活产生影响，”她说.
艺术家描绘的一颗地球大小的行星围绕着一颗距离博彩平台推荐大约100光年的恒星运行. (资料来源:美国宇航局/戈达德太空飞行中心)
量子用于探索宇宙的奥秘
更小，更精确, 科学家们可能还会研究几十年来一直困扰着他们的问题.
例如:什么是暗物质?
这种神秘的物质约占宇宙总质量的84%, 但是科学家们还没有确定它是由什么类型的粒子组成的. 暗物质是, 据物理学家所知, 完全看不见，很少与正常物质相互作用. 但是叶怀疑一些暗物质的候选者 会撞上原子吗 在他的原子钟里——不经常, 但他和他的同事们经常可以, 从理论上讲, 检测干扰.
叶军与大家分享他的团队最新研制的原子钟，这是目前世界上最精确的原子钟. (来源:NIST)
“假设你在美国有一个时钟.S. 另一个钟在北极附近的某个地方，”叶说. “如果一个时钟在加速, 而另一个则在减速, 如果你已经解释了所有其他已知的影响, 这可能表明，当地球在宇宙中移动时，博彩平台推荐看到的是不同的磁场经过地球.”
其他 科罗拉多的研究人员 缩小对暗物质的搜索范围 不同的量子技术.
量子研究人员斯科特·戴德姆斯正在将量子传感器转向太空 寻找围绕恒星旋转的行星 远离地球.
作为一名教授 电气、计算机与能源工程系 也是 量子工程倡议. 他解释说，当“系外行星”围绕它们的母星运行时, 它们会稍微拉一下那些星星, 使它们晃动.
地面上的望远镜可以发现这些摆动，但这种变化非常非常微弱.
“当一颗恒星被拉离博彩平台推荐时，光线的颜色看起来越来越红. 当它被拉向博彩平台推荐时，它的光看起来会稍微偏蓝一些，”他说. “我说的轻微，是指不到10亿分之一.”
他使用一种被称为频率梳的强力激光来帮助缩小这种轻微的偏移. 20多年前, 这位物理学家最初是jila的博士后科学家时发明这些激光器的团队的一员, 研究人员用它们来计算原子钟的滴答声. 但是如果你在地面上的望远镜上也安装一个这样的工具, Diddams说, 它几乎可以像尺子一样控制光波. 天文学家可以利用这些尺子更精确地测量来自遥远恒星的光的颜色, 可能会发现隐藏在视野之外的行星.
迪达姆斯的同事们每天晚上都在地面上的两个观测站做这样的工作. 由宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组已经在卫星上安装了频率梳 德克萨斯州麦克唐纳天文台 和 亚利桑那州的基特峰国家天文台. 2023年，亚当斯发起了一项研究，探索频率梳如何帮助创造一个新的网络 可以横跨全球的红外望远镜同步地球和太空中仪器的观测结果.
“这是将JILA首次开发的技术从实验室转移到实际实验中的一个非常有趣的例子,他说.
量子可以拍摄更好的图像
当安东尼·范·列文虎克第一次观察到属于荷兰湖泊藻类的绿色细胞时, 他看到的世界大约是正常大小的200倍.
物理学家Margaret Murnane和Henry Kapteyn研究过 在他们的职业生涯中，都在努力深入研究 比这个深100到1000倍.
十多年前, 两人制造了世界上第一台可以放在桌面上的x射线激光器. 他们通过利用电子和原子的量子特性来做到这一点.
Margaret Murnane和Henry Kapteyn在他们的实验室里. (资料来源:Glenn Asakawa/CU Boulder)
该团队使用激光来捕捉原子中的电子, 本质上是让它们剧烈振动——类似于你用力拨动吉他弦所发生的情况. 在这个过程中, 原子, 就像吉他的琴弦, 可以提前, 分裂的同时也以x射线的形式释放出多余的能量. 产生的光束, 它们是当今地球上速度最快的显微镜之一, 振荡超过1 / 10次方, 或者十亿, 每秒次数.
博彩平台推荐的Murnane和Kapteyn小组利用这些激光更好地了解了其中的原理 纳米器件中的热流 比人类头发的宽度还细. 他们还发现，光操纵材料磁性的速度比科学家先前预测的快500多倍.
NIST和Imec, 开发半导体和其他设备的公司, 已经在使用默南和卡普泰恩的激光器来设计新的纳米级电子产品了吗.
眼见为实,莫南说, JILA研究员和博彩平台推荐的杰出物理学教授. “博彩平台推荐仍然不能看到博彩平台推荐需要看到的一切，以便能够理解大自然.”
为了制造“未来的显微镜”，穆纳恩和卡普泰恩帮助启动了一个 耗资2400万美元的校园中心，叫做选通脉冲 在美国的资助下.S. 国家科学基金会. 在20世纪90年代，他们创办了一家名为 公里的实验室 来销售他们的x射线激光器.
他们也在不断突破原子能力的极限. Kapteyn说，该团队希望有一天能制造出强大到可以看到人体组织内部的x射线激光器. 这样的机器将允许医生放大身体的特定区域, 而且分辨率比现在的x射线高得多.
“在这个领域，博彩app推荐能把这项技术推进多远，还有很多量子问题仍然悬而未决,卡普坦说, JILA研究员兼物理学教授.
量子用于制造更快的计算机
可能没有一种量子技术像量子计算机那样被大肆宣传.
一些世界上最大的科技公司, 包括谷歌, 亚马逊, 微软和IBM, 他们是在尝试开发基于量子物理不寻常特性的计算机吗. 专家认为，量子计算机有一天可以解决目前地球上最大的超级计算机无法解决的问题.
但博彩平台推荐的研究人员表示，能够解决与现实生活有关的问题的量子计算机可能还有很长的路要走. 一方面，目前可用的量子处理器经常产生太多的错误，无法进行大量的基本计算.
“量子计算机可能真的很适合它们设计的特定任务,说, JILA研究员兼博彩平台推荐物理学助理教授. “但他们不会样样都擅长."
辛迪的, center, 在丹佛华盛顿公园为艺术家Am和a Phingbodhipakkiya的一幅壁画提供咨询，以庆祝物理学中的女性. (资料来源:Am和a Phingboddhipakkiya)
然而，博彩平台推荐的研究人员正在努力设计新的、更好的量子位. 就像运行家用笔记本电脑的比特一样，量子比特构成了量子计算机的基础. 但它们要灵活得多:量子位可以取0或1的值, 像普通比特一样, 但它们也可以以幽灵般的状态存在, 或“叠加,同时得到0和1.
辛迪的, JILA研究员，博彩平台推荐物理学副教授, 她的同事们正在使用一种叫做光镊的技术从中性原子中制造量子比特, 或者不带电荷的原子. 光镊利用激光束仔细地移动和排列这些原子. 然后，科学家可以构建由原子组成的复杂晶格, 小心地控制它们如何相互作用.
太阳, 与此形成鲜明对比的是, 通过在钻石和其他晶体中植入单独的原子来设计一种不同的量子比特吗.
Regal指出，即使这些量子比特不会很快出现在计算机中, 它们仍然可以帮助科学家回答新的问题——允许他们进行模拟, 例如, 在受控的实验室环境中研究物质怪异状态的物理学.
一些专家甚至设想，量子计算机将引领研发新药. 这些设备可能, 几十年后, 扫描大型分子数据库, 寻找具有医生想要的化学行为的药物.
最后, Murnane说，如果量子研究人员想把他们的量子技术带出实验室, 他们需要继续与物理学以外的研究人员建立联系——与工程师合作, 材料科学家, 天体物理学家, 生物学家等.
“如果你想让你的研究产生巨大的影响，你需要把目光放在你的领域之外，”穆纳恩说.
叶指出，最惊人的量子技术可能是科学家们还没有想到的. 就像列文虎克四个世纪前发现的那样, 你对世界看得越深, 你会发现更多的惊喜.
“这就像人们最初发明显微镜一样，”叶说. “那里有一个充满细菌的世界，博彩平台推荐从来没有意识到这一点.”
