《華爾街日報》：觀察量子世界的新方法

諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克探索宇宙奧秘。閲讀往期專欄請點擊此處。

幾周前，物理網站上一篇題為《量子重疊層析成像的實驗實現》的報道給了我一個驚喜。文章報道了南洋理工大學楊正寧與團隊的開創性工作——他們實現了2020年喬丹·科特勒與我提出的技術方案。這項研究旨在為 notoriously 難以觀測的量子世界提供清晰圖像。

要理解"量子重疊層析成像"(QOT)的意義，我們需要逐一解析這三個詞的含義。

首先看"量子"。即便描繪微觀物體，量子圖像也需要超大"畫布"。例如，2-5個電子系統的波函數存在於6-15維空間中。這讓物理學家陷入特殊困境：我們雖知曉相關方程，但現有超級計算機只能給出近似解。若能更深入理解量子現實，化學與材料科學（包括藥物和催化劑設計）將邁上新台階——多電子系統波函數藴含了全部所需信息。

量子模擬器和量子計算機正是為此而生。理想情況下，它們能像比例模型般完整體現目標系統的量子力學波函數。但這僅解決了一半問題：波函數信息難以直接讀取。量子力學中著名的"波函數坍縮"現象意味着，任何測量都會破壞波函數的後續使用價值。

這就是“T”（層析成像）的由來。“Tomography”（層析成像）源自希臘語“tomos”，意為“切片或截面”。它也是CT掃描（計算機輔助斷層掃描）中的“T”。CT掃描將許多二維X光信息整合成人體內部精確的三維圖像。量子層析成像（QOT）的目標是在更廣闊的量子領域實現類似技術。

讀取量子波函數信息的問題，類似於《Wordle》和《猜顏色》等遊戲提出的挑戰。在這些遊戲中，玩家進行多次猜測（類似於測量），每次只能獲得部分信息。但現在想象一下，如果《Wordle》包含數千個字符，或者《猜顏色》模板有數千個釘子和幾十種顏色。

這就引出了另一個字母“O”（重疊）。解決量子測量問題的一個好策略是進行不同分辨率的波函數採樣測量。這樣可以得到重疊的圖像，進而編織出更完整的畫面。南洋理工大學的研究人員通過驗證我和科特勒博士提出的算法能準確高效地還原複雜測試圖像，對這些算法進行了測試。

南洋理工實驗的好消息讓我回憶起幾年前與科特勒博士在斯德哥爾摩波羅的海沿岸的夏日漫步。當時受到傑出中國物理學家潘建偉提出的挑戰啓發，我們攻克了使波函數測量切實可行的難題。

這個消息傳來時，我正從膽囊手術中恢復。這頗具詩意，因為正是CT掃描確診了我的病情。這項技術消除了外科中的許多猜測，而量子技術終將為生物化學領域帶來同樣變革。最終，通過提供強效新藥，它甚至可能讓治療不再需要手術。