来自微信公众号: 氪星洞察
什么才算“量子”？这个问题困扰了全球一小部分人——其中大多数是量子物理学家，让他们夜不能寐几十年。
在极小的尺度上，我们知道宇宙是由量子波和能量场组成的，它们遵循量子力学的法则。但在我们熟悉的宏观世界，我们看到的却是遵循经典力学规则的固体物体。那么，两者的分界线在哪里？如何划定这条线？
在我们最新发表在《牛顿》（Newton）期刊上的研究中，我们从一个全新的角度回答了这个问题： 我们证明了，单个自旋粒子可以展示出无可争议的量子特性！
自旋的发现：一场百年前的科学革命100年前，荷兰物理学家塞缪尔·古兹密特（Samuel Goudsmit）和乔治·乌伦贝克（George Uhlenbeck）提出了一项大胆的理论——电子不会真正静止，而是像微小的陀螺一样旋转。
他们认为，这种旋转可以是顺时针（自旋向上），也可以是逆时针（自旋向下）。这种“二进制”特性，使得电子成为量子计算机的理想基本单元。
然而，这一理论在1925年引起了物理学界的轩然大波。当时，物理学界正由爱因斯坦（Albert Einstein）、普朗克（Max Planck）、埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）等重量级人物主导，他们正在奠定相对论和量子力学的基础。
著名物理学家、诺贝尔奖得主亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz）对自旋理论提出了强烈批评，甚至让乌伦贝克想要撤回论文。但他们的导师埃伦费斯特鼓励他们坚持下去，并对他们说：
“你们还年轻，犯点傻也是可以的！”
最终，电子自旋理论得到了实验验证，并成为量子力学的核心概念之一。
旧理论的阴影：我们对自旋的误解科学史上，对新理论的抵制并不罕见。正如普朗克曾说：
“科学的进步，是一场场葬礼推动的。”
就像当年物理学界对电子自旋的质疑一样，如今的物理学教科书依然存在一个严重的误解： 自旋被认为是量子特性，但它的旋转却仍然被经典物理描述。
换句话说，尽管电子自旋是量子力学的基本概念，但我们仍然沿用经典物理的框架来解释它的运动方式。这合理吗？
被遗忘的数学定理：从摆钟到量子自旋类似的情况也发生在简谐振子（harmonic oscillator）上，比如公园里的秋千。1927年，埃伦费斯特提出一个定理：
“量子摆钟的摆动方式，与公园里的秋千没有本质区别。”
这个理论流传了近80年，直到俄罗斯-以色列物理学家鲍里斯·齐瑞尔松（Boris Tsirelson）提出了一个反直觉的观点：
“如果量子系统被正确制备，我们确实可以区分量子摆钟和普通秋千。”
然而，这一观点并未受到关注，直到15年后，新加坡物理学家瓦莱里奥·斯卡拉尼（Valerio Scarani）的研究团队重新发现了齐瑞尔松的论文。他的学生Zaw Lin Htoo 进一步拓展了这个理论，并证明——可以在旋转粒子中检测出真正的量子性！
我们的实验：量子自旋的最终证据为了验证这个理论，我们澳大利亚新南威尔士大学的研究团队决定挑战这个问题，并在实验中直接证明自旋的量子性！
但我们不能直接使用电子，因为电子的自旋只有两个方向（上/下），它只能被制备成准经典状态，符合旧教科书的预测。
于是，我们换成了一个更大的粒子——锑（Antimony）原子的原子核。
✅ 这个原子核的自旋可以指向八个不同的方向，远超电子的二进制状态。✅ 我们成功让它处于“薛定谔猫态”——即同时处于两种截然不同的自旋方向的叠加态。✅ 通过执行齐瑞尔松-斯卡拉尼协议（Tsirelson-Scarani protocol），我们测量了自旋的正性（positivity），这是标准自旋共振实验中从未尝试过的测量方式。
最终，实验结果提供了无可辩驳的证据：
锑原子的自旋表现出真正的量子特性！
未来展望：量子计算的新可能我们的研究不仅是对宇宙基本真理的探索，也让我们更清楚地理解了“何为量子”。
这项研究或许还将带来实际应用：✅ 量子计算：我们证明的量子态，正是量子计算机和量子传感区别于经典计算的关键。✅ 未来研究：我们计划进一步开发这些量子系统，并探索它们在技术应用中的潜力。
结语一个百年前被质疑的理论，一个被遗忘的数学定理，最终在2024年的实验室中得到证实。这不仅改变了我们对量子世界的理解，也为未来量子技术的发展铺平了道路。
未来已来，你准备好迎接它了吗？
More information: Arjen Vaartjes et al, Certifying the quantumness of a nuclear spin qudit through its uniform precession, Newton (2025).
DOI: 10.1016/j.newton.2025.100017
--延伸阅读:
文章中涉及的重要物理术语：
1. 量子（Quantum）量子是指最小的物理量单位，例如光的最小单位是光子，电荷的最小单位是电子。量子力学研究微观世界的基本规律，比如电子如何绕原子核运动、光如何传播等。2. 量子力学（Quantum Mechanics）研究微观粒子（如电子、光子等）行为的科学，核心概念包括波粒二象性、不确定性原理、量子叠加等。在量子世界中，粒子可以同时处于多个状态，而不是像经典物理那样只有唯一的确定状态。3. 电子自旋（Electron Spin）电子具有一种特殊的量子特性，可以类比为地球自转。它只有两个可能的状态："自旋向上（Spin Up）" 和 "自旋向下（Spin Down）"。电子自旋是量子计算的重要基础，可以用于构建量子比特（Qubit）。4. 自旋（Spin）1925年，荷兰物理学家古兹密特（Goudsmit）和乌伦贝克（Uhlenbeck）提出，电子不会静止，而是像小陀螺一样旋转。物理学家后来发现，这种自旋并不是真正的物理旋转，而是一种量子属性。5. 量子叠加（Quantum Superposition）量子系统可以同时处于多种状态，直到被测量时才会“坍缩”到某个确定状态。例如，电子可以同时自旋向上和向下，直到我们测量它的自旋方向。6. 量子态（Quantum State）描述量子粒子状态的数学表达方式，它包含所有可能的测量结果的概率。量子态可以通过波函数（Wave Function）来描述，测量时会坍缩（Collapse）成一个确定值。7. 薛定谔的猫（Schrödinger’s Cat）1935年，薛定谔提出了一个著名的思想实验：一只猫被关在盒子里，盒子里有一个放射性原子，它有50%的概率衰变并触发毒气杀死猫，也有50%的概率不发生变化。在打开盒子前，猫既是死的也是活的，处于量子叠加态。这个实验用来说明，在测量前，量子系统可以同时处于多个状态。8. 量子计算（Quantum Computing）传统计算机使用比特（0或1）存储和处理信息，而量子计算机使用量子比特（Qubit），可以同时存储0和1。量子计算的强大之处在于：它可以利用叠加态和量子纠缠进行高速并行计算，远超经典计算机。9. 经典力学（Classical Mechanics）研究宏观物体运动的物理理论，例如牛顿力学。经典力学认为：物体的位置和速度是确定的（与量子力学的不确定性原理不同）。物体只能处于一种状态（与量子叠加态不同）。10. 量子与经典的边界一个关键问题是：从量子世界到经典世界的过渡在哪里？研究表明，当量子系统足够大时，会表现得像经典系统，量子效应逐渐消失。11. 齐瑞尔松定理（Tsirelson’s Theorem）1970年代，鲍里斯·齐瑞尔松（Boris Tsirelson）提出了一种方法，可以区分量子系统和经典系统。他发现，只要系统被正确地制备，就可以检测到其是否具有真正的量子特性。12. 量子谐振子（Quantum Harmonic Oscillator）经典摆锤（秋千）和量子摆锤的运动方式是否相同？1927年，埃伦费斯特（Ehrenfest）提出，量子摆锤和经典摆锤在大多数情况下无法区分。但齐瑞尔松发现，在某些情况下，量子摆锤确实可以被区分出来。13. 量子测量（Quantum Measurement）量子系统在被测量前可以处于多个状态的叠加，但一旦测量，它就会坍缩到一个确定值。例如，一个电子在被测量前可以是自旋向上+自旋向下的叠加态，但一旦测量，它就只能是自旋向上或自旋向下。14. 量子态制备（Quantum State Preparation）在实验中，科学家可以人为创建特殊的量子态，如薛定谔猫态，用来研究量子特性。15. 量子传感（Quantum Sensing）量子技术可以用于制造超高精度的传感器，例如：量子钟（比传统原子钟更精确）量子重力仪（可以探测地下矿藏）
深入研究自旋太重要了。一个鸡蛋用心做是可以垂直立起，但遇到轻微的干扰力就会倒下，现在如果把鸡蛋内部的液体取出来，在鸡蛋壳内立起一个陀螺仪，陀螺仪的转轴两端和鸡蛋壳固定，如果在立起鸡蛋壳时，高速启动陀螺仪，在鸡蛋壳内部陀螺高速转动的时候，在鸡蛋壳顶部给一个水平向右侧干扰力，鸡蛋壳还会向右侧倒下吗？如果不倒下是不是违反角动量守恒，和牛顿第二定律。给鸡蛋壳内部装一个陀螺仪是有些困难，现在网上有卖带外部框架的陀螺仪玩具，完全可以代替完成本实验。按照经典理论可以用实践验证得到陀螺效应是违反角动量守恒，和牛顿第二定律的。为什么呢？深入研究得出时空的新发现，实验和理论结果已在整理中，准备在此公开奉献给大家。
孔乙己看不起牛顿经验归纳/实践出真知/短衣帮，更爱假说相对论之乎者也长衫子。假说“所有天鹅都是黑的”，找到一只黑天鹅，写论文皆大欢喜，号称证明了！假说科学不算假/读书人偷书不算偷，都是伟大的突破，物理革命！。。。 然后诠释号称应用………前天有人打了一个很响的臭屁，比蝴蝶效应还要猛。今天果然下雨获得了应用，臭屁的应用十分广泛。………为什么世界上只有三个人懂的XX论，获得了如此广泛的应用呢？？诠释一切，应用也靠诠释？？答案只有孔乙己知道！———演绎卫星发射控制，都是不得不去用牛顿力学，清清楚楚的，需要写论文诠释吗？
量子纠缠笑话——宇宙浩瀚。。。物质本质是带电质量体，普遍有力的相互作用和相对运动，是永远不变的。⭕️邪门纠缠比找六亲不认邪门女朋友邪太多了！！！！❌独此一女六亲不认？？？独此一男六亲不认？？？必须纠缠必然纠缠？？？❌如何找到独此一女？？？如何找到独女的独此一男？？？这种纠缠是万变中不变的真理吗？———观测归纳认知自然，从来如此，只能如此。在万变中寻求不变的真理，如，物质不灭，能量守恒，1+1=2等等。常常有人宣称，暗物质占XX%，只是人类观测不到！！物质是普遍相互作用的，有条件当然可观测。………号称有鬼只是你看不到，永远不可能露馅的鬼把戏，高明吗？？？
真理都是简单的，不证自明的(不变现象)无法证明的(全称命题)，可证伪/乐于辩证批判。悖论诠释号称证明(全称命题)是骗。古希腊哲学对真理的理解 —— 真理是不变的现象。水流现象千变万化是真实/不是真理。水往低处流，指南针，物质不灭，能量守恒，电荷守恒，1+1=2，绝对时空，相对速度，……都是不变的现象/真理/知道/确定性。号称人人不知的空间弯曲是真理，胡编人人可知的时间是虚幻！！是缺德笑话。科学/哲学追求确定性(知道)是生存的必须，鼓吹不确定(不知道)❌是鬼迷心窍丧心病狂。不变现象(科学)是观测归纳不是假说证明不是解释稀奇。
⭕️到底是量子摇号机？？ 还是量子计算机？？ ——— 导体与绝缘体的差异带来了电子的空间运动操控性。三极管电子运动与电平高低，电路的“与或非”运算，是标准的牛顿力学，有确定性。 量子计算搞的是哪个量子？电子，质子，三体多体量子？还是花仙子？ ………量子位置稳定吗？存储记忆能力可靠吗？如何定位找到特定量子，观测特定量子，操控特定量子？如何用量子表达数字？如何实现与运算，或运算，非运算？不变现象/真理/知识/确定性是一切应用的前提和基础，崇洋媚外跟屁虫假大空，木用！ ———有人说，量子计算机主要是用来产生随机密码的，为了避免误导，理解计算速度提升千万亿倍？？叫量子计算机？还是应该称为量子秘码机，或量子摇号机呢？