《华尔街日报》：观察量子世界的新方法

诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克探索宇宙奥秘。阅读往期专栏请点击此处。

几周前，物理网站上一篇题为《量子重叠层析成像的实验实现》的报道给了我一个惊喜。文章报道了南洋理工大学杨正宁与团队的开创性工作——他们实现了2020年乔丹·科特勒与我提出的技术方案。这项研究旨在为 notoriously 难以观测的量子世界提供清晰图像。

要理解"量子重叠层析成像"(QOT)的意义，我们需要逐一解析这三个词的含义。

首先看"量子"。即便描绘微观物体，量子图像也需要超大"画布"。例如，2-5个电子系统的波函数存在于6-15维空间中。这让物理学家陷入特殊困境：我们虽知晓相关方程，但现有超级计算机只能给出近似解。若能更深入理解量子现实，化学与材料科学（包括药物和催化剂设计）将迈上新台阶——多电子系统波函数蕴含了全部所需信息。

量子模拟器和量子计算机正是为此而生。理想情况下，它们能像比例模型般完整体现目标系统的量子力学波函数。但这仅解决了一半问题：波函数信息难以直接读取。量子力学中著名的"波函数坍缩"现象意味着，任何测量都会破坏波函数的后续使用价值。

这就是“T”（层析成像）的由来。“Tomography”（层析成像）源自希腊语“tomos”，意为“切片或截面”。它也是CT扫描（计算机辅助断层扫描）中的“T”。CT扫描将许多二维X光信息整合成人体内部精确的三维图像。量子层析成像（QOT）的目标是在更广阔的量子领域实现类似技术。

读取量子波函数信息的问题，类似于《Wordle》和《猜颜色》等游戏提出的挑战。在这些游戏中，玩家进行多次猜测（类似于测量），每次只能获得部分信息。但现在想象一下，如果《Wordle》包含数千个字符，或者《猜颜色》模板有数千个钉子和几十种颜色。

这就引出了另一个字母“O”（重叠）。解决量子测量问题的一个好策略是进行不同分辨率的波函数采样测量。这样可以得到重叠的图像，进而编织出更完整的画面。南洋理工大学的研究人员通过验证我和科特勒博士提出的算法能准确高效地还原复杂测试图像，对这些算法进行了测试。

南洋理工实验的好消息让我回忆起几年前与科特勒博士在斯德哥尔摩波罗的海沿岸的夏日漫步。当时受到杰出中国物理学家潘建伟提出的挑战启发，我们攻克了使波函数测量切实可行的难题。

这个消息传来时，我正从胆囊手术中恢复。这颇具诗意，因为正是CT扫描确诊了我的病情。这项技术消除了外科中的许多猜测，而量子技术终将为生物化学领域带来同样变革。最终，通过提供强效新药，它甚至可能让治疗不再需要手术。