量子物理學家用訓練有素的眼睛研究的世界與我們非科學家每天導航的世界完全相同。唯一的區別是它被放大到難以理解的小和大的尺度。
儘管如此，量子物理學在很大程度上仍然是一個模糊的主題——即使對於科學敏銳的讀者也是如此。News@Northeastern與東北大學物理學教授Gregory Fiete談到了量子研究的一些廣泛應用，從開發可再生能源和建造更強大的計算機，到推進人類發現太陽系以外生命的追求。Fiete的評論已經過編輯，以保持簡潔明了。
首先，讓我們讓我們的觀眾深入了解你的工作本質，向下看無限小的世界。對於像你這樣的量子物理學家所從事的工作，有哪些誤解，為什麼它很重要？
你提到了量子和小世界。這就是大多數人在想到量子力學時所想到的，以及量子理論的一些早期基礎的發展方式，它考慮了氫原子以及它如何具有離散的能級，你可以通過觀察光譜來實驗觀察，或者它如何吸收和發光，例如。
[氫原子]以特定的頻率吸收和發射，我們現在明白這是因為原子的量子性質 - 為什麼只有特定允許的電子圍繞原子核的軌道。因此，我們傾向於從氫原子這個非常重要的早期例子來思考量子力學，因此我們偏向於認為量子是關於小的。但事實上，這根本不是關於小的。
以太陽為例。太陽非常大 - 它是我們太陽系中最大的物體;我們的行星在軌道上圍繞它旋轉，因為它的引力。
太陽運作的方式是燃燒氫。它的引力是如此之大，以至於它將氫結合成氦，然後氦結合成其他元素。它是將原子融合在一起，聚變過程是一種量子現象，它是地球上正在進行的巨大能量挑戰之一的背後，被稱為持續聚變。這只是將氫氣結合成氦氣 - 如果我們可以在地球上的磁約束下做到這一點，那麼我們將擁有一種清潔和可再生的能源。
基本上有無限量的氫可以組合，氦氣沒有放射性。因此，我們可以從或多或少無限豐富的事物中產生大量能量，而不會產生放射性物質形式的廢物。這是物理學家正在努力實現的夢想。因此，宇宙中一些最重要的東西肯定是量子力學的，包括超大質量黑洞，它們可以通過一種稱為霍金輻射的量子現象失去能量。
第二點是人們經常認為量子處理非常低的溫度。再一次，以我們的太陽為例 - 它非常熱，但這是量子力學。低溫不是量子的要求。這個例子是關於恆星的，以及核聚變過程的量子性以及與之相關的高溫——我只是想拓寬量子力學是什麼以及它有多無處不在的視野。
當我們寫下你和你的同事正在做的工作時，總會有現實世界的應用。你能談談量子物理學家正在推動其領域之外的技術進步的一些方式嗎？
我將列舉一些我最喜歡的技術。量子物理學真正讓我興奮的一件事是，它用於我認為的「取證」或量子取證，如果你願意的話。
因為像原子這樣的東西具有與之相關的離散能級，事實證明，這可以用來識別原子。如果你比較氫允許的能級和氦或任何其他元素的能級，它們是不同的。如果你有任何東西的氣體，那麼你可以通過觀察它如何吸收和發光來確定氣體中有什麼原子。如果你對遙遠的東西感興趣，比如一顆圍繞著一顆不是我們自己的恆星旋轉的行星，這將具有巨大的實用價值。
我們用強大的望遠鏡發現了一個奇妙的系外行星領域，探測到這些在恆星和地球之間移動的行星。我們的望遠鏡 - 其中一些在太空中連接到具有令人難以置信的頻率解析度和靈敏度的衛星上 - 是如此強大，以至於我們可以觀察這些行星周圍的大氣層薄層，以及來自恆星的光如何穿過它。然後，我們使用光譜技術，看看來自後面恆星的光是如何被這顆行星的大氣層吸收的，這顆行星的大氣層可能在數千光年之外。因此，我們可以探測到大氣中有哪些原子。
這很有趣。但它走得更遠。我們也可以檢測到那裡有什麼分子。例如，是否有兩個氫原子附著在一個氧原子上？換句話說，大氣中有水嗎？分子有自己的光譜特徵。因此，我們實際上可以檢測到其中一些行星的大氣中是否有水，這真的很令人興奮。
然而，我們可以更進一步。當涉及溫度時，這些譜線，正如它們所稱的那樣，這些特定的頻率被拓寬。有一種頻率範圍，你可以看到吸收和發射。它擴大的量告訴你一個分子的溫度- 換句話說，這些行星的大氣溫度。
令人驚訝的是，我們可以確定這些行星的大氣層中含有什麼 - 人類不可能訪問的行星。我們可以尋找生命的特徵，比如，是否存在與漂浮在這些行星中的生命相關聯的分子，至少如果它是類似地球的生命;然後我們也許能夠確定，那裡有一些人類永遠無法訪問的行星，擁有生命。或者，也許我們可以發現其他候選的生命形式。這是一個非常鼓舞人心的例子，它最終依賴於量子物理學和光譜學技術。
我認為另一個引起廣泛興趣的例子是，量子物理學正在產生太陽能無法企及的能源。因此，當你派出一個深空探測器來觀察我們太陽系的外行星時，讓我們說冥王星（技術上不再被認為是一顆行星）。如果你想觀察冥王星，你需要派出一個深空探測器——需要數年時間才能到達那裡。你可能會問，你可以為這個探頭上的計算機提供什麼樣的電源，這樣你就可以發回我們看到的漂亮圖片？好吧，你可以把電池放在那裡。到達那裡需要數年時間，太空有很多輻射，電池可能會損壞;當它們通過大氣層的所有熱量變化和太空的寒冷等發射時，它們可能無法正常工作。這不太實用。沒有足夠的來自太陽的光線，你可以用太陽能電池板收集來運行計算機系統並發送回圖像。
那麼，他們如何為這些深空探測器上的計算機供電呢？他們使用的是輻射。它們使用放射性物質，放射性又是另一個量子過程，其中重元素衰變成較輕的元素;當它們這樣做時，它們會彈出細胞核的一部分。但是這些被噴射出的原子核部分攜帶著可以被捕獲的能量。
有些材料，其中一些非常接近我所從事的工作，它們被稱為熱電材料。它們採用高溫區域，並將它們與低溫區域連接起來，將這種高低溫差轉換為電壓，然後像電池一樣起作用。一旦您在電氣系統中有了電壓，現在您可以移動電流並以或多或少的正常方式操作計算機或電路。
這一切都非常有趣。聽起來量子物理學確實是改造我們的能源基礎設施的基礎工作，以及其他技術。這是正確的思考方式嗎？
是的，沒錯。這是一個很好的觀點 - 考慮氣候變化和可再生能源以及不會污染我們環境的技術。
如果我們只是考慮一下能源，就像我們討論聚變的例子一樣，這是一種綠色技術—— 假設我們可以讓它發揮作用。如果我們放棄核聚變，現在還有其他綠色技術。以風力渦輪機為例。風力渦輪機與量子物理學有什麼關係？風力渦輪機的工作方式是，當風轉動螺旋槳時，它們有一塊磁鐵連接到螺旋槳上，轉動磁鐵會產生電流。這就是你發電的方式：你扭曲了線圈內的磁鐵。
但問題是：你應該使用哪種磁鐵？因此，這就是基礎研究的地方——事實上，我在東北大學在某種程度上參與了這項研究——的用武：思考對風力渦輪機等應用具有理想特性的磁系統。
你需要有一個非常堅固的磁鐵，需要在高溫下生存，這意味著遠高於室溫，因為它會隨著陽光照射在那裡而變熱。它還必須具有足夠堅固的特性，以承受任何應變和應力，因為它在這個渦輪機系統中扭曲了。這些是所謂的硬磁鐵。那麼，如何開發更好的磁鐵呢？這是一個量子問題。
作為最後的想法，我想知道你對你的研究和這個領域的巨大希望是什麼。你希望在你的有生之年看到什麼，我們是否有任何進步處於風口浪尖？
這是一個很難回答的問題，這個領域的每個人都在問：我們真正處於風口浪尖上的進步是什麼？一個被廣泛引用的例子是量子計算。擁有量子計算機並不能解決任何人都能夢想到的每一個計算問題。事實證明，量子計算機特別擅長某些類別的問題，它們可以提供所謂的「量子優勢」。有一些特定的問題，量子計算機更有用;但其他問題可能通過傳統的超級計算機得到更好的解決。
因此，該領域的一個問題是試圖提供一個更尖銳的解決方案，說明量子計算機將幫助我們解決的具體問題。這是一個不斷發展的領域，就像量子計算機的真正利基問題是什麼一樣。我認為我們所有在這個領域工作的人都覺得會有一些特定的應用，量子計算機真的超越了其他一切 - 每個人都想參與其中;每個人對每個發達國家都有意義。每個人都想成為下一次量子革命的一部分，這不僅僅是將量子力學發展為一門新科學，而是將量子力學轉化為非常廣泛的應用。而計算只是最前沿的一個領域。
