量子物理学家用训练有素的眼睛研究的世界与我们非科学家每天导航的世界完全相同。唯一的区别是它被放大到难以理解的小和大的尺度。
尽管如此，量子物理学在很大程度上仍然是一个模糊的主题——即使对于科学敏锐的读者也是如此。News@Northeastern与东北大学物理学教授Gregory Fiete谈到了量子研究的一些广泛应用，从开发可再生能源和建造更强大的计算机，到推进人类发现太阳系以外生命的追求。Fiete的评论已经过编辑，以保持简洁明了。
首先，让我们让我们的观众深入了解你的工作本质，向下看无限小的世界。对于像你这样的量子物理学家所从事的工作，有哪些误解，为什么它很重要？
你提到了量子和小世界。这就是大多数人在想到量子力学时所想到的，以及量子理论的一些早期基础的发展方式，它考虑了氢原子以及它如何具有离散的能级，你可以通过观察光谱来实验观察，或者它如何吸收和发光，例如。
[氢原子]以特定的频率吸收和发射，我们现在明白这是因为原子的量子性质 - 为什么只有特定允许的电子围绕原子核的轨道。因此，我们倾向于从氢原子这个非常重要的早期例子来思考量子力学，因此我们偏向于认为量子是关于小的。但事实上，这根本不是关于小的。
以太阳为例。太阳非常大 - 它是我们太阳系中最大的物体;我们的行星在轨道上围绕它旋转，因为它的引力。
太阳运作的方式是燃烧氢。它的引力是如此之大，以至于它将氢结合成氦，然后氦结合成其他元素。它是将原子融合在一起，聚变过程是一种量子现象，它是地球上正在进行的巨大能量挑战之一的背后，被称为持续聚变。这只是将氢气结合成氦气 - 如果我们可以在地球上的磁约束下做到这一点，那么我们将拥有一种清洁和可再生的能源。
基本上有无限量的氢可以组合，氦气没有放射性。因此，我们可以从或多或少无限丰富的事物中产生大量能量，而不会产生放射性物质形式的废物。这是物理学家正在努力实现的梦想。因此，宇宙中一些最重要的东西肯定是量子力学的，包括超大质量黑洞，它们可以通过一种称为霍金辐射的量子现象失去能量。
第二点是人们经常认为量子处理非常低的温度。再一次，以我们的太阳为例 - 它非常热，但这是量子力学。低温不是量子的要求。这个例子是关于恒星的，以及核聚变过程的量子性以及与之相关的高温——我只是想拓宽量子力学是什么以及它有多无处不在的视野。
当我们写下你和你的同事正在做的工作时，总会有现实世界的应用。你能谈谈量子物理学家正在推动其领域之外的技术进步的一些方式吗？
我将列举一些我最喜欢的技术。量子物理学真正让我兴奋的一件事是，它用于我认为的“取证”或量子取证，如果你愿意的话。
因为像原子这样的东西具有与之相关的离散能级，事实证明，这可以用来识别原子。如果你比较氢允许的能级和氦或任何其他元素的能级，它们是不同的。如果你有任何东西的气体，那么你可以通过观察它如何吸收和发光来确定气体中有什么原子。如果你对遥远的东西感兴趣，比如一颗围绕着一颗不是我们自己的恒星旋转的行星，这将具有巨大的实用价值。
我们用强大的望远镜发现了一个奇妙的系外行星领域，探测到这些在恒星和地球之间移动的行星。我们的望远镜 - 其中一些在太空中连接到具有令人难以置信的频率分辨率和灵敏度的卫星上 - 是如此强大，以至于我们可以观察这些行星周围的大气层薄层，以及来自恒星的光如何穿过它。然后，我们使用光谱技术，看看来自后面恒星的光是如何被这颗行星的大气层吸收的，这颗行星的大气层可能在数千光年之外。因此，我们可以探测到大气中有哪些原子。
这很有趣。但它走得更远。我们也可以检测到那里有什么分子。例如，是否有两个氢原子附着在一个氧原子上？换句话说，大气中有水吗？分子有自己的光谱特征。因此，我们实际上可以检测到其中一些行星的大气中是否有水，这真的很令人兴奋。
然而，我们可以更进一步。当涉及温度时，这些谱线，正如它们所称的那样，这些特定的频率被拓宽。有一种频率范围，你可以看到吸收和发射。它扩大的量告诉你一个分子的温度- 换句话说，这些行星的大气温度。
令人惊讶的是，我们可以确定这些行星的大气层中含有什么 - 人类不可能访问的行星。我们可以寻找生命的特征，比如，是否存在与漂浮在这些行星中的生命相关联的分子，至少如果它是类似地球的生命;然后我们也许能够确定，那里有一些人类永远无法访问的行星，拥有生命。或者，也许我们可以发现其他候选的生命形式。这是一个非常鼓舞人心的例子，它最终依赖于量子物理学和光谱学技术。
我认为另一个引起广泛兴趣的例子是，量子物理学正在产生太阳能无法企及的能源。因此，当你派出一个深空探测器来观察我们太阳系的外行星时，让我们说冥王星（技术上不再被认为是一颗行星）。如果你想观察冥王星，你需要派出一个深空探测器——需要数年时间才能到达那里。你可能会问，你可以为这个探头上的计算机提供什么样的电源，这样你就可以发回我们看到的漂亮图片？好吧，你可以把电池放在那里。到达那里需要数年时间，太空有很多辐射，电池可能会损坏;当它们通过大气层的所有热量变化和太空的寒冷等发射时，它们可能无法正常工作。这不太实用。没有足够的来自太阳的光线，你可以用太阳能电池板收集来运行计算机系统并发送回图像。
那么，他们如何为这些深空探测器上的计算机供电呢？他们使用的是辐射。它们使用放射性物质，放射性又是另一个量子过程，其中重元素衰变成较轻的元素;当它们这样做时，它们会弹出细胞核的一部分。但是这些被喷射出的原子核部分携带着可以被捕获的能量。
有些材料，其中一些非常接近我所从事的工作，它们被称为热电材料。它们采用高温区域，并将它们与低温区域连接起来，将这种高低温差转换为电压，然后像电池一样起作用。一旦您在电气系统中有了电压，现在您可以移动电流并以或多或少的正常方式操作计算机或电路。
这一切都非常有趣。听起来量子物理学确实是改造我们的能源基础设施的基础工作，以及其他技术。这是正确的思考方式吗？
是的，没错。这是一个很好的观点 - 考虑气候变化和可再生能源以及不会污染我们环境的技术。
如果我们只是考虑一下能源，就像我们讨论聚变的例子一样，这是一种绿色技术—— 假设我们可以让它发挥作用。如果我们放弃核聚变，现在还有其他绿色技术。以风力涡轮机为例。风力涡轮机与量子物理学有什么关系？风力涡轮机的工作方式是，当风转动螺旋桨时，它们有一块磁铁连接到螺旋桨上，转动磁铁会产生电流。这就是你发电的方式：你扭曲了线圈内的磁铁。
但问题是：你应该使用哪种磁铁？因此，这就是基础研究的地方——事实上，我在东北大学在某种程度上参与了这项研究——的用武：思考对风力涡轮机等应用具有理想特性的磁系统。
你需要有一个非常坚固的磁铁，需要在高温下生存，这意味着远高于室温，因为它会随着阳光照射在那里而变热。它还必须具有足够坚固的特性，以承受任何应变和应力，因为它在这个涡轮机系统中扭曲了。这些是所谓的硬磁铁。那么，如何开发更好的磁铁呢？这是一个量子问题。
作为最后的想法，我想知道你对你的研究和这个领域的巨大希望是什么。你希望在你的有生之年看到什么，我们是否有任何进步处于风口浪尖？
这是一个很难回答的问题，这个领域的每个人都在问：我们真正处于风口浪尖上的进步是什么？一个被广泛引用的例子是量子计算。拥有量子计算机并不能解决任何人都能梦想到的每一个计算问题。事实证明，量子计算机特别擅长某些类别的问题，它们可以提供所谓的“量子优势”。有一些特定的问题，量子计算机更有用;但其他问题可能通过传统的超级计算机得到更好的解决。
因此，该领域的一个问题是试图提供一个更尖锐的解决方案，说明量子计算机将帮助我们解决的具体问题。这是一个不断发展的领域，就像量子计算机的真正利基问题是什么一样。我认为我们所有在这个领域工作的人都觉得会有一些特定的应用，量子计算机真的超越了其他一切 - 每个人都想参与其中;每个人对每个发达国家都有意义。每个人都想成为下一次量子革命的一部分，这不仅仅是将量子力学发展为一门新科学，而是将量子力学转化为非常广泛的应用。而计算只是最前沿的一个领域。
