在CT掃描中，通過對許多二維X射線的信息進行匯總重組，可以確切地建立出身體內(nèi)部的三維圖。QOT的思想是在更寬廣的量子領(lǐng)域中做類似的事情。
撰文|Frank
翻譯|胡風(fēng)、梁丁當(dāng)
英文版
最新實驗表明，利用CT掃描的原理，我們可以“看到”亞原子粒子與波
幾周前，我驚喜地在一個數(shù)學(xué)網(wǎng)站上看見一則新聞報導(dǎo)，題為“量子重疊層析成像的實驗實現(xiàn)”。眾所周知，對量子系統(tǒng)進行成像十分困難。2020年，我和喬丹·科特勒提出了一項量子重疊層析成像技術(shù)，以獲得量子世界的清晰圖象。南洋理工學(xué)院的Yang團隊在一項突破性實驗中量子物理如何改變世界，實現(xiàn)了量子重疊層析成像技術(shù)。
量子重疊層析成像的英語是(QTO)。我們可以通過拆解與剖析這三個詞組，來理解哪些是QTO、以及它為何重要。
先來看Q。要勾畫一個量子體系，哪怕它很小，也須要一張很大的畫布。例如，一個只有兩到五個電子的量子系統(tǒng)量子物理如何改變世界，它的波函數(shù)有六到十五的空間維度。這讓化學(xué)學(xué)家深陷了一個困局：我們曉得描述系統(tǒng)的多項式是哪些，但是即使用目前最先進的超級計算機，我們也只能十分粗糙地求解系統(tǒng)的波函數(shù)。多電子量子體系的波函數(shù)包含了我們須要的所有信息。假如我們能否愈發(fā)確切地求解它，以更好地理解真實的量子世界，我們將才能把物理和材料科學(xué)，包括抗生素和催化劑的設(shè)計，提高到一個全新的高度。
為了解決這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們開發(fā)了量子模擬器和量子計算機。在理想的情況下，量子模擬器和量子計算機可以在模型層面實現(xiàn)我們所希望了解的系統(tǒng)的波函數(shù)?？傻酱藶橹?，問題只解決了一半。我們還須要從波函數(shù)中讀取它所包含的信息。而這一步很難：量子熱學(xué)告訴我們，對波函數(shù)進申論量會使其“塌縮”，破壞了對它的進一步使用。
這時侯就須要發(fā)揮T（斷層掃描）的作用了?！皵鄬訏呙琛痹醋晕靼嘌勒Z“tomos”，意思是“切片或切塊”。它也是CT掃描（計算機輔助斷層掃描）中的T。在CT掃描中，通過對許多二維X射線的信息進行匯總重組，可以確切地建立出身體內(nèi)部的三維圖。QOT的思想是在更寬廣的量子領(lǐng)域中做類似的事情。
怎樣從量子波函數(shù)中獲得它蘊藏的信息？這個問題有點像我們在玩填字游戲或益智棋盤游戲（）時遇到的困局。在這種游戲中，我們可以進行多次查詢（類似于檢測）。從每位查詢中，我們只能得到部份信息。我們可以把從波函數(shù)中獲取信息想像成在玩一個小型的填字游戲，其中包含了上千個字符；又或則是一個大規(guī)模的益智棋盤游戲，其中包含了上千個鐵釘和數(shù)十種顏色。難度可想而知。
這就引出了第三個字母，表示重疊的O。為了解決量子檢測問題，一個好的策略是以不同的碼率對波函數(shù)進行取樣，以獲得交疊的圖象信息。把這種圖象編織在一起，就才能產(chǎn)生一幅愈發(fā)完整的畫。南洋理工學(xué)院的研究人員們在實驗中測試了科特勒博士和我提出的算法。她們展示了這些技巧確實才能把測試圖象確切、有效地構(gòu)建下來。
實驗成功的好消息喚起了我的一個美好追憶。幾年前的一個夏季，在斯德哥爾摩外的波羅的海河邊，科特勒博士和我有一次漫長的遛彎。當(dāng)時，為了應(yīng)對中國的杰出數(shù)學(xué)學(xué)家潘建偉提出的挑戰(zhàn)，我們想出了一個辦法，使波函數(shù)的檢測顯得比較實用。
略帶點甜蜜的是，好消息傳來時，我正在從肝臟放療中恢復(fù)，而恰恰是CT掃描診斷了我的病情。CT掃描為放療清除了許多不確定誘因。量子技術(shù)也必將對生物物理形成同樣的作用。似乎有這么三天，利用強效新藥，人們甚至不須要放療就能否復(fù)健。
英語版
AthattheCTscanscanalsobeusedtoviewandwaves
AofweeksagoIgotanicefromanewsstoryona“Theof.”ItonworkbyYangandat,whoabyandmein2020.Thislineofworkaimstogetaclearimageofthehard-to-viewworld.
Eachofthethreewordsin(QTO)canusesometowhatisandwhyit.
Let’slookattheQfirst.Agoodneedsaverylarge,evenwhenit’sverysmall.For,thewaveforoftwotofiveexistinfromsixto15.Thisputsina.Weknowwhattheare,butusingwecanonlysolvethemvery.Ifwecoulddoajobof,wewouldbeabletotakeand,theofdrugsand,tonew.Waveofmulti-allthe.
andaremeanttorisetothis.,theycanthe-waveoftheyou’reto,asasortofscalemodel.Butwiththat,thewillonlybehalf-.Thethingis,it’snoteasytoreadthethatwave.In,,awave“”itanditforuse.
That’swheretheT,for,comesin.“”fromtheGreek“tomos”“slice,or.”ItisalsotheTinCTscan(-).CTscansthefrommany2-DX-raysintoan3-Dofthebody’s.TheideawithQOTistodointherealm.
Theofwaveisliketheposedbygameslikeand.Inthosegames,youmake(akinto)andgetbackonlyfromeachone.Butnowthattheofortheofpegsandof.
Thatustothethird,Ofor.Agoodfortheisthatthewavewith.Thisgivesyouthatyoucanweaveintoa.ThethethatDr.andIcameupwithbythattheygavebackatestimageand.
ThegoodnewsfromthebackofthelongwalkbytheSea,,thatDr.andItookafewyearsago.There,toafromtheJian-WeiPan,wetheofwave.
ThenewscamejustasIwasfrom.Thatwas,sinceitwasaCTscanthathadmy.Thathastakenalotoftheoutof.willdothesamefor.,bynew,itmighteventaketheoutof.
Frank
弗蘭克·維爾切克是麻省理工大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院士、量子色動力學(xué)的奠基人之一。因發(fā)覺了量子色動力學(xué)的漸近自由現(xiàn)象，他在2004年獲得了諾貝爾化學(xué)學(xué)獎。