（来源：新华每日电讯）

转自：新华每日电讯

微观世界的“分身术”，解锁未来科技新可能

在量子世界里，藏着一种神奇的能力——量子叠加。如果说量子隧穿是微观粒子的“穿墙术”，那么量子叠加就是粒子独有的“分身术”。这项看似抽象的微观效应，不仅颠覆了经典物理的固有认知，更是量子计算机、量子通信、高精度传感等尖端科技的核心基石。许多人耳熟能详的“薛定谔的猫”，就是对量子叠加最具象的解读吗？国家级人才、国家重点研发计划首席科学家、北京航空航天大学教授周苗，为我们解锁这些量子科技的奥秘。

什么是量子叠加？万物皆可“同时存在”

在经典物理规则下，世间万物的状态都是确定且唯一的：灯泡要么亮、要么灭；硬币抛起落地后，要么正面、要么反面；小球要么在左边、要么在右边。任何物体在某一时刻，只会拥有一个确定状态，不存在中间的模糊叠加形态。

但微观粒子彻底打破了这个规则。电子、光子、原子等微观量子，在没有被观测、没有与外界发生相互作用时，不会被单一状态束缚，能够同时处于多种状态的叠加之中，这就是量子叠加效应。简单来说，微观粒子可以实现“一身多态”，同时存在于多个位置、拥有多种运动状态，而非“非此即彼”。

最经典的通俗类比就是“薛定谔的猫”：在封闭的量子装置中，放射性原子处于“衰变”与“不衰变”的叠加状态，这就会让箱子里的猫，在被打开观测之前，同时处于“活着”和“死亡”的叠加状态。这并不是说猫的状态未知，而是它本身就处于两种状态共存的特殊形态。直到开箱观测的瞬间，叠加状态瞬间崩塌，才会定格为唯一的确定状态。

量子叠加的三大核心特质，带你读懂量子世界的底层逻辑

1.多态共存，打破非黑即白的经典规则

宏观世界中，一切状态都是排他的，两种对立状态无法同时存在。而量子叠加的核心在于其兼容性：微观粒子可以同时占据两个甚至多个状态，彼此之间没有绝对的界限。例如，一个量子比特不再局限于传统计算机比特中“0”或“1”的单一状态，而是能够同时处于0和1的叠加状态。这正是量子计算算力远超传统计算的原因。

2.观测即坍缩，状态随观测行为改变

量子叠加状态极其脆弱，其最大特点是对观测高度敏感。在无干扰、无观测的封闭环境中，粒子能够稳定维持叠加状态；然而，一旦人类通过仪器对其进行观测，或粒子与外界环境发生接触与干扰，叠加态便会瞬间消失，快速坍缩为唯一的确定单一状态。这种“观测改变状态”的特性，是量子世界区别于宏观世界的关键，也因而成为量子科技研发中的核心难点与重要突破口。

3.叠加可干涉，催生独特量子效应

处于叠加态的粒子，多种状态之间会产生量子干涉现象，如同水波相遇时出现波纹叠加与抵消。这种量子干涉并非宏观意义上的物理碰撞，而是状态概率之间的相互作用，能够精准调控粒子的运动轨迹与状态分布。量子通信、量子精密测量等技术，正是借助量子干涉的特性，实现经典科技无法达成的功能。

量子叠加能否应用在人体上？网红量子养生都是骗局

和量子隧穿一样，市场上充斥着大量蹭热度的伪量子产品。不少商家宣称“量子叠加赋能身体”“叠加态活化细胞”“量子分身养生”，声称能够调节体质、疏通经脉、延缓衰老。这些说法完全违背物理规律，纯属营销噱头。

量子叠加效应仅能稳定存在于微观量子体系中，需要超低温、超真空、零干扰等极为严苛实验环境。人体是由大量宏观原子和分子构成的复杂开放系统，无时无刻不在与外界发生热量、粒子、光线交换，外界干扰会瞬间破坏量子叠加态，因此人体根本无法维持任何量子叠加效应。所有民用穿戴、养生、理疗类的“量子叠加产品”，均与真正的量子科技毫无关联，属于纯粹的虚假宣传。

宏观物体无法实现量子叠加。桌椅、人体、建筑等宏观物体因粒子数量庞大、相互干扰极强，其叠加态会瞬间坍缩，难以形成可观测、可利用的叠加效果。

落地身边的量子叠加科技，早已融入现代生活

量子叠加并非只存在于实验室的理论概念，这项微观效应早已实现产业化，悄然赋能我们的日常生活与现代工业体系。

量子精密测量技术在民用落地场景方面较为成熟。利用量子叠加态对环境的超高敏感度，科学家研发出量子陀螺仪、量子磁力仪等设备。相较于传统测量仪器，这些设备在特定测量任务中具有更高的灵敏度和稳定性，能够捕捉极其微弱的磁场、重力、温度变化，广泛应用于航空航天、地质勘探、矿产探测、地下管线检测等领域，大幅提升了精密探测的精准度。

量子保密通信则利用量子态不可任意复制及测量扰动等量子力学特性实现安全密钥分发。传统光纤通信与无线通信存在被窃听、破解的风险，而量子通信的信号基于量子叠加态传输，一旦有人窃听、拦截信号，观测行为将直接导致量子态坍缩，通信双方能瞬间察觉窃听行为，从而在物理层面杜绝信息泄露。

高精度原子钟是现代时空计量的核心设备，其工作原理依托原子的量子叠加跃迁效应。原子钟的计时误差极低，数百万年误差不超过一秒，为卫星导航、手机定位、网络授时、高铁调度以及电力调度提供精准时间基准，是现代数字社会与交通通信体系的时间基石。

量子叠加应用将解锁科研新领域

当前，量子叠加的应用仍处于初级阶段。随着量子技术的不断突破，这一微观效应有望彻底颠覆现有科技体系，在量子计算、人工智能、医疗科研等领域解锁全新可能。

在量子计算领域，量子叠加是量子计算机的核心底层逻辑。与只能处于确定的0或1状态的经典比特不同，量子比特可以处于0和1的叠加态。多个量子比特组成的量子系统具有随量子比特数量指数增长的状态空间，并可结合量子纠缠和量子干涉进行信息处理。通过设计特定量子算法，量子计算机有望在部分经典计算非常困难的问题上获得显著加速。未来随着大规模容错量子计算技术的发展，量子计算有望在分子与材料模拟、药物研发、复杂优化、密码分析以及部分机器学习任务等领域发挥重要作用。

在医疗科研领域，基于量子叠加干涉的超高精度成像技术，能够实现无创、超高分辨率的人体微观成像，精准观测细胞、分子的细微变化，助力早期癌症筛查、神经疾病诊断，突破传统医疗设备的精度瓶颈。

在智能传感领域，量子传感器将实现全方位、高精度的环境监测，可捕捉微量污染物、微弱生命体征、地下地质变化，广泛应用于生态保护、灾害预警、智能穿戴设备，为传统传感技术难以探测的微弱信号提供新的测量手段。

未来，随着量子技术持续迭代，这一神奇的微观“分身术”，将持续赋能科技革新，重塑人类的生活与未来。

监制：卢刚 | 责编：刘晶瑶 | 校对：张慧