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    日常生活中哪些设备运用了量子技术,其工作原理是什么?

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    • 高能物理
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      牛顿

      当提及量子物理学和量子技术时,很多人听起来会觉得很陌生,但实际上,两者都是我们日常生活中的一部分。

      从导航到LED灯,量子物理学推动了人们认为理所当然的许多技术。

      人们使用的很多设备都使用了量子技术,而且这些设备中有许多是在量子物理知识成熟到足以更好地理解这些设备之前开发的。量子物理学虽然已发展了一百多年,但是到目前为止,科学家们依然在探索这一神秘领域。LED灯,也被称为发光二极管,几乎每个家庭都在使用,因为它们比其他灯泡更节能、更明亮。LED 让人们的生活更加丰富多彩。从 LED 壁纸等有趣的设计到钟面,LED 已融入人们的日常生活。

      LED 的工作原理是使用半导体,即在铜线等良导体和玻璃等绝缘体之间导电的材料。 这些半导体设计有孔,当电子通过电流穿过电子空穴时,它们会通过光子或光粒子释放能量。这种光的颜色由半导体内孔的大小决定,只有部分 LED 使用了量子技术。

      LED 中的量子技术在电子释放光子时发挥作用,它们的量子态会降低。这使得 LED 整体上更加节能。LED 不仅用于家庭照明,还用于数据通信,例如用于听音系统。除此之外,LED 还用于通过光纤电缆发送数据,甚至被用于检测生命。美国陆军研究实验室(ARL)正在利用紫外光谱中的LED来诱导不同的生物体的荧光,如藻类荧光试验。

      LED还用于纹身,当 LED与纹身墨水同时注入身体时,这些纹身就会亮起来。有几家医疗公司正在研究这些纹身的医疗应用,包括血糖检测仪,或协助其他监测。但美国食品和药物管理局(FDA)还尚未批准这些设备。

      LED 的未来看起来很有趣,一些公司正在开发可以检测和吸收光的 LED,这些被称为“纳米棒”(Nanorods)”,然后通过使用量子传感器来观察和检测光。

      未来,时间会证明 LED 技术到底能有多先进。与 LED 一样,激光(Lasers)也利用了量子物理学的特性。根据福布斯杂志的一篇文章,当具有高能级的原子与具有精确波长的光子相互作用时,激光就会工作,然后使原子发射与第一个光子完全相同的第二个光子。在这里,原子的量子态随着它们发射光子而降低。如此循环,便会产生激光。虽然激光在演讲厅中很常见,但激光还有许多其他应用。从军用武器,枪支瞄准器、到显微镜,激光无处不在。无论你是扫描杂货、在宠物的项圈上刻标签、玩激光游戏,还是用激光场(laser field)抢劫银行金库,所有这些都涉及激光。

      研究甚至表明,科学家可能会使用高功率激光来诱发降雨和闪电风暴。如果可能的话,这将有助于解决世界各地的干旱和洪水灾害。如果没有GPS,我们会在哪里?日常生活中采用量子技术最为广泛的设备之一,便是GPS,它使我们能够轻松高效地旅行。

      GPS 以原子钟(Atomic clocks)的形式使用量子技术。原子钟通过量子物理学的特性工作。使用铯或铷原子,这些时钟“滴答作响”,因为特定微波的振荡会驱动这些原子的两个量子态之间的跃迁。因此,原子钟非常精确。根据《Smithsonian Magazine》报道,位于科罗拉多州博尔德市的美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的原子钟每 37 亿年才会产生1秒钟的误差。

      GPS 的工作原理是使用来自多个原子钟的信号,查看来自不同卫星的不同到达时间,然后从原子钟和卫星获取数据以确定你的距离和目的地有多远。每次你需要导航时,GPS 都会使用光速将原子钟给出的时间转换为距离,从而为人们提供精确的导航。 核磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)是一种众所周知的医生和其他专业人员进行人体成像的方法。MRI 机器使用量子技术对软组织和身体其他部位进行成像,这些部位在 X 射线中可能无法很好地显示出来。MRI 机器通过使用氢原子工作,像所有原子一样,氢原子的原子核在自旋上具有特定的排列。MRI 机器使用精心布置的磁场翻转这些氢原子的自旋。这些自旋翻转是氢原子量子态的一部分,可以在量子水平上改变这些原子之间的相互作用。使用这些翻转旋转,医生可以查看体内不同浓度的氢,看到 X 射线上看不到的东西。

      虽然所有这些设备看起来都很普通,但如果没有量子物理学,它们就无法工作。了解量子物理学和量子技术在人们的日常生活中所扮演的角色,就知道它们的重要性。

      随着量子技术领域的进步,其对流行文化的影响将持续增加。人们接下来还将在日常生活中使用哪些量子技术设备,且拭目以待。


      日常生活中哪些设备运用了量子技术,其工作原理是什么?
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      Lv.15蚂蚁
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      🌼春暖花开
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      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

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      Lv.13细胞
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      达尔文
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      跨界认知研究者-探索人文与自然的链接

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      Lv.8分子
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      哥白尼
      m m m

      安得广厦天下间,大庇天下寒士俱欢颜,风雨不动安如山!

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      Kun牛顿
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