簡介
美國《科學》雜誌是由美國加州大學聖巴巴拉分校的物理學家安德魯·克萊蘭德和約翰·馬丁尼斯與同事一起設計的一種“實驗機械”的實驗裝置。其運動方式只能用量子力學來描述。由於實驗在概念上的拓展、實驗背後的獨創性以及其眾多的潛在用途，這一首創的量子機械是2010年的年度突破。《科學》雜誌將其評選為2010年最重大的科學突破。
是對巨觀物體量子效應的首次觀測。是科學家們第一次在一種人造物體的運動中示範了量子效應。這在概念層次上來說非常酷，因為它將量子力學擴展到了一個全新的領域之中。在實用的層面上，它開啟了多種可能性：從將光量子調控以及電流和運動相融合的新實驗到也許某一天人們可以測試量子力學的界限以及我們的現實感。
量子鼓英文為“Quantum drums”
新的科學發現
首次觀測到巨觀物體量子效應
12月21日出版的美國《科學》雜誌評出了2001年十大科技成就研究中，科學家首先將“量子鼓”冷卻至“基態”（量子力學定律中的最低能態）。隨即，將“量子鼓”提高一個量子級，讓其達到激發態。此外，研究人員甚至設法讓“量子鼓”同時處於兩種能態，以同時處在振動和不振動的疊加狀態，這種奇怪的現象合理地存在於量子力學獨特的法則中。
量子力學的法則也適用於巨觀物體
量子機械證明，量子力學原理既適用於大到肉眼可見物體的運動，又適用於原子和亞原子顆粒的運動。它為人們朝著完全控制物體量子級振動的方向邁出了關鍵性的第一步。這種對某種人造裝置運動的控制將允許科學家們操控那些微小的運動，如同他們現在對電流和光子的控制。這種能力轉而可能引導人們開發出新裝置以控制光量子態、超靈敏力探測器，並最終探求量子力學和我們現實感之間的界限。
薛丁格貓
巨觀物體的量子效應可以追溯到薛丁格的“薛丁格貓”理想實驗。該理論認為，量子力學不適用於由微觀粒子組成的巨觀體。
“薛丁格貓”是關於量子理論的一個理想實驗。構想在一個封閉的匣子裡，有一隻活貓、一小瓶毒藥、毒藥瓶上有一個錘子，錘子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出α粒子，觸動電子開關，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的氰化物氣體，貓必死無疑。
在整個實驗過程中，盒子都是密封的。按照常識，貓要么死，要么能活著。但是，薛丁格認為，存在一個中間態，貓既不死也不活，貓可能處於死了和活著之間的一種“疊加”狀態。
在實驗中，美國加州大學聖巴巴拉分校的安德魯·克萊蘭領導的科研團隊使用了一個約30微米長的細小的木槳(“量子鼓”)，當該木槳以一定的頻率運動時會震動。接著，他們給這個木槳通上了遵守量子力學法則的超導電路，隨後，他們將整個系統冷卻，讓系統處於量子基態。
克萊蘭和同事證實，處於基態的木槳沒有任何振動能。他們接著通過同樣的超導電路給木槳一個推動力，隨後，他們觀察到該木槳以一個特定的能量擺動。接下來，研究人員將量子電路置於“推動”和“不推”的疊加狀態，並且將它同木槳聯通，通過一系列非常精細的測試，研究人員證明，木槳同時處在振動和不振動的疊加狀態。
美國物理學會院士、俄勒岡大學教授王海林(音譯)表示，研究結論非常“令人吃驚”。他們的研究表明，量子力學的法則也適用於巨觀物體，這對物理學的發展非常有用。
至於為什麼我們很難在日常生活中觀察到巨觀物體處於量子狀態？克萊蘭表示，物體的大小確實起著重要的作用，物體越大，外力越容易破壞其量子狀態。
儘管如此，他仍然表示，我們需要讓更大的物體進入量子狀態，大物體的量子狀態能夠給研究人員提供更多的信息，比如量子力學和引力之間的關係等，另外，這也將為量子計算機的研發提供更多的信息。
證明情況
證明人不可能同時出現在兩個地方 ：
量子機械證明，量子力學原理適用於大到肉眼可見的物體的運動以及原子和亞原子顆粒的運動。它為人們朝著在量子水平獲取對一種物體的振動的完全控制的方向邁出了關鍵性的第一步。這種對某種人造裝置的運動控制將允許科學家們操控那些極小的運動，這很像他們現在對電流和光粒子的控制。這種能力轉而可能會導致控制光量子態、超敏感力探測器等新裝置的出現以及最終的對量子力學的界限和我們的現實感的研究。（最後的這一宏偉目標可以通過嘗試將一個肉眼可見的物體放入到一個能態中來完成；在這一能態中，該物體可同時直接處於2個略微不同的地方——這一實驗可準確地披露為什麼大到像人這樣的物體不可能同時出現在兩個地方。）
請注意，物理學家還沒有達到讓一個像這樣細小的物體同時出現在兩個地方的境界。但現在他們已經進入到量子運動的最簡單的狀態；看來做到它要比過去容易得多了：這更像是一個‘什麼時候可做到’而不是‘是否能做到’的問題。”
其它9大開創性成就的名錄
《科學》雜誌2010年的其它9大開創性成就的名錄如下
合成生物學
合成生物學：在生物學和生物技術的一個決定性時刻，研究人員構建了一個合成的基因組，並用它轉變了一種細菌的身份特性。該基因組取代了該細菌的DNA，使其生產出一組新的蛋白質——這一成就促使國會對合成生物學召開了一個聽證會。研究人員預計，將來，定製的合成基因組可用來產生生物燃料、醫藥品或其它有用的化學製品。
尼安德特人基因組
尼安德特人基因組：研究人員對在3萬8000年至4萬4000年前曾經生活在克羅埃西亞的3個女性尼安德特人的骨頭做了尼安德特人的基因組測序。對DNA降解片段進行測序的新方法使得科學家們能夠第一次對現代人基因組與我們的尼安德特人祖先的基因組進行直接的比較。
HIV預防
HIV預防：對預防HIV的兩種不同且新穎的方法的試驗報導了所取得的不容置疑的成功：一種含有抗HIV藥物泰諾福韋（tenofovir）的陰道凝膠可使女性中HIV的感染減少39%，而一種口腔預先接觸的預防法可令一組與男性發生性關係的男子和變性女子的HIV感染減少43.8%。
罕見疾病基因
外顯子組測序/罕見疾病基因：通過只對某一基因組中的外顯子（或者說是那個極小的實際編碼蛋白質的基因組部分）進行測序，研究罕見遺傳性疾病的研究人員能夠發現造成至少12種疾病的特別的基因突變；這些遺傳性疾病是由某個單獨的有缺陷的基因引起的。
分子動力學模擬
分子動力學模擬：模擬蛋白質在摺疊時的鏇轉一直是一種組合上的噩夢。如今，研究人員利用了世界上最強力的電腦之一的能力來跟蹤在一個小的正在摺疊的蛋白質中的原子運動，其能跟蹤的時間要比過去任何一種方法都要長100倍。
相關論文：Atomic-LevelCharacterizationoftheStructuralDynamicsofProteins
量子模擬器
量子模擬器：為了描繪在實驗室所看見的情況，物理學家根據方程式推出了一些理論。這些方程式可能極其難以解出。但是在今年，研究人員通過量子模擬器發現了一條捷徑——即在人造的晶體中，雷射光點扮演著截留在光中的電子位置的離子和原子的角色。這些裝置給在凝聚態物理學中的理論問題提供了快速的答案，它們可能最終會幫助人們解決諸如超導性等的謎團。
相關論文：ARydbergquantumsimulator
下一世代的基因組學
下一世代的基因組學：更快更廉價的測序技術使人們能夠對遠古和現代的DNA進行非常大規模的研究。例如，1千個基因組計畫已經發現了令我們人類獨一無二的基因組變異——而其它正在進行中的計畫一定還會披露更多的基因組功能。
RNA的重新編程
RNA的重新編程：重新編程細胞——即將細胞的發育時鐘回撥，使其表現如胚胎中的非特異性的“幹細胞”——已經成為一種研究疾病和發育的標準實驗室技術。今年，研究人員找到了一種用合成RNA來做這一工作的方法。與以往的方法相比，這種新的技術的速度要快2倍，功效要高100倍，並在治療套用上可能更為安全。
大鼠的回歸
大鼠的回歸：小鼠統治著實驗室的動物世界，但研究人員為了諸多目的而更願意用大鼠。人們更容易用大鼠來做實驗，而大鼠在解剖上也與人類更加相似；但大鼠的重大缺陷是：用以製造“基因分離小鼠”——在這些動物中根據研究需要而將其某些特定的基因準確地關閉——的方法在大鼠中無效。然而，今年有一系列的研究承諾會給實驗室帶來大批的“基因分離大鼠”。
什麼是量子力學
是描寫微觀物質的一個物理學理論，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。
19世紀末，經典力學和經典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、薛丁格、沃爾夫岡·泡利、德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克等一大批物理學家共同創立的。通過量子力學的發展人們對物質的結構以及其相互作用的見解被革命化地改變。通過量子力學許多現象才得以真正地被解釋，新的、無法直覺想像出來的現象被預言，但是這些現象可以通過量子力學被精確地計算出來，而且後來也獲得了非常精確的實驗證明。除通過廣義相對論描寫的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力學的框架內描寫（量子場論）。
量子力學物理意義
基礎測量過程
量子力學與經典力學的一個主要區別，在於測量過程在理論中的地位。在經典力學中，一個物理系統的位置和動量，可以無限精確地被確定和被預言。至少在理論上，測量對這個系統本身，並沒有任何影響，並可以無限精確地進行。在量子力學中，測量過程本身對系統造成影響。
要描寫一個可觀察量的測量，需要將一個系統的狀態，線性分解為該可觀察量的一組本徵態的線性組合。測量過程可以看作是在這些本徵態上的一個投影，測量結果是對應於被投影的本徵態的本徵值。假如，對這個系統的無限多個拷貝，每一個拷貝都進行一次測量的話，我們可以獲得所有可能的測量值的機率分布，每個值的機率等於對應的本徵態的係數的絕對值平方。
由此可見，對於兩個不同的物理量A和B的測量順序，可能直接影響其測量結果。事實上，不相容可觀察量就是這樣的。
不確定性原理
主條目：不確定性原理
最著名的不相容可觀察量，是一個粒子的位置x和動量p。它們的不確定性Δx和Δp的乘積，大於或等於普朗克常數的一半：
這個公式被稱為不確定性原理。它是由海森堡首先提出的。不確定的原因是位置和動量的測量順序，直接影響到其測量值，也就是說其測量順序的交換，直接會影響其測量值。
海森堡由此得出結論，認為不確定性是由於測量過程的限制導致的，至於粒子的特性是否真的不確定還未知。玻爾則將不確定性看作是物理系統的一個原理。今天的物理學見解基本上接受了玻爾的解釋。不過，在今天的理論中，不確定性不是單一粒子的屬性，而是一個系綜相同的粒子的屬性。這可以視為一個統計問題。不確定性是整個系綜的不確定性。也就是說，對於整個系綜來說，其總的位置的不確定性Δx和總的動量的不確定性Δp，不能小於一個特定的值：
機率
通過將一個狀態分解為可觀察量本徵態的線性組合，可以得到狀態在每一個本徵態的機率幅ci。這機率幅的絕對值平方|ci|2就是測量到該本徵值ni的機率，這也是該系統處於本徵態的機率。ci可以通過將投影到各本徵態上計算出來：
因此，對於一個系綜的完全相同系統的某一可觀察量，進行同樣地測量，一般獲得的結果是不同的；除非，該系統已經處於該可觀察量的本徵態上了。通過對系綜內，每一個同一狀態的系統，進行同樣的測量，可以獲得測量值ni的統計分布。所有試驗，都面臨著這個測量值與量子力學的統計計算的問題。
同樣粒子的不可區分性和泡利原理
由於從原則上，無法徹底確定一個量子物理系統的狀態，因此在量子力學中內在特性（比如質量、電荷等）完全相同的粒子之間的區分，失去了其意義。在經典力學中，每個粒子的位置和動量，全部是完全可知的，它們的軌跡可以被預言。通過一個測量，可以確定每一個粒子。在量子力學中，每個粒子的位置和動量是由波函式表達，因此，當幾個粒子的波函式互相重疊時，給每個粒子“掛上一個標籤”的做法失去了其意義。
這個全同粒子(identicalparticles)的不可區分性，對狀態的對稱性，以及多粒子系統的統計力學，有深遠的影響。比如說，一個由全同粒子組成的多粒子系統的狀態，在交換兩個粒子“1”和粒子“2”時，我們可以證明，不是對稱的，就是反對稱的。對稱狀態的粒子被稱為玻色子，反對稱狀態的粒子被稱為費米子。此外自鏇的對換也形成對稱：自鏇為半數的粒子（如電子、質子和中子）是反對稱的，因此是費米子；自鏇為整數的粒子（如光子）是對稱的，因此是玻色子。
這個深奧的粒子的自鏇、對稱和統計學之間關係，只有通過相對論量子場論才能導出，但它也影響到了非相對論量子力學中的現象。費米子的反對稱性的一個結果是泡利不相容原理，即兩個費米子無法占據同一狀態。這個原理擁有極大的實用意義。它表示在我們的由原子組成的物質世界裡，電子無法同時占據同一狀態，因此在最低狀態被占據後，下一個電子必須占據次低的狀態，直到所有的狀態均被滿足為止。這個現象決定了物質的物理和化學特性。
費米子與玻色子的狀態的熱分布也相差很大：玻色子遵循玻色-愛因斯坦統計，而費米子則遵循費米-狄拉克統計。
量子糾纏
主條目：量子糾纏
往往一個由多個粒子組成的系統的狀態，無法被分離為其組成的單個粒子的狀態，在這種情況下，單個粒子的狀態被稱為是糾纏的。糾纏的粒子有驚人的特性，這些特性違背一般的直覺。比如說，對一個粒子的測量，可以導致整個系統的波包立刻塌縮，因此也影響到另一個、遙遠的、與被測量的粒子糾纏的粒子。這個現象並不違背狹義相對論，因為在量子力學的層面上，在測量粒子前，你不能定義它們，實際上它們仍是一個整體。不過在測量它們之後，它們就會脫離量子糾纏這狀態。
量子退相干
主條目：量子退相干
作為一個基本理論，量子力學原則上，應該適用於任何大小的物理系統，也就是說不僅限於微觀系統，那么，它應該提供一個過渡到巨觀“經典”物理的方法。量子現象的存在提出了一個問題，即怎樣從量子力學的觀點，解釋巨觀系統的經典現象。尤其無法直接看出的是，量子力學中的疊加狀態，如何套用到巨觀世界上來。1954年，愛因斯坦在給馬克斯·波恩的信中，就提出了怎樣從量子力學的角度，來解釋巨觀物體的定位的問題，他指出僅僅量子力學現象太“小”無法解釋這個問題。
這個問題的另一個例子是由薛丁格提出的薛丁格的貓的思想實驗。
直到1970年左右，人們才開始真正領會到，上述的思想實驗，實際上並不實際，因為它們忽略了不可避免的與周圍環境的相互作用。事實證明，疊加狀態非常容易受周圍環境的影響。比如說，在雙縫實驗中，電子或光子與空氣分子的碰撞或者發射輻射，就可以影響到對形成衍射非常關鍵的各個狀態之間的相位的關係。在量子力學中這個現象，被稱為量子退相干。它是由系統狀態與周圍環境影響的相互作用導致的。這個相互作用可以表達為每個系統狀態與環境狀態的糾纏。其結果是只有在考慮整個系統時（即實驗系統+環境系統）疊加才有效，而假如孤立地只考慮實驗系統的系統狀態的話，那么就只剩下這個系統的“經典”分布了。
即使在非常弱的環境影響下，一個巨觀物體也已經在極短的時間裡退相干了。
在上面的這個敘述中，有一個內在的假設，即退相干後的系統，自然地是我們所熟悉的經典系統。但是，這個假設並不是那么理所當然。比如說，退相干後的巨觀系統，一般是我們所熟悉的位置狀態明確的狀態，而微觀系統則往往退相干為位置狀態不明確的狀態（比如能量特徵狀態），這是為什麼呢？這個問題的答案也來自周圍環境對系統的影響。事實上，只有不被退相干過程直接摧毀的狀態，才提供一個堅固的、退相干後的可觀察量。
量子退相干是今天量子力學解釋巨觀量子系統的經典性質的主要方式[3]。
對於量子計算機來說，量子退相干也有實際意義。在一台量子計算機中，需要多個量子狀態儘可能地長時間保持疊加。退相干時間短是一個非常大的技術問題。
套用
在許多現代技術裝備中，量子物理學的效應起了重要的作用。從雷射、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學圖像顯示裝置，都關鍵地依靠了量子力學的原理和效應。對半導體的研究導致了二極體和三極體的發明，最後為現代的電子工業鋪平了道路。在核武器的發明過程中，量子力學的概念也起了一個關鍵的作用。
在上述這些發明創造中，量子力學的概念和數學描述，往往很少直接起了一個作用，而是固體物理學、化學、材料科學或者核物理學的概念和規則，起了主要作用，但是，在所有這些學科中，量子力學均是其基礎，這些學科的基本理論，全部是建立在量子力學之上的。
以下僅能列舉出一些最顯著的量子力學的套用，而且，這些列出的例子，肯定也非常不完全。實際上，在現代的技術中，量子力學無處不在。
原子物理和化學
任何物質的化學特性，均是由其原子和分子的電子結構所決定的。通過解析包括了所有相關的原子核和電子的多粒子薛丁格方程，可以計算出該原子或分子的電子結構。在實踐中，人們認識到，要計算這樣的方程實在太複雜，而且在許多情況下，只要使用簡化的模型和規則，就足以確定物質的化學特性了。在建立這樣的簡化的模型中，量子力學起了一個非常重要的作用。
一個在化學中非常常用的模型是原子軌道。在這個模型中，分子的電子的多粒子狀態，通過將每個原子的電子單粒子狀態加到一起形成。這個模型包含著許多不同的近似（比如忽略電子之間的排斥力、電子運動與原子核運動脫離等等），但是它可以近似地、準確地描寫原子的能級。除比較簡單的計算過程外，這個模型還可以直覺地給出電子排布以及軌道的圖像描述。
通過原子軌道，人們可以使用非常簡單的原則（洪德定則）來區分電子排布。化學穩定性的規則（八隅律、幻數）也很容易從這個量子力學模型中推導出來。
通過將數個原子軌道加在一起，可以將這個模型擴展為分子軌道。由於分子一般不是球對稱的，因此這個計算要比原子軌道要複雜得多。理論化學中的分支，量子化學和計算機化學，專門使用近似的薛丁格方程，來計算複雜的分子的結構及其化學特性的學科。
原子核物理學
原子核物理學是研究原子核性質的物理學分支。它主要有三大領域：研究各類次原子粒子與它們之間的關係、分類與分析原子核的結構、帶動相應的核子技術進展。
