在探索宇宙最深处的奥秘与人类最宏伟的技术梦想之间，量子力学和核聚变无疑是两颗璀璨的明珠。量子力学，以其独特的微观视角，揭示了物质世界的基本规律；而核聚变，作为模拟太阳的能量源泉，承载着人类对清洁、可持续能源的无限憧憬。本文将带您走进这两个领域的交汇点，探索量子技术如何在核聚变的研究与应用中发挥着革命性的作用，并展望这一跨学科融合将如何开启人类能源的新纪元。
“量子”究竟是什么
量子科学的神秘面纱，很大程度上源于它的名字。
许多人一听到“量子”这个词，可能会下意识地将其与某种微小的粒子联系起来。毕竟，我们都知道，我们周围的物质是由原子构成的，原子又由原子核和电子组成，而原子核则由质子和中子构成。那么，量子究竟是什么呢？它是不是比原子、电子还要小的粒子？
实际上，量子并不是一种粒子，而是一个数学概念。它与原子、电子的大小无法比较，就像数字“5”和“3个苹果”无法比较一样——它们属于不同的范畴。那么，量子这个数学概念的真正含义是什么呢？它指的是“离散变化的最小单元”。
什么是“离散变化”？例如，当我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不能有半个人或1/3个人。当我们上台阶时，只能上一个台阶或两个台阶，而不能上半个台阶或1/3个台阶。这些都是离散变化的例子。对于统计人数来说，一个人就是一个量子；对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个物理量只能以离散的方式变化，我们就说它是量子化的。
什么是“量子力学”
量子力学和相对论是20世纪物理学的两大支柱，它们极大地扩展了我们对自然界的认识。然而，在公众的认知中，量子力学似乎没有相对论那么广为人知。这可能是因为相对论主要由爱因斯坦一人提出，而量子力学则是多位科学家共同的贡献，没有一个单一的代表人物。爱因斯坦和他的相对论几乎家喻户晓，而量子力学中的一些基本概念，如“薛定谔的猫”、“海森堡的不确定性原理”等，对大多数人来说可能还比较陌生。
量子力学是描述微观世界的基本原理。宏观物质的性质，如导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等，都是由其微观结构决定的，因此，这些性质的研究也必须依赖量子力学。
量子力学的出现，使我们能够回答许多基本问题，例如：为什么原子能够保持稳定，比如氢原子中的电子不会落到原子核上？（因为电子的能量是量子化的，最低只能取-13.6电子伏特，如果落到原子核上，能量将变得无限小，这是不可能的。）
量子力学和核聚变有什么关系
量子力学（Quantum Mechanics）是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它既存在于人类的技术应用中，也存在于自然现象中。
在太阳和恒星中，核聚变是产生能量的主要机制，量子力学的散射理论（研究微观粒子运动规律，粒子之间相互作用以及粒子内部结构的理论）则为核聚变提供了准确描述的工具，即两个轻核在相互作用力的作用下靠近并融合成一个重核，不仅如此，散射理论还可以计算出核聚变的概率和速率。
在技术应用中，实现受控热核聚变反应的挑战是巨大的，这涉及到极端的温度、压力和复杂的等离子体物理过程。近年来，量子技术的迅猛发展为这一领域带来了新的希望。量子计算、量子传感和量子通信等前沿技术，以其独特的量子效应，为解决核聚变中的一些最棘手问题提供了新的工具。
量子技术在核聚变应用中有何进展
借助量子隧穿效应引发聚变反应
根据核物理的理论，控制受控核聚变需要高能量。但是，利用X射线的最新自由电子激光器提供的能量和电磁场，可以在较低能量下引发核聚变，德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）科学家在《物理评论》杂志上证明了这一点。
要启动核聚变，必须首先克服相同带电的原子核之间的强烈电排斥力，这通常需要大量的能量。但如果能量不足以直接克服障碍，也可以通过量子隧穿效应来实现聚变。这是一种量子力学现象，意味着即使在较低的能量下，粒子也能穿越由核排斥造成的能量壁垒。
这并非纯粹的理论设想，实际上，太阳核心的温度和压力条件并不足以直接克服能量障碍，使氢原子核发生聚变。然而，太阳内部的聚变仍然发生，这正是因为大量粒子通过隧穿效应使得聚变反应得以持续。
目前使用X射线自由电子激光器（XFEL），已经可以实现每平方厘米10-20瓦的功率密度。这大约相当于太阳辐射功率的一千倍，集中在1枚硬币的表面。借助XFEL提高隧穿速率，足够多的隧穿过程最终是能够实现成功且受控的聚变反应的。
利用量子传感超越聚变实验的物理极限
量子传感能够利用量子纠缠、量子不确定性等量子物理属性，实现对未知环境参数更高精度、更高灵敏度、更高分辨率的感知，并使之逼近或超越物理极限。
而可控核聚变涉及到多个物理极限，比如需要实现数百万到数亿摄氏度之间的温度，以克服原子核之间的库仑排斥力，使得它们能够接近到足够的距离进行核聚变反应；为了维持高温等离子体，需要极高的压力帮助等离子体达到足够的密度，从而增加聚变反应发生的概率；在磁约束聚变（如托卡马克和斯特勒姆线圈）中，还需要强大的磁场来约束高温等离子体，防止其与反应器壁接触，这涉及到磁场强度的极限。量子传感器可以在极端的核聚变环境中提供精确的测量数据，这对于实现和维持核聚变反应来说至关重要。
2020年4月，美国能源部斥资1200万美元支持量子传感等技术在聚变能源研究中的应用，并在第二年持续投入1100万美元支持聚变能源与量子传感的联合研究。研究集中在以下方面：包括设计用于解决聚变能问题的量子计算算法、开发用于聚变实验的量子感测诊断技术、以及利用高能量密度等离子体形成新型量子材料。
结合量子计算机帮助提前实现核聚变商业化
量子计算机能够处理极其复杂的计算问题，这对于核聚变领域中的模拟和数据分析尤为重要。
2022年，位于美国加州的Kronos聚变能源算法公司宣布，公司使用人工智能、机器学习、神经网络、区块链、量子计算和其他先进技术开发了先进的算法和模拟，将聚变能反应堆的错误率从目前法国国际热动实验反应堆(ITER)的15%降低到1%，从而实现商业聚变能源发电厂40%的效率(Q40机械增益)。
这将使世界上第一个核聚变能源发电厂的建成日期提前20年，比今天的碳燃烧发电厂更高效。
参考链接：
- https://scitechdaily.com/using-quantum-mechanics-to-trigger-atomic-fusion/
- https://new.qq.com/rain/a/20220112A071PD00
- http://www.casisd.cas.cn/zkcg/ydkb/kjqykb/2020/202006/202007/P020200722367910318092.pdf
- https://news.mit.edu/2023/mathematical-blueprint-accelerating-fusion-device-development-0622