科普：量子是什麼？從「微觀世界規律」到人類「新物理革命」

19世紀末，歐洲一些學者認為從牛頓力學到熱力學、電磁理論，人類的“物理學大廈”已全部建成，再沒有多少可研究的了。

但是，在1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克提出了量子理論，為人類開啟了探索“微觀世界規律”的“新物理革命”。量子理論也與相對論一起，成為現代物理學兩大支柱。

打開“量子之門”：微觀世界里的奇妙“疊加”與“糾纏”

量子是什麼？根據量子理論，量子是最小的、不可再分割的能量單位。我們中學物理書上提到的分子、原子、電子，其實都是量子的不同形式。可以說，我們的世界由量子組成，我們每個人都是“24K”純量子產品。

在我們日常生活的宏觀世界里，物體的位置、速度等，都可以通過經典力學精確測算。但在微觀量子世界里，卻有著截然不同的奇妙物理規則，最有代表性的是“疊加”與“糾纏”。

在宏觀世界，任何物體在某一時刻都有確定的狀態和位置。但在微觀世界，量子卻同時處於多種狀態和多個位置的“疊加”。

物理學家薛定諤曾用一隻貓比喻量子疊加：箱子里有一隻貓，在宏觀世界中它要麼是活的，要麼是死的。但在量子世界中，它可以同時處於生和死兩種狀態的疊加。

如果用一個人來比喻，他不僅同時處於生和死兩種狀態的疊加，還可以同時身處多個地點，比如既在北京又在上海。

更難以想象的是，量子的狀態還經不起“看”：如果你去測量，它就會從多個狀態、多個位置，變成一個確定的狀態和位置了。也就是說，如果你打開“薛定諤的箱子”，貓的疊加態就會消失，你會看到一隻活貓或一隻死貓。而“量子人”的“分身術”也會消失，他會出現在北京或上海。

疊加已經很奇妙，但當兩個量子“糾纏”在一起，那種奇怪連愛因斯坦都難以接受。

根據量子理論，如果兩個量子之間形成“糾纏態”，那麼無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個也會“瞬間”發生相應變化。愛因斯坦曾把這一現象稱作“鬼魅般的超距作用”。

從“被動”到“主動”，兩次“量子革命”深刻改變人類文明

量子理論誕生一百多年來，國際學界運用多種實驗和數學方法檢驗均發現，量子的奇妙特性客觀存在。

“量子力學是一個神秘的、令人捉摸不透的學科，我們誰都談不上真正理解，只是知道怎樣去運用它。”美國物理學家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼曾這樣說。

“量子理論的出現，在上世紀引發第一次量子革命，催生了現代信息技術。”中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉介紹，基於量子理論，核能、激光、半導體等科技得以問世，進而發展出計算機、互聯網、手機等重大應用。

進入21世紀，量子領域的新發現、新理論、新技術密集湧現，預示著“第二次量子革命”已進入加速期、起跑期。

“第二次量子革命的戰鼓已敲響！”英國《自然》雜誌評論說。

“第一次量子革命，人們只問量子理論能讓我們做什麼，不去問為什麼，是被動的觀測與應用。”中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦說，第二次量子革命則是主動利用量子特性，開發出量子通信、量子計算和量子精密測量等創新應用。

這些應用的革命性在哪裡？簡單來說，量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密，量子計算可以令人類的運算能力實現指數級增長，比如傳統計算機需要數萬年才能破解的複雜密碼，量子計算機幾秒鐘內就能破解。傳統測量技術最小隻能探測到微米量級，而量子測量可以進一步精細千倍、萬倍達到原子量級。

中國量子崛起，美好未來可期

如今，量子科技已成為國際上風起雲湧的戰略科研方向。近期，歐盟擬投資80億歐元支持新一代超級計算技術，量子計算是其中重要內容。美國開通國家量子協調辦公室網站，併發布了聚焦八大研究領域的《量子前沿報告》。

而經過三十多年努力，中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量，在多個戰略方向上實現領跑或進入第一陣營。

近年來，我國多次創造量子比特糾纏數量的世界紀錄；發射世界首顆量子實驗衛星“墨子號”，實現千里糾纏、星地傳密、隱形傳態三大科學目標；開通世界首條量子保密通信幹線“京滬幹線”，實現世界首次洲際量子保密通信。

當前，量子科技已進入“產業化前夜”。展望未來，量子計算有望為藥物研發、能源勘探、金融分析、氣象預報等大規模計算提供全新方案；量子測量發揮測量精度、靈敏度優勢，有望在科研、醫療、能源、災害預防等領域大顯身手；量子通信融合量子計算技術，構成高速、安全的“量子互聯網”，與人工智慧、區塊鏈等技術相結合，可為人類生活增添無限可能。