科技科普 | 连量子力学都不懂，还说知道量子科技？

近年来

“量子”一词频繁出现

经常听说量子科技又有新的进展

然而很多人不免发出疑问

究竟什么是量子科技

能给我们的生活

带来什么改变

中科院物理所研究员曹则贤老师在2020年跨年科学演讲《什么是量子力学？》中提到：

我们生活中的可以见到的感知到的事物，包括光和能量的最小单位都能称之为量子。

就像我们远处看鱼群是乌央乌央的一片黑，但是放大了看就是一只一只的鱼，这就可以说是鱼群的量子。

图源曹则贤老师2020跨年科学演讲ppt

量子力学是人类探究微观世界的重大成果，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

今天我们来研究一下：

什么是量子？

为什么说量子力学是量子科技的基础？

量子科技会给我们的生活带来什么改变？

量子

1900年，普朗克首次提出量子概念，用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子。从此“量子论”就宣告诞生。

爱因斯坦则认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的，光辐射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小单元，后来称之为“光量子”，或简称“光子”。

法国年轻的博士生德布罗意在爱因斯坦“光子”概念的启发下提出：既然看似波动的光辐射，具有“粒子”特性，那么像电子这类看似“粒子”的物质，也应具有波动性。

这就是“德布罗意物质波”的概念，由此引发后继大量理论与实验研究，证实所有微观粒子都同时具有波动性和粒子性二象性。这些奇异特性的微观粒子构成“量子世界”，遵从量子力学的运动定律。

我们按物理运动规律的不同，将遵从经典运动规律（牛顿力学，电磁场理论）的那些物质所构成的世界称为“经典世界”，将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。

量子就是量子世界中物质客体的总称，它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是BEC、超导体、“薛定谔猫”等宏观尺度下的量子系统，它们的共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

举一个例子说明“量子”与“经典”的本质区别，经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的：晶体管要么导通，要么关闭，完全确定。即经典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。

图源网络

但量子世界中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，而且这种不确定性与实验技术无关，是量子世界的本质特征，无法消除。

量子科技的基础是量子力学

量子力学建立以后，成为整个微观物理学的理论框架，取得一个又一个的成功。比如解释了化学中元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等等，都是在电子和原子核的电磁力作用下，由量子规律所导致。

量子力学也在帮助我们理解宇宙，宇宙跨越各种尺度，从最小、最微观的基本粒子到原子分子，再到可以看见的宏观世界，到天体，到整个宇宙。

从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质，量子力学都起了重要的作用，也因此成为现代技术的基础。

量子力学带来了非常丰富的科学技术应用，也将深刻地改变我们人类社会的文明进程。例如，它让我们拥有了新的能源——来自原子核的能量，也让我们能够更有效地利用太阳能。

量子力学为信息革命提供了硬件基础，激光、半导体晶体管，芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。

从x射线到电子显微镜、正电子湮没、光学和核磁共振成像等等，量子力学为材料科学、医学和生物学提供了分析工具。

近年来，基于对单个量子态的操控，量子科学技术又出现了新的方向和领域，迎来量子科技的第二次高潮，也可以说是第二次量子革命。而其中最重要的就是量子通信和量子计算。

量子通信是指使用量子态携带所要传送的信息，使用量子纠缠作为传输信道。两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”，无论相隔多远，一个量子状态变化，另一个也会随之改变，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。

与传统通信方式相比，量子通信在高效信息传输、抗干扰能力等方面具有绝对优势， 是迄今为止唯一通过数学方式被严格证明的绝对安全的通信方式。

量子计算则是通过巧妙地操纵量子叠加态，使用量子力学原理作为计算逻辑。基于量子纠缠的原理，量子计算机可以同时进行多条线路的并行运算，这意味着它可以同时分析所有可能性，这也是量子计算机超强信息处理能力的根源。

通过巧妙地设计操作叠加态的演化过程，能够快速解决某些计算问题，比如破解RSA加密算法。

当前最常用的2048位RSA密码，使用超级计算机破解需要约80年，而谷歌和瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的一项最新研究成果，演示了量子计算机如何用2000个量子位来计算，可以在8小时暴力破解2048位RSA密码。

IBM将量子计算机连接至云端，图源网易科技

量子科技带来的改变

量子通信给我们的未来描绘了一幅令人遐想的图景，通过量子卫星与地面光纤网络构建新型的通信系统，通过与经典通信网络相融合，未来将可形成覆盖全球的广域量子通信网络，结合量子通信保密的特性，可以全面提升信息安全水平。

而利用广域的量子通信网络，我们将可以发展出空间分辨率极高的望远镜技术，便于更大规模的宇宙探索。

也可以构建高精度的光频率传递网络，精度相比现在的微波时频网络可以提高4个数量级。

量子计算以其强大的计算能力，更加便于对各种复杂系统的研究。在未来化学研发领域，量子计算在大幅减少研发时间、更少使用资源消耗和实现更高效环保工艺等方面存在巨大潜力。

它可以帮助研发人员在很短时间内对复杂的化学反应过程进行数字模拟和评估，从而更加快速地获得很多关键知识。

在医学领域中，需要大量的计算资源来模拟结构生物学及蛋白质结构，这也造成药物开发的过程相当复杂耗时。而量子计算机可以在短时间内绘制出数以万亿计的分子组合模式，迅速确定最有可能生效的组合，可以有效压缩新药物的研发成本与时间。

我们都知道天气预报出现误差的情况很多，而这受困于当前分析温度和气压的计算速度追不上千变万化的大气运动。可以预见的是，未来天气预测的工作也会受益于量子计算。