讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（一）量子是什麼_風聞

導讀

　　我很高興，成為了量子信息研究者與公眾之間的一個橋樑。

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　　西瓜視頻：

　　https://www.ixigua.com/6888549877198881288?logTag=K1qpyJIg-AXFK4v4bvYCb

　　本視頻發佈於2020年10月28日，一天內播放量已近三百萬

　　2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行集體學習。各路媒體鋪天蓋地一通報道，人民羣眾也紛紛提問：量子科技是什麼？

　　可以告訴大家，這方面的問題問我就對了。2015年3月，我的第一篇科普文章講的就是量子科技（https://weibo.com/p/1001603817899448994963）。從那以來，我做過很多這方面的科普，已經做了5年。

　　作者的第一篇科普文章《科普量子瞬間傳輸技術，包你懂！》

　　其中有一篇最系統的文章，是應新浪科技“科學大家”欄目之邀寫的，叫做《你完全可以理解量子信息》（https://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml），有4萬字。包括科技部領導、安徽省委省政府領導在內的很多人，都非常喜歡這篇文章，他們看了以後確實對量子信息獲得了全面的瞭解。

　　《4萬字乾貨！你完全可以理解量子信息》

　　最近《環球時報》發了一篇科技版頭條文章《量子科技對中國有多重要 | 環球時報》，其中引用的科技界人士就是薛其坤院士、潘建偉院士和我。

　　《量子科技對中國有多重要》

　　（https://hqtime.huanqiu.com/share/article/40N4yDgTeZm）

　　作者接受《環球時報》採訪

　　實際上，每次量子領域有重要新聞，都會有一羣媒體來找我。所以一件很有趣的事是，我並不是做量子信息研究的，卻成了許多媒體眼中的量子信息專家！

　　原因其實也很簡單。我的專業是理論與計算化學，它的理論基礎就是量子力學，所以我跟量子信息的距離並不遙遠。我仔細讀過量子信息的教材，對這個學科有了基本的瞭解。

　　著名教材《量子計算和量子信息》

　　我還認識了很多量子信息的一線研究者，如潘建偉研究組的陸朝陽、陳宇翱、張強等人以及跟他們合作做理論的清華大學教授王向斌等人，還有郭光燦院士和杜江峯院士研究組的不少人。每當有什麼疑難問題，我都會諮詢他們。他們有什麼想對公眾表達的，也會來找我。所以我很高興，成為了量子信息研究者與公眾之間的一個橋樑。

　　聽到這些背景，大家就可以明白，我對量子信息的介紹是準確可信的，因為我講的是踏踏實實的科學原理。

　　許多所謂科普講的是各種玄而又玄、莫名其妙的説法，主要目的是把人嚇住，產生一種不明覺厲的神秘感。

　　《我們的認知再度崩塌了，我們認識的世界可能根本不存在》（https://www.sohu.com/a/196284824_256881）

　　還有不少所謂科普講的是陰謀論，認為量子通信是偽科學，甚至認為整個量子力學是偽科學。

　　王國文《掃謊打非：敦促潘建偉院士走出迷途》

　　（https://www.xcar.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=27115527）

　　我講的完全不是這些。如果你想真正學到東西，提升自己的思維層次，你就應該踏踏實實地學習科學原理。

　　下面，我們打算分幾期節目，全面地介紹量子科技。其中的大部分內容，就來自《你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峯》這篇4萬字文章，當然會加上一些凝練和新的進展。想深入瞭解的朋友，也可以直接去讀文章。雖然這文章是2017年寫的，不過基本原理現在仍然完全成立。

　　最基本的問題是，“量子”（quantum）是什麼？

　　許多人一聽到量子，第一反應就是把它理解成某種粒子。但只要是上過中學的人，都知道物質是由原子組成的，原子是由原子核與電子組成的，原子核是由質子和中子組成的。那麼量子究竟是個什麼粒子？它跟電子、質子、中子相比是大是小呢？

　　其實這是個誤解。量子的本意是一個數學概念。一個事物如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就説它是量子化的，並把最小單位稱為量子。

　　例如我們統計人數時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人。我們上台階時，只能上一個台階、兩個台階，而不能上半個台階。所以對於統計人數來説，一個人就是一個量子。對於上台階來説，一個台階就是一個量子。

　　上台階

　　按照同樣的道理，電子最初是在陰極射線中發現的，電子就是陰極射線的量子。同樣的，光子是光的量子。一束光至少也要有一個光子，否則就沒有光了。

　　磁場使帶負電的陰極射線偏轉

　　這些例子是物質組成的量子化。還有一類，是物理量的量子化。

　　例如氫原子中只有一個電子，這個電子的能量最低等於-13.6 eV（eV 是一種能量單位，叫做“電子伏特”）。電子的能量也可以高於這個最低值，但不能取任意的值，而只能取一個個台階的值。這些台階分別是最低值的1/4、1/9、1/16 等等，總之就是-13.6 eV除以某個自然數的平方。在這些台階之間的值，例如-10 eV、-5 eV，是不可能出現的。

　　氫原子能級

　　不只是氫原子，在每一種原子和分子中，電子的能量都是量子化的。不只是能量，還有電荷、磁矩、角動量等許多性質，也是量子化的。

　　物質組成的量子化和物理量的量子化，都説明量子化是微觀世界的本質特徵。這就是“量子力學”（quantum mechanics）這個詞的由來，它是描述微觀世界的基礎理論。在量子力學出現後，人們就把傳統的牛頓力學稱為“經典力學”（classical mechanics）。如果對一個微觀現象，量子力學和經典力學給出不同的描述，那麼量子力學一定是對的，經典力學一定是錯的。

　　在普通民眾聽起來，量子力學似乎很新奇。但物理和化學專業的人都知道，量子力學是個很古老的理論，——已經超過一個世紀了！

　　量子力學的起源是在1900年，由德國科學家普朗克（Max Planck）提出。

　　普朗克

　　此後，愛因斯坦（Albert Einstein）、玻爾（Niels Henrik David Bohr）、德布羅意（Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie）、海森堡（Werner Karl Heisenberg）、薛定諤（Erwin Schrödinger）、狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）、泡利（Wolfgang Pauli）、玻恩（Max Born）等人都做出了很大的貢獻，這些人都因此得到了諾貝爾獎。是的，愛因斯坦得諾貝爾獎是因為量子力學，而不是因為相對論！

　　諾貝爾獎網站上愛因斯坦的獲獎原因（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1921/einstein/facts/）：“由於他對理論物理的貢獻，尤其是發現了光電效應的規律。”這指的就是提出光子概念

　　到1930年代，量子力學的理論大廈已經基本建立起來，能夠對微觀世界的大部分現象做出定量描述了。科學界公認，量子力學和相對論是現代物理學的兩大基礎理論。

　　下一個常見的問題是：量子力學能用來幹什麼？

　　實際上，也許更合適的問題是：量子力學不能用來幹什麼？因為量子力學的用處實在是太廣泛了，幾乎找不到跟它沒有關係的。

　　基本的道理是：描述微觀世界必須用量子力學，而宏觀物質的性質又是由微觀結構決定的。因此，不僅研究原子、分子、激光這些微觀對象時必須用量子力學，而且研究物質的硬度、導電性、導熱性、晶體結構、相變等宏觀性質時也必須用量子力學。

　　許多最基本的問題，是量子力學出現後才能回答的。例如：

　　為什麼原子能保持穩定？也就是説，為什麼原子中的電子不會落到原子核上？

　　因為原子中電子的能量是量子化的，有個最低值。如果電子落到原子核上，能量就變成負無窮，低於這個值了，所以它不能掉下去。

　　原子模型

　　為什麼原子能形成分子，例如兩個氫原子H結合成一個氫氣分子H2？

　　因為分子的能量也是量子化的。氫氣分子的能量低於兩個氫原子的能量之和，所以形成分子是有利的。

　　為什麼物質會有硬度？也就是説，為什麼原子靠得太近時會互相排斥，而不會摞到一塊去？

　　因為有一條基本原理叫做泡利不相容原理，説的是兩個費米子不能處於同一個狀態。費米子是一類粒子的統稱，電子就屬於費米子。這條原理決定了，當兩個原子靠得太近時，就會產生一種強烈的排斥，阻止兩個電子落到相同的狀態。

　　泡利

　　為什麼有些物質能導電，例如銅和鋁？為什麼有些物質不導電，例如木頭和塑料？為什麼又有些物質是半導體，例如硅和鍺？為什麼還有些物質是超導體，例如低温下的水銀？

　　這些關於導電性的問題，在量子力學出現之前是無法回答的。人們只能含混地説，一種物質導電是因為它有自由電子，另一種物質不導電是因為它沒有自由電子。但為什麼電子在這種物質中就自由，在那種物質中就不自由呢？這就完全説不清了。

　　在量子力學出現以後，人們就發展出了一套理論，可以明確地解釋和預測哪些物質會導電，哪些物質不導電。這叫做“能帶理論”（energy band theory）。在這個意義上，所有的電器都用到了量子力學！

　　能帶理論

　　量子力學不但能用來解釋自然界已有的現象，還能用來發明自然界沒有的現象。例如，激光器和發光二極管都是根據量子力學的原理設計出來的。

　　《星球大戰》中的光劍

　　所以我們可以明白，現代社會幾乎所有的技術成就，都離不開量子力學。你打開一個電器，導電性是由量子力學解釋的，電源、芯片、存儲器、顯示器等器件的工作原理都來自量子力學。你走進一個房間，鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠等材料的性質都是基於量子力學的。你登上飛機、汽車、輪船，發動機中燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。你研製新的化學工藝、新材料、新藥等等，都離不開量子力學。

　　下一個問題是：既然量子力學完全不是個新學科，出現已經超過一個世紀了，為什麼最近在媒體上變得如此火熱？

　　回答是：1980年代以來，量子力學與信息科學交叉，產生了一門新的學科——量子信息（quantum information）。許多物理學家把量子信息的興起稱為“第二次量子革命”，跟量子力學創立時的“第一次量子革命”相對。

　　量子信息的大發展，把量子變成了輿論熱詞。在科學界內部，其實很少用“量子科技”這個説法。因為如前所述，現代社會的所有技術成果都離不開量子力學，哪裏有不“量子”的科技呢？所以媒體上説的“量子科技”，其實主要指的就是量子信息。

　　量子力學和信息科學為什麼可以交叉起來？因為對於信息科學來説，量子力學是一種可供利用的新的框架。利用量子力學的特性，可以實現傳統信息科學中實現不了的功能。

　　兩個非常有戲劇性的例子，就是永遠不會被數學破解的保密方法（即“量子密碼術”，quantum cryptography）以及科幻電影中的“傳送術”。是的，傳送術在原理上是可以實現的！它的專業名稱叫做“量子隱形傳態”（quantum teleportation）。

　　《星際迷航》中的傳送術

　　具體而言，信息科學包括通信和計算兩大塊。大家平時用的手機屬於通信，計算機屬於計算。相應的，量子信息的研究內容也可以分為兩大塊：量子通信（quantum communication）和量子計算（quantum computing）。

　　量子信息學科內容

　　在量子通信和量子計算內部，各自又有若干種具體的應用。前面説的量子密碼術和量子隱形傳態都屬於量子通信，而量子計算中的應用包括量子因數分解（quantum factorization）與量子搜索（quantum search）等等。

　　後面我會向大家介紹這些應用。但首先我需要向大家講解量子力學的原理，這樣大家才能理解量子信息為什麼能達到這些神奇的效果。我們下回分解。