量子是“子”嗎

“遇事不決，量子力學”，一句網絡流行語的調侃，側面反映出近年來量子科技的突飛猛進。從前沿研究到日常生活，越來越多人對量子產生了興趣。那麼，量子到底是什麼？

量子不是一種粒子，而是一種性質。具體而言，當一種事物是不連續變化的，我們就説這種事物是量子化的，把它的最小單元稱為量子。例如，在日常生活中常見的上台階，我們只能上一個台階、兩個台階，而不能上半個台階。

量子化是微觀世界的本質特徵。在宏觀世界裏連續變化是大多數，但在微觀世界裏，不連續變化才是默認值。

例如，光是由一個個光子組成的，可以有一個光子、兩個光子，但不可能有半個光子。原子中電子的能量只能取某些特定的值，不能連續變化，所以這些可取的能量值叫作能級。此外，粒子的電荷、角動量、磁矩等物理量，在大多數情況下也都是量子化的。

因此，描述微觀世界物理規律的科學就叫作量子力學。這是由德國物理學家普朗克在1900年開創的，後來經過愛因斯坦、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克等許多科學家的努力，成為物理學的兩大基礎理論之一。

世界上，幾乎找不到與量子力學無關的地方。世界的存在，即原子的穩定性。觀察原子結構可以發現，原子是由帶正電的原子核與帶負電的電子組成的。電子為什麼不落到原子核上去？實際上，按照傳統的物理學，電子必然會落到原子核上，如果這樣，原子就不可能穩定存在，我們所知的世界也就不可能存在。量子力學“拯救”了原子，量子力學決定了原子中電子的能級有個最小值，電子最低只能在這個能級上，不能再往下掉。因此，電子不會落到原子核上。

除此以外，量子力學還解釋了物質所有的微觀宏觀性質，如硬度、磁性、導電性，由此催生了大量現代信息技術，如激光、核能、半導體、發光二極管。計算機、手機等的出現都與此相關。

既然量子科技已經應用得如此廣泛，為什麼現在人們又把它視作新興技術呢？

這是因為近年來量子科技有了全新的內涵。20世紀80年代以來，科學家們開始主動調控和操縱單個粒子，充分挖掘它們的量子特性。例如粒子狀態的遠程傳送、不可破譯的信息傳輸、前所未有的計算能力和測量能力等。這就是新興的量子信息科學，被稱為第二次量子革命。具體而言，它分為量子通信、量子計算、量子精密測量三大部分。

説到量子通信，中國走在世界前列。例如，2016年發射的“墨子號”量子科學實驗衞星，是世界首創；量子計算是目前全世界最熱門的科研領域之一，我國科學家研發的“九章”系列量子計算原型機，在光量子計算方面國際領先；量子精密測量離大家的生活最近，例如衞星導航，其中的核心技術就是原子鐘——人類目前最精確的計時裝置，是一種典型的量子精密測量技術。

雖然目前產業規模還不是很大，但量子科技擁有廣闊的發展空間。或許，當將來的人看到我們還沒有大規模使用量子通信、量子計算機，就會像我們現在看到沒有學會用電的古人一樣。跨越百年的量子科技，還將源源不斷創造更多驚喜。

（作者為中國科學技術大學副研究員，本報記者徐靖採訪整理）