量子是“子”嗎

“遇事不決，量子力學(xué)”，一句帶有調(diào)侃意味的網(wǎng)絡(luò)流行語(yǔ)，反映出近年來(lái)量子科技的突飛猛進(jìn)。從前沿研究到日常生活，越來(lái)越多的人對(duì)量子產(chǎn)生了興趣。那么，量子到底是什么？

量子不是一種粒子，而是一種性質(zhì)。當(dāng)一種事物是不連續(xù)變化的，我們就說(shuō)這種事物是量子化的，把它的最小單元稱為量子。

量子化是微觀世界的本質(zhì)特征。在宏觀世界里，連續(xù)變化是大多數(shù)，但在微觀世界里，不連續(xù)變化才是默認(rèn)狀態(tài)。

例如，光是由一個(gè)個(gè)光子組成的，可以是一個(gè)光子、兩個(gè)光子，但不可能是半個(gè)光子。原子中電子的能量只能取某些特定的值，不能連續(xù)變化，所以這些可取的能量值被叫作能級(jí)。此外，粒子的電荷、角動(dòng)量等物理量，在大多數(shù)情況下也都是量子化的。

因此，描述微觀世界物理規(guī)律的科學(xué)就叫作量子力學(xué)。它由德國(guó)物理學(xué)家普朗克在1900年開創(chuàng)，后來(lái)經(jīng)過愛因斯坦、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克等許多科學(xué)家的努力，成為物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論之一。

世界上，幾乎找不到與量子力學(xué)無(wú)關(guān)的地方。世界的存在，即原子的穩(wěn)定性。觀察原子結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，原子是由帶正電的原子核與帶負(fù)電的電子組成的。電子為什么不落到原子核上去？實(shí)際上，按照傳統(tǒng)的物理學(xué)，電子必然會(huì)落到原子核上，如果這樣，原子就不可能穩(wěn)定存在，我們所知的世界也就不可能存在。量子力學(xué)“拯救”了原子，它決定了原子中電子的能級(jí)有個(gè)最小值，電子最低只能在這個(gè)能級(jí)上，不能再往下掉。因此，電子不會(huì)落到原子核上。

除此以外，量子力學(xué)還解釋了物質(zhì)所有的微觀、宏觀性質(zhì)，如硬度、磁性、導(dǎo)電性，由此催生了大量現(xiàn)代信息技術(shù)，如激光、核能、半導(dǎo)體、發(fā)光二極管。計(jì)算機(jī)、手機(jī)等的出現(xiàn)都與此相關(guān)。

既然量子科技已經(jīng)應(yīng)用得如此廣泛，為什么現(xiàn)在人們又把它視作新興技術(shù)呢？

這是因?yàn)榻陙?lái)量子科技有了全新的內(nèi)涵。20世紀(jì)80年代以來(lái)，科學(xué)家們開始主動(dòng)調(diào)控和操縱單個(gè)粒子，充分挖掘它們的量子特性。例如，粒子狀態(tài)的遠(yuǎn)程傳送、不可破譯的信息傳輸、前所未有的計(jì)算能力和測(cè)量能力等。這就是新興的量子信息科學(xué)，被稱為“第二次量子革命”。具體而言，它分為量子通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量三大部分。

說(shuō)到量子通信，中國(guó)走在世界前列。例如，2016年發(fā)射的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，是世界首創(chuàng)；量子計(jì)算是目前全世界最熱門的科研領(lǐng)域之一，我國(guó)科學(xué)家研發(fā)的“九章”系列量子計(jì)算原型機(jī)，在光量子計(jì)算方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位；量子精密測(cè)量離大家的生活最近，例如衛(wèi)星導(dǎo)航，其中的核心技術(shù)就是原子鐘——人類目前最精確的計(jì)時(shí)裝置，是一種典型的量子精密測(cè)量技術(shù)。

雖然目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模還不是很大，但量子科技擁有廣闊的發(fā)展空間?；蛟S，未來(lái)的人看我們還沒有大規(guī)模使用量子通信、量子計(jì)算機(jī)，就會(huì)像現(xiàn)在我們看沒有學(xué)會(huì)用電的古人一樣?？缭桨倌甑牧孔涌萍?，還將源源不斷地創(chuàng)造更多驚喜。

（王傳生摘自《人民日?qǐng)?bào)》2025年2月8日）