让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（一）量子是什么_风闻

导读

　　我很高兴，成为了量子信息研究者与公众之间的一个桥梁。

　　视频链接：

　　西瓜视频：

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

　　本视频发布于2020年10月28日，一天内播放量已近三百万

　　2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行集体学习。各路媒体铺天盖地一通报道，人民群众也纷纷提问：量子科技是什么？

　　可以告诉大家，这方面的问题问我就对了。2015年3月，我的第一篇科普文章讲的就是量子科技（https://weibo.com/p/1001603817899448994963）。从那以来，我做过很多这方面的科普，已经做了5年。

　　作者的第一篇科普文章《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》

　　其中有一篇最系统的文章，是应新浪科技“科学大家”栏目之邀写的，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4万字。包括科技部领导、安徽省委省政府领导在内的很多人，都非常喜欢这篇文章，他们看了以后确实对量子信息获得了全面的了解。

　　《4万字干货！你完全可以理解量子信息》

　　最近《环球时报》发了一篇科技版头条文章《量子科技对中国有多重要 | 环球时报》，其中引用的科技界人士就是薛其坤院士、潘建伟院士和我。

　　《量子科技对中国有多重要》

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

　　作者接受《环球时报》采访

　　实际上，每次量子领域有重要新闻，都会有一群媒体来找我。所以一件很有趣的事是，我并不是做量子信息研究的，却成了许多媒体眼中的量子信息专家！

　　原因其实也很简单。我的专业是理论与计算化学，它的理论基础就是量子力学，所以我跟量子信息的距离并不遥远。我仔细读过量子信息的教材，对这个学科有了基本的了解。

　　著名教材《量子计算和量子信息》

　　我还认识了很多量子信息的一线研究者，如潘建伟研究组的陆朝阳、陈宇翱、张强等人以及跟他们合作做理论的清华大学教授王向斌等人，还有郭光灿院士和杜江峰院士研究组的不少人。每当有什么疑难问题，我都会咨询他们。他们有什么想对公众表达的，也会来找我。所以我很高兴，成为了量子信息研究者与公众之间的一个桥梁。

　　听到这些背景，大家就可以明白，我对量子信息的介绍是准确可信的，因为我讲的是踏踏实实的科学原理。

　　许多所谓科普讲的是各种玄而又玄、莫名其妙的说法，主要目的是把人吓住，产生一种不明觉厉的神秘感。

　　《我们的认知再度崩塌了，我们认识的世界可能根本不存在》（https://www.sohu.com/a/196284824_256881）

　　还有不少所谓科普讲的是阴谋论，认为量子通信是伪科学，甚至认为整个量子力学是伪科学。

　　王国文《扫谎打非：敦促潘建伟院士走出迷途》

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

　　我讲的完全不是这些。如果你想真正学到东西，提升自己的思维层次，你就应该踏踏实实地学习科学原理。

　　下面，我们打算分几期节目，全面地介绍量子科技。其中的大部分内容，就来自《你完全可以理解量子信息（1） | 袁岚峰》这篇4万字文章，当然会加上一些凝练和新的进展。想深入了解的朋友，也可以直接去读文章。虽然这文章是2017年写的，不过基本原理现在仍然完全成立。

　　最基本的问题是，“量子”（quantum）是什么？

　　许多人一听到量子，第一反应就是把它理解成某种粒子。但只要是上过中学的人，都知道物质是由原子组成的，原子是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么粒子？它跟电子、质子、中子相比是大是小呢？

　　其实这是个误解。量子的本意是一个数学概念。一个事物如果存在最小的不可分割的基本单位，我们就说它是量子化的，并把最小单位称为量子。

　　例如我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶。所以对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。

　　上台阶

　　按照同样的道理，电子最初是在阴极射线中发现的，电子就是阴极射线的量子。同样的，光子是光的量子。一束光至少也要有一个光子，否则就没有光了。

　　磁场使带负电的阴极射线偏转

　　这些例子是物质组成的量子化。还有一类，是物理量的量子化。

　　例如氢原子中只有一个电子，这个电子的能量最低等于-13.6 eV（eV 是一种能量单位，叫做“电子伏特”）。电子的能量也可以高于这个最低值，但不能取任意的值，而只能取一个个台阶的值。这些台阶分别是最低值的1/4、1/9、1/16 等等，总之就是-13.6 eV除以某个自然数的平方。在这些台阶之间的值，例如-10 eV、-5 eV，是不可能出现的。

　　氢原子能级

　　不只是氢原子，在每一种原子和分子中，电子的能量都是量子化的。不只是能量，还有电荷、磁矩、角动量等许多性质，也是量子化的。

　　物质组成的量子化和物理量的量子化，都说明量子化是微观世界的本质特征。这就是“量子力学”（quantum mechanics）这个词的由来，它是描述微观世界的基础理论。在量子力学出现后，人们就把传统的牛顿力学称为“经典力学”（classical mechanics）。如果对一个微观现象，量子力学和经典力学给出不同的描述，那么量子力学一定是对的，经典力学一定是错的。

　　在普通民众听起来，量子力学似乎很新奇。但物理和化学专业的人都知道，量子力学是个很古老的理论，——已经超过一个世纪了！

　　量子力学的起源是在1900年，由德国科学家普朗克（Max Planck）提出。

　　普朗克

　　此后，爱因斯坦（Albert Einstein）、玻尔（Niels Henrik David Bohr）、德布罗意（Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie）、海森堡（Werner Karl Heisenberg）、薛定谔（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贡献，这些人都因此得到了诺贝尔奖。是的，爱因斯坦得诺贝尔奖是因为量子力学，而不是因为相对论！

　　诺贝尔奖网站上爱因斯坦的获奖原因（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1921/einstein/facts/）：“由于他对理论物理的贡献，尤其是发现了光电效应的规律。”这指的就是提出光子概念

　　到1930年代，量子力学的理论大厦已经基本建立起来，能够对微观世界的大部分现象做出定量描述了。科学界公认，量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。

　　下一个常见的问题是：量子力学能用来干什么？

　　实际上，也许更合适的问题是：量子力学不能用来干什么？因为量子力学的用处实在是太广泛了，几乎找不到跟它没有关系的。

　　基本的道理是：描述微观世界必须用量子力学，而宏观物质的性质又是由微观结构决定的。因此，不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学，而且研究物质的硬度、导电性、导热性、晶体结构、相变等宏观性质时也必须用量子力学。

　　许多最基本的问题，是量子力学出现后才能回答的。例如：

　　为什么原子能保持稳定？也就是说，为什么原子中的电子不会落到原子核上？

　　因为原子中电子的能量是量子化的，有个最低值。如果电子落到原子核上，能量就变成负无穷，低于这个值了，所以它不能掉下去。

　　原子模型

　　为什么原子能形成分子，例如两个氢原子H结合成一个氢气分子H2？

　　因为分子的能量也是量子化的。氢气分子的能量低于两个氢原子的能量之和，所以形成分子是有利的。

　　为什么物质会有硬度？也就是说，为什么原子靠得太近时会互相排斥，而不会摞到一块去？

　　因为有一条基本原理叫做泡利不相容原理，说的是两个费米子不能处于同一个状态。费米子是一类粒子的统称，电子就属于费米子。这条原理决定了，当两个原子靠得太近时，就会产生一种强烈的排斥，阻止两个电子落到相同的状态。

　　泡利

　　为什么有些物质能导电，例如铜和铝？为什么有些物质不导电，例如木头和塑料？为什么又有些物质是半导体，例如硅和锗？为什么还有些物质是超导体，例如低温下的水银？

　　这些关于导电性的问题，在量子力学出现之前是无法回答的。人们只能含混地说，一种物质导电是因为它有自由电子，另一种物质不导电是因为它没有自由电子。但为什么电子在这种物质中就自由，在那种物质中就不自由呢？这就完全说不清了。

　　在量子力学出现以后，人们就发展出了一套理论，可以明确地解释和预测哪些物质会导电，哪些物质不导电。这叫做“能带理论”（energy band theory）。在这个意义上，所有的电器都用到了量子力学！

　　能带理论

　　量子力学不但能用来解释自然界已有的现象，还能用来发明自然界没有的现象。例如，激光器和发光二极管都是根据量子力学的原理设计出来的。

　　《星球大战》中的光剑

　　所以我们可以明白，现代社会几乎所有的技术成就，都离不开量子力学。你打开一个电器，导电性是由量子力学解释的，电源、芯片、存储器、显示器等器件的工作原理都来自量子力学。你走进一个房间，钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶等材料的性质都是基于量子力学的。你登上飞机、汽车、轮船，发动机中燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。你研制新的化学工艺、新材料、新药等等，都离不开量子力学。

　　下一个问题是：既然量子力学完全不是个新学科，出现已经超过一个世纪了，为什么最近在媒体上变得如此火热？

　　回答是：1980年代以来，量子力学与信息科学交叉，产生了一门新的学科——量子信息（quantum information）。许多物理学家把量子信息的兴起称为“第二次量子革命”，跟量子力学创立时的“第一次量子革命”相对。

　　量子信息的大发展，把量子变成了舆论热词。在科学界内部，其实很少用“量子科技”这个说法。因为如前所述，现代社会的所有技术成果都离不开量子力学，哪里有不“量子”的科技呢？所以媒体上说的“量子科技”，其实主要指的就是量子信息。

　　量子力学和信息科学为什么可以交叉起来？因为对于信息科学来说，量子力学是一种可供利用的新的框架。利用量子力学的特性，可以实现传统信息科学中实现不了的功能。

　　两个非常有戏剧性的例子，就是永远不会被数学破解的保密方法（即“量子密码术”，quantum cryptography）以及科幻电影中的“传送术”。是的，传送术在原理上是可以实现的！它的专业名称叫做“量子隐形传态”（quantum teleportation）。

　　《星际迷航》中的传送术

　　具体而言，信息科学包括通信和计算两大块。大家平时用的手机属于通信，计算机属于计算。相应的，量子信息的研究内容也可以分为两大块：量子通信（quantum communication）和量子计算（quantum computing）。

　　量子信息学科内容

　　在量子通信和量子计算内部，各自又有若干种具体的应用。前面说的量子密码术和量子隐形传态都属于量子通信，而量子计算中的应用包括量子因数分解（quantum factorization）与量子搜索（quantum search）等等。

　　后面我会向大家介绍这些应用。但首先我需要向大家讲解量子力学的原理，这样大家才能理解量子信息为什么能达到这些神奇的效果。我们下回分解。