量子技术究竟是什么？一文解读神奇之处！

在最近的中央经济工作会议上，强调了科技自立自强对国家发展战略的重要性。坚持科学的精神和规律，积极推进创新，是确保国家发展在安全和可靠基础上前行的关键。量子科技的迅猛发展已成为推动高质量发展和国家安全的新引擎。

本系列报道将聚焦量子科技的起源和进展。

量子力学的突破

量子力学，作为微观物理学的核心理论，自诞生以来，在物理学的各个领域都取得了显著成就。中国科学家在量子计算机原型的发布和量子通信技术的实际应用证明中，展示了量子科技领域的飞跃发展。

量子力学的确立，将人类对世界的理解从宏观推进到微观层面，标志着近四百年现代科学史上的一次革命性跃进，也被誉为上个世纪最伟大的科学成就之一。

在深入探索量子力学之旅前，我们需先解答一个基本问题：量子究竟是什么？这个由微观粒子构成的复杂物理世界，是如何运作的？

量子的本质

物质由原子构成，原子由原子核和电子组成，而原子核则由质子和中子构成。但量子，这个与电子、质子、中子并列的概念，究竟是何方神圣？

量子，实际上是物理学中的一个抽象概念，并非具体物质。当一个实体存在最小且不可再分的单位时，我们称之为可量子化，这个最小单位即为量子。因此，量子并非一个实体粒子。

以日常生活为例，人数统计中的“一个人”，或者上台阶时的“一个台阶”，都可以视为量子的现实体现。

电子最初在阴极射线中被识别为最小单位，因此电子可被视为阴极射线的量子。同理，光子是光的量子，没有光子就无光存在。

量子化不仅适用于物质的组成，也适用于物理量。假设驾驶一辆“量子汽车”，速度只能是5、20或80千米/小时，中间速度不可取。速度的变化是突变的，无渐变过程。能量的取值变得离散且特定，存在一个最小值，其他值必须是这个最小值的整数倍。这便是物理量的量子化。

科学研究表明，每种原子和分子中的电子能量都是量子化的。不仅是能量，电荷、磁矩、角动量等多种物理量也都是量子化的。

物质的量子化和物理量的量子化共同揭示了微观世界的本质特征，使量子力学成为描述微观世界的基础理论。

在量子力学的光辉下，传统的牛顿力学被重新定义为经典力学。以晶体管的导通和关闭为例，经典世界中的物理量和状态在任一时刻都是确定的。而在量子世界中，物理量是不确定的、概率性的，这种不确定性是量子世界的本质，与实验技术无关，不可消除。

量子理论的诞生

量子概念的提出源于对黑体辐射不连续性的发现，这一现象无法用经典力学解释。简而言之，黑体会吸收所有光线，但吸收过程是分段的，而非连续的。这一发现揭示了能量的量子化特性，为量子世界的探索开启了大门。

1905年，爱因斯坦的三项重大发现——狭义相对论、布朗运动和光电效应，进一步推动了人类对量子世界的理解。光电效应展示了光子能量被电子吸收后，电子动能的增加，以及光能转化为电能的过程。

牛顿的经典力学曾提出能量是连续的，但光电效应表明世界是非线性的。通过对光本质的思考，科学家首次提出量子概念。微观世界中的所有粒子，包括原子、原子核、电子和光子，都是量子化的，不符合牛顿力学的规律。这些发现揭示了一个全新的领域——微观量子世界。

到20世纪30年代，量子力学的理论体系已基本建立，能够定量描述微观世界的大部分现象。现代物理学的两大基础理论——量子力学和相对论，已被科学界公认。

微观粒子的量子属性

描述微观世界必须借助量子力学，而宏观物质的性质由微观结构决定。因此，了解物质粒子的量子属性——费米子和玻色子，显得尤为重要。

量子力学的深入研究揭示了粒子自旋的重要性，这是粒子固有的、与角动量相关的性质。自旋的量子化意味着它只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍。

物理学家根据自旋将粒子分为两类：整数自旋的玻色子和半整数自旋的费米子。玻色子间的交换会使波相加，显示出亲和力；而费米子则相反，显示出排斥力。这就是著名的泡利不相容原理，即两个费米子不能占据同一状态。

原子中的电子必须占据不同轨道，电子数目不同，轨道占据构形也不同。原子的形状主要由最后被占据的轨道决定，不同电子数目的原子具有不同性质，这是复杂生物世界存在的基础。

然而，仅有费米子无法构成物质，需要玻色子传递相互作用力。因此，物质的基本结构由费米子构成，而基本相互作用则由玻色子传递。费米子和玻色子共同构成了我们世界的微观基础。