摘 要：近年来，随着量子技术应用不断取得新突破，量子理论的预言被逐一验证，这些成果向人们展现出了量子科学鬼魅般的奇异特性，量子话题瞬间引起了广大民众的浓厚兴趣；21世纪是量子的时代，量子将把人类带入一个神奇的世界——本文就量子理论相关知识姑妄言之……
1 概 述
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量子（quantum）是现代物理的重要概念，一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。
牛顿经典力学堪称“经典”，几乎解释了宏观世界的一切现象。而到19世纪末，随着科学的发展，人们发现牛顿经典理论无法解释微观系统；20世纪初，量子力学应运而生，并且很好地解释了这些现象。
图1 神奇的量子世界
近100年来，人类科学发展到前所未有的高度，利用量子理论不断取得令人惊叹的科学成果——
我国于2016年8月16号成功发射了全球首颗量子通信卫星“墨子号”，在世界上首次实现了卫星和地面之间的量子通信，为我国构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系奠定了坚实的基础，标志着我国在量子通信技术上处于国际领先地位。
图2 我国成功发射全球首颗量子通信卫星“墨子号”
随着量子研究及应用领域的不断突破，量子理论引起了大众的广泛兴趣，科学赋予了它无穷的魅力。
图3 我国在量子通信领域引领世界（科研团队）
那么，量子理论究竟是什么鬼？它有什么用处呢？以下，本文将简要聊聊：
2从牛顿经典力学说起
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艾萨克·牛顿（1643—1727年）爵士17世纪提出了牛顿经典力学，揭示了力与运动的关系，使人们能够精确掌握力及其作用，实现了机械的制造，推动了工业革命，导致现代化进程飞速发展，为人类开启了一个新时代。
图4 科学的巨匠——牛顿
牛顿经典力学研究的是宏观世界的规律，在人类科学没达到可以研究微观世界之前，牛顿经典力学广泛适用。总结下来，在牛顿经典力学基础上有四大法则：
（1）连续性：世界上的一切事情都有起点，有终点，是线性发展的。科学的归纳法、推演法也是建立在连续性的基础之上。连续性也是经验和科学的前提条件；
（2）渐进：变化是一点一点发生的，有规律可循；
（3）清晰因果：就像作用力与反作用力一样，原因与结果一一对应；
（4）确定性：只要掌握了定律，给出必要的数据，那么就能计算出一切。
牛顿经典力学极大地推动了人类的社会进步，对社会变革产生了深远的影响……
3量子理论“诡异”登场
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19世纪末，人们发现旧有的经典理论无法解释微观系统，于是经由物理学家们的努力，在20世纪初创立量子力学，解释了这些现象。量子力学从根本上改变人类对物质结构及其相互作用的理解。除了广义相对论描写的引力以外，迄今所有基本相互作用均可以在量子力学的框架内描述（量子场论），至今为止，没有一项量子理论的预言是错的。
图5 量子力学披着神秘面纱闪亮登场
我们大多数人都听说过量子物理学，乍一听都觉得它和自己毫无关系。确实，量子物理是研究原子甚至更微小的粒子运行的科学，它晦涩难懂、充斥着大量的公式和数学，以至于量子物理学的创始人最初也无法理解它，甚至认为永远也不会有人能理解。量子物理学博大精深，以下将用相对易懂的叙述方式进行科普，观点和结论也不一定正确，希望借此能有助于大家对量子物理学的认识。
图6 量子力学颠覆了人们的传统认知
一起来看几个关于量子的故事与理论：
（1）光的波粒二象性：基本粒子同时具备波和粒子的属性
光到底是波还是粒子呢?牛顿认为，光是粒子。他提出了光微粒说。他认为光是由非常奥妙的微粒组成的，遵守运动定律。这可以合理解释光的直线传播和反射性质。
还有一部分科学家认为光是波。大批科学家争论了上百年后得出了一个大家都很嗨的结论：光的波粒二象性。也就是说，光既是粒子，也是波。
图7 组成物质的基本粒子具有波粒二象性
并且，不仅仅是光，组成世界的所有基本粒子，都具有波粒二象性特性。你说它是波也行，你说它是粒子也行。这个现象对于光来说通过实验可以被观测到，量子理论也很好地解释了这一现象。
这有点像《般若波罗蜜多心经》中的一句话：色即是空，空即是色。我们每个人都是基本粒子组成的，换一句话说，我们都是波组成的，是不是很令人费解?
（2）薛定谔的猫：箱子中的猫既死了又活着
一个叫薛定谔的奥地利物理学家，他提出了一个理想实验，一只猫被封在一个密室里，密室里有食物和一个装满毒气的瓶子。毒气瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制，放射性原子始终有50%的概率触动开关释放毒气。只要毒气释放，猫必死无疑。
图8 处于“死一活叠加态”的薜定谔的猫
请问，猫现在到底是死的还是活的?很简单，打开箱子看一眼就知道猫的死活。如果不打开呢?薛定谔专门写了个公式，试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题，叫薛定谔方程式，说的是猫处于一种活与不活的叠加态。
薛定谔说按照量子力学的解释，箱中之猫处于“死一活叠加态”要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。请注意!不是发现而是决定，仅仅看一眼（意识测量到）就足以决定!
可能换另外一个故事类比，就比较好理解了。比如，你在向心仪的女神表白之前，你不知道她到底是喜欢你还是不喜欢你，也许连她自己都不是很明确，这时候她对你的感情就处于“喜欢+不喜欢”的状态，或者叫薛定谔猫态。
图9 处于
“喜欢一不喜欢叠加态”的爱情
在你表白之后，这个状态就坍缩成“我也喜欢你”或“你是个好人”两种确定状态中的一种，其概率取决于你是高富帅还是矮穷矬等诸多因素。
通过量子力学原理，可以得到一个诡异的结论：从不确定的状态变成确定的状态，一定要有意识参与；意识是能够改变客观世界的，意识改变客观世界就是通过波函数坍缩，使不确定状态变成确定的状态；意识和物质世界不可分开，意识促成了物质世界从不确定到确定的转移。
图10 佛教高增之冥想
这点很像在佛学中，一个念头一下子使物质世界产生出来了，这样一个概念。物质世界产生出来实际上是从不确定一下子变成确定的，这两者很类似。佛学是意识，量子力学是自然科学，按照量子理论原理，也许有一天，类似佛学这样的思想意识与自然科学终将汇合，形成诸如“作用力与反作用力”的相互关联。
（3）量子纠缠：超距离幽灵感应
史上最怪、最不合理、最疯狂、最荒谬的量子力学预测便是“量子纠缠”。把两个关联粒子分开，一个放在地球，另一个哪怕是放在遥远的另外一个星系，如果这个粒子往左旋转，那个粒子一定是往右旋转。“量子纠缠”可以预测相隔甚远的一对量子的状态，即便二者远在天涯，其行为也相互关联。
图11 量子纠缠——鬼魅般的超距作用
量子纠缠是量子力学里最古怪的东西，因为它能产生“鬼魅般的超距作用”。在未来世界，人类或许能通过量子纠缠来实现“瞬间移动”，将人体或物体从一处传送到另一处。量子纠缠实在太古怪了，理解起来有点困难。
中国科学技术大学著名的郭光灿院士（领衔中科院量子信息重点实验室）曾经打过一个比方比喻量子纠缠，说在美国的女儿生下孩子那一瞬间，远在中国的母亲就变成了姥姥，即便她自己还不知道。之所以她是姥姥而别人不是，而且她一定会成为姥姥，就是因为她和女儿之间有一种“纠缠”关系。
图12我国著名量子物理学家郭光灿院士讲学中
再举个更为详细的例子：我们从北京买了一双手套，把手套中的一只寄到香港，另一只寄到华盛顿，那么寄到香港的是左手戴的还是右手戴的？谁都不知道，如果香港的人收到了打开一看，是左手的，那华盛顿的人不用看就知道收到的是右手的，因为手套是左右配对的，这是个规则。一旦寄出去了，寄的过程中不确定，但是一个人只要观测了他收到的手套是左手的还是右手的，另一个人不用观测就知道了。这就是纠缠的一个例子。大家会认为，你看没看它没关系，它早就确定了。但量子力学大量实验证明，如果把同一个量子体系分开成几个部分，在未检测之前，你永远不知道这些部分的准确状态；如果你检测出其中之一的状态，在这瞬间其他部分立即调整自己的状态与之相应。这样的量子体系的状态叫做“纠缠态”。就好比这个手套在寄出以后，在还没被观测之前，它是不是确定呢？肯定不确定。只有在你确定了其中某一个的状态，另一个的状态立刻就变化了，也变得确定起来了。这种关联就叫作量子纠缠。
图13 处于“纠缠态”的量子
利用量子纠缠可以进行量子信号的传输，并获得传输母本完整的信息。
中国科技大学潘建伟院士（“墨子号”首席科学家）是该领域有着重要国际影响力的科学家，他带领团队取得了一系列有重要意义的研究成果：首次实验实现量子隐形传态及纠缠交换、终端开放的量子隐形传态、复合系统量子隐形传态、16公里自由空间量子隐形传态，首次实现三、四、五、六、八光子纠缠等。
量子隐性传输能够实现，就使得人类有这种可能：可以把在地球上某个东西的全部信息传到火星上去，而且瞬间就传播了。
图14 我国著名量子物理学家潘建伟院士及团队成员
现在传播的是某个东西的全部信息，总有一天能实现把一个人的全部信息传递到火星上去，然后在那个地方用原子组装出来，不就变成传输了一个人了吗？这个超远距离隐性传输，就类似于中国古典小说中的幻想了。
目前初见成效的量子通信、量子密匙等技术即应用了量子纠缠原理；在思想意识领域，许多学者正在研究灵魂、心灵感应、意念、第六感等与量子力学体系的关系，是不是很神奇？
图15据说量子力学解释了灵魂的本质，您相信吗？
（4）测不准原理：同样的粒子，每次测量结果不一样
不确定性原理( Uncertaintyprinciple)，又称“测不准原理”或“不确定关系”，是量子力学的一个基本原理。德国物理学家海森堡于1927年发表论文，给出该原理的原本启发式论述，因此这原理又称为“海森堡不确定性原理”。
图16 量子世界具有随机性
在量子力学里，不确定性原理表明，粒子的位置与动量不可同时被确定，一个微观粒子的某些物理量，不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。
这种不确定性陈述了之前无法精确确定的一个粒子，他认为，原子周围的电子的位置和动量是有限制的，它的运动轨迹之所以无法精确，是因为测量某个物体的行为本身会扰乱该物体原有的运动轨迹，从而改变它的状态。同时量子世界本就是不具体的，基于概率，想要精确确定一个粒子的状态本身就存在限制。
通俗地讲，测不准原理就是每次测量出来的答案不一样就对了，如果都一样就有问题了。
图17 上帝的“量子骰子”
在量子世界中，所有的一切都是绝对无法预测的。马克斯·普朗克大学光学物理研究所的研究人员借助这一不可预知性，制作出了“量子骰子”。他们先是通过在真空中制造波动来产生出量子噪声，然后测量噪声所产生的随机层级，借此获得可以用于信息加密、天气预演等工作的真正随机数字，这种骰子被安装在固态芯片上，能够胜任多种不同的使用需求。
（5）不连续性：连光都是不连续的
不连续性由德国物理学家普朗克提出，他偎设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。
图18 光是不连续的
不连续性后来经爱因斯坦发扬光大，他提出了“光量子”的概念。爱因斯坦从实验中得出的结论表明，光也是不连续的，由许多能包组成，能包也叫光量子。
如果要问20世纪物理学最伟大的成就有哪些？量子力学可以毫无争议地位列榜首！
4牛顿经典力学与量子力学之比较
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现实世界中，人们一般情况下看得见、摸得着的仅限于宏观世界，必然，包括认知观也是基于牛顿经典力学理论基础上建立起来的。
图19 充满魔力的科学虽是星辰大海，却令人着迷
而对于量子世界，量子力学这个烧脑的东东反直觉的结论完全就是颠覆认知、秒毁三观。
表1 牛顿经典力学与量子力学特点比较表
量子世界虽然让人感到特别神奇，其实我们身边的万事万物从微观系统来讲无时无刻不遵循其规律，只是在宏观表现上呈现给我们的又是另一表态而已。
图20 哎，烧脑的科学……
牛顿经典力学与量子力学的基本原则看似完全相反，但相信世界是对立统一的，终将存在一个纽带使它们过渡后可以实现顺利无缝对接，相信这一天并不遥远！
5结 语
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当下，世界正悄然生息地进入了第四次工业革命阶段，一旦量子技术出现重大突破（如量子通信、量子计算、量子存储等方面），势必将成为此次工业革命里程碑式的标志。
图21 当前量子技术大家族
目前量子科技的研究，主要集中在量子通信、量子计算和量子精密测量等领域，量子产品还仅限用于政府、军队和金融等重要机构。量子技术的应用前景非常广阔：量子通信可以保证信息绝对安全、量子计算甚至可以以指数级的速度超越传统计算机、量子精密测量可以提供超越经典物理极限的测量精度……
量子世界充满引人入胜的惊奇，我们丝毫不用怀疑，科学技术向高层次新领域发展的方向就是量子技术；21世界是量子的时代，量子将把人类带入一个神奇的世界，让我们翘首以待吧！
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