看了那麼多科普，還是不懂量子？這次一定教會你！
你可能從某處聽過“量子”這個東西，也很有可能聽說過量子跟其他東西的搭配，諸如量子力學、量子材料、量子信息、量子計算……之類的。但量子到底是什麼呢？
量子和它的“反直覺”
我們在物理學上都學過，物質是原子組成的。原子內部則是質子、中子和電子。後來，科學家們發現我們的世界可以最終劃分成有限種類的一羣基本粒子。在這個層面上，無論我們如何探索，所分析的都是物質結構的基本單元。但量子跟它們不一樣，它並不是指特定的某些粒子。如果某個物理量存在最小的不可分割的基本單元，我們就說這個物理量是量子化的，把這個最小單元就稱爲量子。從這個意義上說，量子是物質的一種屬性，它可是物質的能量、動量、角動量、電荷、磁矩等等各種屬性對應的基本單元。
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打個不是太精確的比方，全世界各個國家都發行了自己國家的貨幣。每個國家的貨幣，名字大都不太一樣，有人民幣、美元、英鎊、日元、越南盾、伊拉克第納爾等等，它們的匯率、購買力也不太一樣。但是所有的貨幣，都存在一個最小單位，可以是分，也可以是釐、便士、費爾、樞……這些最小單位跟它們能購買到的商品未見得有什麼直接的關係，但卻可以用來度量這些商品——你或許可以試着把量子，想想成物理世界的這種最小單元。
如果我們基於量子物理學來觀察整個世界，就會發現一些非常“反直覺”的現象。
首先，量子並不像我們宏觀世界看到的實體一樣，會有特定的體積和形狀。雖然我們經常把看不見的微觀粒子統一想象成一個個小球，實際上它們存在的方式是千奇百怪的。它是“波”，有時是出現在特定某處的“粒子”。這就是所謂的“波粒二象性”。
其次，量子的出現充滿了不確定性，可以用“隨心所欲”來形容。我們只知道它在某時某刻出現在某地的概率有多大，卻無法知道它是否一定就會出現在那裏。所以它可以毫不費力地穿越到微觀“牆體”的另一側，因爲它有出現在那側的概率。
再者，量子的這種不確定性，是可以相互疊加的。也就是說，如果把兩個量子放在一起，它們各自具有不確定性，但它們整體又疊加成了新的不確定狀態。在特殊情形下，它們各自的不確定性還會糾纏在一起，一旦其中某一個量子狀態發生了變化，另一個量子必然會發生對應的變化。有了這些神祕的疊加和糾纏，你就可以實現更加複雜的量子態傳輸。
最後，量子世界仍然可以迴歸到宏觀世界中來。如果有許許多多的量子疊加或糾纏在一起，就構成了非常複雜的狀態。以至於，再要想分辨某一個特定粒子的量子特徵，已經是不可能了。比如前面提到的一滴水，如果我們忽略水裏面單個原子的具體行爲，而只關心這一大羣原子的行爲，那麼我們看到的，就只是一滴水。
所以，要理解量子力學的世界觀，最重要的就是要摒棄你在宏觀世界根深蒂固的先驗概念，並主動去接受那些貌似“反直覺”的物理規律，再最終試圖迴歸到合理的宏觀現象中來。
不管你相信還是不相信，我們這個宏觀的世界，還是由無數個量子組成的。我們看到的光、聽到的聲音、感受到的溫度，本質上都是量子層面各種複雜的相互作用形成的。所以，你看似感受不到的量子，又無處不在無時不刻地感受到了。
量子通信
量子通信是量子信息科技的一個分支。量子通信不應該簡單地從字面理解爲用量子來通信，它的真實含義更廣泛，是利用量子力學原理對量子態進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，來完成經典通信所做不到的事情。
按照應用場景和傳輸的比特類型，量子通信可分爲“量子加密通信”和“量子比特傳輸”兩個方向。
第一個方向量子加密通信，以“量子密鑰分發”技術或者量子隨機數產生技術爲基礎，建立牢不可破的量子密鑰。這也是目前唯一進入產業化的量子通信技術。
量子密鑰分發生成的密鑰是一組真隨機的二進制數，用最簡單的異或算法加密就能實現無法破解的密文，幾乎不耗費任何計算資源。同時量子力學中的量子不可分割原理和不可克隆定理保證了該密鑰在分發過程中不會被任何第三方無感知地截獲，就是說任何竊聽都會被通信的雙方馬上發現。
第二個方向“量子比特傳輸”利用量子糾纏來傳輸量子比特，是爲量子計算機服務的量子通信，將應用於未來量子計算之間的量子互聯網。這個方向目前還處於科研階段，距離實用化和產業化還非常遙遠。
量子計算
在芯片中，數百億個晶體管遵循一種被稱爲“布爾代數”的二進制邏輯進行運算。隨着晶體管的尺寸越來越小，逼近納米級別，芯片的運算能力已經幾乎到達極限了。在這種情況下，人類對超越當前範式的新算力需求呼之欲出了。量子計算應運而生。
在量子世界，信息的最小單位就成了量子比特。邏輯上，它是一個可相干疊加的兩態系統；物理上，它是某個可區分的（準）二能級系統。量子比特的可疊加性，使得他們的信息編碼能力比經典比特要強很多，但這還不夠，多個量子比特在一起，可以形成複合系統，如果它們之間能夠糾纏起來，那就是見證奇蹟的時刻了。
以兩個量子比特形成的複合系統爲例：這個系統可以處於某種量子態，此時將它們當成整體來看，系統是量子的，但一旦單獨去看某一個量子比特，系統就不再是量子的。換言之，複合系統只能當做整體來看，從它的子系統上是得不到信息的。從數學上講，糾纏系統張開了一個更大的直積空間，而這個直積空間的維度是隨比特數指數增長的。在這裏列舉幾個恐怖的數字：當 N=50 時，這個空間的維度大約相當於現在最先進的超級計算機一秒的計算次數；當 N=300 時，維度已經超過了整個已知宇宙中所有的原子總和。
糾纏所帶來的這種恐怖的維度擴張，爲計算問題提供了巨大的處理空間，使得某些問題可以在更高維度上尋求更高效的解決路徑。傳統計算機及理論經過百餘年的發展，已經能夠高效解決很多問題，但仍有很多問題無法解決，比如說天氣預報，股票價格，癌症藥物……如果這些問題都能準確計算，那我們的世界將變得特別美好。
量子精密測量
量子精密測量是量子力學的重要應用之一。精密測量是科學研究的基礎。整個現代自然科學和物質文明是伴隨着測量精度的不斷提升而發展的。經典世界中，一般情況下可以通過兩種方式來提高測量精度。第一種是製備和利用分辨率更高的“尺子”。第二種方式是通過多次重複測量來減少測量的誤差，提高測量精度。
隨着量子力學基礎研究的突破和實驗技術的發展，人們不斷提升對量子態進行操控和測量的能力，從而可以利用量子態進行信息處理和信息傳遞。利用特定量子態，如糾纏態及壓縮態等強關聯性質，將噪聲對系統的影響大幅降低，進而可以進一步提高測量靈敏度。如果讓 N 個量子“尺子”（即量子精密測量中的探針）的量子態處於一種糾纏態上，外界環境對這N個量子“尺子”的作用將會相干疊加，使得最終的測量精度達到單個量子“尺子”的 1/N。這一精度突破了經典力學的散粒噪聲極限（根號 N 分之一），是量子力學理論範疇內所能達到的最高精度——海森堡極限。
作爲新興的研究領域，量子精密測量是量子信息技術的重要組成部分。除了可以突破經典力學極限的超高精度之外，還可以抵抗一些特定噪聲的干擾。當前，利用電子、光子、聲子等量子體系已經可以實現對電磁場、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子精密測量，科學家也在實驗演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺、量子雷達等，並應用在材料、生物等相關學科研究中。
結語
你可千萬別覺得量子是個看不見摸不着玄而又玄的東西。實際上，如今與量子相關的應用已經無處不在。家裏的 LED 燈、手機、電腦，醫院裏的CT 或核磁共振掃描，開車用的導航系統，統統都用到了量子科技。在不久的將來，量子計算、量子通信和量子精密測量等量子技術，還將給我們的生活帶來翻天覆地的變化！
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來源丨綜合整理自羅會仟、張文卓、金貽榮、薛鵬、姬揚相關文章
責編丨一諾
審校丨徐來、林林
