由美國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)起，國(guó)際科學(xué)史界和物理學(xué)界聯(lián)合籌劃將2025年確立為“量子世紀(jì)年”， 歐洲和美國(guó)物理學(xué)家建議自2021年起將每年的4月14日定為慶祝日，即世界量子日！

“世界量子日”旨在讓公眾也能參與到對(duì)量子科學(xué)與技術(shù)的理解和討論，即：

它是如何幫助我們?cè)谧罨镜膶用嫔侠斫馐澜绲谋举|(zhì)的？
 它是如何幫助我們開發(fā)對(duì)我們今天生活至關(guān)重要的技術(shù)的？
 它將如何引 領(lǐng)未來(lái)的科技革命，這又將如何影響我們的社會(huì)？
 為什么是4月14日呢？

是因?yàn)槠绽士顺?shù)4.135667696×10-15eV·s, 約化為4.14，雖然這個(gè)數(shù)字現(xiàn)在修訂為更準(zhǔn)確的另一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字了。如果用國(guó)際單位，普朗克常數(shù)是6.62607015×10-34J·s。所以來(lái)自65個(gè)以上國(guó) 家的科學(xué)家在2021年發(fā)起的一項(xiàng)倡議，將以后每年的4月14日作為“世界量子日”。

什么是量子？

量子（quantum）是現(xiàn)代物理的重要概念。即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。

量子一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantus，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”，它最早是由德國(guó)物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出的。他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

后來(lái)的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學(xué)。

自從普朗克提出量子這一概念以來(lái)，經(jīng)愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世紀(jì)的前半期，初步建立了完整的量子力學(xué)理論。絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)視為理解和描述自然的基本理論。

而延伸出的量子力學(xué)、量子光學(xué)等成為不同的專 業(yè)研究領(lǐng)域。其基本概念為所有的有形性質(zhì)是“可量子化的”?！傲孔踊敝钙湮锢砹康臄?shù)值是離散的，而不是連續(xù)地任意取值。例如，在原子中，電子的能量是可量子化的。這決定了原子的穩(wěn)定性和發(fā)射光譜等一般問題。絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的基本理論。

通俗地說，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。

如何理解離散呢？

中國(guó)科學(xué)家指出，我們統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)，可以有一個(gè)人、兩個(gè)人，但不可能有半個(gè)人、1／3個(gè)人。我們上臺(tái)階時(shí)，只能上一個(gè)臺(tái)階、兩個(gè)臺(tái)階，而不能上半個(gè)臺(tái)階、1／3 個(gè)臺(tái)階。這些就是“離散變化”。對(duì)于統(tǒng)計(jì)人數(shù)來(lái)說，一個(gè)人就是一個(gè)量子。對(duì)于上臺(tái)階來(lái)說，一個(gè)臺(tái)階就是一個(gè)量子。如果某個(gè)東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。

量子疊加態(tài)

這是一個(gè)神奇的狀態(tài)，也是不同于經(jīng)典物理學(xué)的概念。

談到疊加態(tài)，我們就不得不提起那個(gè)著 名的“薛定諤的貓”理論。在我們的經(jīng)典理論中，一個(gè)客體的狀態(tài)（用0和1表示）就像最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制開和關(guān)，只能處于開或者關(guān)中的某一個(gè)狀態(tài)，即要么是0要么是1，這就好比一只貓，要么是生要么是死，不能同時(shí)“又生又死”。

但這一理論并不適用于量子世界：在量子世界中，一只貓可以處于又生又死的疊加狀態(tài)。這種所謂的量子相干疊加正是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。

量子力學(xué)

量子力學(xué)是人類的物理學(xué)理論，同時(shí)也是人類的物理學(xué)理論基礎(chǔ)，量子力學(xué)主要是描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在量子力學(xué)中存在很多顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的定律和現(xiàn)象，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)方式仿佛遵循另一種規(guī)則。

從定義上來(lái)看，量子力學(xué)似乎并不復(fù)雜，無(wú)非就是在研究“量子”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和性質(zhì)，是從微觀的角度去剖析宇宙的本質(zhì)。實(shí)際上的量子力學(xué)十分復(fù)雜，完全和我們熟知的世界是一個(gè)不同的領(lǐng)域，著 名的物理學(xué)家費(fèi)曼就說過：“沒有人真正懂量子力學(xué)”，他認(rèn)為，如果有一個(gè)人聲稱自己搞懂了量子力學(xué)，那么這個(gè)人就是對(duì)量子力學(xué)一竅不通。

任何比量子更小的物理單位都是沒有意義的，并不是更小的單位不存在，而是低于普朗克尺度后，我們的物理定律就失效了，不止是在小于量子尺度時(shí)，人類的物理定律會(huì)失效，在黑洞的奇點(diǎn)附近，人類的物理定律同樣會(huì)失效。不論是相對(duì)論還是量子力學(xué)，都不能完 美地描述已知宇宙，在黑洞和特別小的尺度下就會(huì)失效。

所以，量子力學(xué)就是人類現(xiàn)在描述微觀粒子的理論，只不過微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和基本構(gòu)成與宏觀世界中的規(guī)律有很大的差距，同時(shí)量子力學(xué)目前還不是百 分 百完善的理論，許多領(lǐng)域和無(wú)法解釋的事情都能和量子力學(xué)扯到一起，于是才有了“遇事不決，量子力學(xué)”，這樣的調(diào)侃。

量子理論的應(yīng)用！

在許多現(xiàn)代技術(shù)裝備中，量子物理學(xué)的效應(yīng)起了重要的作用。從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置，都關(guān)鍵地依靠了量子力學(xué)的原理和效應(yīng)。對(duì)半導(dǎo)體的研究導(dǎo)致了二極管和三極管的發(fā)明，最后為現(xiàn)代的電子工業(yè)鋪平了道路。在核武器的發(fā)明過程中，量子力學(xué)的概念也起了一個(gè)關(guān)鍵的作用。

在上述這些發(fā)明創(chuàng)造中，量子力學(xué)的概念和數(shù)學(xué)描述，往往很少直接起了一個(gè)作用，而是固體物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)或者核物理學(xué)的概念和規(guī)則，起了主要作用，在所有這些學(xué)科中，量子力學(xué)均是其基礎(chǔ)，這些學(xué)科的基本理論，全 部是建立在量子力學(xué)之上的。以下僅能列舉出一些最顯著的量子力學(xué)的應(yīng)用，而且，這些列出的例子，肯定也非常不完全。

量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)主要有運(yùn)行速度較快、處置信息能力較強(qiáng)、應(yīng)用范圍較廣等。與一般計(jì)算機(jī)比較起來(lái),信息處理量愈多，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)實(shí)施運(yùn)算也就愈加有利,也就更能確保運(yùn)算具備精準(zhǔn)性。

量子通信

量子通信是利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式，基于量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理提供了無(wú)法被竊聽和計(jì)算破解的絕 對(duì)安 全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。

量子隱形傳態(tài)基于量子糾纏對(duì)分發(fā)與貝爾態(tài)聯(lián)合測(cè)量，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測(cè)量和確定仍需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中的糾纏對(duì)制備、分發(fā)和測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，處于理論研究和實(shí)驗(yàn)探索階段，距離實(shí)用化尚有較大差距。 [1] 量子密鑰分發(fā)，也稱量子密碼，借助量子疊加態(tài)的傳輸測(cè)量實(shí)現(xiàn)通信雙方安 全的量子密鑰共享，再通過一次一密的對(duì)稱加密體制，即通信雙方均使用與明文等長(zhǎng)的密碼進(jìn)行逐比特加解密操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件絕 對(duì)安 全的保密通信。 以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信成為未來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)信息安 全的一種非常有潛力的技術(shù)手段，是量子通信領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

2022年4月13日?qǐng)?bào)道，中國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)100公里的量子直接通信 。