晨间科普 | 量子是“子”吗

“遇事不决，量子力学”，一句网络流行语的调侃，侧面反映出近年来量子科技的突飞猛进。从前沿研究到日常生活，越来越多人对量子产生了兴趣。

那么，量子到底是什么？

量子不是一种粒子，而是一种性质。具体而言， 当一种事物是不连续变化的，我们就说这种事物是量子化的， 把它的最小单元称为量子。

例如，在日常生活中常见的上台阶，我们只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶。

量子化是微观世界的本质特征。在宏观世界里连续变化是大多数， 但 在微观世界里，不连续变化才是默认值。

例如，光是由一个个光子组成的，可以有一个光子、两个光子，但不可能有半个光子。原子中电子的能量只能取某些特定的值，不能连续变化，所以这些可取的能量值叫作能级。此外，粒子的电荷、角动量、磁矩等物理量，在大多数情况下也都是量子化的。

因此，描述微观世界物理规律的科学就叫作量子力学。 这是由德国物理学家普朗克在1900年开创的，后来经过爱因斯坦、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等许多科学家的努力，成为物理学的两大基础理论之一。

世界上，几乎找不到与量子力学无关的地方。 世界的存在，即原子的稳定性。 观察原子结构可以发现，原子是由带正电的原子核与带负电的电子组成的。

电子为什么不落到原子核上去？

实际上， 按照传统的物理学，电子必然会落到原子核上， 如果这样，原子就不可能稳定存在，我们所知的世界也就不可能存在。

量子力学“拯救”了原子，量子力学决定了原子中电子的能级有个最小值，电子最低只能在这个能级上，不能再往下掉。 因此，电子不会落到原子核上。

除此以外， 量子力学还解释了物质所有的微观宏观性质， 如硬度、磁性、导电性，由此催生了大量现代信息技术，如激光、核能、半导体、发光二极管。计算机、手机等的出现都与此相关。

既然量子科技已经应用得如此广泛，为什么现在人们又把它视作新兴技术呢？ 这是因为近年来量子科技有了全新的内涵。

20世纪80年代以来，科学家们 开始主动调控和操纵单个粒子，充分挖掘它们的量子特性。 例如粒子状态的远程传送、不可破译的信息传输、前所未有的计算能力和测量能力等。这就是新兴的量子信息科学，被称为第二次量子革命。

具体而言，它分为量子通信、量子计算、量子精密测量三大部分。

说到量子通信，中国走在世界前列。 例如，2016年发射的“墨子号”量子科学实验卫星，是世界首创；量子计算是目前全世界最热门的科研领域之一，我国科学家研发的“九章”系列量子计算原型机，在光量子计算方面国际领先；

量子精密测量离大家的生活最近， 例如卫星导航，其中的核心技术就是原子钟——人类目前最精确的计时装置， 是一种典型的量子精密测量技术。