量子概念是什么

一桶水，如果每天倒掉一半，那么能倒幾天？當然不是一兩天，但也不是無限。因為到最后，桶里只有2顆水分子時，你倒掉1顆分子，只剩下1顆分子，然后游戲結(jié)束了。

這就是宏觀的經(jīng)驗，在微觀出現(xiàn)的偏差。當我們探究到微觀小尺度時，可能連續(xù)的物理量變成了不連續(xù)的物理量了。

最早是德國普朗克發(fā)現(xiàn)的量子，他發(fā)現(xiàn)，在微觀，電子的能量多少只能是一份一份的，不是連續(xù)的，與我們在宏觀上觀察物體能量的感覺不一樣。

現(xiàn)在我們知道很多東西都有最小單位，比如光子。無論光源照度如何弱，但到最后也只能是一個光子，一個光子的，不能再弱了。比如時子，時間可以無限分割嗎？也不行，最小的時間單位就是一個時子，大概是10^-43秒。

平時說的量子

量子概念來源是一些宏觀好像連續(xù)，在微觀時卻有最小不可分割的物理量。但是平時我們說的量子，并不是這種東西，或者說不是以它們?yōu)橹?。而是量子尺度下的粒子。比如電子，質(zhì)子，光子，以及其他怪名字的粒子。因為這些東西都開始表現(xiàn)出量子特性。

就像用鏟車堆豆子，和螞蟻去搬運豆子，做法是不同的。對于鏟車來說，豆子是流動的散物料，而對于螞蟻來說，豆子是一顆顆具體的塊狀物。當我們開始要用螞蟻的眼光來對待豆子時，豆子就是量子了。

所以平時學術(shù)上說的量子，就是這些粒子，當我們要研究微觀粒子相互之間的事情時，這些粒子就是量子。

量子力學

量子力學是研究量子世界的相互作用的規(guī)律。對于普通人來說，我們要知道它有一些基本概念。

測不準原理：

認為，微觀粒子無法同時知道它的位置和動量（也可以說是速度）。

這是因為我們觀察世界的手段，主要是依靠光。比如看螞蟻看不清可以用放大鏡，但其實是光線打到螞蟻身上，然后反射到我們的眼睛里。根據(jù)眼睛看到的信號，我們知道了螞蟻的形狀。這里有個前提，就是光的波長相對螞蟻來說很小。

一般光的波長與要與我們看的細節(jié)相匹配，如果波長是1mm，那么只能看到2mm的細節(jié)。如果是10mm的波長，只能看到20mm的細節(jié)。我們平時的可見光，波長約380~780nm（納米），所以無論顯微鏡如何先進，也只能看到1000nm，也就是1μm（微米）左右的細節(jié)，這個尺寸相當于細菌大小。

所以用光學顯微鏡是無法看清細菌的，否則就是一些點點，需要改電子顯微鏡，或者改用波長很短的X光，然后才能看到細菌的形狀。但是更小的結(jié)構(gòu)，也許連合適的光都找不到了。人類第一次得知DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，用的是X射線的衍射，是用這種衍射圖像來猜測DNA是什么樣的結(jié)構(gòu)。

那么質(zhì)子中子大小有多少呢？直徑（1.6~1.7）×10?15 m，即1.6個百萬分之一納米。所以用顯微鏡的思想是根本不可能知道質(zhì)子的形狀的?，F(xiàn)在我們書本上的中子、質(zhì)子、電子形象都是一個個小圓球，其實一定是圓的嗎？鬼知道。

質(zhì)子有多大，是用粒子對撞中，根據(jù)飛濺的粒子軌跡推算它的大小。但是這種方法有個問題，就是你一撞那個粒子就跑了。在量子世界里，光子也是有質(zhì)量的。所以，我們無法知道觀察的這顆質(zhì)子具體位置和速度。

量子態(tài)，疊加態(tài)，和塌縮：

既然無法觀察量子，包括它的形狀，位置，速度，等等，那么只能猜測它都有哪種可能性，然后再排除錯誤的。把這些量子的剩余狀態(tài)都列出來后，這個量子的穩(wěn)定結(jié)果就是這些狀態(tài)的集合，即量子態(tài)。

有個著名的薛定諤貓說明了量子態(tài)：

設(shè)想在一個封閉的盒子里面，放著一只貓。在箱子的一角有一個裝有毒氣的瓶子，瓶子是封閉的。另外，還有一個放射性原子核與瓶子連接起來，毒氣瓶的封口會被放射性原子核衰變發(fā)出的粒子給打破，放出毒氣，殺死貓。在一定的時間范圍內(nèi)，放射性物質(zhì)發(fā)生衰變放出粒子的概率是一定的。比方說，在1個小時內(nèi)，放射性原子核將有50%的概率發(fā)生衰變，有50%的概率不發(fā)生衰變。那么在我們打開箱子觀看貓的死活之前，我們是不知道其是生是死的。我們可以說，貓?zhí)幱诩仁巧?、又是死的量子疊加態(tài)。一旦我們觀察了貓，它就會塌縮到“生”或者“死”之中的某個狀態(tài)。

量子疊加態(tài)的概念在微觀的量子世界是很具備說服力的，是解釋諸多實驗現(xiàn)象必不可少的理論。在物理理論的文章里，方程公式需要用疊加態(tài)來描述。

微觀世界只適用量子物理規(guī)律，而宏觀世界適用經(jīng)典物理規(guī)律。但是量子與經(jīng)典的界限在哪里？今天物理學家找到了即有相對論又有量子力學的領(lǐng)域，就是宇宙大爆炸的奇點，尺寸足夠小，而力量和速度又足夠大。另一個可以結(jié)合的位置是黑洞，霍金提出的黑洞輻射理論，可以看做是相對論和量子力學共同產(chǎn)物。

量子糾纏：

量子世界有個奇特的現(xiàn)象，就是量子糾纏。兩個量子可能會發(fā)生糾纏，比如一個自旋為正，另一個為負，當一個量子改變狀態(tài)，由正變負，另一個量子馬上也改變，由負變正。這兩個量子之間好像有通訊，步調(diào)一致，而且這個變化與距離無關(guān)，好像它們之間的通訊不需要時間。

量子概念的偉大，除了它問世帶來的觀念震驚，還有就是量子力學帶來的規(guī)律，給我們指示出來的世界面貌。量子力學也象相對論一樣，改變了看世界的眼光，和提供了研究問題的武器：一切都是可能的，只是發(fā)生概率不同。

當下的媒體關(guān)注的量子概念

量子概念誕生已經(jīng)有100年了，現(xiàn)在量子理論開始有實際的領(lǐng)域可以應(yīng)用了：計算機，通訊。

量子計算機，利用量子的疊加態(tài)來計算。量子計算機可以做很多當前計算機比較困難的題目，比如密碼破解。

我們今天的計算機，是應(yīng)大量的數(shù)值運算的需要下誕生的，它很能算乘法。但是，今天計算機普及，主要的工作很少是加減乘除的精確計算，而是查找-復制-傳輸-比較。這些工作用當下的馮諾依曼的計算機效率很低。如果改用量子計算機，這類工作幾乎是一步就完成了，它困難的反而是大量的加減乘除精確計算。

現(xiàn)在做量子量子芯片研發(fā)的國家有幾個，中國也是其中一個，但美國領(lǐng)先。不過量子計算還有很多大問題還沒解決，要到實用還早，快10年內(nèi)，慢50年以上也可能。

量子通訊，利用量子糾纏來做信息傳遞。目前主要是量子密鑰技術(shù)，這個領(lǐng)域是中國領(lǐng)先，有名的就是潘建偉院士了。完全的量子通訊，現(xiàn)在可能還沒影。