你完全可以理解量子信息（1） | 袁岚峰

导读

量子究竟是个什么？难道是比原子、电子更小的粒子吗？其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小，因为它的本意是一个数学概念，就是“离散变化的最小单元”。离散变化是微观世界的一个本质特征，准确描述微观世界的物理学理论就是“量子力学”。

近年来，你肯定看到了越来越多与“量子”有关的科技新闻。2016年8月16日，我国发射世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，更是全球轰动。但你如果想了解量子科学，在网络上看到的又大多是各种玄而又玄、莫名其妙的说法，什么“没有人懂得量子力学”啦，“超时空的瞬间作用”啦，“上帝不掷骰子”啦，越看越糊涂。你不禁会嘀咕：也许这么高深的东西，本来就超出了我的理解范围？

“墨子号”量子卫星发射

对此，本文想说的是：

不要放弃治疗！

好啦，这是开个玩笑。实际的意思是，量子科学是完全可以理解的，绝不是什么无法言传的东西。只要认真阅读本文，我相信你一定可以对这门学科得到相当深入的理解。

深入到什么程度呢？至少可以超过绝大多数的媒体记者和吃瓜群众。以后再看到相关的新闻，你就会明白说的是什么事，背景是什么，具有什么样的意义了。毕竟，科学的本质是朴实无华的，任何道理都可以向人解释清楚。如果你厌倦了种种故弄玄虚的炒作，真心想学习一些“干货”，那么本文绝对是你的菜。

当然，完全读懂本文并不是一件像喝“鸡汤”那样容易的事。全文近4万字，你可能需要分几次才能读完。而且这篇文章讲的是货真价实的科学原理，真要透彻理解，还是需要具有一定的基础，并集中注意力去思考的。需要什么样的基础呢？也许是高中的水平……如果你真的很用心去读，说不定初中也行！（小学生：不要歧视我们！）

咳咳，无论你的基础是什么样的，只要认真阅读和思考本文，你肯定会有所收获。好，让我们开始这场量子之旅。扣好安全带，我们要发车了！

01

“量子”是什么？

量子科学之所以显得神秘，首先这个名字就是一大原因。

看到“量子”这个词，许多人在“不明觉厉”之余，第一反应就是把它理解成某种粒子。但是只要是上过中学的人，都知道我们日常见到的物质是由原子组成的，原子又是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么鬼？难道是比原子、电子更小的粒子吗？

其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小，因为它的本意是一个数学概念。正如“5”是一个数字，“3个苹果”是一个实物，你问“5”和“3个苹果”哪个大，这让人怎么回答？正确的回答只能是：它们不是同一范畴的概念，无法比较。

量子这个数学概念的意思究竟是什么呢？就是“离散变化的最小单元”。

什么叫“离散变化”？我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、1/3个人。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。

上台阶

跟“离散变化”相对的叫做“连续变化”。例如你在一段平路上，你可以走到1米的位置，也可以走到1.1米的位置，也可以走到1.11米的位置，如此等等，中间任何一个距离都可以走到，这就是“连续变化”。

显然，离散变化和连续变化在日常生活中都大量存在，这两个概念本身都很容易理解。那么，为什么“量子”这个词会变得如此重要呢？

因为人们发现，离散变化是微观世界的一个本质特征。

微观世界中的离散变化包括两类，一类是物质组成的离散变化，一类是物理量的离散变化。

先来看第一类，物质组成的离散变化。例如光是由一个个光子组成的，你不能分出半个光子、1/3个光子，所以光子就是光的量子。阴极射线是由一个个电子组成的，你不能分出半个电子、1/3个电子，所以电子就是阴极射线的量子。

在这种情况下，你似乎可以拿量子去跟原子、电子比较了，但这并没有多大意义，因为它是随你的问题而变的。原子、电子、质子、中子、中微子这些词本身就对应某些粒子，而量子这个词在不同的语境下对应不同的粒子（如果它对应粒子的话）。并没有某种粒子专门叫做“量子”！

再来看第二类，物理量的离散变化。例如氢原子中电子的能量只能取-13.6 eV（eV 是“电子伏特”，一种能量单位）或者它的1/4、1/9、1/16 等等，总之就是-13.6 eV除以某个自然数的平方（-13.6/n2 eV，n可以取1、2、3、4、5等），而不能取其他值，例如-10 eV、-20 eV。我们不好说氢原子中电子能量的量子是什么（因为不是等间距的变化），但会说氢原子中电子的能量是量子化的，位于一个个“能级”上面。每一种原子中电子的能量都是量子化的，这是一种普遍现象。

氢原子能级

发现离散变化是微观世界的一个本质特征后，科学家创立了一门准确描述微观世界的物理学理论，就是“量子力学”。现在你可以明白，这个名称是怎么来的，它其实是为了强调离散变化在微观世界中的普遍性。量子力学出现后，人们把传统的牛顿力学称为“经典力学”。

对普通民众来说，量子力学听起来似乎很前沿。但对相关专业（物理、化学）的研究者来说，量子力学是个很古老的理论——已经超过一个世纪了！

量子力学的起源是在1900年，德国科学家普朗克（Max Planck）在研究“黑体辐射”问题时，发现必须把辐射携带的能量当作离散变化的，才能推出跟实验一致的公式。在此基础上，爱因斯坦（Albert Einstein）、玻尔（Niels H. D. Bohr）、德布罗意（Louis V. de Broglie）、海森堡（Werner K.Heisenberg）、薛定谔（Erwin R. J. A. Schrödinger）、狄拉克（Paul A. M. Dirac）等人提出了一个又一个新概念，一步一步扩展了量子力学的应用范围。到1930年代，量子力学的理论大厦已经基本建立起来，能够对微观世界的大部分现象做出定量描述了。

（未完待续）

背景简介：本文作者为袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长。