量子电子学报
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“量子”到底是什么?它颠覆了我们太多的传统

如果你是一个科学爱好者,你一定对“量子”这个概念非常熟悉!甚至可以说,即使你对科学没有兴趣,你的生活中也会听说过“量子”这个词。 “量子”已经与我们的生活息息相关,也成为了高科技的代表,成为了很多人下班后的闲聊。

但究竟什么是“量子”?是基本粒子吗?回答这类问题恐怕需要一定的物理知识,否则很容易误解“量子”的含义。

从字面上看,量子似乎是微观粒子,就像分子、原子、质子、中子和电子一样。事实上,情况并非如此。量子不是一种微观粒子!

那么究竟什么是量子?简单地说,量子是一个物理概念,而不是一个具体的对象。物理学就是这样定义的。量子似乎是物理量中最小的不可分的基本单位。如果一个物理量有这样的单位,我们就说这个物理量是可以量化的,这个不可分割的最小单位叫做“量子”。


一个宏的例子可以更流行理解量子的概念。如果说所有人都是一个物理量,那么我们每个人都是不可分割的最小单位。你我都是量子,因为一个人不可能再分裂了,强行分裂就不再是一个人了!

还有就是我们平时用得最多的现金。如果现金是物理量,那么一分钱就是一个不可分割的单位,也就是量子,因为一分钱是不可分割的,半分钱是没有意义的!

经过这么通俗的解释,相信很多人对量子的概念有了更深的理解。但事实上,远非如此。量子的定义容易理解,但量子相关的概念却很难理解,因为量子的相关概念彻底颠覆了我们对宏观世界的认知。

在我们生活的宏观世界中,我们观察到的任何变化都是连续的,比如一辆汽车从你身边呼啸而过,汽车和你之间的距离在不断变化,汽车的速度也在变化不断。还有一棵小树苗,长成了参天大树,也是不断变化的,不可能靠跳跃生长。


但在微观世界(量子world) ,一切都变得那么奇怪,因为量子概念的存在,量子世界是不连续的,物理量的变化是离散的,跳跃式的。最常见的例子是电子跃迁。电子在原子核外层随机出现,但这种随机性也受到限制。它不会随机出现在任何地方,而是按照特定的轨道出现。它只能直接从一个轨道跳到另一个轨道,而不能出现。两条轨道之间。换句话说,电子直接从一个轨道“传送”到另一个轨道,中间没有过程速度。

如果电子的这种行为出现在宏观世界,你就知道有多奇怪了。就像你在客厅看电视,你妈妈在厨房做饭,突然你妈妈一动不动地出现在你面前。你会害怕吗?

我们常说的光子,其实就是“光量子”的缩写,因为光也是可以量子化的物理量,而光子是光的最小单位。光在传输过程中不是连续的,而是一个接一个。而光其实就是能量,也就是说能量也是离散的,不是连续的。

量子具有以下重要的基本特性。

第一,量子叠加。在我们生活的宏观世界中,任何物体都只能有一种状态。例如,当你在电脑上玩游戏时,你只能在电脑前,不能出现在其他任何地方。这是一个基本的生活常识。

但在量子世界里,一切都完全不同。一个量子可以同时具有多个状态并同时出现在不同的地方。一旦我们想要观察量子处于什么状态,量子就会立即坍缩为这些状态之一,从不确定到确定。

这就像在宏观世界里,你可以在家看电视,也可以在学校上课,还可以在网吧玩游戏。如何确定自己的状态?只为观察,一旦实施观察,你的状态就确定了!

量子的这个特性太诡异了,难怪爱因斯坦会这样反驳波尔:不看月亮不就在那里吗?

当然在宏观世界是不可能的(其实是有可能的,只是可能性太小太小不能忽视),但是这种现象在微观世界中随处可见。


在微观世界中,正是因为量子与叠加的存在,量子可以同时处理多个事件,而利用量子的这一特性,可以大大提高计算机的计算速度,这也是量子计算机的颠覆性本质。

量子计算机的速度远远超过我们今天使用的普通计算机。他们有多快?让我给你举个例子。例如,用现代计算机分解一个 300 位数字需要数十万年,但用量子计算机只需几秒钟即可完成!


量子纠缠。什么是“量子纠缠”?当几个量子相互作用时,它们将成为一个不可分割的整体,处于纠缠状态,其中一个的特性无法单独描述。无论量子相距多远,整体状态都不会改变。当一个量子的状态发生变化时,另一个量子的状态会立即发生相应的变化,以确保量子的完整性不会发生变化!量子就像“心灵感应”,可以瞬间感应到对方!