编者按

中央经济工作会议指出：科技自立自强是促进发展大局的根本支撑，只要秉持科学精神、把握科学规律、大力推动自主创新，就一定能够把国家发展建立在更加安全、更为可靠的基础之上。近年来，量子科技发展突飞猛进，成为促进高质量发展、保障国家安全的重要力量。

据此，本版今起推出量子科技系列报道，关注量子科技的发端与发展。

科技日报记者 吴长锋

量子力学是微观物理学依赖的基本理论框架，自其提出一百多年来，在物理学基础与应用的方方面面取得了一个又一个的成功。从九章量子计算机原型的发布到证明广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已成熟，中国科学家过去几年在量子科技领域取得了跨越式的发展。

量子力学的建立使人类对世界的认识从宏观深入到微观，是近400年现代科学发展史上一个革命性飞跃，也是公认的上世纪最伟大的科学发现之一。

在深入了解量子力学之前，我们需要弄明白，究竟什么是量子？我们这个复杂的物理世界，是如何由微观粒子构建而成的？

量子不是“子”，而是一种物理学概念

物质是由原子组成的，原子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粒子？它跟电子、质子、中子相比如何呢？

事实上，量子只是一个物理学概念，不是实物。一个事物如果存在最小的、不可分割的基本单位，我们就说它是可量子化的，并把其可分割的最小单位称为量子。所以说，量子并不是具体的实在粒子。

打个比方来说，我们在统计人数时，可以有一个人、两个人，但不会出现半个人。再比如上台阶时，人们只能迈上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶。所以对于统计人数来说，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。

同样的，电子最初是在阴极射线中发现的最小单位，那么我们就可以说电子是阴极射线的量子。而光子就是光的量子，一束光至少也要有一个光子，否则就没有光了。

以上这些例子是物质组成的量子化，还有一类是物理量的量子化。假设你驾驶着一辆“量子汽车”，你只能以5千米/小时、20千米/小时或80千米/小时的速度行驶，这些数值之间的速度是不允许出现的。换挡的时候，你突然就从5千米/小时跳转到20千米/小时，速度的变化是瞬间发生的，几乎觉察不到加速的过程。能量的取值由连续任意变成离散特定，并且存在一个固定的最小值，其它值只能是最小值的倍数。这就叫做物理量的量子化。

科学研究证实，在每一种原子和分子中，电子的能量都是量子化的。不只是能量，还有电荷、磁矩、角动量等许多物理量，也是量子化的。

物质组成的量子化和物理量的量子化，都说明量子化是微观世界的本质特征，量子力学也因此成为了科学家描述微观世界的基础理论。

在量子力学出现后，人们就把传统的牛顿力学称为经典力学。可以举一个例子说明“量子”与“经典”的本质区别，经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的：晶体管要么导通，要么关闭，完全确定。即经典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。

但量子世界中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，而且这种不确定性与实验技术无关，是量子世界的本质特征，无法消除。

量子概念的提出，源自一场与光的邂逅

量子概念的提出，始于德国科学家普朗克发现了黑体辐射的不连续性无法通过经典力学来解释。

通俗一点说，就是一个完全黑的物质会吸收一切光线，但是光被黑体吸收的过程不是连续的。人们一开始不知道光是由光子构成的，所以认为黑体吸收光线应该是连续的。但是实验数据却表明，黑体吸收光线是一份一份的，并不是连续的，这是人类首次发现能量的量子化特性。

这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门，它的发现者——普朗克也因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

1905年，爱因斯坦做出了三项震惊世界的重大发现——狭义相对论、布朗运动和光电效应。光电效应被认为是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步，爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

简单地说，光电效应就是当某一光子照射到对光灵敏的物质上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量之后，动能立刻增加，如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。