你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峰

關注風雲之聲提升思維層次

解讀科學，洞察本質

戳穿忽悠，粉碎謠言

導讀

量子究竟是個什麼鬼？難道是比原子、電子更小的粒子嗎？其實不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小，因為它的本意是一個數學概念，就是「離散變化的最小單元」。離散變化是微觀世界的一個本質特徵，準確描述微觀世界的物理學理論就是「量子力學」。

————————————————————————————————————————

近年來，你肯定看到了越來越多與「量子」有關的科技新聞。2016年8月16日，我國發射世界上第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，更是全球轟動。但你如果想了解量子科學，在網路上看到的又大多是各種玄而又玄、莫名其妙的說法，什麼「沒有人懂得量子力學」啦，「超時空的瞬間作用」啦，「上帝不擲骰子」啦，越看越糊塗。你不禁會嘀咕：也許這麼高深的東西，本來就超出了我的理解範圍？

「墨子號」量子衛星發射

對此，本文想說的是：

不要放棄治療！

好啦，這是開個玩笑。實際的意思是，量子科學是完全可以理解的，絕不是什麼無法言傳的東西。只要認真閱讀本文，我相信你一定可以對這門學科得到相當深入的理解。

深入到什麼程度呢？至少可以超過絕大多數的媒體記者和吃瓜群眾。以後再看到相關的新聞，你就會明白說的是什麼事，背景是什麼，具有什麼樣的意義了。畢竟，科學的本質是樸實無華的，任何道理都可以向人解釋清楚。如果你厭倦了種種故弄玄虛的炒作，真心想學習一些「乾貨」，那麼本文絕對是你的菜。

當然，完全讀懂本文並不是一件像喝「雞湯」那樣容易的事。全文近4萬字，你可能需要分幾次才能讀完。而且這篇文章講的是貨真價實的科學原理，真要透徹理解，還是需要具有一定的基礎，並集中注意力去思考的。需要什麼樣的基礎呢？也許是高中的水平……如果你真的很用心去讀，說不定初中也行！（小學生：不要歧視我們！）

咳咳，無論你的基礎是什麼樣的，只要認真閱讀和思考本文，你肯定會有所收穫。好，讓我們開始這場量子之旅。扣好安全帶，我們要發車了！

一、「量子」是什麼？

量子科學之所以顯得神秘，首先這個名字就是一大原因。

看到「量子」這個詞，許多人在「不明覺厲」之餘，第一反應就是把它理解成某種粒子。但是只要是上過中學的人，都知道我們日常見到的物質是由原子組成的，原子又是由原子核與電子組成的，原子核是由質子和中子組成的。那麼量子究竟是個什麼鬼？難道是比原子、電子更小的粒子嗎？

其實不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小，因為它的本意是一個數學概念。正如「5」是一個數字，「3個蘋果」是一個實物，你問「5」和「3個蘋果」哪個大，這讓人怎麼回答？正確的回答只能是：它們不是同一範疇的概念，無法比較。

量子這個數學概念的意思究竟是什麼呢？就是「離散變化的最小單元」。

什麼叫「離散變化」？我們統計人數時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、1/3個人。我們上台階時，只能上一個台階、兩個台階，而不能上半個台階、1/3 個台階。這些就是「離散變化」。對於統計人數來說，一個人就是一個量子。對於上台階來說，一個台階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是「量子化」的。

上台階

跟「離散變化」相對的叫做「連續變化」。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，中間任何一個距離都可以走到，這就是「連續變化」。

顯然，離散變化和連續變化在日常生活中都大量存在，這兩個概念本身都很容易理解。那麼，為什麼「量子」這個詞會變得如此重要呢？

因為人們發現，離散變化是微觀世界的一個本質特徵。

微觀世界中的離散變化包括兩類，一類是物質組成的離散變化，一類是物理量的離散變化。

先來看第一類，物質組成的離散變化。例如光是由一個個光子組成的，你不能分出半個光子、1/3個光子，所以光子就是光的量子。陰極射線是由一個個電子組成的，你不能分出半個電子、1/3個電子，所以電子就是陰極射線的量子。

在這種情況下，你似乎可以拿量子去跟原子、電子比較了，但這並沒有多大意義，因為它是隨你的問題而變的。原子、電子、質子、中子、中微子這些詞本身就對應某些粒子，而量子這個詞在不同的語境下對應不同的粒子（如果它對應粒子的話）。並沒有某種粒子專門叫做「量子」！

再來看第二類，物理量的離散變化。例如氫原子中電子的能量只能取-13.6 eV（eV 是「電子伏特」，一種能量單位）或者它的1/4、1/9、1/16 等等，總之就是-13.6 eV除以某個自然數的平方（-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。我們不好說氫原子中電子能量的量子是什麼（因為不是等間距的變化），但會說氫原子中電子的能量是量子化的，位於一個個「能級」上面。每一種原子中電子的能量都是量子化的，這是一種普遍現象。

氫原子能級

發現離散變化是微觀世界的一個本質特徵後，科學家創立了一門準確描述微觀世界的物理學理論，就是「量子力學」。現在你可以明白，這個名稱是怎麼來的，它其實是為了強調離散變化在微觀世界中的普遍性。量子力學出現後，人們把傳統的牛頓力學稱為「經典力學」。

對普通民眾來說，量子力學聽起來似乎很前沿。但對相關專業（物理、化學）的研究者來說，量子力學是個很古老的理論——已經超過一個世紀了！

量子力學的起源是在1900年，德國科學家普朗克（Max Planck）在研究「黑體輻射」問題時，發現必須把輻射攜帶的能量當作離散變化的，才能推出跟實驗一致的公式。在此基礎上，愛因斯坦（Albert Einstein）、玻爾（Niels H. D. Bohr）、德布羅意（Louis V. de Broglie）、海森堡（Werner K.Heisenberg）、薛定諤（Erwin R. J. A. Schr?dinger）、狄拉克（Paul A. M. Dirac）等人提出了一個又一個新概念，一步一步擴展了量子力學的應用範圍。到1930年代，量子力學的理論大廈已經基本建立起來，能夠對微觀世界的大部分現象做出定量描述了。

（未完待續）

背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，科技與戰略風雲學會會長，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。本文應新浪科技之邀，2017年8月31日以《<科學大家>| 4萬字乾貨！你完全可以理解量子信息》為題發表於新浪科技「科學大家」欄目（http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml）。

致謝：感謝中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室陳宇翱教授、陳騰雲博士、彭新華教授、陸朝陽教授、張強教授、張文卓博士和清華大學交叉信息研究院尹璋琦博士、物理系王向斌教授在科學內容方面的指教。

責任編輯：孫遠

歡迎關注風雲之聲

知乎專欄：

http://zhuanlan.zhihu.com/fengyun

一點資訊：

http://www.yidianzixun.com/home?page=channel&id=m107089

今日頭條：

http://toutiao.com/m6256575842