你完全可以理解量子信息（2-3） | 袁嵐峰

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導讀

許多最基本的問題是量子力學回答的。例如：為什麼原子中的電子不落到原子核上？為什麼原子能形成分子？為什麼有些物質能導電，有些物質不導電？現代社會的技術成就，幾乎全都與量子力學有關。量子力學與信息科學的交叉學科——量子信息，把量子變成了輿論熱詞。

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（上一篇見你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峰）

二、無處不在的量子力學

量子力學和相對論是二十世紀的兩大科學革命，對人類的世界觀產生了強烈的震撼。但論公眾中的知名度，量子力學似乎比相對論低得多。原因可能在於，相對論主要是由愛因斯坦一個人創立的，孤膽英雄的形象易於記憶和傳播，而量子力學的主要貢獻者有好幾位，沒有一個獨一無二的代言人。愛因斯坦和相對論稱得上婦孺皆知，而聽說過量子力學中的「薛定諤的貓」、「海森堡測不準原理」這些詞的人，已經算是科學發燒友了。

但是，大多數人不知道的是，論應用的範圍和研究者的人數，量子力學遠遠超過相對論。也就是說，相對論是一個名氣較大而用得較少的理論，量子力學是一個名氣較小而用得較多的理論。為什麼會這樣？看看這兩種理論發揮作用的條件，就明白了。

相對論在物體以接近光速運動時和強引力場條件下具有基礎的重要性。可是日常生活中有多少機會遇到這些情況呢？大多數情況下，我們研究的對象還是在以低速運動，地球的引力場也不強。所以目前相對論的應用，局限在宇宙學、重元素的化學、原子鐘、全球定位系統等少數領域。

而另外一邊，描述微觀世界必須用量子力學，宏觀物質的性質又是由其微觀結構決定的。因此，不僅研究原子、分子、激光這些微觀對象時必須用量子力學，而且研究宏觀物質的導電性、導熱性、硬度、晶體結構、相變等性質時也必須用量子力學。

許多最基本的問題，是量子力學出現後才能回答的。例如：

為什麼原子能保持穩定，例如氫原子中的電子不落到原子核上？（因為氫原子中電子的能量是量子化的，最低只能取-13.6 eV，如果落到原子核上就變成負無窮，低於這個值了。）

原子模型

為什麼原子能形成分子，例如兩個氫原子H聚成一個氫氣分子H2？

為什麼原子有不同的組合方式，例如碳原子能組合成石墨、金剛石、足球烯、碳納米管、石墨烯？為什麼食鹽NaCl會形成離子晶體？

為什麼有些物質很穩定，而有些物質容易發生化學反應？

為什麼有些物質例如銅能導電，有些物質例如塑料不導電？為什麼有些物質例如硅是半導體？為什麼有些物質例如水銀在低溫下變成超導體？

為什麼會有相變，例如水在0攝氏度以下結冰，0-100攝氏度之間是液體，100攝氏度以上氣化？

為什麼改變鋼鐵的組成，能製造出各種特種鋼？

為什麼激光器和發光二極體能夠發光？

為什麼化學家能合成比大自然原有物質種類多得多的新物質？

為什麼通過觀察宇宙中的光譜線能知道遠處星球的元素組成？……

現代社會碩果累累的技術成就，幾乎全都與量子力學有關。你打開一個電器，導電性是由量子力學解釋的，電源、晶元、存儲器、顯示器的工作原理是基於量子力學的。走進一個房間，鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠的性質是由量子力學決定的。登上飛機、輪船、汽車，燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。研製新的化學工藝、新材料、新葯，都離不開量子力學。

可以這麼說：與其問量子力學能用來幹什麼，不如問它不能幹什麼！

以上是就應用的範圍比較量子力學和相對論。另一個觀察的角度，是研究和學習的人數。現在所有的物理專業學生和許多相關專業（尤其是化學）的學生，都要學習量子力學，而學習廣義相對論的只有理論物理、天文學等專業的學生（學習狹義相對論的學生還是很多的）。

量子力學的研究活躍度也大大高於相對論。在媒體報道中你會發現，量子領域日新月異，相對論領域的大新聞卻是驗證愛因斯坦100年前預測的引力波！

雙黑洞合併產生引力波

三、方興未艾的量子信息

既然量子力學出現已經超過了一個世紀，為什麼最近在媒體上變得如此火熱？回答是：量子力學與信息科學的交叉學科——量子信息。

這兩門學科為什麼可以交叉起來？因為對於信息科學來說，量子力學是一種可資利用的數學框架。量子信息的目的，就是利用量子力學的特性，實現經典信息科學中實現不了的功能，例如永遠不會被破解的保密方法（就是後面要解釋的「量子密碼術」）、科幻電影中的「傳送術」（是的，傳送術原則上是可以實現的，它的專業名稱叫做「量子隱形傳態」）。

正如經典的信息科學包括通信和計算兩大主題，量子信息的研究內容也可以分成兩大塊：量子通信和量子計算。

量子信息學科內容

量子信息的大發展，把量子變成了輿論熱詞。在科學界內部其實很少用「量子科技」這個說法，因為如前所述，現代社會的所有技術成果都離不開量子力學，哪裡有不「量子」的科技呢？科學家們更喜歡用有明確定義的「量子力學」和「量子信息」等辭彙。你在媒體上看到「量子科技」的時候，指的往往就是量子信息。

（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

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