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量子是“子”嗎

2025-02-08 人民日?qǐng)?bào)

  “遇事不決,量子力學(xué)”,,一句網(wǎng)絡(luò)流行語(yǔ)的調(diào)侃,,側(cè)面反映出近年來(lái)量子科技的突飛猛進(jìn),。從前沿研究到日常生活,越來(lái)越多人對(duì)量子產(chǎn)生了興趣,。那么,,量子到底是什么?

  量子不是一種粒子,,而是一種性質(zhì)。具體而言,,當(dāng)一種事物是不連續(xù)變化的,,我們就說(shuō)這種事物是量子化的,把它的最小單元稱為量子,。例如,,在日常生活中常見(jiàn)的上臺(tái)階,我們只能上一個(gè)臺(tái)階,、兩個(gè)臺(tái)階,,而不能上半個(gè)臺(tái)階。

  量子化是微觀世界的本質(zhì)特征,。在宏觀世界里連續(xù)變化是大多數(shù),,但在微觀世界里,不連續(xù)變化才是默認(rèn)值,。

  例如,,光是由一個(gè)個(gè)光子組成的,可以有一個(gè)光子,、兩個(gè)光子,,但不可能有半個(gè)光子。原子中電子的能量只能取某些特定的值,,不能連續(xù)變化,,所以這些可取的能量值叫作能級(jí)。此外,,粒子的電荷,、角動(dòng)量、磁矩等物理量,,在大多數(shù)情況下也都是量子化的,。

  因此,描述微觀世界物理規(guī)律的科學(xué)就叫作量子力學(xué),。這是由德國(guó)物理學(xué)家普朗克在1900年開(kāi)創(chuàng)的,,后來(lái)經(jīng)過(guò)愛(ài)因斯坦、德布羅意,、海森堡,、薛定諤、狄拉克等許多科學(xué)家的努力,,成為物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論之一,。

  世界上,幾乎找不到與量子力學(xué)無(wú)關(guān)的地方,。世界的存在,,即原子的穩(wěn)定性,。觀察原子結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn),,原子是由帶正電的原子核與帶負(fù)電的電子組成的,。電子為什么不落到原子核上去?實(shí)際上,按照傳統(tǒng)的物理學(xué),,電子必然會(huì)落到原子核上,,如果這樣,,原子就不可能穩(wěn)定存在,我們所知的世界也就不可能存在,。量子力學(xué)“拯救”了原子,,量子力學(xué)決定了原子中電子的能級(jí)有個(gè)最小值,電子最低只能在這個(gè)能級(jí)上,,不能再往下掉,。因此,電子不會(huì)落到原子核上,。

  除此以外,,量子力學(xué)還解釋了物質(zhì)所有的微觀宏觀性質(zhì),如硬度,、磁性,、導(dǎo)電性,,由此催生了大量現(xiàn)代信息技術(shù),,如激光、核能,、半導(dǎo)體,、發(fā)光二極管。計(jì)算機(jī),、手機(jī)等的出現(xiàn)都與此相關(guān),。

  既然量子科技已經(jīng)應(yīng)用得如此廣泛,為什么現(xiàn)在人們又把它視作新興技術(shù)呢?

  這是因?yàn)榻陙?lái)量子科技有了全新的內(nèi)涵,。20世紀(jì)80年代以來(lái),,科學(xué)家們開(kāi)始主動(dòng)調(diào)控和操縱單個(gè)粒子,充分挖掘它們的量子特性,。例如粒子狀態(tài)的遠(yuǎn)程傳送,、不可破譯的信息傳輸、前所未有的計(jì)算能力和測(cè)量能力等,。這就是新興的量子信息科學(xué),,被稱為第二次量子革命。具體而言,,它分為量子通信,、量子計(jì)算,、量子精密測(cè)量三大部分。

  說(shuō)到量子通信,,中國(guó)走在世界前列,。例如,2016年發(fā)射的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,,是世界首創(chuàng);量子計(jì)算是目前全世界最熱門的科研領(lǐng)域之一,,我國(guó)科學(xué)家研發(fā)的“九章”系列量子計(jì)算原型機(jī),在光量子計(jì)算方面國(guó)際領(lǐng)先;量子精密測(cè)量離大家的生活最近,,例如衛(wèi)星導(dǎo)航,,其中的核心技術(shù)就是原子鐘——人類目前最精確的計(jì)時(shí)裝置,是一種典型的量子精密測(cè)量技術(shù),。

  雖然目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模還不是很大,,但量子科技擁有廣闊的發(fā)展空間?;蛟S,,當(dāng)將來(lái)的人看到我們還沒(méi)有大規(guī)模使用量子通信、量子計(jì)算機(jī),,就會(huì)像我們現(xiàn)在看到?jīng)]有學(xué)會(huì)用電的古人一樣,。跨越百年的量子科技,,還將源源不斷創(chuàng)造更多驚喜,。(作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員,本報(bào)記者徐靖采訪整理)(袁嵐峰)

編輯:周大為

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