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新华社合肥10月19日电 题：科普：量子是什么？从“微观世界规律”到人类“新物理革命”
记者徐海涛、董瑞丰
19世纪末，欧洲一些学者认为从牛顿力学到热力学、电磁理论，人类的“物理学大厦”已全部建成，再没有多少可研究的了。
但是，在1900年，德国物理学家马克斯·普朗克提出了量子理论，为人类开启了探索“微观世界规律”的“新物理革命”。量子理论也与相对论一起，成为现代物理学两大支柱。
打开“量子之门”：微观世界里的奇妙“叠加”与“纠缠”
量子是什么？根据量子理论，量子是最小的、不可再分割的能量单位。我们中学物理书上提到的分子、原子、电子，其实都是量子的不同形式。可以说，我们的世界由量子组成，我们每个人都是“24K”纯量子产品。
在我们日常生活的宏观世界里，物体的位置、速度等，都可以通过经典力学精确测算。但在微观量子世界里，却有着截然不同的奇妙物理规则，最有代表性的是“叠加”与“纠缠”。
在宏观世界，任何物体在某一时刻都有确定的状态和位置。但在微观世界，量子却同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。
物理学家薛定谔曾用一只猫比喻量子叠加：箱子里有一只猫，在宏观世界中它要么是活的，要么是死的。但在量子世界中，它可以同时处于生和死两种状态的叠加。
如果用一个人来比喻，他不仅同时处于生和死两种状态的叠加，还可以同时身处多个地点，比如既在北京又在上海。
更难以想象的是，量子的状态还经不起“看”：如果你去测量，它就会从多个状态、多个位置，变成一个确定的状态和位置了。也就是说，如果你打开“薛定谔的箱子”，猫的叠加态就会消失，你会看到一只活猫或一只死猫。而“量子人”的“分身术”也会消失，他会出现在北京或上海。
叠加已经很奇妙，但当两个量子“纠缠”在一起，那种奇怪连爱因斯坦都难以接受。
根据量子理论，如果两个量子之间形成“纠缠态”，那么无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个也会“瞬间”发生相应变化。爱因斯坦曾把这一现象称作“鬼魅般的超距作用”。
从“被动”到“主动”，两次“量子革命”深刻改变人类文明
量子理论诞生一百多年来，国际学界运用多种实验和数学方法检验均发现，量子的奇妙特性客观存在。
“量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科，我们谁都谈不上真正理解，只是知道怎样去运用它。”美国物理学家、诺贝尔奖获得者穆雷·盖尔曼曾这样说。
“量子理论的出现，在上世纪引发第一次量子革命，催生了现代信息技术。”中科院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟介绍，基于量子理论，核能、激光、半导体等科技得以问世，进而发展出计算机、互联网、手机等重大应用。
进入21世纪，量子领域的新发现、新理论、新技术密集涌现，预示着“第二次量子革命”已进入加速期、起跑期。
“第二次量子革命的战鼓已敲响！”英国《自然》杂志评论说。
“第一次量子革命，人们只问量子理论能让我们做什么，不去问为什么，是被动的观测与应用。”中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿说，第二次量子革命则是主动利用量子特性，开发出量子通信、量子计算和量子精密测量等创新应用。
这些应用的革命性在哪里？简单来说，量子通信可以在理论上做到通信的绝对保密，量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长，比如传统计算机需要数万年才能破解的复杂密码，量子计算机几秒钟内就能破解。传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子测量可以进一步精细千倍、万倍达到原子量级。
中国量子崛起，美好未来可期
如今，量子科技已成为国际上风起云涌的战略科研方向。近期，欧盟拟投资80亿欧元支持新一代超级计算技术，量子计算是其中重要内容。美国开通国家量子协调办公室网站，并发布了聚焦八大研究领域的《量子前沿报告》。
而经过三十多年努力，中国已崛起为国际量子科研版图上的重要力量，在多个战略方向上实现领跑或进入第一阵营。
近年来，我国多次创造量子比特纠缠数量的世界纪录；发射世界首颗量子实验卫星“墨子号”，实现千里纠缠、星地传密、隐形传态三大科学目标；开通世界首条量子保密通信干线“京沪干线”，实现世界首次洲际量子保密通信。
当前，量子科技已进入“产业化前夜”。展望未来，量子计算有望为药物研发、能源勘探、金融分析、气象预报等大规模计算提供全新方案；量子测量发挥测量精度、灵敏度优势，有望在科研、医疗、能源、灾害预防等领域大显身手；量子通信融合量子计算技术，构成高速、安全的“量子互联网”，与人工智能、区块链等技术相结合，可为人类生活增添无限可能。
[新华网]
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量子科技为何重要
中共中央政治局日前就量子科技研究和应用前景举行了第二十四次集体学习。习近平总书记主持学习时强调：“量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。”“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。”
量子科技为什么重要？
首先，量子力学建立以后，就成为整个微观物理学的理论框架，带来了后者一个又一个的成功。
量子力学解释了化学。元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等，都是量子力学规律所导致。
量子力学帮助我们理解宇宙。我们的宇宙跨越各种尺度，从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质。量子力学对于认识这些都起了重要的作用，也因此成为现代技术的基础。
在微观的尺度上，各种基本力的统一是理论物理的重大问题，依赖于量子力学。其他的未解之谜（如暗物质和暗能量）的解决也依赖于量子力学。
很多天文现象，例如恒星发光、白矮星和脉冲星、太阳中微子的振荡、宇宙背景辐射，乃至宇宙结构的起源等，都是因为量子力学规律。
很多材料性质，比如导体、绝缘体、磁体、超导等，源于电子的量子行为。
量子力学带来了丰富的技术和应用，深刻地改变了人类的文明和历史。它让我们拥有了来自原子核能量这一新能源，也让我们更有效利用太阳能。核弹影响了世界历史，核电则是核能的和平利用。
量子力学为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管、芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。没有量子力学，互联网和智能手机也不会存在。
量子力学也为材料科学技术、医学和生物学提供了分析工具，包括X射线、电子显微镜、正电子湮没、光学和磁共振成像等。
所以，量子是我们的老朋友。事实上，20世纪90年代，诺贝尔奖得主莱德曼就指出，量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。现在的比例还要高得多，很难找到与量子无关的新技术。所以说，量子力学是当代文明的一个重要基础。
这些较传统的科学技术，建立在量子力学基础之上，发展已经比较成熟。而近年来，有了一些量子科技新领域。基于对单个量子态的操控，量子科学技术出现了新的方向和新的生命力，正在迎来持续量子革命的第二次高潮，也可以说是第二次量子革命。比如，通过用量子态作为信息的载体，量子力学不仅像以前那样为信息技术提供硬件基础，而且还提供了软件基础。
这为中国量子力学和量子信息学发展提供了契机。我国在相关领域已经取得不少成就，而且在有些领域已经世界领先。希望能出现更多引领潮流的工作。去年谷歌公司成功研制的一个量子处理器，能够在200秒内完成一项计算任务，是目前超级计算机需要很长时间才能完成的，这就是所谓的量子优势。这样的成果，也应该在中国出现。
正如习近平总书记指出的，近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域，加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。
（作者：施郁，系量子物理学家、复旦大学物理学系教授）
[科学网-光明日报]