什么是量子與量子計算？

量子技術包括基于量子比特和基于其他量子效應的兩類技術。

什么是量子？

量子領域是解釋若干微粒（如原子和電子等）行為而構造起的理論。通常看到的宏觀事物是由數量級高達1023的原子構成的，這些事物的行為可以用經典物理學（如牛頓力 學、經典電磁學等）解釋。

量子物理研究的是納米世界：原子與亞原子粒子，以及電磁波與物質的相互作用。它不同于經典牛頓物理，后者在牛頓定律、麥克斯韋方程與統計物理（熱力學）的框架下， 可預測地描述從幾微米以上到行星、恒星的宏觀運動。當速度接近光速或質量極大時，相對論登場，以時空彎曲刻畫引力，解釋黑洞、中子星等極端現象，并為宇宙學提供 關鍵線索。然而相對論并不只屬于宇宙深處，它也潛伏在原子內部電子的運動中，催生出“相對論量子場論”。對于宏觀世界的描述在微觀的量子領域或并不符合。

1900年，普朗克研究黑體輻射時提出能量只有特定大小的“能量子”才能避免紫外災難（基于瑞利-金斯公式黑體應該在紫外端釋放出無窮無盡的能量），首次引入能量量子化假 設。1905年，愛因斯坦大膽假設光由粒子（光量子）組成，成功解釋了光電效應現象，只有當單個光子的頻率足夠高（能量足夠大）時才能擊出電子，這說明光不僅是波，也是由 離散粒子組成。

盧瑟福的原子核模型（1911年）發現原子內部大量空間和小核，但按照經典電磁理論，繞核旋轉的電子應連續輻射能量而掉入原子核，這與原子穩定性相矛盾。尼爾斯·玻爾在 1913年提出電子只能處于特定離散軌道（能級），繞核運動時不輻射能量，只有躍遷軌道時才發出或吸收特定頻率的光子（躍遷）。玻爾模型成功解釋了氫原子譜線的離散頻率— —原子只能發出特定顏色的光，從而證實了能量的量子化假設。

1920年代，更多實驗進一步動搖經典觀念：例如康普頓散射證明光子具有動量，德布羅意提出物質波并被實驗證實，電子經過雙縫也會產生干涉圖案。最終，一套全新的理論量子 力學逐步形成，由海森堡、薛定諤、狄拉克等人奠定其數學基礎，用概率波函數來描述微觀粒子狀態。量子力學成功解釋了原子結構、化學鍵、固體和光輻射等大量現象，標志著 物理學革命性突破。

在量子力學中，能量量子化是一個基石性的概念，它徹底顛覆了經典物理中能量可以連續變化的觀念。這一點在原子尺度上表現得尤為顯著，正如氫原子的玻爾模型所示。該 模型揭示，原子核外電子的能量狀態是分立（量子化） 的，只能存在于一系列特定的、不連續的穩定能級上（n=1, 2, 3... 的軌道）。電子在不同能級之間的躍遷，是能量量 子化最直接的體現。當電子從高能級躍遷到低能級時，會釋放一個能量完全特定的光子，其波長（如萊曼系的 122 nm、巴爾末系的 656 nm、帕邢系的 1875 nm）由兩個能 級的能量差精確決定，這解釋了原子光譜為何是離散的線狀譜，而非連續譜。

能量的吸收與與發射：當一個能量恰好等于能級差的光子被原子吸收，驅使電子從基態“跳躍”到激發態；不穩定的激發態電子通過“弛豫”過程回落至低能級，并瞬時發射 出一個相應能量的光子。關鍵在于，電子無法存在于兩個允許能級之間的任何能量狀態，其躍遷是“全有或全無”的，不存在中間過程。

在經典計算機中，信息的基本單位是比特（Bit），其物理狀態是0（低電平）或1（高電平）。計算需要一個同樣具有兩個離散狀態的物理系統來充當量子比特。能量量子化恰 好提供了這樣一個系統。例如，一個超導電路或一個離子，其能級是分立的。我們可以將最低能級（基態）定義為 |0⟩，將第一激發態定義為 |1⟩。這兩個能級是穩定且明確的， 為編碼量子信息提供了完美的“容器”。

什么是量子計算？

量子技術包括基于量子比特和基于其他量子效應的兩類技術。基于量子比特的技術直接利用量子比特的疊加態進行計算和通信。量子比特可以同時處于 |0⟩ 和 |1⟩ 的疊加態，從而實現并行計算和指數級的信息處理能力。基于其他量子效應的技術不直接使用抽象的量子比特，而是利用原子、光子等物理系統固有的量子 特性來制造超精密的測量儀器，即量子傳感。

量子疊加態：量子疊加態指的是微觀粒子可以同時存在于多個狀態的組合中，直到被觀測為止。這意味著一個量子系統在測量前沒有唯一確定的狀態，就好比同 時處于幾種可能的狀態。當進行觀測時，疊加態瞬間“坍縮”成其中一個確定狀態。薛定諤的貓也是著名比喻：把貓關在盒子里，通過量子機制使貓有一半幾率 死或活。在未打開盒子觀察前，貓可以被認為同時處于“生”和“死”的疊加狀態。

經典實驗：薛定諤提出的這個思想實驗“薛定諤的貓”最形象地說明疊加態：只有打開盒子觀察后，貓才變為確定的生或死狀態，否則在量子角度貓處于兩種狀 態疊加。真實實驗中，電子的雙縫干涉實驗也體現疊加原理，單個電子可以同時通過兩條縫，其概率波疊加產生干涉條紋（說明電子在未測量時處于“同時走兩 條路”的疊加態）。

量子糾纏：量子糾纏是指兩個或多個粒子通過相互作用后，其性質緊密關聯為一個整體，哪怕相隔遙遠仍保持同步變化。糾纏粒子的狀態不能獨立描述，對一個 粒子的測量結果瞬間反映在另一粒子上（仿佛超距傳遞信息，但實際上并不違背因果，只是相關性）。這種現象愛因斯坦曾稱為“鬼魅般的超距作用”。

經典實驗：量子糾纏最著名的驗證來自貝爾不等式實驗。物理學家約翰·貝爾提出的方法能夠區分“糾纏的真關聯”與“預先商定好的巧合”。在20世紀后半葉， 阿斯派等人通過實驗違背了貝爾不等式，證明糾纏確實存在遠距離的強關聯效應。這一系列開創性實驗也使得三位科學家在2022年獲得諾貝爾物理學獎。另一 個直觀例子是量子通信/量子密鑰分發，利用糾纏粒子的關聯可以實現測量一方即時影響另一方的結果，從而進行保密通信。2016年8月，中國成功發射“墨子 號”量子科學實驗衛星，在國際上首次在上千千米的星地距離上利用量子糾纏分發檢驗貝爾不等式，獲得了違反貝爾不等式的結果，驗證了量子糾纏在跨越 1200千米的距離上依然存在。

概率性系統與測量坍縮：粒子的行為具有概率性，并非經典物理那樣確定。一個量子系統在測量前由波函數描述，它給出了各種結果的概率分布；測量坍縮指當 我們對粒子進行觀測時，波函數立刻從分布態“收縮”到某一個特定狀態（測量值）。簡單說，測量之前結果未定，只能說有幾率為A或B；測量之后，系統隨 機且瞬時地選擇了其中一個結果，其他可能性消失。

波粒二象性與干涉（Wave-Particle Duality & Interference）：波粒二象性指微觀粒子（如光子、電子）既能表現出波動性，又能表現出粒子性，兩種屬性 取決于實驗條件。例如，光子在某些實驗中像波一樣會發生干涉和衍射，但在另外一些實驗中又像粒子（光子）那樣一次只在一個位置被探測到。干涉現象則是 波動性的直接證明：當兩個或多個波疊加時會產生加強和相消的花紋（明暗條紋），微觀粒子的干涉圖樣表明其具有波的行為。