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新闻中心 > 综合资讯 > 量子是“子”吗

量子是“子”吗

2025-02-12 14:00:10
人民网-教育频道
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“遇事不决,量子力学”,一句网络流行语的调侃,侧面反映出近年来量子科技的突飞猛进。从前沿研究到日常生活,越来越多人对量子产生了兴趣。那么,量子到底是什么?

  量子不是一种粒子,而是一种性质。具体而言,当一种事物是不连续变化的,我们就说这种事物是量子化的,把它的最小单元称为量子。例如,在日常生活中常见的上台阶,我们只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶。

  量子化是微观世界的本质特征。在宏观世界里连续变化是大多数,但在微观世界里,不连续变化才是默认值。

  例如,光是由一个个光子组成的,可以有一个光子、两个光子,但不可能有半个光子。原子中电子的能量只能取某些特定的值,不能连续变化,所以这些可取的能量值叫作能级。此外,粒子的电荷、角动量、磁矩等物理量,在大多数情况下也都是量子化的。

  因此,描述微观世界物理规律的科学就叫作量子力学。这是由德国物理学家普朗克在1900年开创的,后来经过爱因斯坦、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等许多科学家的努力,成为物理学的两大基础理论之一。

  世界上,几乎找不到与量子力学无关的地方。世界的存在,即原子的稳定性。观察原子结构可以发现,原子是由带正电的原子核与带负电的电子组成的。电子为什么不落到原子核上去?实际上,按照传统的物理学,电子必然会落到原子核上,如果这样,原子就不可能稳定存在,我们所知的世界也就不可能存在。量子力学“拯救”了原子,量子力学决定了原子中电子的能级有个最小值,电子最低只能在这个能级上,不能再往下掉。因此,电子不会落到原子核上。

  除此以外,量子力学还解释了物质所有的微观宏观性质,如硬度、磁性、导电性,由此催生了大量现代信息技术,如激光、核能、半导体、发光二极管。计算机、手机等的出现都与此相关。

  既然量子科技已经应用得如此广泛,为什么现在人们又把它视作新兴技术呢?

  这是因为近年来量子科技有了全新的内涵。20世纪80年代以来,科学家们开始主动调控和操纵单个粒子,充分挖掘它们的量子特性。例如粒子状态的远程传送、不可破译的信息传输、前所未有的计算能力和测量能力等。这就是新兴的量子信息科学,被称为第二次量子革命。具体而言,它分为量子通信、量子计算、量子精密测量三大部分。

  说到量子通信,中国走在世界前列。例如,2016年发射的“墨子号”量子科学实验卫星,是世界首创;量子计算是目前全世界最热门的科研领域之一,我国科学家研发的“九章”系列量子计算原型机,在光量子计算方面国际领先;量子精密测量离大家的生活最近,例如卫星导航,其中的核心技术就是原子钟——人类目前最精确的计时装置,是一种典型的量子精密测量技术。

  虽然目前产业规模还不是很大,但量子科技拥有广阔的发展空间。或许,当将来的人看到我们还没有大规模使用量子通信、量子计算机,就会像我们现在看到没有学会用电的古人一样。跨越百年的量子科技,还将源源不断创造更多惊喜。

  (作者为中国科学技术大学副研究员,本报记者徐靖采访整理)

(责编:李昉、李依环)


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