量子通信——量子的概念与量子力学

随着量子实验卫星——墨子号的升空，京沪量子保密通信干线的建成与试运营，量子通信逐渐被大家所知，也成为舆论的热点，随之而来的各种“观点”也铺天盖地的袭来，这其中有很多质疑和民科的自我幻想。

量子（Quantum）： 到底什么是量子，量子比质子、中子、原子、电子、分子小呢？还是比它们大呢？ 之前好像没听过量子，初中物理就讲过，分子由原子组成，原子是由电子和原子核组成，原子核是由质子和中子组成。 什么时候出来了个量子？

量子是一个数学概念，是“离散变化的最小单元”。量子跟原子、电子根本不能比较大小，因为量子不特指某一种“粒子”，它是一个抽象的人为定义的概念，就像数学里面的数字，0、1、2；我们能说1个原子比2个原子少一个，2个质子比1个质子多出一个，却不能说1 比2个原子少，因为本身的定义不一样，谁也不能说3比5个手机要少。

量子是怎么来的？德国科学家普朗克在研究“黑体辐射”问题时，发现必须把辐射携带的能量当作离散变化的量，这样才能计算出与实验一致的数据。也就是说起初是将辐射携带的能量看做是连续的量，在这个基础上积分，所得到的结果是热辐射的能量极大，人根本不能靠近，这与现实是相悖的，比如有一个烧红的铁棍，人们靠近它是没什么问题；后来普朗克将辐射能量按照离散量去处理，在这个基础上去积分，所得到的值与实验测量所得到的值一致。普朗克提出：能量子（量子）是能量的最小单位。物体吸收或发射电磁辐射，只能以能量量子的方式进行。光的量子是光子。

那么，什么叫“离散变化”呢？比如统计人数，可以说1个人、2个人，但不可能有半个人、1/3个人。1/3个人怎么活？ 即使是有残疾的人，在统计的时候也要说那是1个人，对于统计人数来说，一个人就是一个量子，是统计当中的”最小单元“。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。离散变化相对的是”连续变化“，比如声音，声音可以是10分贝，10.1分贝，10.2分贝 ..... 10.21分贝，这就是连续变化，学过模电和数电的人知道，有连续变化模拟量，和离散变化的数字量；学计算机的也知道计算机里面的 0 和1 是离散量。

量子力学

离散变化是微观世界的一个本质特征，准确描述微观世界的物理学理论就是量子力学。除了离散变化是微观世界的特征外，随机也是一个本质特征。

微观世界中的离散变化包括两类，一个是物质组成的离散变化，一个是物理量的离散变化。

物质组成的离散变化：例如光是由一个个光子组成的，你不能分出半个光子、1/3个光子，所以光子就是光的量子。阴极射线是由一个个电子组成的，你不能分出半个电子、1/3个电子，所以电子就是阴极射线的量子。

物理量的离散变化：例如氢原子中电子的能量只能取-13.6 eV（eV 是“电子伏特”，一种能量单位）或者它的1/4、1/9、1/16 等等，总之就是-13.6 eV除以某个自然数的平方（-13.6/n^2 eV，n可以取1、2、3、4、5等），而不能取其他值，例如-10 eV、-20 eV。氢原子中电子的能量是量子化的，位于一个个“级别”上面。每一种原子中电子的能量都是量子化的，这是一种普遍现象。而不是连续的，不能随便取个任意值。这也解释了为什么电子不会落在原子核上，而是”绕着原子核运动“。

在之前普朗克的基础上，爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人提出了很多新概念，扩展了量子力学的应用范围。1930年代，量子力学的理论大厦已经基本建立起来，能够对微观世界的大部分现象做出定量描述了。

量子力学的作用

描述微观世界必须用量子力学，宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此，不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学，而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用量子力学。许多最基本的问题，是量子力学出现后才能回答的。例如：为什么原子能保持稳定，例如氢原子中的电子不落到原子核上？（因为氢原子中电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变成负无穷，低于这个值了。）

为什么原子能形成分子，例如两个氢原子H聚成一个氢气分子H2？为什么原子有不同的组合方式，例如碳原子能组合成石墨、金刚石、石墨烯？为什么食盐NaCl会形成离子晶体？为什么有些物质例如铜能导电，有些物质例如塑料不导电？为什么有些物质例如硅是半导体？为什么有些物质例如水银在低温下变成超导体？为什么通过观察宇宙中的光谱线能知道远处星球的元素组成？……现代社会的技术成就，几乎全都与量子力学有关。

有很多渲染量子力学如何难以理解的说法，如“连爱因斯坦都理解不了量子力学”，“费曼说，没有人理解量子力学”。这些说法会误导不了解量子力学的人，会让大家认为量子力学是一种玄学、禅机，一种类似诡辩的东西。量子力学是一套清晰的数学框架，可以看成是微观世界运行的一本操作手册。就像计算机操作系统使用指南一样。

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