中共中央政治局就量子科技的研究和应用前景进行集体学习后，有关量子科技的讨论热度还在持续：科技界正在深刻学习和认识推进量子科技发展的重大意义；市场层面，量子技术板块广受关注，相关上市公司掀起上涨潮。

近日，围绕何为量子科技，以及其将如何影响人们生活等报道也不在少数。新京报贝壳财经记者采访了相关领域的专家，并综合《上帝掷骰子吗？量子物理史话》等量子物理科普读物，力图用最通俗的语言为读者揭示量子力学面纱的一角。

1.量子——微观尽头，能量传输的最小单位

网友们讨论科幻剧情时，常常会联系到量子力学。而之所以很多离奇的剧情往往都能跟量子力学扯上关系，正因为量子力学所研究的领域，是一个光怪陆离，完全无法用常识揣测的世界。

量子力学无处不在，但你却看不见它。它主要研究微观的事物，是不少其他学科的基础。随着对它理解的深入，人们发现，在足够小的尺度（普朗克尺度），许多宏观尺度上屡试不爽的物理学定律都失效了。

马克斯•普朗克1900年12月4日公布的“普朗克公式”被学界认为是量子力学的开端，普朗克公式要求，能量必须只有有限个可能态，而不能是无限连续的，即能量在发射和吸收时，不是连续不断的，而是分成一份一份的。

普朗克认为，能量的传输必须有一个最小的单位，这个单位，就是“量子”。

中国科学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰撰文指出，量子这个数学概念的意思是“离散变化的最小单元”。“我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、1/3个人，我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1/3 个台阶，这些就是‘离散变化’。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是‘量子化’的。”

这与我们的常识并不匹配，在宏观世界，人们一般认为能量是连续的，是无限可分的，如当某个化学反应释放了100焦耳的能量时，我们总会下意识地认为，在某个时刻，总体系释放的能量等于99.9998焦耳，99.9999焦耳……但在微观的尽头，其实存在量子这个最小的单位。

随着对微观尺度的了解越来越深入，人们发现，许多微观尺度发生的实验现象违背常识，完全无法用经典物理进行诠释，如光的波粒二象性、量子纠缠等，而对这些微观尺度现象做出准确的描述与解释，并将它们与经典物理融为一体，建立一个“大一统”的理论，就是量子物理领域科学家们毕生的追求。

根据维基百科的解释，量子力学是物理学的分支学科。量子力学主要描写微观的事物，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。从普朗克开启量子力学大门的1900年到现在的2020年，120年间，玻尔、海森堡、薛定谔等多位科学家均为量子力学的发展贡献了力量。

2.只能通过概率描述的量子与波函数坍缩

学过中学物理的人都知道，光具有“波粒二象性”，即光既具有波动特性（光波），又具有粒子特性（光量子），得出这一结论的，是著名的双缝干涉实验。

双缝干涉实验的设计非常精巧：将光束照射于两条相互平行的狭缝，光通过狭缝后，冲击其后设置的探测屏。此时，探射屏显示出了一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的干涉条纹图样，这是因为波会产生干涉，此时光符合波的特性。

而如果把光量子一个一个地发射出，探测屏上则只会显现出一个光量子的投影，这与光的粒子特性相符合。

但奇特的是，如果仍然将光量子一个一个发射到探测屏上，重复多次，可以发现，累计的图像出现了与光波一样类似的干涉图样。这意味着，虽然每次只有“一个”光量子通过狭缝，但它却表现出了波的性质，自己与自己产生了干涉。

更加奇特的是，如果我们稍微改变双缝实验的设计，在狭缝后面装置探测器，专门探测光子具体通过的是哪一条狭缝，光量子的行为就会只表现出粒子特性，探测屏不再能够观察到干涉条纹。

这意味着，首先光“既是粒子又是波”，但如果我们试图去测量它的具体位置，它就只能表现出粒子态了，我们无法观测到它“既是粒子又是波”时的形态。

为什么微观尺度会出现如此奇异、反常规的实验现象？目前为止，学界广为接受对这一实验现象的最佳解释是主要由尼尔斯•玻尔和维尔纳•海森堡于1927年在丹麦哥本哈根合作研究时共同提出的“哥本哈根诠释”，利用这一理论，我们才发展出了量子通信等“黑科技”。

需要注意的是，哥本哈根诠释并不是一句话就可以概括的，但它包括几个重要的概念，其中两条最重要的概念是：一是在量子系统里，一个粒子的位置和动量无法同时被确定，即不确定性原理。二是在量子力学里，量子系统的量子态，可以用波函数（一种用来计算粒子在某位置或处于某种运动状态的概率的函数）来描述，即粒子只能以概率的方式去表述，一旦试图测量，该测量动作就会造成波函数的“坍缩”，此时原本的量子态概率地坍缩成一个测量所允许的量子态。

换句话说，如果试图去探测光量子的具体位置，光量子的波函数就会“坍缩”，我们只能得出一个唯一确定的结果。但如果我们不进行测量，则这颗光量子可能出现在任何位置，我们唯一能知道的只有它所处位置的概率。

正是依据该原理，在量子通信中，如果有窃听者对信息进行接收（测量），波函数就会产生坍缩，通信双方也就借此知晓了窃听者的存在，也正因为这一原因，量子通信才被称为“绝对安全”的通信方式。

3.中国在量子通信应用领域一枝独秀

那么，量子科技将会如何影响产业，如何颠覆人们的生活呢？

复旦大学理论物理方向研究生，科普读物《我也能看懂的量子通信》作者“神们自己”告诉新京报贝壳财经记者，目前量子科技最前沿的应用领域是量子通信和量子计算机，其他研究距离产业应用还太远。“目前中国在量子通信的应用领域一枝独秀，其他领域暂时是跟随者。”

目前，应用最为成熟的技术也是量子通信。

2019年1月31日，美国科学促进会（AAAS）宣布，将2018年度的克利夫兰奖授予中国科学技术大学潘建伟教授领导的“墨子号”量子通信科研团队，以表彰该团队通过实现千公里级星地双向量子通信实验，从而对这个领域的研究所做出的贡献。

腾讯公司原副总裁、计算机科学家吴军在其撰写的《科技史纲60讲》中介绍，我国的量子通信的技术原理是，利用光子的一些量子特性，具体讲是偏振的特性，来传递一次性加密的密码。由于该密码是一次性的，所以在理论上是绝对安全的。“光量子是一个不可再分的基本粒子，接收一次，原来的状态就消失了。因此，偷听者不可能把偷听到的内容复制一份发给接收者。这也是为什么必须将这种基于偏振光特性的通信方式建立在（光）量子基础上的原因。”

而在难度更大的量子计算领域，目前主要参与研发的都是像百度和阿里这样的巨头。中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果。百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。相比量子通信，量子计算的发展程度要低得多，还处于演示阶段，尚未造出有实用价值的量子计算机。

虽然量子科技的应用目前尚处在起步阶段，但量子科技在未来的应用非常广泛。袁岚峰介绍，在量子计算方面，有量子因数分解（破解最常用的密码体系）和量子搜索（用途最广泛的量子算法）。在量子通信方面，有量子隐形传态（“传送术”，最富有科幻色彩的应用）和量子密码术。

“墨子号量子卫星的发射和量子通信京沪干线的建设，标志着中国的量子通信接近了产业化。自从人类进入近代社会以来，这是第一次由中国创造一个新的产业。我们在许多产业做到了世界第一，例如高铁、电信、超算，固然都很了不起，但这些产业都是别人开创的，我们是在别人的框架里后来居上。只有量子通信，在国际上是没有先例的。这个中国首创的产业是一座里程碑，历史意义十分重大。”袁岚峰表示。

不过，相对于量子通信应用方面的落地，量子力学的许多基础理论仍然缺位，正如1964年，物理学家理查德•费曼在康奈尔大学的一个讲座上的演讲：“我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学。”

对这些基础理论的发掘，是量子领域科学家们毕生的追求。宾夕法尼亚大学物理学家麦克斯•泰格马克和普林斯顿大学物理学家约翰•惠勒在共同发表的论文《量子100年》中列出了目前的人类已经掌握的理论结构。在该理论结构图中，他们将量子场论放置在了与广义相对论并列的地位，经典力学、化学只是排列在它们之下的分支学科，而在量子场论与广义相对论之上，科学家们追求的是一个能够将一切理论合而为一的“大一统”的理论，正如霍金在《时间简史》里说，“在谨慎乐观的基础上，我仍然相信，我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点。”

新京报贝壳财经记者 罗亦丹 编辑 赵泽 校对 贾宁