什么是量子与量子计算？

量子技术包括基于量子比特和基于其他量子效应的两类技术。

什么是量子？

量子领域是解释若干微粒（如原子和电子等）行为而构造起的理论。通常看到的宏观事物是由数量级高达1023的原子构成的，这些事物的行为可以用经典物理学（如牛顿力 学、经典电磁学等）解释。

量子物理研究的是纳米世界：原子与亚原子粒子，以及电磁波与物质的相互作用。它不同于经典牛顿物理，后者在牛顿定律、麦克斯韦方程与统计物理（热力学）的框架下， 可预测地描述从几微米以上到行星、恒星的宏观运动。当速度接近光速或质量极大时，相对论登场，以时空弯曲刻画引力，解释黑洞、中子星等极端现象，并为宇宙学提供 关键线索。然而相对论并不只属于宇宙深处，它也潜伏在原子内部电子的运动中，催生出“相对论量子场论”。对于宏观世界的描述在微观的量子领域或并不符合。

1900年，普朗克研究黑体辐射时提出能量只有特定大小的“能量子”才能避免紫外灾难（基于瑞利-金斯公式黑体应该在紫外端释放出无穷无尽的能量），首次引入能量量子化假 设。1905年，爱因斯坦大胆假设光由粒子（光量子）组成，成功解释了光电效应现象，只有当单个光子的频率足够高（能量足够大）时才能击出电子，这说明光不仅是波，也是由 离散粒子组成。

卢瑟福的原子核模型（1911年）发现原子内部大量空间和小核，但按照经典电磁理论，绕核旋转的电子应连续辐射能量而掉入原子核，这与原子稳定性相矛盾。尼尔斯·玻尔在 1913年提出电子只能处于特定离散轨道（能级），绕核运动时不辐射能量，只有跃迁轨道时才发出或吸收特定频率的光子（跃迁）。玻尔模型成功解释了氢原子谱线的离散频率— —原子只能发出特定颜色的光，从而证实了能量的量子化假设。

1920年代，更多实验进一步动摇经典观念：例如康普顿散射证明光子具有动量，德布罗意提出物质波并被实验证实，电子经过双缝也会产生干涉图案。最终，一套全新的理论量子 力学逐步形成，由海森堡、薛定谔、狄拉克等人奠定其数学基础，用概率波函数来描述微观粒子状态。量子力学成功解释了原子结构、化学键、固体和光辐射等大量现象，标志着 物理学革命性突破。

在量子力学中，能量量子化是一个基石性的概念，它彻底颠覆了经典物理中能量可以连续变化的观念。这一点在原子尺度上表现得尤为显著，正如氢原子的玻尔模型所示。该 模型揭示，原子核外电子的能量状态是分立（量子化） 的，只能存在于一系列特定的、不连续的稳定能级上（n=1, 2, 3... 的轨道）。电子在不同能级之间的跃迁，是能量量 子化最直接的体现。当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放一个能量完全特定的光子，其波长（如莱曼系的 122 nm、巴尔末系的 656 nm、帕邢系的 1875 nm）由两个能 级的能量差精确决定，这解释了原子光谱为何是离散的线状谱，而非连续谱。

能量的吸收与与发射：当一个能量恰好等于能级差的光子被原子吸收，驱使电子从基态“跳跃”到激发态；不稳定的激发态电子通过“弛豫”过程回落至低能级，并瞬时发射 出一个相应能量的光子。关键在于，电子无法存在于两个允许能级之间的任何能量状态，其跃迁是“全有或全无”的，不存在中间过程。

在经典计算机中，信息的基本单位是比特（Bit），其物理状态是0（低电平）或1（高电平）。计算需要一个同样具有两个离散状态的物理系统来充当量子比特。能量量子化恰 好提供了这样一个系统。例如，一个超导电路或一个离子，其能级是分立的。我们可以将最低能级（基态）定义为 |0⟩，将第一激发态定义为 |1⟩。这两个能级是稳定且明确的， 为编码量子信息提供了完美的“容器”。

什么是量子计算？

量子技术包括基于量子比特和基于其他量子效应的两类技术。基于量子比特的技术直接利用量子比特的叠加态进行计算和通信。量子比特可以同时处于 |0⟩ 和 |1⟩ 的叠加态，从而实现并行计算和指数级的信息处理能力。基于其他量子效应的技术不直接使用抽象的量子比特，而是利用原子、光子等物理系统固有的量子 特性来制造超精密的测量仪器，即量子传感。

量子叠加态：量子叠加态指的是微观粒子可以同时存在于多个状态的组合中，直到被观测为止。这意味着一个量子系统在测量前没有唯一确定的状态，就好比同 时处于几种可能的状态。当进行观测时，叠加态瞬间“坍缩”成其中一个确定状态。薛定谔的猫也是著名比喻：把猫关在盒子里，通过量子机制使猫有一半几率 死或活。在未打开盒子观察前，猫可以被认为同时处于“生”和“死”的叠加状态。

经典实验：薛定谔提出的这个思想实验“薛定谔的猫”最形象地说明叠加态：只有打开盒子观察后，猫才变为确定的生或死状态，否则在量子角度猫处于两种状 态叠加。真实实验中，电子的双缝干涉实验也体现叠加原理，单个电子可以同时通过两条缝，其概率波叠加产生干涉条纹（说明电子在未测量时处于“同时走两 条路”的叠加态）。

量子纠缠：量子纠缠是指两个或多个粒子通过相互作用后，其性质紧密关联为一个整体，哪怕相隔遥远仍保持同步变化。纠缠粒子的状态不能独立描述，对一个 粒子的测量结果瞬间反映在另一粒子上（仿佛超距传递信息，但实际上并不违背因果，只是相关性）。这种现象爱因斯坦曾称为“鬼魅般的超距作用”。

经典实验：量子纠缠最著名的验证来自贝尔不等式实验。物理学家约翰·贝尔提出的方法能够区分“纠缠的真关联”与“预先商定好的巧合”。在20世纪后半叶， 阿斯派等人通过实验违背了贝尔不等式，证明纠缠确实存在远距离的强关联效应。这一系列开创性实验也使得三位科学家在2022年获得诺贝尔物理学奖。另一 个直观例子是量子通信/量子密钥分发，利用纠缠粒子的关联可以实现测量一方即时影响另一方的结果，从而进行保密通信。2016年8月，中国成功发射“墨子 号”量子科学实验卫星，在国际上首次在上千千米的星地距离上利用量子纠缠分发检验贝尔不等式，获得了违反贝尔不等式的结果，验证了量子纠缠在跨越 1200千米的距离上依然存在。

概率性系统与测量坍缩：粒子的行为具有概率性，并非经典物理那样确定。一个量子系统在测量前由波函数描述，它给出了各种结果的概率分布；测量坍缩指当 我们对粒子进行观测时，波函数立刻从分布态“收缩”到某一个特定状态（测量值）。简单说，测量之前结果未定，只能说有几率为A或B；测量之后，系统随 机且瞬时地选择了其中一个结果，其他可能性消失。

波粒二象性与干涉（Wave-Particle Duality & Interference）：波粒二象性指微观粒子（如光子、电子）既能表现出波动性，又能表现出粒子性，两种属性 取决于实验条件。例如，光子在某些实验中像波一样会发生干涉和衍射，但在另外一些实验中又像粒子（光子）那样一次只在一个位置被探测到。干涉现象则是 波动性的直接证明：当两个或多个波叠加时会产生加强和相消的花纹（明暗条纹），微观粒子的干涉图样表明其具有波的行为。