生活中處處都是量子力學?量子理論的前世今生

20世紀物理學的 發展主要分為三大方向，除了愛因斯坦相對論，規範場論，另外一個就是量子力學。隨著世界範圍內量子力學的蓬勃發展，中國在量子力學領域同樣取得了令世界矚目的科研成果，例如，由中科大教授潘建偉領銜的量子通信應用和量子計算機的發展。

不過是蹭著量子理論的騙人把戲

但是除了量子通信之外，社會上出現了許多「量子可穿戴產品」，「量子學習設備」，比如：量子內衣、量子能量吊墜、量子鞋墊、量子波動速讀等等；廠家宣傳這些產品具有極高的保健功效，甚至打出了穿戴這些量子產品可以起到延年益壽的功效，其實這些產品基本上都只是蹭了量子的熱點，也基本上都是欺騙消費者的套路而已。那麼量子到底是什麼，這些量子產品真的這麼靠譜嗎？

量子論的起源

在19世紀的最後一天，物理學界為了迎接新世紀的到來，著名科學家開爾文公爵做了一次公開的學術演講，在這次演講中他表示物理學的大廈已經基本建成，只需要要完成一些修修補補的工作就行了。

開爾文爵士

這裡開爾文提出的物理學大廈其實是包含牛頓的經典力學以及麥克斯韋經典電磁學，這裡統稱為經典物理學；他認為有了這兩者所有的物理問題可以迎刃而解。

但是開爾文又面露難色，提出了經典物理學上空的兩朵烏雲，一朵是以太，另外一朵就是黑體輻射。許多物理學家為解開這兩個謎團付出了巨大的精力，其中愛因斯坦就排除了以太的思想，從而為相對論的形成邁出了重要的一步，而德國物理學家普朗克通過黑體輻射的紫光災難引出了另一個重要的概念-量子。

什麼是黑體輻射呢？

黑體是指一種只可以吸收和輻射電磁波，不能反射電磁波的物質，太陽就可以看作是一個黑體。而由黑體輻射出的電磁波的波長分布隨著黑體溫度的變化而不同，從經典物理學出發推導出的維恩定律在低頻區域與實驗數據不相符，而在高頻區域，從經典物理學的能量均分定理推導出瑞利-金斯定律又與實驗數據不相符，在輻射頻率趨向無窮大時，能量也會變得無窮大，這結果被稱作「紫外災變」。

量子理論的先驅 普朗克

而普朗克在研究黑體輻射問題時，將從經典物理學推導而來的維恩公式與波爾茨曼熵公式相結合得出了一個完全符合實驗數據的全新公式。為了使這個公式自洽，普朗克大膽假定發射出的電磁波能量並不是連續的，而是一份一份的，其中每份能量是一個基本單位能量的整數倍，這個基本單位能量叫做能量量子。

普朗克第一個認為能量是一份一份的

這一大膽的假定是極具膽量的，因為它推翻了經典物理學理論，以至於普朗克自己都對此持懷疑態度，甚至出現了反感情緒。萬事萬物，給人們的直覺都是連續的，比如，舉一個簡單的數學問題，在A、B兩點之間，如果想最短距離從A到達B，那麼就必須通過A、B之間的所有點，而不能直接從A到B點。以至於普朗克在發表了這個理論後自己也十分懷疑這個理論的正確性。

紫外災變現象

1905年，之前籍籍無名的愛因斯坦發表了一篇論文來描述光電效應，愛因斯坦大膽地引用了普朗克的能量量子思想，認為電磁波本身就是能量量子組成的，稱之為光量子（後面統一簡稱為光子），愛因斯坦正是因為這篇論文獲得了遲到的諾貝爾獎。

愛因斯坦開始出現

量子論自起源以來，其物理含義就在逐步的發展過程中，從剛開始的量子代表離散的數學思想加上組成物質核能量最小的單位的結合體，到現如今「量子」代表著量子世界中物質客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，它們的共同特徵就是必須遵從量子力學的規律。

愛因斯坦因為光電效應獲獎

量子力學的發展

量子力學作為一個物理學中重要的理論分支，區別於經典力學。整個20世紀10-20年代，以玻爾為首的哥本哈根學派引領者量子力學的發展。主要有玻爾提出了互補性原理以及海森堡提出了不確定性原理等核心理論。

玻爾是量子力學主要 創始人

不用專門去看這些核心理論的具體內容，這些理論中描述了量子世界中與眾不同的性質，其中最核心的思想就是量子糾纏和量子疊加以及量子坍縮。

1.量子疊加

我們知道，光子有偏振量、角動量等特徵，而量子糾纏，其實就是兩個成對的光子如果知道其中一個光子的偏振量，那麼另外一個光子的偏振量我們會立刻知道，無論它們之間的距離是多少；而量子疊加就是我們在沒有測量光子的偏振量時，無法知道其真實的偏振量。

量子疊加

我們來舉個例子，假如有一對兔子，在現實生活中，對於單只兔子來說，兔子的性別是確定的，不是公的就是母的。而在量子世界裡，兔子既是公的也是母的，也就是說兔子的性別是疊加的，這就叫量子的疊加態，也叫量子疊加。在這裡同樣可以參考薛丁格的貓這個思想實驗。

2.量子糾纏

假設測量身邊的另一粒子,必定是第一個粒子的互補態，那就等價於"瞬間"知道了天邊另一粒子的狀態，用俗話講就是"超距感應""隱形傳態"，這就叫做量子糾纏。還是兔子的例子，如果我們知道量子兔子中一隻兔子的性別是公的，那麼我們就知道另外一隻兔子是母的。

量子糾纏

3.量子坍縮

量子坍縮就是量子在未被測量之前，我們完全無法預測物體真正的狀態，這是一種真真正正的隨機性；一旦啟動了測量，物體就會「塌縮」成一種可能狀態，仿佛它一直就是那種狀態一樣。如果你想得到其他的可能狀態，你需要複製粘貼一大堆相同的物體，並對每一個分別測量，並通過統計得出這幾種可能狀態的概率。

量子力學的實際應用

1.量子通信技術

量子通信是運用量子力學這個最前沿的技術。因為了解量子以及量子力學的人實在很少，這也導致了量子通信誕生以來就出現了很多的非議。其實，量子通信並不是使用量子來進行通信，而是使用量子力學中的量子糾纏特性來對傳統的電磁波通信進行加密。

光子既有波動性也有粒子性，此時用來加密用的光子的偏振方向就可以代表0與1，量子通信可分為兩個信道，一個是經典通信信道 ，一個是量子信道。在通信雙方進行通信時，就會發送一串光子作為通信密碼與經典信道一起構成量子通信。

量子通信不可被破譯

量子通信最大的優點就是其無法被破譯，為什麼量子通信不會被破譯，因為每次發送一個光子量子通信衛星就會發現光子被攔截者攔截，也不能夠複製光子，因為光子在觀測時會立刻坍縮。

2.量子計算機

量子計算機也是利用量子技術的產物，雖然目前量子計算機還沒真正的研發成功。

我們知道，傳統的電子計算機是利用電平的高低來代表數據，比如，高電平代表數據1，低電平代表數據0,0和1就可以組成計算機的語言，一個1佔據的內存大小就叫做1個比特，也叫作1位。在一個計算機晶片中集成了上萬個半導體電晶體，這些電晶體構成了邏輯門，這些邏輯門對這些0和1進行處理。

量子計算機模擬機器已經出現

而量子計算機中同樣具有量子比特，這些量子比特具有量子疊加性，就是說每個量子比特的0和1都有可能。例如，傳統的比特在表示16種可能的組合時，我需要一一列舉出這16種組合存在內存中，而量子比特則只需要一種組合即可。這樣的性質可以使計算機的計算速度呈現出指數級增長。

數據傳輸

不僅僅如此，量子比特同樣具有量子糾纏性，緊密的聯繫使得一個量子比特發生變化會立刻反應在另一個相關的量子比特上，無論多遠。這意味著我們只需要通過觀測知道其中的一個狀態，另一個的狀態也就不言而喻了。

CPU上的電晶體

總結

可以看到，那些真正的量子技術應用研究都是困難重重，幾十年都未形成商業應用。全世界的科學家們都在為之努力；而那些宣傳利用量子黑科技的產品可以強身健體，治病救人，全部都是虛假宣傳。其實這其中只是一些小小的科學原理矇騙了人們的眼睛，就算我們不知道高深的量子力學，但是我們如果擦亮自己的雙眼，就可以輕鬆分辨出其中的貓膩。