量子是什麼、量子具有什麼特性、又有什麼作用?一文帶你搞懂

最近量子這個詞非常火，像前些年的納米這個詞一樣，被廣泛應用在各類產品裡，像什麼「量子波動速讀」，這種方法是從日本漂洋過海來的，號稱孩子用此法可在5分鐘內看完一本10萬字的書籍，並能把內容完整複述，閉著眼也能和書發生感應。宣稱是利用了光的波粒二象性和量子糾纏原理。其具體的解釋為：

利用量子糾纏，產生波粒二象性，讓大腦和書本發生感應，改變人類閱讀的反應過程，由「看、讀、理解」簡化為「看、理解」，經培訓後可達到「書中文字快速成像、光波飛入電影回放、一目十行過目不忘」的效果，甚至還可以閉著眼睛，直接翻書，根本不用看就能和書本發生感應，知道書中內容和作者所要表達的意思。

比「量子波動速度」更扯的是「量子接骨」，打出了「通過量子幹預技術，異地就能把骨折治好……」這樣的口號，還號稱可以只需提供一塊土地的航拍圖，確定土地位置，便可通過「量子幹預」，提高農產品的產量，「改良後的農產品無公害，還品質高，相當牛。」

這家騙子公司大家要警惕

這些年，很多營銷人士為了忽悠用戶，都拿出那些非常專業的名詞移花接木到產品之上，給人一種非常專業、權威的感覺，比如前些年的納米汗蒸之類的。這些其實只要細想就漏洞百出的影響概念，但還是有人前赴後繼上當。

那麼量子究竟是什麼呢？它究竟有什麼作用呢？今天我們就來詳細了解一下！

量子究竟是什麼

量子（quantum）是現代物理的重要概念。即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子。

1900 年，普朗克首次提出量子概念，用來解決困惑物理界的「紫外災難」問題。

紫外災難：19世紀末，科學界許多科學家已經開始深入研究電磁波，由此誕生了黑體，黑體則是屬於熱力學範疇，黑體是一個理想化了的物體，為了研究不依賴於物質具體物性的熱輻射規律，物理學家以此作為熱輻射研究的標準物體。它能夠吸收外來的全部電磁輻射，並且不會有任何的反射與透射。換句話說，黑體對於任何波長的電磁波的吸收係數為1，透射係數為0。而我們知道一切溫度高於絕對零度的物體都能產生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。隨著溫度上升，黑體所輻射出來的電磁波則稱為黑體輻射。紫外災難則指的是在經典統計理論中，能量均分定律預言黑體輻射的強度在紫外區域會發散至無窮大，這和事實嚴重違背。

普朗克假定，光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的，而是一份一份的，一份「能量」就是所謂量子。

然而當時的物理界，包括普朗克本人，都討厭「量子」這個怪物，千方百計想要將它消化在經典物理的世界之中，但卻屢試不果。

唯有愛因斯坦獨具慧眼，提出了「光量子假說」，他認為光輻射不僅在於與物質相互作用時的能量是一份一份的，光輻射的能量，本身就是「量子化」的，一份能量就是光能量的最小單元，後來稱之為「光量子」，或簡稱「光子」。

後來，在兩者基礎上，以玻爾為首的哥本哈根學派發展出來了量子力學，哥本哈根詮釋也就成為量子力學的正統解釋，其中恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補原理，三者共同構成了「哥本哈根解釋」的核心，量子力學與相對論共同構成了現代物理體系的兩大支柱。

按物理運動規律的不同，我們將遵從經典運動規律(牛頓力學，電磁場理論)的那些物質所構成的世界稱為「經典世界」，將遵從量子力學規律的那類物質所構成的世界稱為「量子世界」。「量子」就是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，也可以是BEC、超導體等宏觀尺度下的量子系統，其共同特徵就是必須遵從量子力學的規律。

量子所具有的重要特性

量子所具有的比較重要的特性有量子疊加、量子糾纏。

量子疊加最有名的就是「薛丁格的貓」理論了，薛丁格的貓是指在一個盒子裡有一隻貓，以及少量放射性物質。之後，有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。

根據經典物理學，在盒子裡必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。但是在量子的世界裡，當盒子處於關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後才能夠知道。

這裡涉及到了一個電子雙縫實驗實驗，在德布羅意提出了波粒二象性之後，戴維孫和革末通過實驗確認了一切物質都具有波粒二象性後。量子力學認為當人們沒有對粒子進行觀察的時候，它們是以波的形式運動，由於存在幹涉，穿過雙縫後會出現一道道痕跡。一旦觀測後，它們立刻選擇成為粒子，就不會產生幹涉，穿過雙縫留下痕跡。

然而，薛丁格忘記了量子力學是旨在探究微觀領域，而非宏觀世界，有時候宏觀世界是無法用來解釋微觀世界的。

量子力學的一個中心原則就是粒子可以存在於疊加態中，能同時擁有兩個相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。儘管我們在日常生活中常常面對「不是A就是B」的抉擇，而但在微觀世界中是可以接受「既是 A 又是 B」的，就好像我們經常說一個人，不能簡單判斷他是善惡一樣。

薛丁格的貓可以說非常生動形象讓大家看清了量子力學的本質—— 一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。

疊加狀態會引起量子糾纏，在量子力學裡，當幾個粒子在彼此相互作用後，由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，則稱這現象為量子纏結或量子糾纏（quantum entanglement）。

量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的現象；在經典力學裡，找不到類似的現象。舉一個例子，在微觀世界裡，兩個糾纏的粒子可以超越空間進行瞬時作用。也就是說，一個糾纏粒子在地球上，另一個糾纏粒子在月球上，只要對地球上的粒子進行測量，發現它的自旋為下，那麼遠在月球上的另一個糾纏粒子的自旋必然為上。

除此之外，量子還有一個有趣的現象，就是量子隧穿效應，舉個例子，假如人在趕路，前面有一座大山擋住了去路，那麼人如果要前往大山的另外一邊，那麼你就只能翻過山去。但是對於粒子而言，它可以直接穿過去，即使能量不足，也可以穿山而過。這就是粒子穿牆術——量子隧穿效應。

基本粒子沒有形狀，沒有固定的路徑，不確定性是它唯一的屬性，既是波，也是粒子，就像是我們對著牆壁大吼一聲，即使99.99%的聲波被反射，仍會有部分聲波衍射穿牆而過到達另一個人的耳朵。因為牆壁是不可能切斷物質波的，只能在攔截的過程中使其衰減。

量子的運用

量子科學目前來說，最廣泛的應用是量子通信和量子計算機。

因為具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發生變化，另外一個也會瞬間發生變化，利用這個特性實現光量子通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌（變化）後的狀態是對稱的，然後將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行么正變換（相當於逆轉變換），即可得到與發送方完全相同的未知量子態。

經典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提並論。安全性-量子通信絕不會「洩密」，量子通信技術被認為是「保障未來信息社會通信機密性和隱私的關鍵技術」。

從潘建偉教授首次成功實現百公裡量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，經過四年時間，2016年，墨子號量子衛星成功發射。

中國科學家15日（當地時間）在美國《科學》雜誌上報告說，中國「墨子號」量子衛星在世界上首次實現千公裡量級的量子糾纏，這意味著量子通信向實用邁出一大步。

目前，量子號還要實現基於糾纏的量子密鑰分發，量子密鑰分發是利用量子力學特性來保證通信安全性。它使通信的雙方能夠產生並分享一個隨機的、安全的密鑰，來加密和解密消息。

量子密碼學的核心就是量子密鑰分發，它是利用量子力學特性來保證通信安全性。它使通信的雙方能夠產生並分享一個隨機的、安全的密鑰，來加密和解密消息。

在這裡我們要著重指出：

怎麼樣能夠產生量子糾纏呢？現在科學家已經掌握許多製備量子糾纏的方法和途徑。最常用的是將一束雷射照射到非線性晶體上便能產生糾纏光子對。所以人是不可能僅僅通過翻書就產生量子糾纏的，任何宣稱利用了量子糾纏原理的基本都可以判定為騙子。

因為量子疊加的特性，這種糾纏光子源屬概率性的。這種參量下轉換產生的許許多多光子對中才會有一對光子是糾纏的，人們甚至無法預先知道哪一對是糾纏光子，只能採用能確定糾纏的探測裝置來加以識別，但一旦確認該光子對是糾纏的，糾纏也會因此測量而消失。這也導致現在目前量子通信的應用還存在一些缺陷。

而量子計算則被認為是第四次工業革命的引擎，目前，科學界普遍認為，第四次工業革命將會在核聚變、量子技術、5G、人工智慧、基因工程這5者之中誕生。

目前來說，經典計算機的發展已經陷入瓶頸，隨著電晶體體積不斷縮小，計算機可容納的元器件數量越來越多，產生的熱量也隨之增多。其次，隨著元器件體積變小，電子會穿過元器件，發生量子隧穿效應，這導致了經典計算機的比特開始變得不穩定。

電晶體

科學家認為量子計算機可以突破目前的困境，量子計算是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。

傳統計算機每比特非0即1，而在量子計算機中，量子比特因為量子疊加的特性，可以以處於即是0又是1的量子疊加態，這使得量子計算機具備傳統計算機無法想像的超級算力。

舉個例子，如果x=0，運行A；如果x=1，運行B。

傳統計算機永遠只會一次執行一種邏輯分支，要麼A，要麼B，要麼兩種情況各運行一次。

但在量子計算機中，變量X是量子疊加態，既為1，又為0，因此它可以在一次計算中同時執行A和B。這就是我們說的量子比特或者叫量子位。成為了量子信息的計量單位。

做個總結，傳統計算機使用0和1，量子計算機也是使用0跟1，但與之不同的是，其0與1可同時計算。古典系統中，一個比特在同一時間，不是0，就是1，但量子比特是0和1的量子疊加。這是量子計算機計算的特性。

所以如果我們將量子比特的數量增加到10個，那麼傳統計算機需要計算2^10=1024次。量子計算機需要計算多少次呢？

還是1次。

我們再把量子比特數加到100個、1000個、10000個乃至更多，看出差距了嗎？現有計算機要運行上萬年的工作量，量子計算機只用幾分鐘就能搞定。

目前全球都在想要去掌握量子計算機，因為它將會在核試爆模擬、現代武器裝備研製，航天衛星等國防科技領域發揮重要作用，其次它也會在諸如氣象，物理，探測，材料科學與計算納米技術、人工智慧、深入學習、生物醫藥、基因工程、金融分析等新興領域發揮著重要的作用，在未來的 5G 甚至 6G 時代，它還將發展為共享伺服器雲計算的形式，發揮它極強運算速度和大批量數據處理的優勢。

所以，我們要明白網絡上流傳什麼「量子肥料」、「量子水」、「量子接骨」「量子波動速讀」等都是屬於忽悠人的詞，量子糾纏的特性並不是這樣使用的，像科普作家張軒中就指出：

量子糾纏與量子波動這些概念，與人腦的聯繫還沒有研究清楚。人的大腦的記憶行為，一般認為與神經網絡中的神經元迴路有關，在圖論上叫做環路。這是複雜系統或者說系統科學研究的內容，目前量子力學還用不上這個領域。

最後說一下，教育孩子不能急功近利，在如今高壓力的社會下，家長想要孩子成才是可以理解的，但是不能揠苗助長，從而掉入了陷阱，從而給孩子起到一個不好的導向作用。