量子理論是迄今最成功的物理學理論。基於量子理論所開發出來的電腦、手機、雷射、和平利用核能和量子技術，其造福人類社會已半個多世紀。然而，有關量子世界的種種奇異特性人們依然迷惑不解，爭論不休。量子理論誕生100多年來，人們不斷追問量子理論能為人類「做什麼」，並大獲成功，而量子世界「為什麼」是這樣的卻知之甚微。最近幾十年，量子信息的發展為人類提供了探索量子世界奧秘的新原理，新方法，人們有望在量子理論誕生第二個百年內解開量子世界神秘面紗。「量子力學二次革命」的戰鼓已經敲響。這場新的革命中，除了繼續問「做什麼」，更重要是去追問「為什麼」。
作者簡介
郭光燦，物理學家，中國量子光學和量子信息開創者、奠基人。中國科學院院士、第三世界科學院院士。
2001年郭光燦作為首席科學家申請到中國量子信息領域第一個科技部「973」項目，該項目的實施奠定了我國量子信息蓬勃發展的基礎。他組建的這支研究隊伍先後培養出5位中科院院士和十多位科技部「973」項目首席科學家。
郭光燦創建了中國量子信息領域第一個省部級重點實驗室——中國科學院量子信息重點實驗室，並帶領團隊提出「量子避錯編碼原理」、「概率量子克隆原理」，在國際上引起很大反響；提出「利用光腔製備兩原子糾纏的方案」，被2012年諾貝爾物理學獎得主法國科學家沙吉·哈羅徹實驗證實；研製成功國內首個光纖量子密鑰系統；實驗上首次同時觀察到光子的波動性和粒子性，挑戰玻爾互補原理設定的界限；研製成功8光子量子糾纏態，首次演示6光子糾纏的非局域性；研製成功國際上迄今性能最好的固態量子存儲器；首次在宏觀尺度無漏洞地驗證可用於判別宏觀和微觀界限的LG不等式；研究成功可同時實現快速操控和長相干時間的新型量子比特編碼等。
量子理論誕生背景
19世紀末，整個物理學界十分樂觀地認為，物理學已經發展得登峰造極，所有的物理學現象，除兩個問題以外，都可由當時的物理學理論圓滿地解釋；而這兩個例外的問題也遲早會被圓滿解釋。然而，出乎人們意料，這兩個問題後來成了「籠罩在物理學上空的兩朵烏雲」。其中一朵「烏雲」是黑體輻射所導致的「紫外災難」，正是對這朵「烏雲」的研究，催生了量子理論。另一朵「烏雲」是麥可遜-莫雷實驗導致的「以太說」破滅，而相對論的誕生讓這朵「烏雲」消失殆盡。量子理論和相對論也成為現代物理學兩大支柱。
普朗克於1900年提出「量子」概念，宣告「量子」時代誕生。
量子力學建立裡程碑事件
1900年，普朗克(Max Plank)假設能量的吸收和發射是量子化的，首次提出量子的概念「Quanta」，並以此解決了著名的黑體輻射問題。普朗克也因此獲得1918年的諾貝爾物理學獎。
1905年，愛因斯坦(A. Einstein)以「光量子」為基礎給出了光電效應的正確解釋，並進一步提出光子（photon）的概念。愛因斯坦因光電效應的理論貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎。光電效應實驗主要由密立根（A. Millikan） 完成，他也因油滴實驗和光電效應實驗獲得1923年諾貝爾物理學獎。
許多量子現象被發現，量子理論逐漸被科學界所接受，包括：康普頓（Compton）散射（1927年諾獎），拉曼（Raman）效應（1930諾獎）和賽曼（Zeeman）效應（1902諾獎）。
1925年，海森堡（1932年諾獎）， 玻恩（1954諾獎）和約爾丹（Jordan），提出矩陣動力學 (海森堡方程)，這是第一個自洽的量子力學動力學方程。
1925-1926年，薛丁格（1933年諾獎）提出著名的薛丁格方程用以描述波函數的動力學行為。
1927年，狄拉克（1933諾獎）提出狄拉克符號（量子態），以及量子態會形成希爾伯特（Hilbert）空間，並指出薛丁格方程和海森堡方程的等價性。
1932年，馮•諾依曼將量子力學建立在嚴格的數學框架之下。
1948年，費曼（1965諾獎）提出量子力學的路徑積分公式。費曼路徑積分公式不同於薛丁格方程和海森堡方程（它們是從哈密頓量出發的），它是從拉格朗日量出發，並基於作用量原理的公式。
量子理論基礎（解釋）裡程碑事件
1924年，德布羅意（1929諾獎）提出波粒二象性假說。
1924-1925, 泡利（1945諾獎）提出「泡利不相容原理」。
1926年，玻恩提出波函數的概率解釋。
1927年，玻爾提出了互補原理。
1927年， 海森堡提出了測不準原理。
1920年代-1930年代 ，量子力學的哥本哈根解釋形成。
1920年代-1930年代，玻爾-愛因斯坦論戰。
1935年，薛丁格提出被稱為『薛丁格貓』的佯謬。
1935年，愛因斯坦等提出 EPR佯謬，對量子力學的完備性提出質疑。
1952年， 玻姆提出玻姆力學（1927年，德布羅意有類似想法）以解決傳統量子力學的不確定性問題。玻姆力學是確定性的、非定域隱變量理論。
1964年，貝爾提出貝爾不等式，這是可以直接實驗判定的不等式，進而可以實驗區分量子力學和局域隱變量理論。貝爾不等式將量子理論基礎的哲學討論重新拉回到物理學。
1982年，阿斯派克特（ Aspect）等人首先對貝爾不等式進行了實驗檢測，實驗結果支持量子力學。
1985年，萊格特（A. J. Leggett）和加格（A. Garg）提出L-G不等式，可用於對宏觀實在性的檢驗。
1980年代，祖瑞克（Zurek）等將退相干理論用於解釋量子測量中的波包塌縮（1930年代，馮•諾依曼有類似的想法）。
2015年，在不同系統中實現無漏洞的貝爾不等式檢測，實驗結果支持量子力學。
當前研究熱點與難點
量子理論是迄今最成功的物理學理論。基於量子理論所開發出來的電腦、手機、雷射、和平利用核能和量子技術，其造福人類社會已半個多世紀。然而，有關量子世界的種種奇異特性人們依然迷惑不解，爭論不休。量子理論誕生100多年來，人們不斷追問量子理論能為人類「做什麼」，並大獲成功，而量子世界「為什麼」是這樣的卻知之甚微。最近幾十年，量子信息的發展為人類提供了探索量子世界奧秘的新原理，新方法，人們有望在量子理論誕生第二個百年內解開量子世界神秘面紗。「量子力學二次革命」的戰鼓已經敲響。這場新的革命中，除了繼續問「做什麼」，更重要是去追問「為什麼」。當前科學界關注的熱點問題有如下幾個方面：
1.量子世界與經典世界的界限問題（薛丁格貓佯謬）
量子世界和經典世界遵循著不同的物理規律。然而，我們知道任意經典世界的物理系統都是由大量的微觀粒子組成。「少量」微觀粒子的行為由量子力學描述，而「大量」微觀粒子組成的經典系統卻遵循經典力學。那麼，經典世界和量子世界的界限在哪裡？更具體的問題是: 薛丁格的貓態在何種宏觀的尺度上存在？在量子世界和經典世界的邊界附近是否有新的物理？當前的實驗物理學家們正在努力製備更大的宏觀疊加態，以期對這一問題進行研究。
2.量子測量問題
量子測量是量子力學基礎的核心問題之一。量子力學的哥本哈根解釋中，量子測量包含一個波包塌縮的過程，這一塌縮過程無法由量子動力學過程來描述。這就使得整個的量子力學需要有兩個不同的過程:么正演化和波包塌縮，這是不可接受的。更大的問題在於，對這個塌縮過程人們知之甚微。為此，物理學家們嘗試了各種能將波包塌縮過程去掉的量子測量理論，比如，退相干理論、多世界理論等。然而到現在為止，人們還沒有找到一種滿意的量子測量理論。
3.隱變量和非局域問題
量子力學測量結果的隨機性也是人們對量子力學不滿意的重要原因之一。隨機性與經典世界的實在性經驗相違背。為消除隨機性，人們就設想量子力學僅僅是一個唯象理論，它有一個更深層的隱變量理論，量子力學的隨機性是由隱變量的隨機性確定的。人們嘗試了不同的隱變量理論，比如，貝爾的局域隱變量理論和玻姆的導引波隱變量理論。人們已經發現局域隱變量理論與量子力學是不相容的，這說明量子力學是非定域的。那麼，量子力學和非定域的隱變量理論(如玻姆力學)哪個才是微觀世界更基本的理論呢？物理學家們正在設計實驗來區分和檢驗量子力學與非局域隱變量理論。
4.量子力學與因果律
因果律是公認的物理學中最重要的原理之一，狹義相對論建立了不同事件之間的因果關係。按照因果律原則，人們研究發現，不同二能級系統之間的CHSH關聯可以達到4，而量子力學所能達到的上限是。一個很自然的問題是：為什麼量子力學的關聯被限制住了？這裡面有什麼新的物理原理？人們是否能夠按這個新的原理來重構量子力學？在這方面，物理學家們已經開始了一些嘗試，比如，引入信息因果。
5.量子力學與相對論的融合
量子力學和相對論是近代物理最重要的兩大支柱。然而，這兩大支柱之間的融合卻是當今物理學最大的困難。然而，量子信息理論的發展為這兩個理論的融合提供了契機。新的研究發現量子糾纏在空間幾何化中可能起著關鍵性的作用，量子糾纏可能是空間的起源。基於這一新的思路，物理學家們正在研究量子力學和相對論的融合問題，而且很有可能取得突破。
作者：郭光燦 韓永建 2016-02-22 中國科技人才
http://www.italents.cn/journal/239.html