「只有量子通信，在國際上是沒有先例的。這個中國首創的產業是一座裡程碑，歷史意義十分重大。」專家這樣說。
中共中央政治局就量子科技的研究和應用前景進行集體學習後，有關量子科技的討論熱度還在持續：科技界正在深刻學習和認識推進量子科技發展的重大意義；市場層面，量子技術板塊廣受關注，相關上市公司掀起上漲潮。
近日，圍繞何為量子科技，以及其將如何影響人們生活等報導也不在少數。新京報貝殼財經記者採訪了相關領域的專家，並綜合《上帝擲骰子嗎？量子物理史話》等量子物理科普讀物，力圖用最通俗的語言為讀者揭示量子力學面紗的一角。
1.量子――微觀盡頭，能量傳輸的最小單位
網友們討論科幻劇情時，常常會聯繫到量子力學。而之所以很多離奇的劇情往往都能跟量子力學扯上關係，正因為量子力學所研究的領域，是一個光怪陸離，完全無法用常識揣測的世界。
量子力學無處不在，但你卻看不見它。它主要研究微觀的事物，是不少其他學科的基礎。隨著對它理解的深入，人們發現，在足夠小的尺度（普朗克尺度），許多宏觀尺度上屢試不爽的物理學定律都失效了。
馬克斯普朗克1900年12月4日公布的「普朗克公式」被學界認為是量子力學的開端，普朗克公式要求，能量必須只有有限個可能態，而不能是無限連續的，即能量在發射和吸收時，不是連續不斷的，而是分成一份一份的。
普朗克認為，能量的傳輸必須有一個最小的單位，這個單位，就是「量子」。
中國科學技術大學副研究員、科普專家袁嵐峰撰文指出，量子這個數學概念的意思是「離散變化的最小單元」。「我們統計人數時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、1/3個人，我們上臺階時，只能上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階、1/3 個臺階，這些就是『離散變化』。對於統計人數來說，一個人就是一個量子。對於上臺階來說，一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是『量子化』的。」
這與我們的常識並不匹配，在宏觀世界，人們一般認為能量是連續的，是無限可分的，如當某個化學反應釋放了100焦耳的能量時，我們總會下意識地認為，在某個時刻，總體系釋放的能量等於99.9998焦耳，99.9999焦耳……但在微觀的盡頭，其實存在量子這個最小的單位。
隨著對微觀尺度的了解越來越深入，人們發現，許多微觀尺度發生的實驗現象違背常識，完全無法用經典物理進行詮釋，如光的波粒二象性、量子糾纏等，而對這些微觀尺度現象做出準確的描述與解釋，並將它們與經典物理融為一體，建立一個「大一統」的理論，就是量子物理領域科學家們畢生的追求。
根據維基百科的解釋，量子力學是物理學的分支學科。量子力學主要描寫微觀的事物，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱。從普朗克開啟量子力學大門的1900年到現在的2020年，120年間，玻爾、海森堡、薛丁格等多位科學家均為量子力學的發展貢獻了力量。
2.只能通過概率描述的量子與波函數坍縮
學過中學物理的人都知道，光具有「波粒二象性」，即光既具有波動特性（光波），又具有粒子特性（光量子），得出這一結論的，是著名的雙縫幹涉實驗。
雙縫幹涉實驗的設計非常精巧：將光束照射於兩條相互平行的狹縫，光通過狹縫後，衝擊其後設置的探測屏。此時，探射屏顯示出了一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的幹涉條紋圖樣，這是因為波會產生幹涉，此時光符合波的特性。
而如果把光量子一個一個地發射出，探測屏上則只會顯現出一個光量子的投影，這與光的粒子特性相符合。
但奇特的是，如果仍然將光量子一個一個發射到探測屏上，重複多次，可以發現，累計的圖像出現了與光波一樣類似的幹涉圖樣。這意味著，雖然每次只有「一個」光量子通過狹縫，但它卻表現出了波的性質，自己與自己產生了幹涉。
更加奇特的是，如果我們稍微改變雙縫實驗的設計，在狹縫後面裝置探測器，專門探測光子具體通過的是哪一條狹縫，光量子的行為就會只表現出粒子特性，探測屏不再能夠觀察到幹涉條紋。
這意味著，首先光「既是粒子又是波」，但如果我們試圖去測量它的具體位置，它就只能表現出粒子態了，我們無法觀測到它「既是粒子又是波」時的形態。
為什麼微觀尺度會出現如此奇異、反常規的實驗現象？目前為止，學界廣為接受對這一實驗現象的最佳解釋是主要由尼爾斯玻爾和維爾納海森堡於1927年在丹麥哥本哈根合作研究時共同提出的「哥本哈根詮釋」，利用這一理論，我們才發展出了量子通信等「黑科技」。
需要注意的是，哥本哈根詮釋並不是一句話就可以概括的，但它包括幾個重要的概念，其中兩條最重要的概念是：一是在量子系統裡，一個粒子的位置和動量無法同時被確定，即不確定性原理。二是在量子力學裡，量子系統的量子態，可以用波函數（一種用來計算粒子在某位置或處於某種運動狀態的概率的函數）來描述，即粒子只能以概率的方式去表述，一旦試圖測量，該測量動作就會造成波函數的「坍縮」，此時原本的量子態概率地坍縮成一個測量所允許的量子態。
換句話說，如果試圖去探測光量子的具體位置，光量子的波函數就會「坍縮」，我們只能得出一個唯一確定的結果。但如果我們不進行測量，則這顆光量子可能出現在任何位置，我們唯一能知道的只有它所處位置的概率。
正是依據該原理，在量子通信中，如果有竊聽者對信息進行接收（測量），波函數就會產生坍縮，通信雙方也就藉此知曉了竊聽者的存在，也正因為這一原因，量子通信才被稱為「絕對安全」的通信方式。
3.中國在量子通信應用領域一枝獨秀
那麼，量子科技將會如何影響產業，如何顛覆人們的生活呢？
復旦大學理論物理方向研究生，科普讀物《我也能看懂的量子通信》作者「神們自己」告訴新京報貝殼財經記者，目前量子科技最前沿的應用領域是量子通信和量子計算機，其他研究距離產業應用還太遠。「目前中國在量子通信的應用領域一枝獨秀，其他領域暫時是跟隨者。」
目前，應用最為成熟的技術也是量子通信。
2019年1月31日，美國科學促進會（AAAS）宣布，將2018年度的克利夫蘭獎授予中國科學技術大學潘建偉教授領導的「墨子號」量子通信科研團隊，以表彰該團隊通過實現千公裡級星地雙向量子通信實驗，從而對這個領域的研究所做出的貢獻。
騰訊公司原副總裁、計算機科學家吳軍在其撰寫的《科技史綱60講》中介紹，我國的量子通信的技術原理是，利用光子的一些量子特性，具體講是偏振的特性，來傳遞一次性加密的密碼。由於該密碼是一次性的，所以在理論上是絕對安全的。「光量子是一個不可再分的基本粒子，接收一次，原來的狀態就消失了。因此，偷聽者不可能把偷聽到的內容複製一份發給接收者。這也是為什麼必須將這種基於偏振光特性的通信方式建立在（光）量子基礎上的原因。」
而在難度更大的量子計算領域，目前主要參與研發的都是像百度和阿里這樣的巨頭。中國科學技術大學、清華大學等高校近年來都在量子計算領域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出臺了量子計算研究計劃。相比量子通信，量子計算的發展程度要低得多，還處於演示階段，尚未造出有實用價值的量子計算機。
雖然量子科技的應用目前尚處在起步階段，但量子科技在未來的應用非常廣泛。袁嵐峰介紹，在量子計算方面，有量子因數分解（破解最常用的密碼體系）和量子搜索（用途最廣泛的量子算法）。在量子通信方面，有量子隱形傳態（「傳送術」，最富有科幻色彩的應用）和量子密碼術。
「墨子號量子衛星的發射和量子通信京滬幹線的建設，標誌著中國的量子通信接近了產業化。自從人類進入近代社會以來，這是第一次由中國創造一個新的產業。我們在許多產業做到了世界第一，例如高鐵、電信、超算，固然都很了不起，但這些產業都是別人開創的，我們是在別人的框架裡後來居上。只有量子通信，在國際上是沒有先例的。這個中國首創的產業是一座裡程碑，歷史意義十分重大。」袁嵐峰表示。
不過，相對於量子通信應用方面的落地，量子力學的許多基礎理論仍然缺位，正如1964年，物理學家理察費曼在康奈爾大學的一個講座上的演講：「我想我可以有把握地說，沒有人真正理解量子力學。」
對這些基礎理論的發掘，是量子領域科學家們畢生的追求。賓夕法尼亞大學物理學家麥克斯泰格馬克和普林斯頓大學物理學家約翰惠勒在共同發表的論文《量子100年》中列出了目前的人類已經掌握的理論結構。在該理論結構圖中，他們將量子場論放置在了與廣義相對論並列的地位，經典力學、化學只是排列在它們之下的分支學科，而在量子場論與廣義相對論之上，科學家們追求的是一個能夠將一切理論合而為一的「大一統」的理論，正如霍金在《時間簡史》裡說，「在謹慎樂觀的基礎上，我仍然相信，我們可能已經接近於探索自然的終極定律的終點。」
新京報貝殼財經記者 羅亦丹
關注同花順財經（ths518），獲取更多機會
責任編輯：cjh