最近幾年，「量子」一詞頻繁出現在我們的生活中。我們經常聽說量子科技的最新進展，一些研究領域在各方面也更突出量子元素。需要甄別和警惕的是，因為量子之熱，社會上還出現亂用「量子」概念或名詞，乃至用「量子」一詞行騙的情況。
最近的一個研究進展是，google的科學家宣稱，他們研製的一個量子處理器能夠在兩百秒內完成一項計算任務（實現所謂隨機量子線路取樣，在輸出態中，統計基本量子態概率分布）[1]，而這個計算任務是目前超級計算機需要很長時間才能完成的。他們自己說是1萬年，後來IBM的科學家說是兩天半。這說明，即使只有幾十個量子比特，對於某些計算任務而言，量子計算已經具有巨大的威力，儘管這樣的量子計算過程有噪聲，缺少容錯功能，不是普適量子計算機。這就是所謂的量子霸權（quantum supremacy）或量子優勢（quantum advantage）。
為了解釋什麼是量子計算機，我們首先解釋「量子」是什麼。後面我會講到，「量子」一詞其實有幾個不同，卻又相互有關的含義。
「量子」一詞起源於20世紀初[2]。當時的英國著名物理學家開爾文勳爵宣稱，物理學晴朗的天空中有兩朵烏雲。其中一個是說，電磁波的媒介一直找不到。水波的媒介是水，聲波的媒介是空氣或者其他傳播聲音的東西，人們將電磁波的媒介叫做以太，但是一直找不到。電磁波，或者簡稱光，按照波長從長到短，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、伽馬射線。它們都是振動的電磁場在空間的傳播，區別只是波長或者頻率不同（光速是一樣的，頻率等於光速除以波長）。
當時開爾文所說的物理學天空的第二朵烏雲是指能量均分定理，就是說，一定溫度下，任何原子的平均能量都相同，等於溫度乘以一個常數。
這個問題也反映在熱輻射能量問題中。
熱輻射實際上就是電磁波。那麼它是哪種電磁波呢？答案是，它是各種電磁波的混合，每種電磁波的能量取決於它的波長，也取決於溫度，所以叫做熱輻射。
理想的情況通常稱作黑體輻射，意思是，對於所有波長的電磁波，只有輻射和吸收，沒有反射。對此我們有點生活經驗。物體溫度不是特別高時，比如人的身體，雖然我們感受到它發出熱量，但是看不到它發光，然而我們可以探測到紅外線。這就是紅外測溫計的基礎，從物體（比如人體）發出的紅外線波長的情況可以反過來知道溫度。隨著物體溫度升高，我們還可以看到紅色，黃色，等等，說明這些波長的電磁波能量增加了。
但是，一定溫度下，各種電磁波的能量究竟多少？這個問題在19世紀後期研究了幾十年也沒有研究清楚，沒有一個滿意的公式來描寫它，用能量均分定理得到的結果與實驗不符合。
峰迴路轉，開爾文話音剛落，同一年的10月，普朗克找到了一個完美的公式，描寫熱輻射中各種電磁波的能量，這後來被稱作普朗克定律。這先是普朗克猜出來的。然後他試圖從理論上推導出這個普朗克定律。但是他絕望地發現，為此必須假設，物質通過振動發出或吸收電磁波時，振動的能量必須是某個基本單元的整數倍。普朗克將這基本單元叫做量子，是頻率乘以一個常數。這個常數後來叫做普朗克常數。
就這樣，普朗克不太情願地啟動了量子革命。後來，他因為「能量量子的發現」獲1918年諾貝爾物理學獎。
Max Planck丨圖源thoughtco.com
參考文獻：
[1] Arute F, et al., Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, Nature, 574, 505 (2019).
[2] 施鬱，慶祝2015國際光之年、紀念早期量子論—從2014 年諾貝爾物理學獎與化學獎談起，現代物理知識，2015年27 卷1期，32-34.