由德國化學學會發起,國際科學史界和數學學界聯合籌劃將2025年確立為“量子世紀年”,法國和英國化學學家建議自2021年起將每年的4月14日定為慶祝日,即世界量子日!
“世界量子日”旨在讓公眾也能參與到對量子科學與技術的理解和討論,即:
為何是4月14日呢?
是由于普朗克常數4.×10-15eV·s,約化為4.14量子物理知識點,盡管這個數字現今修訂為更確切的另一長串數字了。假如用國際單位,普朗克常數是6.×10-34J·s。所以來自65個以上國家的科學家在2021年發起的一項呼吁,將之后每年的4月14日作為“世界量子日”。
哪些是量子?
量子()是現代數學的重要概念。即一個數學量假如存在最小的不可分割的基本單位,則這個數學量是量子化的,并把最小單位稱為量子。
量子一詞來自拉丁語,意為“有多少”,代表“相當數目的某物質”,它最早是由瑞典化學學家M·普朗克在1900年提出的。他假定宋體幅射中的幅射能量是不連續的,只能取能量基本單位的整數倍,因而挺好地解釋了宋體幅射的實驗現象。
后來的研究表明,不但能量表現出這些不連續的分離化性質,其他數學量例如角動量、自旋、電荷等也都表現出這些不連續的量子化現象。這同以牛頓熱學為代表的精典化學有根本的區別。量子化現象主要表現在微觀化學世界。描寫微觀化學世界的數學理論是量子熱學。
自從普朗克提出量子這一概念以來,經愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的建立,在20世紀的前半期,初步構建了完整的量子熱學理論。絕大多數數學學家將量子熱學視為理解和描述自然的基本理論。
而延展出的量子熱學、量子光學等成為不同的專業研究領域。其基本概念為所有的有形性質是“可量子化的”。“量子化”指其數學量的數值是離散的,而不是連續地任意取值。比如,在原子中,電子的能量是可量子化的。這決定了原子的穩定性和發射波譜等通常問題。絕大多數數學學家將量子熱學視為了解和描述自然的基本理論。
淺顯地說,量子是能表現出某物質或化學量特點的最小單元。
怎樣理解離散呢?
中國科學家強調,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。這種就是“離散變化”。對于統計人數來說,一個人就是一個量子。對于上臺階來說,一個臺階就是一個量子。假如某個東西只能離散變化,我們就說它是“量子化”的。
量子疊加態
這是一個神奇的狀態,也是不同于精典數學學的概念。
提到疊加態量子物理知識點,我們就不得不提起那種知名的“薛定諤的貓”理論。在我們的精典理論中,一個客體的狀態(用0和1表示)如同最簡單的二補碼開和關,只能處于開或則隴右的某一個狀態,即要么是0要么是1,這就好比一只貓,要么是生要么是死,不能同時“又生又死”。
但這一理論并不適用于量子世界:在量子世界中,一只貓可以處于又生又死的疊加狀態。這些所謂的量子相干疊加正是量子世界與精典世界的根本區別。
量子熱學
量子熱學是人類的數學學理論,同時也是人類的數學學理論基礎,量子熱學主要是描述微觀粒子的運動規律,在量子熱學中存在好多顛覆傳統認知的定理和現象,微觀粒子的運動形式猶如遵守另一種規則。
從定義上來看,量子熱學雖然并不復雜,無非就是在研究“量子”的運動規律和性質,是從微觀的角度去分析宇宙的本質。實際上的量子熱學非常復雜,完全和我們熟知的世界是一個不同的領域,知名的化學學家費曼就說過:“沒有人真正懂量子熱學”,他覺得,倘若有一個人宣稱自己搞懂了量子熱學,這么這個人就是對量子熱學一竅不通。
任何比量子更小的化學單位都是沒有意義的,并不是更小的單位不存在,而是高于普朗克尺度后,我們的數學定理就失效了,不止是在大于量子尺度時,人類的數學定理會失效,在黑洞的奇點附近,人類的數學定理同樣會失效。不論是相對論還是量子熱學,都不能完美地描述已知宇宙,在黑洞和非常小的尺度下才會失效。
所以,量子熱學就是人類現今描述微觀粒子的理論,只不過微觀粒子的運動規律和基本構成與宏觀世界中的規律有很大的差別,同時量子熱學目前還不是百分百建立的理論,許多領域和難以解釋的事情都能和量子熱學扯到一起,于是才有了“遇事不決,量子熱學”,這樣的自嘲。
量子理論的應用!
在許多現代技術武器中,量子化學學的效應起了重要的作用。從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學圖象顯示裝置,都關鍵地借助了量子熱學的原理和效應。對半導體的研究引起了晶閘管和二極管的發明,最后為現代的電子工業鋪平了公路。在核裝備的發明過程中,量子熱學的概念也起了一個關鍵的作用。
在上述這種發明創造中,量子熱學的概念和物理描述,常常甚少直接起了一個作用,而是固體化學學、化學、材料科學或則核化學學的概念和規則,起了主要作用,在所有那些學科中,量子熱學均是其基礎,這種學科的基本理論,全部是構建在量子熱學之上的。以下僅能列列舉一些最明顯的量子熱學的應用,但是,這種列舉的事例,肯定也十分不完全。
量子計算機
量子計算機()是一類遵守量子熱學規律進行高速物理和邏輯運算、存儲及處理量子信息的化學裝置。當某個裝置處理和估算的是量子信息,運行的是量子算法時,它就是量子計算機。
量子計算機的特征主要有運行速率較快、處置信息能力較強、應用范圍較廣等。與通常計算機比較上去,信息處理量愈多,對于量子計算機施行運算也就更加有利,也就更能確保運算具備精準性。
量子通訊
量子通訊是借助量子疊加態和糾纏效應進行信息傳遞的新型通訊方法,基于量子熱學中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理提供了難以被監聽和估算破解的絕對安全性保證,主要分為量子隱型傳態和量子秘鑰分發兩種。
量子隱型傳態基于量子糾纏對分發與貝爾態聯合檢測,實現量子態的信息傳輸,其中量子態信息的檢測和確定仍須要現有通訊技術的輔助。量子隱型傳態中的糾纏對制備、分發和檢測等關鍵技術有待突破,處于理論研究和實驗探求階段,距離實用化尚有較大差別。[1]量子秘鑰分發,也稱量子密碼,利用量子疊加態的傳輸檢測實現通訊雙方安全的量子秘鑰共享,再通過一次一密的對稱加密體制,即通訊雙方均使用與明文等長的密碼進行逐比特加揭秘操作,實現無條件絕對安全的保密通訊。以量子秘鑰分發為基礎的量子保密通訊成為未來保障網路信息安全的一種特別有潛力的技術手段,是量子通訊領域理論和應用研究的熱點。
2022年4月13晚報道,中國科學家設計出一種相位量子態與時間戳量子態混和編碼的量子直接通訊新系統,成功實現100公里的量子直接通訊。