由德國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)發(fā)起，國(guó)際科學(xué)史界和數(shù)學(xué)學(xué)界聯(lián)合籌劃將2025年確立為“量子世紀(jì)年”，法國(guó)和英國(guó)化學(xué)學(xué)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(duì)量子科學(xué)與技術(shù)的理解和討論，即：
為何是4月14日呢？
是由于普朗克常數(shù)4.×10-15eV·s,約化為4.14量子物理知識(shí)點(diǎn)，盡管這個(gè)數(shù)字現(xiàn)今修訂為更確切的另一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字了。假如用國(guó)際單位，普朗克常數(shù)是6.×10-34J·s。所以來自65個(gè)以上國(guó)家的科學(xué)家在2021年發(fā)起的一項(xiàng)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(xiàn)代數(shù)學(xué)的重要概念。即一個(gè)數(shù)學(xué)量假如存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)數(shù)學(xué)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(dāng)數(shù)目的某物質(zhì)”，它最早是由瑞典化學(xué)學(xué)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(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，因而挺好地解釋了宋體幅射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
后來的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這些不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他數(shù)學(xué)量例如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這些不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓熱學(xué)為代表的精典化學(xué)有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀化學(xué)世界。描寫微觀化學(xué)世界的數(shù)學(xué)理論是量子熱學(xué)。
自從普朗克提出量子這一概念以來，經(jīng)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(jì)的前半期，初步構(gòu)建了完整的量子熱學(xué)理論。絕大多數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)家將量子熱學(xué)視為理解和描述自然的基本理論。
而延展出的量子熱學(xué)、量子光學(xué)等成為不同的專業(yè)研究領(lǐng)域。其基本概念為所有的有形性質(zhì)是“可量子化的”。“量子化”指其數(shù)學(xué)量的數(shù)值是離散的，而不是連續(xù)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(wěn)定性和發(fā)射波譜等通常問題。絕大多數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)家將量子熱學(xué)視為了解和描述自然的基本理論。
淺顯地說，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或化學(xué)量特點(diǎn)的最小單元。
怎樣理解離散呢？
中國(guó)科學(xué)家強(qiáng)調(diào)，我們統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)，可以有一個(gè)人、兩個(gè)人，但不可能有半個(gè)人、1／3個(gè)人。我們上臺(tái)階時(shí)，只能上一個(gè)臺(tái)階、兩個(gè)臺(tái)階，而不能上半個(gè)臺(tái)階、1／3個(gè)臺(tái)階。這種就是“離散變化”。對(duì)于統(tǒng)計(jì)人數(shù)來說，一個(gè)人就是一個(gè)量子。對(duì)于上臺(tái)階來說，一個(gè)臺(tái)階就是一個(gè)量子。假如某個(gè)東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。
量子疊加態(tài)
這是一個(gè)神奇的狀態(tài)，也是不同于精典數(shù)學(xué)學(xué)的概念。
提到疊加態(tài)量子物理知識(shí)點(diǎn)，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(gè)客體的狀態(tài)（用0和1表示）如同最簡(jiǎn)單的二補(bǔ)碼開和關(guān)，只能處于開或則隴右的某一個(gè)狀態(tài)，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(shí)“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(tài)。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(qū)別。
量子熱學(xué)
量子熱學(xué)是人類的數(shù)學(xué)學(xué)理論，同時(shí)也是人類的數(shù)學(xué)學(xué)理論基礎(chǔ)，量子熱學(xué)主要是描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在量子熱學(xué)中存在好多顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的定理和現(xiàn)象，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)形式猶如遵守另一種規(guī)則。
從定義上來看，量子熱學(xué)雖然并不復(fù)雜，無非就是在研究“量子”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和性質(zhì)，是從微觀的角度去分析宇宙的本質(zhì)。實(shí)際上的量子熱學(xué)非常復(fù)雜，完全和我們熟知的世界是一個(gè)不同的領(lǐng)域，知名的化學(xué)學(xué)家費(fèi)曼就說過：“沒有人真正懂量子熱學(xué)”，他覺得，倘若有一個(gè)人宣稱自己搞懂了量子熱學(xué)，這么這個(gè)人就是對(duì)量子熱學(xué)一竅不通。
任何比量子更小的化學(xué)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(shù)學(xué)定理就失效了，不止是在大于量子尺度時(shí)，人類的數(shù)學(xué)定理會(huì)失效，在黑洞的奇點(diǎn)附近，人類的數(shù)學(xué)定理同樣會(huì)失效。不論是相對(duì)論還是量子熱學(xué)，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(huì)失效。
所以，量子熱學(xué)就是人類現(xiàn)今描述微觀粒子的理論，只不過微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和基本構(gòu)成與宏觀世界中的規(guī)律有很大的差別，同時(shí)量子熱學(xué)目前還不是百分百建立的理論，許多領(lǐng)域和難以解釋的事情都能和量子熱學(xué)扯到一起，于是才有了“遇事不決，量子熱學(xué)”，這樣的自嘲。
量子理論的應(yīng)用！
在許多現(xiàn)代技術(shù)武器中，量子化學(xué)學(xué)的效應(yīng)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(yī)學(xué)圖象顯示裝置，都關(guān)鍵地借助了量子熱學(xué)的原理和效應(yīng)。對(duì)半導(dǎo)體的研究引起了晶閘管和二極管的發(fā)明，最后為現(xiàn)代的電子工業(yè)鋪平了公路。在核裝備的發(fā)明過程中，量子熱學(xué)的概念也起了一個(gè)關(guān)鍵的作用。
在上述這種發(fā)明創(chuàng)造中，量子熱學(xué)的概念和物理描述，常常甚少直接起了一個(gè)作用，而是固體化學(xué)學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)或則核化學(xué)學(xué)的概念和規(guī)則，起了主要作用，在所有那些學(xué)科中，量子熱學(xué)均是其基礎(chǔ)，這種學(xué)科的基本理論，全部是構(gòu)建在量子熱學(xué)之上的。以下僅能列列舉一些最明顯的量子熱學(xué)的應(yīng)用，但是，這種列舉的事例，肯定也十分不完全。
量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算機(jī)（）是一類遵守量子熱學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速物理和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的化學(xué)裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和估算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)的特征主要有運(yùn)行速率較快、處置信息能力較強(qiáng)、應(yīng)用范圍較廣等。與通常計(jì)算機(jī)比較上去,信息處理量愈多，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)施行運(yùn)算也就更加有利,也就更能確保運(yùn)算具備精準(zhǔn)性。
量子通訊
量子通訊是借助量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通訊方法，基于量子熱學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理提供了難以被監(jiān)聽和估算破解的絕對(duì)安全性保證，主要分為量子隱型傳態(tài)和量子秘鑰分發(fā)兩種。
量子隱型傳態(tài)基于量子糾纏對(duì)分發(fā)與貝爾態(tài)聯(lián)合檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的檢測(cè)和確定仍須要現(xiàn)有通訊技術(shù)的輔助。量子隱型傳態(tài)中的糾纏對(duì)制備、分發(fā)和檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，處于理論研究和實(shí)驗(yàn)探求階段，距離實(shí)用化尚有較大差別。[1]量子秘鑰分發(fā)，也稱量子密碼，利用量子疊加態(tài)的傳輸檢測(cè)實(shí)現(xiàn)通訊雙方安全的量子秘鑰共享，再通過一次一密的對(duì)稱加密體制，即通訊雙方均使用與明文等長(zhǎng)的密碼進(jìn)行逐比特加揭秘操作，實(shí)現(xiàn)無條件絕對(duì)安全的保密通訊。以量子秘鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通訊成為未來保障網(wǎng)路信息安全的一種特別有潛力的技術(shù)手段，是量子通訊領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。
2022年4月13晚報(bào)道，中國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混和編碼的量子直接通訊新系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)100公里的量子直接通訊。