量子

一個物理量如果有最小的單元而不可連續的分割，就說這個物理量是量子化的，並把最小的單元稱為量子。

量子論是一種針對微粒子的學說。量子一詞來自拉丁語，意為“多少”，代表“相當數量的某事”。在物理學中常用到量子的概念，量子是一個不可分割的基本個體。例如，一個“光量子”是光的單位。而量子力學、量子光學等更成為不同的專業研究領域。

量子論的基本概念是所有的有形性質是“可量子化的”。“量子化”指其物理量是一些特定的數值，而不是任意值。例如，休息狀態的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩定和活性。

量子是20世紀前半期出現的新概念。許多物理學家將量子力學視為了解和描述自然的基本理論。

在經典物理學中，根據能量均分定理：能量是連續變化的，可以取任意值。19世紀後期，科學家們發現很多物理現象無法用經典理論解釋，尤其是當時德國物理界聚焦的黑體輻射研究。

1900年左右，M·普朗克試圖解決黑體輻射問題，大膽提出了量子的概念，並得出了普朗克輻射定律，沿用至今。該研究中，普朗克認為，像原子作為一切物質的構成單位一樣，“能量子”（量子）是能量的最小單位，物體吸收或發射電磁輻射，只能以能量量子的方式進行。

量子物理是基於量子化的物理學分支，該理論於1900年建立。當時馬克斯·普朗克(M. Planck）為了解釋所謂的黑體輻射，引入了量子化的概念，至今它仍被使用。普朗克的理論嚴重地衝擊了古典物理學。直到今日量子論的一些主張仍然不能被充分理解，不光是普朗克對這個新概念感到困擾，當時不少其他物理學者，如F. Paschen，O.R. Lummer，E. Pringsheim，H.L. Rubens，F. Kurlbaum等也是如此。

量子理論的最早突破來自黑體輻射能量密度分佈規律研究。1900年10月，普朗克在解釋黑體輻射現象時，將維恩定律加以改良，又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋，得出了一個與實驗數據完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。普朗克發現，如假定對於一定頻率ν的輻射，物體只能以hν為能量單位吸收或發射它，h稱之為普朗克常數；換言之，物體吸收或發射電磁輻射，只能以量子的方式進行，每個量子的能量為E=hν，稱為作用量子，則可從理論上完美地導出其黑體輻射公式。

1900年12月14日，普朗克在德國物理學學會會議中準確地發表了能量量子化數值、分子摩爾（mol）數值及基本電荷等，他提出的理論成功解決了黑體輻射的問題，標誌著量子力學的誕生。

從經典力學來看，能量不連續的概念是絕對不允許的。很顯然，普朗克黑體輻射能量的量子化假設對經典物理學造成了嚴重的衝擊。

1905年，德國物理學家愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程中，提出“光量子”（光子）的概念，並提出光同時具有波動和粒子的性質，即光的“波粒二象性”。愛因斯坦的光量子理論認為，輻射場由光量子組成，每一個光量子的能量E與輻射的頻率ν的關係是E=hν。採用光量子概念之後，光電效應得到了很好的解釋。

20世紀20年代，法國物理學家德布羅意提出“物質波”的概念，即一切物質粒子均具備波粒二象性；德國物理學家海森伯等人建立了量子矩陣力學；奧地利物理學家薛定諤建立了量子波動力學。量子理論的發展進入了量子力學階段。

1928年，英國物理學家狄拉克完成了矩陣力學和波動力學之間的數學等價證明，對量子力學理論進行了系統的總結，並將兩大理論體系—相對論和量子力學成功地結合起來，揭開了量子場論的序幕。量子理論是現代物理學的兩大基石之一，為從微觀層面理解宏觀現象提供了理論基礎。

量子假設的提出有力地衝擊了經典物理學，促進物理學進入微觀層面，奠基現代物理學。儘管如此，直到現在，關於量子力學的一些假設仍然不能被科學家充分地證明，仍有很多需要研究的地方。

量子力學就是在克服早期量子論的困難和局限性中建立起來的。在普朗克—愛因斯坦的光量子論和玻爾的原子論的啟發下，法國物理學家L.德布羅意分析了光的微粒說與波動說的發展歷史，並注意到幾何光學與經典粒子力學的相似性，根據類比方法設想實物（靜質量m≠0的）粒子也和光一樣，具有波粒二象性，且這兩方面必有類似的關係相聯繫，而普朗克常數必定出現在其中。他假定與一定能量E和動量p的實物粒子相聯繫的波（稱為“物質波”）的頻率和波長分別為 ν=E/h，λ=h/p，稱為德布羅意關係式。他提出這個假定一方面是企圖把作為物質存在的兩種形式（光和m≠0的實物粒子）統一起來；另一方面亦是為了更深入地理解微觀粒子能量的不連續性，以克服玻爾理論帶有人為性質的缺陷。德布羅意把原子定態與駐波聯繫起來，即把束縛運動實物粒子的能量量子化與有限空間中駐波的波長（或頻率）的離散性聯繫起來。

奧地利物理學家E.薛定諤注意到了德布羅意的工作，1926年初他提出了一個波動方程——薛定諤方程，是含波動函數對空間坐標的二階微商的偏微分方程。薛定諤把原子的離散能級與微分方程在一定的邊界條件下的本徵值問題聯繫起來，成功說明了氫原子、諧振子等的能級和光譜的規律。幾乎與此同時，W.海森伯與M.玻恩和E.約當建立了矩陣力學。矩陣力學的提出，與玻爾的量子論有很密切的關係，特別是玻爾的對應原理思想對海森伯有重要影響（見對應原理）。它繼承了量子論中合理的內核（如原子的離散能級和定態、量子躍遷、頻率條件等概念），同時又摒棄了一些沒有實驗根據的傳統概念（如粒子軌道運動的概念）。海森伯特彆強調，任何物理理論中只應出現可觀測的物理量（如光譜線的波長、光譜項、量子數、譜線強度等）。矩陣力學中賦予每一個物理量（如粒子的坐標、動量、能量等）以一個矩陣，它們的代數運算規則與經典物理量不同，兩個量的乘積一般不滿足交換律。不久薛定諤就發現矩陣力學和波動力學是完全等價的。緊接著P.狄拉克和E.約當提出一種稱為變換理論的更普遍的形式，指出矩陣力學和波動力學只不過是量子力學規律的無限多種表述形式中的兩種。

量子力學是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論，是近代物理的基礎理論之一。20世紀前的經典物理學只適於描述一般宏觀條件下物質的運動，而對於微觀世界（原子和亞原子世界）和一定條件下的某些宏觀現象則只有在量子力學的基礎上才能說明。另一方面，物質屬性及其微觀結構只有在量子力學的基礎上才能得以解釋。所有涉及物質屬性和微觀結構的問題，無不以量子力學作為理論基礎。

上世紀八九十年代，Bennett等人提出了量子通信的設想。該設想主要包括量子密鑰分發(quantum key distribution, QKD) 和量子態隱形傳輸(quantum teleportation)。

量子密鑰分發旨在建立安全的通信密碼，其思路是通過一次一密的加密方式實現點對點方式的安全經典通信。這種安全性在數學上已經獲得嚴格證明，是經典通信技術做不到的。現有的量子密鑰分發技術可以實現百公里量級的量子密鑰分發，輔以光開關等技術，還可以實現量子密鑰分發網路。

量子態隱形傳輸是基於量子糾纏態的分發與量子聯合測量，實現量子態(量子信息) 的空間轉移而又不移動量子態的物理載體，這如同將密封信件內容從一個信封內轉移到另一個信封內而又不移動任何信息載體自身。這在經典通信中是無法想象的事。基於量子態隱形傳輸技術和量子存儲技術的量子中繼器可以實現任意遠距離的量子密鑰分發及網路。

量子通信的實現基於量子態傳輸。為便於傳輸，現有的量子通信實驗一般以光子為量子態載體，其表現形式即為光子態傳輸。量子信息的編碼空間以光偏振為主。

值得一提的是，中國科學家已經首次實現了多模式復用的量子中繼基本鏈路，展現了多模式復用的量子通信加速效果，並實現了兩個固態存儲器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網路的建設提供了全新的實現方案。該研究由中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組完成，其成果於2021年6月2日在《自然》期刊以封面論文形式發表。