量子到底是什么？它是一種基本粒子嗎？

隨著科技的發(fā)展，近些年來，我們越來越多的看到聽到，“量子”這個詞，新聞中，報紙上，茶余飯后的閑談里，鋪天蓋地的“量子力學(xué)”“量子糾纏”“量子通信”“量子計算機”云云，某件事，但凡跟量子扯上關(guān)系，就代表了“高科技”“高智能”“高水平”，在所有這些概念中，都有一個共同的關(guān)鍵詞“量子”，那么量子它到底是什么呢？量子看起來跟分子，原子，電子，質(zhì)子等等粒子的名稱很像，很容易讓人誤以為它也是一種粒子，但量子并不是一種粒子。

量子其實并不神秘，它不是一個具體的“物體”，而是一個物理概念。量子是一個物理量的最小的不可分割的單元。假如一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，我們把這個最小單位稱為量子。打個比方，假如把我們?nèi)祟惾w比作一個物理量，那么這個物理量的最小單元就是“一個人”，不可能有半個人，那么“一個人”就是我們?nèi)祟愡@個物理量的量子，而我們?nèi)祟愡@個物理量就是可量子化的。再比如，把錢比作一個物理量，錢的最小單元是“1分”沒有半分錢，所以“1分”就是錢這個物理量的量子，錢這個物理量也是可量子化的。只要一個物理量存在最小的不可分割的單位，這個物理量就是可量子化的，而這個最小的單位就是量子。

與量子相關(guān)的概念之所以讓人難以理解，因為它跟我們?nèi)粘ＫJ識到的世界是相悖的，在宏觀上，我們觀察事物的變化是一個連續(xù)的變化過程，比如水慢慢燒開，飛機慢慢飛走，蘋果慢慢從青色變成紅色，而在微觀世界，因為有量子的存在，它決定了物理量的變化并非是連續(xù)的，而是離散的，跳躍的。比如，原子中電子的軌道是量子化的，它決定了電子在原子核內(nèi)部，只能處在特殊的位置，不能想在哪就在哪，電子從一個能級軌道，到另一個能級軌道，是直接躍遷過去的，是沒有“移動”這個過程的。這就相當(dāng)于我們在現(xiàn)實中看一架飛機，它不是連續(xù)飛過你眼前，而是跳躍式的瞬移著移動，這是讓人無法接受的。

再比如光，也是量子化的，光的最小單元是光子，光子便是光的量子，光的能量是由光量子一份一份的傳遞的，因此光傳遞的能量也是離散的不連續(xù)的。光的本質(zhì)是某一特定頻段的電磁波，因此電磁波也是可量子化的。科學(xué)上將10的負8次方以下的微觀世界所遵從的力學(xué)原理稱為量子力學(xué)，在這個研究范圍的理論結(jié)果與傳統(tǒng)物理學(xué)理論（牛頓力學(xué)，電磁場理論）是完全不一樣的。因此對于量子力學(xué)我們可以簡單的理解為，10的負8次方以下微觀世界所遵從的運動規(guī)律。而量子通信則是利用了量子糾纏原理的通信方式，而量子計算機則是處理和計算量子信息，運行量子算法的物理裝置。

量子的兩個最顯著的特性：量子疊加和量子糾纏。量子計算機和量子通信利用的就是量子的這兩個特性。量子疊加，就是一個量子可以同時存在好幾種狀態(tài)。打個比方，在現(xiàn)實中我要么在家里打字，要么在電影院看電影，我不能同時又在家又在電影院，但量子卻不同，只要沒有觀察者介入，量子可以同時處于不同的狀態(tài)中，也就是說我可以同一時間，既在家寫作又在電影院看電影還在咖啡館喝咖啡。或者像經(jīng)典的思維實驗，薛定諤的貓一樣，一只貓既是死的又是活的，處于死活的疊加態(tài)。量子就像有分身術(shù)，可以在同一時間處理不同的N件事。因此利用量子疊加我們可以幫計算機實現(xiàn)并行計算。舉個例子，如果我們分解一個300位的大數(shù)，用現(xiàn)在的計算機，需要15萬年，用量子疊加技術(shù)進行并行運算，只要一秒鐘就可以算出來。這就是量子計算機的厲害之處。

量子通信主要利用的是量子的量子糾纏特性。量子糾纏就是當(dāng)N個量子互相作用后，他們的狀態(tài)會成為一個不可分割的整體，這時所有被作用過的量子就都已經(jīng)處于了“糾纏態(tài)”，而之后不論把這些量子分開多遠，所有量子的總狀態(tài)都不會發(fā)生改變。打個比方，有兩個陀螺，我們先把他們放在一起，一個順時針轉(zhuǎn)，一個逆時針轉(zhuǎn)，然后，我們把順時針旋轉(zhuǎn)的陀螺放到銀河系的另一端去，這時我們?nèi)绻屇鏁r針旋轉(zhuǎn)這個陀螺反過來順時針轉(zhuǎn)，那么銀河系外面那個陀螺也會在同一時間改變旋轉(zhuǎn)方向。處于量子糾纏中的量子之間就像有心電感應(yīng)，因此我們可以利用量子糾纏來傳遞信息，同時由于量子的不可克隆性和不可分割性量子通信比傳統(tǒng)信息通信要高效安全得多。

補充閱讀：量子延遲

40年前，愛因斯坦的同事約翰·惠勒設(shè)計了一個舉世震驚的“量子延遲”的思維實驗，這個實驗的提出引起了長達幾十年的是物質(zhì)決定意識還是意識決定物質(zhì)的大爭論，而這個思維實驗在后來的實驗室中已被確切的證實了。

實驗是這樣的：首先發(fā)出一個光子，在其行進路線上設(shè)置一個半透鏡P，再通過AB全反射鏡將兩路光線折射至X或Y，倘若不在P'點設(shè)置第二塊半透鏡，那么我們在X或Y屏幕上得到一個光點，假如在P'點設(shè)置第二塊半透鏡，則光子會同時通過兩條路徑，那么我們在X或Y屏幕上會得到光子的干涉條紋。現(xiàn)在我們要做的是，在P'點先不設(shè)置第二塊半透鏡，等到光子已經(jīng)經(jīng)過P'點之后，未打到XY屏幕之前，我們這時突然在P'處加上第二塊半透鏡。這時神奇的結(jié)果出現(xiàn)了，我們在XY屏幕上得到的不是一個點，而是干涉條紋！光子本身并沒有經(jīng)過透鏡，正常來說他應(yīng)該打出的是一個點才對，但是，我們在光子已經(jīng)經(jīng)過P'點后，改變了P'點的狀態(tài)， 而實驗結(jié)果，卻因此改變了！也就是說，我們在一個現(xiàn)在的時間點（光子已經(jīng)通過了P'），改變了光子曾經(jīng)的經(jīng)歷（從沒有透鏡到設(shè)置第二塊半透鏡），從而改變了光子的未來（打在屏幕上的結(jié)果）。既我們可以在事情已經(jīng)發(fā)生以后，再來決定它是如何發(fā)生的。

引用波爾的話來說就是“任何一種基本量子現(xiàn)象只在其被記錄之后才是一種現(xiàn)象”，倘若把這種現(xiàn)象延伸至宏觀來說，那就是，歷史在被“觀察者記錄”之前，都是不確定和實在的！打個比方，你喝了一口剛燒開的水，在你還沒感覺到燙之前，我把你手上的開水換成了冰水，結(jié)果你的感覺就變成了“原來開水的口感是冰涼的啊”。這樣一來，我們所感知到的宇宙是否就是他本身的樣子，還是被某個有意識的觀測者所創(chuàng)造出來的呢？雖然宇宙已經(jīng)演化了幾百億年，但某種“延遲”使得它直到被一個高級生物所觀察才成為確定。在這個實驗中，我們是處于“上帝視角”的，由我們決定加不加透鏡，XY只能接受我們施加給他們的結(jié)果，而在更高層次的生物的宇宙中，或許他們才是那個施加透鏡的人，而我們只是接收結(jié)果的探測器。