量子

现代物理的重要概念之一
image
“量子”（quantum，复数形式为quanta）[a]，来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。[4]在微观世界的物理中，一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。[5][6]并且，将同某种场联系在一起的粒子称为这一场的量子。例如电磁场的量子就是光子。[1]
1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）在研究黑体辐射时，首先发现物质吸收或发射的辐射能量量子，他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，从而很好地解释了黑体辐射的实验现象，并提出了“量子假说”。[1][2][7]后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。[8]此后，爱因斯坦（Albert Einstein）、波尔（Niels Bohr）等物理学家利用量子假说解释了光电效应和原子特性，并陆续经海森伯（Werner Karl Heisenberg）、薛定谔（ErwinSchrodinger）、狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）、德布罗意、玻恩（Max Born）等人的完善，在20世纪的前半期，初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论。[9][10][11][12]
由于量子具备不同于经典物理的特性，如量子叠加、量子纠缠等，目前已发展出量子通信、量子计算等应用领域。[13]量子通信已进入应用示范阶段，在美国、欧洲、中国已建成了量子通信网络，特别是中国科大潘建伟团队做成了世界最长的量子通信线路“京沪干线”。[14][15]而量子计算领域，截至2020年，有美国、中国两国实现了“量子优越性”（也就是建造一台能够解决经典计算机无法解决的问题的量子计算机）。[16]

定义

量子的定义是：“微观世界某些物理量不能连续变化，而只能取某些分立值，相邻两分立值之差称为该物理量的量子。”[1][17]这一定义包括三个含义：首先，量子是从场或波的量子化得出的一种实体，具有类似粒子的性质；然后，量子是任何物理量不可分的单位的总称；最后，微观世界的某些物理量不能连续变化而只能以某一最小单位的整数倍来变化。[18]而同某种场联系在一起的粒子称为这一场的量子。例如电磁场的量子就是光子。[1]需要明确的是，量子本质上是一个物理概念，并非具体的微观粒子或实体，其核心特征是反映物理量的离散化特性，而分子、原子、电子、光子等微观粒子，是量子化特性的具体表现形态。[19]