量子到底是什么？它是一种基本粒子吗？

宇宙探索 1周前

随着科技的发展，近些年来，我们越来越多的看到听到，“量子”这个词，新闻中，报纸上，茶余饭后的闲谈里，铺天盖地的“量子力学”“量子纠缠”“量子通信”“量子计算机”云云，某件事，但凡跟量子扯上关系，就代表了“高科技”“高智能”“高水平”，在所有这些概念中，都有一个共同的关键词“量子”，那么量子它到底是什么呢？量子看起来跟分子，原子，电子，质子等等粒子的名称很像，很容易让人误以为它也是一种粒子，但量子并不是一种粒子。

量子其实并不神秘，它不是一个具体的“物体”，而是一个物理概念。量子是一个物理量的最小的不可分割的单元。假如一个物理量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，我们把这个最小单位称为量子。打个比方，假如把我们人类全体比作一个物理量，那么这个物理量的最小单元就是“一个人”，不可能有半个人，那么“一个人”就是我们人类这个物理量的量子，而我们人类这个物理量就是可量子化的。再比如，把钱比作一个物理量，钱的最小单元是“1分”没有半分钱，所以“1分”就是钱这个物理量的量子，钱这个物理量也是可量子化的。只要一个物理量存在最小的不可分割的单位，这个物理量就是可量子化的，而这个最小的单位就是量子。

与量子相关的概念之所以让人难以理解，因为它跟我们日常所认识到的世界是相悖的，在宏观上，我们观察事物的变化是一个连续的变化过程，比如水慢慢烧开，飞机慢慢飞走，苹果慢慢从青色变成红色，而在微观世界，因为有量子的存在，它决定了物理量的变化并非是连续的，而是离散的，跳跃的。比如，原子中电子的轨道是量子化的，它决定了电子在原子核内部，只能处在特殊的位置，不能想在哪就在哪，电子从一个能级轨道，到另一个能级轨道，是直接跃迁过去的，是没有“移动”这个过程的。这就相当于我们在现实中看一架飞机，它不是连续飞过你眼前，而是跳跃式的瞬移着移动，这是让人无法接受的。

再比如光，也是量子化的，光的最小单元是光子，光子便是光的量子，光的能量是由光量子一份一份的传递的，因此光传递的能量也是离散的不连续的。光的本质是某一特定频段的电磁波，因此电磁波也是可量子化的。科学上将10的负8次方以下的微观世界所遵从的力学原理称为量子力学，在这个研究范围的理论结果与传统物理学理论（牛顿力学，电磁场理论）是完全不一样的。因此对于量子力学我们可以简单的理解为，10的负8次方以下微观世界所遵从的运动规律。而量子通信则是利用了量子纠缠原理的通信方式，而量子计算机则是处理和计算量子信息，运行量子算法的物理装置。

量子的两个最显著的特性：量子叠加和量子纠缠。量子计算机和量子通信利用的就是量子的这两个特性。量子叠加，就是一个量子可以同时存在好几种状态。打个比方，在现实中我要么在家里打字，要么在电影院看电影，我不能同时又在家又在电影院，但量子却不同，只要没有观察者介入，量子可以同时处于不同的状态中，也就是说我可以同一时间，既在家写作又在电影院看电影还在咖啡馆喝咖啡。或者像经典的思维实验，薛定谔的猫一样，一只猫既是死的又是活的，处于死活的叠加态。量子就像有分身术，可以在同一时间处理不同的N件事。因此利用量子叠加我们可以帮计算机实现并行计算。举个例子，如果我们分解一个300位的大数，用现在的计算机，需要15万年，用量子叠加技术进行并行运算，只要一秒钟就可以算出来。这就是量子计算机的厉害之处。

量子通信主要利用的是量子的量子纠缠特性。量子纠缠就是当N个量子互相作用后，他们的状态会成为一个不可分割的整体，这时所有被作用过的量子就都已经处于了“纠缠态”，而之后不论把这些量子分开多远，所有量子的总状态都不会发生改变。打个比方，有两个陀螺，我们先把他们放在一起，一个顺时针转，一个逆时针转，然后，我们把顺时针旋转的陀螺放到银河系的另一端去，这时我们如果让逆时针旋转这个陀螺反过来顺时针转，那么银河系外面那个陀螺也会在同一时间改变旋转方向。处于量子纠缠中的量子之间就像有心电感应，因此我们可以利用量子纠缠来传递信息，同时由于量子的不可克隆性和不可分割性量子通信比传统信息通信要高效安全得多。

补充阅读：量子延迟

40年前，爱因斯坦的同事约翰·惠勒设计了一个举世震惊的“量子延迟”的思维实验，这个实验的提出引起了长达几十年的是物质决定意识还是意识决定物质的大争论，而这个思维实验在后来的实验室中已被确切的证实了。

实验是这样的：首先发出一个光子，在其行进路线上设置一个半透镜P，再通过AB全反射镜将两路光线折射至X或Y，倘若不在P'点设置第二块半透镜，那么我们在X或Y屏幕上得到一个光点，假如在P'点设置第二块半透镜，则光子会同时通过两条路径，那么我们在X或Y屏幕上会得到光子的干涉条纹。现在我们要做的是，在P'点先不设置第二块半透镜，等到光子已经经过P'点之后，未打到XY屏幕之前，我们这时突然在P'处加上第二块半透镜。这时神奇的结果出现了，我们在XY屏幕上得到的不是一个点，而是干涉条纹！光子本身并没有经过透镜，正常来说他应该打出的是一个点才对，但是，我们在光子已经经过P'点后，改变了P'点的状态， 而实验结果，却因此改变了！也就是说，我们在一个现在的时间点（光子已经通过了P'），改变了光子曾经的经历（从没有透镜到设置第二块半透镜），从而改变了光子的未来（打在屏幕上的结果）。既我们可以在事情已经发生以后，再来决定它是如何发生的。

引用波尔的话来说就是“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”，倘若把这种现象延伸至宏观来说，那就是，历史在被“观察者记录”之前，都是不确定和实在的！打个比方，你喝了一口刚烧开的水，在你还没感觉到烫之前，我把你手上的开水换成了冰水，结果你的感觉就变成了“原来开水的口感是冰凉的啊”。这样一来，我们所感知到的宇宙是否就是他本身的样子，还是被某个有意识的观测者所创造出来的呢？虽然宇宙已经演化了几百亿年，但某种“延迟”使得它直到被一个高级生物所观察才成为确定。在这个实验中，我们是处于“上帝视角”的，由我们决定加不加透镜，XY只能接受我们施加给他们的结果，而在更高层次的生物的宇宙中，或许他们才是那个施加透镜的人，而我们只是接收结果的探测器。