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导读
这正是我们急需的科普。
《量子信息简话》
中国科学技术大学出版社
院士推荐
量子力学是对大自然尤其是微观世界的本质描述,是当今物理学的两大支柱之一。近四十年来,量子力学与信息科学结合,产生了量子信息,成为现代科学中发展极其活跃的领域之一。包括我们的团队在内,许多研究组在量子精密测量、量子通信、量子计算方面取得了很多突破,极大地拓展了人类的知识边界和技术边界。然而,在这个领域一直缺少一本深入浅出、能够让所有感兴趣的读者读懂的科普著作,这对科学的发展和公众科学素质的提高都是缺憾。所以我非常高兴地向大家推荐袁岚峰博士的这本《量子信息简话》,这正是我们急需的科普。
——中国科学院院士,中国科学技术大学副校长  杜江峰
“遇事不决,量子力学。”大家或许都听过这句话。到底什么是量子力学?量子力学到底是干什么的?大部分人都很难回答清楚。大家可能觉得量子力学理论晦涩难懂,完全超乎常人的生活经验,实在太难以理解了,但它实际上早就在我们的生活中有着广泛的应用。袁岚峰博士在《量子信息简话》一书中用最通俗易懂的语言回答了这个问题。
(节选自《量子信息简话》1.4 量子力学能用来干什么?更该问的是它不能干什么!)
在知道了量子力学这个学科后,许多人就会来问:它能用来干什么?
实际上,这个问题问偏了。真正有意义的问题是:量子力学不能用来干什么?因为量子力学能干的实在是太多了,几乎找不到跟它没关系的地方!
如果你问:相对论能用来干什么?倒是能给出一些具体的回答。
例如在宇宙学中,大爆炸、黑洞等现象离不开广义相对论。太阳对光线的偏折、水星近日点进动,都是广义相对论的经典例证。
 水星近日点进动
又如在重元素的化学中,当原子核的电荷数很大时,内层电子的速度会接近光速,产生显著的相对论效应,由此导致“镧系收缩”(lanthanide contraction)等现象。
又如对于北斗和GPS等卫星导航系统,既有广义相对论的效应,又有狭义相对论的效应。天上的引力比地面的弱,由此导致天上的时间流逝得快一点,这是广义相对论的效应。同时卫星相对于地面高速运动,由此导致卫星的时间流逝得慢一些,这是狭义相对论的效应。这两个效应方向相反,具体哪个效应大取决于卫星的高度。卫星导航系统一定要对这两个相对论效应进行修正,否则定位就会有很大误差。
相对论在日常生活中的应用也许还能列出一些,但整体上实在是不多,因为我们平时很少遇到接近光速的运动和强引力场的条件。实际上,广义相对论的研究者在所有物理学家中只占一小部分,甚至学过广义相对论的学生在物理专业中也只占一小部分。而相比之下,学过量子力学的人就太多了,所有物理专业和化学专业的学生都要学。
量子力学的研究活跃度也大大高于相对论。在媒体报道中你会发现,量子领域日新月异,而相对论领域的大新闻却是发现一种爱因斯坦一百年前预言的现象——引力波。
 两个黑洞合并放出引力波
为什么量子力学无所不在?基本的道理在于,描述微观世界必须用量子力学,而宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此,不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用到量子力学,而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用到量子力学。
许多最基本的问题,是量子力学出现后才能回答的。例如:
1  原子的稳定性
为什么原子能保持稳定?也就是说,为什么原子中的电子不会落到原子核上?这在刚发现原子结构的时候是一个严重的问题,因为电子带负电,原子核带正电,按照经典理论,电子一定会落到原子核上,原子也就崩塌了。为什么这没有发生呢?
回答是:因为原子中电子的能量是量子化的,有个最低值。如果电子落到原子核上,能量就变成负无穷,低于这个值了,所以它不能掉下去。
2  化学的基本原理
为什么原子会结合成分子?例如两个氢原子H结合成一个氢分子H2。回答是:因为分子的能量也是量子化的。如果分子的最低能量低于各个原子的最低能量之和,例如氢分子的能量低于两个氢原子的能量,那么这些原子形成分子时就会放出能量,形成分子就是有利的。事实上,根据量子力学原理,我们已经能够精确计算很多分子的能量了。
原子模型
3  物质的硬度
为什么物质会有硬度?比如说一块木头或一块铁是硬的。这个问题实际上就是,为什么会存在固体?在微观上也就是说,为什么原子靠得太近时会互相排斥,而不会摞到一块去?
回答是:因为有一条基本原理叫作泡利不相容原理(Pauli exclusion principle),说的是两个费米子(fermion)不能处于同一个状态。费米子是一类粒子的统称,电子就属于费米子。这条原理决定了,当两个原子靠得太近时,就会产生一种强烈的排斥,阻止两个电子落到相同的状态。
泡利不相容原理
4  导电性
为什么有些物质能导电,例如铜和铝?为什么有些物质不导电,例如木头和塑料?为什么又有些物质是半导体,例如硅和锗?为什么还有些物质是超导体,例如低温(低于4.2 K)下的水银?
这些关于导电性的问题,在量子力学出现之前是无法回答的。大家可以回忆一下,在中小学是如何解释导电性的。那时最好的解释是所谓自由电子的理论:有些物质导电是因为其中的电子是自由的,而另一些物质不导电是因为其中的电子不是自由的。但请仔细想想,这真的解释了任何事情吗?其实并没有,它只是循环论证而已,因为它不能预测。如果你追根究底地问:为什么铜和铝中的电子就是自由的,木头和塑料中的电子就是不自由的呢?这就完全说不清了。
真正的改变发生在量子力学出现以后。人们发展出了一套理论,可以明确地解释和预测哪些物质会导电,哪些物质不导电。它叫作“能带理论”(energy band theory)。
根据能带理论,大量能量十分接近的能级组成一条条能带。如果电子部分占据一条能带,最上面的电子只需极少的能量就能跳到上面的能级,这种体系就是导体(conductor),例如铜和铝。如果电子完全占满了一个能带,而跟下一个能带之间有一个显著的能量间隙,最上面的电子需要很多能量才能跳到上面的能级,这种材料就是绝缘体(insulator),例如木头和塑料。
导体、绝缘体和半导体的能带
能带理论不但能解释导体和绝缘体,还能指导我们制造和操纵新的材料,例如半导体(semiconductor)和超导体(superconductor)。如大家所知,半导体是整个芯片(chip)技术的基础。在这些意义上,所有的电器都用到了量子力学。只要你在用电,你就在用量子力学了!因此,要找一个没有用到量子力学的现代技术,几乎不可能。
量子力学不但能用来解释自然界已有的现象,还能用来创造自然界没有的现象。例如,激光器和发光二极管都是根据量子力学的原理设计出来的。
高功率激光
所以我们可以明白,现代社会几乎所有的技术成就都离不开量子力学。你打开一个电器,导电性是由量子力学解释的,电源、芯片、存储器、显示器等器件的工作原理都来自量子力学。你走进一个房间,钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶等材料的性质都是基于量子力学的。你登上飞机、汽车、轮船,发动机中燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。你研制新的化学工艺、新材料、新药等,都离不开量子力学。
《量子信息简话》一书的副标题是“给所有人的新科技革命读本”,无论是中小学生,还是大学生,还是专业的科研人员,还是政府工作人员,所有对科学感兴趣的人都会从中有所收获。
这是当前铺天盖地而來的重要话题,而又是一般公众望而生畏不敢涉猎的话题。我虽然在大学生时代旁听过量子力学,但早已还给老師了。即使记得也是六十多年前的过时知识了。现在想知道,但又鼓不起勇气再找本新的量子力学教课书来读,而短的科普文章则只能知道结论,无从判断是否有理。所以您这本书极其应时。我觉得就像量身定做为我这样的有很强的好奇心,不满足于知其然,而还想知道其所以然的外行读者写的!
——复旦大学生命科学学院退休教授、脑科学科普作家 顾凡及
杜老师寄来了你的亲笔签名大作已收到,多谢多谢!正好最近也想系统了解一些量子新科技领域的基础和进展。由于潘建伟的影响力,作为科大人一到会议或聚会就会被问起量子科学方面的话题,不管是被动还是主动,都得掌握一点相关知识。拿到你这本大作,我迫不及待简单翻了一下,可以算是最专业的系统化通俗读本,是夜明珠,是及时雨,更是黄金屋。待这几日细细品读,虔心消化,不解之处再向岚峰兄弟请教。再一次表示感谢。
——前紫光集团总裁,1978级科大少年班校友  郭元林
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背景简介文章2021年11月17日发表于微信公众中国科大出版社量子力学到底是干什么的?),风云之声获授权转载。
责任编辑陈昕悦
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