能用简单的语言介绍一下量子力学和量子通信吗?
发布网友
发布时间：2022-05-02 05:34
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热心网友
时间：2023-10-09 17:18
提到大名鼎鼎的量子力学，相信大家都耳熟能详，即便我搞不懂深奥的量子力学到底说了啥玩意，但起码我都听说过，也知道量子力学和相对论是20世纪物理学最大的发现，而且彻底*了300年前牛顿给我们定下的经典时空观。但是如果要问一下到底什么是量子，很多人就突然感觉有点犯迷糊，因为我们通常都是把量子力学连在一起使用，很少单独去说量子这个事，高中的物理课本里也没有明确的去定义量子，所以就出现了下图这位网友这样的疑问：
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我在下面做了一个简短的回答，但是想想还是有必要独立写一篇文章仔细的来说说，因为这是个基础概念，准确的理解量子的概念对加深理解量子力学，以及量子力学和经典力学之间的本质区别都大有裨益。
概念
量子并不是分子、原子、电子、质子这些微观粒子上的概念，任何一个物理量如果存在一个最下不可分割的单位，这样的物理量就是量子化的，它的最小单位就叫量子。
在传统力学里面我们的物理量都是连续的，以能量为例，我们可以要1焦耳的能量，可以要0.1焦耳的能量，可以要0.000001焦耳的能量，而且只要我们高兴，似乎我们可以要无穷小的能量（只要科技手段足够发达）。但是量子力学告诉我们，你想要无穷小的能量是不可能的，因为能量是量子化的，它有一个最小不可分的能量单位，你小到这里就不能再小了，所有的能量都是这个最小能量的整数倍。
不光能量，很多物理量都是这样的，基于这样一种模型建立的力学体系就叫量子力学~
由来
其实经典力学里能量连续化的设想似乎很符合实际，我们平常感知到的一些物理量，不管是温度、能量、长度还是速度什么的，似乎想要多小就有多小，但是你想过没有，这样其实是很没道理的。在数学模型里我们可以用一个无限小，可以用极限的概念去无限*近一个数，但是在我们的现实生活里，在这个由物质组成的世界里难道真的会有这样的东西去对应无限小？既然是无限小的，那有怎么会有实体去跟他对应呢，因为你是无限小，所以你应该比所有出现的数字还要小，所以既然你出现了那就肯定不是最小无限小的那个。
在日常生活中我们感觉不到这种不连续是因为我们平常处理这些问题的时候尺度都比较大，就像你现在看到手机或者电脑屏幕里的图像照片，它看起来是连续的，其实这些都是由一个个的像素点组成的，你用1300万像素的相机拍一张照片，就是说这张照片是由1300万个点组成的。
之前的物理学处理的问题都比较宏观，那些物理量是连续的还是离散的（也就是量子化）的对他们的影响不大，直到他们遇到了黑体辐射问题。黑体辐射说简单点就是让物体去吸收不同的电磁波，看看物体的温度啊光谱啊到底发生了什么变化，然后给出一个描述这现象的公式出来。这个问题看起来简单，可是经典物理学就是给不出一个完美的公式出来，当时解释这个现象的理论有两个：一个在短波的时候适用，长波的时候和实验数据不符；另一个在长波的时候适用，在短波的时候又和实验不符。
普朗克
就在物理学家们一筹莫展的时候，普朗克同学突然脑洞大开：我先不管什么原理不愿理，你们的两个公式不是刚好一个在短波的时候适用，一个在长波的时候适用么？那我不管三七二十一，把你们这两个公式拼在一起，先不管它的理论意义，总之至少先让这个公式看起来和实验相符再说。然后普朗克同学就自己这样拼出来了一个公式，然后普朗克同学就发现了一个惊人的东西：这个公式成立的前提，居然是他必须把能量当做一份一份的来看，也就是说不能再把能量当做完全连续的东西，能量都是有许多份最小的能量组成的，这样最小的一份能量普朗克把它叫为能量子。这是量子的概念第一次正式出现在人们的眼前。
生父与教父
普朗克虽然通过能量量子化的假设解决了黑体辐射问题，但是他本人（包括当时绝大多数的物理学家）不愿意接受这种假设，经典物理学的世界都是连续的，这种量子化的假设简直是离经叛道，甚至大逆不道，完全毁了以前的世界。你看看牛顿的运动的运动定律，看看麦克斯韦那惊为天人的方程组，那种美妙和谐才是物理学，能量怎么能是不连续的呢？不对，一定哪里还有更深层的原因我们没有发现，我们一定要从经典物理学里找到这种量子化的深层原因。当时主流的物理学家就是这样的想法，包括普朗克，这个量子力学之父现在想要亲手掐死自己这个丑陋的孩子，但是很显然，不管他们怎么努力，他们的工作都是白费的。
老一辈的物理学家眷恋自己的家园也情有可原，但是年轻一代的物理学家们可不会这样，对就是对，错就是错，我要的是真理，至于真理是长啥样，美丽还是丑陋的我不管，我们有勇气抛弃一切。
最先站出来的就是爱因斯坦。
普朗克与爱因斯坦
普朗克是量子力学是生父，但是这个生父刚把量子力学生下来就要抛弃它，爱因斯坦看到量子力学就像看到了一个天赋异禀但又不被人理解的小孩，于是爱因斯坦主动担负起了抚养教育他的重任。量子力学在爱因斯坦的呵护下慢慢成长，以至于后来有了挪移乾坤的本事，把整个物理界搅得天昏地暗。
爱因斯坦这个养父教父和量子力学的事我们后面再说。
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热心网友
时间：2023-10-09 17:18
If quantum mechanics hasn’t profoundly shocked you, you haven’t understood it yet.
——Niels Bohr
如果你对量子力学的概念感到困惑，不要慌，我相信你并不是唯一的一个。正如物理学家费恩曼所说的：“我想我可以有把握地说，没有人理解量子力学。”
然而，量子理论却渗透到我们生活的方方面面，它描述了我们生活的这个世界是如何运作的。例如，我们每天沐浴在太阳光之中，你可曾思考过为什么太阳会发光？如果你不懂量子力学，就无法理解其中的奥妙。
下面，通过十个问题，我尽量用最简洁的语言带领读者理解量子力学背后的基本思想。
1.什么是量子力学？
千年以来，科学家一直在追问一个最基本的问题：物质是由什么构成的？现在我们知道所有的物质都是由电子和夸克构成的，它们都是基本粒子。所谓的基本粒子是指它们不能由更小的粒子构成。正是这些基本粒子组成了原子，比如氢和氧，以及分子，比如H₂O。
原子：由电子和原子核构成。原子核由质子和中子组成，而这两者又分别由夸克组成。
原子和分子是构成这个世界的乐高积木。为了理解这个微观世界是如何运作的，科学家就需要运用量子理论。
这个理论有许多非常诡异的预言（比如粒子可以同时处于两个不同的地方），但它同时是物理学中最经得起考验的理论之一。
它是支撑我们身边见到的科技的基础，包括你现在正在使用的手机中的芯片，也是智能手机之所以智能的原因。
它很奇怪，但它是对的，而且非常重要。
2.等等，说了半天，“量子”究竟是什么意思？
你拿着一罐花生酱走到厨房中，你可以决定把它放到操作台面，或着台面上架子的某一层。但你不能把花生酱放在架子的层与层之间。在物理学上，厨房的架子的层就是所谓的“量子化”。意味着它们是有级别的。
氢原子中，电子可以在不同能级中跃迁。（图片来源：John Willey）
在量子世界，所有的东西划分成不同的级别。举个例子，原子中的一个电子可以处于其中众多“能级”中的一个，能级就像厨房中的架子上的不同层。在量子世界中，只要用正好的能量将电子踢一下，它就会立马从一个能级跳到另一个能级。这叫做量子跃迁。
举一个你或许更熟悉的例子，如果你现在驾驶的是一辆量子车，你可以以5公里/小时，10公里/小时，30公里/小时的速度驾驶，但不会在它们之间。也就是说当你换档的时候，车子的速度会立马从5公里/小时跳到20公里/小时。这个改变是瞬时的，所以你甚至不会感受到加速。这又是另一个量子跃迁。
3.经常听到经典力学和量子力学，它们的区别是？
微观世界所服从的一套规则跟我们习惯的“经典”世界非常不同。物理学家所谓的“经典”相对于“常识”，也就是某些东西的行为方式跟你日常经验中所预期的一样。
红色区域代表量子谐振子的概率密度，蓝色曲线则表示经典概率分布。在这个情况中量子数n=0.（图片来源：Wolfram）
热心网友
时间：2023-10-09 17:18
只能说量子力学在建立的初期，一些理论曾被宗教人士拿来攻击唯物主义。
这个主要是由于，牛顿的经典物理体系，推崇的是决定论，也就是给我初始条件，我一定可以通过解方程计算出此后物体的运动轨迹。这个也是大家学习牛顿力学一定可以感觉到的。
但是量子力学的波函数的概率解释和不确定关系这两个基础理论则和牛顿力学完全不同。前者，提出微观粒子即使初始条件完全相同，但是也可以有完全不同的运动方向，微观粒子出现在空间的各个位置的概率是由波函数的模平方来决定的。后者，则提出微观粒子共轭的两个物理量一定不可能同时测量准确。比如，粒子位置和动量，能量和时间等等。
所以，量子的这些理论当时不能为包括爱因斯坦在内的一些科学家接受。爱因斯坦曾经说过一句话“上帝不可能在掷筛子”，一直到死都不能接受量子概率论。
（本文内容由百度知道网友panw1981贡献）
