从量子力学到量子信息( 二 ) _量子力学

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（图5）。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。

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图5 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（图6）和发光二极管都是根据量子力学的原理设计出来的。

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图6 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。

量子力学 + 信息科学 → 量子信息
当你对量子力学有所了解之后，下一个问题就是：既然量子力学完全不是一个新学科，出现已经超过一个世纪，为什么最近却又变得如此火热？
回答是：20世纪80年代以来，量子力学与信息科学交叉，产生了一门新的学科——量子信息（quantum information）。许多物理学家把量子信息的兴起称为“第二次量子革命”，跟量子力学创立时的“第一次量子革命”相对应。
为什么会有第二次量子革命？归根结底，是因为我们对单个量子操纵能力的进步。
在量子力学发展的早期，我们观测和控制的都是大量粒子的集体，而不能操控单个粒子。当时甚至还有很多物理学家认为这是量子力学的本质特征。但现在我们知道，这种观点是错误的。
例如传统的光电探测器，需要接收大约十亿个光子才能形成一个像素点。而2018年以来，潘建伟院士、徐飞虎教授的团队发展了一个高精尖的单光子相机系统（图7），只需一个光子就可以成像。

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图7 单光子相机系统
这个10亿倍的进步，使他们能做到很多以前做不到的事。例如，他们在雾霾天，对8.2千米外一个人的模型进行姿态识别，清晰地看到这个模型把手举起来了（图8）。他们在45千米外对浦东民航大厦进行拍摄，也得到了清晰的图像（图9）。因此，他们把这项技术称为“雾里看花” 。

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图8 8.2千米外识别人的姿态

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图9 45千米外对浦东民航大厦的拍摄
因此，是量子信息的大发展，把量子变成了舆论热词。新闻中报道的量子科技，绝大多数时候指的就是量子信息。这是一个蓬勃发展的研究领域，是学术界的主流而不是偏门，全世界有大量的科研人员投身于此。普遍认为，量子信息跟可控核聚变、人工智能并列，属于颠覆性的战略科技。