微观世界——量子力学的窗口透出亮光

人们将物质世界按其大小分成两个范围，除了宏观世界，就是微观世界。微观世界有多小？人们一般把分子、原子、原子核、质子、中子、电子、光子等称为微观客体。微观客体遵循的物理学规律称为微观规律，符合微观规律的客观物质世界就是微观世界。

原子小到在化学反应中不能再被分割，所谓原子论牢不可破，那么怎么进入原子这个堡垒去认识微观世界呢？

有意思的是，在物理层面原子世界的“大门”依然可被打开。后来发现电子要比原子小很多，电子便可以成为打开原子世界大门的一把“钥匙”，但是还需要一种操纵“电子”的设备才行，这是因为看得见固然重要，看得清才是人类驾驭微观世界的重中之重。

通过不断提升电子显微镜分辨率，2018年，通过结合叠层成像术（ptychography）算法驱动，创造了一个世界纪录：将最先进的电子显微镜的分辨率提高了两倍。可以看到原子分辨率更加精细，我们的视线终于进入精彩至极的原子世界，便有了“一花一世界，一草一天堂”的情景。微观世界的广阔不亚于宏观世界的无边无际，人类可在这里孜孜不怠地追求和探索。

量子理论是描述微观世界的一种理论。量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。爱因斯坦承认：“我思考量子问题的时间百倍于思考广义相对论的时间。”爱因斯坦要的是一场比量子力学更为彻底的革命。微观世界小至基因编辑、粒子结构、量子调控等。

量子力学的作用越来越让人感觉大于经典力学。量子力学主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构和性质。

量子力学已渗透到我们生活的方方面面，由于量子力学，人们才创造了很多自然界不存在的新材料、激光、计算机等，甚至也在重新武装化学。

虽然没有量子力学，也曾发明了玻璃、各种金属，但那更多的是一种自发的或经验论的成功。有人说掌握了量子力学，就拥有了改变世界的能力，有了量子力学指导，就能有目的地去创造新的物质。

今天，英特尔的尖端芯片上，能够摆放数十亿个微处理器，这要归功于量子力学；在量子力学的推动下，目前超导材料从研究阶段向发展阶段转变，正被运用在越来越多的尖端科技中。正是量子物理让我们对世界的理解有了天翻地覆的改变，可谓“遇事不决，量子力学”。

粒子标准模型的成功是认识微观世界的重要里程碑。量子力学的发展让科学家可以对基本粒子做出精确的描述。在粒子物理学里，标准模型描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力，2013年，科学家依靠大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯粒子，完成了标准粒子模型确认工作的最后一环，由此，标准粒子模型预言的61种基本粒子已全部被发现。

中国科学家利用大亚湾中微子实验装置，发现了一种新的中微子振荡模式，被认为是该领域最重要的突破之一。2020年，中国科学院发现标准模型以外的一种全新的自旋-物质相互作用方式，可以说是标准模型之外的全新物理，为研究暗物质打开了一个全新的窗口。

微观物质结构研究开始从观测时代走向调控时代。理论和实验手段的进步，有条件让科学家能够观察和定位单个原子，且在低温下利用探针尖端精确操纵原子。“观测时代”走向“调控时代”，为能源、材料、信息等产业发展提供新的理论基础和技术手段。2012年，诺贝尔物理学奖就授予了测量和操纵单个量子系统的突破性试验方法。

中国在这一领域具有很强的理论和技术储备，铁基高温超导、多光子纠缠、量子反常霍尔效应等重大项目，获得国家自然科学一等奖。在拓扑绝缘体、外尔费米子、马约拉纳束缚态等方面，也取得重大成果。

中国的量子密钥通信处于世界前沿地位。量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式，是近二十年来量子论和信息论结合产生的崭新领域，已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。量子通信分为量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。按传输的信息内容分为经典通信和量子通信，前者主要传输量子密钥，后者用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。

量子通信的最大优势是绝对安全和高效率性。量子通信将信息加密传输，在此过程中密钥充满随机性，即使被相关人员截获，也不易获取真实信息。量子通信还有较强的抗干扰能力、很好的隐蔽性能、较低的噪声比，以及广泛应用的可能性。

可以说，量子隐形传态，是一种全新的通信方式，类似于科幻电影中的星际穿越，它能借助量子纠缠的特性，将未知的量子态传输到遥远地点，而不用传送物质本身，是远距离量子通信和分布式量子计算的核心功能单元。

中国发射首颗量子通信科学实验卫星“墨子号”，在国际上首次实现千公里级星地双向量子密钥传送和量子隐形传态，成功实现了洲际量子密钥保密通信，为构建覆盖全球的量子密钥保密通信网络奠定了坚实基础。

量子计算研究备受国际高度关注且竞争激烈。一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过目前运行能力最强的超级计算机，相比经典计算机实现指数级别的加速，具有重大社会价值和经济价值，如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等。

2017年，中国构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。2019年，谷歌宣布开发出54量子比特的超导量子芯片，对一个电路采样100万次只需200秒，而当时运算能力最强的经典计算机Summit需要1万年，率先实现“量子优越性”。中国构建76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解，比目前最快的超级计算机快100万亿倍。目前，谷歌、微软、IBM等跨国企业都在这方面投入巨资，可以预见，未来围绕量子计算机的国际竞争会更加激烈。

量子力学最接近宇宙本质，也是科学家的“困惑之源”。

上述的宏观世界和微观世界，虽然都属于物理世界，但奇妙的是两者存在以下三个明显的区别。

一是预测性。宏观世界有很多事情可准确预测。根据事情初始参数，结合牛顿第二定律就可准确预言事情的发展轨迹。微观世界则不同，根本无法获取初始参数，而且有很多物理量相互矛盾，比如微观粒子的位置和动量不能同时获取，微观粒子产生某运动的时间和能量也不能同时获取。无法获取基本参数就意味着无法根据已发现的规律来预言微观粒子的将来，只能给出一个概率值而不是确定值。

二是确定性。宏观世界有很多东西是确定的，但微观世界的粒子则不同。微观粒子可以同时处于多个位置的叠加态，当然，这不等于说微观粒子此时就一定同时处于多个位置，而是微观粒子每个位置都会分到一定出现的概率值。在我们观察微观粒子的一瞬间，微观粒子会从多个位置变成一个位置，这样只会观察到微观粒子处于一个位置的状态，不可能看到微观粒子同时处于多个位置。

三是因果性。在宏观世界观察事物演化进程基本没有影响，你看或者不看，对物体运动状态并没有影响，主观意识不能直接作用于客观世界而产生影响。微观世界则不同，一旦对微观粒子进行观察，会使得微观粒子从原来的叠加态强制变为本征态，微观粒子的运动状态会因你的观察而改变，似乎人的观察会直接干扰微观世界的演化进程，人的主观能动性好像发挥了比我们对宏观世界更大的作用。