如果有人說，在物理世界中有一個百歲的“幽靈”，你會相信嗎？
一百多年前，愛因斯坦也曾一直為這個“幽靈”——量子理論產生的種種現象所困惑。
如今，愛因斯坦逝世已逾六十載，可謎團仍未完全破解。因此，可以毫不夸張地說，量子理論就是這么一個“幽靈”。
在量子理論對世界的描述中，一個物體可以同時處于多個位置，粒子也可以無阻礙似地穿過障礙物，所有的物體都有“波粒二象性”，它既是粒子又是波，兩個分得很開的物體也可以進行某種類似“精神性”的合作……
這些描述聽上去令人毛骨悚然，不可捉摸。難怪量子理論創立者之一玻爾說過：“如果一個人沒有被量子力學所震驚，那么他就沒有真正懂得量子力學。”
量子“小妖精”
什么是“量子”？它與原子、電子、中子這些客觀存在的粒子一樣也是某一種物質實體嗎？
答案是否定的。
“量子”不是一種粒子，它是一個能量的最小單位。所有的微觀粒子（包括分子、原子、電子、光子）都是量子的一種表現形態。
眾所周知，世界是由微觀粒子組成的。因此從某種意義上來說，世界本身就是由量子組成的。
在物理學中提到“量子”時，實際上指的是微觀世界的一種行為傾向：物質或者說粒子的能量和其他一些性質（統稱為可觀測物理量）都傾向于不連續的變化。
以光為例，我們說一個“光量子”，是因為一個光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的，例如，在沒有被電離的原子中，繞核運動的電子的能量是“量子化”的，也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量，對于原子中的電子，角動量也不再是連續變化的。
量子物理學告訴我們，電子繞原子核運動時也只能處在一些特定的運動模式上。在這些模式上，電子的角動量分別具有特定的數值，介于這些模式之間的運動方式是極不穩定的。即使電子暫時以其他的方式繞核運動，很快就必須回到特定運動模式上來。
實際上在量子物理學中，所有的物理量的值都可能必須不連續地、離散地變化。在上世紀初，物理學家馬克斯·普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續的。
出生于德國傳統保守家庭的普朗克從小受到良好的教育，雖然具有音樂天賦，十分迷戀音樂，但仍舊立志獻身于科學，研究物理。
當他去慕尼黑大學時，一位物理學教授曾勸說他不要學習物理，因為“這門科學中的一切都已經被研究過了，只有一些不重要的空白需要填補”。教授的一席話正代表了當時大多數物理學家的心態。
然而執著的普朗克卻表示：“我并不期望發現新大陸，只希望能理解已經存在的美麗的物理理論，或許能將其加深和發展那么一點點。”
命運總是喜歡開玩笑。本來并未期望在物理研究中“發現新大陸”的普朗克，卻在不經意間成為了量子力學的創始人。
當時，解釋熱力學中的輻射問題，主要有瑞利—金斯定律和維恩位移定律，前者適用于低頻輻射，卻無法解釋高頻率下的測量結果；而維恩位移定律可以正確反映高頻率下的結果，但無法符合低頻率下的結果。
如何才能導出一個新的公式，使得高頻、低頻下都能符合實驗結果呢？
普朗克使用了一種巧妙新穎的方法：運用玻爾茲曼的統計物理，把光當成一個一個的諧振子。在他的假設中，既然輻射的是一個一個的諧振子，也就是說在黑體輻射時，能量就不是連續地，而是一份一份地發射出來的。
據此，普朗克導出了一個新公式，這個公式在頻率較小時自動回到瑞利—金斯公式，在頻率較大時又自動回到維恩公式。因此，新公式能在所有的頻率范圍與實驗結果符合。
1900年12月14日，在柏林亥姆霍茲研究所的德國物理學會上，普朗克宣讀了關于這一結果的論文。而這一天也被物理學家們定為量子力學的誕生之日。
然而，這一發現并不是普朗克的初衷。作為一名傳統而保守的物理學家，他只是按照科學方法辦事，并未想要掀起一場革命，連他自己都不知道，自己已經把量子這個“妖精”引進了物理學。
普朗克有些后悔，認為自己制造的這個量子“妖精”破壞了物理學的完美。他曾歷經15年的時間，試圖尋求一種經典物理方法來導出同樣的公式，解決黑體輻射問題，以便挽回“局面”。
但是，他沒有成功。
直到1905年，26歲的愛因斯坦利用光量子的假說圓滿解釋了光電效應；1913年，28歲的玻爾提出了量子化的原子結構理論；1923年，31歲的德布羅意提出了德布羅意波；1925年，24歲的海森堡創立了矩陣力學；1926年，37歲的薛定諤建立了薛定諤方程……量子力學才逐漸羽翼豐滿，真正使人們看到了量子概念所閃現的耀眼光芒。
奇妙的量子特性
量子有一個非常奇怪的特性——量子疊加。
什么是量子疊加？經典事件里可以用某個物體的兩個狀態代表0或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時處于死和活的狀態中間。
但在量子世界，不僅有0和1的狀態，某些時候像原子、分子、光子可以同時處于0和1狀態相干的疊加。比如光子的偏振狀態，在真空中傳遞的時候，可以沿水平方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處于45°斜振動，這個現象正是水平和豎直偏振兩個狀態的相干疊加。
這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經典世界的根本區別。
著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個佯謬。在經典世界里，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態上。那么這只量子“薛定諤貓”到底是死的還是活的呢？
量子測量原理給出的答案是，如果你不去看這只貓，它既不是死的也不是活的！如果你去看這只貓，那么它也許是死的，也許是活的！
正因為有量子疊加狀態，才導致量子力學不確定原理，即如果事先不知道單個量子狀態，就不可能通過測量把狀態的信息完全讀取；不能讀取就不能復制。這是量子的兩個基本特性。
在量子疊加原理基礎之上，衍生出了量子的另一個奇妙特性，叫做“量子糾纏”。
比方說，甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個游戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6 的概率隨機得到1到6結果的某一個；同時，乙在另一地擲骰子，盡管兩人每一次單邊結果都是隨機的，但每一次的結果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應一樣。這就是“量子糾纏”。
若兩個量子粒子處在特殊的狀態（俗稱糾纏態）中，不管其空間分離得多遠，當對其中一個粒子施行操作或測量，遠處的另一個粒子狀態會瞬時地發生相應的改變，愛因斯坦稱這個現象為“幽靈般的超距作用”。
當時，愛因斯坦認為，怎么會允許兩個客體在遙遠的兩地之間有這種詭異的互動呢？據此，他質疑量子理論的完備性。
1982年，法國物理學家Alain Aspect和他的小組證實了“量子糾纏”的超距作用確實存在。
但直到2015年，荷蘭代爾夫特理工大學物理學家Ronald Hanson領導的團隊進行了一項被他們稱之為“無漏洞貝爾測試”的實驗，“幽靈般的超距作用”才得到比較嚴格的驗證。
有了量子糾纏，量子隱形傳輸的概念便呼之欲出。
通俗來講，量子隱形傳輸是將甲地某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來。
由于量子力學的不確定原理和量子態不可克隆原理，限制我們將原量子態的所有信息精確地全部提取出來。因此必須將原量子態的所有信息分為經典信息和量子信息兩部分，它們分別由經典通道和量子通道送到乙地。根據這些信息，在乙地構造出原量子態的全貌。
1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。
“接地氣”的量子
多年來，科學家們努力運用量子世界種種奇異的性質開拓出適用于經典世界的新技術，將向來被公眾認為高深莫測“詭異”的量子物理從云端落地到人世間，服務社會大眾。
其實，量子理論是一門非常實用的學科。
早在第二次世界大戰之前，它的原理就已經被運用于分析金屬和半導體的電學和熱學性質。戰后，晶體管和激光器這兩個運用量子理論原理的廣為人知的裝置，更是極大地推動了信息革命的發展。
到本世紀初，在我們的周圍隨處可見直接或間接運用量子理論的技術和裝置。從常見的CD唱片機到龐大的現代光纖通信系統、從無水涂料到激光制動車閘、從醫院的磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術已經滲透到我們的生活中。
計算能力的飛躍，是量子理論的重要應用之一。
在經典計算機中，每個比特都只有0和1這兩種狀態。但在量子計算中，每個比特可以處在0和1的疊加狀態上，一旦操縱的量子數目增多，它就會以指數增長的形式來提升運算速度，有并行運算的能力。
比如利用萬億次經典計算機分解300位的大數需要15萬年，利用萬億次量子計算機，只需要1秒。同樣，在大數據和人工智能里，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號”計算機大概需要100年左右，但是如果利用萬億次的量子計算機，只需要0.01秒。
量子計算的應用非常廣泛，不僅可以解決大規模的計算機難題，破解經典密碼，進行氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導、量子霍爾效應等復雜的物理機制。
不過，量子糾纏“分身術”的特性有一個更為直接的應用，便是量子保密通信。
現在被認為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認為是安全的。但隨著科技發展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號。
這是因為經典通信的信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。比方說，兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進入另一根線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。“棱鏡門”等事件的曝光便是最好的例證。
而量子通信則完全不會出現這個問題，這是因為其密鑰具有不可復制性和絕對安全性。一旦有人竊取密鑰，整個通信信息就會“自毀”并告知使用者。
比如，甲、乙二人要進行安全通信，甲發出的光子信息狀態有水平、豎直、45°等，假設有人竊聽，由于光子不可分割，首先竊聽者根本無法分割出“半個光子”；其次，因為單次測量測不準、不可克隆的量子態特性，竊聽者無法復制信息；第三，一旦竊聽者截獲光子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。
無論怎樣，根據量子力學原理，竊聽都可以被發現。一旦被發現，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用產生的密鑰進行一次一密完全隨機的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實現安全量子密鑰分發，實現不可破譯的保密通信。
誠然，神秘的量子世界令人著迷，亦令人困惑。但對我們而言，量子世界的威力已變得不再陌生。在人類生活中，手機、電腦、互聯網等這些來自量子世界的果實無處不在。
然而，人們所感受到的量子技術還只是冰山一角。在探求量子世界奧秘的旅程中，人們仍在孜孜以求。■