量子到底是什么？它是一種基本粒子嗎？

隨著科技的發展，近些年來，我們越來越多的看到聽到，“量子”這個詞，新聞中，報紙上，茶余飯后的閑談里，鋪天蓋地的“量子力學”“量子糾纏”“量子通信”“量子計算機”云云，某件事，但凡跟量子扯上關系，就代表了“高科技”“高智能”“高水平”，在所有這些概念中，都有一個共同的關鍵詞“量子”，那么量子它到底是什么呢？量子看起來跟分子，原子，電子，質子等等粒子的名稱很像，很容易讓人誤以為它也是一種粒子，但量子并不是一種粒子。

量子其實并不神秘，它不是一個具體的“物體”，而是一個物理概念。量子是一個物理量的最小的不可分割的單元。假如一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，我們把這個最小單位稱為量子。打個比方，假如把我們人類全體比作一個物理量，那么這個物理量的最小單元就是“一個人”，不可能有半個人，那么“一個人”就是我們人類這個物理量的量子，而我們人類這個物理量就是可量子化的。再比如，把錢比作一個物理量，錢的最小單元是“1分”沒有半分錢，所以“1分”就是錢這個物理量的量子，錢這個物理量也是可量子化的。只要一個物理量存在最小的不可分割的單位，這個物理量就是可量子化的，而這個最小的單位就是量子。

與量子相關的概念之所以讓人難以理解，因為它跟我們日常所認識到的世界是相悖的，在宏觀上，我們觀察事物的變化是一個連續的變化過程，比如水慢慢燒開，飛機慢慢飛走，蘋果慢慢從青色變成紅色，而在微觀世界，因為有量子的存在，它決定了物理量的變化并非是連續的，而是離散的，跳躍的。比如，原子中電子的軌道是量子化的，它決定了電子在原子核內部，只能處在特殊的位置，不能想在哪就在哪，電子從一個能級軌道，到另一個能級軌道，是直接躍遷過去的，是沒有“移動”這個過程的。這就相當于我們在現實中看一架飛機，它不是連續飛過你眼前，而是跳躍式的瞬移著移動，這是讓人無法接受的。

再比如光，也是量子化的，光的最小單元是光子，光子便是光的量子，光的能量是由光量子一份一份的傳遞的，因此光傳遞的能量也是離散的不連續的。光的本質是某一特定頻段的電磁波，因此電磁波也是可量子化的。科學上將10的負8次方以下的微觀世界所遵從的力學原理稱為量子力學，在這個研究范圍的理論結果與傳統物理學理論（牛頓力學，電磁場理論）是完全不一樣的。因此對于量子力學我們可以簡單的理解為，10的負8次方以下微觀世界所遵從的運動規律。而量子通信則是利用了量子糾纏原理的通信方式，而量子計算機則是處理和計算量子信息，運行量子算法的物理裝置。

量子的兩個最顯著的特性：量子疊加和量子糾纏。量子計算機和量子通信利用的就是量子的這兩個特性。量子疊加，就是一個量子可以同時存在好幾種狀態。打個比方，在現實中我要么在家里打字，要么在電影院看電影，我不能同時又在家又在電影院，但量子卻不同，只要沒有觀察者介入，量子可以同時處于不同的狀態中，也就是說我可以同一時間，既在家寫作又在電影院看電影還在咖啡館喝咖啡。或者像經典的思維實驗，薛定諤的貓一樣，一只貓既是死的又是活的，處于死活的疊加態。量子就像有分身術，可以在同一時間處理不同的N件事。因此利用量子疊加我們可以幫計算機實現并行計算。舉個例子，如果我們分解一個300位的大數，用現在的計算機，需要15萬年，用量子疊加技術進行并行運算，只要一秒鐘就可以算出來。這就是量子計算機的厲害之處。

量子通信主要利用的是量子的量子糾纏特性。量子糾纏就是當N個量子互相作用后，他們的狀態會成為一個不可分割的整體，這時所有被作用過的量子就都已經處于了“糾纏態”，而之后不論把這些量子分開多遠，所有量子的總狀態都不會發生改變。打個比方，有兩個陀螺，我們先把他們放在一起，一個順時針轉，一個逆時針轉，然后，我們把順時針旋轉的陀螺放到銀河系的另一端去，這時我們如果讓逆時針旋轉這個陀螺反過來順時針轉，那么銀河系外面那個陀螺也會在同一時間改變旋轉方向。處于量子糾纏中的量子之間就像有心電感應，因此我們可以利用量子糾纏來傳遞信息，同時由于量子的不可克隆性和不可分割性量子通信比傳統信息通信要高效安全得多。

補充閱讀：量子延遲

40年前，愛因斯坦的同事約翰·惠勒設計了一個舉世震驚的“量子延遲”的思維實驗，這個實驗的提出引起了長達幾十年的是物質決定意識還是意識決定物質的大爭論，而這個思維實驗在后來的實驗室中已被確切的證實了。

實驗是這樣的：首先發出一個光子，在其行進路線上設置一個半透鏡P，再通過AB全反射鏡將兩路光線折射至X或Y，倘若不在P'點設置第二塊半透鏡，那么我們在X或Y屏幕上得到一個光點，假如在P'點設置第二塊半透鏡，則光子會同時通過兩條路徑，那么我們在X或Y屏幕上會得到光子的干涉條紋。現在我們要做的是，在P'點先不設置第二塊半透鏡，等到光子已經經過P'點之后，未打到XY屏幕之前，我們這時突然在P'處加上第二塊半透鏡。這時神奇的結果出現了，我們在XY屏幕上得到的不是一個點，而是干涉條紋！光子本身并沒有經過透鏡，正常來說他應該打出的是一個點才對，但是，我們在光子已經經過P'點后，改變了P'點的狀態， 而實驗結果，卻因此改變了！也就是說，我們在一個現在的時間點（光子已經通過了P'），改變了光子曾經的經歷（從沒有透鏡到設置第二塊半透鏡），從而改變了光子的未來（打在屏幕上的結果）。既我們可以在事情已經發生以后，再來決定它是如何發生的。

引用波爾的話來說就是“任何一種基本量子現象只在其被記錄之后才是一種現象”，倘若把這種現象延伸至宏觀來說，那就是，歷史在被“觀察者記錄”之前，都是不確定和實在的！打個比方，你喝了一口剛燒開的水，在你還沒感覺到燙之前，我把你手上的開水換成了冰水，結果你的感覺就變成了“原來開水的口感是冰涼的啊”。這樣一來，我們所感知到的宇宙是否就是他本身的樣子，還是被某個有意識的觀測者所創造出來的呢？雖然宇宙已經演化了幾百億年，但某種“延遲”使得它直到被一個高級生物所觀察才成為確定。在這個實驗中，我們是處于“上帝視角”的，由我們決定加不加透鏡，XY只能接受我們施加給他們的結果，而在更高層次的生物的宇宙中，或許他們才是那個施加透鏡的人，而我們只是接收結果的探測器。