近来科技界的风头都给横空出世的人工智能ChatGPT抢光了。量子科技尽管一直都在低调发展，其实是未来将主导科技界的另一个科技大国必争之地。我国在去年（2023年）中，成为东南亚首个参与升级版量子安全网络发展的国家。
量子理论是近代描述微观世界中粒子行为的物理学，它“颠覆”了过去的经典物理学，描述了微观世界里种种前所未见且匪夷所思的现象。拙文试以有限的篇幅，从科普角度，和大家分享我们和量子的一些纠葛。
传统原子理论和量子理论
19世纪初，约翰•道尔顿（John Dalton）提出了元素是由不可分割的原子组成，不同元素的原子具有不同质量的理论。经由实验证实，这理论得到了物理学家的支持。汤姆逊（J.J. Thomson）1897年通过实验发现了电子，跟着又有质子和中子等的发现，原子不再是组成物质的最小粒子。随着科技发达，更精确仪器的出现以及数学发展，科学家们发现了更多电子、质子和中子等基本粒子的特有性质。爱因斯坦在1921年提出光子能量非连续性而是量化的而获得了诺贝尔奖之后，因为传统原子理论不能解释粒子间发生的许多作用和现象，量子力学开始发展而取代之。
物质基本粒子模型
到了60年代，科学家发现了比电子等还小的粒子夸克（quark）。例如质子是由两个“上夸克”和一个“下夸克”组成，而中子则是由一个“上夸克”和两个“下夸克”组成的。科学家们通过“粒子碰撞机”让高速高能量的粒子束互相碰撞，把粒子“打散”，发现了更多“轻子”和“玻色子”。终于在2012年发现所谓“上帝粒子” 的希格斯粒子，完善了目前构成物质的17种基本粒子的模型。这模型解释了基本粒子如何得到质量，再组成目前宏观世界的各种物质。微观世界里粒子之间的相互作用和随之产生的现象，虽然可以用数学理论去推论和证实，它的很多特性却还是令人费解，这也是量子理论目前还有人质疑的原因。在微观世界里还有许多如π、K、ρ、ω等等的“介子”，但因为它们都不能稳定存在，所以不算为基本粒子。
诡异的微观量子世界
在所有基本粒子里，光子因为运动速度太快，没能与希格斯粒子发生作用，所以没有重量（参阅基本粒子模型插图）。光子简单、稳定又易于操作和观察，所以量子实验都以光子进行。那么量子世界里有些什么令人匪夷所思的重要现象呢？
（一）量子波粒二象性（Duality）： 粒子同时具有波动性和颗粒性质，它会随着实验和观察的情况和条件以某一种性质发挥作用。
（二）量子随机不确定性（Uncertainty）：在实验测量时，我们不能精确知道粒子在某一时刻的具体位置和运动状态。而粒子在空间的位置是以随机的几率（或然率）分布的。也就是说在微观世界里，一切事情的发生都是由或然率所支配的！
（三）量子叠加（Superposition）：粒子能处在多个不同状态，直到实验观察时就会选择其中一个状态“被”试验所观察。这就是出名的薛定谔的猫（Schrödinger's cat）的试验悖论。薛定谔是量子理论的大宗师。
（四）量子坍塌（Collapse）：在对系统测量时，所有粒子的状态会“崩塌”到一个确定的状态，让从事实验者得到一个确定的结果。目前还是无法完美解释这个因为测量而导致系统从叠加状态坍塌为一个确定的状态的现象。
（五）量子纠缠（Entanglement）： 这是最令科学家费解的性质。当两个或更多粒子纠缠在一起时，它们之间的状态将相互关联。也就是说无论它们之间的距离有多远，一旦观察到一个粒子的状态，与之纠缠的其他粒子的状态也会瞬间改变。
（六）量子隧穿（Tunnelling）： 粒子一般会被限定在某个能量层活动，但是在某些状态下，它们可以通过隧道“穿越“到别的能量层活动。
量子科技的应用
以上量子种种与我们熟悉的宏观实体现象截然不同的特性，却又是理论推算可以得出和实验可以观察到的。虽然目前科学家们对微观世界的量子现象仍然处于“知其然而不知其所以然”的状态，不过聪明的人类已开始应用量子的这些特性了。除了还未曝光的军事用途，对未来科技世界有重大实际应用的就是量子加密和量子计算了。
利用量子纠缠的特性，用量子束（目前是光子）传播解密钥，如果解密钥被窃听截取，从另一被纠缠的量子束，无论距离多远，也会瞬间被侦察到。2016年中国成功发射第一颗量子试验卫星“墨子号”，中国与俄罗斯在2024年1月宣称通过墨子号卫星，成功发送了4000公里的保密通讯。近日华为声称它的Mate 60 Pro手机已装载了能传送量子保密资讯的应用，这进展将颠覆整个数据安全和隐私保密领域。
利用量子叠加特性，可以控制量子在除了“1”和“0”外，增加一个中间“非0非1”的第三状态。别小看这一小步，以这特性制造出的量子计算机比传统电脑可快上亿万倍！谷歌在2019年宣称它的量子计算机只用200秒，就可以算出目前超级电脑需要1万年计算的问题云。当然这计算速度只是一个比较指标，电脑的实际运算还要复杂得多。大机构如IBM已制出了量子电脑的雏形OSPREY，甚至还开放给公众使用。量子电脑的科技局限只是稳定度和冷却等的机械问题，如果产品成熟了，加上新的量子编程，就可以运用新的计算方式解决目前电脑还不能处理的许多问题。
量子缪论的商机
当然，有人也嗅到了量子带来的商机，就利用公众对诡异复杂理论的不了解，推出一大堆“量子”产品或“量子科技”产品，例如量子能量水、量子改运项链手环、量子磁疗贴纸、量子保健机甚至手机应用程序等等。这些产品通过夸张和模糊的宣传，声称能够利用量子效应来提供各种保健、能量或心灵上的好处。事实上，这些效果都缺乏科学实验的证实和支持。这些噱头也故意与现代医疗如质子疗法、磁震、放射性等等混为一谈，但还没有正统的医疗科技是利用微观世界的量子纠缠、叠加和隧穿等特性操作的。
量子科幻
既然世间各物都由基本粒子组成，而粒子又有双重特性、不确定的几率性、叠加状态、瞬息感应的纠缠以及穿越等特性，那么也是由基本粒子组成的机体和世界，是否也有以上的特异功能呢？尤其是把量子理论应用到生命科学和人类意识里的话，又会出现什么状况呢？这些都是科幻创作和玄学等领域爱用的好题材，坊间也不乏什么平行宇宙，时光穿越等的小说和电影。不过或许是人类的智慧所限，目前还没有确凿的实验证明量子的特殊效应对生命或者生物意识的正常功能有影响。
结语
量子理论也带出了许多悬而未决的问题，比较艰巨的问题例如：为何宇宙里的“反物质”这么少，如何探测大量存在的“暗物质”，还有引力的作用是否也是因为有“引子”的存在等。尤其是这“引子”问题，它是《宇宙大统一理论》（Theory of Everything）的症结。但是这些未解决的问题却阻挡不了工程师对量子效应的应用。就如过去人类在还没有完全了解原子的时候，却可以制造出足以毁灭世界的原子弹！未来量子科技的功与过，就要等下一代的人类来评估了。
作者为特约撰稿人
图由作者提供
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