量子力学能用于做什么？更该问的是它不可以做什么！在知道量子力学这一课程后，很多人便会来问：它能用于做什么？事实上，这个问题问偏了。真真正正更有意义的问题是：量子力学不可以用于做什么？由于量子力学会干的确实是太多了，几乎找不着跟它没事儿的地区！假如你问：广义相对论能用于做什么？倒是能得出一些主要的回应。例如在天文学中，爆发、超级黑洞等状况离不了广义相对论。阳光对光源的偏折、水星近日点进动（图1），全是广义相对论的經典例子。
图1 水星近日点进动又如在重元素的有机化学中，当原子核的电荷数非常大时，里层电子的效率会贴近光的速度，造成明显的相对论效应，从而造成“镧系收缩”（lanthanide contraction）等状况。又如针对北斗定位系统和GPS等卫星导航系统，不仅有广义相对论的效用，又有广义相对论的效用。天空的吸引力比路面的弱，从而造成天空的时光流逝得快一点，这也是广义相对论的效用。与此同时通讯卫星相对性于路面快速健身运动，从而造成通讯卫星的时光流逝得慢一些，这也是广义相对论的效用。这两个效应方位反过来，实际哪个效用大在于通讯卫星的相对高度。卫星导航系统一定要对这两个相对论效应开展调整，不然精准定位便会有非常大偏差。广义相对论在日常生活中的运用或许还能列举一些，但总体上确实是很少，由于大家平常非常少碰到贴近音速的活动和强引力场的标准。事实上，广义相对论的学者在全部科学家中只占一小部分，乃至学过广义相对论的同学在物理专业中也只占一小部分。而比较之下，学过量子力学的人就太多了，全部物理专业和生物专业的学员都需要学。量子力学的科学研究人气值也大大的高过广义相对论。在新闻报道中你就会发现，量子领域日新月异，而广义相对论行业的重大新闻则是发觉一种牛顿一百年前推测的状况——引力波（图2）。
图2 2个超级黑洞合拼释放引力波为什么量子力学无处不在？基本上的大道理取决于，叙述神秘的宇宙务必用量子力学，而宏观经济物质的特性又是由其外部经济构造决策的。因而，不但科学研究原子、分子结构、激光器这种外部经济目标时必需使用量子力学，并且科学研究宏观经济物质的导电率、传热性、强度、分子结构、改变等特性时也务必使用量子力学。很多最主要的问题，是量子力学发生后才可以回复的。例如：
1原子的可靠性为什么原子能长期保持？换句话说，为什么原子中的电子不容易落到原子核上（图3）？这在刚发觉原子构造的过程中是一个明显的问题，由于电子带负电荷，原子核带正电荷，依照經典基础理论，电子一定会落到原子核上，原子也就坍塌了。为什么这沒有产生呢？回应是：由于原子中电子的能量是量子化的，有一个最低限。假如电子落到原子核上，能量就变为负无穷，小于这一值了，因此它不可以摔下去。
图3 原子实体模型2有机化学的基本概念为什么原子会融合成分子结构？例如2个氢原子H融合成一个氢分子H₂。回应是：由于大分子的能量也是量子化的。假如分子结构的最少能量小于每个原子的最少能量之和，例如氢分子的能量小于2个氢原子的能量，那麼这种原子产生分子结构时便会释放能量，产生分子结构便是有益的。实际上，依据量子力学基本原理，大家早已可以精准测算许多分子结构的能量了。3物质的强度为什么物质会出现强度？例如一块木材或一块铁是硬的。这个问题其实便是，怎么会存有固态？在宏观上换句话说，为什么原子靠得太近的时候会相互之间抵触，而不容易摞到一块去？回应是：由于有一条基本概念称为泡利不相容基本原理（Pauli exclusion principle），说的是2个费米子（fermion）不可以处在同一个情况。费米子是一类颗粒的通称，电子就归属于费米子。这条基本原理确定了，当2个原子靠得太近时，便会形成一种剧烈的抵触，阻拦2个电子落到同样的情况（图1.16）。
图4 泡利不相容基本原理4导电率为什么有一些物质能导电性，例如铜和铝？为什么有一些物质不导电性，例如木材和塑胶？为什么又有一些物质是半导体材料，例如硅和锗？为什么还有一些物质是超导体，例如超低温（小于4.2 K）下的液态水银？这种有关导电率的问题，在量子力学发生以前是答不上的。大伙儿可以追忆一下，在中小学校是怎样表述导电率的。那时候最好是的表述是所说随意电子的基础理论：有一些物质导电性是由于在其中的电子是随意的，而另一些物质不导电性是由于在其中的电子并不是随意的。但请细心想一想，这确实表述了其他事儿吗？实际上并沒有，它仅仅循环论证罢了，因为它不可以预测分析。假如你追根究底地问道：为什么铜和铝中的电子便是随意的，木材和塑胶中的电子便是不自由的呢？这就彻底讲不清了。真真正正的更改出现在量子力学发生之后。大家发展趋势出了一套基础理论，可以清晰地表述和预测分析什么物质会导电性，什么物质不导电性。它称为“能带理论”（energy band theory）。依据能带理论，很多能量十分贴近的电子能级构成一条条可带（图5）。假如电子一部分占有一条可带，最里面的电子只需非常少的能量就能跳到上边的电子能级，这类管理体系便是电导体（conductor），例如铜和铝。假如电子彻底布满了一个可带，而跟下一个能带中间有一个明显的能量空隙，最里面的电子必须许多能量才可以跳到上边的电子能级，这类原材料便是绝缘物（insulator），例如木材和塑胶。
图5 电导体、绝缘物和半导体芯片的可带
能带理论不仅能表述导体和绝缘体，还能引导大家生产制造和控制新的原材料，例如半导体材料（semiconductor）和超导体（superconductor）。如我们孰知，半导体材料是全部处理芯片（chip）技术性的基本。在这种作用上，全部的家用电器都使用了量子力学。如果你在用电量，你也就在使用量子力学了！因而，要找一个沒有使用量子力学的现代化技术性，几乎不太可能。量子力学不仅能用于表述大自然已经有的状况，还能用于造就大自然沒有的状况。例如，激光发生器（图6）和发光二极管全是依据量子力学的基本原理设计方案出來的。
图6 大功率激光器因此我们可以搞清楚，现代社会几乎任何的工艺造就都离不了量子力学。你开启一个家用电器，导电率是由量子力学表述的，开关电源、处理芯片、储存器、显示屏等元器件的原理都来源于量子力学。你走入一个屋子，钢材、混凝土、夹层玻璃、塑胶、化学纤维、塑胶等材质的特性全是根据量子力学的。你走上飞机场、车辆、货轮，汽车发动机中然料的点燃全过程是由量子力学决策的。你研发新的化学工程、新型材料、药物等，都离不了量子力学。
量子力学 计算机科学 → 量子信息如果你对量子力学有一定的掌握以后，下一个问题便是：即然量子力学彻底没有一个新课程，发生早已超出一个世纪，为什么近期却又显得如此火爆？回应是：20个世纪80时代至今，量子力学与计算机科学交叉式，造成了一门新的课程——量子信息（quantum information）。很多科学家把量子信息的盛行称之为“第二次量子科技改革”，跟量子力学开创时的“第一次量子科技改革”相对性应。怎么会有第二次量子科技改革？说到底，是由于大家对单独量子科技控制水平的发展。在量子力学发展趋势的初期，大家观察和操控的全是很多颗粒的团体，而不可以操纵单独颗粒。那时候乃至也有许多科学家觉得这也是量子力学的本质属性。但如今我们知道，这类看法是失误的。例如传统式的光电探测器，必须接受大概十亿个光量子才可以建立一个像素数。而2018年至今，潘建伟工程院院士、徐飞虎专家教授的队伍发展趋势了一个高技术的单光子照相机系统软件（图7），只需一个光量子就可以三维成像。
图7 单光子照相机系统软件这一10亿倍左右的发展，使它们能实现许多之前做不到的事。例如，她们在雾霾天气，对8.2公里外一个人的模式开展姿势鉴别，清楚地见到这一实体模型把手举起来了（图8）。她们在45公里外对上海浦东民航大厦开展拍照，也取得了明确的图象（图9）。因而，她们把此项技术性称之为“雾里探花”。
图8 8.2公里外鉴别人的姿势
图9 45公里外对上海浦东民航大厦的拍照因而，是量子信息的大发展趋势，把量子变成了社会舆论热门词汇。新闻报道中消息的量子高新科技，绝大部分情况下指的便是量子信息。这是一个迅猛发展的研究领域，是科学界的流行而不是冷门，全球有大批量的科技人员投身此。广泛认为，量子信息跟可控核聚变、人工智能技术并排，归属于革命性的发展战略高新科技。量子信息包含什么具体内容呢？可以先一起来看看大家平常使用哪些信息科技。大家最常见的是手机上，这也是用于通讯的；及其电子计算机，这也是用于测算的。也有时钟、直尺、温度表等还可以算是信息科技，他们是用于测量的。相对应地，量子信息也分成三个行业（图1.22）：量子通讯（quantum communication）、量子测算（quantum computing）与量子高精密测量（quantum precision measurement 或 quantum metrology）。在每一个行业内部结构，分别有数种实际的技术性。他们的目的全是运用量子力学的特性来超过传统式的信息科技。
图10 量子信息的三个支系在量子信息的三个分支中，量子高精密测量是比较非常容易掌握的。例如，刚刚说的“雾里探花”便是非常典型的量子高精密测量技术性。因此下一章大家来集中化描述几类量子高精密测量技术性。而要了解量子通讯和量子测算，难度系数就呼呼地上来了。由于两者的原理使用量子力学很多深层次的特性，并不是“操纵单独量子”那么一句话就够的。也正是因为如此，他们可以完成许多难以置信的作用。一个十分有戏剧化的事例，是科幻片中的“传输术”（图11）。是的，传送术在原理上是可以建立的！它的专业名字称为“量子隐型传态”（quantum teleportation）。
图11 影片《星际迷航》中的传输术文中选自《量子信息简话：给任何人的新信息革命教材》袁岚峰 著
由来：中国物理学会刊物编写：荔技 & Paarthurnax
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