量子通信——量子的概念与量子力学

随着量子实验卫星——墨子号的升空,京沪量子保密通信干线的建成与试运营,量子通信逐渐被大家所知,也成为舆论的热点,随之而来的各种“观点”也铺天盖地的袭来,这其中有很多质疑和民科的自我幻想。

量子(Quantum): 到底什么是量子,量子比质子、中子、原子、电子、分子小呢?还是比它们大呢? 之前好像没听过量子,初中物理就讲过,分子由原子组成,原子是由电子和原子核组成,原子核是由质子和中子组成。 什么时候出来了个量子?

量子是一个数学概念,是“离散变化的最小单元”。量子跟原子、电子根本不能比较大小,因为量子不特指某一种“粒子”,它是一个抽象的人为定义的概念,就像数学里面的数字,0、1、2;我们能说1个原子比2个原子少一个,2个质子比1个质子多出一个,却不能说1 比2个原子少,因为本身的定义不一样,谁也不能说3比5个手机要少。

量子是怎么来的?德国科学家普朗克在研究“黑体辐射”问题时,发现必须把辐射携带的能量当作离散变化的量,这样才能计算出与实验一致的数据。也就是说起初是将辐射携带的能量看做是连续的量,在这个基础上积分,所得到的结果是热辐射的能量极大,人根本不能靠近,这与现实是相悖的,比如有一个烧红的铁棍,人们靠近它是没什么问题;后来普朗克将辐射能量按照离散量去处理,在这个基础上去积分,所得到的值与实验测量所得到的值一致。普朗克提出:能量子(量子)是能量的最小单位。物体吸收或发射电磁辐射,只能以能量量子的方式进行。光的量子是光子。

那么,什么叫“离散变化”呢?比如统计人数,可以说1个人、2个人,但不可能有半个人、1/3个人。1/3个人怎么活? 即使是有残疾的人,在统计的时候也要说那是1个人,对于统计人数来说,一个人就是一个量子,是统计当中的”最小单元“。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。离散变化相对的是”连续变化“,比如声音,声音可以是10分贝,10.1分贝,10.2分贝 ..... 10.21分贝,这就是连续变化,学过模电和数电的人知道,有连续变化模拟量,和离散变化的数字量;学计算机的也知道计算机里面的 0 和1 是离散量。

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