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量子力學對科技的影響范文1
關鍵詞：物理本體；物理實體；量子現象；主觀；客觀
基金項目：國家社會科學基金項目“量子概率的哲學研究”（16BZX022）
中圖分類號：N03 文獻標識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06
一、引言
時間和空間是人類所有經驗的背景。除去存在的事物，時間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時間、空間，時空是事物之間相互關系的一個方面。
人類通過感性經驗認知的時空，稱作經驗時空；以科學原理和科學方法指導認知的時空是科學時空；牛頓時空、狹義相對論時空、廣義相對論時空、量子力學時空，是經驗時空的科學提升和科學發展，稱作物理時空①。物理時空是科學時空。描述現象實體的時空是現象時空，經驗時空、物理時空、科學時空均是現象時空。而未經觀察的“自在實體（物理本體）”所在時空，稱為“本體時空”?！氨倔w時空”是復數的②，因此，人類實質生活在復數時空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時空”，實時空是人類對時空認識的簡化③。
主體、客體、觀察信號是人類認知自然的三大基本要素④。一般“現象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現觀察信號的自然屬性對觀察者在認知中的影響。當把現象對觀察者的主觀依賴性轉化為時空的屬性后，就可以達到客觀描述物質世界⑤。所謂客觀描述就是理論計算與經驗及科學實驗結果相符。
考慮觀察信號的客觀作用并納入時空理論的科學建構之中，客觀描述物理現象，是物理學家的重要工作。一般，哲學認知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導致主觀唯心主義的滋生。
狹義相對論用光對時，考慮了光對建立時空的貢獻；牛頓時空是對時信號速度c趨于無窮大的極限情態；考慮引力場對建立時空的影響，引力時空是彎曲的，狹義相對論的平直時空是它的局域特例。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但主體與描述對象的關系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產生，又如何消解，實現客觀描述物質世界？經典力學中，人類的處理方法是通過揭示“現象對觀察者的主觀依賴性”及其產生機理，在不同認知領域區分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉化成時空的屬性，實現客觀描述；而從牛頓力學（或相對論力學）到量子力學，時空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現量子現象的客觀描述，一直是量子力學基礎討論的熱點。量子力學必須有自己的客觀描述量子現象的時空⑥。
量子力學時空是閔氏時空的復數拓展和推廣⑦，由此可以實現客觀描述量子世界。它與相對論時空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時間與因果關系等價⑧。量子力學中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態的突變性相關聯。突變無須時間，導致因果鏈斷裂，與因果關聯的相互作用也被刪除，由此引進了類空間隔。平行并存量子態的出現，是不遵從因果律的量子力學新表現；當能量、動量和相互作用變得連續，宏觀時序得到恢復時，回到相對論時空，量子測量中“量子態和時空的坍縮”⑨ 是不同物理時空的轉換，希爾伯特空間只是它們的共同數學應用空間⑩。
時空不是絕對的，相對時空有更廣闊的含義，人類需要擴大對時空概念的認知，不同的認知層次有不同的時空對應，復數時空更為本質。人們不應該將所有領域的物理實體歸于某一時空描述，或者用一種時空的性質去否定另一種時空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當然，新的實驗事實又將告訴人們，理論及其對應的時空應該如何修改和發展。理論不同時空不同，時空具有建構特征。
二、時空的哲學認知與物理學描述
時空是哲學的基本概念，也是物理學的基本概念。哲學認為，時間和空間是物質的存在形式，既不存在沒有時空的物質，也不存在沒有物質的時空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時間是事物的持續性；康德認為，時空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時間和空間是彼此分離，絕對不變的，強調數學的時間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現象的共存序列，時間與運動相聯系；黑格爾認為，事物運動的本質是空間和時間的直接統一。休謨認為，時、空上的接近和先后關系與因果性直接相關。中國的“宇”和“宙”就是空間和時間概念，它是把三維空間和一維時間概念同宇宙密切聯系在一起的最早應用{11}。
哲學具有啟示作用，但時空概念如果不與人的社會實踐、科學實驗、科學理論及其數學物理方法相聯系，就只能停留在形而上，無法上升為科學理論概念。
物理學中，空間從測量和描述物體及其運動的位置、形狀、方向中抽象出來；時間則從描述物體運動的持續性、周期性，以及事件發生的順序、因果性中抽象出來；空間和時間的性質，主要從物體運動及其相互作用的各種關系和度量中表現出來。描述物體的運動，先選定參照物，并在參照物上建立一個坐標系，一般參照物被抽象成點，它就是坐標系的原點；假定被描述物體的形體結構對討論的問題（或對參照物的時空）沒有影響，將物體抽象成質點，討論質點在坐標系中的運動及其相關規律，這就是物理學。由此，“時空是物質的存在形式”的哲學認知也就轉化為人類可操作的具體物理理論描述。
可見，時空的認知與人類的社會實踐、科學實驗、科學進步直接相關，離不開物理和數學方法的應用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學所依托的幾何學，在牛頓力學、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應用。由此，幾何學被賦予了物理意義。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但描述對象與觀察者之間的關系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經典的粒子，采用質點模型。量子力學不同，從牛頓力學（相對論力學）到量子力學，描述量子現象的時空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現象對觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時也改變物理時空，消除“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現客觀描述微觀量子客體；二是改變時空的同時，保留“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認識、時空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關系。雙4維時空量子力學基礎采用了第一種方法。通過場物質球模型，把點模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時，也改變了描述時空；將不是點的微觀客體自身的空間分布特性，轉化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認為，第二種方法將主觀認識不加區分地“融入時空”，有損客觀性、科W性，量子力學時空必須是描述客觀世界的時空。物理時空需要建構。
三、牛頓絕對時空中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
眾所周知，物理學對物體運動狀態的描述，理應包含參照物和被描述物體自身的時空特征，而參照物和物體自身的時空特征，必須通過觀察發現。觀察需要觀測信號，物體運動狀態及其時空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。
“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應的物理時空，牛頓力學時空應該是兩者的綜合，而不應該只是參照物的時空。但是，牛頓力學中光速無窮大，在討論物體運動時，又假設研究對象的時空結構對討論的問題沒有影響，忽略不計，于是，研究對象抽象成了質點，整個理論體系就只有與參照物聯系的時空了。
任何具體物體都不會是質點。當用信號去觀察它時，物體自身的時空特征與物體的運動狀態與觀察信號的性質、強弱和傳播速度相關。質點模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運動及觀察信號對物體自身時空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標系的抽象中，抽掉運動及觀察信號對參照物時空特性的影響，就是抽掉物體運動及觀察信號對坐標系時空特性的影響，就是抽掉人的參與對時空認知的影響{15}。牛頓力學時空與物體運動及觀察者無關，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時間和空間從物質運動中分離出來，時間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數學的、永遠流逝的時間絕對不變{16}。哲學的時空演變成了可操作的物理時空。這是宏觀低速運動對時空的簡化與抽象，理論與宏觀經驗及計算相符。
相互作用實在論認為，現實世界是人參與的世界，對一個研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個基本要素。參照物和觀察對象的運動和變化及其時空屬性，與觀察信號的性質相關。牛頓力學中，不是沒有現象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認為影響很小，可以忽略不計。牛頓力學是“物理本體=物理實體”的力學{17}。這與宏觀經驗和科學實驗相符，在宏觀低速運動層次實現了主客二分，理論被看作是對客觀實在的描述。牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建描述背景，時空告訴物質如何在背景中運動。二者構成背景相關。
牛頓時空是均勻平直時空，相對勻速運動坐標系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協變性，相對性原理成立。
四、狹義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
狹義相對論建立之前，洛倫茲就認為高速運動中物體長度在運動方向發生收縮{18}。這是他站在牛頓時空立場，承認以太及絕對坐標系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時空沒有變，“現象對觀察者出現了主觀依賴性”。自然現象失去了客觀性，這是一次認識危機，屬19世紀末20世紀初兩朵烏云之一。
狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運動中觀察信號對物體時空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時”實驗中，他用“光”作為觀察、記錄、認知物體時空特征的信號{19}；通過參照物到坐標系的抽象，論證靜、動坐標系K與K′“同時性”不同，靜、動坐標系運動方向時空測量單位發生了變化；將洛倫茲所稱“運動物體自身運動方向上的長度收縮”演變成坐標系時空框架的屬性，還原質點模型，建立相對論力學。實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。
狹義相對論中質點的動量、能量、位置和時間都有確定值，質點的運動具有確定的軌跡，這一點與牛頓力學相同。
狹義相對論時空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實在性。
牛頓力學缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，物理本體=物理實體，哲學上的抽象時空直接過渡到牛頓物理時空。
狹義相對論不一樣，每一個物體都有一個不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應的物理實體?！拔锢肀倔w”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應物）。它可以認知、可以理論建構，但又不可直接觀察。相對于牛頓，愛因斯坦相對論揭示了“物理本體”的真實存在性?！翱陀^物質世界”不是思維的產物。
狹義相對論中，物質告訴時空在運動方向如何修正測量單位，時空告訴物質如何長度收縮、時間減緩。時空具有相對性。
狹義相對論時空雖然也是均勻平直時空，但由于有上述“相對時空”的出現，時空度規與歐氏時空度規有明顯區別，所以稱為贗歐氏時空。
但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時空的影響，沒有考慮引力作用對建立時空的影響。如果考慮引力對時空的影響又如何呢？
五、廣義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
廣義相對論中有水星近日點進動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時空的立場，觀察結果與理論計算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問題。因為，牛頓力學也好，狹義相對論也好，討論引力問題，引力場對參照物和研究對象時空屬性的影響都沒有計入其中，而留在觀察者對“現象”的觀察、判斷之中，出現宇觀大尺度“現象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時空發生彎曲，利用彎曲時空計算水星近日點進動和光走曲線現象，“現象對觀察者的主觀依賴性”就變成時空的屬性?！艾F象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現象與理論結果就取得了一致。這里，物質使時空彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動。廣義相對論實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。
廣義相對論時空是彎曲的，時空度規是變化的。
六、量子力學中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
微觀客體具有波粒二象性，同一個電子，通過雙縫表現為波，而打在屏幕上又表現為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經典力學中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學與經典力學表現出深刻的矛盾。矛盾的產生，可能是描述微觀現象的時空出了問題。量子力學的研究領域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經典的粒子，用以觀察的信號也不是連續的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時空應該與牛頓、相對論時空有所區別。而量子力學使用的還是牛頓時空、狹義相對論時空，時空沒有變，物理模型沒有變，而研究領域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學必須有自己對應的時空，將“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，轉化為描述時空的屬性，實現客觀描述量子現象！ 雙4維時空量子力學就是為實現這一目標應運而生的。
現有量子力學“量子現象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學中的點模型相關。許多量子現象與點模型隱藏的空間自由度有直接聯系，但點模型忽略了這些自由度對產生微觀量子現象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時空，才可能正確地認識、客觀描述量子現象。
可以公認，微觀客體不是點{20}，是一個有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點的空間位置，這是客觀事實。理論上，牛頓時空幾何點位置是確定的，量子力學使用的是質點模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時空可以精確描述質點的運動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉而認為點粒子在其“空間分布”區域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實在性在量子世界轉化成了一種主觀認知，賦予了微觀客體“內稟”的概率屬性，其運動產生概率分布，或稱其為概率波。
這是一個認識上的困惑，似乎量子力學描述失去了客觀實在性。這也是量子力學當今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點模型，釋放點模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產生微觀現象的貢獻”；（二）建立適合量子力學自身的時空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學時空自身的屬性。
雙4維時空量子力學的辦法是：（一）用“轉動場物質球”模型取代“質點”模型，釋放點模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實時空M4（x）拓展到雙4維復時空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復時空的虛部坐標；（三）4維曲率坐標將量子力學賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學復時空的幾何屬性，場物質球自身的旋轉與運動產生物質波――物理波。
“場物質球”與“物質波”（類似對偶性假設）既是同一物理實在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質球的物質密度是曲率k的函數，因此，物質波既是場物質球的結構波又是場物質密度波。物質波不是傳播能量，而是傳播場物質球的結構或物質密度變化，可映射成實時空M4（x）的概率分布{21}，與實驗結果相一致。
這樣，點模型中“量子現象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉變為時空W（x，k）的屬性，物質波傳播其中，量子現象是物質波所為。
研究表明，是量子測量引入的連續作用，使雙4維時空W（x，k）全域轉換到實時空M4（x），波動形態轉變成粒子形態（“相變”），球模型轉換成點模型，概率屬性內在其中，物質波自動映射成概率波，數學處理類似表象變換{22}。
簡言之，傳統量子力學，微觀客體簡化成質點，描述時空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點粒子的概率屬性，實現描述對象從客觀到主觀認知的轉變，具有位置不確定性的點粒子，其運動產生概率波；雙4維時空量子力學，微觀客體簡化成場物質球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標，仍然是從客觀到客觀，描述時空變成了復時空，曲率坐標在其虛部，場物質球的運動產生物質波――物理波。通過量子測量，物質波映射成概率波，球模型演變成點模型，顯示概率屬性，時空內在自動轉換，量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在建構的時空理論中。具體論證方法是：
將靜態場物質球寫成自旋波動形式：Ψ0=е■，描述在復空間。ω0是常數，它的變化只與自身坐標系時間t0相關，全空間分布（物理本體所在空間）。設建在“靜態”場物質球上的坐標系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：
微觀客體的運動速度不同，平面波相位不同。復相空間kμxμ即為物質波所在時空。物質波是物理波。
自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標系的速度，慣性系間的坐標變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因為，連續變化會引進引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學中的不同本征態。這是相對論中的情形{24}。
但是，量子力學建立其理論體系時，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態，每一本征態則對應一慣性系），通過本征態突變躍遷假設（量子分割），切斷因果聯系，形成同一時空中“同時”并存的本征態的疊加。態的躍遷不需要時間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學時空，破壞了原有的因果關系。疊加量子態的存在，是“違背”因果律在量子力學中的新表現。
量子力學時空顯然不是牛頓、狹義相對論時空，但量子力學卻誤認為量子躍遷引起的時空性質的變化是牛頓、狹義相對論時空中的特征，這當然會帶來不可調和的認知矛盾。
同一微觀客體，不同本征態“同時”并存的物理狀態，從整體看，是洛倫茲協變性在量子力學中的新表現。突變區“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運動在類光空間；而本征態自身在類時空間，微觀客體運動速度不能超過光速，需保持因果律，物質波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時空間物理一樣。量子糾纏態將涉及到上述三種不同性質物理空間量子態的轉換，有完全合理的物理機制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應，將以物質波波長在運動方向上的收縮來體現。有了雙4維時空量子力學，量子力學與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。
相對論與量子力學的不同，關鍵在于認知層次發生了變化，光由連續場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時空相關，光的物理性質的變化，必然帶來物理空間性質的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學時空W（x，k）與相對論時空M4（x）之間的區別，帶來對物質波――物理波的全新認知。我們預言，物質波有通訊應用價值{25}，但與量子力學非定域性無關。
《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》的理論實踐表明，我們的工作是可取的{26}。結論是，量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在對應的時空理論之中，實現了觀察者對量子現象的客觀描述。
雙4維時空是描述量子現象的物理時空，時空度規，無論實數部分，還是虛數部分，都是平直的{27}。
近年來，由于量子通訊技術的飛速發展，量子糾纏的物理基礎引起了人們的特別關注，波函數的物理本質，量子力學的非定域性討論十分熱烈?！傲孔蝇F象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現象的奇異性迷惑了，特別是，有科學家甚至認為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學實在論者當然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。
按照曹天予的評論，《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》值得關注{28}。雙4維復時空與弦論、圈論比較，最大優點是將時空拓展、推廣到了復數空間，數學沒有那么復雜，而物理學基礎卻更加堅實、清晰。
七、結論與討論
1.“現象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關系之中，融入時空的只能是物理實體對時空有影響的部分，時空具有建構特征。
2. 物質運動與時空的關系：牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建運動背景，時空告訴物質如何在背景上運動；狹義相對論中，物質告訴時空如何修正測量單位，時空告訴物質如何在運動方向長度收縮、時間減緩；廣義相對論中，物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動；量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。
3. 量子力學時空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學與廣義相對論的統一，不能機械地湊合，它們的統一，必須從改變時空的性質做起，建立相應的運動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯絡通道。
注釋：
① 趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5頁；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.
② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.
③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁。
⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當中。 辯證唯物主義認為主觀和客觀是對立的統一，客觀不依賴于主觀而獨立存在，主觀能動地反映客觀。
⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上海科學技術出版社2003年版，第29―33頁。
⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第178頁。
{11} 馮契：《哲學大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。
{12} 參見L?斯莫林：《物理學的困惑》，李泳譯，湖南科學技術出版社2008年版。
{14} 相互作用實在論中的基本概念：（1）物質：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強、弱等力。（3）自在實體：指未經觀察的“自然客體”（相互作用實在論中，自在實體作為物理研究對象時稱物理本體）。（4）現象實體：經過觀察，系統的、穩定的、深刻反映事物本質的理性認知物?，F象則表現自在實體非本質的一面。（相互作用實在論中，現象實體作為物理研究對象時稱物理實體）。（5）觀測信號：人類認知世界使用的探測信號。
{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學之數學原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。
{18} 參見倪光炯等：《近代物理學》，上海科學技術出版社1980年版。
{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學的進化》，周肇威譯，上?？茖W技術出版社1964年版。
{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學哲學論文集》，安度譯，知識出版社2001年版，第140頁。
{23} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第149頁。
{26} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學描述》，
《現代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學學報》（社會科學版）2013年第1期。
{28} 曹天予：《當代科學哲學中的庫恩挑戰》，《中國社會科學報》2016年5月31日。
量子力學對科技的影響范文2
楹我豢盼佬塹姆⑸洌引發了這么大關注？這要從其魔法般的特性說起。
大約一百多年前，我們生活在一個很“經典”的宇宙里，一切都合乎常情，沒有什么奇怪表現。隨后，量子理論出現了。
突然間，事物的表現不再總是合乎一個理性的人的料想了。在微觀尺度上，一個粒子可以同時處于兩個地方，甚至可以同時向兩個不同的方向運動。而且粒子之間可以互相糾纏―通過某種方式即時地遠程感知、影響對方。
起源于1900年的普朗克量子力學，描述了這些看似魔法的物理現象。這套理論不斷獲得實驗支持，在一百多年里催生了許多重大發明――原子彈、激光、晶體管、核磁共振等，改變了世界面貌。
量子信息技術是量子力學的最新發展。其中，用這一技術有望打造“不可攔截”的密鑰，讓通信高度保密。而未來的量子計算機，可能會比傳統計算機快億萬倍。這些特性看似魔法，未來卻會成為尋常事。
中國此次發射量子衛星的主要任務是，執行星地高速量子密鑰分發、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態等多項科學實驗任務。這都是量子信息技術的最前沿研究，自然舉世矚目。
但是，要讓看似魔法的效果真正實現，還需要長期艱苦卓絕的努力。因為，搞基礎科學研究，需要耐得住寂寞、甘坐冷板凳以及長期的積累。
量子、引力波等許多看似枯燥無味或高深難懂的基礎研究，之所以吸引全球各主要國家持之以恒地研究投入，正在于它們都有著引發魔法般巨變的前景。量子力學已經引發了社會巨變。例如，電磁波的發現最終使人類有了無線電通信和手機，在狹義相對論中質能關系理論的指導下，科學家最終制造出了原子彈、氫彈和核反應堆，衛星定位等技術也借助了狹義相對論的知識?；A科學研究可以帶給人類什么？它帶給人類無窮的可能。前沿基礎研究，探索的是“魔法”的奧秘，必將帶來社會進步。
在今年引力波發現后，美國麻省理工學院校長拉斐爾?賴夫的公開信中的一段話發人深?。骸盎A科學研究往往是艱苦的、嚴謹且緩慢的，但不要忘記，它又是震撼性的、革命性的和具有催化作用的。如果沒有基礎科學，最好的設想就無法得到改進，‘創新’也只能是修修補補。只有基礎科學進步，社會才能進步?！?/p>
量子力學對科技的影響范文3
關鍵詞：科學史；近代物理；教學改革；高等教育
中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）50-0072-03
近代物理是高等學府物理類、化學類和電子類學科的一門必修課，通常放在講授完大學物理之后。大學物理的內容主要是理論力學、電動力學、熱力學和統計物理。近代物理的內容主要是相對論和量子力學。由于相對論和量子力學離我們的日常生活經驗比較遠，所以學起來比較晦澀難懂。本文介紹了筆者如何通過講授近代物理知識和對應的近代物理科學史相接合，來提高同學們對近代物理的理解和興趣。
一、近代物理科學史簡介
近代物理的科學史是一部十分生動活潑的歷史，時間跨度大概是從1900年到現代。這段時間可以說是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發生了人類歷史上僅有的二次世界大戰，其中涌現的具有極高才華和貢獻的科學家數量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學家數量總合。而人物傳記作家也多對他們的人生經歷極為感興趣，出了很多關于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學家們很多本身也頗博學多才，具有良好的文學才能和修養，因此很多人他們自己也出自傳。這些傳記和自傳都能給《近代物理》課堂上的科學史教學提供豐富的素材和參考。相對論和量子力學的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現象由于跟人們的日常經驗相悖，所以還是會引起人們廣泛的興趣。比如時間和空間是不可分的，物體的動量和時間不能同時精確測量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經驗的確很難理解。進而人們也會對提出和發現這些理論的科學家們（如愛因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時間順序出場依次在課堂上介紹的量子力學史上各個重要的歷史人物。這些科學人物大多數彼此交往比較密切，在學術上好像切磋和影響，進而也加速了思想火花的碰撞和創新性理論的誕生。
在課堂上講述近代物理科學史的過程中，還可以幫助同學們了解在學術研究過程中需要注意的問題。比如搞科研不能囿于自己的私密空間，而要鼓勵多做學術交流。學術交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動態；象在近代物理史上著名的哥本哈根學派就是個很好的例子。1921年，在著名量子物理學家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學理論物理學研究所，由此形成哥本哈根學派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個學派的主要成員。由于哥本哈根學派提供了很好的學術交流環境和學術氛圍，在這個學派里鼓勵發表不同的觀點，不迷信權威，所以涌現出了很多重要的量子力學成果。（2）可以發現自己的不足；比如愛因斯坦于1919年在剛開始推導廣義相對論的時候，在公式里人為增加了一個常數項，從而得出他起先所認為的靜態宇宙模型。不過1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個常數項，從而得出相應的宇宙膨脹理論。比利時牧師勒梅特應用這些解構造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預言宇宙是從一個高溫致密的狀態演化而來。到1929年，哈勃等人又用實際的觀測證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態。通過學術交流，愛因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認添加宇宙常數項是他一生中犯下的最大錯誤。（3）可以激發自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學獲得博士學位后去英國學習，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實驗室工作，幾個月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對湯姆遜關于原子的西瓜模型和盧瑟福的核式原子模型了如指掌，同時他又很熟悉普朗克和愛因斯坦的量子學說，這些學術交流活動激發了他的靈感，使得他最終于1913年初創造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結合起來，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵自己不斷進步和成長。比如薛定諤在1925年受到愛因斯坦關于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質波的假說的啟發，從經典力學和幾何光學間的類比提出了對應于波動光學的波動力學方程，從而奠定了波動力學的基礎。但是他一開始并不清楚他自己建立的波動方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數解釋為三維空間中的振動，把振幅解釋為電荷密度，把粒子解釋為波包，但他無法解決“波包擴散”的問題。最終經過他與波恩的多次學術交流，他逐漸認識到波函數其實是代表粒子在某時某個位置出現的幾率，是一種幾率波。
二、近代物理知識簡介
近代物理的知識主要分為兩大類：相對論和量子力學。相對論分為狹義相對論和廣義相對論，內容包括伽利略坐標系、邁克爾遜-莫雷實驗、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質能關系式和相對論能量-動量關系式等。量子力學知識包括黑體輻射、光電效應、波爾原子模型、康普頓效應、德布羅意波、戴維遜和革末實驗證實了電子的波動性、不確定性原理和薛定諤方程等。這些近代物理理論的公式通常比較復雜，需要用到高等數學的知識，比如薛定諤方程是一個偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對于近代物理公式的求解就變得十分困難，也不太直觀。圖2羅列了按時間順序出現的課堂上需要講授的量子力學公式。
黑體輻射公式描述的是頻譜（單色能密度）u（v，T）和溫度以及頻率的關系式。光電效應是指每種金屬存在截止頻率。當照射在金屬上的頻率小于截止頻率時，不管光強多大，照射時間多長，也不會有光電子產生。而當照射在金屬上的頻率大于截止頻率時，不管光強多小，也會產生光電子，且響應時間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動能與光輻射頻率成線性關系，而與光輻射強度無關。當頻率在截止頻率之上時，單位時間內發射出來的電子數目即光電流強度與光輻射強度成正比。在光電效應理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動量和光的波長成反比。
波爾的原子模型給出了電子在分立軌道上的能量公式。能量和電荷的四次方成正比，跟定態的平方成反比。電子在定態具有分立的能量，在定態運動時不輻射電磁能量；但電子可以從一個定態能級躍遷到另一個能量低的定態能級，相應于兩個能級差的能量將作為光子被釋放出來。德布羅意公式則是給出了物體的能量和動量與其說對應的物質波的波長和頻率之間的關系。動量和波長成反比，而能量和頻率成正比。薛定諤方程精確地給出了物質波函數的表現形式。微觀粒子的量子態可用波函數表示。當波函數確定，粒子的任何一個力學量及它們的各種可能的測量值的幾率就完全確定。波函數跟粒子的質量和勢能相關。波函數的自變量中包含空間坐標和時間坐標。由于薛定諤方程中出現虛數i，所以波函數原則上應是復數。它同時滿足能量守恒，是線性的、單值解的。它給出的自由粒子解與簡單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對于薛定諤方程之于非相對論量子力學，狄拉克方程[4]是相對論量子力學的一項描述自旋-1/2粒子的波函數方程，不帶矛盾地同時遵守了狹義相對論與量子力學兩者的原理，實則為薛定諤方程的洛倫茲協變式。這個方程預言了反粒子的存在。
三、近代物理科學史和近代物理知識的結合講解
近代物理課如果只是講解近代物理知識，往往顯得枯燥無味，難以理解。其實任何科學知識都不是憑空產生的，往往經歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質變，導致相對論或量子力學的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經過很多科學家幾十年的努力。如果一開始就講解薛定諤方程，同學們通常很難理解。而如果采用循序漸進的方法并結合科學史來講，抽絲剝繭，逐漸揭開真理的面紗，那么同學們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結合科學史和科學人物的近代物理講解流程。在講解科學史的過程中，重點講解科學人物和他們的研究方法，以及這些近代物理公式是怎么一步步得來的。通過近代物理知識和科學史的結合講解，可以啟發同學，讓他們了解任何知識都是建立在前人知識和研究的基礎上。比如普朗克的黑體輻射公式來自于瑞利-金斯定律和維恩位移定律的啟發。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結果，卻無法解釋高頻率下的測量結果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結果，卻無法解釋低頻率下的測量結果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進行一下內插。通過這種歷史背景的介紹，同學們就對普朗克公式的來龍去脈知道得一清二楚，對此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實一開始是一個不得已而為之的公式，然后普朗克對此公式進行反推，發現只有認為能量是量子化的，才能得出跟實驗結果相吻合的普朗克公式。能量是非連續而是分立的，即使這個想法在當時是多么背離人的日常經驗和驚世駭俗，由于它是唯一的解釋，普朗克也就不得不接受了這個能量量子化思想。
而能量量子化這個理論不管在當時看上去多么荒謬，還是有人慧眼識珠的。5年之后的1905年，愛因斯坦憑著他對物理學的敏銳欣然接受了能量量子化這個觀點，并在此基礎上解釋了光電效應。近代物理的科學史是一環扣一環，十分引人入勝。在課堂上授課時通過人物->公式->人物…->公式的順序把所有近代物理的公式合理地銜接起來，自成一個整體，同學們學習起來就會思路清晰，公式也會記得牢，進而對公式能活學活用。普朗克和愛因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數很快發現愛因斯坦狹義相對論重要性的人之一。在愛因斯坦發表光電效應的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個觀點，并進而創新性地提出了三個假設：（1）定態假設，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運動，這些軌道對應確定能量值的穩定態，電子在這些狀態（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設，即原子在不同定態之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發射能量；（3）角動量量子化假設，即電子軌道角動量是分立的，首尾位相相同的環波才能穩定存在。波爾根據這三種假設成功推導出了氫原子的光譜公式，和實驗結果完全吻合。
接下來就輪到德布羅意登場。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點。以前的量子論觀點都是圍繞光和能量，沒有觸及實際的物質或粒子。而德布羅意破天荒地提出任何物體都具有波粒二象性，既包括光，也包括電子、原子甚至人體等所有宇宙中的物體。德布羅意當時的博士生導師朗之萬不認可這個觀點，但是他比較有責任心，沒有直接否決掉德布羅意的博士論文，而是把論文寄給愛因斯坦定奪。而愛因斯坦對物理的理解十分透徹，他馬上承認了德布羅意的博士論文的正確性，并且將論文送去柏林科學院，使此理論在物理學界廣為傳播。1924年，德布羅意又提出可以用晶體作光柵觀察電子束的衍射來驗證他的波粒二象性理論，因為電子的波長和晶格間距處于同一個數量級。很快就有人響應了德布羅意的實驗設想，1927年，克林頓?戴維森和雷斯特?革末用電子轟擊鎳晶體，果然發現電子的衍射圖譜，和布拉格定律預測的一模一樣，這證實了德布羅意的波粒二象性理論正確無誤。既然電子是一個波，那就應該有個波動方程。所以德布羅意的理論極大地啟發了海森堡和薛定諤，導致這兩位科學家同時在1925年分別發表了薛定諤方程和矩陣力學，兩者可以得到同樣的結果。薛定諤隨后證明，兩者在數學上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學容易理解，所以近代物理的授課一般只講薛定諤方程。薛定諤提出了薛定諤方程之后，又有個新問題，就是此方程不符合相對論協變性原理，即物理規律的形式在任何的慣性參考系中應該是相同的。所以需要有另外一個量子力學方程來滿足相對論。這個任務最終是3年之后（即1928年）由狄拉克來完成的。至此，在講述有趣的近代物理科學史的同時同學們也掌握了豐富的近代物理知識。
總而言之，在近代物理的教學過程中結合近代物理科學史進行授課，提高了同學們對于近代物理知識的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學們在掌握知識的同時更了解了科學家們科學的研究方法，“授之以漁不如授之以魚”。該教改收到了十分良好的效果。
參考文獻：
[1]格雷克.牛頓傳[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]艾薩克森.愛因斯坦傳[M].長沙：湖南科技出版社，2012.
量子力學對科技的影響范文4
2012這個末日論漫天飛舞的年份里，歐洲核子研究中心傳出一個很實在的消息；大型強子對撞機（lhc）捕獲了非常類似希格斯玻色子的信號。希格斯場是物質質量的來源，希格斯玻色子如果被確證，那楊振寧一米爾斯規范場理論的標準模型將畫下·個完美的句號。預言這個粒子的希格斯老爺爺已經80多歲了，很多人都期待著他成為今年諾貝爾物理學獎的最終贏家。
結果有些出入意料，希格斯老爺爺遺憾落選，獎項授予美國的大衛·維蘭德（david j.wineland）和法國的塞爾日·阿羅什（serge haroche）。這兩名實驗物理學家在過去20多年的研究中開創了測量與操縱單個量子系統的實驗方法。阿羅什的實驗方法是用原子測量單個光子，而維蘭德的實驗是用激光控制單個離子。他本文由收集整理們都反復進行了一系列實驗，并發表了大量論文。
科學背景
高中物理講過，原子中間是一個極小的原子核，外圍是電子，不過原子層次的物理現象沒法用牛頓的經典力學解釋，為了說清楚原子的事兒，物理學家們創立了量子理論。這個理論認為物質粒子也具有波的性質；粒子也不像皮球那樣缺乏個性地沿著確定的路徑運動，而是可以同時處于多種狀態，循著無窮多的任意路徑達到最終狀態。物理過程必須考慮所有可能路徑的總匯。
量子理論雖然如天書，卻是微觀世界真實的客觀規律。它不但用于原子能級、光譜、半導體、超導等現象，也被用于化學、生物等領域，還用來計算分子結構以及解釋生物化學過程。沒有量子理論，孰不會有晶體管、集成電路、激光，也就不會有計算機與計算機通訊?？梢哉f，量子的宏觀應用已經使人類從電氣時代進入了微電子時代。
暈死人的量子世界
維蘭德來自于美國加州，中學時并不是最優秀學生，在高中最后一年才對物理產生了興趣。大學原本讀的數學專業，后來才改學物理，拿到物理博士學位后在美國國家標準技術研究所當研究員。他在那里干了37年，主要研究用離子束縛（iontrap）探索量子世界。
維蘭德與阿羅什的研究是直接操控并測試單個粒子的量子系統。對于維蘭德的實驗，他的方法是用電場把單個離子（如汞離子）限制在一個勢阱（可以把它想象成一個無
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形牢籠）內，就像用磁場把磁懸浮列車懸在空中一樣。這個離子在勢阱里只能來回運動，無法逃逸出去。
被束縛在勢阱里的離子整體只能來回振動（你可以理解為折返跑），而離子內部的電子也有不同的能級。這個振動的能量是量子化的，也就是一級一個臺階，只能在不同的能級之間跳躍。離子內部的能量也是量子化的，也是一級一個臺階。
維蘭德的秘訣是調節激光的頻率，迫使離子內部能級跳上一個臺階的同時讓它的振動能級跳下一階，這樣離子就會從內部高能級回落到低能級，不斷重復下去達到降低振動能級的效果，使離子處于運動能量最低的狀態。離子從高能級向低能級躍遷的時候釋放的能量轉換為一個光子，而光子的頻率正比于它的能量。在固體與氣體中，原子能級躍遷時的發光受到其他原子以及自身運動的影響，導致頻率的擾動。而單個孤立的離子則不受這些因素的干擾，因而可以實現很高的頻率精度。在另一個實驗中，通過不同的激光對離子照射，使它同時處于兩個量子狀態——這就是量子力學里“薛定諤的貓”，而且進行了相應的測量。在更為復雜的實驗中，三個離子形成量子纏繞狀態，構成三個可以用于量子計算的量子位元（qubit）……過去對量子力學的檢驗大多是基于統計結果，而通過對單個離子的精準控制，維蘭德等人的各種實驗與測量直接從微觀層次驗證了量子力學。
阿羅什與維蘭德殊途同歸。他的實驗是通過兩面鏡子來回反射把光子關進一個空腔，通過測量這些光子對高能級原子的影響得出光子的量子信息。
應用與展望
量子力學對科技的影響范文5
1.發現外爾費米子
2015年2月16日，中國科學院物理所與普林斯頓大學的兩個獨立團隊先后宣布，在一種特殊晶體中發現了外爾費米子。1929年，德國物理學家外爾提出，狄拉克方程無質量的解描述的是一對具有相反“手性”的新粒子，即外爾費米子。
多年來，研究者一直未能在實驗中發現這種粒子，后來凝聚態物理的發展讓物理學家得以在特殊晶體中尋找外爾費米子。理論計算表明，特殊晶體內的電子態符合無質量、具有手性的特征，即存在相當于外爾費米子的準粒子，而進一步的實驗證實了這個預言。
外爾費米子的性質使其在新型電子器件開發和拓撲量子計算等領域有著廣泛的應用前景。
2015年4月24日，中山大學黃軍就團隊在《蛋白質與細胞》雜志上稱，他們運用基因組編輯技術在無法發育成胎兒的異常人類胚胎中刪除并修復了與地中海貧血癥有關的HBB基因。這篇曾因倫理等問題被《自然》、《科學》拒稿的論文，引發了廣泛的爭論。
這些爭論直接促成了2015年12月的“人類基因編輯國際峰會”。在此次會議上，20多個國家的參會科學家一致認為，以“定制嬰兒”為目的改變人類胚胎或生殖細胞基因組是不負責任的，但不應排除以其他目的在胚胎層面進行基因組編輯的可能性。
3.大腦中的淋巴系統
2015年6月1日，弗吉尼亞大學醫學院的神經科學家稱，他們在小鼠硬腦膜上發現兩根與外周免疫系統直接相連的淋巴管，而人類的硬腦膜上很可能也存在類似結構。
這一發現在改寫教科書的同時，也顛覆了科學界對神經-免疫系統相互作用的認識，將對腦部給藥以及自閉癥、阿爾茨海默病、多發性硬化癥等多種與免疫和炎癥相關的神經系統疾病的研究與治療產生重要影響。
4.“新視野”號飛掠冥王星
2015年7月14日，美國航空航天局的“新視野”號探測器在經過9年時間的漫長跋涉后，終于抵達并近距離飛掠了它的目的地――冥王星。在此期間，“新視野”號通過搭載的科學儀器采集了大量數據，并在之后不斷傳送回地球。
冥王星曾被當作行星中的一員，也是柯伊伯帶天體的代表?？乱敛畮祗w遠離太陽，化學成分的演化很緩慢，可能還保存著與太陽系誕生以及生命起源相關的線索，但由于它們距離地球非常遙遠，此前天文學家對其了解非常有限。
5.量子力學的“超距作用”
量子力學最讓人迷惑的特性之一，就是它可以容許相隔甚遠的兩個粒子發生瞬時的相互作用，對一個粒子進行觀測會同時影響另一個粒子，且不受光速的限制。
2015年8月24日，荷蘭代爾夫特理工大學的團隊宣布，他們設計并進行了迄今為止最嚴格的實驗，證明了量子力學的“超距作用”是真實的。這一新發現可促進量子加密技術的研究。
6.火星上存在液態水
2015年9月28日，美國航空航天局召開會，宣布火星勘測軌道飛行器（MRO）發現了火星存在流動液態水的有力證據。利用MRO上的成像光譜儀，研究者在有神秘條紋的火星山坡上探測到了水合礦物的特征信號。這些暗色條紋會隨時間的推移反復消失和出現――在溫暖的季節，這些條紋顏色會加深并顯現出來，而在較冷的季節則消失不見。
這一發現增進了人類對火星的了解，有助于研究生命形成的條件。
量子力學對科技的影響范文6
一、簡介
量子通信又稱量子隱形傳送（Quantum Teleportation），量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信是一種全新通信方式，它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息，是未來量子通信網絡的核心要素。
量子隱形傳送所傳輸的是量子信息，它是量子通信最基本的過程。人們基于這個過程提出了實現量子因特網的構想。量子因特網是用量子通道來聯絡許多量子處理器，它可以同時實現量子信息的傳輸和處理。相比于經典因特網，量子因特網具有安全保密特性，可實現多端的分布計算，有效地降低通信復雜度等一系列優點。
量子通信與成熟的通信技術相比，量子通信具有巨大的優越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點，是21世紀國際量子物理和信息科學的研究熱點。
二、基本原理
量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子信息學告訴人們，在微觀世界里，不論兩個粒子間距離多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子的現象叫量子糾纏，這一現象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”?？茖W家認為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統的基礎。
量子態的隱形傳輸在沒有任何載體的攜帶下，而只是把一對攜帶信息的糾纏光子分開來，將其一的光子發送到特定的位置，就能準確推測出另一個光子的狀態，從而達到“超時空穿越”的通信方式和“隔空取物”的運輸方式。
量子態隱形傳輸就是遠距離傳輸，是在無比奇特的量子世界里，量子呈現的“糾纏”運動狀態。該狀態的光子如同有“心電感應”，能使需要傳輸的量子態“超時空穿越”，在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現。事實上，糾纏的兩個粒子盡管可以在很遠的距離上一個影響另一個，但它們無法傳遞任何信息。以密鑰為例，當雙方共享同一套密鑰時，并沒有發生信息的傳遞雙方無法利用密鑰做任何事情，直到加密的文本傳來，密鑰才有意義傳送加密文本的速度仍然不可能超過光速。相對論沒有失效。量子通信和傳統通信的唯一區別在于，量子通信采用了一種新的密鑰生成方式，而且密鑰不可能被第三方獲取。量子通信并不神奇。
在建立量子態隱形傳輸的基礎上，科學家又疊加上了“后選擇”算法，完成了一種新模型（P-CTCs）?！昂筮x擇”算法能夠確保某一特定類型的量子信息態進行隱形傳輸，而將其他量子信息過濾掉。只有經“后選擇”法認定傳輸前后能自相一致的量子信息態，才有資格得到這種“通行證”，進行隱形傳輸。這種情況下，時間旅行成立的先決條件就是一個自治、不產生矛盾的環境狀態。它允許回到過去時空，但禁止一切可能在未來導致悖論產生的行為。
量子通信系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置。
按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類：前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。
三、存在問題
有人指出量子密碼可能并非想象中的牢不可破。在2008年，就有瑞典林雪平大學學者拉森和挪威科技大學學者馬卡羅夫分別指出量子通信體系的漏洞。雖然這些并不是量子密碼原理的不完滿，而是系統的不適應，卻也讓人們對未來的量子通信體系留有一些不確定。
而量子力學本身留給人們的不確定性更多。量子糾纏中超越光速的超距作用因違背光速不變原理而難以置信，而量子糾纏的發生機理至今（2012年）仍是未解之謎，量子力學與廣義相對論之間的不相容問題列為當代科學所面臨的四大難題之首。
四、應用狀況
量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發展。自1993年美國研究人員提出量子通信理論，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究。瑞士、法國等歐美國家也成立公司進行量子通信的商業研發。
歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個。
日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。
2009年，量子政務網、量子通信網相繼在中國建成。這兩個可投入實際使用的量子通信網絡，標志著原本停留在紙面和實驗室的量子保密通信，已經開始在人們的日常生活中應用。2011年，中國科學院啟動了空間科學戰略性先導科技專項，計劃在2015年左右發射全球首顆“量子通訊衛星”。中國于2011年10月在青海湖首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。
量子通信技術將給軍事通信特別是潛艇通信帶來革命性的影響。
參考文獻
[1]GJB72A-2002 量子通信技術.
