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何为量子技术（What is quantum technology） Guolin Wu
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何为量子技术
吴国林
我们现在所见的技术都属于经典技术，但是，量子力学与量子信息理论所我们展现了量子技术的广阔前景。我们下面进行有关的讨论。
关于科学与技术的关系，是技术哲学的一个基本问题。为讨论问题的方便，我们把量子力学与量子信息论统称为量子科学。
一般而言，从技术本身（实际上是经典技术）来看，我们把技术的要素主要分为经验性要素、实体性要素与知识性要素。技术是由这三类要素相互作用生成的。经验性要素主要是经验、技能等这些主观性的技术要素，主要强调技术具有实践性。实体性要素主要以生产工具、设备为主要标志，主要强调技术具有直接变革物质世界的能力，变革天然自然、人工自然或技术人工物。知识性要素主要是以技术知识为标志，强调现代技术受技术理论和科学的技术应用的直接影响。
我认为，量子技术也包括这三类要素，量子经验性要素、量子实体性要素和量子知识性要素。量子经验性要素表明量子技术的使用也需要有人的经验的积累，但它并不构成量子技术的主要性要素，这一要素的作用可以忽略。量子实体性要素是量子知识性要素的载体，表现为量子技术人工物（量子技术客体）。量子知识性要素主要是指量子技术是量子力学和量子信息论等量子理论的应用。没有量子理论就不可能有量子技术，也不可能凭宏观的技术经验发明出量子技术人工物。
下面我们将讨论的激光器、晶体管与扫描隧道显微镜等，它们都是量子理论的直接或间接的发明物，量子信息技术更是量子理论的产物。因此，量子技术必定是量子理论的应用。
量子技术的进展特别表现为量子技术人工物的发明，具体表现为以下几种情况：
（1）1900年，物理学家普朗克提出了“能量子”概念，标志着量子力学新纪元的开始。爱因斯坦于1905年提出了“光量子假说”以解释“光电效应”。1916年，爱因斯坦指出辐射有两种形式：自发辐射和受激辐射。受激辐射成为激光器的发明的重要理论基础。受激辐射是指一个处于高能态的粒子在一个频率适当的辐射量子的作用下，会跃迁到低能态，并发射一个频率和运动方向同入射量子全同的辐射量子。受激辐射和粒子数反转概念、无线电电子学中的反馈概念、光子学中的干涉仪器件综合起来形成了激光器的思想。激光技术是以量子理论为主的现代物理学和现代技术相结合孕育出来的一门科学技术，它的发展历史不仅充分显示出量子理论对激光技术发明的预见性。
（2）1926年，狄拉克在薛定谔的多体波函数启示下，研究全同粒子系统。他发现，如果描述全同粒子的多体波函数是对称的，这些粒子将服从玻色—爱因斯坦统计。如果这一波函数是反对称的，这些粒子将服从费米—狄拉克统计。1928年，索未菲将费米—狄拉克统计用于电子气体，发展出了量子的金属自由电子气体模型，这是不同于经典的自由电子气的新的、量子机制的金属电子论。后经布洛赫研究，提出了固体的能带论，后有固体量子论的提出。最终在贝尔实验室的规划下，并在量子力学的指导下研究固体量子理论，1947年晶体管得到发明。
（3）量子力学中有一个著名的量子效应，即量子隧道效应。在经典物理中，粒子不能越过能量大于它的势垒而进入到另一个区域。而在量子力学中，即使粒子能量小于势垒高度，粒子仍有一定的概率能穿透势垒而进入势垒后的区域，好像在势垒中有一个“隧道”能使少量粒子穿过而进入垒后区域，这就是量子隧道效应。1981年，IBM公司苏黎士实验室的宾尼和罗雷尔利用电子的隧道效应制成了扫描隧道显微镜(STM)。STM正是利用隧道电流对间距a变化的敏感性来工作的。STM的扫描过程描述为，针尖在扫描控制系统的控制下，可沿样品表面作三维移动，随着样品表面的起伏，针尖—样品间距将发生变化，隧道电流随之变化。STM发明以后，相继诞生了一系列在工作模式、组成结构及主要性能与STM相似的显微仪器，构成了一个不断发展的“扫描探针显微镜”家族，它们具有广泛测量与微加工等用途。
（4）量子力学与信息科学的结合产生了量子信息技术。量子信息（quantum information）是近10年来受到国内外高度关注的重要理论问题和技术问题。
上述的四种量子技术中，前三种情形是通常意义上的量子理论对量子技术的启示或某种程度的应用，它们并没有带来大规模的量子技术的广泛应用，量子理论与量子技术之间的关系有的是直接的，有的则是间接的。第四种量子技术，即量子信息技术直接建立在量子理论的基础之上，而且还建立了量子信息论，将量子理论的研究与应用提升到一个新的水平，为量子技术的应用开辟了广阔的前景，量子信息技术以量子纠缠作为其基本标志。前三种量子技术的产生时期都是将量子纠缠（包括EPR关联）作为一个概念或作为一种有待确定的东西或佯谬来看待，而量子信息技术则是将量子纠缠作为一个基本的物理性质或物理事实来看待，这就是说，量子纠缠从概念或佯谬到科学事实是量子技术发生突变的分界判据。
实际上，量子技术已正在形成相当大的一个高技术群。道林（Jonathan P. Dowling）和密尔本（Gerard J. Milburn）在《量子技术：第二次量子革命》中，将量子技术分为五大类：量子信息技术、量子电机系统、相干量子电动学、量子光学和相干物质技术。量子信息技术包括量子算法、量子密码学、量子信息论；量子电机系统包括单自旋磁力共振显微镜方法；相干量子电子学包括超导量子电路、量子光子学、自旋学、分子相关量子电子学、固态量子计算机；量子光子学包括量子光学干涉仪、量子微影术和显微镜方法、光子压缩、非相互作用成像、量子隐形传态；相干物质技术包括原子光学、量子原子引力梯度测量仪、原子激光。这里的分类中，也有交叉，比如，量子隐形传态不仅可以用光子偏振等实现，也可以利用原子等微观粒子的性质来实现，量子隐形传态可以归入量子信息技术之中。比如，戴葵等在《量子信息技术引论》中，将隐形传态归入量子信息技术。
通常的技术是经典技术，它能够在经典力学的框架中得到理解。对于量子技术来说，有两种力学推动它的产生，一是从实践上来看，技术创新推动器件的小型化，最终这些器件将在长度上到达纳米尺度，在作用量上到达普朗克常数的尺度。按照莫尔定律，计算机芯片的集成度每18个月将翻一番。当集成电路线宽小于0.1微米时，量子效应开始影响电子的正常运动，解决问题的一种途径只能利用量子力学理论来解决。二是从更基础的意义上看，量子力学的原理给我们在经典的框架内改进器件的性能提供了可能。如果以普朗克为代表的起始于20世纪初的第一次量子革命，主要是检验量子力学是否正确和完备，仅有少量的基于量子力学的量子技术产品的问世，那么，第二次量子革命起始于20世纪末，通过利用量子力学的有关规律和原理，发展新的量子技术。量子技术在于利用量子科学的规律来组织和控制微观复杂系统的组成。
显然，量子技术就是量子科学的应用。于是，我们可以作如下的界定：量子技术就是建立在量子力学和量子信息论基础之上的新型技术。没有量子理论就不可能有量子技术，也不可能凭宏观的技术经验发明出量子技术人工物。不论是前面的激光器、晶体管，还是扫描隧道显微镜等，它们都是量子理论的直接或间接的发明物，量子信息技术更是量子理论的产物。因此，量子技术必定是量子理论的应用。
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