2025年，正值量子力学（quantum mechanics）诞生一百年，亦是联合国教科文组织订立的“国际量子科学技术年”（IYQ）。在科研探索层面，量子作为诺贝尔物理学奖的常客，其深远影响广受全球科学家认可；而其作为“未来”科技的潜能，随着量子计算、量子通信等走向实用，全球各国积极布局投入，视其为继人工智能后，另一可重塑未来经济与社会的关键力量，掀起新一轮科技竞逐。量子科学虽备受瞩目，惟对公众而言却显得抽象而艰深。香港文汇报由今日开始推出“量子新纪元”系列报道，透过访问大学顶尖量子科学家、科企负责人，及初探量子领域的资优生等，从知识科普、前沿突破、产业动态、人才培育等角度，引领读者了解量子科技的发展脉络及香港于其中的角色，助力掌握量子时代的新机遇。

走进量子世界 颠覆直觉新维度

量子 quantum 一词，源自拉丁语 quantus，意为“多少”，描述了最小的可测量物理单位；在微观世界，包括能量、质量等物理单位的数值均是离散的（量子化），而非连续任意取值，这颠覆经典物理学的认知，同时为科技开拓更多可能性。据国际量子科技年专页描述，量子技术正推动一些本世纪最激动人心的突破，改变人们对宇宙的理解；它揭示了一个隐藏的微观世界，在那里，粒子的运动方式颠覆人们的日常认知。在量子世界中，光既是波又是粒子，电子可同时存在于多个位置，而相隔甚远的两个粒子仍能保持神秘的关联。事实上，量子科学涉及不少与直觉认知不符的现象，有如踏入一个法则迥异的全新现实维度。记者尝试就多种量子现象以及前沿技术领域作简要说明，帮助读者从基础知识入手，打开量子之门，更掌握这些可能改变未来的科技。

量子叠加（quantum superposition）是量子力学中最具代表性现象之一。在经典物理学中，一个系统只能处于一种物理状态，但在微观世界的量子力学中，系统具有不确定性， 即可以处于各种不同物理状态，而各种可能性同时存在，这种不确定的状态称为“叠加态”。而当对系统进行测量，即观察者介入下，“叠加态”会“塌缩”为其中一个确定的状态。

硬币未定正反 猫可既生又死

若以掷硬币作比喻，于经典物理学，硬币只会处于正面或是反面两种状态；但在量子力学中，硬币就好比在旋转一样，同时表达正面与反面的各种可能性，也就是处于正面与反面的“叠加态”。

在量子力学讨论中，也经常提及其奠基者之一薛丁格提出知名思想实验——薛丁格的猫（Schrödinger's cat），当中诠释了量子力学于宏观世界经验中的荒谬性及违反直觉。在此思想实验中，猫装在封闭的容器内，当中置入具量子特性、会将猫杀死的放射性物质；而若要作出描述，在没打开盖子（观察者介入）前，猫不是生也不是死，而是处在生跟死的“叠加态”。

量子纠缠（quantum entanglement）则描述了粒子之间一种深层次的联系——即使相隔多远，当一颗粒子的状态发生变化时，与它相连（纠缠）的另一颗粒子的状态会瞬间受到影响。以比喻说明的话，可想像在不同地点掷出两颗骰子，无论它们相隔多远，只要其中一粒骰子掷出结果，与它纠缠的另一粒骰子总会掷出与之相关联的结果，有着“心电感应”般的神奇关联。

“鬼魅超距作用”引出通信技术前景

由于此种关联可无视距离，甚至超越光速，让爱因斯坦亦对此深感困扰，因而对量子纠缠作出了“鬼魅的超距作用”的著名描述。基于量子纠缠发展出广受关注的量子通信技术，透过操控微观粒子，开拓出现实世界的应用，其中由中国科学院院士潘建伟担任首席科学家的“墨子号”量子科学实验卫星更是有关领域的全球先驱，引领人类进入量子通信科技的新纪元。

此外，量子穿隧（quantum tunneling）效应亦广受关注，它描述了包括电子等微观粒子，即使其能量低于穿越障碍所需的能量，仍有可能穿越至障碍的另一边。惟根据经典物理学，物体必须拥有足够能量才能越过能障，因而无法解释此量子特性。而今年诺贝尔物理学奖，便证实了此量子现象于宏观系统中亦能呈现，为众多改变人类世界的量子技术打开大门。

三大量子科技概念、意义及应用实例

量子研究扫13诺奖 近四年两入殿堂

量子革命始于对黑体辐射的研究。1900年，普朗克提出能量以最小单位吸收或发射的理论，揭开量子论的序幕。1905年，爱因斯坦以光量子假说解释光电效应，为量子理论奠定基础。随后，拉塞福证实原子结构，波耳提出“量子跳跃”模型。1925年后，海森堡与薛丁格分别创立矩阵力学与波动力学，量子力学正式诞生，开启全新的科学时代。

在诺贝尔物理学奖的殿堂，单是直接涉及量子的研究，历来已获得13个奖项，几乎覆盖每一个世代。至近年相关突破更见火热，过去四年计，量子得奖研究占去物理学奖的一半。2022年，物理学奖颁授予3名科学家，表扬他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”的贡献，而今年的奖项则表扬科学家们“发现电路中的宏观量子穿隧和能量量子化”。2023年的诺贝尔化学奖得奖研究“发现和合成出量子点”，也与量子理论关系密切。

百年探索奠基 钻研深层规律

描述微观世界的量子理论，于物理学有举足轻重的地位，量子材料专家、香港科技大学物理系讲座教授罗锦团为记者娓娓道出有关发展历程。

他笑说，物理学有趣与令人赞叹的地方，在于尽管宇宙万象极其复杂，却能以简洁的数学语言去描述和理解世界：早在十六世纪，牛顿提出三大定律，以F = ma等简单公式，精准诠释日常物体的运动规律；十八世纪电磁学的诞生引发电力革命；十九世纪在爱迪生等人推动下，电力走进千家万户，彻底改变人类生活；二十世纪初，爱因斯坦提出相对论，再次实现物理学跃进。建基于此，各种前沿科技亦得以持续发展。

罗锦团提到，在十九世纪时，曾有观点以为，人类对宇宙与物理的理解已近乎完备，仅余少数未解之谜，但科学家始终坚持探究：“他们好奇原子为何能保持稳定？原子的结构是什么？原子与我们熟知的力学和电磁学之间有何关联？”正是这些提问，使人们发现经典物理理论无法解释微观现象，而在原子尺度上存在全新的规律——这便是后来诞生的量子力学。

从解释钻石铅笔 到掌握材料特性

原子与日常生活有何关联？罗锦团表示，唯有理解原子，才能掌握材料的本质。他举例说：“为什么钻石是透明的，而同由碳原子组成的铅笔芯却不透明？它们的性质为何截然不同？为什么矽是半导体的主要原料？为何有些物质是导体，有些却是绝缘体？”这些都是经典力学无法解释，却能透过量子理论逐一破解。

罗锦团说，量子力学是因科学家好奇心诞生，推动人类发现更深层的世界规律——从理解量子，到掌握材料特性，再到创造可实际应用的科研成果，筑起了量子科技过去百年的进步与根基。

迎第二次量子革命 超级算力重构产业

对百年量子理论的发展，香港中文大学量子信息技术与材料全国重点实验室主任刘仁保与记者分享道，这是人类文明的一次巨大飞跃，“从来没有哪一个科学成就，能如此深刻地改变整个人类对世界的认知。”

资讯与“可能性”理论观测万有

刘仁保解释，量子“力学”最初是为解释氢原子的光谱问题而发展，方程式亦源自经典力学，因此被称为“力学”。随着研究深入，科学界认识到量子理论的本质，并非单纯描述物质运动，而是一套关于资讯与“可能性”的理论，成为一个更宏观的规律体系，揭示了最根本的逻辑，在量子世界中，不同可能性可以合并、分叉、再合并，它们相互转化，呈现出极为奇妙的物理图景。

刘仁保介绍，早年科学家基于对量子理论的发现及认识，衍生了“第一次量子革命”，带来了超导体、半导体、核磁共振等重大技术应用；而随着更能掌握量子信息的实际操作和概念深化，人类正经历“第二次量子革命”，将进一步改变世界格局。

他坦言，这是一项极具颠覆性且难以完全预测的变革，大家可以放开想像，例如量子计算将带来现有极限的算力，有机会可以通过大规模量子模拟与计算实现，让科学家不再依赖传统实验以发现新的规律，甚至使“规律”本身成为可产品化的知识形态，从而重构制造业、知识业与设计业等各个生活领域。