你口袋里的量子
“量子”课程第 5 课，共 23 课。免费，有动画和小测验。
你的手机就是量子设备
量子物理不只是关于未来。没有它就没有智能手机。芯片、存储、摄像头、屏幕、面容 ID 和 GPS，靠的都是只有量子能解释的效应：能量台阶、隧穿、光子。工程师用这些规则已经 70 年了。接下来逐个拆开看，你会明白量子比特是顺理成章的下一步，而不是凭空冒出的科幻。
晶体管：190 亿个水龙头
晶体管就是电子的小水龙头：开是 1，关是 0。苹果 A17 Pro 芯片里有 190 亿个。为什么硅有时导电、有时不导电？经典物理解释不了。答案来自量子理论：晶体里的电子有允许和禁止的能带，也就是第一课里的那些台阶。没有这个理论，就不会有任何一台电脑。顺便说一句，晶体管的普通比特，正是之后要拿来和量子比特比较的那个 0 或 1。
激光和面容 ID
1917 年爱因斯坦发现：一个光子可以“说服”处于激发态的原子，放出一个一模一样的光子，颜色相同、方向相同。1960 年，人们按这个想法造出了第一台激光器。普通灯泡发出的光子乱七八糟，激光则是一支整齐划一的光子大军。你身边的例子：收银台的扫码器、光纤宽带，还有面容 ID：它往你脸上投射 3 万多个看不见的激光点，用它们建出 3D 地图。
GPS 靠原子钟撑着
手机靠卫星信号确定你的位置：比较每个信号发出和到达的时间。光在百万分之一秒里能跑 300 米，所以时钟必须精确得离谱。卫星上装的是原子钟：它们数的是铯或铷原子里电子在台阶之间的跳跃。从 1967 年起，1 秒被正式定义为铯辐射振荡 9,192,631,770 次。没有量子台阶，导航会偏差好几公里。
医院、灯泡、电视
核磁共振通过你体内的氢原子核看清器官。每个原子核都有“自旋”，这是一种量子性质，就像一块小磁铁。超导磁体让自旋排好队，再用无线电波让它们“响”起来。蓝光 LED 让日本科学家拿到了 2014 年诺贝尔奖，没有它就没有白光 LED 灯和屏幕。QLED 电视里的量子点能发出纯净的颜色，它们获得了 2023 年诺贝尔化学奖。
第一次和第二次量子革命
前面讲的都是第一次量子革命：晶体管、激光、时钟，用的是一大群粒子一起表现出来的量子规律。第二次革命正在发生：科学家学会了一个一个地控制原子、光子和电子，让它们保持叠加、彼此纠缠。量子计算机、量子通信和超精密传感器都从这里来。第二级里，你会亲手搭一个量子比特、加上门，在模拟器里看到干涉。
自测一下
- 下面哪个靠量子物理才能工作？
正确答案: 全部：芯片、面容 ID 和 GPS. 芯片里的晶体管靠量子能带，面容 ID 靠激光，GPS 靠原子钟。量子早就在你口袋里了，不只在未来。 - 为什么 GPS 离不开原子钟？
正确答案: 差百万分之一秒就是 300 米. 位置是根据信号飞行时间算出来的。光在百万分之一秒里跑 300 米，所以时钟要比普通时钟精确几百万倍。 - 第二次量子革命和第一次有什么不同？
正确答案: 能逐个控制粒子和它们的叠加. 第一次革命利用的是一大群粒子的量子规律；第二次是逐个操控粒子：叠加、纠缠、量子比特。