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导读
这正是我们急需的科普。
《量子信息简话》
中国科学技术大学出版社
院士推荐
量子力学是对大自然尤其是微观世界的本质描述，是当今物理学的两大支柱之一。近四十年来，量子力学与信息科学结合，产生了量子信息，成为现代科学中发展极其活跃的领域之一。包括我们的团队在内，许多研究组在量子精密测量、量子通信、量子计算方面取得了很多突破，极大地拓展了人类的知识边界和技术边界。然而，在这个领域一直缺少一本深入浅出、能够让所有感兴趣的读者读懂的科普著作，这对科学的发展和公众科学素质的提高都是缺憾。所以我非常高兴地向大家推荐袁岚峰博士的这本《量子信息简话》，这正是我们急需的科普。
中国科学院院士，中国科学技术大学副校长杜江峰
“遇事不决，量子力学。”大家或许都听过这句话。到底什么是量子力学？量子力学到底是干什么的？大部分人都很难回答清楚。大家可能觉得量子力学理论晦涩难懂，完全超乎常人的生活经验，实在太难以理解了，但它实际上早就在我们的生活中有着广泛的应用。袁岚峰博士在《量子信息简话》一书中用最通俗易懂的语言回答了这个问题。
（节选自《量子信息简话》1.4 量子力学能用来干什么？更该问的是它不能干什么！）
在知道了量子力学这个学科后，许多人就会来问：它能用来干什么？
实际上，这个问题问偏了。真正有意义的问题是：量子力学不能用来干什么？因为量子力学能干的实在是太多了，几乎找不到跟它没关系的地方！
如果你问：相对论能用来干什么？倒是能给出一些具体的回答。
例如在宇宙学中，大爆炸、黑洞等现象离不开广义相对论。太阳对光线的偏折、水星近日点进动，都是广义相对论的经典例证。
水星近日点进动
又如在重元素的化学中，当原子核的电荷数很大时，内层电子的速度会接近光速，产生显著的相对论效应，由此导致“镧系收缩”（lanthanide contraction）等现象。
又如对于北斗和GPS等卫星导航系统，既有广义相对论的效应，又有狭义相对论的效应。天上的引力比地面的弱，由此导致天上的时间流逝得快一点，这是广义相对论的效应。同时卫星相对于地面高速运动，由此导致卫星的时间流逝得慢一些，这是狭义相对论的效应。这两个效应方向相反，具体哪个效应大取决于卫星的高度。卫星导航系统一定要对这两个相对论效应进行修正，否则定位就会有很大误差。
相对论在日常生活中的应用也许还能列出一些，但整体上实在是不多，因为我们平时很少遇到接近光速的运动和强引力场的条件。实际上，广义相对论的研究者在所有物理学家中只占一小部分，甚至学过广义相对论的学生在物理专业中也只占一小部分。而相比之下，学过量子力学的人就太多了，所有物理专业和化学专业的学生都要学。
量子力学的研究活跃度也大大高于相对论。在媒体报道中你会发现，量子领域日新月异，而相对论领域的大新闻却是发现一种爱因斯坦一百年前预言的现象引力波。
两个黑洞合并放出引力波
为什么量子力学无所不在？基本的道理在于，描述微观世界必须用量子力学，而宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此，不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用到量子力学，而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用到量子力学。
许多最基本的问题，是量子力学出现后才能回答的。例如：
1 原子的稳定性
为什么原子能保持稳定？也就是说，为什么原子中的电子不会落到原子核上？这在刚发现原子结构的时候是一个严重的问题，因为电子带负电，原子核带正电，按照经典理论，电子一定会落到原子核上，原子也就崩塌了。为什么这没有发生呢？
回答是：因为原子中电子的能量是量子化的，有个最低值。如果电子落到原子核上，能量就变成负无穷，低于这个值了，所以它不能掉下去。
2 化学的基本原理
为什么原子会结合成分子？例如两个氢原子H结合成一个氢分子H2。回答是：因为分子的能量也是量子化的。如果分子的最低能量低于各个原子的最低能量之和，例如氢分子的能量低于两个氢原子的能量，那么这些原子形成分子时就会放出能量，形成分子就是有利的。事实上，根据量子力学原理，我们已经能够精确计算很多分子的能量了。
原子模型
3 物质的硬度
为什么物质会有硬度？比如说一块木头或一块铁是硬的。这个问题实际上就是，为什么会存在固体？在微观上也就是说，为什么原子靠得太近时会互相排斥，而不会摞到一块去？
回答是：因为有一条基本原理叫作泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），说的是两个费米子（fermion）不能处于同一个状态。费米子是一类粒子的统称，电子就属于费米子。这条原理决定了，当两个原子靠得太近时，就会产生一种强烈的排斥，阻止两个电子落到相同的状态。
泡利不相容原理
4 导电性
为什么有些物质能导电，例如铜和铝？为什么有些物质不导电，例如木头和塑料？为什么又有些物质是半导体，例如硅和锗？为什么还有些物质是超导体，例如低温（低于4.2 K）下的水银？
这些关于导电性的问题，在量子力学出现之前是无法回答的。大家可以回忆一下，在中小学是如何解释导电性的。那时最好的解释是所谓自由电子的理论：有些物质导电是因为其中的电子是自由的，而另一些物质不导电是因为其中的电子不是自由的。但请仔细想想，这真的解释了任何事情吗？其实并没有，它只是循环论证而已，因为它不能预测。如果你追根究底地问：为什么铜和铝中的电子就是自由的，木头和塑料中的电子就是不自由的呢？这就完全说不清了。
真正的改变发生在量子力学出现以后。人们发展出了一套理论，可以明确地解释和预测哪些物质会导电，哪些物质不导电。它叫作“能带理论”（energy band theory）。
根据能带理论，大量能量十分接近的能级组成一条条能带。如果电子部分占据一条能带，最上面的电子只需极少的能量就能跳到上面的能级，这种体系就是导体（conductor），例如铜和铝。如果电子完全占满了一个能带，而跟下一个能带之间有一个显著的能量间隙，最上面的电子需要很多能量才能跳到上面的能级，这种材料就是绝缘体（insulator），例如木头和塑料。
导体、绝缘体和半导体的能带
能带理论不但能解释导体和绝缘体，还能指导我们制造和操纵新的材料，例如半导体（semiconductor）和超导体（superconductor）。如大家所知，半导体是整个芯片（chip）技术的基矗在这些意义上，所有的电器都用到了量子力学。只要你在用电，你就在用量子力学了！因此，要找一个没有用到量子力学的现代技术，几乎不可能。
量子力学不但能用来解释自然界已有的现象，还能用来创造自然界没有的现象。例如，激光器和发光二极管都是根据量子力学的原理设计出来的。
高功率激光
所以我们可以明白，现代社会几乎所有的技术成就都离不开量子力学。你打开一个电器，导电性是由量子力学解释的，电源、芯片、存储器、显示器等器件的工作原理都来自量子力学。你走进一个房间，钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶等材料的性质都是基于量子力学的。你登上飞机、汽车、轮船，发动机中燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。你研制新的化学工艺、新材料、新药等，都离不开量子力学。
《量子信息简话》一书的副标题是“给所有人的新科技革命读本”，无论是中小学生，还是大学生，还是专业的科研人员，还是政府工作人员，所有对科学感兴趣的人都会从中有所收获。
这是当前铺天盖地而的重要话题，而又是一般公众望而生畏不敢涉猎的话题。我虽然在大学生时代旁听过量子力学，但早已还给老了。即使记得也是六十多年前的过时知识了。现在想知道，但又鼓不起勇气再找本新的量子力学教课书来读，而短的科普文章则只能知道结论，无从判断是否有理。所以您这本书极其应时。我觉得就像量身定做为我这样的有很强的好奇心，不满足于知其然，而还想知道其所以然的外行读者写的！
复旦大学生命科学学院退休教授、脑科学科普作家 顾凡及
杜老师寄来了你的亲笔签名大作已收到，多谢多谢！正好最近也想系统了解一些量子新科技领域的基础和进展。由于潘建伟的影响力，作为科大人一到会议或聚会就会被问起量子科学方面的话题，不管是被动还是主动，都得掌握一点相关知识。拿到你这本大作，我迫不及待简单翻了一下，可以算是最专业的系统化通俗读本，是夜明珠，是及时雨，更是黄金屋。待这几日细细品读，虔心消化，不解之处再向岚峰兄弟请教。再一次表示感谢。
前紫光集团总裁，1978级科大少年班校友 郭元林
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