preface

前  言

 既熟悉又陌生的量子

所有人都知道，量子代表着未来。

2020年前后，我国就掀起过一股发展量子产业的热潮。彼时，习近平总书记主持进行了关于量子科技研究和应用前景的集体学习，并提出“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋”。

随着新质生产力成为推进高质量发展和实现中国式现代化的关键所在，量子科技又一次得到了全社会的关注。作为很有可能带来新一轮产业革命的颠覆性创新，量子产业被寄予了以基础科技进步带动产业格局重塑，进而实现全面“弯道超车”的厚望，各地政府争相将重点发展量子产业写入工作报告，不少地方还出台了专门的产业扶持政策。

几轮“量子热”之后，量子力学的颠覆性和实用性已然深入人心，“量子”一词已经天然地和高科技绑定在一起了。网络上甚至还流传起了一种说法，叫“遇事不决，量子力学”。

但是究竟什么是量子呢？

虽然人人都听说过量子物理，也都认可量子科技一定蕴藏着改变世界的巨大潜力。但要是论起量子物理究竟是什么，量子科技到底如何改变世界，量子产业又是怎样落地的，这些问题又没有多少人能答得上来。

现在市面上不乏关于量子力学的科普著作，很多还是极为优秀的大家之作，用很多具体事例和生动场景讲清楚了量子物理好、量子科技妙的道理。但是具体到为什么好、为什么妙，要么转为介绍量子物理史，要么开始摘录量子力学的基本概念说明。从“研”到“学”再到“产”这一环，事实上是缺失的。

同时，网络上大多数普及性的介绍，事实上是关于量子信息产业的介绍。量子信息产业是用量子化的方式来实现对计算机、互联网等现代信息技术的升级改造，是量子产业不可或缺的重要板块。但量子产业的概念范围远比量子信息产业更大更广。早在2000年，中国科学院就成立了量子结构中心，2009年北京大学又创立了量子材料中心，量子结构和量子材料也是量子产业密不可分的一部分。

除此以外，现代的不少先进技术都是量子科技的衍生成果，或发源于基础量子理论，或脱胎于前沿科研装置。这些技术的出现都与量子理论的重大突破有关，自然也是量子产业结构的一环。

人人都听说过量子物理，人人都推崇量子科技，但很少有人了解量子产业。这对于整个量子产业的长期发展显然是不利的。

量子物理带给人们的第一件礼物就是打开了通往微观世界的大门。我们所熟知的经典物理法则在原子、分子所处的微观世界中并不适用，那里通行着的是另一套法则——量子物理的法则。

本书第一章主要围绕量子材料的发展和应用展开。量子材料是通过特殊的结构设计，让原本只存在于微观世界的量子效应保留到宏观尺度，从而展现出在经典物理学里完全不可能存在的量子特性。量子材料是我们打破经典物理学极限的突破口，也是量子革命最直观的现实体现。

量子理论的进步还让我们对微观粒子的性质和行为有了更深程度的了解。本书第二章主要介绍了自旋等量子的精细属性，以及利用这些属性的变化来探测外界环境的量子测量。基于对量子自旋的研究，人们开发出了一系列利用电磁场来操纵微观粒子的技术，其中最重要的是核磁共振和硬盘存储。现代医疗设备和信息技术产业近几十年的发展，归根到底都是得益于量子物理的理论支撑。

第三章介绍的量子隧穿是微观粒子有别于宏观物体的最重要动力学特征，也是量子力学“不确定原理”的最直观体现。科学家们另辟蹊径，利用量子隧穿对微观距离非常敏感的特点，制作出了分辨率可达亚原子级别的量子探针。量子探针的出现代表了纳米产业的正式诞生，从此开始，人们可以自由组装设计出只有几个到几十个原子那么大的纳米装置，极大地拓宽了世界的探索边界。

第四章介绍的量子纠缠是各类文艺作品里最喜欢引用的量子效应。在特定的情况下，两个微观粒子有可能发生量子化的纠缠，从而产生超越时间和空间的纠缠联系。将量子纠缠应用到通信技术中，就实现了绝对不可能被外界截获破译的量子通信。

除了对单个微观粒子自身性质的研究，量子物理还重点关注多个物体之间的相互作用。当许多物体在同一时间以同一步调进入同一运动模式时，它们之间就有可能产生量子相干，展现出宏观尺度下的量子动力学行为。第五章中提及的激光和超导都是典型的量子相干态，这两者的出现彻底重塑了工业生产格局，带来了一系列极其重要的技术变革。

第六章和第七章主要着眼于量子计算的理论发展和量子芯片的研究历程。量子计算、量子通信和量子精密测量共同构成了量子信息产业。量子信息产业是量子产业生态中最年轻也是最有活力的成员，也是量子革命颠覆性和突破性最集中的体现。

第八章主要介绍了各地对量子产业谋篇布局的大致思路。量子产业的每一条分支路线，都代表着一个衍生赛道，都捆绑着一系列早就能列举出无数落地应用的现实产业。这些分支加在一起，勾勒出的是一整个蓬勃发展中的现代化未来产业体系。

量子产业的实质就是现代产业的未来化革新。

用一句话来概括，量子就是面向未来的科技。

就像长期生活在水中的鱼可能意识不到水的存在一样，人们往往也不会特别注意到习以为常的环境因素。身处量子产业环境中的我们，在每一种产业门类和每一个生产部门里都能看到量子科技的丰硕成果，但又总是忽略了这个伟大的量子纪元。

量子代表着未来，但是未来早已到来。

最后，感谢茅钰才和王金磊两位同志对于本书的贡献，他们在本书的创作过程中提供了不少宝贵的思路，并协助进行了书稿的文字润色。