“量子”（quantum，復數形式為quanta），來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當數量的某物質”。在微觀世界的物理中，一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。并且，將同某種場聯系在一起的粒子稱為這一場的量子。例如電磁場的量子就是光子。
1900年，馬克斯·普朗克（Max Planck）在研究黑體輻射時，首先發現物質吸收或發射的輻射能量量子，他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的，只能取能量基本單位的整數倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現象，并提出了“量子假說”。后來的研究表明，不但能量表現出這種不連續的分離化性質，其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現出這種不連續的量子化現象。這同以牛頓力學為代表的經典物理有根本的區別。量子化現象主要表現在微觀物理世界。此后，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、波爾（Niels Bohr）等物理學家利用量子假說解釋了光電效應和原子特性，并陸續經海森伯格（Werner Karl Heisenberg）、埃爾溫·薛定諤（ErwinSchrodinger）、保羅·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）、德布羅意、馬克斯·玻恩（Max Born）等人的完善，在20世紀的前半期，初步建立了完整的量子力學。絕大多數物理學家將量子力學視為理解和描述自然的基本理論。
由于量子具備不同于經典物理的特性，如量子疊加、量子糾纏等，目前已發展出量子通信、量子計算等應用領域。量子通信已進入應用示范階段，在美國、歐洲、中國已建成了量子通信網絡，特別是中國科學技術大學潘建偉團隊做成了世界最長的量子通信線路“京滬干線”。而量子計算領域，截至2020年，有美國、中國兩國實現了“量子優越性”（也就是建造一臺能夠解決經典計算機無法解決的問題的量子計算機）。
定義
量子的定義是：“微觀世界某些物理量不能連續變化，而只能取某些分立值，相鄰兩分立值之差稱為該物理量的量子。”這一定義包括三個含義：首先，量子是從場或波的量子化得出的一種實體，具有類似粒子的性質；然后，量子是任何物理量不可分的單位的總稱；最后，微觀世界的某些物理量不能連續變化而只能以某一最小單位的整數倍來變化。而同某種場聯系在一起的粒子稱為這一場的量子。例如電磁場的量子就是光子。需要明確的是，量子本質上是一個物理概念，并非具體的微觀粒子或實體，其核心特征是反映物理量的離散化特性，而分子、原子、電子、光子等微觀粒子，是量子化特性的具體表現形態。
量子的大小為（是普朗克常數，是輻射頻率）。比如原子系統或核系統，從一個能量態越前到另一個能量態時發生能量改變，于是就發射或吸收了一個能量量子（h是普朗克常數，v是輻射頻率）。此外，除能量是量子化的，還有其它一些物理量如角動量、動量矩等也是量子化的。
簡史
量子概念的提出與初步發展
普朗克：黑體研究中發現能量量子
在19世紀初末，科技界主流認為經典物理學的理論基本完善，而熱力學之父開爾文指出物理學的兩朵烏云：第一朵是阿爾伯特·邁克爾遜的以太漂移實驗；第二朵是黑體輻射問題。馬克斯·普朗克在進行黑體熱輻射研究時提出了能量量子化的假說，即物體吸收或發射電磁輻射，只能以能量量子的方式進行，能量的分布不是連續的，只能取能量基本單位的整數倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現象，能量（是普朗克常數，是輻射頻率）。并于1900年12月發表了他的量子假說。普朗克憑借這個假設和公式拿到了1918年的諾貝爾物理學獎。最后驅散第一朵烏云的理論是相對論，驅散第二朵烏云的就是量子力學。
愛因斯坦：提出光量子，解釋光電效應
光電效應，即金屬在光的作用下發射出電子。許多實驗都表明，發射電子的能量與光的強度無關，而只與光的頻率有關。為此，愛因斯坦在1905年提出了“光量子”（光子）的概念，并提出光同時具有波動和粒子的性質，即光的“波粒二象性”，圓滿地解釋了光電效應，并為量子理論的發展奠定了基礎。一個光量子的能量，計算結果與馬克斯·普朗克公式非常吻合。
波爾：利用量子假說解釋了原子特性
1896年前后，瑪麗·居里等人發現鈾原子具有放射性，并推測出原子內部應該還有結構。1897年，約瑟夫·約翰·湯姆遜發現了帶負電的微粒“電子”，這是人們第一次明確知道原子之中還有微粒，湯姆孫因此得到1906年的諾貝爾物理學獎。1911年歐內斯特·盧瑟福提出了原子模型，但是有兩個問題無法解釋：按照盧瑟福的原子模型電子會不斷靠近原子核而進入原子核內；原子通過放電或加熱受激發后所發射的光譜線是不連續的。1913年波爾利用馬克斯·普朗克的量子假說，解決了盧瑟福模型的缺陷，并揭示了原子內部的量子化特性。
愛因斯坦vs波爾的大辯論
1927年，第五次索爾維會議上發生阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾的大辯論，以后被稱為最著名的索爾維會議。這次會議的主題是“電子和光子”，大家討論的焦點是量子理論的最新表述。在這兩次索爾維會議上，以尼爾斯·玻爾為首的哥本哈根學派同以愛因斯坦為首的反對派，進行了關于量子力學的激烈辯論。
為了反對量子力學中的不確定性原理和概率解釋，愛因斯坦說出了一句名言“上帝不會擲子”。尼爾斯·玻爾則如此反駁道:“愛因斯坦，別指揮雅威怎么做。”斯蒂芬·霍金后來改寫這句話，認為“上帝不僅擲骰子，而且總是把骰子擲到我們看不見的地方”。愛因斯坦、玻爾的分歧在于什么樣的科學方法（或者說是科學觀念決定下的科學方法）才是科學家應該接受的合理科學方法。
2025年12月，中國科學技術大學稱，該校潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等組成的研究團隊，利用光鑷囚禁的量子基態單原子，首次忠實地實現了1927年愛因斯坦和波爾爭論中提出的“反沖狹縫”量子干涉思想實驗，觀測到了原子動量可調諧的干涉對比度漸進變化過程，證明了海森伯格極限下的互補性原理，并展示了從量子到經典的連續轉變過程。相關成果于2025年12月3日在國際學術期刊《物理評論快報》發表。
量子力學的發展
每一種量子的數值都很小，所以在較大物體的運動中量子特性沒有顯著影響，其量猶如能連續變化一樣。但對電子、原子等的微觀運動來說，這種量子效應就不能忽略，因而牛頓力學已不再適用，必須代之以從量子概念發展起來的量子力學。
海森伯：矩陣力學
海森伯于1925年創立矩陣力學，這是第一個完整的量子力學，形成了能給出正確結論的量子力學體系。1927年，海森伯格又提出了不確定性原理，它不僅闡明了量子力學詮釋的理論局限性，還揭示了量子世界的基本特性。這里需要提到，創建矩陣力學的工作中馬克斯·玻恩與沃爾夫岡·泡利也是功不可沒的。
薛定諤、波恩：波動力學
幾乎與海森堡創立矩陣力學的同時，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤創立了量子力學的另一種形式——波動力學。1925-1926年間，薛定諤提出了量子物理學中對應于波動光學的波動力學方程。薛定諤認為，電子作為傳播波的始源，描述其運動應該存在一個與之對應的波動方程。就像光的波動方程決定著光的傳播一樣，量子的波動方程決定著電子的波的傳播，人們可以通過求解波動方程來確定原子內部電子的運動。之后，馬克斯·玻恩又對薛定諤方程中波函數的物理意義做出了統計解釋，即波函數的二次方代表粒子出現的概率，解決了當時物理學家，包括薛定諤本人都沒有解決的問題。
狄拉克：量子電動力學
狄拉克以一種與相對論的限制相一致的方式將詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的經典想法與量子理論結合起來。他在1928年提出了描述相對論性恩里科·費米粒子的量子力學方程，即狄拉克方程，并完成了矩陣力學和波動力學之間的數學等價證明，對量子力學理論進行了系統的總結，揭開了量子場論的序幕。這樣得出的關于電荷和光的相對論式量子理論叫做量子電動力學。此外，狄拉克于1931年從理論上預言了正電子的存在。
格拉肖等人：標準模型
20世紀70年代初，格拉肖等人在弱電統一理論及量子色動力學的基礎上，開啟了“標準模型”的研究。“標準模型”是自艾薩克·牛頓經典物理產生以后最接近大一統理論的一套物理理論。標準模型將粒子分為費米子、玻色子以及希格斯玻色子。 根據標準模型，1964年物理學家彼得·希格斯預言了希格斯玻色子的存在。根據預測，宇宙的任何地方，無論是在星球間還是星球上，無論是在真空中還是空氣中，甚至在物質的內部，都充滿了我們看不見的希格斯場。
原理
能量量子化假設
為了從理論上解釋黑體輻射實驗，普朗克在1900年大膽地提出了不同于傳統物理學的新概念，即能量量子化假設。普朗克的能量量子化假設是：組成輻射體的分子、原子可看作是帶電的線性諧振子，這些諧振子只能處于某些具有量子化能量的特定狀態；輻射體在吸收或輻射能量時，能量是量子化的，且能量只能是某個最小能量值E。（能量子）的整數倍，即（式中n=1，2……為正整數，稱為量子數）。能量子與諧振子的振動頻率，成正比，即（式中h為普朗克常量）。普朗克利用這一假設推導出了與實驗結果完全符合的黑體輻射公式，稱為普朗克公式
式中，c是光速，k是玻耳茲曼常數，h稱為普朗克常數，其值為。此公式在所有波長范圍內都與實驗曲線完全相符。
量子的基本特性
量子疊加
疊加態，或稱疊加狀態，是指一個量子系統的幾個量子態歸一化線性組合后得到的狀態。量子不同于經典物理狀態的最重要的特點在于可以同時處于若干個微觀量子態的疊加態。例如用表示一個電子的基態或自旋向下，表示激發態或自旋向上，則一個微觀量子態可以表示成，其中a，b都是復數，且它們的模長平方和為1。圖中顯示了經典數據位與量子數據位對比圖，經典數據位的表示要么是0，要么是1，而量子數據位是和的疊加態，既可以是0也可以是1。微觀量子態本身含有的信息非常豐富。
量子糾纏
量子糾纏作為量子力學反直觀的特性之一，最早出現在阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾有關量子力學備性的爭論中，隨著量子信息的發展，它成為信息傳輸和處理的新類型。它描述了兩個互相糾纏的粒子，無論相距多么遠的距離，一個粒子的行為都會影響另一個粒子的狀態。當其中一顆粒子被操作（例如量子測量）時狀態發生變化，另一顆粒子也會立刻發生相應的狀態變化。
量子糾纏與量子力學中的狀態疊加原理密切相關。考慮經典二值系統，例如一枚硬幣，它有兩個狀態，即正面和反面。兩枚硬幣可以處在4個不同的狀態:正/正，正/反，反/正，反/反。若以量子正交基表示，由狀態疊加原理，它不再局限于這4個“經典”基態上，而是任意疊加態，例如貝爾態，這是兩個粒子系統的最大糾纏態之一。關于糾纏態的研究，近年來已有很大發展。人們不僅制出兩粒子糾纏態，也制出三粒子甚至多到七粒子糾纏態。
不確定性原理
在量子的各種不可思議的屬性當中，有一項是不確定性原理。不確定性原理是指，同時獲知粒子“位置”和“動量”（速度與質量相乘所得的量）的精確度存在一個無論如何都無法超越的極限。也就是說，要精確獲知某個粒子的位置，就無法精確得出其動量。反過來，要精確知道某個粒子的動量，就無法精確知道它的位置。而且測量的行為又會反過來影響量子態，造成被測量的量子態縮，最終每個量子比特測量后僅能得到一個關于坍縮到的量子態的信息。因此，在不知道疊加的量子態完整信息情況下不可能準確測量出量子狀態，也不可能復制或偽造量子，這一原理應用于量子通信保密性。
適用條件
量子力學用于解釋微觀世界，因為每一種量子的數值都很小，所以在較大物體的運動中量子特性沒有顯著影響，其量猶如能連續變化一樣。人們試圖把量子力學應用于宏觀尺度，而在宏觀尺度上，量子力學的某些特定結果會被概率抹平，從而不會留下任何可測量的特征。
如果要從量子力學的觀點解釋宏觀系統的經典現象，主要是通過“量子退相干”這個概念。退相干主要思想是，作為客觀物體象征的薛定諤貓運動，可分為集體運動模式和內部相對運動模式，它們之間存在某種形式的信息交換，但不交換能量(也就是非破壞性相互作用)，由于這種特殊形式的耦合，形成集體運動模式和內部相對運動模式的量子糾纏，內部運動模式提供了一種宏觀環境。如果觀察者只關心集體運動而不關心內部細節，集體運動就會發生量子退相干，薛定諤貓佯謬也就不存在了。
研究進展及應用
基礎量子科學
標準模型方面，近10年的一大進展是希格斯玻色子的發現，2012年7月，位于日內瓦的歐洲核子研究中心發現了一種新粒子，并于2013年3月宣布大量分析結果表明，這種新粒子就是希格斯玻色子。其質量大約是質子質量的126倍，符合標準模型的預測。2015年，升級后的大型強子對撞機將獲得更多的能量，科學家將尋找不同質量的希格斯玻色子。
量子傳感器
按照傳感器的一般定義，傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息進行信息輸出，以滿足后續的處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，通俗地說就是測量加傳輸。量子傳感器是基于量子效應或量子檢測特點實現的一種高精度的新型傳感器，核心和基礎在于實現量子精密測量。近年來，量子信息和量子傳感技術得到了充分的關注和研究。目前利用量子傳感器已經可以測量重力、磁場、加速度、時間、壓力、溫度等精確性參數。基于量子糾纏特性，還可以開發出更加高效、更高精度的量子傳感器。
量子通信
量子通信是量子力學與傳統信息科學結合的產物，目前主要利用光在微觀世界中的量子特性，通過單個光子或糾纏光子傳輸“0”和“1”的數字信息來實現信息的高速傳遞。通信中傳輸的不是經典信息，而是量子態攜帶的量子信息，是未來通信技術的重要發展方向。量子通信的基本思想主要由Bennett等于20世紀80年代和90年代起相繼提出，主要包括量子密鑰分發（quantum key distribution,QKD）和量子態隱形傳輸（quantum teleportation）。量子通信利用了量子力學的基本原理或量子特性進行信息傳輸。它具有安全性、傳輸高效性：
首先，量子通信具有無條件的安全性。可以利用量子物理的糾纏資源，糾纏是量子力學中獨有的資源，相互糾纏的粒子之間存在一種關聯，無論它們的位置相距多遠，若其中一個粒子改變，另一個粒子必然改變，或者說一個粒子經測量塌縮，另一個粒子也必然塌縮到對應的量子態上。因此用糾纏可以協商密鑰，若存在竊聽，即可被發現，具有無條件安全性，從而可實現安全的保密通信。利用糾纏的這種特性，也可以實現量子態的遠程傳輸。
然后，量子通信具有傳輸的高效性。根據量子力學的疊加原理，一個n維量子態的本征展開式有2的n次方項，每項前面都有一個系數，傳輸一個量子態相當于同時傳輸這2的n次方個數據。可見，量子態攜載的信息非常豐富，使其不但在傳輸方面，而且在存儲、處理等方面相比于經典方法更為有效。
2007年，美國科學家讓兩個獨立原子實現了量子糾纏和遠距離量子通信。2007年，由奧地利、英國、德國等多國科學家合作，在量子通信中圓滿實現了通信距離達144公里的最遠紀錄。2008年，意大利和奧地利科學家研究團隊首次識別出從地球上空1500公里處的人造衛星上反彈回地球的單批光子，實現了太空絕密傳輸量子信息的重大突破，為將量子通信用于全球通信做好了準備。2017年9月29日，世界首條遠距離量子保密通信骨干網線“京滬干線”正式開通。“京滬干線”正在為探索量子通信干線業務運營模式進行技術驗證，已在金融、電力等領域初步開展了應用示范并為量子通信的標準制定積累了寶貴經驗。
量子計算
量子計算機引入了一種全新的計算設備，它基于亞原子粒子的量子特性。具體來說，是量子糾纏和疊加。在經典計算中，“位”是二進制信息的一小塊，要么是1，要么是0。“量子位”（qubit）則是這個概念的更新版本，其全名為“quantum bit"。與非此即彼的二進制位不同，量子位所實現的是“疊加”，這使它們可以同時處于多種狀態。對于量子來說，這就是疊加，只是需要超級低的溫度才能實現。當兩個這樣的量子二進制位在量子邏輯塊中組合時，它們產生的疊加態會以不同的方式相互作用，進而產生更為豐富的糾纏行為。因此，單個量子邏輯塊可以完成的計算量非常大，甚至可能是無限的。
自19世紀80年代初以來，量子計算一直被視為超快速計算的潛在來源。20世紀80年代，貝尼奧夫（Beniof）和曼寧（Manin）同時發表的論文標志著量子計算的開始。經典計算機需要數千步才能解決的難題，量子計算機只需兩三步就能解決。IBM制造的、在國際象棋比賽中擊敗了國際象棋大師加里.卡斯帕羅（GaryKasparov）的“深藍”（Deep Blue），每秒可以計算2億步，而量子機器可以提升到一萬億步甚至更多。
目前，在量子計算領域，參與競逐“量子優越性”（或“量子霸權”）的選手，也就是建造一臺能夠解決經典計算機無法解決的問題的量子計算機，主要是谷歌、IBM和微軟等傳統科技巨頭，以及像牛津大學和耶魯大學這樣的學術堡壘。2019年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”首先實現了“量子優越性”。2020年12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，并在國際學術期刊《科學》發表了該成果，成果顯示求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使中國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。而這一成果仍在逐步推進，2021年“九章二號”探測到的光子數增加到了113個。2023年7月，來自中國科學技術大學等單位的研究人員成功實現51個超導量子比特簇態制備和驗證，刷新了所有量子系統中真糾纏比特數目的世界紀錄，并首次演示了基于測量的變分量子算法。2026年1月28日，中國科學院物理研究所聯合北京大學等組成的科研團隊在國際學術期刊《自然》發表了一項關于量子系統的預熱化階段和可控規律的研究成果。科研團隊通過在超導芯片“莊子2.0”上進行實驗，發現了量子系統的預熱化階段和可控規律，有望進一步理解和控制高度復雜的量子世界。量子系統在演化過程中，如果熱化過快，會導致量子計算結果難以可靠保存和讀取。理解熱化規律有助于設計可控量子操作、延長量子態壽命，直接影響量子計算的實用性。此項研究中，科研人員發現，量子系統在熱化過程中，存在一個預熱化的中間階段。它短暫、相對穩定，且可以調控，為量子信息保存提供可能。
相似概念
量子化
物理量或物理狀態的改變，是跳躍不連續的，只能取分立值，這樣一種現象，稱為量子化（Quantization）。如，原子的電子軌道變化是不連續的，稱這種現象為軌道量子化。即電子只能在圍繞原子核的某些特定軌道上運行。如果我們暫時不考慮所有的軌道都會因為電子輻射能量而不穩定這個問題，那么每條軌道都對應電子的某一能量狀態。
參考資料 >
爽是一種量子態 ——從量子場談爽源和爽感.今日頭條.2025-09-04
[人民日報]量子通信，離我們還有多遠（科技前沿）.中國科大新聞網.2023-07-19
潘建偉：實現量子通信中國“領跑”.中國科學院.2023-07-19
最快！我國量子計算機實現算力全球領先.中國政府網.2023-07-19
新知｜量子：看我的“72變”. 齊魯壹點.2025-12-03
我國科學家取得量子研究新進展 終結愛因斯坦與玻爾世紀之辯.騰訊網.2025-12-04
中國科大成功研制113個光子的“九章二號”量子計算原型機.量子物理與量子信息研究部.2023-08-23
離量子世界更進一步 科研人員發現新規律.百家號.2026-01-29
#中國團隊成功掌握量子系統熱化節奏#.新浪微博.2026-01-29