什麼是量子力學？想像一下，在這個世界上，物體似乎可以同時存在於兩個地方，或是從宇宙的另一端互相影響。雖然我們在日常生活中看不到這些類型的東西，但類似的奇思妙想似乎就存在於我們周圍，存在於我們宇宙的基本行為及其最小的構件中。量子力學是物理學的一個分支，它描述了自然界的這些奇特特徵。

在這段”科學101：什麼是量子力學”的影片中，阿貢材料科學部學者凱瑟琳-哈蒙（Katherine Harmon）解釋了什麼是量子力學。量子力學是一種理論，涉及物質、能量和光的最基本位以及它們相互作用構成世界的方式。

這個具有里程碑意義的理論起源於20 世紀初，在21 世紀被廣泛應用於現實世界。阿貢科學家哈蒙和許多其他科學家在實驗室中應用量子力學，正在開發有一天能夠改變社會和我們對宇宙認識的技術。量子感測器可以檢測到以前檢測不到的癌細胞。量子網路可以確保資訊和資料通訊不受駭客攻擊。量子電腦可以解決經典電腦無法解決的複雜問題。量子理論也將繼續推進我們對宇宙的認識，從原子深處錯綜複雜的動力學，到宇宙誕生如此宏大的宇宙事件。

20 世紀初，科學家開始發展量子力學，以解釋一系列實驗結果，這些實驗結果無法用其他解釋來解釋。如今，科學家利用這個理論創造出強大的技術–無法破解的資訊通訊、更快的藥物發現以及手機和電視螢幕上更高品質的影像。

那麼，什麼是量子呢？從更廣泛的意義上講，”量子”一詞可以指某種事物的最小可能量。量子力學領域研究的是最基本的物質、能量和光，以及它們相互作用構成世界的方式。

與我們通常思考世界的方式不同，我們想像事物分別具有粒子或波的特性（例如棒球和海浪），但這種概念在量子力學中行不通。根據不同的情況，科學家可能會觀察到同一個量子物體具有粒子或波的特性。例如，光不能被認為只是光子（一種光粒子）或只是光波，因為我們可能在不同的實驗中觀察到這兩種行為。

平日里，我們看到的事物每次只有一種”狀態”：在這裡或在那裡，移動或靜止，正面朝上或反面朝上。在量子力學中，物體的狀態並不總是那麼簡單明了。例如，在我們確定一組量子物體的位置之前，它們可能存在於一個或多個位置的疊加（或一種特殊的組合）中。不同的可能狀態就像池塘中的波浪一樣相互組合和乾擾，只有在我們觀察之後，物體才會有一個確定的位置。疊加是使量子電腦成為可能的主要特徵之一，因為它使我們能夠以新的和有用的方式來表示資訊。

另一種有趣的量子行為是穿隧，量子物體（如電子）有時可以穿過原本無法穿過的障礙。之所以會發生這種情況，是因為疊加允許電子有很小的幾率出現在障礙的另一側。量子穿隧技術可應用於快閃記憶體設備、強大的顯微鏡和量子電腦等領域。

當量子物體相互作用時，它們透過一種稱為糾纏的聯繫彼此相連。即使物體之間相隔很遠，這種聯繫也能保持。愛因斯坦稱之為”距離的幽靈作用”。科學家正在利用它進行超安全通信，它也是量子計算的一個基本特徵。

在美國能源部（DOE）的阿貢國家實驗室，科學家利用世界一流的專業知識和研究設施，開發用於儲存、傳輸和保護資訊的量子技術，並研究我們的宇宙，從原子內部深處的複雜動力學到宇宙誕生這樣宏大的事件。阿貢也領導Q-NEXT（美國能源部國家量子資訊科學研究中心），該中心致力於開發量子材料和裝置，並將量子技術的力量用於通訊。

資料來源：阿貢國家實驗室

什麼是量子資訊科學？利用原子尺度上的反直覺行為，我們可以在實用尺度上為資訊科學帶來強大變革。科學家們正在爭分奪秒地開發能夠儲存、傳輸、操縱和保護資訊的量子系統。

量子比特是量子計算和其他量子資訊系統的基本組成部分。它們類似於經典計算機中的比特，要么是0，要么是1。量子位元的奇特之處在於，它們可以同時為0 和1。這種重疊狀態大大增強了量子電腦的效能。量子位元本身可以有多種不同的形式–電子、光粒子，甚至是高度結構化材料中的微小缺陷。

科學家們正努力設計能在量子態中保持資訊數秒鐘（”相干性”）並能與其他量子位元連接（”糾纏”）的量子位元。

量子技術可以改變國家和金融安全、藥物發現以及新材料的設計和製造，同時加深我們對宇宙的理解。

編譯自: ScitechDaily