量子力学的诞生，不仅从根本上改变了人类对自然的认识，而且为人类社会带来了天翻地覆的变化。爱因斯坦的光受激辐射理论促成激光的诞生，促使互联网出现；量子的能带理论促使半导体晶体管的诞生，进而研制成功电子芯片，才有今天人人都离不开的手机、计算机。尽管量子力学已造福人类社会半个世纪，但人们对量子力学的基础仍然争论不休，争论的焦点就在于量子力学中用来描述量子系统状态的波函数|ψ〉（或称概率幅）上。而量子世界的种种奇异特性却恰恰隐含在这个|ψ〉之中。
正如费曼所言，量子力学的最精妙之处就是引进了这个概率幅。可见，|ψ〉既是量子力学的精髓所在，又是量子学术界争论的焦点。正所谓“成也萧何，败也萧何！”
尽管量子力学从其诞生之日起就备受争议，但迄今未有任何实验违背量子力学的预言。在这个巨大成功面前，尽管人们心里很不情愿，但仍不得不承认它的正确性。前面几章我们已经描绘了这场堪称学术界最轰轰烈烈的争论。EPR佯谬使这场争论达到高峰，争论的结果似乎是玻尔的哥本哈根学派胜利了，但爱因斯坦从未放弃自己的观点。据说在费曼提出“路径积分”理论后，他的老师惠勒异常兴奋，认为费曼的成果可以解答爱因斯坦对量子力学的质疑。他兴冲冲地来到爱因斯坦在普林斯顿大学的办公室，但爱因斯坦并未被他说服，只说这也许是一种可能的选择而已。惠勒尽兴而来，败兴而归！怪不得费曼上“量子力学”课时总是告诫学生，学量子力学，只需弄清量子力学允许我们去“做什么”，而不要去追问“为什么”。
人们不再去追问“为什么”，不表示人们不关心这个问题，而是认识到这个问题暂时得不到解决，因此学术界只好接受玻尔的哥本哈根学派对量子力学的诠释。大学教科书中通常将它作为量子力学传统诠释介绍给学生。尽管哥本哈根诠释的争议之处甚多，远不能令人信服，但它很实用，即使有解释得不妥当的地方，也不影响量子力学本身的正确性和应用。当然也有人提出别的诠释，但它们同样漏洞百出，还不如哥本哈根诠释。这就是量子力学诞生后近百年的现状：量子力学取得巨大成功，但人们对它的奥秘却了解甚少。我们称这个时期为“第一次量子革命”，这个时期的主要成功之处就是“解薛定谔方程”，从中获悉量子力学能让我们“做什么”。
近二十年，量子信息诞生了。量子信息是量子力学与信息科学交叉的新产物，开拓了量子力学在信息领域的应用，促进信息科学的发展从“经典”迈进“量子”的新时代。迄今人类社会所使用的器件和技术均是“经典”的，因为它们的工作原理是受经典物理支配的。用于互联网等的激光虽然是基于爱因斯坦的光辐射量子理论诞生的，但实际应用的激光束却遵从经典电动力学的规律；计算机和手机的核心器件是芯片，芯片的基本单元是晶体管。虽然晶体管是基于量子力学的能带理论研制出来的，但是晶体管的运行原理却遵从欧姆定律。由此可见，这些器件均诞生于量子力学，但却运行于经典物理规律之中。量子信息的诞生为人类开辟了新的领域，量子信息技术的器件都是遵从量子力学规律运行的，所以我们称之为量子器件。量子器件呈现量子的特性，如量子相干性、非局域性、不可克隆性等。作为信息器件，量子器件比经典器件具有更强大的信息功能，性能可以突破经典器件的物理极限，将信息处理速度、传送信息的容量、信息感知的灵敏度和精度等提高到前所未有的水平。
因此，量子信息的应用将促使人类社会的生产力进入新的发展阶段。当然，量子器件是一种人造的宏观量子器件，其最大的脆弱点在于，量子特性在宏观环境下不可避免地会遭受破坏，如不能有效地保护其量子特性，量子器件会不可避免地演化为经典器件，其优异的性能会消失殆尽。科学家已研究出保护宏观器件量子相干性的各种方案，因此量子信息技术的最终实现不存在原理性障碍。当然，如何在技术和工程层面将这些方案付诸实现仍然困难重重。因此，当我们说量子信息的诞生使人类社会从“经典时代”迈向“量子时代”时，指的是人类社会生产力发展到新阶段的这种必然趋势，而不是说“量子时代”已经到来了。量子技术将随着研究水平的不断提高而逐渐应用到人类社会的各个领域，但不会一夜之间就变天，也不可能在短时间内就走进千家万户。
量子信息的诞生，不仅将促进人类社会的发展，而且将有助于揭开量子世界的奥秘，深化人类对自然规律的理解。量子世界的运行规律与我们熟知的经典世界迥然不同。我们采用经典观念无法理解量子世界的性质，这就是人们总感到量子世界神秘无比的根源。采用经典技术无法揭开量子世界的真实面貌。经典钥匙打不开量子大门！这也是量子理论诞生100多年来人们争论不休的原因所在。量子信息的诞生将使人类对量子世界的理解产生深刻的变化：一方面，量子信息为人们展现了许多新的理念，如量子纠缠、量子非局域性等；另一方面，量子信息提供了强有力的研究量子世界的新工具，如量子技术、非局域技术等，采用这些新工具，人们有可能推开量子世界的大门，从而窥探到量子世界的奥秘。
那么，量子信息是如何发展起来的？能为我们的生活带来哪些新技术？年轻一代如何迎接第二次量子革命？诸多疑问，都能在本书中找到答案。
全书沿着量子理论发展的脉络，从“量子论”的诞生讲到两场世纪大争论，阐释了第二次量子革命的内涵和前景，介绍了量子计算等新技术的发展，通俗讲述了量子力学的基本知识，生动展示了量子信息技术的魅力，是难得一见的走进量子世界的导引书。
本书融科学性、知识性和趣味性于一体，有助于社会大众了解量子世界从基础到前沿的全貌。
本人20世纪80年代初期开始致力于量子光学研究，90年代初又扩展到刚刚萌芽的量子信息领域。当时，国内学术界对量子信息领域的研究呈现相当冰冷的态度，民众更是将量子力学视为高悬在学术殿堂之上的圣物，敬而远之。
近几年来，随着量子信息学的飞速发展，加上媒体的大力宣传，“量子”已成为人们津津乐道的话题，人们甚至将“量子现象”描绘得神秘无比，仿佛世界上所有难以解决的事情都可以归结到“量子纠缠”上。个别学者不实的夸大宣传，部分媒体的不断炒作，造成当前关于“量子世界”形形色色的奇谈怪论，引发各界激烈的争论。
究竟量子力学能为人类提供什么真实有用的技术？当前宣传的量子现象，哪些是科学的预言，哪些是人们杜撰出来的虚无之物？在学术界朋友的催促下，本人将媒体上的种种议论汇聚为十个问题，谈谈个人的看法。2016年，我撰写了《量子十问》网络科普文章。中国物理学会和中国科学院物理研究所主办的《物理》刊物自2018年第10期起，每期刊登一问，陆续刊登了《量子十问》。
量子信息的诞生标志着人类社会将从经典技术迈向量子技术新时代，俗称第二次量子革命。在第一次量子革命中，人类基于量子力学原理，研制出计算机、互联网等，促成人类社会半个世纪的繁荣昌盛。现代的信息技术就是源于量子力学的经典技术。第二次量子革命将为人类开拓基于量子力学的量子技术。它的性能突破了经典技术的物理极限，将信息技术推进到新的发展阶段，必将促使人类社会发生翻天覆地的变化。量子信息技术是人类社会未来的新技术。因此，为迎接人类社会新时代的到来，有必要为年轻一代普及量子力学和量子信息学的基本知识，本书就是为此而撰写的。这本书的主要目标读者群是大学生。年轻人是国家的未来，即使将来不从事量子技术的研发，作为新时代的公民，也必须具有量子力学的基本知识。当然，若有志于从事量子信息技术的研究，还必须进一步修习量子力学和量子信息学的有关课程。本书是走进量子世界的导引书，目的是增强当代大学生的量子科学素质。
本书将从“量子理论”的诞生讲起，详述量子物理发展进程中两次重大历史性的争论——EPR佯谬和薛定谔猫佯谬，揭开这些世纪争论如何促进量子力学的深刻发展，并最终导致量子信息的诞生。最后介绍量子信息技术将如何促进人类社会生产力的飞跃发展。
全书分为两大部分：前五章讲述量子世界的种种匪夷所思的现象和理念，读者将从中学习到量子力学的基本物理知识；后四章将介绍当前正在研发的主要量子信息技术，读者可以领略到量子信息技术的魅力。本书着重物理概念的论述，少有深奥的数学公式，理工科大学生都可以读懂，读后对量子世界从基础到前沿的全貌会有清晰的了解和印象。
郭光灿
2020年7月
总序（杨玉良）/ i
序言(杨国桢)/ v前言（郭光灿）/ vii
第一章“量子”究竟是什么/ 1
一、“量子理论”的诞生 3
二、“波动-粒子”二象性——光子的双缝干涉 19
三、描述量子世界的“量子语言”——量子态 27
第二章爱因斯坦的“幽灵”/ 33
一、爱因斯坦与玻尔的争论 35
二、 EPR佯谬 48
三、 EPR思想实验的回应与影响 54
四、爱因斯坦与玻尔争论的焦点与实质 62
五、“幽灵”可否用来实现超光速通信 68
第三章神奇的量子非局域性/ 73
一、贝尔定理与非局域性 75
二、量子纠缠 90
三、量子隐形传态 96
四、量子技术能否将人瞬间转移 103
第四章薛定谔猫究竟是怎么死亡的/ 107
一、薛定谔猫佯谬 109
二、哥本哈根学派：量子测量导致波包塌缩是“猫”的死因 121
三、环境消相干导致薛定谔猫的死亡吗 127
四、薛定谔猫的自然死亡 135
第五章第二次量子革命/ 141
一、第二次量子革命是什么 143
二、量子力学与广义相对论的融合问题 158
三、传统量子力学向何处发展 165
四、万物源于真空 176
第六章量子计算——颠覆性的新技术/ 183
一、从摩尔定律的终结到量子计算的诞生 185
二、量子计算机的工作原理 187
三、量子编码 192
四、量子算法 198
五、量子计算的物理实现 206
六、量子计算的发展现状与前景 219
七、量子计算机带来的颠覆性影响 226
第七章量子密码果真绝对安全吗/ 233
一、传统密码技术面临的挑战 235
二、量子密码的诞生 250
三、实用的量子密码 260
四、量子密码的发展 262
五、量子技术时代的信息安全 268
第八章量子模拟中的有趣量子现象/ 273
一、量子模拟的原理 275
二、量子麦克斯韦妖 277
三、马约拉纳零模 282
四、拓扑物相 288
第九章量子优盘/ 295
一、量子存储器：概念及应用 297
二、固态量子存储器 303
三、实现量子优盘 312
四、总结与展望 321
主要参考文献/ 325
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（本文编辑： 王芳）
