量子科技正在改變世界，從粒子走向晶片：看懂量子科技真正改變了什麼！量子點×自旋電子×奈米探針×量子通訊×量子電腦，從百年科學理論到現代產業應用

材料×測量×奈米科技×通訊×運算×晶片……
少量簡單公式，
帶你從量子原理讀到科技應用與產業發展，
看見正在形成中的未來科技版圖！

 
【從量子理論走向現實世界】
量子物理誕生於20世紀初，百餘年來不只改寫人類對微觀世界的理解，也逐步成為現代科技的重要基礎。從半導體、雷射、核磁共振、硬碟儲存，到量子通訊與量子電腦，許多今日習以為常或備受期待的技術，都與量子理論的突破密切相關。本書將視野由量子力學的科學原理延伸至產業應用，從「理論、技術到產業」完整梳理量子科技的發展脈絡，說明那些看似抽象的量子現象，究竟怎樣轉化為材料、設備、資訊與製造技術，進一步形成涵蓋多種尖端領域的量子產業體系。
 
【從微觀粒子看見材料與測量革命】
全書首先從量子材料切入，介紹量子點、石墨烯、奈米碳管與拓撲材料，說明科學家如何利用特殊結構，使微觀尺度中的量子效應呈現在實際材料之中，打開顯示、電子與新材料技術的新可能。接著從粒子的自旋、塞曼效應與量子精密測量，延伸至巨磁阻、硬碟儲存、核磁共振與基本單位量子化等應用。量子穿隧效應則進一步打開奈米世界的大門，掃描穿隧顯微鏡讓人類得以直接探測甚至操縱原子，推動奈米裝置、生物製劑與半導體製程持續突破微縮極限。
 
【從量子糾纏到運算與晶片競賽】
量子科技的另一條主線，來自糾纏、相干與量子資訊。書中由量子糾纏與超距作用談起，帶領讀者理解量子通訊、量子隱形傳態與量子加密的原理，再以量子相干說明雷射、超導、超流體與玻色－愛因斯坦凝聚態等重要現象。進入量子運算領域後，則從古典計算與量子計算的差異出發，介紹量子搜尋、量子模擬、量子退火與量子機器學習，並分析量子演算法對現代密碼體系帶來的衝擊。進一步比較超導、離子阱、中性原子、半導體與光量子等不同量子位元技術，看見各國與跨國科技企業競逐量子電腦的發展方向。
 
【看懂正在形成的量子產業版圖】
量子科技並非遙遠未來的想像，它早已滲入資訊、醫療、製造、通訊、材料、能源與精密測量等產業。本書最後把前述技術重新放回產業發展的整體脈絡，梳理美國、歐洲及其他國家的量子科技策略，並觀察量子技術對新興產業與傳統產業可能帶來的改變。透過材料、測量、奈米科技、通訊、雷射、超導、運算與晶片等八大主題，讀者可以建立一幅完整的量子產業地圖，理解量子理論如何一步步轉化為現實技術，也看見下一波科技競爭與產業革新的可能方向。量子代表未來，而這個未來其實已經開始進入我們的日常生活。
 
【本書特色】：
本書跳脫傳統量子力學科普只談理論與歷史的框架，從量子材料、精密測量、穿隧效應、量子糾纏、雷射與超導，一路延伸至量子運算、量子晶片與產業布局，完整串連「理論－技術－產業」的發展脈絡。透過大量實際應用與產業案例，帶領讀者理解量子科技如何進入醫療、資訊、製造、通訊與材料領域，建立清楚的量子產業全貌。

<序>

推薦序
 
　　春秋代序，滄海桑田。在這個科技飛速發展的時代，量子科學與技術正以前所未有的速度改變著我們的世界。
 
　　量子物理誕生於20世紀初，如今已經有一百多年歷史了。從時間上來說，量子物理理論的提出比鐵路、飛機的發明時間還要早一些，它們算是同一個時代的發明。但與後者不同的是，在百年後的今天，我們早已對高速鐵路和太空梭司空見慣、見怪不怪了，而量子科學卻仍舊是一片充滿著未知的神祕領域，還在孕育著無數偉大的創新與進步。
 
　　毫不誇張地說，整個20世紀乃至21世紀的物理學史，就是一部量子科技的發展史。自量子理論誕生以來的每一天，科學家們都在不斷地提出一個又一個天馬行空的創新理論，全世界的實驗室都在前仆後繼地開發突破想像的顛覆性技術。量子場論、量子光學、量子化學、超導、永磁、二極體、雷射器……在這些不斷湧現出來的理論和成果的推動下，時代在不斷前進，世界也在變得更加美好、便捷。
 
　　把量子科技迄今為止所有的實際應用彙整起來，就可以一窺量子產業這個宏大概念的端倪。與其他任何產業不同，量子產業是一個高度綜合、高度整合，由多個尖端學科共同構築的龐大產業。從小到微不足道的量子材料到橫跨上千公里的量子通訊，從用於度量衡的量子測量到突破電腦邊界的量子運算，都是量子產業的分支。量子產業已經全方位重塑了我們日常生活的各個面向，這是一個正在降臨的嶄新紀元，一個完全由尖端科技突破驅動的量子紀元。
 
　　本書所描繪的正是這個新紀元的前世今生，展現了量子產業的過去、現在和未來。量子產業的發展源於量子理論的突破，而創新的理論又反過來引發了諸多產業領域的顛覆性革命。翻開本書，你將展開一段難忘的旅程，與百年來最具智慧的科學家們一起，共同經歷這場或許是人類歷史上最偉大的科學革命、技術革命和產業革命。

物理學教授　王劍威

<內容連載>

第一章　量子材料：探索微觀世界的極限
 
第一節　量子局限和量子點
 
一、量子的基本概念
 
（一）量子的定義
 
　　「量子」是英文「quantum」的中文翻譯，英文「quantum」來源於拉丁文「quantus」，原意為一定的數量、分量。在物理學中，量子是參與基本相互作用的任何物理實體的最小量，即「離散變化的最小單元」。「量子化」是指其物理量的取值是離散的、特定的，而不是任意變化的。
 
　　什麼意思呢？就是世界上的一切實體物質、一切物理規律所描述的對象都是由一份一份的基本粒子組合起來的，並且這些基本粒子有一定的尺度，不可再分割。
 
　　就像水流一樣，雖然宏觀上的大江大河可以分割成小溪小流，小溪小流裡的水流又可以進一步分割成涓涓細流，但是分割到了一定程度後，水流終究會分為一滴滴的小水滴，再細分為一個個的水分子。
 
　　到了這一步，從物理意義上來說，分割就到了盡頭，水分子和水滴就是組成水流的最基本的「量子」單位。
 
　　所以，量子其實是一個度量概念，所有物質都有量子特性。天上飛的飛機是量子的，地上蓋的高樓是量子的，甚至牆上趴著的貓、樹下躺著的狗也是量子的。一切物理量的變化都是量子化的，就像走樓梯一樣，只能一次上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階、1/3個臺階或1/114514個臺階。這就是量子概念的全部本質。

（二）量子物理的起源
 
　　量子物理最早出現在20世紀初，當時，物理學家在黑體輻射實驗的理論解釋上遇到了困難。所謂「黑體」，指的是能夠對外界能量達到100％吸收率，全部吸收外來輻射而毫無任何反射和透射的理想物體。由於完全不存在反射，黑體看起來絕對漆黑，連一絲光澤都沒有。
 
　　當然，理想中的絕對黑體在現實中並不存在。不過一個表面開有一個小孔的空腔也可以被看作一個近似的黑體。透過小孔進入空腔的光線，在腔裡反射多次後很難再原路從小孔透出，表現在數值上就是接近於100％的吸收。
 
　　雖然黑體會完全吸收外界的光和熱，但這並不意味著它會讓光和熱只進不出。黑體自身具有溫度，可以被加熱，也會向外界以熱輻射的形式釋放出一定的能量，這種輻射就叫做黑體輻射。黑體輻射實驗就是研究黑體發出的輻射強度隨溫度變化的關係。科學家們發現，黑體在不同的溫度下會發出波長不同的輻射，同時輻射強度曲線隨著波長增加，先上升、後下降，每個溫度都對應著一個輻射強度最高的波長。
 
　　為了解釋這個現象，德國物理學家馬克斯．普朗克（Max Planck）首次提出了量子論。普朗克假設，黑體發出的輻射並不是一個不間斷的連續過程，而是像用打氣筒替氣球打氣那樣，呈離散變化。每一次「打氣」，黑體就會累積一定分量的能量，這些能量彙集起來後對外輻射。這樣的能量分量就對應著輻射的最小能量單位，在不同溫度下，最小的一份輻射分量所對應的能量不同，這就解釋了此前觀察到的黑體輻射的實驗現象。
 
　　後來，著名科學家愛因斯坦進一步發展了普朗克的量子假說。他把每份最小的輻射叫做「光子」，並提出了光子與電子相互作用產生光電效應的理論。光子是光的「量子」單位，所以又叫「光量子」。所有電磁波的吸收與輻射，都是根據一個個光子的產生和湮滅而進行的。
 
　　後來，人們就以普朗克量子假說的提出時間作為量子論誕生的起點。在此之前的物理學，統稱為古典物理學；此後以量子論觀點作為出發點的物理學，統稱為量子物理學或現代物理學。「古典」與「量子」，展現了橫跨兩個時代的前後變革。