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- 617期－量子革命再起！量子資訊（5月號）
文章專區
2021-05-01推動第五次工業革命的量子資訊
617 期
Author 作者
張晏瑞、張慶瑞
量子物理發展至今，科學家利用其特性改變了人們的科技生活。而量子資訊就是奠基在這個了解「物質在微觀尺度中所遵循的規律」的物理理論。而這一切都要從黑體輻射（black-body radiation）實驗講起。
「黑體」（black body）是一個理想化的概念，電磁波照射於黑體都會被百分之百吸收，當黑體達熱平衡後會輻射出電磁波。科學家先從古典統計力學出發，而解釋黑體輻射頻譜分布的瑞利—金斯定律（Rayleigh-Jean's law），其結果在低頻符合實驗上的測量，但在高頻則相差甚大。而維恩位移定律（Wien's displacement law）則在短波範圍內和實驗數據相當符合，但在長波範圍內又有偏差。
1900年，德國物理學家普朗克（Max Planck）從黑體輻射實驗觀察，引入「能量量子化」的參數概念，發表黑體輻射定律，則在全波段範圍內都和實驗結果符合。1905年，愛因斯坦將此概念應用於解釋金屬的光電效應原理，提出了「光量子」的概念解釋光電效應，並認為光具有波動性與粒子性。
之後丹麥物理學家波耳（Niels Bohr）更提出角動量量子化，精確地解釋了氫原子的不連續光譜。1924年，法國物學家德布羅意（Louis Victor de Broglie）在其博士學位論文中提出了物質波（matter wave）的概念，認為電子也具有波的性質，之後的戴維森—革末實驗（Davisson-Germer experiment）成功以低速電子入射於鎳晶體，取得電子的繞射圖樣證明了物質的波動性質，確認了「波粒二象性」。
1925年後發展出兩種描述量子現象的數學工具，分別是德國物理學家海森堡（Werner Heisenberg）和波恩（Max Born）提出的「矩陣力學」（matrix mechanics），以及奧地利物理學家薛丁格（Erwin Schödinger）利用「波動力學」（wave mechanics），提出「薛丁格方程式」（Schrödinger equation）。之後英國物理學家狄拉克（Paul Dirac）提出了著名的狄拉克方程式（Dirac equation），發展出量子力學的基本數學架構。這些新穎的量子力學的原理，徹底改變人們對於自然世界的觀點。
量子革命
隨著量子科學的發展，科學家更能掌握微觀尺度中依循的規則，也能從微觀的理解解釋固體材料的宏觀物理性質，進而發展出固態物理學。從氫原子能階到更複雜的原子軌域，再拓展到多原子有週期性排列的晶體結構，並整合量子力學、統計物理、電動力學為理論基礎，應用薛丁格方程式描述固體物質的電子態，發展出能帶（energy band）的概念，預測了半導體的存在，成功解釋導體、絕緣體、半導體的區別，並為電晶體的製造提供了基石。世界上第一部電腦是用真空管組成，通過真空管放大電子信號，由於真空管製作困難、體積大、耗能高且使用壽命短，使當時電腦無法普及。隨著對半導體材料的研究漸深，1947年貝爾實驗室三位科學家蕭克利（William Shockley）、巴丁（John Bardeen）、布拉頓（Walter Brattain）發明電晶體，之後以電晶體為主的技術便開始急速發展，也拉開了第一次量子科技革命的序幕。……【更多內容請閱讀科學月刊第617期】