來源：蝌蚪五線譜

　　也許，你和我們很多人一樣，是一個(gè)普通的城市上班族，淹沒在洶涌的車流與擁擠的人潮里，努力工作支撐起自己與他人的生活；也許，你也曾有過仰望星空的夢想——像科學(xué)家一樣理解這個(gè)世界，卻困于日復(fù)一日的忙碌中，沒有時(shí)間再抬頭看一看。如“量子力學(xué)”這樣的詞匯，雖已存在了百年，也許對你來說，卻顯得依舊遙遠(yuǎn)而陌生。

　　但是，量子力學(xué)，這個(gè)潛藏在世界任何地方的精靈，并不需要刻意的尋找，它就站在普通日常生活中的每一個(gè)轉(zhuǎn)角，在你讀到這句話時(shí)，你早已與它不期而遇了很多次。不信？讓我們從你的早晨開始說起。

　　7：00 AM | 掌中的宇宙：手機(jī)與半導(dǎo)體

　　早上7點(diǎn)，你的手機(jī)鬧鐘像往常一樣將你從睡夢中喚醒，你不情愿地起床，看了幾條社交軟件中錯(cuò)過的消息。手機(jī)中的芯片開始工作，組成它的是許多微小的半導(dǎo)體元件。

　　半導(dǎo)體芯片 來源：ETCIO

　　在經(jīng)典物理的世界里，一個(gè)物體要么導(dǎo)電，要么不導(dǎo)電，幾乎不存在“既是又不是”的模糊狀態(tài)。但是，在經(jīng)典理論之外，量子力學(xué)的能帶理論，卻催生了半導(dǎo)體這顆現(xiàn)代工業(yè)的明珠。

　　絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶示意圖。絕緣體的帶隙最大，電子不能通過；導(dǎo)體沒有帶隙，電子可以自由通過；半導(dǎo)體的帶隙介于它們之間，因此兼有兩者的性質(zhì)。 來源：learnelectronicswithme.com

　　介于導(dǎo)電與不導(dǎo)電之間的特殊性質(zhì)，使半導(dǎo)體材料能夠被制成一個(gè)個(gè)微型開關(guān)，控制電流在導(dǎo)通與不導(dǎo)通之間正確地切換，組合成輕便而強(qiáng)大的集成電路，為你處理著大量的數(shù)據(jù)，再變成可讀的信息，呈現(xiàn)在你的眼前。

　　8：00 AM | 天空的指引：導(dǎo)航系統(tǒng)與原子鐘

　　你穿好衣服走出家門，由于不熟悉新的工作地點(diǎn)，你打開手機(jī)的地圖軟件開始導(dǎo)航。

　　此時(shí)，地球周圍不同位置分布著的定位衛(wèi)星正在向你發(fā)送信號。通過收集發(fā)送與接收信號的時(shí)間差，再乘以光速換算成距離，手機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)最終準(zhǔn)確地認(rèn)出你所在的位置，并為你提供合適的路線。

　　衛(wèi)星定位基本原理 來源：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

　　因?yàn)楣馑贅O快，哪怕僅僅百萬分之一秒的計(jì)時(shí)誤差，乘以光速后都會導(dǎo)致數(shù)百米的位置偏差。所以，精確的位置判斷依賴于精確的計(jì)時(shí)，而這都?xì)w功于衛(wèi)星上搭載的原子鐘。

　　由于原子核外電子的能量量子化，每個(gè)原子釋放的電磁波cá c??c bóng ?á nhà cái都有著極為精確的能量——在量子力學(xué)中，這意味著極為精確的頻率，也就是極為精確的時(shí)間間隔。這是大自然為人類提供的最精準(zhǔn)的“節(jié)拍器”，以此為基準(zhǔn)造出的原子鐘，其準(zhǔn)確度已經(jīng)可以達(dá)到每億年間只產(chǎn)生一秒的誤差。

　　北斗導(dǎo)航衛(wèi)星所配置的氫原子鐘 來源：維基百科

　　如果沒有量子力學(xué)的加持，你的導(dǎo)航可能只會把你帶到目的地所在的街區(qū)，卻不能到達(dá)精準(zhǔn)的門口。

　　10：00 AM | 穿墻的“幽靈”：U盤與量子隧穿

　　到達(dá)公司，你打開電腦開始辦公。為了將文件轉(zhuǎn)移給同事的電腦，你將它們拷貝到你的U盤。

　　此時(shí)，U盤中的一個(gè)個(gè)浮柵晶體管開始工作。這是一些由薄薄的氧化物絕緣層封鎖住的小隔間——這些氧化物在經(jīng)典力學(xué)中必不導(dǎo)電，當(dāng)電子撞上它，就好像一個(gè)球被扔向一堵堅(jiān)實(shí)的水泥墻。于是，外面的電子進(jìn)不來，里面的也出不去。

　　量子隧穿 來源：因斯布魯克大學(xué)

　　但是，多虧了量子力學(xué)中的隧穿效應(yīng)，一旦電子受到了更高能量的激勵(lì)，它們就變成了奇詭的幽靈，能夠穿過本來攔住它們的絕緣層“墻壁”，出去或者進(jìn)來，讓小隔間內(nèi)的電子存儲情況發(fā)生變化。

　　這種存儲技術(shù)叫做“閃存”技術(shù)。設(shè)計(jì)者將有電子的小隔間當(dāng)作“0”，沒有電子的小隔間當(dāng)作“1”，你的文件數(shù)據(jù)就這樣被寫入了小小的U盤，方便地在不同設(shè)備間傳輸。

　　除U盤之外，SD卡和固態(tài)硬盤也是閃存技術(shù)常見的應(yīng)用場景

　　12：00 PM | 秩序之光：掃碼槍與激光

　　中午，你來到樓下的便利店，購買了一盒冷柜中的便當(dāng)。店員姐姐拿出掃碼槍，紅色的激光掃描出商品的條形碼，商品的名稱和價(jià)格立刻顯示出來，再掃描你手機(jī)上的付款碼，你用十幾秒的時(shí)間就獲得了今天的午餐。

　　激光掃描二維碼 來源：維基百科

　　而這激光的產(chǎn)生，同樣也依賴于原子核外電子的能量量子化。

　　我們剛才提到，原子釋放的電磁波，也就是光，有著極為精確的能量。當(dāng)原子被這樣具有它的“專屬能量”的光攻擊時(shí)，它的潛能就會被激發(fā)，自己也發(fā)出相同的光。

　　激光器工作原理示意圖 來源：勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室

　　這些光在激光器的反射腔里一傳十，十傳百，每一次激發(fā)產(chǎn)生的光都與入射光一模一樣，不僅僅是能量（顏色）相同，連步調(diào)（相位）都完全一致，像一支訓(xùn)練有素、齊步走的士兵隊(duì)伍。不像普通燈泡的光，如廣場上熙熙攘攘的人群一般，方向各異。

　　最終，它們匯聚成一束純凈而集中的光束，得以清晰準(zhǔn)確cá c??c bóng ?á nhà cái地識別條形碼上黑白相間的圖案。

　　8：00 PM | 發(fā)光的魔法：顯示屏與量子點(diǎn)

　　夜晚，你終于結(jié)束了一天的工作，回到家中。你長舒一口氣，決定看一集最新更新的電視劇，給自己的精神世界來一點(diǎn)放松和犒賞。

　　追求視覺效果的你，特意給家中配備了一臺寬色域的顯示器。這臺顯示器使用了量子點(diǎn)材料，這是一些很小的半導(dǎo)體粒子，每一顆的尺寸都只有幾納米。它們附著在LED背光板上，在背光源的激發(fā)下發(fā)出不同顏色的光。

　　一種量子點(diǎn)顯示器 來源：維基百科

　　在幾納米的尺度下，量子點(diǎn)發(fā)光的顏色受到量子力學(xué)的牢牢掌控，每一種大小的粒子都對應(yīng)著一種單獨(dú)的顏色，這是一種奇特的“量子尺寸效應(yīng)”：在宏觀世界，材料的顏色由其化學(xué)成分決定；但在納米尺度，物理尺寸本身就能改變其光學(xué)性質(zhì)。用這個(gè)方法調(diào)控的顏色十分純凈，使得屏幕有了非凡的色彩表現(xiàn)力。

　　不同顏色的量子點(diǎn)材料：粒子尺寸越大，發(fā)光顏色越紅；粒子尺寸越小，發(fā)光顏色越藍(lán) 來源：巴黎理工學(xué)院

　　11：00 PM | 不眠的城市與不息的能量

　　足夠的放松之后，你再一次進(jìn)入了夢鄉(xiāng)。而此時(shí)，你所在的城市卻并未沉睡。

　　在這不眠的現(xiàn)代都市里，時(shí)刻不停的電力供應(yīng)，是這座城市運(yùn)作的關(guān)鍵命脈，而其中核能（其能量源于原子核的裂變與聚變）與太陽能（其核心是光電效應(yīng)，正是愛因斯坦獲得諾貝爾獎的量子理論貢獻(xiàn)）所產(chǎn)生的電力，同樣與量子力學(xué)的開拓密不可分。

　　也許這里的很多人從未學(xué)習(xí)過量子力學(xué)的原理，但我們也都在無意間，一直使用著它，又享受著它給我們帶來的一切。回望百年，量子力學(xué)已從科學(xué)家的黑板走進(jìn)你我的口袋；展望未來，量子計(jì)算、量子通信等新一代技術(shù)正在孕育之中。這個(gè)曾經(jīng)高深莫測的“精靈”，必將為人類文明帶來更加深刻的變革。

　　原來，那些看起來高端的科學(xué)，其實(shí)并不遙遠(yuǎn)，而我們看似按部就班的生活，其實(shí)也充滿奇跡。（張一凡）

　　參考資料：

　　1、Yu， Peter （2010）。 Fundamentals of Semiconductors。 Berlin： Springer-Verlag。 ISBN 978-3-642-00709-5。

　　2、http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4559.html

　　3、https：//computer.howstuffworks.com/flash-memory.htm

　　4、https：//lasers.llnl.gov/education/nifs-guide-how-lasers-work

1. https：//www.chemistryworld.com/features/the-quantum-dot-story/4018219.article

　　策劃：劉穎 張超 李培元 楊柳

　　審核：中科院物理研究所研究員 魏紅祥

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責(zé)任編輯：石秀珍 SF183