描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787302702160丛书名: 新时代·科技新物种
1.自量子理论诞生以来的每一天，科学家们都在不断地提出一个又一个天马行空的创新理论，全世界的实验室都在前仆后继地开发着一个又一个突破想象的颠覆性技术。2.把量子科技迄今为止所有的落地应用汇总起来，就可以一瞥量子产业这个宏大概念的端倪。与其他任何产业不同，量子产业是一个高度综合、高度集成，由多个前沿交叉学科共同构筑的庞大产业。3.本书所描绘的正是这一新纪元的前世今生，展现了量子产业的过去、现在和未来。量子产业的发展源于量子理论的突破，而创新的理论又反过来引发了诸多产业领域的颠覆性革命。翻开本书，你将开启一段难忘的旅程，与百年来最具智慧的科学家们一起，共同经历这场或许是人类历史上最伟大的科学革命、技术革命和产业革命。
现代物理学已经开启了一个充满无限可能的新纪元。量子领域的前沿研究在不断挑战我们对物质世界的认知的同时,更在不经意间改变着我们的日常生活，从各个角度重塑着社会生活的方方面面。本书从当前量子技术的落地应用和转化成果出发，系统性地介绍了量子产业中不同分支的理论基础、发展现状和未来走向。书中没有晦涩的公式，也没有枯燥的图表，主要讲述量子物理如何改变了各行各业，力求为非专业读者展现一幅尽可能全面的量子产业图景。
第一章 量子材料：小到不能够再小001
第一节 量子限域和量子点002
一、量子的基本概念002
二、像素点和量子显示005
三、量子点和新型显示材料011
四、量子点的机遇与挑战014
第二节 从石墨烯到碳纳米管017
一、量子力学的不确定性原理017
二、石墨烯和二维材料020
三、一维传导的碳纳米管023
四、细胞间隧道纳米管027
第三节 拓扑量子先进材料031
一、从零维、一维、二维到三维031
二、新型Z2拓扑不变量033
三、拓扑物理学的由来037
第二章 量子破缺：全同粒子不相同042
第一节 原子光谱与候鸟迁徙043
一、全同而又不同的量子043
二、正常和反常的塞曼效应046
三、候鸟的“量子导航”生物罗盘049
第二节 自旋电子学产业革命052
一、自旋和计算机存储052
二、巨磁阻效应和硬盘革命055
三、从电子学到自旋电子学058
四、核磁共振和磁共振成像060
第三节 微观世界的微观表征064
一、量子与量子精密测量064
二、国际基本单位的量子化067
三、量子助力“穿墙”和“透视”071
四、更高更快更强的粒子加速器074
第三章 量子隧穿：不可阻挡的量子078
第一节 量子力学的隧穿效应079
一、穿越一切的量子隧道079
二、波粒二象性和物质的概率波081
三、嗅觉背后的量子原理085
四、世界起源的偶然和必然088
第二节 量子探针开启了纳米大门091
一、扫描隧道显微镜091
二、通往原子世界之路093
三、纳米齿轮、纳米马达和纳米汽车097
四、新型纳米生物制剂101
第三节 突破芯片制程的极限107
一、逐渐失效的摩尔定律107
二、量子时代的半导体产业113
第四章 量子纠缠：超越时空的纽带119
第一节 鬼魅般的超距作用120
一、光速的极限能否被超越120
二、量子论和相对论的碰撞124
三、整整半个世纪的质疑和挑战127
第二节 宇宙、时空和黑洞134
一、撕裂时空的黑洞134
二、黑洞辐射和真空零点能136
第三节 量子通信和量子新基建141
一、量子信息隐形传态141
二、绝对安全的量子加密通信144
第五章 量子相干：携手一起共进退152
第一节 更大尺度的量子系统153
一、从“粒子”到“量子”153
二、波的干涉和量子相干态155
三、“受激辐射光放大”159
第二节 大工业的相干激光时代162
一、激光加工、激光焊接和激光打印162
二、激光笔、激光投影和激光电视167
三、激光扫描、激光雷达和高能激光170
第三节 各种各样的量子相干系统178
一、超导体、超流体和超固体178
二、玻色-爱因斯坦凝聚态180
第六章 量子计算：守护薛定谔的猫185
第一节 从经典计算到量子计算186
一、经典计算背后的“分解”原理186
二、“分解”原理无法求解复杂问题189
三、量子世界的语言速成193
四、波函数和观察者效应198
第二节 各类量子算法及其应用201
一、量子搜索算法201
二、量子模拟算法203
三、量子退火算法207
四、量子机器学习210
五、量子算法的应用场景213
第三节 后量子时代的攻与防216
一、现代互联网的密码基石216
二、量子算法对加密体系的冲击219
三、后量子时代的抗量子加密223
第七章 量子芯片：大国重器的雄心226
第一节 量子计算的具体实现227
一、可逆的计算过程227
二、量子逻辑门229
三、量子态的持久保存235
四、量子计算机的发展阶段238
第二节 不同构型的量子芯片244
一、超导量子比特244
二、离子阱量子比特247
三、中性原子量子比特250
四、半导体量子比特254
五、光量子比特257
第三节 通往量子霸权之路260
一、跨国科技公司的量子布局260
二、美国和欧洲的量子战略263
三、其他国家的量子之路267
第八章 量子产业：量子革命的黎明271
第一节 我国量子产业现状272
一、我国已经成为量子技术大国272
二、我国同时也是量子科学强国275
三、但我国仍是量子产业“小国”278
第二节 各地量子产业政策思路283
一、量子产业专项规划陆续出台283
二、量子科技纳入未来产业蓝图287
三、量子新基建成为投资新热点291
第三节 吹响量子纪元的时代号角294
一、新兴产业的量子破局294
二、传统产业的量子新生297
三、量子革命开启的伟大纪元301
既熟悉又陌生的量子
所有人都知道，量子代表着未来。
2020年前后，我国就掀起过一股发展量子产业的热潮。彼时，习近平总书记主持进行了关于量子科技研究和应用前景的集体学习，并提出“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋”。
随着新质生产力成为推进高质量发展和实现中国式现代化的关键所在，量子科技又一次得到了全社会的关注。作为很有可能带来新一轮产业革命的颠覆性创新，量子产业被寄予了以基础科技进步带动产业格局重塑，进而实现全面“弯道超车”的厚望，各地政府争相将重点发展量子产业写入工作报告，不少地方还出台了专门的产业扶持政策。
几轮“量子热”之后，量子力学的颠覆性和实用性已然深入人心，“量子”一词已经天然地和高科技绑定在一起了。网络上甚至还流传起了一种说法，叫“遇事不决，量子力学”。
但是究竟什么是量子呢？
虽然人人都听说过量子物理，也都认可量子科技一定蕴藏着改变世界的巨大潜力。但要是论起量子物理究竟是什么，量子科技到底如何改变世界，量子产业又是怎样落地的，这些问题又没有多少人能答得上来。
现在市面上不乏关于量子力学的科普著作，很多还是极为优秀的大家之作，用很多具体事例和生动场景讲清楚了量子物理好、量子科技妙的道理。但是具体到为什么好、为什么妙，要么转为介绍量子物理史，要么开始摘录量子力学的基本概念说明。从“研”到“学”再到“产”这一环，事实上是缺失的。
同时，网络上大多数普及性的介绍，事实上是关于量子信息产业的介绍。量子信息产业是用量子化的方式来实现对计算机、互联网等现代信息技术的升级改造，是量子产业不可或缺的重要板块。但量子产业的概念范围远比量子信息产业更大更广。早在2000年，中国科学院就成立了量子结构中心，2009年北京大学又创立了量子材料中心，量子结构和量子材料也是量子产业密不可分的一部分。
除此以外，现代的不少先进技术都是量子科技的衍生成果，或发源于基础量子理论，或脱胎于前沿科研装置。这些技术的出现都与量子理论的重大突破有关，自然也是量子产业结构的一环。
人人都听说过量子物理，人人都推崇量子科技，但很少有人了解量子产业。这对于整个量子产业的长期发展显然是不利的。
量子物理带给人们的第一件礼物就是打开了通往微观世界的大门。我们所熟知的经典物理法则在原子、分子所处的微观世界中并不适用，那里通行着的是另一套法则——量子物理的法则。
本书第一章主要围绕量子材料的发展和应用展开。量子材料是通过特殊的结构设计，让原本只存在于微观世界的量子效应保留到宏观尺度，从而展现出在经典物理学里完全不可能存在的量子特性。量子材料是我们打破经典物理学极限的突破口，也是量子革命最直观的现实体现。
量子理论的进步还让我们对微观粒子的性质和行为有了更深程度的了解。本书第二章主要介绍了自旋等量子的精细属性，以及利用这些属性的变化来探测外界环境的量子测量。基于对量子自旋的研究，人们开发出了一系列利用电磁场来操纵微观粒子的技术，其中最重要的是核磁共振和硬盘存储。现代医疗设备和信息技术产业近几十年的发展，归根到底都是得益于量子物理的理论支撑。
第三章介绍的量子隧穿是微观粒子有别于宏观物体的最重要动力学特征，也是量子力学“不确定原理”的最直观体现。科学家们另辟蹊径，利用量子隧穿对微观距离非常敏感的特点，制作出了分辨率可达亚原子级别的量子探针。量子探针的出现代表了纳米产业的正式诞生，从此开始，人们可以自由组装设计出只有几个到几十个原子那么大的纳米装置，极大地拓宽了世界的探索边界。
第四章介绍的量子纠缠是各类文艺作品里最喜欢引用的量子效应。在特定的情况下，两个微观粒子有可能发生量子化的纠缠，从而产生超越时间和空间的纠缠联系。将量子纠缠应用到通信技术中，就实现了绝对不可能被外界截获破译的量子通信。
除了对单个微观粒子自身性质的研究，量子物理还重点关注多个物体之间的相互作用。当许多物体在同一时间以同一步调进入同一运动模式时，它们之间就有可能产生量子相干，展现出宏观尺度下的量子动力学行为。第五章中提及的激光和超导都是典型的量子相干态，这两者的出现彻底重塑了工业生产格局，带来了一系列极其重要的技术变革。
第六章和第七章主要着眼于量子计算的理论发展和量子芯片的研究历程。量子计算、量子通信和量子精密测量共同构成了量子信息产业。量子信息产业是量子产业生态中最年轻也是最有活力的成员，也是量子革命颠覆性和突破性最集中的体现。
第八章主要介绍了各地对量子产业谋篇布局的大致思路。量子产业的每一条分支路线，都代表着一个衍生赛道，都捆绑着一系列早就能列举出无数落地应用的现实产业。这些分支加在一起，勾勒出的是一整个蓬勃发展中的现代化未来产业体系。
量子产业的实质就是现代产业的未来化革新。
用一句话来概括，量子就是面向未来的科技。
就像长期生活在水中的鱼可能意识不到水的存在一样，人们往往也不会特别注意到习以为常的环境因素。身处量子产业环境中的我们，在每一种产业门类和每一个生产部门里都能看到量子科技的丰硕成果，但又总是忽略了这个伟大的量子纪元。
量子代表着未来，但是未来早已到来。
最后，感谢茅钰才和王金磊两位同志对于本书的贡献，他们在本书的创作过程中提供了不少宝贵的思路，并协助进行了书稿的文字润色。
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