序二

20世纪初诞生了两门革命性的物理学：相对论与量子力学。到了20世纪中期，这两个革命性的物理领域一方面在学术上已日臻成熟，另一方面也给人类社会发展带来了根本性的变革。相对论是原理性的学问，相对性原理乃为物理学各领域包括量子力学应秉持之基本原则，早在1928年便有了相对论量子力学方程，并由此预言了反粒子的存在。量子力学则是构造性的学问，是于经典力学、热力学、光学、电动力学、原子物理以及后来的原子核物理之上的一种理论构建。自1900年光量子假说提出，算是有了量子论；1924年量子力学，即“Quantenmechanik”一词第一次出现；1925年有了量子场论与量子统计；1927年量子力学波函数变换加入规范变换有了规范场论；量子力学，包括后续的量子场论、量子电动力学、量子色动力学等，就构成了当代物理学一个庞大的也是令人望而却步的基础学科。量子力学的构建经历了无数的头脑风暴，其间一大批杰出的物理学家做出了各自引以为傲的贡献。

量子力学从一开始就和工业有着密切的联系。光能量量子化的假设是为了解释黑体辐射谱分布，而黑体辐射问题则是在1860年由热心参与工业应用研究的著名物理学家亥姆霍兹（Helmholtz）提出，因为灯丝制作和炼钢等工业需求才得以深入研究。另外，作为引发量子论关键一步的氢原子光谱线的诠释，则来自放电研究——这与基于放电过程的光源研究有关，在此方向上的研究还导致了X射线和电子的发现，而电子和光则是量子力学的主角。当1927年量子力学初步成形时，同年的第五次索尔维会议的主题即是光与电子。光与电子不只是接下来的第三次工业革命的主角，在人类对物质持续开发利用的进程中，光与电子恐怕是永恒的主题。

量子力学甫一建立，就对物理学以及其他自然科学领域和工业技术领域带来了意想不到的冲击。薛定谔方程建立伊始，其应用于氢原子即得到了原子中电子能量的三量子数表示。加上泡利的不相容原理，原子中电子能量的四量子数表示意味着对应任何量子数 n 可容纳的电子总数为2 n ² 。这个量子力学习题式的结果竟然解释了元素周期表的结构！量子力学带来崭新工业门类的一个成就是固体能带论。异于金属导电行为的物质早在19世纪初即已为研究者所关注，1910年“半导体”一词出现。然而，尤金·保罗·维格纳（Eugene Paul Wigner）、费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）等人在20世纪30年代末将群论视角下的量子力学应用于固体，发展出了能带理论，遂让半导体物理成了一门专门的学科，进而有了渗透到人类生活各个方面的半导体工业。实际上，基于量子力学的第三次工业革命带来了花样繁多、原理各异的电子学器件、光电器件以及光子学器件，尤其是计算机的发展与应用将人类社会带入了智能化的时代。进入21世纪，量子力学不仅继续带来更多类型的材料与器件，更是将电子和光作为信息载体的特征加以充分发挥。对电子和光的量子调控是“工业4.0”的关键主题。霎那间，社会的发展仿佛处处带上了量子的烙印，国家间的竞争变成了量子科技竞赛。在这样一个技术高度发达的时代，量子力学理应成为受教育者以及合格的劳动者的知识标配。

台湾大学物理系张庆瑞教授长期从事物理学的教学与研究，尤其注重物理学的工业应用，在磁学、电子学、量子信息等领域多有建树，其投身工业领域之贡献也获得了工业界的高度赞赏。本书介绍量子计算、量子通信、量子传感器等量子科技的关键内容，呼吁我们的社会关注“第二次量子科技革命”的重要性。如张庆瑞教授所指出，量子知识与工程技术再次结合的“第二次量子科技革命”将提供更快速、更有效、更敏感的量子器件来加速社会发展。在21世纪的“第二次量子科技革命”中，人类会进一步使用量子科学以架构量子工程，制作出自然界没有的材料与组件，进而组合出崭新的量子机器来造福人类！通过本书，读者将获取对未来量子科技产业以及对人类社会影响的大致了解，熟悉一些必将成为生活常识的量子知识。

作为长期投身于工业应用研究领域的物理学家，张庆瑞教授敏锐地注意到量子科技时代的应用研究与教育的新特色。他预言，对应前三次工业革命分别诞生的工学院、电机学院和信息学院等大学院系的设置，新量子科技时代呼唤量子科技学院的设立，其学科属性值得及早谋划。中国人错过了前三次工业革命，在“工业4.0”时代幸而得以跻身发展前列，实属不易。对于“第二次量子科技革命”或者量子科技时代，作者期望我们主动参与这个新赛场上的角逐，在量子科技时代为人类做出应有的贡献。拳拳之心，尽在字里行间。

张庆瑞教授身为教育者，深知先进技术领域之学术基础渗透进社会意识的重要性，故而特地将量子科技教育着墨于最后一章。他不只是提倡量子概念的早期教育，更是注意到游戏、科幻在量子科技的大众教育中可扮演重要角色。他期盼早日把量子科技概念化为人们的生活常识。新时代的人要有量子科技的意识，哪怕仅仅是出于量子科技受益者的自觉！相信本书必将有助于量子科技概念在中国大地上的推广与普及。

张庆瑞教授乃学界翘楚，注重学术的工业应用，又具有深厚的传统文化功底，这便成就了当前这本著作一种少见的特色：严谨、实用却又不失有趣。一本量子科技著作，其作者既通晓严谨的量子理论，也对基于量子的科幻作品知之甚详；既能谈论量子加密协议，又能将典籍中古人的加密技巧信手拈来，这样的作者与作品皆称罕有。

承蒙张教授作序之邀，得享先睹之快，与有荣焉。

曹则贤
中国科学院物理研究所研究员
2022年8月22日于北京