量子概念――量子理论的灵魂，它煌煌地建树、煜煜地升华，并受到相对论的盈盈润泽，则成为现代物理学乃至现代物质科学的主要概念基础。量子概念以及量子理论很抽象、很玄妙，非但称得上人类精神文明的奇丽瑰宝，而且蕴含着巨大的物质力量：指引着现代自然科学、现代物质文明建设迅猛地发展。特别是许多高新技术，甚至可看作从这抽象概念、玄妙理论经由科技革命而直接转化来的丰硕成果。基本概念、基础理论的成功应用，导致绚烂多彩的科技创新；这累累硕果，显其灿灿光辉，把科技革命的场面和气势点缀、烘托得十分壮美、恢宏。

　　量子概念以及量子理论，是20世纪物理学最主要的伟大成就＊。量子概念及其一系列升华、推广、引申概念的问世，犹如“大珠小珠落玉盘”，炫耀夺目、令人惊喜；诸多量子理论｛偕同相对论｝的建立，把物理学引入新的发展时期――现代物理学。

　　普朗克提出能量子概念（1900年）、爱因斯坦提出光量子概念以及光量子论（1905年），即便开创了量子理论的宏伟篇章。玻尔在其｛氢｝原子理论（1913年）中提出｛量子｝定态和量子跃迁概念，其实是能量子和光量子概念的引申；由这引申概念便导出能量、轨道角动量等力学量的量子化（能级概念尤其重要）。爱因斯坦重又将玻尔引申了的量子概念用于辐射系统，进一步提出辐射的吸收、发射以至受激发射概念，从而创建了量子辐射理论（1916年）。再者，爱氏由光量子论引出光的波粒二重性；德布罗意将其推广到一切微观粒子，得出所谓的物质波（1923年），则成为薛定谔等人建立量子力学（1926年）的概念基础。显然，物质波概念是光量子概念的类比和推广。之后，狄拉克由其建立的相对论性电子波动方程（1928年）出发，提出空穴和电子海假设、作出正电子预言；相对论量子力学的精彩构建，致使｛正、反｝粒子的产生-湮没概念得以确立，此概念乃量子概念与相对论质能相当原理相结合的产物，且标志着量子概念由以登峰造极。

　　经过二次量子化等程序而创立的量子场论（乃高级量子理论）以量子场为概念基础；就现代物理迄今进展状况而论，它可谓是量子概念升华的极致。正因为量子场论的深入发展（1927年以后），量子场被揭示为物质存在的最基本形式，从而披露了物质世界的基本统一性；实际上，量子场亦为物质的波粒二重性乃至物质波概念的精湛凝练。而由量子场特性所导致的量子相干、量子纠缠等也是量子理论中的重要概念。量子概念及其引申概念几乎都没有经典对应，上述诸多概念以及自旋、能级和能带、｛费米子｝结对、｛玻色子｝凝聚、量子隧穿、“库仑阻塞”等皆然。然而诸如量子霍尔效应、量子相干、量子纠缠、量子凝聚（即玻色―爱因斯坦凝聚）等，其实均可视作宏观量子效应。所有这些概念和效应都有非常广泛的科技应用。

　　20世纪的科技革命将人类带进信息时代。技术文明的这一新纪元之开拓，乃以两项伟大发明――1947年制成第一个晶体管、1960年制成第一个激光器――为标志；显然，二者都是量子理论的光辉结晶。前者奠基于能带概念以及能带理论，半导体之特殊的能带结构决定了这种晶体在电子技术以至电子产业中的居要地位；后者奠基于光量子概念以及量子辐射理论，激光的优异性能致使其被当作科技各领域的“神光”、“利器”。计算机技术、通信技术、自动控制技术三个方面构成信息科技工程的主体，那末，晶体管及其集成电路、｛微｝电子器件、光电器件、光导纤维等都是该工程主体的重要部件；而二十年之前凭借能带理论而研制成光子晶体，则开发了与电子技术并驾齐驱的光子技术。当然，电子技术的欣欣向荣、光子技术的异军突起，反过来导致凝聚态物理、半导体物理、微电子学、激光物理、量子光学、固体光子论等，都成为现代物理中的一些最受人关注的学科范畴。这些学科的快速延拓恰又指引着信息科技不断地向深层次推进，新技术发明更是喷薄而出、势如潮涌。譬如说，试制中的光子计算机或许会使信息科技发生新的革命性转变；看来，光量子概念真是一个无价之宝。

　　大多宏观量子现象都起因于大量玻色子的量子相干而致的玻色―爱因斯坦凝聚。激光正乃相干光子（光子是玻色子）系统；而近年来尝试实现“原子激光”，也可谓相干的玻色原子系统的量子凝聚所致。超导、超流现象亦然。倘若是费米子系统，则两两结对成为玻色子，再发生凝聚；超导体内的电子正是两两结成所谓的“库珀对”。可见，量子相干、量子凝聚会造成一些特异的物质形态，而此类形态往往会带来具有甚高经济价值的技术应用；例如，人们热衷探索的超导体已经付诸实用。

　　量子纠缠乃指分离一段｛宏观｝距离的粒子之间的非局域关联。20世纪末叶在实验上已实现了双光子和多光子（或其他粒子）的量子纠缠。探讨中的量子远程传态方案便是利用这一概念；与此相关，人们正试图研制量子计算机，其计算原理涉及量子态的叠加性和相干性。因此，量子计算机的计算效率理应大大高于经典计算机，还可真正实行并行计算；并且，实施量子通信，其保密性得到很好保证。所以说，立足于量子相干、量子纠缠等概念的量子计算、量子通信一旦达成，必将打开信息科技的一个全新境界――量子信息科技；量子计算机的革命性意义远甚于已予改变世界面貌的电子计算机和试制中的光子计算机。它不仅在技术上，而且在原理、机理上，都会引起极其深刻的变革；就是说，量子概念、量子力学原理直接导致计算原理、通信机理的根本性转变。当然，量子信息科技或可带来的经济价值也是迄今传统信息科技所无法比拟的。

　　材料科技提供信息科技以物质基础；在信息时代，新材料开发必定势如破竹。所开发的新材料，当然都是相当有用的，还往往具有一些十分奇特的性能。譬如说，半导体P-N结对电流起到整流和放大作用，由以可制成晶体｛二极和三极｝管；某些金属、合金和化合物在一定温度之下具有超导电性（电阻趋于零）。半导体和超导体的这些奇特而有用的性能使其成为高新技术舞台上的主角或出彩角色。无论是寻觅并利用优异的天然材料、还是设计并研制新奇的人工材料，都需了解其内部结构（分子-原子构成及其电子结构，对于晶体则包括晶格点阵结构和原子之间的价键形式）。研究材料的微观结构，自然须凭藉于量子概念的一些引申概念、借助于诸多量子理论的有效指导。半导体具备与导体、绝缘体很不相同的能带结构，自由电子和空穴都是其导电过程的载流子；通过掺杂可提高电子（或空穴）的浓度，以至于导电过程以电子（或空穴）为主，此即所谓N型（或P型）半导体，这两种类型的半导体相接合则形成P-N｛异质｝结，它便是晶体管的核心机制。电子和空穴还会因库仑作用结对成为激子。凝聚态物理中引入声子概念，作为晶体内晶格振动的能量量子；于是，晶格对电子的散射可解释成声子与电子的相互作用，这作用就表现为电阻。超导体内双电子的束缚对――“库珀对”――有微米长度（属宏观尺度范围），作为载流子而不至于被微观尺度的晶格原子散射（即声子与其作用可略），故电阻降为零。这里列举的空穴、声子、激子、“库珀对”等，其实都是量子概念以及量子场论中准粒子和复合准粒子概念的引申，它们都遵循量子力学和量子场论所描述的运动规律。

　　有人说：“结构决定一切”；化学家跟物理学家一样，从探索分子和高分子的结构入手，研制种种无机物质和有机物质的新材料。量子化学键理论给出探索原子间价键、即化学键的结合形式，由以决定分子结构乃至材料性能的研究方法。原子的价键结合也是一种量子效应，化学键概念亦乃从量子化学之量子概念基础衍化而来。同样，分子生物学家在分子-原子层次上考察生命有机体、探讨生命的本质，并且也从探索生物大分子结构及其内小分子和原子间的键合形式入手，研制具有特殊结构和良好生物功能的生物材料；他们所采用的是分子生物学―量子生物学的研究方式。材料科技是一个涉及众多学科、综合性很强的科技领域，新材料的种类五花八门；但不管怎样，恰正是量子概念以及量子理论，才能够坚强地支撑起不断探寻中的无数新材料以至整个物质世界之无穷无尽的奇观胜景。

　　人工材料的设计和制备当然愈加依赖于理论的指导。尤其是低维材料，似乎很难从天然存在物质中觅得、并分离出来（石墨烯例外）。诸如富勒烯那样的团簇分子，可谓之零维的“量子点”；还有一维的“量子线”，包含二维电子气的“超晶格”等。且说超晶格，即两种半导体薄膜交替接合而形成的一维周期性异质结构，目前用分子束外延生长等技术制备，甚至可把薄膜生长控制到一个单原子层的精细程度（所谓“超晶格”，意指晶格层层套叠）。这种结构的势能构型称作“量子阱”，实为许多势阱之紧密排列。单个势阱中的电子能量呈分立能级；排列起来，相邻势阱中的电子相互耦合致使一个个能级宽展成一个个能带。量子阱性状乃是由量子力学推理的结论，技术上按此结论而研制成超晶格材料。其中电子都囿限于半导体薄膜的界面，故而形成为二维电子气。实测到这种二维系统的一些特异性质（例如量子霍尔效应等）和超晶格材料的一些优良性能，皆为量子力学所预言抑或可用量子力学原理作出适当解释。二维系统的纵向尺度（厚度）为纳米量级；若两个维度均为纳米尺度，则是一维的“量子线”系统（例如链式聚乙炔那样的原子链、碳纳米管等）；若三个维度均为纳米尺度，则是零维的纳米颗粒（包括团簇分子、分子团等）。量子理论指导下的低维物质系统研究，导致大批奇特的人工材料问世；特别是以量子概念为更显著标记的纳米材料，已成为本世纪新材料宏大队伍中的一支最活跃的生力军。

　　任何仪器设备和技术工程都不可能单凭技术工艺和合适材料予以创造，更为重要的是必须提出先进的设计思想和工作原理，那就得凭借基础性的和前沿性的物理概念和物理理论作为其基本依据。当今许多尖端仪器和现代化技术工程的创造过程，看来也都离不开量子概念以及量子理论的指引和依托。且以少数例子说明之，虽难免挂一漏万，却由此亦足以体会，量子概念的技术成果比比皆是、琳琅满目。

　　如上所述，晶体管和激光器是信息时代两大主要器件，因所用材料和工作物质不同以及工作原理有所变革，其种类日益繁多。譬如说，新颖的晶体管有量子干涉晶体管、半导体隧道二极管、单电子晶体管等。前两种顾名思义即知，乃是利用半导体内电子的量子相干性以及电子穿过势垒的量子隧道（或曰隧穿）效应；第三种是按照“库仑阻塞”效应设计的｛纳米｝逻辑器件，乃采用量子点（有些量子点常常称为库仑岛）制作。所谓“库仑阻塞”效应，是指当一个电子进入库仑岛内时，其他电子就被阻挡在岛外；惟当岛内的电子离去后，才允许另一个电子进入岛内。那末，可用岛内有电子和无电子代表“1”和“0”两种状态；故而属于逻辑类器件。上文提及的原子激光不是普通的激光，它其实是量子凝聚所致的相干原子束；而自由电子激光器与以某些固体或气体为工作物质的普通激光器也不同，它乃以自由电子为工作物质，其实是相对论性电子束通过横向周期性变化磁场而产生的光辐射受激振荡或受激放大。至于单原子激光器，有一点与单电子晶体管相雷同：亦以单粒子――单个原子――作为工作承担者。微电子技术等手段已发展到可能操纵单电子、单光子、单原子的高超程度，而操纵原子等与激光冷却等精致技术颇相关。单粒子操纵技术是纳米科技的重要研究方向，其应用很广，除制成各种单粒子器件外，实现粒子之间的量子纠缠也是一例。

　　探测仪器对于探索物质之种种性质及其微观结构都甚为必要，十分高级的探测仪器真是层出不穷。利用微观粒子的波粒二重性，早年即已制成电子显微镜，其分辨率比光学显微镜高出几个数量级；而中子衍射仪和中子散射谱仪将物质结构的分析手段提到更高阶层。中子衍射仪的工作原理与X射线仪相仿佛；用后者测试，曾为DNA双螺旋结构模型之确立给予有力的支持。型式多样的一类扫描探针显微镜具有很多比电子显微镜更独特的优点，其中用途广泛的扫描隧道显微镜（STM）也是利用量子隧道效应，通过测量导电探针的针尖与样品表面之间隧道电流的强度分布，确定样品的表面形貌、原子种类、电子结构等状况。此仪器还可以操纵单原子：把表面所吸附的原子蒸发、移走，把针尖所吸附的原子蒸发、沉淀在表面上。再者，凭借｛正、反｝粒子的产生-湮没概念而进行正电子湮没谱测量：由放射性元素的β+衰变产生的正电子束射入样品，与样品中的电子湮没则转化成γ射线；探测γ射线以确定样品的电子密度、电子结构等性状。而依照穆斯堡尔效应（乃指无反冲的核共振吸收现象）和核磁共振效应（乃发端于原子核自旋｛角动量｝在外加磁场作用下的进动）制成了穆斯堡尔谱仪和核磁共振仪，二者不仅有许多物理应用，还可用于探测化学高分子、生物大分子的结构、测量机体的生命运动过程、显示机体内部组织并诊断其病变。的确，名目繁多的物理类探测仪器在化学、生物学等科技各领域都有十分红火的应用，这也是量子理论向非物理学科范畴深入渗透的一项突出表现。

　　大规模、高层次、现代化的科技工程，诸如微电子工程、光通信工程、国际互联网工程、多媒体技术工程、纳米材料工程、机器人和自动化机械工程、核聚变工程、核电站工程、加速器工程、射电望远镜工程、我国的“神光”工程和“神舟”航天工程、高分子化学工程、生物化学工程、现代生物工程、基因工程等等，虽有学科、领域、等级（指一级工程、二级工程、三级工程）之不同，但所涉及的科学蕴涵、技术内容，都以物理学（包括经典物理和量子物理）作为最深的根基。尤其是量子概念以及量子理论，对于科技工程的现代化和高精尖趋势，是至为关键的。