量子物理是研究原子和亚原子层面现象的物理学分支。
自20世纪20年代建立以来，量子物理在过去的一个世纪里取得了巨大的进展：在广度上它不仅促进了原子物理、量子光学以及凝聚态物理等众多物理学学科的建立和发展，而且是量子化学和分子生物学奠基性科学理论；在深度上，作为量子理论的顶峰之一，量子规范场论已经成功地描述了强、弱、电磁三种基本相互作用；在应用上，量子理论的应用不仅催生了以激光、半导体和核能为代表的新技术革命，而且推动了晶体管、光纤技术的发明。
可以毫不夸张地说，量子力学不仅是当代物理学大厦的两大支柱之一，也是当代科技创新的科学基石。特别是，自20世纪80年代以来，量子物理与信息科学结合形成了新兴的量子信息学科。该领域的研究表明，量子物理的应用不仅有望解决经典计算无法有效解决的问题，实现可证明安全的保密通信，还可以为精密测量提供新方法和新思路。近年来，量子信息领域科学和技术发展日新月异，有望催生新一轮信息产业革命。
本文将从量子物理基础研究、量子物理应用研究以及人工量子系统等三个方面对量子物理领域的发展态势进行简要回顾。旨在帮助读者了解这一引人入胜的研究领域中的基本概念和应用。
量子物理基础研究
自20世纪初量子理论诞生以来，有关量子物理基础的研究从来没有停止过。从最初争辩量子理论的正确性，到后来质疑量子力学的完备性，都属于量子物理基础研究范畴。以下我们将重点介绍量子力学的诠释和量子力学非定域性方面的研究进展。
量子力学的诠释
量子力学诠释主要是指人们对于量子力学理论中各种概念的解释和理解方式。由于量子理论的数学形式往往与我们对现实的直观理解相矛盾，量子力学的诠释长期以来一直是物理学家争论的焦点。在量子力学诸多诠释中，影响力较大的主要包括哥本哈根诠释、爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）诠释、德布罗意-玻姆诠释和多世界诠释。
量子力学的非定域性定域是指物理过程仅在局部区域内发生，且不能在瞬间跨越较大距离。
在经典物理学中，定域是一个基本原则，即信息和相互作用不能比光速传播得更快。然而，量子力学中的纠缠使定域的概念受到挑战。纠缠描述了量子力学两个或多个量子系统之间的强相关性。当两个粒子纠缠在一起时，即使它们类空间隔，它们的属性（如自旋、位置等）仍紧密关联。这种现象被称为“非定域性”，因为纠缠粒子之间的关联似乎瞬间跨越了空间，所以违反了定域原则。
量子物理应用研究
随着理论研究的深入和实验技术的进步，对量子物理应用的研究逐渐从单纯利用量子体系的不连续特性，拓展到需要对量子态进行精确调控阶段。特别是通过与信息科学的结合，形成了新兴的量子信息学科，其研究方向包括量子计算、量子通信和量子精密测量等。
量子计算量子计算机是使用量子力学原理进行计算的机器。
在经典计算机中，信息存储的基本单元是比特，每个比特有0和1两个状态；计算通过逻辑门进行，常用的逻辑门是单比特或两比特的二进制函数，例如非门和与非门等；逻辑门的组合可以实现复杂的计算。
在量子计算机中，信息存储的基本单元是量子比特，每个量子比特是一个两态的量子系统，可以处于0和1的任意叠加态；计算通过量子门进行，常用的量子门是对单量子比特或两量子比特量子态的酉变换，例如，阿达马（Hadamard）门和受控非门等；量子门的组合可以实现多量子比特状态的复杂酉变换；最后通过对变换后的量子态进行测量读取计算结果。
由于利用了量子态，量子计算机具有超出经典计算机的计算能力，能够解决一些经典计算机无法解决的问题。
量子通信量子通信主要是指使用量子态编码信息，进行信息传递。狭义地，量子通信主要是指量子保密通信（量子密码）。由于Shor大数因子分解量子算法严重威胁了李维斯特-萨莫尔-阿德曼（Rivest-Shamir-Adleman，RSA）公钥密码的安全性，量子密码成为未来量子计算时代保密通信的候选之一。
量子保密通信分为两步实现，首先通过专用装置分发密钥，通过后处理确保密钥安全性之后，再使用一次一密方案，进行保密通信。
量子精密测量
量子精密测量利用量子系统的独特性质实现极高的准确性和灵敏度。这些测量可以应用于从探测引力波到开发超精确原子钟的广泛科学和技术领域。量子精密测量的进步得益于新颖实验技术的发展，如量子压缩和纠缠增强干涉测量，这些技术使得以前所未有的精度操纵和控制量子系统成为可能。
人工量子系统
量子计算、量子通信和量子精密测量等方向的研究依赖于良好的实验平台。它们应具有良好量子相干性、精确可控性、可扩展性以及易于读出等特征。这里我们重点介绍几类典型的人工量子体系，包括超冷原子/分子气体、腔光力与腔量子电动力学、囚禁离子和里德伯原子等。目前，这些系统在量子信息科学的研究中占据了重要的地位。
超冷原子/分子气体
分子气体超冷原子气体是通过激光冷却和蒸发冷却实现的原子的德布罗意波长与原子间平均距离可比拟的宏观量子气体。20世纪90年代，玻色-爱因斯坦凝聚体和简并费米气体在稀薄中性原子气体中的实现标志着超冷原子物理学科的建立。
和其他宏观量子体系相比，超冷原子气体除了有良好的量子相干性外，还具有体系纯净、高度可控以及探测手段灵活多样等特点，为模拟凝聚态物理、高能粒子物理以及天体物理中的新奇量子现象提供了理想研究平台。
腔光力与腔量子电动力学
旨在全量子框架下研究光子、原子、声子之间非线性相互作用及其应用。相关研究不仅对于展示宏观量子效应、探索经典与量子边界等量子力学基本问题有着重要的基础研究价值，而且可以为量子传感、量子计算以及新型量子器件的研发提供关键资源。
囚禁离子
中性原子失去外层电子可以形成带电的离子，通过施加外电场可以将离子囚禁。利用外加激光场可以有效地操控离子的内态和离子围绕平衡位置的振动状态。由于囚禁离子易于操控且损耗很低，它不仅是实现数字量子计算的理想平台，而且成为一个重要的量子模拟器。
里德伯原子
当原子的核外电子处于高里德伯激发态时，原子之间存在着强的偶极相互作用。里德伯原子在量子信息处理、量子模拟、量子计算和精密测量方面都扮演着重要的角色。里德伯原子间的长程相互作用可用于制备具有奇特量子统计的多光子态，这可以用于单光子和多光子源、决定性地制备纠缠光子对等。