编者按：2025年，距量子力学的诞生恰好过去100年。在这100年间，量子力学已成为现代科学的基石，也改变了我们的日常生活。本系列文章从身边的常见事物出发，深入浅出地介绍量子力学的原理，以纪念这一伟大成果，并为更多好奇的人打开了解它的一扇窗。
作为一名物理专业的学生，因为好奇打开购物软件搜索"量子"，看到这样的商品赫然在列，不禁感到瞠目结舌：
购物软件上搜索"量子"的部分结果
学了物理学的人一眼就能看出它们的离谱，但从购买量可以看出，很多人还是会被它迷惑。打着科学的幌子骗人，这也太不厚道了！心中一时气愤，只想向大家呼吁：
我们现在狭义的"量子科技"产品，主要包括量子计算、量子信息、量子传感等几大领域，都没有被正式投入民用；而广义的应用了量子力学的科技产品，却早已融入我们的生活日常，从不会标榜自己用了"量子"科技。所以，那些在名字里带有"量子"的"科技产品"都不要买，能劝一个是一个！
但是，在认真思考之后，我发现真的有这样一个例外，带着"量子"的名字，还是实打实地运用了量子力学的原理。既然了解了什么不是，那也要了解什么是才行——下面就让我们来认识一下这款真正的"量子产品"：量子点显示器吧。
"量子点"是什么？
顾名思义，量子点显示器的核心，就在于它所使用的量子点材料。这是一种很小很小的半导体颗粒，每一粒可以小到只有几纳米，也就是几十个原子那么大。到了这样小的粒子尺度，它们就会有区别于相同成分大块固体的奇特性质，这就是神奇的量子限域效应。
这是什么意思呢？原来，对于大块的固体，我们在计算其中的电子的能量分布时，用到了一个重要的假设：这个固体是没有边界，无限延伸下去的。这个假设一般来说不会出什么问题，因为电子比起块状固体来说，实在是太小了。这时，运用量子力学计算出的结果，就像下图中最左边的那样，是两条连续的能带，蓝色的部分就是电子所能获取的能量。
块状材料与限域材料的能带分布图。可以看出，材料的尺寸越小，对应的能带间隙就越大，光谱的颜色越蓝。 来源：Science
但当每一粒材料变成如此小的颗粒时，这个"固体没有边界"的假设就失效了。对电子来说，它的活动范围就像被"限制"在了方圆几纳米的小小区域，再也不能随便运动。因此，计算能量的方式发生了改变，而能带也从两条连续的带，变成了中间有很多分立的小"楼梯"。
这些"楼梯"的存在，让小颗粒能发射和吸收的光的颜色变成了一个很确定的值，也就是取决于两层楼梯之间的距离。而且，这个颜色是由颗粒本身的大小决定的。就像上图的右边所示，当颗粒越小，电子被限制得就越厉害，"楼梯"之间的距离越大，发出的光也就越蓝。
这听起来好像非常高端，但其实量子点材料的历史并没有我们想象的那么短暂。早在公元一世纪，教堂中的彩色玻璃窗中就已经运用到了它，只是直到20世纪80年代，苏联的科学家Ekimov才第一次真正认识到这回事。
圣家堂的花窗 来源：维基百科
Ekimov本是一位研究有色玻璃的专家，为了确定有色玻璃中小颗粒的结构、化学组成以及生长机制，他用氯化铜掺入玻璃，做了一系列实验。神奇的现象发生了：由于处理工序的区别，玻璃中分布的氯化铜晶体的直径大小从2nm-30nm不等，而玻璃里掺杂的氯化铜颗粒越小，玻璃吸收的光就越蓝！
几乎与此同时，美国贝尔实验室的科学家Brus在研究光化学反应的时候，也意外地发现了类似的现象：在他的实验中所用到的硫化镉小晶体，光学性质随着晶体颗粒的大小变化而变化。这两位科学家独立发现的成果，正是人类对于量子点的最初认识。
但是，发现这些还不足以让量子点成为一个足够好用的显色材料。最关键的点在于，我们还没有一种人工合成的办法，能精确控制想要的量子点的大小，因此，我们就没有办法控制它成为我们想要的颜色。
这个问题，在1993年被美国科学家Bawendi和他的团队解决了。他们发明了一种"热注射合成"方法：将室温下的原料快速注射进热溶剂中，形成非常微小的晶体胚。这些晶体在溶剂中长大，随着时间的流逝，它们的颜色逐渐从光谱的蓝端渐变到光谱的红端。
更重要的是，一旦溶液突然冷却，晶体的生长就会停止，继续加热，生长又会继续。所以，只要通过控制温度，让晶体的生长停在合适的地方，就能合成出一瓶我们所需的颜色的量子点了。
一个量子点晶体的显微图来源：American Chemical Society（1993）
在这个方法的基础上，人们终于可以获得一系列结构规则、尺寸明确的量子点材料。2023年，Ekimov、Brus 和 Bawendi 一起获得了诺贝尔化学奖，以表彰他们发现与合成量子点的贡献。
实验室内的量子点材料 来源：显示世界
从实验室到显示器
到这里，量子点材料的应用，已经万事俱备，只欠东风了。那人们又是怎么把它变成显示器的呢？
目前市面上出售的量子点显示器，采用的都是量子点背光技术（QD-LCD）。这个原理与液晶显示屏有点相似，只是把其中的液晶分子换成了显色能力更好的量子点。
显示器的基础，是一块蓝色LED的背光光源。在这块光源上，覆盖着一层由量子点材料组成的膜，这些量子点材料可以吸收背光的蓝光，再转化为红光和绿光，组成显示器的三原色单元。然后，就像控制普通的液晶显示屏一样，控制每个单元三原色的组成比例，就可以显示出各种不同的颜色了。
来源：Samsung newsroom
因为量子限域效应已经把这些材料的光谱限制在了很小的范围内，自然，它们所转化出的红光绿光，也比传统的液晶显示屏要更纯净。有了这样纯净的显色单元，量子点显示器能提供的色彩表现力自然就能更高。人们用"色域"来描述一个显示器所能表现出的色彩范围，在市面上所有的显示器中，量子点显示器就是色域最宽的一个。
不同类型电视屏幕的色域对比 来源：显示世界
而这还不是量子点的能力极限。其实，量子点材料本身，也可以像我们所见的LED小灯那样，通了电以后就自己发光。如果能够利用这样的性质，做出自发光的量子点发光二极管（QLED）显示器，就能摆脱对背光源的依赖，发光效率更高，响应速度更快，也能做得更轻薄。这项技术目前在提高分辨率上还有一定的门槛，所以还没有进入商品化的阶段，
但是非常值得期待！
不止于显示器
现在，我们已经领略了量子点在显示领域的高超能力，但如果以为量子点只能被应用在显示领域，就太小看它了。
量子点在各领域的应用前景 来源：Science
在生物医学领域，量子点可以成为优秀的"荧光探针"，在生物成像和医疗诊断方面大显身手。它还可以作为靶向药物的载体，把药物精准地输送到目标细胞中去，避免对其它细胞造成的伤害。
在能源领域，量子点材料有希望提升太阳能电池的光电转化效率，降低太阳能发电的成本。
在量子计算领域，由于量子点的物理特性可以被精确地设计，它成为了构建量子计算机的最小单元——"量子比特"的有力候选者。另外在照明、传感、甚至防伪等众多领域，量子点材料也都以自己独特的性质，成为了那一颗充满希望的"未来之星"。
量子点的故事，是实验室中的前沿科研成果走进日常生活的优秀范例。仅仅用了30年的时间，就从一项新的科学发现，变成了购物软件里容易买到的商品，这真是不可思议的成就！要做到这一点，离不开科学家提出优越的合成技术，也离不开科技企业将科研成果转化的决心和动力。这绝不是像某些伪科学商家那样，通过一些名词的包装与营销的手段就能实现的事情。
好在现在，对于"量子"这门新兴的科技，依然还有无数科学家和研发人员为了它不懈奋斗着。希望在不远的将来，我们就能用上越来越多这样真正的"量子好物"！
责任编辑：若风
