量子力学的特性

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量子力学的特性范文第1篇

关键词:量子力学;量子测量;偏振

中图分类号:O413．1 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力学是近代物理学的基础，并且其应用领域已延伸至化学、生物等许多交叉学科当中，这一课程已成为当今大学生物理教学中一个极为重要的组成部分．由于量子力学主要是描述微观世界结构、运动与变化规律的学科，微小尺度下的许多自然现象与人们日常生活经验相距甚远，量子力学的概念有悖于人们的直觉，难以被初学者接受．如果在教学中能够结合具体的物理实验，从现象到本质引导学生思考，就可以使抽象的量子概念落实到对具体实验现象的归纳总结上来．偏振光实验是一个现象直观而且学生容易操作的普通物理实验，在学生掌握的已有知识基础上，进行新内容的教学，符合初学者的认知规律．利用光的偏振现象来阐述量子力学基本概念已被一些国内外经典教材采纳，如物理学大师狄拉克所著的《量子力学原理》［1］，费因曼所著的《费因曼物理学讲义》［2］，曾谨言教授所著的《量子力学卷1》［3］，赵凯华、罗蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，笔者结合自己的教学体验，着重从可观测量和测量的角度来考虑问题，在以上经典教材的基础上，进一步整理和挖掘光子偏振所能体现的量子力学基本概念．从量子力学的角度对偏振实验现象进行分析，使同学们对态空间、量子力学表象、波函数统计解释、态叠加原理等量子力学概念有一个直观形象的认识，领会量子力学若干基本假定的内涵思想．最后，从量子角度分析了一个有趣的偏振光实验，加深学生对量子力学基本概念的理解，并展示了量子力学的奇妙特性．

1偏振光实验的经典解释

如图1(a)所示，沿着光线传播的方向，顺次摆放两个偏振片P1、P2．光束经过P1后变为与其透振方向一致且光强为I0的偏振光．两偏振片P1和P2的透振方向之间夹角为θ，由马吕斯定律可知，透过偏振片P2的光的强度为I0cos2θ．按照经典的光学理论，此现象可理解如下:在一个与光传播方向垂直的平面内选定一个xy平面直角坐标系，这里为了描述问题的方便，选定x轴沿P2的透振方向．如图1(b)所示，透过偏振片P1的光电场矢量E可分解为两个分量:沿x方向振动的电场矢量Ex和沿y方向振动的电场矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片时，投影到y方向的电场矢量被吸收，投影到x方向的电场矢量透过，振幅增加了一个常数因子cosθ，因而强度变为原来的cos2θ倍，这正是马吕斯定律所给出的结果．

2偏振光实验体现的量子力学概念

下面我们由偏振光的实验现象出发，引出量子态、态空间等量子概念，并用量子力学的语言来描述单个光子与偏振片发生相互作用的过程，讨论在多个光子情况下的量子行为与马吕斯定律的一致性．

2．1量子态

从实验得知，当线偏振光用于激发光电子时，激发出的光电子分布有一个优越的方向(与光偏振方向有关)，根据光电效应，每个电子的发射对应吸收一个光子，可见，光的偏振性质是与它的粒子性质紧密联系的，人们必须把线偏振光看成是在同一方向上偏振的许多光子组成，这样我们可以说单个光子处在某个偏振态上．沿x方向偏振的光束里，每个光子处在|x〉偏振态，沿y方向偏振的光束中，每个光子处在|y〉偏振态．假设我们在实验中把光的强度降到足够低，以至于光子是一个一个到达偏振片的．在图1所示的例子中，通过P1偏振片的光子处在沿P1透振方向的偏振态上，如果P2与P1透振方向一致(θ=0)，则此光子完全透过P2，如果P2与P1透振方向正交(θ=π/2)，则被完全吸收．如果P1与P2透振方向之间角度介于两者之间，会是一种什么样的情形，会不会有部分光子被吸收，部分光子透过的情况发生，但是实验上从来没有观察到部分光子的情形，只存在两种可能的情况:光子变到量子态|y〉，被整个吸收;或变到量子态|x〉，完全透过．下面我们用量子力学的语言来描述单个光子与偏振片发生相互作用的过程，引入量子测量、态空间、表象、态叠加原理、波函数统计解释等量子概念．

2．2量子测量、态空间、表象

单个光子与偏振片发生相互作用的过程，可以看成是一个量子测量的过程，偏振片作为一个测量装置，迫使光子的偏振态在透振方向和与其相垂直的方向上作出选择，测量的结果只有两个，透过或被吸收，透过光子的偏振方向与透振方向一致，被吸收光子的偏振方向与透振方向垂直，可见光子经过测量后只可能处在两种偏振状态，这正是量子特性的反应．在量子力学中，针对一个具体的量子体系，对某一力学量进行测量，测量后得到的值是这一力学量的本征值，我们称它为本征结果，相应的量子态坍缩到此本征结果所对应的本征态上，所有可能的本征态则构成一组正交、规一、完备的本征函数系，此本征函数系足以展开这个量子体系的任何一个量子态．很自然，我们在这里把经过偏振片测量后，所得到的两种可能测量结果(透过或吸收)作为本征结果，它们分别对应的两种偏振状态，此两种偏振状态可以作为正交、规一、完备的函数系，组成一个完备的态空间，任何偏振态都可以按照这两种偏振态来展开，展开系数给出一个具体的表示，这就涉及到量子力学表象问题．在量子力学中，如果要具体描述一个量子态通常要选择一个表象，表象的选取依据某一个力学量(或力学量完备集)的本征值(或各力学量本征值组合)所对应的本征函数系，本征函数系作为正交、规一、完备的基矢组可以用来展开任何一个量子态，展开系数的排列组合给出某一个量子态在具体表象中的表示．结合我们的例子，组成基矢组的两种偏振状态取决于和光子发生相互作用的偏振片，具体说来是由偏振片的透振方向决定．在具体分析问题时，为了处理问题的方便，光子与哪一个偏振片发生相互作用，在数学形式上，就把光子的偏振状态按照此偏振片所决定的基矢组展开，这涉及到怎么合理选择表象的问题．

2．3态叠加原理、波函数统计解释

以上简单的试验也可以作为一个形象的例子来说明量子力学中的态叠加原理．态叠加原理的一种表述为［5］:设系统有一组完备集态函数{φi}，i=1，2，．．．，t，则系统中的任意态|ψ〉，可以由这组态函数线性组合(叠加)而成(1)另一种描述为:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是体系可以实现的状态(波函数)，则它们的任何线性叠加式总是表示体系可以实现的状态．在我们的例子中，任何一个偏振片所对应的透振态和吸收态构成完备集态函数，任何一个偏振态都能够在以此偏振片透振方向所决定的基矢组中展开，参照图1所示，通过偏振片P1的偏振态可以在以偏振片P2透振方向所决定的基矢组{|x〉，［y)}中表示为(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意叠加态也都是光子可能实现的偏振态．量子力学还假定，当物理体系处于叠加态式(1)时，可以认为体系处于φi量子态的概率为|ci|2．从前面的分析我们知道，当用偏振片P2对偏振态|P1〉进行测量时，此状态随机地坍缩到|x〉偏振态或|y〉偏振态，坍缩到|x〉偏振态的概率为cos2θ，也就是单个光子透过偏振片的概率，多次统计的结果恰好与马吕斯定律相对应，这充分体现了波函数的概率统计解释．

3典型例子

在教学中我们可以引入一个有趣形象的例子，进一步加深对量子力学基本概念的理解．如图2(a)所示，一束光入射到两个顺序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相对于偏振片P1的透振方向顺时针转过90°角，我们不妨在一个与光传播方向垂直的平面内选定一个xy平面直角坐标系，P1的透振方向沿x轴，P3的透振方向沿y轴．光通过偏振片P1后变成光强为I0的偏振光，偏振方向与偏振片P1透振方向平行，但与P3的透振方向垂直，则光完全被偏振片P3吸收，不能透过．下面我们将看到一个有趣的现象，在偏振片P1和偏振片P3间插入一个偏振片P2，其透振方向在P1和P3之间，这时光竟可以透过P3偏振片．对此试验，我们可由马吕斯定律给出经典的解释．我们不妨设P2的透振方向相对于P1顺时针转过45°角，通过偏振片P1后，变为光强是I0的偏振光，且偏振方向与P1透振方向一致;再通过偏振片P2后，光强变为I0/2，偏振方向沿顺时针转过45°角，与偏振片P2透振方向一致;最后通过偏振片P3后，光强进一步减弱为I0/4，偏振方向又沿顺时针改变45°角，与偏振片P3透振方向一致．可以看到一个有趣的现象，虽然介于偏振片P1和P2间的光束其偏振方向与偏振片P3的透振方向正交，但最后透过偏振片P3的光束其偏振方向却恰恰沿偏振片P3的透振方向，这正是中间偏振片P2所起的作用．下面用我们前面分析偏振光与偏振片相互作用过程中，所建立起来的量子概念给出具体解释．取直角坐标系xy，x轴沿偏振片P1的透振方向，基矢组为{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所决定的基矢组为{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如图3所示，两组基矢之间的关系可表示为(3)由偏振片P3所决定的基矢组仍为{|x〉，|y〉}，不过透过的光子处在|y〉基矢态．光子透过偏振片P1后，其偏振状态处在|x〉态，由式(3)，此状态可以按P2的基矢组展开为(4)根据式(4)，经过P2偏振片的测量，光子有1/2的概率坍缩到|x'〉态，光子透过P2，有1/2的概率坍缩到|y'〉态，光子被吸收．由式(3)，|x'〉态在由偏振片P3所决定的基矢组同样展开为3的测量下，偏振状态发生改变，有1/2的概率坍缩到|y〉态，透过偏振片，有1/2的概率坍缩到|x〉态，被偏振片吸收，总体来说透过偏振片P1的光子有1/4的概率透过偏振片P3，与经典的马吕斯定律相一致．特别注意到光子透过偏振片P1后，状态为|x〉态，与|y〉态正交，没有|y〉态的组分，但光子透过偏振片P3后却正处在|y〉态，这充分体现了测量可以使量子态改变的量子假定，展示了量子测量的奇妙特性．

4总结

结合对偏振光实验的量子解释，我们分析了若干重要的量子力学概念．但严格说来，光子的问题不属于量子力学问题，只有在量子场论中才能处理．采用光子的偏振情形来讨论某些量子概念，理论上虽稍欠严谨，但如上文所述，确实能够直观形象地反映量子力学中的若干基本假定，使抽象的量子力学概念落实到对具体实验的分析中来，易于被初学者接受，我们不妨在学生开始学习量子力学时引入此例，有助于学生理解抽象的量子概念，领会量子力学的思维方式．

参考文献:

［1］狄拉克．量子力学原理［M］．北京:科学出版社，1966．

［2］费因曼．费因曼物理学讲义［M］．上海:上海科学出版社，2005．

［3］曾谨言．量子力学卷1．［M］．北京:科学出版社，2006．

［4］赵凯华，罗蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

量子力学的特性范文第2篇

[关键词]量子计算 量子通信 通信效率 安全通信

中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0128-01

引言

随着科学技术的飞速发展，量子信息学逐渐得到人们的关注与重视，在近代物理学、计算机科学等领域都有所涉及。通过量子力学的基础，不断的发展与延伸。量子信息学，是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面。我们在这里，着重的了解一些量子通信。

一、 量子通信协议概念

1，量子通信协议定义

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。其中隐形传送是指脱离实物的一种“完全”的信息传送。可以想象：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。实际上是一种对于通信地保密性的传输。是一种在理论上可以保证通信绝对安全的一种通信方式。由于量子力学中的不确定性原理，是不允许精确地提取原物的全部信息，因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。

2，量子通信与光通信的区别

量子通信与光通信的区别，在于在通信中用的光的强度是不同的。光通信一般采用是强光，包括无线电、微波、光缆、电缆等具体形式。通过偏振或相位等的调制方式来实现。量子通信讨论的是光子级别的很弱的光，通过对光子态的调制，但是主要利用了光子的特性，量子态不可克隆原理和海森堡不确定性关系。这也是区别于光通信的重点。

二、量子通信基本方式

量子通信在量子力学原理的基础上，通过量子态编码和携带信息进行加工处理，将信息进行传递。只要包括：量子隐形传态、量子密钥分发等，下面主要介绍这两个组成部分：

1，量子隐形传态

量子隐形传态，又称量子遥传、量子隐形传输。经由经典通道和EPR 通道传送未知量子态。利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。它传输是量子态携带的量子信息。想要实现量子隐形传态，要求接收方和发送方拥有一对共享的EPR对，即BELL态（贝尔态）。发送方对他的一半EPR对与发送的信息所在的粒子进行结合，而接收方所有的另一半EPR对将在瞬间坍缩为另一状态。根据这条信息，接收方对自己所拥有的另一半EPR对做相应幺正变换即可恢复原本信息。到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。量子隐形传态大致可以这样描述：准备一对纠缠光子对，一个光子发送给有原始量子态（即第三个光子）的甲方，另一个光子发送给要复制第三光子的量子态的乙方。甲方让收到的一个光子与第三光子相互干涉（“再纠缠”），再随机选取偏振片的方向测量干涉的结果，将测量方向与结果通过普通信道告诉乙方；乙方据此选择相应的测量方向测量他收到的光子，就能使该光子处于第三光子的量子态。

量子隐形传态作为量子通信中最简单的一种，是实现全球量子通信网络的可行性的前提研究。它的存在与应用，可以完全的保证用户的信息安全，通信保密，同时如果出现有人窃听的现象，将会及时的进行信息的改变，保证内容的“独一无二”。

2，量子密钥分发

量子密钥分发以量子物理与信息学为基础，是量子密码研究方向中不可缺少的重要部分。被认为是安全性最高的加密方式，实现绝对安全的密码体制。当然这只是理论上的内容，在现实生活中还是有一定的差距。只是理论上具有无条件的安全性。1969年提出用量子力学的理论知识进行加密信息处理。到了1984年，第一次提出量子密钥分发协议，即BB84协议。随后又提出B92协议。2007年，中国科学技术大学院士潘建伟小组在国际上首次实现百公里量级的诱骗态量子密钥分发，解决了非理想单光子源带来的安全漏洞。后又与美国斯坦福大学联合开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器――基于周期极化铌酸锂波导的上转换探测器。解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患。保证了非理想光源系统的安全性。生成量子密钥大致为：准备一批纠缠光子对，一个光子发送给发信方，另一个光子发送给收信方。测量光子极化方向的偏振片的方位约定好两种。两人每次测量一个光子时选择的方向都是随机的，但要记录下每次选择的方向，当然也要记录下每次测量的结果，有光子通过偏振片就记1，无光子通过则记0。通过普通信道两人交换测量方向的记录，那些测量方向不一致的测量结果的记录都舍去不要，剩下的那些测量方向相同所对应的测量结果，两人应一致，这一致的记录就可作为两人共同的密钥。

总结

经典通信较光量子通信相比，量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性。具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。逐渐走进人们的日常生活。为了让量子通信从理论走到现实，从上世纪90年代开始，国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。

参考文献

[1]莫玲 - 基于专利分析的欧盟量子通信技术发展现状研究《淮北师范大学学报：自然科学版》 - 2015.

[2]徐兵杰，刘文林，毛钧庆，量子通信技术发展现状及面临的问题研究《通信技术》 - 2014.

[3]胡广军，王建 -量子通信技术发展现状及发展趋势研究 《中国新通信》 - 2014.

[4]肖玲玲，金成城 - 基于专利分析的量子通信技术发展研究《全球科技经济t望》 - 2015.

[5]宋斌 - 空间量子通信技术发展现状《移动信息》 - 2015.

量子力学的特性范文第3篇

多年以前，高科技最牛的美国就已不把电子计算机列为高科技产品了。

但巨高性能计算机仍是信息时代的高科技标志物件之一。2012年诺贝尔物理学奖发给了法国人塞尔日·阿罗什和美国人大卫·维恩兰德，这两位科学家的研究成果为新一代超级量子计算机的诞生提供了可能性。

恶搞一下：法国人浪漫，而简称美国人为美人，那么，浪漫人美人=？

文艺范儿的信息

不往滥俗里想，那么，答案就是很文艺化的表达了。其实，“信息”最初是相当文艺范儿的，而不是20世纪中期才开始热门起来的科技词汇。

一般认为，中文的“信息”一词出自南唐诗人李中《暮春怀故人》：“梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台。”—— “美眉音信消息全无啊，梦里也梦不到你，我独自上楼倚栏，望眼欲穿望到长路尽头也不见你。”这么拙劣地意译，也让人感觉到深深的思念。

其实，在李中之前一百多年，与李商隐齐名的唐朝大诗人杜牧《寄远》里就有“信息”了：“塞外音书无信息，道旁车马起尘埃。”还有比小杜更早的，唐朝诗人崔备的《清溪路中寄诸公》：“别来无信息，可谓井瓶沉。”

宋朝的婉约派大词人柳永、李清照也用过“信息”这个词。因金兵入侵而流离失所的李清照思念当年安乐的故乡，心理上把信息的价格定成了真正的天价：“不乞隋珠与和璧，只乞乡关新信息。”——千年前的唐宋中国，其高科技虽是世界第一，但信息技术还是跟现在没法比的，要靠驿马、鸿雁甚至人步行来传递信息，速度慢而效率低，信息珍贵啊。

在地球的西方呢？虽然香农1948年就划时代地把信息引为数学研究的对象，赋予其新的科学的涵义；至1956年，“人工智能”术语也出现了。可最早讨论数据、信息、知识与智慧之间关系的，却是得过诺贝尔文学奖的大诗人艾略特（T. S. Eliot；钱钟书故意译为“爱利恶德”）。他在1934年的诗歌“The Rock”中写道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我们迷失于生活中的生命在哪里？

我们迷失于知识中的智慧在哪里？

我们迷失于信息中的知识在哪里？

我们迷失于数据中的信息在哪里？

尽管第四句是好事者后加的，但诗人还是直指本质地提出了信息暴炸时代最困扰人的难题：如何不让我们的生命和智慧都迷失在数据中？

量子计算机和量子信息技术，提供了一种让生命和智慧不要淹没在数据的海洋中的途径、工具和可能。

量子与量子计算机

量子理论是现代物理学的两大基石之一，为从微观理解宏观提供了理论基础。客观世界有物质、能量两种存在形式，物质和能量可以互相转换（见爱因斯坦的质能方程），量子理论就是从研究极度微观领域物质的能量入手而建立起来的。

我们知道，微观世界中有许多不同于宏观世界的现象和规则。经典物理学理论中的能量是连续变化的，可取任意值，但科学家们发现微观世界中的很多物理现象无法解释。1900年12月14日，普朗克在解释“黑体辐射”时提出：像原子是一切物质的构成单元一样，“能量子（量子）”是能量的最小单元，原子吸收或发射能量是一份一份地进行的。这是量子物理理论的诞生。

1905年，爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布罗意提出“物质波”概念，即一切物质粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩阵力学，薛定谔建立了量子波动力学，量子理论进入了量子力学阶段。1928年，狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学转换，对量子力学理论进行了系统的总结，成功地将相对论和量子力学两大理论体系结合起来，使量子理论进入量子场论阶段。

“量子”词源拉丁语quantum，意为“某数量的某事物”。现代物理学中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的基本单位叫做量子；或者说，一个物理量如果有不可连续分割的最小的基本单位，则这个物理量（所有的有形性质）是“可量子化的”，或者说其物理量的数值会是特定的数值而非任意值。例如，在（休息状态）的原子中，电子的能量是可量子化的，这能决定原子的稳定和一般问题。

虽然量子理论与我们日常经验感觉的世界大不一样，但量子力学已经在真实世界应用。激光器工作的原理，实际上就是激发一个特定量子散发能量。现代社会要处理大量数据和信息，需要计算的机器（计算机）。量子力学的突破，使瓦格纳等于1930年发现半导体同时有导体和绝缘体的性质，后来才有了用于电子计算机的同时作为电子信号放大器和转换器的晶体管，再有了集成电路芯片，今天的一个尖端芯片可集聚数十亿个微处理器。

随着计算机科技的发展，发现能耗导致发热而影响芯片集成度，限制了计算速度；能耗源于计算过程中的不可逆操作，但计算机都可找到对应的可逆计算机且不影响运算能力。既然都能改为可逆操作，在量子力学中则可用一个幺正变换来表示。1969年，威斯纳提出“基于量子力学的计算设备”，豪勒夫等于1970年代论述了“基于量子力学的信息处理”。1980年代量子计算机的理论变得很热闹。费曼发现模拟量子现象时，数据量大至无法用电子计算机计算，在1982年提出用量子系统实现通用计算以减少运算时间；杜斯于1985年提出量子图灵机模型。1994年，数学家彼得·秀尔提出量子质因子分解算法，因其可破解现行银行和网络应用中的加密，许多人开始研究实际的量子计算机。

在物理上，传统的电子计算机可以被描述为对输入信号串行按一定算法进行变换的机器，其算法由机器内部半导体集成逻辑电路来实现，其输入态和输出态都是传统信号（输入态和输出态都是某一力学量的本征态），存储数据的每个单元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个。而量子计算机靠控制原子或小分子的状态，用量子算法运算数据，输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交，其中的变换为所有可能的幺正变换；因为量子态有叠加性（重叠）和相干性（牵连、纠缠）两个本质特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或两个“0”或两个“1”，即可同时存储4个二进制数（00、01、10、11），实现量子并行计算（量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种传统计算，所有传统计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加，给出量子计算机的输出结果），从而呈指数级地提高了运算能力——一台未来的量子计算机3分钟就能搞定当今世界上所有电子计算机合起来100万年才能处理完的数据。用量子力学语言说，传统计算机是没有用到量子力学中重叠和牵连特性的一种特殊的量子计算机。从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储2的250次方个二进制数，比人类已知宇宙中的全部原子数还多。而且，集成芯片制造业很快将步入16纳米的工艺，而量子效应将严重影响芯片的设计和生产，又因传统技术的物理局限性，硅芯片已到尽头，突破的希望在于量子计算。

量子世界的死猫活猫与粒子控制

喜好科技的文艺青年可能看过美剧《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定谔猫”：一只被关在黑箱里的猫，箱里有毒药瓶，瓶上有锤子，锤子由电子开关控制，电子开关由一个独立的放射性原子控制；若原子核衰变放出粒子触动开关，锤落砸瓶放毒，则猫死。薛定谔构想的这个实验，被引为解释量子世界的经典。而量子理论认为，单个原子的状态其实不是非此即彼，或说箱里的原子既衰变又没有衰变，表现为一种概率；对应到猫，则是既死又活。若我们不揭开盖子观察，永远也不知道猫的死活，它永远处于非死非活的叠加态。

宏观态的确定性，其实是亿万微观粒子、无数种概率的宏观统计结果。微观粒子通常表现为两种截然不同的状态纠缠一起，一旦用宏观方法观察这种量子态，只要稍一揭开箱盖，叠加态立即就塌缩了（扰破坏掉），薛定谔猫就突然由量子的又死又活叠加态变成宏观的确定态。用实验研究量子，首先要捕获单个的量子。即若不分离出单个粒子，则粒子神秘的量子性质便会消失。科学家们长期以来头疼的是，未找到既不破坏量子态，又能实际观测它的实验方法，他们只能在头脑中进行思想实验，而无法实际验证其预言。

而阿罗什和维恩兰德的研究，发明了在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行观测和操控的方法，则可实证地说出薛定谔猫究竟是死猫还是活猫，而且为研制超级量子计算机带来了更大可能，因为量子计算机中最基础的部分——得到1个量子比特已获成功。

光子和原子是量子世界中的两种基本粒子，光子形成可见光或其他电磁波，原子构成物质。他们研究光与物质间的基本相互作用，方法大同小异：维因兰德利用光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者离子。他平行放置两面极精巧的镜子，镜间是真空空腔，温度接近绝对零度（约-273℃）。一个光子进入空腔后，在两镜面间不断反射。阿罗什则通过发射原子穿过阱，控制并测量了捕获的光子或粒子。他用一系列电极营造出一个电场囚笼，粒子像是被装进碗里的玻璃球；然后用激光冷却粒子，最终有一个最冷的粒子停在了碗底。阿罗什在捕获单个光子后，引入了特殊的里德伯原子，作为观测工具，从而得到光子的数据。维因兰德向碗中发射激光，通过观测光谱线而得到碗底粒子的数据。

2007年以来，加拿大、美国、德国和中国的科学家都说自己研制出了某种级别的量子计算机，但到今天却仍无一个投入实用。光钟更接近现实，因为可操控单个量子，就能按意愿调控量子的振荡（相当于钟摆）频率，越高越精；目前实验的光钟，若从宇宙产生起开始计时，至今只误差5秒。光钟可使卫星定位和计算太空船的位置更精确……

神话般的量子信息技术

科幻作家克莱顿（著有《侏罗纪公园》、《失去的世界》等）在科幻小说《时间线》中，曾文艺化地描述量子计算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫虫洞”、“量子运输”、“量子纠缠态”、“电子的32个量子态”等让常人倍感高深的说法。其中一些如今正在证实或变现。

如果清朝政府的通信密码不被日本破译，那么李鸿章后去日本谈判时就很可能是另外一种结局，今天也不会有的问题了。目前世界的密码系统大都采用单项数学函数的方式，应用了因数分解等数学原理，例如目前网络上常用的密码算法。秀尔提出的量子算法利用量子计算的并行性，能轻松破解以大数因式分解算法为根基的密码体系。量子算法中，量子搜寻算法等也能分分钟攻破现有密码体系。可说量子这种技术在现代军事上的意义不亚于核弹。但同时，量子信息技术也将发展出一种理论上永远无法破译的密码——量子密码。

保密通信分为加密、接收、解密三个过程，密钥的保密和不被破解至为关键。量子密码采用量子态作为密钥，是不可复制的，至少在理论上是无破译的可能。量子通信是用量子态的微观粒子携带的量子信息作为加密和解密用的密钥，其密钥安全性不再由数学计算，而是由微观粒子所遵循的物理规律来保证，窃密者只有突破物理法则才有可能盗取密钥（根据海森堡的测不准原理，任何测量都无法穷尽量子的所有信息）。而且量子通信中，量子纠缠态（有共同来源的两个粒子存在着纠缠关系，似有“心灵感应”，无论距离多远，一个粒子的状态发生变化，另一个粒子也发生变化，速度远远超过光速，一旦受扰即不再纠缠。爱因斯坦称这种发生机理至今未解的量子纠缠为“幽灵般的超距作用”）被用于传输和保证信息安全，使任何窃密行为都会扰乱传送密钥的量子状态，从而留下痕迹。

量子力学的特性范文第4篇

【关键词】课程体系 教学内容 优化研究

【中图分类号】O43；O56 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）08-0181-02

光学与原子物理学是物理类专业的重要的基础课，其前与力学、电磁学、热学课程相衔接，其后承载着理论物理以及专业方向课程。由于这两门课程在课程设置中具体的位置，再考虑课程本身的学术特色，这两门课程的教学对学生创新能力和理论应用能力的培养有其特殊的作用。工科院校有注重实践、技术培养的传统及其较完备的设施，客观上为这两门课程的能力培养提供了条件。我们要充分认识工科院校的这种客观优势和课程的学术特色，优化课程体系和教学内容，将课程的学术特色、学校的客观优势转化为能力培养的特色和优势。

一、光学的课程体系及教学内容的设计

光学既是一门重要的基础性学科，又是一门应用性十分活跃、交叉渗透极其广泛的物理课程。“在长期的发展过程中，光学形成了一套行之有效的特殊方法和仪器设备”【1】，即数理解析与几何图形相结合的理论研究方法、精密测量的设计与应用特征。光学的这种学术特色对学生素质能力的培养有其独到之处。因此，通过对光学课程体系和教学内容的优化，突出课程的理论研究方法及其实践性、渗透性【2】，有利于培养学生的交叉综合性分析能力和依据理论的实验设计、精密检测能力，提高学生的创新性思维意识。

1.课程体系的架构

以折射率和位相为核心概念，以费马原理和惠更斯-菲涅尔原理为基本原理，按照几何光学、波动光学和量子光学的顺序，研究光的传播特性（波动性）及其粒子性，展示其数理解析与几何图像相结合的理论研究方法，突出课程在工程技术中的应用以及与现代光学的渗透【1，3】。

体系框图：

2.教学内容的组织思路

以体现课程体系为原则，按48课时选取并组织、安排教学内容思路如下【1，2】。

第一章 绪论：突出光学与其他学科的交叉渗透与应用。（2学时）

第二章 几何光学：以费马原理为基础，以常见的光学仪器（单球面、薄透镜、放大镜等）成像为载体，展示数理解析与几何图像相结合的研究方法、突出光学仪器的设计思。（10学时）

第三章 光的干涉：以波的相干叠加为理论基础，以等倾和等厚干涉为载体，展示数理解析与几何图像相结合的研究方法、突出相干理论在精密测量技术领域的应用。（12学时）

第四章 光的衍射：以惠更斯-菲涅尔原理为基础，以菲涅尔衍射、夫琅和费衍射、光栅衍射为载体，展示数理解析与几何图像相结合的研究方法、突出其分光特性在现代科学技术中的应用。（10学时）

第五章 光的偏振：以光的偏振理论为基础，以偏振器件为载体，展示数理解析与几何图像相结合的研究方法、注重向磁至旋光及磁光盘渗透。（10学时）

第六章 量子光学：以光的量子论为基础，以光的辐射和激光为载体，注重向量子光学以及非线性光学渗透。（4学时） 二、原子物理学的课程体系和教学内容的设计

原子物理学是用近似的、不完整的量子力学理论和方法研究原子的运动及其构成的课程。其学术特色是完全以实验（观察）事实为依据建立或选取理论模型，对问题做出恰当的解释。该课程研究对象抽象，理论的系统性、完整性不强。但原子物理学是基础物理课程中蕴含了创新性思维最多的课程，其研究手段和方法为其它相关领域所通用【4】。因此，通过原子物理课程的教学，主要是培养学生依据研究客体进行理论建模的能力，提高学生创新理论框架、简化理论处理、取舍运算结果的意识和水平。

1.课程体系的架构

以光谱和德布罗意波为核心概念，采用近似的量子力学方法（经典理论+量子力学）研究原子（氢原子、碱金属、多电子原子、外场中的原子）与原子核的结构及其运动规律，展示课程的理论创新特色以及在现代科学技术、工程实践中的多层次应用。

体系框图：

2.教学内容的组织思路

以体现课程体系为原则，按48课时选取并组织教学内容，思路如下。

序论：突出课程特点与学习中应注意的问题。（2学时）

第一章 原子的结构：以α粒子散射实验和原子核式结构为载体，突出卢瑟福散射技术在材料分析中的应用。（5学时）

第二章 量子力学基础：以三个实验为基础，依托量子力学的基本原理，突出理论创新的特色、思路和方法。（8学时）

第三章 氢原子：以半经典半量子论为理论基础，以氢原子为载体，突出理论建模以及光谱分析在科学研究、工程实践中的应用。（8学时）

第四章 碱金属原子：以电子的轨道贯穿、极化理论为基础，以碱金属原子为载体，展示理论修正方法以及光谱分析在科学研究和精密检测中的应用。（8学时）

第五章 多电子原子：以泡利不相容原理及Hunt定则为理论基础，以多电子原子为载体，突出量子规律以及光谱分析在科学研究中的应用。（6学时）

第六章 外场中的原子：以磁场和原子的相互作用为基础，以Zeeman效应为载体，展示磁效应在材料磁性，磁共振技术中的应用。（5学时）

第七章 原子核物理学：以核结合能为基础，以核裂变和聚变为载体，突出原子能、核技术的利用以及放射线的探测、防护。（6学时）

参考文献：

[1]赵凯华.新概念物理教程——光学[M].北京：高等教育出版社，2004：6

[2]吴寿煜，吴大炜.试论21世纪物理专业《光学》之教学改革[J].黑龙江高教研究，2004（6）：101-103

量子力学的特性范文第5篇

关键词 电子理论；密度泛函理论；材料科学

中图分类号 TU5 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）161-0184-02

近几年，密度泛函理论与分子动力学相结合，在材料设计、合成、计算等诸多方面有明显进展，成为计算材科学的重要基础和核心技术。其他量子力学多体问题往往会具有一些“硬伤”，在计算的效率上，计算结果的精确度上，甚至于计算的方法上都难以达到一定的高度，随着密度泛函理论的出现，使量子力学的研究又提升到另一个层次，与其他解决量子力学多提问题的方法相比，采用密度泛函理论所进行的研究能够给出让人满意的结果，尤其使数据的精确，更能够应用到其他领域的研究中，例如化学、数学等，甚至应用于工业生产和人们的生活中。

1 电子理论概述――以密度泛函理论为例

近年来随着物理学的快速发展，人类在探索与发现量子力学和微观事物本质问题上的研究成果越来越多，现今科学学科的分支确定更加细致化，仅就材料物理学科来说，建立了计算机材料分支学科。物理材料的基本性质多数会受到电力结构的影响，故而研究电子理论也必须借助于量子力学。发展电力理论为研究材料科学奠定了坚实基础，同时也给材料科学的研究提供了有利的预测依据，能在一定程度上提高材料科学的发展速度，因此在材料物理科学中论述电力理论的意义和可行性是十分明显的。

电子理论是一种传统理论的统称，但实际上电子理论中包含很多小的概念和理论，不同的理论也有不同的表述方式，密度泛函理论是较早的一种量子理论，他是以Thomas-Fermi的理论为基础，产生于1960年到1970年。对于密度泛函理论来说，它与传统的量子理论的不同在于对基本物理性质的描述方法，也是一种基准。前者是将粒子密度作为基本物理量，而后者则将研究重点放在粒子密度上，使得二者有很大的不同。

密度泛函理论并不是一成不变的，而是随着科学研究的愈加深入而逐步发展的。从基本理论到现在的非局域泛函，不断有新的理论来扩充这一理论所涵盖的范围，同时，这些理论互相弥补，也使得计算结果越来越精确和有效。可以说，这一理论是一种活的理论，它不但在本身领域不断深入发展，还与其他理论相互联系，活跃前进。

我们所称的密度泛函理论具有很强的特点，主要在于需要通过计算机的运算来进行，运行的计算机中需要装载相联系的软件。在市面上我们可以看到许多有关软件，上面我们说到，不同的密度泛函理论所计算出的结果也不尽相同，主要差别在于数据的精确性，中间的差别在一定程度上与所使用的软件有关。这一理论由于它的应用性广泛，被用于多个领域的计算中，但也存在其本身的问题。但是，总体来说，密度泛函理论是一种相对较成熟的理论体系，今后其发展也将会更加多样。

2 密度泛函理论在材料科学中的应用

如上所述，密度泛函理论在应用中已经得到了广泛的实践。“近几年来DFT同分子动力学方法相结合，在材料设计、合成、模拟计算和评价诸多方面有明显的进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术”。

2.1 电性材料科学中的应用

在电能与热能之间的转换的领域上，各国的研究者都在深入进行研究，试图找到一种新的电子特征。有的科学家利用密度泛函理论研究出某种材料的导电性能与金属相比的优劣；有些科学家利用密度泛函理论框架中的小的理论，研究了电子、磁及其相互作用的问题，“结果表明，体系的性质随原子位上库仑相互作用参数U的改变而显著变化”。有的科学家运用密度泛函理论，将增强的表面超导和图像翻转现象进行了计算和预判。

2.2 磁性材料科学中的应用

磁性材料科学是起源很早的一门科学，我们都知道，铁是最早被发现具有磁性的物质，千百年来，人们对磁性科学的态度从神秘到了解，现在已经通过多种方法在研究。有些科学家通过密度泛函理论获得了FeN的结构、结合能和磁矩，并且研究出团簇的尺寸的不同对原子的磁矩没有必然的影响，反而原子会在某一范围内变化。

2.3 光学材料上的应用

光学材料一般是指传输光的介质材料，有些科学家利用密度泛函理论研究而得出：“在有机多层光电子发射二极管、光族材料和高密度光数据贮存材料上有潜在应用。”

2.4 在纳米材料上的应用

纳米材料是指物质的3个纬度中至少有一个纬度的量级是纳米。纳米材料自被发现以来，逐步广泛应用在生产、生活中，我们生活中所常见的纳米防爆膜、纳米微针等，现在在信息产业、能源产业、环境产业等都有广泛的应用，同时科学界对纳米的研究还在更加深入和精确。一些科学家利用密度泛函理论，研究出某些物质能够吸收红外，并且这种吸收能力极强。

3 结论

经典的电子理论认为，正离子所形成的电场是均匀的，而自由电子由于是运动的而不具有这种特性，自由电子和正离子相互碰撞不能形成新的物质，而仅仅是作为一种机械运动。正因为自由电子的不规律运动，所以没有显性的表现形式，但一旦给自由电子一个外在的力，例如磁场，自由电子就会有规律有方向地进行移动，从而形成电流。本文所讨论的密度泛函理论，是在电子理论中具有重要地位的一种理论，尽管它现在已经广泛应用于化学计算中，但是电子理论是包含多种其他理论，因此密度泛函理论更需要其他理论作为依据和支撑，其本身也能够为其他理论研究提供理论支持，因此，无论是主要利用该理论或者是借鉴密度泛函理论的原理或计算方法，做出的研究也渐渐投入到实践中，从而真正有益于人类。

参考文献

[1]Hasnip Philip J，Refson Keith，Probert Matt I J，Yates Jonathan R，Clark Stewart J，Pickard Chris J. Density functional theory in the solid state.[J]. Philosophical transactions. Series A， Mathematical， physical， and engineering sciences，2014，3722011：.