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量子理论的基础知识以及量子理论的应用

发布时间:2022-05-04 14:35:01  信息来源:  阅读次数: 1111 次

由美国物理学会发起,国际科学史界和物理学界联合筹划将2025年确立为“量子世纪年”, 欧洲和美国物理学家建议自2021年起将每年的4月14日定为庆祝日,即世界量子日!

“世界量子日”旨在让公众也能参与到对量子科学与技术的理解和讨论,即:

它是如何帮助我们在最基本的层面上理解世界的本质的?
 它是如何帮助我们开发对我们今天生活至关重要的技术的?
 它将如何引 领未来的科技革命,这又将如何影响我们的社会?
 为什么是4月14日呢?

是因为普朗克常数4.135667696×10-15eV·s, 约化为4.14,虽然这个数字现在修订为更准确的另一长串数字了。如果用国际单位,普朗克常数是6.62607015×10-34J·s。所以来自65个以上国 家的科学家在2021年发起的一项倡议,将以后每年的4月14日作为“世界量子日”。

什么是量子?

量子(quantum)是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

量子一词来自拉丁语quantus,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”,它最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍,从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。

后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。

自从普朗克提出量子这一概念以来,经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善,在20世纪的前半期,初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论。

而延伸出的量子力学、量子光学等成为不同的专 业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是离散的,而不是连续地任意取值。例如,在原子中,电子的能量是可量子化的。这决定了原子的稳定性和发射光谱等一般问题。绝大多数物理学家将量子力学视为了解和描述自然的基本理论。

通俗地说,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。

如何理解离散呢?

中国科学家指出,我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人、1/3个人。我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。

量子叠加态

这是一个神奇的状态,也是不同于经典物理学的概念。

谈到叠加态,我们就不得不提起那个著 名的“薛定谔的猫”理论。在我们的经典理论中,一个客体的状态(用0和1表示)就像最简单的二进制开和关,只能处于开或者关中的某一个状态,即要么是0要么是1,这就好比一只猫,要么是生要么是死,不能同时“又生又死”。

但这一理论并不适用于量子世界:在量子世界中,一只猫可以处于又生又死的叠加状态。这种所谓的量子相干叠加正是量子世界与经典世界的根本区别。

量子力学

量子力学是人类的物理学理论,同时也是人类的物理学理论基础,量子力学主要是描述微观粒子的运动规律,在量子力学中存在很多颠覆传统认知的定律和现象,微观粒子的运动方式仿佛遵循另一种规则。

从定义上来看,量子力学似乎并不复杂,无非就是在研究“量子”的运动规律和性质,是从微观的角度去剖析宇宙的本质。实际上的量子力学十分复杂,完全和我们熟知的世界是一个不同的领域,著 名的物理学家费曼就说过:“没有人真正懂量子力学”,他认为,如果有一个人声称自己搞懂了量子力学,那么这个人就是对量子力学一窍不通。

任何比量子更小的物理单位都是没有意义的,并不是更小的单位不存在,而是低于普朗克尺度后,我们的物理定律就失效了,不止是在小于量子尺度时,人类的物理定律会失效,在黑洞的奇点附近,人类的物理定律同样会失效。不论是相对论还是量子力学,都不能完 美地描述已知宇宙,在黑洞和特别小的尺度下就会失效。

所以,量子力学就是人类现在描述微观粒子的理论,只不过微观粒子的运动规律和基本构成与宏观世界中的规律有很大的差距,同时量子力学目前还不是百 分 百完善的理论,许多领域和无法解释的事情都能和量子力学扯到一起,于是才有了“遇事不决,量子力学”,这样的调侃。

量子理论的应用!

在许多现代技术装备中,量子物理学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置,都关键地依靠了量子力学的原理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明,最后为现代的电子工业铺平了道路。在核武器的发明过程中,量子力学的概念也起了一个关键的作用。

在上述这些发明创造中,量子力学的概念和数学描述,往往很少直接起了一个作用,而是固体物理学、化学、材料科学或者核物理学的概念和规则,起了主要作用,在所有这些学科中,量子力学均是其基础,这些学科的基本理论,全 部是建立在量子力学之上的。以下仅能列举出一些最显著的量子力学的应用,而且,这些列出的例子,肯定也非常不完全。

量子计算机

量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来,信息处理量愈多,对于量子计算机实施运算也就愈加有利,也就更能确保运算具备精准性。

量子通信

量子通信是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式,基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供了无法被窃听和计算破解的绝 对安 全性保证,主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。

量子隐形传态基于量子纠缠对分发与贝尔态联合测量,实现量子态的信息传输,其中量子态信息的测量和确定仍需要现有通信技术的辅助。量子隐形传态中的纠缠对制备、分发和测量等关键技术有待突破,处于理论研究和实验探索阶段,距离实用化尚有较大差距。 [1] 量子密钥分发,也称量子密码,借助量子叠加态的传输测量实现通信双方安 全的量子密钥共享,再通过一次一密的对称加密体制,即通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加解密操作,实现无条件绝 对安 全的保密通信。 以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安 全的一种非常有潜力的技术手段,是量子通信领域理论和应用研究的热点。

2022年4月13日报道,中国科学家设计出一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统,成功实现100公里的量子直接通信 。

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