量子力学的发展和应用.ppt

量子力学的发发展和应应用 1 I）量子理论论的诞诞生 量子论的生日1900年12月14日。 M. Planck ： 在柏林物理学会上报告他的公式（普朗克 公式）的量子说明辐射能量在吸收或 发射时以整个量子进行，频率为 的辐射 振子的能量为 。 这就宣告了量子论 的诞生。 M. Planck, Ann.Physik , 4(1901)553. 2 II）量子力学是甚么？ n量子力学是什么？ 量子力学，更广泛地说量子理论，是 研究微观世界物质运动和变化的基本规律 的科学。 由于我们宏观物质全是由微观物质组 成的 ，宏观世界全部建立在微观世界上面。因 此，量子力学便无处不在、普遍适用。 3 III）自诞诞生起至今，它的势头势头 （1 ） 自从量子理论诞 生以来 ，它的发展和应用一直广 泛深刻地影响、促进和触 发人类物质文明的大飞跃 。近80年的人类全部历史可 以作证。 如果还不信，举例，可 以把所有学科名称前面冠以 “量子”二字，就会发现 ：已 经形成或将要形成一门新 的理论、一门新的学问。 物理学内部就有很多这种情 况。不必说物理学中以量子 力学为主要理论支柱的学 科；单是直接添加这两个 字就形成新学问的就有： 光学量子光学 电子学量子电子学 电动 力学量子电动 力学 统计 力学量子统计 力学 经典场论 量子场论 在物理学之外也是大量的： 化学量子化学 生物学量子生物学 宇宙学量子宇宙学 网络量子网络 信息论量子信息论 计算机量子计算机 就连投机家所罗斯的基金会也时髦的冠 以“量子”二字：“量子基金会” 4 自诞诞生起至今，它的势头势头 （续续2） n百年（19012002）来总共颁发 Nobel Prize 96 次 （其中1916,1931,1934,1940,1941,1942共6年未颁奖） 单就物理奖而言：直接由量子理论得奖 或与量子理论密切相关而得奖的次数有 57 次 （直接由量子理论得奖25次） 5 自诞诞生起至今，它的势头势头 （续续3） nNature杂志2000年总结100年来在它上面发表的文 章。从登载的数千篇文章中精选出21篇具有里程 碑性的文章。其中与量子力学有关的竟占14篇。 n量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现在， 已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚态物理、超 流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多物 理分支学科的共同理论基础。而且在量子理论的 框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论进 入了宇宙起源和黑洞理论。 n总之，量子理论诞生后这80年来的发展，使得： 量子理论成为整个近代物理学的共同理论 基础。 6 IV）自20世纪纪80年代以来，量子力 学又有很大发发展（除BEC及其应应用这这一大块块之外） n量子信息论和量子计 算机： 位(bit)量子位(qubit) 既是Yes又是No： |Yes+|No 存贮器量子存贮器 各个位不一定有确定的状态 逻辑门 量子逻辑门 网络量子网络 算法量子算法 DeutschDFTShorGrover 并行计算、超高速、超大容量 通讯量子通讯 超大容量、天然保密 编码量子编码 密码量子密码 密钥量子密钥 经典可克隆量子不可克隆 经典克隆是硬件克隆；量子克隆是软 硬件全部克隆，原理上不可能 经典通讯的定域传播量子 通讯的非定域传播 7 例如： Lov K. Grover “Quantum Mechanics Helps in Searching for a Needle in a Haystack” Physical Review Letters, Vol. 79, No. 2, 1997 “量子力学帮助在干草堆里找一根针” 物理评论 快报，第79卷，第2期，1997年 8 V）当前量子力学的重要应应用 n量子生物学 n量子生命科学 n量子神经网络 n量子化学 n量子材料科学 n量子信息科学 n量子计算机科学 nBEC器件、原子器件 目前，它正在向材料 科学、化学、生物学、 信息科学、计算机科 学大规模渗透。 预计不久的将来它将 会成为 整个近代科学共 同的理论论基础础 9 VI）量子力学的基础础和逻辑逻辑 框架（1 ） n量子力学的主要线索： 2两组基本实验：波性、粒子性实验 1一个基本图象：波粒二象性 3三大基本特征：或然、分立、不确定性 5五大基本公设：波函数、算符、测量、 动力学方程、全同性原理 另有： 3测量过程的3阶段：纠缠分解、波包塌缩、 初态演化 2两种因果律：决定论的、或然的 1一个中心任务：几率幅计算 10 量子力学的基础础和逻辑逻辑 框架（续续2） n两类实验 基础微观粒子具有波粒二象性 n光原是“波”现在发现它又具有粒子性 n电子原是“粒子”现在发现它又具有波动性 n实验给 出微观粒子一个基本图象波粒二象性 n（对波动的）Einstein 关系： n（对粒子的）de Broglie 关系： n量子力学的总结： n（派生出的）三大基本特征： n几率幅描述 n量子化现象 n不确定性关系 11 量子力学的基础础和逻辑逻辑 框架（续续3 ） n（归纳 成）逻辑结 构 五大公设： n第一公设波函数公 设 第二公设算符 公设 n第三公设测量公设 n第四公设动力学演 化公设: Schrdinger 方程 公设 n第五公设微观粒子 全同性原理公设 n量子测量的三个过程： n纠缠分解 n波包塌缩（随机、不可 逆、破坏相干性、非定域） n初态演化 n两种因果律的交织 n第一类态变 化： 状态演化 运动 方程初条件。决定论的、可 逆的、保持相干性。 n第二类态变 化： 状态测 量 这是 一次随机的、不可逆的、破坏 相干性的、非定域的 “选择” 。 n一个中心任务的改变： “ 非对易代数运动方程 算符方程求解 ” 到 “ 几率幅约束条件 路 径积分计算 ”。 12 n假如一个人不为量子论感到困惑，那他就 是没有明白量子论。 尼尔斯玻尔 n我想我可以放心地说，没有谁理解量子力 学（I think I can savely say, nobody understands quantum mechanics ）。 R.P.费曼，1963 n测量过程包含着深邃的不可逆性原理。 L.朗道, 1956 13 n 爱爱因斯坦： 自然界最不可理解的就是