量子力学的应用.ppt

量子力学的应用 0910256 潘驰我与量子力学的交往史•高中时期的课本里就涉猎了量子力学的相关知识，而且我们物理老师的丈夫是天津大学的教授，他也为我们讲授了量子物理的简单发展史从此我就喜欢上了量子力学在大学里我又有幸能够学习这门课程量子物理的地位•量子论创立至今已经超过100年，但它的一些基本思想却仍然不为普通的大众所熟知量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一，我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌，却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生我们会看到最革命的思潮席卷大地，带来了让人惊骇的电闪雷鸣，同时却又展现出震撼人心的美丽我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来，却更加坚定了对胜利的信念量子力学的应用概述•然而量子力学的应用是十分广泛的30年代，量子力学用于固体物理，建立了凝聚态物理学，又用于分子物理，建立了量子化学在此之上，材料科学、激光技术、超导物理等学科蓬勃发展，为深刻影响20世纪人们生活方式的计算机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础。

在20世纪上半期，量子力学深入到微观世界，发展了原子核结构与动力学理论，提出了关于原子核结构的壳层模型和集体模型，研究了原子核的主要反应如α、β、γ嬗变过程在天体物理中，必须要用到量子力学对于那些密度很大的天体，如白矮星、中子星，当核燃料耗尽时，恒星的引力将使它坍缩，高密度天体的的费米温度很高，比恒星实际温度高得多，白矮星的电子气兼并压和中子星的中子兼并压抗衡了引力，此时量子力学效应对于星体的形成起了决定性的作用对于黑洞，其附近的狄拉克真空正负能级会发生交错，因此有些负能粒子将可能通过隧道效应穿透禁区成为正能粒子，飞向远方黑洞的量子力学效应很有意义，值得研究具体应用•在过去的30年中，初级的量子器件诸如单 电子记忆电池和光信号处理系统变得异常普遍，纳米级和原子级的微元件更易加工如今，量子力学更被应用在绝大多数工程实践中，如晶体管、激光器、量子光学、分子器件等具体应用•量子信息学也应运而生该学科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•量子信息学包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面，近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。

应用举例•量子计算机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•量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题•能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度能耗来源于计算过程中的不可逆操作•与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充•量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的•无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性•在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干•量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。

•如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了•目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等量子通信•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•所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：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但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的•利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处•其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。

•该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上•在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用•量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信•如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要课题量子密码术•量子密码术是密码术与量子力学结合的产物，它利用了系统所具有的量子性质•单量子态虽然不好保存但可用于传输信息量子密码术并不用于传输密文，而是用于建立、传输密码本•根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃听者的存在都会被发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全•最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振特性，目前主流的实验方案则用光子的相位特性进行编码量子力学的其他应用•量子力学模拟方法预测材料中电子的行为因此它是目前最直接最精确的用于计算材料和分子性质的理论手段理论上，量子力学方法可以预测材料的任何性质，甚至有些性质（例如电学、磁学、和光学特性）只有量子力学方法能胜任，而其他方法，例如原子尺度模拟方法，由于它们无法进行合理近似，从而无法得到材料电子结构的准确信息。