量子力学的发展历史及其应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 量子力学的发展历史及其应用 摘要：量子力学是对牛顿物理学 的根本否定，它在现代科学技术的发展 中有着重要的理论意义。功能强大的 Matlab 软件可以模拟出量子力学中的现 象，有助于理解。本文描述了量子力学 的发展史以及 matlab 软件在量子力学中 的应用，并分析了量子技术的最新发展。 中国论文网 /8/view-12737951.htm 关键词：量子 发展 matlab 扫描 量子信息技术 量子计算机 中图分类号：TU559 文献标识 码：A 文章编号：1007-9416（2014） 01-0057-02 Abstract：Quantum mechanics is -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 the basic negation of Newton Physics and has important theoretical significance in the development of modern science and technology.The software Matlab has powerful functions which can simulate the phenomena of quantum mechanics，promoting peoples understanding.This article describes the history of quantum mechanics and the application of matlab in quantum mechanics， and analyses the latest development of quantum technology. Key Words：Quantum；Development；Matla b；Scanning； Quantum information technology； Quantum computer 1 量子理论发展史 量子力学是经典物理学在微观领 域的一次革命。自 1900 年普朗克提出 光量子假说起，量子力学的创立已经经 过了一百多年，它使得人们对微观世界 运动的规律有了基本正确的、革命性的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 理解，成为人类认识世界过程的一个伟 大里程碑。爱因斯坦、海森堡、波尔、 薛定谔、狄拉克等人都对其理论发展做 出了重要贡献。 1.1 量子理论与经典物理学的矛 盾 量子力学是对牛顿物理学的根本 否定。牛顿认为物质是由粒子组成的， 粒子是一个实体，而量子力学认为不能 把微观体系看成是由可以分开的部分组 成的。牛顿认为宇宙是可以预言的，而 量子力学认为，自然界在微观层次上是 由随机性和机遇支配的。牛顿认为自然 界的变化是连续的，量子力学则认为自 然界的变化是以不连续的方式发生的。 1.2 量子力学的中心思想 量子理论的中心思想是：一切东 西都由不可预言的粒子构成，但这些粒 子的统计行为遵循一种可以预言的波动 图样。 德国物理学家海森堡发现，微观 世界具有一种内禀的、可以量化的不确 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 定性。他设想用一个 射线显微镜来观 察一个电子的坐标，因为 射线显微镜 的分辨本领受到波长 的限制，所用光 的波长 越短，显微镜的分辨率越高， 从而测定电子坐标不确定的程度x 就 越小，所以x。但另一方面，光照 射到电子，可以看成是光量子和电子的 碰撞，波长 越短，光量子的动量就越 大，所以有p1/。经过一番推理计 算，海森堡得出：q* ph/2。因此， 动量和坐标不能被同时测准。 除了不确定原理外，量子力学还 有诸多特征，如非定域性、相干性等， 由此又引发许多物理学家对此做出相关 的研究。但是，一个理论的正确与否必 须通过实验加以检验。量子力学的研究 需要继承，更需要批判和发展。 2 Matlab 在量子力学中的应用 薛定谔方程是量子力学中最基本 的方程，也是量子力学的一个基本假定。 该方程可以描述微观粒子的运动，通过 解方程可得到波函数的具体形式以及对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 应的能量，从而了解微观系统的性质。 但是一般情况下，薛定谔方程没有解析 解，需要对其做数值计算，转移矩阵方 法是基于抽象的矩阵迭代计算，处理比 较复杂。在此，我们可以利用 MATLAB 强大的矩阵计算功能来减少 求解一维薛定谔方程所需的工作量。 3.1 扫描隧道显微镜技术 量子力学开发了探测物质结构的 重要技术手段。在经典物理中，粒子不 能越过能量大于它的势垒而进入到另一 个区域，而在量子力学中，粒子有一定 的概率能够穿透势垒。1981 年，IBM 公司苏黎世实验室的两位科学家宾尼希 和罗雷尔利用电子的隧道效应制成了扫 描隧道显微镜。如果将两块平行放置的 相同导体平板电极用一个非常薄的绝缘 层隔开，并在两极之间施加直流电压， 则在绝缘导区域将形成一势垒，负电极 中的电子可以穿过绝缘层的势垒到达正 电极，形成隧穿电流。 在这之后， “扫描探针显微镜 ”家 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 族不断壮大，人类能够实时地观测原子 在物质表面的排列状态和与表面电子行 为有关的物理化学性质，并对单个原子 进行操作和控制，这大大缩短了宏观世 界和微观世界的距离，对表面科学、材 料科学、生物科学以及微电子技术的研 究有着重大意义和重要应用价值，直接 推动了纳米科技的飞速发展。 3.2 量子信息技术 我们生活在一个信息社会，当电 子信息技术的发展受到芯片上集成晶体 管极限数目限制时，科学家们想到了量 子力学。量子力学是用波函数来描述量 子客体的状态，量子体系既可以处于一 系列的稳定状态，也可以处于它们的叠 加态中。而量子信息学的出发点是用量 子态表示信息。 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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。 通过量子隐形传送，我们可以完 成大容量信息的传输，也可以实现原则 上不可破译的量子保密通信，信息安全 得到保障。根据量子力学的不确定性原 理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，由此解决了传统密码学中单靠数学 无法解决的问题。 3.3 量子计算机求解线性方程组 线性方程组的应用范围及其广泛， 几乎涉及每一个科学和工程领域。日常 的气象预报，就需要建立并求解包含百 万变量的线性方程组，来实现对大气中 温度、气压、湿度等物理参数的模拟和 预测。而高准确度的气象预报则需要求 解具有海量数据的方程组，假使求解一 个亿亿亿级变量的方程组，即便是用现 在世界上最快的超级计算机也至少需要 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 几百年。 美国麻省理工学院教授塞斯罗 伊德等提出了用于求解线性方程组的量 子算法，认为借助量子计算的并行性带 来指数级的加速，将能远远超越现有经 典计算机的速度。根据理论预计，求解 一个亿亿亿变量的线性方程组，利用 GHz 时钟频率的量子计算机将只需要 10 秒钟。这个算法是量子信息技术最有 前途的应用之一。 由中国科学技术大学潘建伟院士 领衔的量子光学和量子信息团队，发展 了世界领先的多光子纠缠操控技术，成 功运行了求解一个 22 线性方程组的量 子线路，在国际上首次成功实现了用量 子计算机求解线性方程组的实验，证明 了量子算法的可行性。 4 结语 量子理论提供了精确一致地解决 关于原子、激光、X 射线、超导性以及 其他无数事情的能力，同时告诉我们， 除非进行观测，否则一切都是不真实的。 -精