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量子力學的新應用
量子力學的新應用【1】
摘 要:首先分析了量子力學對計算機技術發(fā)展的影響,再詳細說明了將量子力學應用在計算機技術中可使量子計算機具有優(yōu)越的性質,最后介紹了未來量子計算機發(fā)展的趨勢。
關鍵詞:量子力學 量子計算機
1量子力學對計算機技術發(fā)展的影響
自1646年第一臺電子計算機問世以來,其芯片發(fā)展速度日益加快。
按照芯片的摩爾定律 ,其集成度在不久的將來有望達到原子分子量級。
在享受計算機飛速發(fā)展帶來的種種便利的同時,我們也不得不面臨一個瓶頸問題,即根據(jù)量子力學理論,在芯片發(fā)展到微觀集成的時候,量子效應會影響甚至完全破壞芯片功能。
因此,量子力學對計算機技術發(fā)展具有決定性作用。
1.1量子力學簡介
量子力學是近代自然科學的最重要的成就之一. 在量子力學的世界里,一個量子微觀體系的狀態(tài)是由一個波函數(shù)來描述的,而非由粒子的位置和動量描述,這就是它與經典力學最根本的區(qū)別。
1.2量子力學與量子計算機
量子力學的海森堡測不準原理決定了粒子的位置和動量是不能同時確定的()。
當計算機芯片的密度很大時(即很小)將導致很大,電子不再被束縛,產生量子干涉效應,而這種干涉效應會完全破壞芯片的功能。
為了克服量子力學對計算機發(fā)展的限制,計算機的發(fā)展方向必然和量子力學相結合,這樣不僅可以越過量子力學的障礙,而且可以開辟新的方向。
量子計算機就是以量子力學原理直接進行計算的計算機.保羅•貝尼奧夫在1981年第一次提出了制造量子計算機的理論。
量子計算機的存儲和讀寫頭都以量子態(tài)存在的,這意味著存儲符號可以是0、1以及它們的疊加。
2量子計算機的優(yōu)點
近年來的種種試驗表明,量子計算機的計算和分析能力都超越了經典計算機。
它具有如此優(yōu)越的性質正在于它的存儲讀取方式量子化。
對量子計算機的原理分析可知,以下兩個個特性是令量子計算機優(yōu)越性的根源所在。
2.1存儲量大、速度高
經典計算機由0或1的二進制數(shù)據(jù)位存儲數(shù)據(jù),而量子計算機可以用自旋或者二能級態(tài)構造量子計算機中的數(shù)據(jù)位,即量子位。
不同于經典計算機的在0與1之間必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加態(tài)。
因此,量子計算機的n個量子位可以同時存儲2n個數(shù)據(jù),遠高于經典計算機的單個存儲能力; 另一方面量子計算機可以同時進行多個讀取和計算,遠優(yōu)于經典計算機的單次計算能力。
量子計算機的存儲讀取特性使其具有存儲量大、讀取計算速度高的優(yōu)點。
2.2可以實現(xiàn)量子平行態(tài)
由量子力學原理可知,如果體系的波函數(shù)不能是構成該體系的粒子的波函數(shù)的乘積,則該體系的狀態(tài)就處在一個糾纏態(tài),即體系的粒子的狀態(tài)是相互糾纏在一起的。
而量子糾纏態(tài)之間的關聯(lián)效應不受任何局域性假設限制,這使兩個處在糾纏態(tài)的粒子而言,不管它們離開有多么遙遠,對其中一個粒子進行作用,必然會同時影響到另外一個粒子.正是由于量子糾纏態(tài)之間的神奇的關聯(lián)效應, 使得量子計算機可以利用糾纏機制,實現(xiàn)量子平行算法,從而可以大大減少操作次數(shù)。
3量子計算機發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢
3.1量子計算機實現(xiàn)的技術障礙
到目前為止,世界上還沒有真正意義上的量子計算機,它的實現(xiàn)還有許多技術上的問題。
量子計算機的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在量子迭加態(tài)的關聯(lián)效應. 然而,環(huán)境對迭加態(tài)的影響以及迭加態(tài)之間的相互作用會使這種關聯(lián)效應減弱甚至喪失,即量子力學去相干效應.因此應盡量減少環(huán)境對量子態(tài)的作用。
同時,萬一由于相干效應引入了錯誤信息,必需能及時改正,這需要進一步的研究和實驗。
另一方面,量子態(tài)不能復制,使得不能把經典計算機中很完善的糾錯方法直接移植到量子計算機中來.由于量子計算機在計算過程中不能對量子態(tài)測量, 因為這種測量會改變量子態(tài), 而且這種改變是不可恢復的,因此在糾錯方面存在很多問題。
3.2量子計算機的現(xiàn)狀
由于上述兩種原因,現(xiàn)在還無法確定未來的量子計算機究竟是什么樣的, 目前科學家門提出了幾種方案.
第一種方案是核磁共振計算機. 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 兩種狀態(tài),重點在于實現(xiàn)自旋狀態(tài)的控制非操作,優(yōu)點在于盡可能保證了量子態(tài)和環(huán)境的較好隔離。
第二種方案是離子阱計算機. 其原理是將一系列自旋為1/2 的冷離子被禁錮在線性量子勢阱里, 組成一個相對穩(wěn)定的絕熱系統(tǒng),重點在于由激光來實現(xiàn)自旋翻轉的控制非操作其優(yōu)點在于極度減弱了去相干效應, 而且很容易在任意離子之間實現(xiàn)n 位量子門。
第三種方案是硅基半導體量子計算機. 其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實現(xiàn)存儲信息的量子位,重點在于用絕緣物質實現(xiàn)量子態(tài)的隔絕,其優(yōu)點在于可以利用現(xiàn)代高效的半導體技術。
此外還有線性光學方案, 腔量子動力學方案等.
3.3量子計算機的未來
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,量子計算機也會逐漸走向現(xiàn)實研制和現(xiàn)實運用。
量子計算機不但于未來的計算機產業(yè)的發(fā)展緊密相關,更重要的是它與國家的保密、電子銀行、軍事和通訊等重要領域密切相關。
實現(xiàn)量子計算機是21 世紀科學技術的最重要的目標之一。
參考文獻:
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[5]張同民.量子計算機原理簡介[J].黑龍江科技信息.
量子力學的發(fā)展及應用【2】
摘 要：量子力學是對經典物理學在微觀領域的一次革命。
它有很多基本特征，如不確定性、波粒二象性等，在原子和亞原子的微觀尺度上將變的極為顯著。
愛因斯坦、海森堡、波爾、薛定諤、狄拉克等人對其理論發(fā)展做出了重要貢獻。
量子力學是現(xiàn)代物理學基礎之一，在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內具有普遍適用的意義。
論述了量子力學的發(fā)展以及與量子力學相關的物理概念，討論了量子力學研究的主要內容。
關鍵詞：量子力學 量子力學發(fā)展 質子和粒子
前言：量子力學是對牛頓物理學的根本否定。
l9世紀末正當人們?yōu)榻浀湮锢砣〉弥卮蟪删蜌g呼的時候，一系列經典理論無法解釋的現(xiàn)象一個接一個地發(fā)現(xiàn)了。
在經典力學時期，物理學所探討的主要是那些描述用比較直接的試驗研究就可以接觸到的物理現(xiàn)象的定律和理論。
在宏觀和慢速的世界中，牛頓定律和麥克斯韋電磁理論是很好的自然定律。
而對于發(fā)生在原子和粒子這樣小的物體中的物理現(xiàn)象，經典物理學就顯得無能為力，很多現(xiàn)象沒法解釋。
1.量子力學的起源
量子論起源于經典物理學體系中出現(xiàn)的反常的經驗問題，以及相伴隨的概念問題。
量子力學的發(fā)展主要歸功于四位物理學家。
德國的海森伯于1926年作出了量子力學理論的第一種表述。
利用矩陣力學的理論，求得描述原子內部電子行為的一些可觀察量的正確數(shù)值。
接著，奧地利的薛定諤發(fā)表了波動力學，是量子力學的另一種數(shù)學表述。
同年，德國的伯恩對上述兩種數(shù)學表述作出可以接受的物理解釋，并首先使用“量子力學”這個名詞。
1928年，英國的狄拉克又把上面的理論加以推廣，并與狹義相對論結合起來。
量子力學是對牛頓物理學的根本否定。
牛頓認為物質是由粒子組成的，粒子是一個實體，量子力學認為粒子是波，波是無邊無際的。
牛頓認為宇宙是一部機器，可以把研究對象分成幾部分，然后對每一部分進行研究。
量子力學認為自然界是深深地連通著的，一定不能把微觀體系看成是由可以分開的部分組成的。
因為兩個粒子從實體看可以分開，從波的角度他們是糾纏在一起的。
牛頓認為宇宙是可以預言的，而量子力學認為，自然界在微觀層次上是由隨機性和機遇支配的。
牛頓認為自然界的變化是連續(xù)的，量子力學認為自然界的變化是以不連續(xù)的方式發(fā)生的。
2.量子力學的形成
2.1 量子假說的提出
1900年l2月14日，德國物理學家普朗克在柏林德國物理學會一次會議上提出了黑體輻射定律的推導，這一天被認為是量子力學理論的誕辰日。
在推導輻射強度作為波長和絕對溫度函數(shù)的理論表達式時，普朗克假設構成腔壁的原子的行經像極小電磁振子，各振子均有一個振蕩的特征頻率。
振子發(fā)射電磁能量于空腔中，并自空腔中吸收電磁能量，因此可以由在輻射平衡狀態(tài)的振子的特性而推出空腔輻射的特性。
而關于原子的振子，普朗克作了兩項
根本的假設，現(xiàn)簡述如下：
① 振子不能為“任何能量”，只能為：
(1)式中：為振子頻率，為常數(shù)(現(xiàn)稱為普朗克常數(shù))，只能為整數(shù)(現(xiàn)稱為量子數(shù))，(1)式斷言振子的能量只能是一份一份的，而不能是連續(xù)的，即振子能量是量子化的。
�、谡褡硬⒉贿B續(xù)放射能量，僅能以“跳躍”方式放射，或稱“量子式”放射。
當振子自一量狀態(tài)改變至另一態(tài)時，即放出能量量子。
因此，當改變一個單位時，放射之能量為：
只要振子仍在同一量子狀態(tài)，則既不放射能量也不吸收能量。
2.2 愛因斯坦利用量子假說揭開光電效應之謎
愛因斯坦根據(jù)普朗克的量子假設推理認為：如果一個振動電荷的能量是量子化的，那么它的能量變化只能是從一個允許的能量瞬時地躍遷到另一個允許的能量，因為根本不允許它具有任何中間的能量值。
而能量守恒就意味著，發(fā)射出的輻射必須是以一股瞬時的輻射進發(fā)的形式從振動電荷產生出來，而不是電磁波理論所預言的長時間的連續(xù)波。
愛因斯坦得出結論：輻射永遠以一個個小包、小粒子的形式出現(xiàn)，但不是象質子、電子那樣的實物粒子。
這些新粒子是輻射構成的;它們是可見光粒子、紅外光粒子、 射線粒子等等。
這些輻射粒子叫做光子。
光子和實物粒子不同：它們永遠以光速運動;它們的靜止質量為零;振動的帶電粒子產生光子。
3.量子力學的宇宙觀
在原子的量子理論的探討中，從對氫原子的研究中發(fā)現(xiàn)，氫原子有無數(shù)個量子態(tài)。
而電子多于一個的原子有更復雜的量子態(tài)，這些量子態(tài)都從求解適合于該特定原子的薛定諤方程，并且要求其場剛好環(huán)繞原子核產生駐波而求得。
由于這些量子態(tài)的每一個都是有特定頻率的駐波，并且波的頻率和它的能量相聯(lián)系，預期每個量子態(tài)只有一個特殊的能量。
這就是說，預期任何一個態(tài)的能量不會有任何量子不確定性。
可以對每個態(tài)的能量大小作合理的猜測。
由于質子作用于電子的力是吸引力，要把一個電子向外拖到離原子核更遠的地方就必須做功。
因此電子離原子核越遠，電子的電磁能量就越高。
量子理論的中心思想是，一切東西都由不可預言的粒子構成，但這些粒子的統(tǒng)計行為遵循一種可以預言的波動圖樣。
1927年，德國物理學家海森伯發(fā)現(xiàn)，這種波粒二象性意味著，微觀世界具有一種內稟的，可以量化的不確定性。
量子理論的最大特點也許是它的不確定性。
量子不確定的實質是，完全相同的物理情況將導致不同的結果。
哥本哈根學派解釋的結論是，微觀事件真的是不可預言的。
而且，當我們說一個微觀粒子的位置是不確定的時候，意思并不僅僅是我們缺乏有關其位置的知識。
相反，意思是這個粒子的確沒有確定的位置
結語：量子力學在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內具有普遍適用的意義。
它是現(xiàn)代物理學基礎之一，在現(xiàn)代科學技術中的表面物理、半導體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導物理、量子化學以及分子生物學等學科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。
量子力學的產生和發(fā)展標志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。
參考文獻
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