量子力学理论在现代科技和现实生活中的应用

量子力学与现代科技应用物理0310317赵楠材料物理0310287赵云帆量子力学向其它领域的渗透量子化学、量子生物学、量子磁学量子力学向近代科学技术的发展提供了理论基础•原子能技术开发•纳米技术•激光•超导研究•大规模集成电路一、纳米技术1.纳米技术与纳米材料•纳米技术：在纳米尺度（1－100）上制造材料和器件的工艺。其实质就是在分子水平上一个原子、一个原子地制造具有崭新的分子组织的纳米结构的能力。•纳米材料：由纳米级结构单元构成的任何类型的材料。2.纳米尺度的观测•扫描探针显微术(ScanningProbeMicroscopy)是利用探针尖端与表原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构，获得原子级分辨图象。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STM）由STM头部，电子学处理部分，减震系统以及计算机系统（含软件）组成。•隧道效应理论在量子力学中，隧道效应是粒子波动性的直接结果。当一个粒子进入到一个势垒中，而势垒的势能比粒子的动能大时，根据量子力学原理，粒子越过壁垒而出现在势垒的另一边的几率不为零，而经典力学给出的几率则为零。•扫描隧道显微镜工作原理电子从一极通过隧道效应穿过空间势垒到另一极，形成隧道电流。电流大小取决于针尖与表面间距及表面电子状态。扫描隧道显微镜要测量隧道电流变化，只能用于导体或半导体研究，并且得到的不是实际表面形貌。后来又发明了扫描探针显微镜（近场扫描光学显微镜、热扫描显微镜、原子力显微镜），它们可在原子水平测量各种表面的形貌，研究表面弹性、塑性、硬度等。3.对纳米世界的操纵主要利用扫描探针显微镜和分子外延技术。•移动原子用扫描探针显微镜还可操纵原子。IBM公司1990年第一次在一块镍晶体上用35个原子拼出了IBM3个字母，宽度在3个纳米内。•美国正在研制一种纳米操纵器，使用类似游戏机摇杆来控制扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜：图中的“IBM”是由单个原子构成的•用原子喷绘用分子束外延技术（MBE）可以一次一个原子层或分子层地制备特殊的晶体（巨磁阻效应新料）。•分子自组织事先设计好结合方式，通过纳米技术设计超分子结构。惠普公司研究人员提出分子计算机设想，梦想制造出分子级晶体管、导线等微电子元件。现已制造出直径1.2纳米的纳米管。二、量子频标1.时间标准的发展历史•天文秒：地球对太阳的公转与自转为基础，称世界时。一个太阳日的86400分之一为1天文秒。精确程度为3年差1秒。•时钟性能标准：a)精确度：实际测定的时间与定义值的偏离程度。b)稳定性：时间装置在相继时间间隔内产生同一结果的程度。c)复现度：一定形式的装置在不同运行期间或多次连续开机下产生相同频率的程度。•钟表的发展：17世纪：机械钟，误差：一年不到一秒。20世纪：石英钟：目前最好的石英钟稳定度为石英钟与机械钟不能替代以地球自转为基础的时间标准。•原子钟与原子秒:•1967年第十三届国际计量大会决定，以零磁场下铯原子基态两个超精细结构能级之间的跃迁频率作为国际通用频率标准，定义持续9192631770个周期的时间为1原子秒。131022.铯原子钟工作原理利用六组红外线雷射光将铯原子冷却，然後再将铯原子投掷到计时器真空的空间，形成一个铯原喷泉当铯原子慢慢地降落在计时器的微波空穴内，铯原子和微波发生相互作用，发出光子；由於铯原子停留在计时器的空间的时间延长了，科学家可以有更长的时间观察和量度铯原子的振动和铯原子发出的光子，提高原子钟的准确度。原子钟内部构造图3.原子钟的应用及提高精度的意义•原子钟成了提供、记录标准时间必不可少的备。我国原子钟精度：，属世界先进行列。•时间的精确测定导致长度标准的改变。铂铱合金米原器精度：氪发出的特定波长：1米＝氪原子在真空中其2p10和5d5两能级跃迁所发光波波长的1650763.73倍。精度：1983年国际计量大会定义一米为真空中平面电磁波在299792458分之一秒进行路程的长度。•时间精度提高，长度精度同时提高。131038109104•原子钟检验相对论、量子论相对论、量子论是近代物理的基石。爱因斯坦广义相对论受直接检验还不多，原因是时间变化极微小，只有提高时钟精度才能检验。•全球定位系统和信息高速公路的计划精确的时间标准对社会生活和生产也有重大意义。三、量子霍尔效应1.经典霍尔效应如图所示，将一载流导体板放在磁场中，若磁场方向垂直于导体板并与电流方向垂直，则在导体板的上下两侧面之间会产生一定的电势差。这一现象叫做霍尔效应，所产生的电势差叫做霍尔电压。2.量子霍尔效应•朗道能级带电粒子在均匀磁场中的运动,B沿z方向薛定谔方程为：能级：电子被局限在xy平面运动,电子完全激化朗道能级EBsppeBypmHzzyx]ˆˆ)ˆ[(21ˆ222BsmpwnEzzn2)21(2wnEn)21(•整数量子霍尔效应通过硅金属氧化物场效应管用电场使电子局限在半导体表面。与经典霍尔效应显著差别是：和B不再呈线性关系，克利青发现，二维电子气的霍尔电阻RH与B的关系是在总的直线趋势上出现一系列平台（量子化霍尔电阻）量子霍尔电阻与具体材料无关。HiiehRH8.258122在绝对零度附近，强磁场下，并迫使电子在平面内运动，霍尔效应以台阶的方式变化。•分数量子霍尔效应当二维电子气处于更强磁场和更低温度时，出现新规律，在处也出现量子化霍尔电阻平台。5/3,5/2,3/2,3/1四、量子信息学量子信息学量子编码量子克隆与量子复制量子密码通讯量子态远程传输1.量子编码•量子编码：消相干会引起量子错误，量子编码的目的是为纠正或防止这些量子错误。基本思想是以合适的方式引进多余信息，以提高信息的抗干扰能力。•量子编码的困难：（1）量子态不可克隆定理禁止态复制。（2）经典编码纠错时，需要进行测量，以确定错误图样，对量子态测量会破坏量子相干性。（3）经典码中的错误只有一种，即0和1之间的跃迁，而量子错误的自由度大得多，对一确定输入态，输出态可以是二维空间的任意态，错误种类是连续的。•量子纠错方案：•1995年底，shor和steane独立提出最初的两个纠错方案。（1）为了不违背量子态不可克隆定理，量子编码时，单比特不是被复制为多比特的直积，而是编码为较复杂的纠缠态。（2）量子纠错在确定错误图样时，只进行部分测量，信息的量子相干性仍被保留。（3）量子错误的种类虽为连续流，但它可表示为3种基本量子错，所有的量子错误都将得到纠正。•两种编码方案：1）纠随机的量子码，2）防合作错量子码。2.量子克隆与量子复制：•量子克隆与量子复制的区别是：前者是精确复制，而后者允许输出态与输入态有一定偏差。•量子不可克隆定理：一个未知的量子态不可以克隆。•量子态不可精确复制是量子密码术的重要前提，它确保了量子密码的安全性，使窃听者不可采取克隆技术获得合法用户的信息。•量子不可克隆定理并未排除量子复制。人们一直在寻找最佳的量子复制机，尽可能精确复制所有输入态。•经典物理：精确测量—远程复制•量子物理：海森伯测不准原理。单个未知量子态不可克隆。•1993年，Bennett指出：量子态远程传送是可能的。由量子力学，相互耦合的微观粒子之间存在某种超光速关联。对其中一个粒子进行测量，另一粒子将瞬时“感应”到这种影响3.量子态远程传送4.量子密码通信：•经典密码通信原理：信息加密：对明文M进行数据变换Gk得出密文C:Gk(M)=C.解密：对密文进行逆变换，恢复明文。密钥：明文和密文之间的变换借助密码算法在参数K作用下完成，这样的参数称为密钥，保密通信的关键在于密钥K的生成。MCGk)(1例：CIPHER--(按字母表向后错三位)FLSKHU明文W加密解密明文C密钥K生成明文M窃取者通道•密码通信依靠密钥、编码规则、密钥传送三方面的保密保证其安全性。经典密码缺点是必须经常更换密钥。•按经典理论，找到一种不可破译的绝对安全的密码通信目前还做不到。量子力学测不准原理提供了一种可能。•量子编码原理：美国Wiesner首先将量子力学用于密码术，后来，1984年，Bennett等人提出第一个量子密码术方案。•单光子偏振态编码（BB84协议）•双量子纠缠态编码（EPR协议）互为共扼，），－（），，（），），（，（光子偏振态112111210110设A，B为通信双方1)A向B发送一串偏振方向随机选定的单光子（0，45，90，135）。2）B用检偏器同步测量每个光子的偏振方向，每次随机选择正向放置或斜向放置检偏棱镜，A放置与B是一致时，B能确切知道光子原偏振方向，双方放置不通时，B的测量结果完全随机，无法知道偏振方向。3）B宣布他使用的偏振序列，A告诉B哪些是对的，双方保留基相同时与偏振态对应的随机比特序列，这就是密钥。•窃听者：分流（X）,复制（X）,截获（X）.5.量子对策论：•对策论：对抗或竞争各方采取的策略。•量子对策论：即允许策略线性叠加。这是量子信息学的新兴分支。•例：P，Q翻硬币问题：P把一正面朝上的硬币放到一盒中，与Q二人按Q、P、Q顺序操作（翻或不翻），正面朝上，Q赢；否则，P赢。翻：F,不翻：N,正面朝上：H,正面朝上：T双方赢的几率均等。•经典情况：平衡使用混合策略：1/2几率翻与不翻：双方赢的几率相等。•量子领域，硬币状态看成量子态：{|H,|T}Q用量子决策论。THTHTH21111121THTHTH||||21||111121Q再用一次量子决策：硬币状态又回到|H，Q必赢疑。)|(|21|THHTHTHTH||||||21111121量子力学已经渗透到我们生活的各个方面，其影响之巨大是以往所不能想像的，相信随着科技的不断发展，新的技术和工艺将不断改变我们的生活，使之越来越便捷舒适和安全。参考书目•《应用量子力学》W.A.Harrison•《上帝掷骰子吗?》曹天元•《量子力学》曾谨言THANKYOU