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量子力學(xué)的新應(yīng)用
量子力學(xué)的新應(yīng)用【1】
摘 要:首先分析了量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的影響,再詳細(xì)說明了將量子力學(xué)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)技術(shù)中可使量子計(jì)算機(jī)具有優(yōu)越的性質(zhì),最后介紹了未來量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:量子力學(xué) 量子計(jì)算機(jī)
1量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的影響
自1646年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)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(dá)到原子分子量級(jí)。
在享受計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展帶來的種種便利的同時(shí),我們也不得不面臨一個(gè)瓶頸問題,即根據(jù)量子力學(xué)理論,在芯片發(fā)展到微觀集成的時(shí)候,量子效應(yīng)會(huì)影響甚至完全破壞芯片功能。
因此,量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展具有決定性作用。
1.1量子力學(xué)簡(jiǎn)介
量子力學(xué)是近代自然科學(xué)的最重要的成就之一. 在量子力學(xué)的世界里,一個(gè)量子微觀體系的狀態(tài)是由一個(gè)波函數(shù)來描述的,而非由粒子的位置和動(dòng)量描述,這就是它與經(jīng)典力學(xué)最根本的區(qū)別。
1.2量子力學(xué)與量子計(jì)算機(jī)
量子力學(xué)的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理決定了粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)確定的()。
當(dāng)計(jì)算機(jī)芯片的密度很大時(shí)(即很小)將導(dǎo)致很大,電子不再被束縛,產(chǎn)生量子干涉效應(yīng),而這種干涉效應(yīng)會(huì)完全破壞芯片的功能。
為了克服量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展的限制,計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向必然和量子力學(xué)相結(jié)合,這樣不僅可以越過量子力學(xué)的障礙,而且可以開辟新的方向。
量子計(jì)算機(jī)就是以量子力學(xué)原理直接進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī).保羅•貝尼奧夫在1981年第一次提出了制造量子計(jì)算機(jī)的理論。
量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和讀寫頭都以量子態(tài)存在的,這意味著存儲(chǔ)符號(hào)可以是0、1以及它們的疊加。
2量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
近年來的種種試驗(yàn)表明,量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算和分析能力都超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
它具有如此優(yōu)越的性質(zhì)正在于它的存儲(chǔ)讀取方式量子化。
對(duì)量子計(jì)算機(jī)的原理分析可知,以下兩個(gè)個(gè)特性是令量子計(jì)算機(jī)優(yōu)越性的根源所在。
2.1存儲(chǔ)量大、速度高
經(jīng)典計(jì)算機(jī)由0或1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位存儲(chǔ)數(shù)據(jù),而量子計(jì)算機(jī)可以用自旋或者二能級(jí)態(tài)構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)位,即量子位。
不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的n個(gè)量子位可以同時(shí)存儲(chǔ)2n個(gè)數(shù)據(jù),遠(yuǎn)高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單個(gè)存儲(chǔ)能力; 另一方面量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)讀取和計(jì)算,遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單次計(jì)算能力。
量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)讀取特性使其具有存儲(chǔ)量大、讀取計(jì)算速度高的優(yōu)點(diǎn)。
2.2可以實(shí)現(xiàn)量子平行態(tài)
由量子力學(xué)原理可知,如果體系的波函數(shù)不能是構(gòu)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(gè)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(guān)聯(lián)效應(yīng)不受任何局域性假設(shè)限制,這使兩個(gè)處在糾纏態(tài)的粒子而言,不管它們離開有多么遙遠(yuǎn),對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行作用,必然會(huì)同時(shí)影響到另外一個(gè)粒子.正是由于量子糾纏態(tài)之間的神奇的關(guān)聯(lián)效應(yīng), 使得量子計(jì)算機(jī)可以利用糾纏機(jī)制,實(shí)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(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢(shì)
3.1量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)障礙
到目前為止,世界上還沒有真正意義上的量子計(jì)算機(jī),它的實(shí)現(xiàn)還有許多技術(shù)上的問題。
量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在量子迭加態(tài)的關(guān)聯(lián)效應(yīng). 然而,環(huán)境對(duì)迭加態(tài)的影響以及迭加態(tài)之間的相互作用會(huì)使這種關(guān)聯(lián)效應(yīng)減弱甚至喪失,即量子力學(xué)去相干效應(yīng).因此應(yīng)盡量減少環(huán)境對(duì)量子態(tài)的作用。
同時(shí),萬一由于相干效應(yīng)引入了錯(cuò)誤信息,必需能及時(shí)改正,這需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。
另一方面,量子態(tài)不能復(fù)制,使得不能把經(jīng)典計(jì)算機(jī)中很完善的糾錯(cuò)方法直接移植到量子計(jì)算機(jī)中來.由于量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算過程中不能對(duì)量子態(tài)測(cè)量, 因?yàn)檫@種測(cè)量會(huì)改變量子態(tài), 而且這種改變是不可恢復(fù)的,因此在糾錯(cuò)方面存在很多問題。
3.2量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)究竟是什么樣的, 目前科學(xué)家門提出了幾種方案.
第一種方案是核磁共振計(jì)算機(jī). 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(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)自旋狀態(tài)的控制非操作,優(yōu)點(diǎn)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(jì)算機(jī). 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(shì)阱里, 組成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的絕熱系統(tǒng),重點(diǎn)在于由激光來實(shí)現(xiàn)自旋翻轉(zhuǎn)的控制非操作其優(yōu)點(diǎn)在于極度減弱了去相干效應(yīng), 而且很容易在任意離子之間實(shí)現(xiàn)n 位量子門。
第三種方案是硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī). 其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)信息的量子位,重點(diǎn)在于用絕緣物質(zhì)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的隔絕,其優(yōu)點(diǎn)在于可以利用現(xiàn)代高效的半導(dǎo)體技術(shù)。
此外還有線性光學(xué)方案, 腔量子動(dòng)力學(xué)方案等.
3.3量子計(jì)算機(jī)的未來
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,量子計(jì)算機(jī)也會(huì)逐漸走向現(xiàn)實(shí)研制和現(xiàn)實(shí)運(yùn)用。
量子計(jì)算機(jī)不但于未來的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān),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(lǐng)域密切相關(guān)。
實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)是21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的最重要的目標(biāo)之一。
參考文獻(xiàn):
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量子力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用【2】
摘 要：量子力學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)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(duì)其理論發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。
論述了量子力學(xué)的發(fā)展以及與量子力學(xué)相關(guān)的物理概念，討論了量子力學(xué)研究的主要內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 量子力學(xué)發(fā)展 質(zhì)子和粒子
前言：量子力學(xué)是對(duì)牛頓物理學(xué)的根本否定。
l9世紀(jì)末正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就歡呼的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象一個(gè)接一個(gè)地發(fā)現(xiàn)了。
在經(jīng)典力學(xué)時(shí)期，物理學(xué)所探討的主要是那些描述用比較直接的試驗(yàn)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(duì)于發(fā)生在原子和粒子這樣小的物體中的物理現(xiàn)象，經(jīng)典物理學(xué)就顯得無能為力，很多現(xiàn)象沒法解釋。
1.量子力學(xué)的起源
量子論起源于經(jīng)典物理學(xué)體系中出現(xiàn)的反常的經(jīng)驗(yàn)問題，以及相伴隨的概念問題。
量子力學(xué)的發(fā)展主要?dú)w功于四位物理學(xué)家。
德國的海森伯于1926年作出了量子力學(xué)理論的第一種表述。
利用矩陣力學(xué)的理論，求得描述原子內(nèi)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(dòng)力學(xué)，是量子力學(xué)的另一種數(shù)學(xué)表述。
同年，德國的伯恩對(duì)上述兩種數(shù)學(xué)表述作出可以接受的物理解釋，并首先使用“量子力學(xué)”這個(gè)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(duì)論結(jié)合起來。
量子力學(xué)是對(duì)牛頓物理學(xué)的根本否定。
牛頓認(rèn)為物質(zhì)是由粒子組成的，粒子是一個(gè)實(shí)體，量子力學(xué)認(rèn)為粒子是波，波是無邊無際的。
牛頓認(rèn)為宇宙是一部機(jī)器，可以把研究對(duì)象分成幾部分，然后對(duì)每一部分進(jìn)行研究。
量子力學(xué)認(rèn)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?yàn)閮蓚�(gè)粒子從實(shí)體看可以分開，從波的角度他們是糾纏在一起的。
牛頓認(rèn)為宇宙是可以預(yù)言的，而量子力學(xué)認(rèn)為，自然界在微觀層次上是由隨機(jī)性和機(jī)遇支配的。
牛頓認(rèn)為自然界的變化是連續(xù)的，量子力學(xué)認(rèn)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(xué)的形成
2.1 量子假說的提出
1900年l2月14日，德國物理學(xué)家普朗克在柏林德國物理學(xué)會(huì)一次會(huì)議上提出了黑體輻射定律的推導(dǎo)，這一天被認(rèn)為是量子力學(xué)理論的誕辰日。
在推導(dǎo)輻射強(qiáng)度作為波長(zhǎng)和絕對(duì)溫度函數(shù)的理論表達(dá)式時(shí)，普朗克假設(shè)構(gòu)成腔壁的原子的行經(jīng)像極小電磁振子，各振子均有一個(gè)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(guān)于原子的振子，普朗克作了兩項(xiàng)
根本的假設(shè)，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：
�、� 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(dāng)振子自一量狀態(tài)改變至另一態(tài)時(shí)，即放出能量量子。
因此，當(dāng)改變一個(gè)單位時(shí)，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(yīng)之謎
愛因斯坦根據(jù)普朗克的量子假設(shè)推理認(rèn)為：如果一個(gè)振動(dòng)電荷的能量是量子化的，那么它的能量變化只能是從一個(gè)允許的能量瞬時(shí)地躍遷到另一個(gè)允許的能量，因?yàn)楦静辉试S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(shí)的輻射進(jìn)發(fā)的形式從振動(dòng)電荷產(chǎn)生出來，而不是電磁波理論所預(yù)言的長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)波。
愛因斯坦得出結(jié)論：輻射永遠(yuǎn)以一個(gè)個(gè)小包、小粒子的形式出現(xiàn)，但不是象質(zhì)子、電子那樣的實(shí)物粒子。
這些新粒子是輻射構(gòu)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(shí)物粒子不同：它們永遠(yuǎn)以光速運(yùn)動(dòng);它們的靜止質(zhì)量為零;振動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生光子。
3.量子力學(xué)的宇宙觀
在原子的量子理論的探討中，從對(duì)氫原子的研究中發(fā)現(xiàn)，氫原子有無數(shù)個(gè)量子態(tài)。
而電子多于一個(gè)的原子有更復(fù)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(chǎng)剛好環(huán)繞原子核產(chǎn)生駐波而求得。
由于這些量子態(tài)的每一個(gè)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(yù)期每個(gè)量子態(tài)只有一個(gè)特殊的能量。
這就是說，預(yù)期任何一個(gè)態(tài)的能量不會(huì)有任何量子不確定性。
可以對(duì)每個(gè)態(tài)的能量大小作合理的猜測(cè)。
由于質(zhì)子作用于電子的力是吸引力，要把一個(gè)電子向外拖到離原子核更遠(yuǎn)的地方就必須做功。
因此電子離原子核越遠(yuǎn)，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(yù)言的粒子構(gòu)成，但這些粒子的統(tǒng)計(jì)行為遵循一種可以預(yù)言的波動(dòng)圖樣。
1927年，德國物理學(xué)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(nèi)稟的，可以量化的不確定性。
量子理論的最大特點(diǎn)也許是它的不確定性。
量子不確定的實(shí)質(zhì)是，完全相同的物理情況將導(dǎo)致不同的結(jié)果。
哥本哈根學(xué)派解釋的結(jié)論是，微觀事件真的是不可預(yù)言的。
而且，當(dāng)我們說一個(gè)微觀粒子的位置是不確定的時(shí)候，意思并不僅僅是我們?nèi)狈τ嘘P(guān)其位置的知識(shí)。
相反，意思是這個(gè)粒子的確沒有確定的位置
結(jié)語：量子力學(xué)在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。
它是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。
量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認(rèn)識(shí)自然實(shí)現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。
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