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探索量子力学的发展历史及其应用

 论文栏目:物理学    更新时间:2014-05-29 10:53   

 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。
  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 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 people’s 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;Matlab;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、可以量化的不确定性。他设想用一个γ射线显微镜来观察一个电子的坐标,因为γ射线显微镜的 分辨本领受到波长λ的限制,所用光的波长λ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∝λ。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λ越短,光量子的动量就越大,所以有△p∝1/λ。经过一番推理计算,海森堡得出:△q*△p≥h/2π。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 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2×2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。爱因斯坦认为,量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述,是一种唯象理论,它本身不是终极真理。
  尽管量子理论几乎完全使古老的经典物理理论失去了光彩,但我们仍旧在日常的地面运动甚至空间运动中运用牛顿力学,仍旧在古老而熟悉的观点和新的革命性的观点之间寻找着最合适的理论解释。
  参考文献
  [1]陆果.基础物理学教程[M].下卷.第二版,高等教育出版社.
  [2]管平.数学物理方法[M].第二版,高等教育出版社,194-199.
  [3]王忆锋,唐利斌.利用转移矩阵和matlab求解一维薛定谔方程的一种简捷方法[J].2010(3):177-180.
  [4]王红梅.量子理论及技术的发展[J].2006(3):55-57.
  [5]乌云高娃,量子力学发展综述[J].2006(6):154-157.

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