量子力学的新应用
量子力学的新应用【1】
摘 要:首先分析了量子力学对计算机技术发展的影响,再详细说明了将量子力学应用在计算机技术中可使量子计算机具有优越的性质,最后介绍了未来量子计算机发展的趋势。
关键词:量子力学 量子计算机
1量子力学对计算机技术发展的影响
自1646年第一台电子计算机问世以来,其芯片发展速度日益加快。
按照芯片的摩尔定律 ,其集成度在不久的将来有望达到原子分子量级。
在享受计算机飞速发展带来的种种便利的同时,我们也不得不面临一个瓶颈问题,即根据量子力学理论,在芯片发展到微观集成的时候,量子效应会影响甚至完全破坏芯片功能。
因此,量子力学对计算机技术发展具有决定性作用。
1.1量子力学简介
量子力学是近代自然科学的最重要的成就之一. 在量子力学的世界里,一个量子微观体系的状态是由一个波函数来描述的,而非由粒子的位置和动量描述,这就是它与经典力学最根本的区别。
1.2量子力学与量子计算机
量子力学的海森堡测不准原理决定了粒子的位置和动量是不能同时确定的()。
当计算机芯片的密度很大时(即很小)将导致很大,电子不再被束缚,产生量子干涉效应,而这种干涉效应会完全破坏芯片的功能。
为了克服量子力学对计算机发展的限制,计算机的发展方向必然和量子力学相结合,这样不仅可以越过量子力学的障碍,而且可以开辟新的方向。
量子计算机就是以量子力学原理直接进行计算的计算机.保罗•贝尼奥夫在1981年第一次提出了制造量子计算机的理论。
量子计算机的存储和读写头都以量子态存在的,这意味着存储符号可以是0、1以及它们的叠加。
2量子计算机的优点
近年来的种种试验表明,量子计算机的计算和分析能力都超越了经典计算机。
它具有如此优越的性质正在于它的存储读取方式量子化。
对量子计算机的原理分析可知,以下两个个特性是令量子计算机优越性的根源所在。
2.1存储量大、速度高
经典计算机由0或1的二进制数据位存储数据,而量子计算机可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位,即量子位。
不同于经典计算机的在0与1之间必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加态。
因此,量子计算机的n个量子位可以同时存储2n个数据,远高于经典计算机的单个存储能力; 另一方面量子计算机可以同时进行多个读取和计算,远优于经典计算机的单次计算能力。
量子计算机的存储读取特性使其具有存储量大、读取计算速度高的优点。
2.2可以实现量子平行态
由量子力学原理可知,如果体系的波函数不能是构成该体系的粒子的波函数的乘积,则该体系的状态就处在一个纠缠态,即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。
而量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制,这使两个处在纠缠态的粒子而言,不管它们离开有多么遥远,对其中一个粒子进行作用,必然会同时影响到另外一个粒子.正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应, 使得量子计算机可以利用纠缠机制,实现量子平行算法,从而可以大大减少操作次数。
3量子计算机发展现状和未来趋势
3.1量子计算机实现的技术障碍
到目前为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机,它的实现还有许多技术上的问题。
量子计算机的优越性主要体现在量子迭加态的关联效应. 然而,环境对迭加态的影响以及迭加态之间的相互作用会使这种关联效应减弱甚至丧失,即量子力学去相干效应.因此应尽量减少环境对量子态的作用。
同时,万一由于相干效应引入了错误信息,必需能及时改正,这需要进一步的研究和实验。
另一方面,量子态不能复制,使得不能把经典计算机中很完善的纠错方法直接移植到量子计算机中来.由于量子计算机在计算过程中不能对量子态测量, 因为这种测量会改变量子态, 而且这种改变是不可恢复的,因此在纠错方面存在很多问题。
3.2量子计算机的现状
由于上述两种原因,现在还无法确定未来的量子计算机究竟是什么样的, 目前科学家门提出了几种方案.
第一种方案是核磁共振计算机. 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 两种状态,重点在于实现自旋状态的控制非操作,优点在于尽可能保证了量子态和环境的较好隔离。
第二种方案是离子阱计算机. 其原理是将一系列自旋为1/2 的冷离子被禁锢在线性量子势阱里, 组成一个相对稳定的绝热系统,重点在于由激光来实现自旋翻转的控制非操作其优点在于极度减弱了去相干效应, 而且很容易在任意离子之间实现n 位量子门。
第三种方案是硅基半导体量子计算机. 其原理是在高纯度硅中掺杂自旋为1/2的离子实现存储信息的量子位,重点在于用绝缘物质实现量子态的隔绝,其优点在于可以利用现代高效的半导体技术。
此外还有线性光学方案, 腔量子动力学方案等.
3.3量子计算机的未来
随着现代科学技术的发展,量子计算机也会逐渐走向现实研制和现实运用。
量子计算机不但于未来的计算机产业的发展紧密相关,更重要的是它与国家的保密、电子银行、军事和通讯等重要领域密切相关。
实现量子计算机是21 世纪科学技术的最重要的目标之一。
参考文献:
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[2]付刚.“量子计算机”解密[N].中安在线-安徽日报
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[5]张同民.量子计算机原理简介[J].黑龙江科技信息.
量子力学的发展及应用【2】
摘 要：量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。
它有很多基本特征，如不确定性、波粒二象性等，在原子和亚原子的微观尺度上将变的极为显著。
爱因斯坦、海森堡、波尔、薛定谔、狄拉克等人对其理论发展做出了重要贡献。
量子力学是现代物理学基础之一，在低速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。
论述了量子力学的发展以及与量子力学相关的物理概念，讨论了量子力学研究的主要内容。
关键词：量子力学 量子力学发展 质子和粒子
前言：量子力学是对牛顿物理学的根本否定。
l9世纪末正当人们为经典物理取得重大成就欢呼的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。
在经典力学时期，物理学所探讨的主要是那些描述用比较直接的试验研究就可以接触到的物理现象的定律和理论。
在宏观和慢速的世界中，牛顿定律和麦克斯韦电磁理论是很好的自然定律。
而对于发生在原子和粒子这样小的物体中的物理现象，经典物理学就显得无能为力，很多现象没法解释。
1.量子力学的起源
量子论起源于经典物理学体系中出现的反常的经验问题，以及相伴随的概念问题。
量子力学的发展主要归功于四位物理学家。
德国的海森伯于1926年作出了量子力学理论的第一种表述。
利用矩阵力学的理论，求得描述原子内部电子行为的一些可观察量的正确数值。
接着，奥地利的薛定谔发表了波动力学，是量子力学的另一种数学表述。
同年，德国的伯恩对上述两种数学表述作出可以接受的物理解释，并首先使用“量子力学”这个名词。
1928年，英国的狄拉克又把上面的理论加以推广，并与狭义相对论结合起来。
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，量子力学认为粒子是波，波是无边无际的。
牛顿认为宇宙是一部机器，可以把研究对象分成几部分，然后对每一部分进行研究。
量子力学认为自然界是深深地连通着的，一定不能把微观体系看成是由可以分开的部分组成的。
因为两个粒子从实体看可以分开，从波的角度他们是纠缠在一起的。
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，量子力学认为自然界的变化是以不连续的方式发生的。
2.量子力学的形成
2.1 量子假说的提出
1900年l2月14日，德国物理学家普朗克在柏林德国物理学会一次会议上提出了黑体辐射定律的推导，这一天被认为是量子力学理论的诞辰日。
在推导辐射强度作为波长和绝对温度函数的理论表达式时，普朗克假设构成腔壁的原子的行经像极小电磁振子，各振子均有一个振荡的特征频率。
振子发射电磁能量于空腔中，并自空腔中吸收电磁能量，因此可以由在辐射平衡状态的振子的特性而推出空腔辐射的特性。
而关于原子的振子，普朗克作了两项
根本的假设，现简述如下：
① 振子不能为“任何能量”，只能为：
(1)式中：为振子频率，为常数(现称为普朗克常数)，只能为整数(现称为量子数)，(1)式断言振子的能量只能是一份一份的，而不能是连续的，即振子能量是量子化的。
②振子并不连续放射能量，仅能以“跳跃”方式放射，或称“量子式”放射。
当振子自一量状态改变至另一态时，即放出能量量子。
因此，当改变一个单位时，放射之能量为：
只要振子仍在同一量子状态，则既不放射能量也不吸收能量。
2.2 爱因斯坦利用量子假说揭开光电效应之谜
爱因斯坦根据普朗克的量子假设推理认为：如果一个振动电荷的能量是量子化的，那么它的能量变化只能是从一个允许的`能量瞬时地跃迁到另一个允许的能量，因为根本不允许它具有任何中间的能量值。
而能量守恒就意味着，发射出的辐射必须是以一股瞬时的辐射进发的形式从振动电荷产生出来，而不是电磁波理论所预言的长时间的连续波。
爱因斯坦得出结论：辐射永远以一个个小包、小粒子的形式出现，但不是象质子、电子那样的实物粒子。
这些新粒子是辐射构成的;它们是可见光粒子、红外光粒子、 射线粒子等等。
这些辐射粒子叫做光子。
光子和实物粒子不同：它们永远以光速运动;它们的静止质量为零;振动的带电粒子产生光子。
3.量子力学的宇宙观
在原子的量子理论的探讨中，从对氢原子的研究中发现，氢原子有无数个量子态。
而电子多于一个的原子有更复杂的量子态，这些量子态都从求解适合于该特定原子的薛定谔方程，并且要求其场刚好环绕原子核产生驻波而求得。
由于这些量子态的每一个都是有特定频率的驻波，并且波的频率和它的能量相联系，预期每个量子态只有一个特殊的能量。
这就是说，预期任何一个态的能量不会有任何量子不确定性。
可以对每个态的能量大小作合理的猜测。
由于质子作用于电子的力是吸引力，要把一个电子向外拖到离原子核更远的地方就必须做功。
因此电子离原子核越远，电子的电磁能量就越高。
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。
1927年，德国物理学家海森伯发现，这种波粒二象性意味着，微观世界具有一种内禀的，可以量化的不确定性。
量子理论的最大特点也许是它的不确定性。
量子不确定的实质是，完全相同的物理情况将导致不同的结果。
哥本哈根学派解释的结论是，微观事件真的是不可预言的。
而且，当我们说一个微观粒子的位置是不确定的时候，意思并不仅仅是我们缺乏有关其位置的知识。
相反，意思是这个粒子的确没有确定的位置
结语：量子力学在低速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。
它是现代物理学基础之一，在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义。
量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。
参考文献
[1] 曾谨言.量子力学导论[M].2版.北京大学出版社，2OOO.
[2] 杨仲耆，申先甲.物理学思想史[M].长沙：湖南教育出版社，l993.
[3] 张德兴，桂起权.通向人类思想的深层：哲人科学家――玻恩[M].福州：福建教育出版社，1996.
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