物理学与现代科技[整理]

物理学与现代科技姬小心来自太空的耳目姬全世界到底总共有多少枚可以拍摄高清晰度照片的侦察卫星目前还不清楚，但有一点可以肯定，世界上只有美国、俄罗斯、法国以及以色列等少数几个国家拥有高清晰度卫星。侦察卫星，就是窃取军事情报的卫星，它站得高看得远，既能监视又能窃听，是个名副其实的太空千里眼。1990年8月2日，伊拉克突然袭击并占领了科威特的国土，由此拉开了一场持续半年之久的海湾战争。四十多万美国及盟国军队云集海湾，伊拉克的重要机场，武器库、战略设施受到了美国导弹和飞机的狂轰滥炸，损失惨重。美国何以能准确地掌握伊拉克的军事机密呢其中侦察卫星功不可没。侦察卫星利用光电遥感器或无线电接收机，搜集到地面的目标辐射，反射或发射出的电磁波信息，用胶卷或磁带记录下来后存贮在卫星返回舱里，待卫星返回时地面回收。或者通过无线电传输的方法，随时或在某个适当的时候传输给地面接收站，经光学，电子计算机处理后使用。侦察卫星根据执行任务和侦察设备的不同，分为照相侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星和预警卫星。照相侦察卫星装有可见光照相机、电视摄像机，对目标实行拍照。为了发现和识别目标，对相机镜头和图像分辨率要求很高。这种卫星一般运行在近地点高度150千米280千米的近地轨道上，如果装备上红外相机和多光谱相机，还具有夜间侦察和识别伪装的能力。照相侦察卫星按侦察信息送回地面的方式分为返回型和传输型。返回型是将拍好的胶卷存入回收舱中返回地面，它利用胶片成像的原理，优点是图像分辨率高、直观、易于识别分析，缺点是回收不及时，容易贻误战机。传输型利用光电成像原理，先把图像信息记录在磁带上，飞到地面台站的控制区时，再将图像信息发送到地面，由地面进行处理和识别。它的优点是地面收到信息快，但图像分辨率不高。美国从1959年2月开始发射照相侦察卫星，直到1960年8月首次发射回收成功，从发现者号至今已发展了五代侦察卫星。1960年10月发射的萨莫斯号无线电传输型卫星是第一代；第二代改进了摄影系统的传输型卫星，能在轨道上停留34周，返回型能在轨道上停留35天；第三代返回型卫星装有更完美的遥感装置和更高级的相机，装有空地快速通信系统，可把信息以高传输率发回到地面；第四代叫“大鸟”号，它兼有回收胶卷和无线电传输两种功能，寿命52220天，它拍的照片可以清晰地分辨出火车、汽车、建筑物及行人；第五代是“锁眼”号，星上装有固体摄像机，采用数字实时传输方式，以多种形式进行信息自动化处理，寿命为25年或更长。姬电子侦察卫星装有电子侦察设备，用来侦辨雷达和其他无线电设备的位置和特性，窃听遥测和通信等机密信息。这种卫星一般运行在高约500或1000多千米的近圆轨道上。电子侦察卫星是窃听能手，当它经过别国上空时，星上磁带迅速录下雷达信号、电台信号等，等转回到本国上空时又把这些信号输送到地面站。经地面分析、研究就能掌握别国地面雷达的位置、特性、破译电台的信号。美国1988年8月发射的一颗重型电子侦察卫星，可以同时监听中苏两国11000条电话和步话机无线电话。姬海洋监视卫星装有雷达、无线电接收机、红外探测器等侦察设备，监视海上舰船和潜艇的活动。为了对广阔的海洋连续监视，卫星轨道一般比较高，为1000千米左右的近圆轨道，并需要由多颗卫星组成海洋监视网。预警卫星利用星上的红外探测仪，探测导弹飞行时发动机尾焰的红外辐射，配合电视摄像机及时准确地判断敌方导弹方向，迅速报警，使地面防空部队准备拦击导弹，城市居民紧急疏散隐蔽。在预警卫星出现前，人们用巨型雷达探测，由于地球曲面的阻挡，只有当导弹爬高到250千米的高空时，雷达才能“看”到目标，预警时间只有15分钟，常常由于来不及准备而被动挨打。预警卫星可以把预警时间提到30分钟。海湾战争中，美国的爱国者导弹拦击伊拉克的飞毛腿导弹，预警卫星起了极大的作用。预警卫星运行在地球静止轨道，并由几颗卫星组成一个预警网。姬海湾战争中的侦察卫星海湾战争中，为多国部队服务的军事卫星至少有32颗，其中不少是侦察卫星。锁眼11侦察卫星是美国最新型的数字成像无线电传输卫星，它不用胶卷而是用电荷耦合器件摄像机拍摄地物场景图像，然后传送给地面。地面收看的效果犹如看电视片。它的地面分辨率为153米，它最早发现伊拉克军队向科威特推进的行动。还有一种更先进的锁眼12侦察卫星，它的地面分辨率高达01米，足可以清点沙漠中伊军的坦克、帐蓬和人员。这种卫星具有一种“斜视”功能，即当卫星不能直接飞越海湾地区上空时，也能通过改变其光学系统的指向来摄取旁边地域的图像。卫星上的红外设备还可以在夜间拍照。“长曲棍球”号侦察卫星是一种雷达成像型卫星。海湾地区地表沙漠多，最适合雷达全天候监视。雷达成像卫星与可见光照相侦察卫星不同，它不受光照条件限制，可以昼夜工作，不间断地提供地面目标图像。这些卫星传回了大量数据，在处理、分析这些情报的美国图像照片判读中心里堆积如山，使处理人员每天工作长达18小时以上。经过处理的信息输入美国海军空军的导弹制导系统中，其结果是伊拉克一个个精心伪装的战略重地大多进了多国部队的轰炸清单。姬姬激光新学科姬激光的出现带动了多学科的发展，如量子光学、量子电子学、激光光谱学、非线性光学、集成光学、海洋光学等等。这里我们只列举一些与日常生活相关的激光应用科学的发展。姬1激光光盘制作技术1877年世界上第一台留声机在爱迪生的手上诞生了它是声像技术发展的开端。人们并不满足于唱机，20世纪40年代初，德国研制出具有高频偏磁和良好机械传输性能的磁带录音机，开拓出记录声音的新渠道。到1955年，美国无线电公司宣布实验成功磁带彩色录像机，能把自己和大自然的形像记录下来，它揭开了声像技术史的新页，打开了现代声像技术发展的大门和通路。3年后，美国安皮克公司生产出商用彩色录像机。1970年，英国德卡公司研制出第一台黑白电视录像盘。两年后，荷兰菲利浦公司研制出用激光器拾音的彩色电视录像盘。这就是现代激光光盘的诞生激光光盘的诞生，激光在音响设备上的应用，是音响上的一次革命。人们利用激光，以“光针”代替钢针、宝石针，制成激光唱片。激光唱片不仅能够录音，而且能够录像。激光唱片用来记录、存储声音和图像，可以说，这是声像技术上的一次革命，一个伟大的创举。自从激光光盘出现以来，人们充分挖掘它的潜力，创造多种功能的激光唱机和唱片，1983年，美国和日本分别研制成崭新的数字录音唱片。这种唱片完全摆脱了传统唱片的制作和重播方式，为唱片开辟了一个全新的境界。这种数字唱片，在存储技术等方面都有重要的用途。激光光盘技术发展很快，各种功能、各种用途的新型唱机、唱片层出不穷。于是，激光光盘和电子计算机技术、声像技术联手，踏入文献存储和检索的领域。信息存储在光盘上，快速检索、查阅和打印出所需要的资料。现在光盘书籍已进入家庭生活。姬2逼真的照片现代的全息照相，伴随着激光技术而获得新生和发展，为我们提供了一种捕捉景物一切可见信息的途径，可以得到极其逼真的立体显示的全息照片。用全息照相方法所得到的照片，在适当的光照下，原来的景物就会再现在我们的面前。由于全息照片记录了景物光波的全部信息，所以再现出来的景象和原来的一模一样。全息照片再现出来的景象是如此逼真使人产生身临其境之感，以致想走过去仔细看看，想伸出手去摸一摸。全息照片是真正的立体照片。用全息照相方法所得到的照片，经得起“破坏性的打击”。全息照片的每一部分，不论有多大，都能再现出原来的整个景象，这就是说，可以将全息照片分成若干小块，每一小块都可以完整地再现出原来的景象。因此，如果全息照片被打破了，撕碎了，或者在某个案件中捕获到的是毁坏了的全息照片的残渣，总可以从一小块碎片重新复制出原样的照片来。姬3激光医学激光医学是激光技术的新领域，1960年世界上第一台红宝石激光器问世后，1961年即用于治疗视网膜脱落，1963年激光光刀用于肿瘤切割。70年代医用激光治疗机在临床各科得到广泛应用。1981年联合国卫生组织正式宣布激光医学为医学的一个新分支。激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。激光治疗最早用于眼科，对视网膜剥离眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中出血少，可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的“光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光技术为现代医学提供了一种“神力”，能够治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的100多种疾病。激光己成为有益于人类的幸福之光，生命之光。姬4光纤通信光导纤维传光是利用在光导纤维中传输光线在界面上发生全反射来实现的。这种透明细长纤维传光现象很早就为希腊玻璃工人所发现。1870年英国人廷德尔首先通过实验观察到光沿弯曲水柱传播的现象。1929年美国人哈塞尔制成石英纤维，但由于质量差，没能实际应用。50年代美国人卡帕尼和荷兰人冯西尔首先制成玻璃芯，解决了光学绝缘的难题。激光器的问世，纤维光学才真正得到飞速发展。1973年第一个光纤通信实验系统在美国贝尔实验室建成。光纤通信进入了实际应用。现在以光导纤维为传导介质的传感技术已在医学、物理学、化学、通信、纺织、航空航天、电气、汽车、自动化等几乎所有工程领域和基础实验科学领域得到广泛使用。可视电话也是靠大容量的光纤通信系统实现的。在通话时，不但彼此能看到对方的音容笑貌，还能相互展示手中的照片及其他东西。亲人遥隔千万里，就像相聚在一起一样。可视电话还可以用于电话会议、医疗会诊、指挥生产等。光纤通信在有线广播电视方面也大有可为。利用光缆构成电视网，能够传送几百几千套电视，使人们可以随意选择收看各种各样的电视节目，而且这种电视不受地形地物障碍的影响。此外，还可以迅速及时地传送电视报纸，可以进行电视教学。姬（5）艺术殿堂升光辉卡拉OK音乐厅、镭射舞厅有一位极其重要的“配角”激光，运用激光手段，增添信息，拓展时空，使丰富多采的节目更加令人回味无穷，可以说，艺术的成功，也与激光作为“配角”是分不开的，最常用的是能够产生红绿蓝3色的离子激光器。目前，已出现独具特色的光子乐器，它和电子乐器相比也毫不逊色。激光光纤吉他，光导纤维作为吉他的琴弦，通过光信号的变化，可以演奏出极其美妙的乐曲。激光竖琴，更是别具一格，琴弦是由一台氪激光器和两台氩激光器产生的一排绚丽多彩的竖直光束。琴师“拨奏”激光竖琴的“琴弦”有节律地遮断光束，启动琴中的光电传感器，于是便奏出令人叫绝的乐曲。光子在音乐领域里的贡献远不止这些，从发展来看，光子乐器虽然是后起之秀，却大有后来居上之势。激光不但是医生手中的手术刀，还是画家和雕刻家手中的光笔和雕刻刀。艺术家们利用激光束这得心应手的画笔和刻刀，在各种纸板、木板、石板、玻璃板和金属板上进行绘画和雕刻创作，可以借助于激光束的强度、聚焦和散焦的变化，创作出完美的独具风格和特色的作品来；还可以借助于计算机辅助设计技术，对所创作的作品进行修改。此外，激光还可以用来修复名画，使已经黯然的画面恢复其青春的光彩。姬（6）五谷丰登也靠它人类要生存，第一需要是粮食。播下什么种子，就会有什么收获。现在，在农作物品种改良和新品种培育方面，人们利用激光处理种子，收到了明显的增产效果。人们通过对激光育种的生物学研究，发现在特定激光辐照作用下，产生光物理、光化学和光生物学效应，就会出现“染色体”变异，于是导致遗传性状的改变，而产生出新的品种。人们还用激光适当地照射蚕豆、玉米、萝卜、黄瓜和西红柿的种子，加速种子发芽，提高种子出芽率，促进农作物生长，使农作物早熟、抗病、增产。人们利用不同波长、不同剂量的激光进行试验，深入研究绿色植物光合作用的基本机理，深入研究从发芽直到成熟结籽的基本过程。人们采取适当波长和适当剂量的激光照射正在生长的农作物，促进农作物的光合作用，从而提高农作物的产量和品质。例如，用激光照射黄瓜秧和西红柿秧，秧子上的花数和果数都有增加，产量得到提高，果实里的糖分和维生素含量增加，品质显著改善。人们还利用激光研究农作物病虫害的防治。激光成为人们捕杀害虫和消灭病虫害的得力助手。人们利用激光向杂草开刀，除掉杂草，为禾苗出气，为禾苗助长。采用激光灭虫除草方法，比采取化学灭虫除草优越，避免了化学药物对大气、水源和土地的污染，而且不污染粮食、蔬菜和水果。激光是一种高效而清洁的灭虫除草方法。激光在农副产品的储藏和保鲜方面，在对农作物收获进行预报和估产及其他方面，都有用武之地。激光在实现科学种田和农业现代化方面，将发挥越来越大的作用。姬（7）激光在环境方面的应用LASER利用激光绘制灾害图。激光测距仪向目标发射一束对人眼安全的激光束，以测量目标的距离和方位角。照到目标后再返回激光器，附在激光器上的计算机随即进行必要的运算。若将该激光测距仪跟一台全球定位系统相联，卫星接收器就会随时告诉操作人员所在的位置。系统操作人员可将激光器瞄准风暴灾害处，激光器将距离和范围内的信息送到全球定位系统，绘出灾害图，然后可迅速派遣有关人员前往救灾。另一套运行系统同记录计算机相连，操作人员能飞到邻域上空，将激光器对淮受灾地面建筑物，迅速绘出地图，可估计受损财产的价值。激光检测大气含量，采用柏林自由大学的激光雷达对城市烟雾或酸雨进行了三维监视，已经测量出氧化亚氮、二氧化氮、二氧化硫，以及臭氧含量的两维和三维图。已经成功地绘出行星边界层海拔4KM上下的水蒸气轮廓图，满足了气象应用的需要。姬姬神奇的量子信息技术姬量子特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储的数达2250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多用量子搜寻算法攻击现有密码体系，经典计算需要1000年的运算量，量子计算机只需小于4分钟的时间量子密钥体系采用量子态作为信息载体，其安全性由量子力学原理所保证基于量子隐形传态过程，可以实现多端分布运算，构成量子因特网薛定谔“猫”佯谬姬量子力学的诞生深刻地改变了人类社会在20世纪推动了社会发展的核能、激光、半导体等高科技，都是源于量子力学。然后，自然界是否确实按照量子理论的规律运行以爱因斯坦为代表的一方始终认定量子力学不是完备的理论，“上帝是不会玩骰子的”，而以哥本哈根学派领袖玻尔为代表的另一方则坚信量子理论的正确性。姬量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入波函数（量子态）来描述量子客体的状态，著名物理学家费曼曾指出量子力学的精妙之处在于引入几率幅（即量子态）的概念。事实上，量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态，而关于量子理论的长期激烈争论的焦点也在这个量子态。在近百年的学术争论中，影响最大的就是薛定谔（1935年）提出的所谓“薛定谔猫”佯谬和爱因斯坦等人（1935年）提出的EPR佯谬。姬薛定谔设想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在每一秒时间内以12几率放射出一个粒子。换句话说，按照量子力学的叠加性原理，一秒钟后体系处于无粒子态和一个粒子态的等几率幅叠加态。一旦粒子发射出来，它将通过一个巧妙的传动机构将毒药瓶打开，毒气释放后会导致盒子里面的一只猫立刻死亡。当然，如果无粒子的发射，这一切均不会发生，猫仍然活着。现在要问一秒钟后盒子里的猫是死还是活既然放射性粒子是处于零和1的叠加态，那么这只猫理应处于死猫和活猫的叠加态。这只似死似活、半死半活的猫就是著名的“薛定谔猫”。姬在这个假想实验中，抛掉“猫”这个形象表征之外，薛定谔想要阐述的物理问题是微观世界遵从量子叠加原理，那么，如果自然界确实按照量子力学运行的话，宏观世界也应遵从量子叠加原理。薛定谔的实验装置巧妙地把微观放射源与宏观的猫联接起来，最终诞生出这只可笑的薛定谔猫，结论似乎否定了宏观世界存在有可以区分的量子态的叠加态。然而，随着量子光学的发展，人们研制各种制备宏观量子叠加态的方案，1997年科学家终于在离子阱中观察到这种“薛定谔猫”态。薛定谔的问题还可以进一步扩展为宏观世界中是否存在有量子效应事实上，大量实验事实都肯定地回答了这个问题。最近几年引起广泛兴趣的玻色爱因斯坦凝聚的实验研究进展更有力证实了宏观量子效应。“EPR佯谬”在近60多年的量子力学的发展中起着重要的推动作用，它是爱因斯坦用来与玻尔做最重要一次争论的假想实验，这个实验所预示的结果完全遵从量子力学原理，但却令人难以接受。设想有一对总自旋为零的粒子（称为EPR对），两个粒子随后在空间上分开，假定粒子A在地球上，而粒子B在月球上。量子力学预言，若单独测量A（或B）的自旋，则自旋可能向上，也可能向下，各自概率为12。但若地球上已测得粒子A的自旋向上，那么，月球上的粒子B不管测量与否，必然会处在自旋向下的本征态上。爱因斯坦认定真实世界绝非如此，月球上的粒子B决不会受到地球上对A测量的任何影响。因此，毛病来自量子力学理论的不完备性，即不足以正确地描述真实的世界。玻尔则持完全相反的看法，他认为粒子A和B之间存在着量子关联，不管它们在空间上分得多开，对其中一个粒子实行局域操作（如上述的测量），必然会立刻导致另一个粒子状态的改变，这是量子力学的非局域性。姬这场争论的本质在于真实世界是遵从爱因斯坦的局域实在论，还是玻尔的非局域性理论。长期以来，这个争论停留在哲学上，难以判断“孰是孰非”，直到BELL基于爱因斯坦的隐参数理论而推导出著名的BELL不等式，人们才有可能在实验上寻找判定这场争论的依据。法国学者首先在实验上证实了BELL不等式可以被违背，支持了玻尔的看法。之后，随着量子光学的发展，有更多的实验支持了这个结论。1997年瑞士学者更直截了当地在10公里光纤中测量到作为EPR对的两个光子之间的量子关联。因此，现在我们可得出结论量子力学是正确的（起码迄今完全与实验事实相自洽）；非局域性是量子力学的基本性质。现在这种由爱因斯坦等人在其佯谬中首先揭示的量子关联效应常被称为EPR效应，它是非局域性的体现。姬事实上，按照量子力学理论，EPR粒子对处在所谓的纠缠态上，这个量子态最大地违背BELL不等式，有着奇特的性质我们无法单独地确定某个粒子处在什么量子态上，这个态给出的唯一信息是两个粒子之间的关联这类整体的特性，现在实验上已成功地制备这类纠缠态。自发参量下转换的非线性光学过程所产生的孪生光子对就是在频域、方向、偏振上形成纠缠的EPR对，采用腔量子电动力学方法也已制备出原子纠缠态。姬量子信息技术姬量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是便诞生了一门新的学科分支量子信息科学。它是量子力学与信息科学相结合的产物，包括量子密码、量子通信、量子计算和量子测量等，近年来，在理论和实验上已经取得了重要突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。人们越来越坚信，量子信息科学为信息科学的发展开创了新的原理和方法，将在21世纪发挥出巨大潜力。姬现有的经典信息以比特作为信息单元，从物理角度讲，比特是个两态系统，它可以制备为两个可识别状态中的一个，如是或非，真或假，0或1。在数字计算机中电容器平板之间的电压可表示信息比特，有电荷代表1,无电荷代表0。一个比特的信息还可以用两个不同的光偏振或原子的两个不同能级来编码。姬量子信息的单元称为量子比特（QUBIT），它是两个逻辑态的叠加态。姬经典比特可以看成量子比特的特例。用量子态来表示信息是量子信息的出发点，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演变遵从薛定谔方程，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理（计算）是量子态的幺正变换，信息提取便是对量子系统实行量子测量。姬在实验中任何两态的量子系统都可以用来制备成量子比特，常见的有光子的正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式等。信息一旦量子化，量子力学的特性便成为量子信息的物理基础，其主要的有（1）量子态的叠加性量子信息可以同时输入或操作N个量子比特的叠加态；（2）量子相干性量子干涉现象成为量子信息诸多特性的重要物理基础；（3）量子纠缠性N（大于1）的量子比特可以处于量子纠缠态，对其中某个子系统的局域操作会影响到其余子系统的状态；（4）量子不可克隆定理量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制，这个定理和不确定性原理构成量子密码术的物理基础。姬量子计算姬量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2N个可能数据当中的任一个，若它是量子存储器，则它可以同时存储2N个数，而且随着N的增加，其存储信息的能力将指数上升，例如，一个250量子比特的存储器（由250个原子构成）可能存储的数达2250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。姬由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2N次操作，或者采用2N个不同处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。姬为开拓出量子计算机巨大的并行处理能力，必须寻找适用于这种量子计算的有效算法。SHOR于1994年发现第一个量子算法，它可以有效地用来进行大数因子分解。大数因子分解是现在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥体系RSA安全性的依据。采用现有计算机对数N（二进制长度为LOGN）做因子分解，其运算步骤（时间）随输入长度（LOGN）指数增长。迄今在实验上被分解的最大数为129位，1994年在世界范围内同时使用1600个工作站花了8个月时间才成功地完成了这个分解。若用同样计算功能来分解250位的数则要用80万年，而对于1000位的数，则要有1025年。姬与此相反，量子计算机采用SHOR算法可以在几分之一秒内实现1000位数的因子分解，而且操作时间仅随输入数的3次方增长。可见SHOR量子算法将这类“难解”问题变成“易解”问题。在量子计算机面前，现有公开密钥RSA体系将无密可保姬SHOR的开创性工作有力地刺激了量子计算机和量子密码术的发展，成为量子信息科学发展的重要里程碑之一。姬1997年GROVER发现了另一种很有用的量子算法，即所谓的量子搜寻算法，它适用于解决如下问题从N个未分类的客体中寻找出某个特定的客体。经典算法只能是一个接一个地搜寻，直到找到所要的客体为止，这种算法平均地讲要寻找N2次，成功几率为12,而采用GROVER的量子算法则只需要NKK次。例如，要从有着100万个号码的电话本中找出某个指定号码，该电话本是以姓名为顺序编排的。经典方法是一个个找，平均要找50万次，才能以12几率找到所要电话号码。GROVER的量子算法是每查询一次可以同时检查所有100万个号码。由于100万量子比特处于叠加态，量子干涉的效应会使前次的结果影响到下一次的量子操作，这种干涉生成的操作运算重复1000（即N）次后，获得正确答案的几率为12。但若再多重复操作几次，那么找到所需电话号码的几率接近于1。姬GROVER算法的用途很广，可以寻找最大值、最小值、平均值等，也可以用于下棋。最有趣的是可有效地攻击密码体系，如DES体系，这个问题的实质是从25671016个可能的密钥中寻找一个正确的密钥。若以每秒100万密钥的运算速率操作，经典计算需要1000年，而采用GROVER算法的量子计算机则只需小于4分钟的时间。难怪GROVER以“量子力学可以帮助在稻草堆中寻找一根针”这样的题目在PRL上公布他的算法。姬FEYNMAN最先（1981年）指出，采用经典计算机不可能以有效方式来模拟量子系统的演化。我们知道，经典计算机与量子系统遵从不同的物理规律，用于描述量子态演化所需要的经典信息量，远远大于用来以同样精度描述相应的经典系统所需的经典信息量。量子计算则可以精确而方便地实现这种模拟。采用少数量子比特的量子计算机可以进行有效的量子模拟，事实上人们已采用这种方法在简单情况下预言了量子体系的行为。姬一般地说，量子模拟可以按下列步骤来完成根据所研究的量子体系的哈密顿量，设计出能够实现相应的幺正变换的量子网络；将N量子比特按照要求制备为特定初态；操作计算机进行模拟运算。计算机的终态就是所需的量子态。因此，一旦人们有了量子模拟计算机，就无需求解薛定谔方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值运算，便可精确地研究量子体系的特性。姬有许多量子体系可以用这种方法来研究。例如高温高密度等离子体；采用格点规范理论描述的体系，如量子色动力学；晶体固态模型，包括诸如HUBBARD模型的固体费米系统，其量子对称性使得它们难以采用蒙特卡罗技术来模拟；固体模型，包括诸如高温超导体的长程关联；分子行为的量子模型等等。姬然而，量子计算的实现在技术上遇到严重的挑战。实现量子计算必须解决三个方面的问题一是量子算法，它是提高运算速度的关键，目前已研究成功SHOR量子并行算法、GROVER量子搜寻算法等；二是量子编码，它是克服消相干的有效办法，目前已有量子纠错、量子避错和量子防错三种不同原理；三是实现量子计算的物理体系（即多个量子比特的量子逻辑网络），目前在腔QED、离子阱、核磁共振、量子点等系统已实现少数量子比特，但距实现有效量子计算的需求相差甚远。各国科学家正从不同途径来探索实现可扩展的量子逻辑网络的方法，虽然不断取得进展，在自然、科学上每年都有许多重要进展发表，但仍未根本上突破。这个领域仍处于基础性的探索阶段。姬量子密码姬现代保密通信原理是这样的假定甲和乙要进行保密通信。甲采用密钥K（随机数）将她要发送给乙的明文通过某种加密规则变换成密文，然后经由公开的经典信息通道传送给乙，乙采用密钥K通过适当的解密规则将密文变换成为明文。这个过程如果能够有效地防止任何非法用户的窃听，那就是安全的保密通信。姬按照密钥K和K是否相同，密钥系统可分为对称密码（KK）和非对称密码（KK）。数学上业已证明存在有不可破译的对称密钥，即VERNAM密码或一次性便笺式密码，它要求密钥应与明文一样长，而且仅能使用一次。这种体系需要用户双方拥有庞大的相同密码（随机数），因此密钥的传送、保管等都极不安全，不宜广泛使用。目前广泛用于网络、金融行业的是非对称密码，它是一种公开密钥，加密和解密法则、加密的密钥K均是公开的，只是解密的密钥K不公开，只有接收者BOB本人知道。这种密钥的安全性基于大数因子分解这样一类不易计算的单向性函数。数学上虽没能严格证明这种密钥不可破译，但现在经典计算机几乎无法完成这种计算。姬SHOR量子算法证明，采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公开密钥体系。这就对现有保密通信提出了严峻挑战。解决这个问题的有效途径是量子密码术。量子密钥体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥（经典随机数）。姬量子密码的安全性由量子力学原理所保证。窃听者的基本策略有两类一是通过对携带着经典信息的量子态进行测量，从其测量的结果来获取所需的信息。但是量子力学的基本原理告诉我们，对量子态的测量会干扰量子态本身，因此，这种窃听方式必然会留下痕迹而被合法用户所发现。二是避开直接量子测量而采量子复制机来复制传送信息的量子态，窃听者将原量子态传送给乙，而留下复制的量子态进行测量以窃取信息，这样就不会留下任何会被发现的痕迹。但是量子不可克隆定理确保窃听者不会成功，任何物理上可行的量子复制机都不可能克隆出与输入量子态完全一样的量子态来。姬目前美、英、瑞士等国正致力于这方面的研究并在实验上取得重要进展，已经在光纤上实现67公里的密钥传送，在自由空间中实现10公里的密钥传送。西方国家的目标是在近5年之内实现量子密码实用化。目前在技术上遇到的主要困难是如何增加量子密钥传输距离。有待突破的重要关键技术一是红外（13微米、15微米）单光子探测器。这是因为光纤量子密钥传输是采用单个光子来实现的，光纤损耗阻碍着传输距离的提高，13微米和15微米是现在所使用的光纤损耗最小的波长，现有成熟的单光子探测器工作波长在可见光，理论上光子在光纤中传输的极限距离约为20公里。因此实用的红外单光子计数器成为关键性问题，二是单光子光源，现在量子密码研究中所使用的单光子光源是将相干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0102个光子，这是一种近似的单光子源，其效率低，既影响量子密钥的传输距离，又影响其安全性，因为这种光源有可能在一个脉冲中同时出现两个光子。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的另一个关键性问题。美国、日本、西欧正在大力开展这些关键技术的研究，最近在自然、科学上也报导了一些重要进展，但仍未获得根本上的突破。姬量子通信姬在科幻电影或神话小说中，常常有这样的场面某人突然在某地消失掉，其后却在别的地方莫明其妙地显现出来。从物理学角度，人们可以这样地想象隐形传送的过程先提取原物的所有信息，然后将这个信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如原子），制造出原物完美的复制品。遗憾的是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形传物只不过是种幻想而已。姬1993年BENNET等在PRL上发表一篇开创性的论文，提出量子隐形传态的方案将某个粒子的未知量子态（即未知量子比特）传送到另一个地方，把另一个粒子制备到这个量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是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之后，就可制造出原物量子态的完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子（甚至可以是与原物不相同的粒子）处于原物的量子态上。原物的量子态在此过程中已遭破坏。姬量子隐形传态的原理是这样的假设甲手头有一个粒子A处于未知量子态，她希望将这个量子态（即一个量子比特的量子信息）送给远处的乙，但不传送作为信息载体的粒子A本身。甲和乙事先需要共享EPR粒子对B和C（即纠缠粒子），由于EPR粒子对具有量子关联特性，若对其中一个粒子进行局域操作（包括测量），另一个粒子的量子态立即发生相应的变化，因此EPR粒子对构成甲和乙之间的一条量子通道。甲对她手头上的纠缠粒子B和量子信息载体A实施一种所谓的BELL态测量，这个测量可能输出4种结果，每种测量结果的几率为14,但一次测量只能给出其中一个结果。甲测量到其中一个BELL态后，获得2比特的经典信息，当然这个信息完全无法用来确定未知的量子比特，甲将测量结果（即获得那一个BELL态）经由经典通道传递给乙，乙手头的纠缠粒子C会因甲的测量坍缩到相应的量子态上，于是乙在获知甲的测量结果之后，对粒子C做相应的操作，便可以使粒子C处在与粒子A原先未知量子态完全相同的量子态上，这就完成了粒子A的未知量子态的量子隐形传送，此时量子信息的载体是粒子C，在这过程中甲和乙都不知道他们所传送的量子比特是什么。姬这种量子信息的隐形传送是否是超光速的传输由于在此过程中经典通信是必不可少的，单靠量子通道无法实现这种隐形传态，因此，此过程不会违背光速最大原理。这个过程是否违背量子不可克隆定理没有，事实上，在甲施行量子测量时，粒子A的量子态必定被破坏而变成另一状态，因此，这个过程可以看作是未知量子比特在甲处消失掉，而在乙处重新出现，这不是量子克隆的过程，而是量子信息的传输过程。姬1997年年底奥地利研究组首先在实验上演示成功这种量子隐形传态，论文发表在自然上，引起国际学术界的极大兴趣。在这之后，有若干研究组相继在实验上实现了这种量子隐形传态。姬量子隐形传态所传送的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提出实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器，它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于现在经典因特网，量子因特网具有安全保密特性，可实现多端的分布计算，有效地降低通信复杂度等一系列优点。目前学术界正在致力于研究量子通信网络的关键技术，如高亮度纠缠源、纠缠操作和纯化、量子中继和量子处理器等，并不断地取得重要的进展。相信在不久的将来，一种新颖的通信方式将会展现在人们的面前，发挥出奇特的作用。姬姬姬科技新领域需要纳米技术姬目前很多专家认为，下列各个领域将因纳米技术而得益姬1、电子和通讯用纳米薄层和纳米记录点的全媒体存储器；平板显示器；全频道通讯工程和计算机用的器件。美国军方提出的初期指标是在室温下，比现有的器件运算速度大10100倍，信息存储密度大5100倍，能耗小50倍。将来则要求存储密度和运算密度都要比现在大36个数量级，且廉价而节能。姬2、纳米医疗新的纳米结构药物；可到达身体指定部位的药物传送系统；有生物相容性的器官和血液代用品；家用早期病情自诊断系统；骨头和组织的自生长材料。姬3、化学和材料提高化工厂燃烧效率，减少汽车污染的催化剂；超硬但不脆裂的钻头及切削工具；用于真空封接和润滑的智能磁性液体；化学生物载体的探测器和解毒剂。姬4、能源新型电池；使用人工光合作用的清洁能源；量子阱式太阳能电池；氢燃料的安全存储。姬5、制造工业基于新型显微镜和测量仪器的微细加工；新的操纵原子的工具和方法；渗有纳米粒子的块状材料；使用纳米粒子的化学机械磨削。姬6、飞机和汽车由纳米粒子加强的轻质材料；由纳米粒子加强的轮胎耐磨且可直接再生；无须洗涤的外壳油漆；廉价的不燃塑料；有自修补功能的涂层和纤维。姬7、航天轻型航天器；经济的能量发生器和控制器；微型机器人。姬8、环境保护工业废物处理；廉价的海水除盐膜；由原子或分子做起的无切削、无化学处理的工艺，可减少材料消耗和环境污染。姬目前很多专家认为，下列各个领域将因纳米技术而得益姬1、电子和通讯用纳米薄层和纳米记录点的全媒体存储器；平板显示器；全频道通讯工程和计算机用的器件。美国军方提出的初期指标是在室温下，比现有的器件运算速度大10100倍，信息存储密度大5100倍，能耗小50倍。将来则要求存储密度和运算密度都要比现在大36个数量级，且廉价而节能。姬2、纳米医疗新的纳米结构药物；可到达身体指定部位的药物传送系统；有生物相容性的器官和血液代用品；家用早期病情自诊断系统；骨头和组织的自生长材料。姬3、化学和材料提高化工厂燃烧效率，减少汽车污染的催化剂；超硬但不脆裂的钻头及切削工具；用于真空封接和润滑的智能磁性液体；化学生物载体的探测器和解毒剂。姬4、能源新型电池；使用人工光合作用的清洁能源；量子阱式太阳能电池；氢燃料的安全存储。姬5、制造工业基于新型显微镜和测量仪器的微细加工；新的操纵原子的工具和方法；渗有纳米粒子的块状材料；使用纳米粒子的化学机械磨削。姬6、飞机和汽车由纳米粒子加强的轻质材料；由纳米粒子加强的轮胎耐磨且可直接再生；无须洗涤的外壳油漆；廉价的不燃塑料；有自修补功能的涂层和纤维。姬7、航天轻型航天器；经济的能量发生器和控制器；微型机器人。姬8、环境保护工业废物处理；廉价的海水除盐膜；由原子或分子做起的无切削、无化学处理的工艺，可减少材料消耗和环境污染。姬姬神奇的激光姬1什么是激光姬“激光”一词在英文里是“LASER”，是“LIGHTAMPLIFICATIONBYSTIMUIATADEMISSIONOFRADIATION”的缩写，意为“受激发射的辐射光放大”。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。姬激光，是一种崭新的光源，是由激光器产生的一种光。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。那么，激光到底是什么呢还是让我们来对此认识一番吧激光虽带有“光”字，然而，它却和普通的光截然不同。那么，激光和普通光到底有什么不同呢姬第一，激光是一种颜色最单纯的光。太阳光和电灯光看起来似乎是白色的，但当让它通过一块三棱镜的时候，就可以看到红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色的光，其实，还含有我们看不见的红外光和紫外光。激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高。姬第二，激光的方向性好。在发射方向的空间内光能量高度集中，所以激光的亮度比普通光的亮度高千万倍，甚至亿万倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，成为无坚不摧的强大光束。平时，我们见到的灯光，都是向四面八方发光，就好像电影院散场后，大家前前后后地向着四面八方以不同步伐走出来。打开室内的电灯，整个房间都照亮了。又如，打开手电筒，在发出的部位，直径不过35厘米，待射到几米之外后，就扩展成一个很大的光圈。这说明，光在传播中发散了。然而，激光却不同，它是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为。激光在传播中始终像一条笔直的细线，发散的角度极小，一束激光射到38万千米外的月球上，光圈的直径充其量只有2千米左右。就好比电影院散场后，大家排着队朝着一个方向，迈着相同大小的步伐，随着“一、二、一”的口令，整整齐齐地前进。姬第三，激光亮度最高。太阳是人类共有的自然光源，整个世界沐浴在明亮的阳光之下。太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。激光的出现，更是光源亮度上的一次惊人的飞跃。一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。从地球照到月亮上在反射回来也不成问题。可见激光是当今世界上高亮度的光源。第四，激光还可以具有很大的能量，用它可以容易地在钢板上打洞或切割。在工业生产中，利用激光高亮度特点已成功地进行了激光打孔、切割和焊接。在医学上、利用激光的高能量可使剥离视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，激光能量提高，可以制成摧毁敌机和导弹的光武器。姬2激光器姬激光是在1960年正式问世的。但是，激光的历史却已有100多年。确切地说，远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。1960年，美国人梅曼THMAIMAN发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。姬激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等五种类型姬（1）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。姬（2）半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。姬（3）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。姬（4）以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料，大约在500种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为“液体激光器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。姬（5）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。姬（6）X射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用X射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能用X射线激光拍摄分子结构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。姬（7）化学激光器有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。姬（8）自由电子激光器这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。姬世界第一台自由电子激光器于1977年问世，中国第一台自由电子激光器于1985年问世。自由电子激光器的能量是由外场加速后的自由电子的动能转换而成的。其输出功率可达很高水平，在加工、反导、雷达、通信、光化学等方面都有很大的用途，所以它一问世就受到各国科技界的重视。美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研制出当时世界上最小的固体激光器它在扫描电子显微镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有2至10微米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型半导体激光器。1990年美国研制成功畸变量子阱激光器，开关速度达280亿次/秒，这是激光器有史以来达到的最高速度。姬1992年日本推出一种高输出半导体激光器，特点是服务寿命长，在室温下可连续工作5000小时。姬3激光技术诱人的前景姬1创造一个新太阳做饭、取暖要烧煤，汽车、飞机要用油，照明、家电设备和开动机器都需要电、煤、石油、天然气等矿物燃料及各种发电手段，热电、水电、核电是人类生存和社会进步不可缺少的能源。原子能是最富魅力的新能源。原子能的利用，可以分为两类一类是利用中子轰击铀原子核，使铀核分裂成为两块，释放出裂变能；另一类是使氢的两种同位素氘和氚核聚合在一起，释放出聚变能。核聚变反应释放出的能量要比核裂变反应释放出的能量大得多。核裂变反应可以用于制造原子弹，也可以用于建造核电站。核聚变并不陌生氢弹爆炸就是一种核聚变反应。但是，氢弹爆炸的巨大能量是在一瞬间释放出来的。氢弹爆炸式的核聚变反应，简直就是无羁的“核野马”，一发而不可收拾。这种核聚变产生的能量是人力无法控制、无法应用的。那么，怎样才能使“核野马”驯服，使它在人的控制下老老实实地工作呢科学家们的目标是实现受控核聚变。用什么来“点火”怎样才能满足受控热核聚变的条件呢人们想到了强磁场、电子束、离子束等种种办法，但最有希望的要数高功率激光了。高功率激光技术是实现激光受控核聚变的关键，各国科学家都在这方面倾注全力攻坚。受控核聚变一旦实现将首先用于建造新型的聚变类型的核电站。激光受控核聚变将是人类的既安全又清洁、取不尽用不完的新能源。它的实现，等于人类创造出一个新太阳2迎接光子时代的到来自从世界上第一台激光器问世至今，激光已涉足于许多科学学科和技术领域，并分化出不少重要的分支学科和交叉学科，激光技术、纤维光学和集成光学，也打开了光计算机