量子密码学理论基础[教育类别]

1、1 培训类 19世纪末20世纪初，物理学处于新旧交替的时期。生产 的发展和技术的提高，导致了物理实验上一系列重大发 现，使当时的经典物理理论大厦越发牢固，欣欣向荣， 而唯一不协调的只是物理学天空上小小的两朵乌云。 但是正是这两朵乌云却揭开了物理学革命的序幕：一朵 乌云下降生了量子论，紧接着从另一朵乌云下降生了相 对论。量子论和相对论的诞生，使整个物理学面貌为之 一新。 2 培训类 量子论是现代物理学的两大基 石之一。量子论给我们提供了 新的关于自然界的表述方法和 思考方法。量子论揭示了微观 物质世界的基本规律，为原子 物理学、固体物理学、核物理 学和粒子物理学奠定了理论基 础。它能很好地解释原

2、子结构、 原子光谱的规律性、化学元素 的性质、光的吸收与辐射等。 3 培训类 20世纪初,新的实验事实不断发现,经典物理学在解 释一些现象时出现了困难,其中表现最为明显和突出 的是以下三个问题: 黑体辐射问题; 光电效应问题; 原子稳定性和原子光谱. 4 培训类 什么是黑体？在任何条件下，对任何波长的外来辐 射完全吸收而无任何反射的物体，即吸收比为1的 物体。 1900年,才华横溢而又保守谨慎的德国物理学家普 朗克(MaxPlanck,1858-1947)为解决黑体辐射问题, 大胆地提出了一个革命性的思想:电磁振荡只能以 量子的形式发生,量子的能量E和频率 u之间有一 确定的关系:E=h u

3、h为一自然的基本常数. 普朗克假定:黑体以h u为能量单位不连续地发射和 吸收频率为u的辐射,而不是象经典理论所要求的那 样可以连续地发射和吸收能量。 5 培训类 如果一个物体能全部吸收投射在如果一个物体能全部吸收投射在 它上面的辐射而无反射，这种物它上面的辐射而无反射，这种物 体称为绝对黑体，简称黑体。体称为绝对黑体，简称黑体。 0 1 2 3 4 5 60 1 2 3 4 5 6 (m)(m) 1700K K 1500K K 1300K K 1100K K )(TM B 黑体：吸收和辐射都最大黑体：吸收和辐射都最大 黑洞：只吸收不辐射，黑洞：只吸收不辐射， 电磁波为黑洞所束缚，电磁波为黑洞

4、所束缚， 无法逃逸出来。无法逃逸出来。 6 培训类 普朗克的新思想是与经典理论相违背的, 它冲破了经典物理传统观念对人们的长 期束缚,这就为人们建立新的概念,探索 新的理论开拓了一条新路.在这个假设 的启发下,许多微观现象得到了正确的 解释,并在此基础上建立起一个比较完 整的,并成为近代物理学重要支柱之一 的量子理论体系。 7 培训类 实验值实验值 )T(M B 维恩维恩 瑞利瑞利-金斯金斯 紫紫 外外 灾灾 难难 0 123 456789)m( T C B eC)T(M 2 5 1 TC)T(M B 4 3 8 培训类 h h普朗克常数普朗克常数sJh 34 1063. 6 由此普朗克得到了

5、由此普朗克得到了黑体辐射公式黑体辐射公式，成功的解释了黑体辐射，成功的解释了黑体辐射 1 1 2 52 kT hc B e hc)T(M c c 光速光速 k k 玻尔兹曼恒量玻尔兹曼恒量 (1)(1)黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，电磁波， 并和周围的电磁场交换能量。并和周围的电磁场交换能量。 (2) (2) 这些谐振子能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些谐振子能量不能连续变化，只能取一些分立值， 是最小能量是最小能量 的整数倍的整数倍, ,这个最小能量称为能量子。这个最小能量称为能量子。 h 9 培训类 光子以光子以 频率频率v v入

6、射入射 光电效应 爱因斯坦方程 的实验规律 光电效应 光照射到金属表 面时，有电子从金属表面逸 出的现象。 光电子 逸出的电子。 光电子由K飞向A，回路中形 成光电流。 OO OO OO OO A K G V R 10 培训类 爱因斯坦爱因斯坦 光电效应光电效应 方程方程 Amvh m 2 2 1 光是以光速光是以光速 c c 运动的微粒流，称为光量子（光子）运动的微粒流，称为光量子（光子） 光子的能量光子的能量：金属中的自由电子吸收一个光子能量金属中的自由电子吸收一个光子能量h h 以后，以后， 一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功A A ，一部分

7、，一部分 转化为光电子的动能。转化为光电子的动能。 11 培训类 微观粒子的空间位置要由概率波来描述，概率波只能给出微观粒子的空间位置要由概率波来描述，概率波只能给出 粒子在各处出现的概率。任意时刻不具有确定的位置和确粒子在各处出现的概率。任意时刻不具有确定的位置和确 定的动量。定的动量。 电子束电子束 x x 缝缝 a 2 X X方向电子的位置不准确量为：方向电子的位置不准确量为： ax 12 培训类 sinxksin x pp X X方向的分动量方向的分动量p px x的测不准量为：的测不准量为： kpx h p x pxkp x p y p p 电子束电子束 x x 缝缝 a 2 ax

8、x pxkhh 相关公式：dsin= n 其中d为为两狭缝之间 的间距,为衍射角度， n为光栅级数，为波 长。 13 培训类 经严格证明此式应为：经严格证明此式应为： hxpx 2 xpx 这就是著名的海森伯测不准关系式这就是著名的海森伯测不准关系式 2 yp y 2 zpz 2 h 普朗克常数称为约化普朗克常数或 14 培训类 什么是薛定谔的猫?处于所谓“叠加态”的微观粒子之状态是不确 定的，例如：电子可以几乎同时位于几个不同的地点，直到被观察测量 （观测）时，才在某处出现。这种事如果发生在宏观世界的日常生活中， 就好比：我在家中何处是不确定的，你看我一眼，我就突然现身于某处 客厅、餐厅、厨

9、房、书房或卧室都有可能，而在你看我之前，我像云雾 般隐身在家中，穿墙透壁到处游荡。薛定谔的猫”佯谬巧妙地把微观放射 源和宏观的猫联系起来，旨在否定宏观世界存在量子叠加态。是薛定谔试 图证明量子力学在宏观条件下的不完备性而提出的一个思想实验. 15 培训类 把一只猫放进一个不透明的盒子里，然后把这个盒子连接 到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装 置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。 如果发生衰变，它将会发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会 触发这个实验装置，打开装有毒气的容器，从而杀死这只猫。根据 量子力学，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加 态，但是，如果在一个小时后把盒子打开，实验者只能看到“衰变 的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。 这个理想实验的巧妙之处，在于通过“检测器原子毒 药瓶”这条因果链，