物理前沿专题讲座

1、物理前沿专题物理前沿专题讲座讲座量子物理金亮金亮2016.7.1十七世纪末，牛顿自然哲学之数学原理出版，创立的经典物理学。二十世纪初，相对论和量子论的建立，彻底挑战颠覆了经典物理学，是近代物理学的核心。物理学的发展物理学的发展第一次科学革命的集大成之作，它在物理学、数学、天文学物理学、数学、天文学和和哲哲学学等领域产生了巨大影响。自然哲学的数学原理提出了经典力学的三个基本定律和万有引力定律量子概念的提出量子概念的提出1900年，普朗克在研究黑体辐射时提出能量量子化假说，揭开20世纪物理学革命的序幕；1905年，爱因斯坦用光量子假说解释光电效应；1913年，波尔创造性的将量子概念应用于卢瑟福的原

2、子模型，建立半经典，半量子的氢原子理论，说明了氢原子光谱的规律；1923年，德布罗意提出物质波假说；1926年，薛定谔提出薛定谔方程，建立量子力学。量子力学的建立量子力学的建立1927年第五次索尔维会议年第五次索尔维会议量子理论相对论DNA结构二十世纪三大科学发现二十世纪三大科学发现诺贝尔奖诺贝尔奖薛定谔、狄拉克(1933)海森堡(1932)德布罗意(1929)普朗克(1918)爱因斯坦(1921)玻尔(1922)电子的波动性原子结构和辐射光电效应发现量子创立量子力学量子力学的基本方程薛定谔、狄拉克方程双缝干涉实验双缝干涉实验波动性粒子性叠加原理“Goddoesntplaydice!”上帝不掷

3、骰子！巨大争议巨大争议薛定谔猫态薛定谔猫态1935年，奥地利物理学家薛定谔提出著名的“薛定谔猫”佯谬。美国科学家实现了6个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态猫态:可分辨宏观量子态AliveDead+ 量子退相干量子退相干拉比震荡-11-11退相干宏观量子现象宏观量子现象 超导超流BEC玻色子是自旋为整数的粒子，其本征波函数对称，在玻色子的某一个能级上，可以容纳无限个粒子。因而符合玻色-爱因斯坦统计分布的粒子，不满足泡利不相容原理。费米子为自旋为半整数的粒子，其本征波函数反对称，在费米子的某一个能级上，最多只能容纳一个粒子。因而符合费米-狄拉克统计分布的粒子，满足泡利不相容原理。玻

4、色子玻色子-费米子费米子基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料（如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子）；而传递作用力的粒子（光子、介子、胶子、W和Z玻色子）都是玻色子。玻色子具有整体特性，在低温时集聚到能量最低的同一量子态(基态)；费米子具有互相排斥的特性，它们不能占据同一量子态，因此其它的费米子就得占据能量较高的量子态，原子中的电子就是典型的费米子。1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态玻色爱因斯坦冷凝态，即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时，所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。1995年

5、，麻省理工学院的沃夫冈凯特利与科罗拉多大学波尔德分校（UniversityofColoradoBoulder）的埃里克康奈尔和卡尔威曼使用气态的铷原子在170nK（1.7乘10的-7次方K）的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下，几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。玻色玻色-爱因斯坦凝聚爱因斯坦凝聚(BEC).1985年，量子霍尔效应1986年，扫描隧道显微镜1989年，离子阱1996年，氦-3超流1997年，激光制冷1998年，分数量子霍尔效应量子物理相关的诺贝尔物理学奖量子物理相关的诺贝尔物理学奖2001年，玻色-爱因斯坦凝聚态2003年，超导，超流2

6、007年，巨磁阻效应2012年，量子操控BEC巨磁阻超流超导量子测量与操纵量子比特量子比特经典信息经典系统的状态量子系统的状态01 量子信息cos( ), sin( ).22ie|0二能级原子硬币|1+量子门量子门Hadamardgate,这个门将基本状态 |0 变成，并且将 |1 变成Pauli-Xgate,这个门相当于经典的逻辑非门。 它将 |0换成 |1并且 |1换成 |0。 Pauli-Ygate,这个门可以用一个泡利Y矩阵表示：这个门保留基本状态|0不变,并且将|1换成|-1。Pauli-Zgate,这个门保留基本状态|0并且将|1换成ei|1。Phaseshiftgate,2222

7、2( ,)269110 35414f x yx yx yxyxyyy=+22( )1352( )27g xxxh yyy=+=+( ,)()( )f x yg xh y=22(,)f x yxyx y=+()()g xh y可分离不可分离量子纠缠态量子纠缠态ABABNon-entangledABABEntangled( ,)( )( )A BABY=Y Y( ,)( )( )A BABYY Y量子纠缠态量子纠缠态()12y=+zSMagical Power?非经典关联一对一 A B非定域性非定域性三个量子比特(qubit)的GHZ态和W态(1) 在量子密码学里，纠缠粒子被用来传输信息，使用这种

8、方法，任何窃听动作必定会留下痕迹。(2)在量子计算学里，纠缠量子态可以做并行计算，允许某些种运算的速度比经典计算机快很多。很多正在研发中的科技依靠量子纠缠为基本运作机制。Laser Cooling (Laser Cooling (激光激光冷却冷却) )1997NobelPrizewinners.Lasercoolingcangettothelowtemperatureof0.18K(10-6开尔文).Chu朱棣文Cohen-TannoundjiPhillips激光冷却是利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的技术。光子iEikpdtpdFsEskp光子具有能量和动量原子和光子间可

9、以传递能量和动量作用到原子上的力从光子到原子的动量absorptionemission多普勒效应多普勒效应蓝移红移高频低频激光冷却激光冷却原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小;原子原子激光冷却激光冷却二能级原子二能级原子TemperatureLandmark106103110-310-610-90(K)core of sunsurface of sunroom temperatureL N2L He3He superfluidity2003 MIT Na BECtypical

10、 TCof BECMOTsub-Doppler cooling比室温低 12 orders光晶格光晶格光子晶体光子晶体一维周期系统一维周期系统t线性势场中的布洛赫震荡线性势场中的布洛赫震荡布洛赫震荡是周期势，以及波矢存在最大值的直接结果。排斥势束缚粒子对排斥势束缚粒子对K.Winkler,et.al,Nature441,853(2006).双点量子比特双点量子比特0UU0s s+1 s+2 s+30UU0s s+1 s+2 s+3单光子开关单光子开关(, )2LRSingle-particlesource量子点量子点长颈瓶中不同尺寸的硒化镉(CdSe)量子点在紫外线的照射下发出荧光量子点(quantumdot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光探针。量子遂穿量子遂穿隧穿粒子的能量不变，只有量子幅降低。找到粒子的概率降低。隧穿粒子