大学物理讲义量子物理

1、的量子世界科学院理论物理研究所科学院理论物理研究所继往开来、与时俱进的1.量子物理的先驱的“保守”派“边界”,宏观量子世界与未来技术:2.量子2.3.量子与未来与原子激光:5.量子力学与广义相对论的统一科学院理论物理研究所现代物理:无处不在原子、分子凝聚态信息现代科学的两大支柱：光、电磁场原子核能源量子场论量子引力?大统一天体、宇宙起源科学院理论物理研究所黑洞超(对称)弦?规范场、标准模型相对论核能、放射性超导晶体管、集成电路量子力学激光、光纤量子物理的先驱的光量子理论和光电效应科学院理论物理研究所“”的前奏量子19世纪“统一”的经典“落地”“月亮环地球”“电”经典电动力学“磁”“热，功”“分

2、子”科学院理论物理研究所统计热力学经典物理学牛顿定律万有引力量子理论诞生的思想脉络科学院理论物理研究所等人力学矩阵意： 质波物：原子有核模型原子光谱于量子跃迁：光具有量子性：光电效应从黑体辐射到光电效应：光和原子一样也具有粒子性，光就是以光速C着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。同的能量子一样，每个光量子的能量也是Eh，根据相对论的质能式，每个光子的动量为pE/ch/意：物质波科学院理论物理研究所光电效应的意义从电动门到火星探测器的光量子假说发展了所开创的量子理论。的理论还是坚持电磁波在本质上是连续的，只是当它们与器壁振子发生能量交换时电磁能量才显示出量子因斯坦对旧理论不是采取改良的态度，光的本

3、质。他放弃量子假说的不彻底性，把量子性从辐射的引伸到光的本身，认为光本身也是不连续的。的光量子假说恢复了光的粒子性，使人们终于认清了光的波粒双重性格，而且在它的启发下，发现了意物质波，使人们认清了微观世界的波粒二象性，为后来量子力学的建立奠定了基础。科学院理论物理研究所易物质波 E/hh/ p科学院理论物理研究所波动力学方程,t ) =H (i= d量子物理的一次“盲人摸象”x(x ,)tdt| (x, t) |2量子力学科学院理论物理研究所从-原子有核模型到量子力学科学院理论物理研究所与波动力学等价的矩阵力学量子力学的形式 对具有波动性的微观粒子而言, 坐标Q 和动量 P不再是实验上可观测物

4、理量, 经典轨道的概念不再成立 可观测的光谱现象必须和两个“轨道”有关, 必须用两个指标描述力学量éxx .ùQ, P ¹ 0® 矩阵ê xx .úP,Qêêë.ú. .úûmnmn科学院理论物理研究所承上启下的第五次Solvay会议(1927)“Electrons and photons” Quantum Theory “Quantum Wave Mechanics” - takes flight科学院理论物理研究所量子力学的世界图景科学院理论物理研究所:经典 空气:着的分

5、Atomic constituents科学院理论物理研究所听到“波的”=科学院理论物理研究所看到“波的”Electromagnetic waves科学院理论物理研究所科学院理论物理研究所粒子的双缝实验粒子束粒子探测器科学院理论物理研究所粒子束科学院理论物理研究所粒子束单粒子探测科学院理论物理研究所？粒子束科学院理论物理研究所实际粒子的双缝实验原子HitachiCarnal, Mlynek 1991科学院理论物理研究所物质波的量子相干叠加y = C+001C 1rn shows upeIntensity patt科学院理论物理研究所经典理论粒子由坐标和速度两个物理量表征速度位置科学院理论物理研究

6、所量子理论:粒子也是一种波动科学院理论物理研究所位置精确知道粒子在哪里,但不知速度为?位置不知道粒子在哪里, 却能精确计算速度科学院理论物理研究所不确定:常量DX DP % =科学院理论物理研究所奇妙的波函数:“光子球”一个光年科学院理论物理研究所为什么与狭义相对论没有?对在A的粒子测量动量，塌缩到平面波|K>上，只可以以一定的概率，在与A粒子.类空的B发现不通常意义下的超光速和因果破坏。目前对一些误称为“超光速”的现象的认识模糊均在于此.科学院理论物理研究所:量子的“保守”派:-关于量子力学基础的争论Vs.科学院理论物理研究所量子测量:解释中子:一旦通过测量发现中子是沿着哪条路路径到达

7、屏上，条纹将不复。科学院理论物理研究所量子力学的互补性原理complementarity物质具有波粒二象性(光具有粒子性，粒子具有波动性), 但在同一个实验中二者不能同时出现DP % = / DX不确定动量不可导致DX 的扰动科学院理论物理研究所-的争论是发展量子力学的重要推动力尽管量子力学的数学结构严谨，在解释一系列实验现象上取得了完全，但是从它诞生的时刻开始，对它的物理解释和理解就不同的意见和争论。一批为量子力学的发展作出过重要贡献的家，如、薛定格等始终怀疑量子力学，认为它不是最终的理论，而另一批家以、为首则持完全相反的意见。科学院理论物理研究所争论的焦点 争论的焦点在于波函数的解释，它是

8、不是物理的实在？ 如理解Born提出的波函数的统计解释？ 量子力学能否对物理完整的描述？ 量子力学是最终的现象性理论？的状态和过论还是阶段性的科学院理论物理研究所质疑哥本解释的理想实验:现实的当代实验Nature, 395,33(1998)不可控动量扰动不是退相干的唯一科学院理论物理研究所质疑带来 的“意外收获”虽然迄今为止的实验证明了量子力学的正确，没有达到的目的，但是沿着这个方向的研究取得了意料之外的新进展，如玻色-凝聚.和科学相结合开辟了量子力学应用的新领域，如量子量子计算等。、量子传递、科学院理论物理研究所EPR佯谬为了说明量子力学的备性，1935年AlbertEinstein,Pod

9、olsky,andNathanRosen提出EPR佯谬。在彼此纠缠而空间的两个量子态之间，会出传递?现非局域的相互作用或超光速的科学院理论物理研究所双粒子的相干性量子纠缠(quantum Entanglement)“超光速”通讯？时否否！科学院理论物理研究所量子离物传态(Teleportation)½Bell ñ经典通道PRL 70, 1895 (1993)Bob½? ñ½y ñ= a ½0 ñ+ b½1 ñ科学院理论物理研究所量子通讯演示：Teleportation科学院理论物理研究所什么是量

10、子？量子以量子力学基本原理为基础、充分利用量子相干性的独特性质（如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆）、探全新的方式进行计算、编码和传输的可能性学量子力学计算机科学论科学院理论物理研究所为什么需要量子？yMore定律:18CPU速度加倍量子计算：计算机历史发展的必然科学院理论物理研究所什么是量子？经典比特量子比特二能级系统01量子态0 or 1科学院理论物理研究所原子：一个基本的量子比特激发态p脉冲基态原子核State |0>State |1>State |0> + |1>科学院理论物理研究所奇妙的量子相干叠加及其量子纠缠:Entanglement量子并行:一个 2,00

11、0 量子计算机 =一个宇宙的传统计算机科学院理论物理研究所数据的量子态的表示任一个十进制数唯一的二进制表示:N = al-1al-2 . a1a0 , aj Î (0,1)=| al -1al -2 "a0ºal -1Ä al -1Ä"Ä a0| n5 =>=1 ´0+| Ä´1+´ 2­>21202| ­5>| ¯>|Ä科学院理论物理研究所量子计算：用Qubit对Qubit表示十进制数正变换进行基本操作测量Qubit读出

12、结果类比:经典计算中的逻辑门基本操作科学院理论物理研究所物理实现:离子量子计算|0ñ40nm|1ñY=0科学院理论物理研究所量子计算的原理与n 比特输入计算复杂性比较2,000 个比特量子计算机 =宇宙的传统计算机400位数字的 素因子分解:经典计算机：十亿年, 步数： s(n) = ekn量子计算机：一 步数s(n) = P(n)科学院理论物理研究所ClassicalQuantumFactoringOe ( nlog) n1/32/3O( n)Î O (leog )nElliptic Curve Discrete LogarithmseO ( )nO( n)&#

13、206; O (leog )n经典物理和量子物理的(?)科学院理论物理研究所宏观物体是否量子相干性？碳60大分子实验1.常规情况下不，宏观物体的物质波长小于物体的尺度或2.情况下，如果有办法使组元个体协调一致科学院理论物理研究所猫佯谬ErwinSchroedinger也提出了Schroedinger猫的假想试验。将猫和放射源放入密室中，一旦放出射线，猫将死去。猫和放射源是一整体，放射源处于衰变和未衰的叠加，因而猫也处于与活着状态的叠加。这和日常经验相科学院理论物理研究所猫佯谬的可能解外部环境或内部度导致相干性破坏科学院理论物理研究所玻色-凝聚(1924)S. Bose热的物质波波长d超流-d科

14、学院理论物理研究所玻色-凝聚的机制lD aHigh temperature (T>Tc):alDLow temperature (T<Tc):lDu a相干重叠形成整体:宏观原子lDa科学院理论物理研究所超低温世界温度300+81广州的冬天 200绝对温度(Kelvin)100-99Record low (Antartica)Fahrenheit (degrees)-269 Air liquifies Triton Outer space (3K) 0-460Absolute zero all motion stops科学院理论物理研究所 温度物质波波长microns300 K300m/s1x10-5Rb300 mK30cm/s0.01300 nK1cm/s1E-coliRb激光冷却Acceleration 100 000 gs!科学院理论物理研究所MagnetsLasers科学院理论物理研究所玻色-凝聚的实现(1995)科学院理论物理研究所激光原理,1917从CD到激光无所不在科学院理论物理研究所原子“激光”相干