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1、量子力學(xué)與現(xiàn)代科技,應(yīng)用物理 0310317 趙楠 材料物理 0310287 趙云帆,量子力學(xué)向其它領(lǐng)域的滲透量子化學(xué)、 量子生物學(xué)、 量子磁學(xué),量子力學(xué)向近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ),原子能技術(shù)開(kāi)發(fā) 納米技術(shù) 激光 超導(dǎo)研究 大規(guī)模集成電路,一、納米技術(shù),納米技術(shù)與納米材料 納米技術(shù)：在納米尺度（1100）上制造材料和器件的工藝。其實(shí)質(zhì)就是在分子水平上一個(gè)原子、一個(gè)原子地制造具有嶄新的分子組織的納米結(jié)構(gòu)的能力。 納米材料：由納米級(jí)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的任何類型的材料。,2. 納米尺度的觀測(cè) 掃描探針顯微術(shù)(Scanning Probe Microscopy) 是利用探針尖端與表原子間的不同種類的

2、局域相互作用來(lái)測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)，獲得原子級(jí)分辨圖象。,掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡（STM）由STM頭部，電子學(xué)處理部分，減震系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（含軟件）組成。,隧道效應(yīng)理論 在量子力學(xué)中，隧道效應(yīng)是粒子波動(dòng)性的直接結(jié)果。當(dāng)一個(gè)粒子進(jìn)入到一個(gè)勢(shì)壘中，而勢(shì)壘的勢(shì)能比粒子的動(dòng)能大時(shí)，根據(jù)量子力學(xué)原理，粒子越過(guò)壁壘而出現(xiàn)在勢(shì)壘的另一邊的幾率不為零，而經(jīng)典力學(xué)給出的幾率則為零。,掃描隧道顯微鏡工作原理 電子從一極通過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)空間勢(shì)壘到另一極，形成隧道電流。電流大小取決于針尖與表面間距及表面電子狀態(tài)。,掃描隧道顯微鏡要測(cè)量隧道電流變化，只能用于導(dǎo)體或半導(dǎo)體研究，并且得到的不是實(shí)際表面形貌。后來(lái)又

3、發(fā)明了掃描探針顯微鏡（近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡、熱掃描顯微鏡、原子力顯微鏡），它們可在原子水平測(cè)量各種表面的形貌，研究表面彈性、塑性、硬度等。,3. 對(duì)納米世界的操縱 主要利用掃描探針顯微鏡和分子外延技術(shù)。 移動(dòng)原子 用掃描探針顯微鏡還可操縱原子。IBM公司1990年第一次在一塊鎳晶體上用35個(gè)原子拼出了IBM 3個(gè)字母，寬度在3個(gè)納米內(nèi)。 美國(guó)正在研制一種納米操縱器，使用類似游戲機(jī)搖桿來(lái)控制掃描隧道顯微鏡,,掃描隧道顯微鏡：圖中的“IBM”是由單個(gè)原子構(gòu)成的,用原子噴繪 用分子束外延技術(shù)（MBE）可以一次一個(gè)原子層或分子層地制備特殊的晶體（巨磁阻效應(yīng)新料）。 分子自組織 事先設(shè)計(jì)好結(jié)合方式，通過(guò)納

4、米技術(shù)設(shè)計(jì)超分子結(jié)構(gòu)。 惠普公司研究人員提出分子計(jì)算機(jī)設(shè)想，夢(mèng)想制造出分子級(jí)晶體管、導(dǎo)線等微電子元件。現(xiàn)已制造出直徑1.2納米的納米管。,二、量子頻標(biāo),1. 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史 天文秒：地球?qū)μ?yáng)的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，稱世界時(shí)。一個(gè)太陽(yáng)日的86400分之一為1天文秒。精確程度為3年差1秒。 時(shí)鐘性能標(biāo)準(zhǔn)： a)精確度：實(shí)際測(cè)定的時(shí)間與定義值的偏離程度。 b)穩(wěn)定性：時(shí)間裝置在相繼時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生同一結(jié)果的程度。 c)復(fù)現(xiàn)度：一定形式的裝置在不同運(yùn)行期間或多次連續(xù)開(kāi)機(jī)下產(chǎn)生相同頻率的程度。,鐘表的發(fā)展： 17世紀(jì)：機(jī)械鐘，誤差：一年不到一秒。 20世紀(jì)：石英鐘：目前最好的石英鐘穩(wěn)定度為 石英

5、鐘與機(jī)械鐘不能替代以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。 原子鐘與原子秒: 1967年第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定，以零磁場(chǎng)下銫原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷頻率作為國(guó)際通用頻率標(biāo)準(zhǔn)，定義持續(xù)9192631770個(gè)周期的時(shí)間為1原子秒。,,2.銫原子鐘工作原理 利用六組紅外線雷射光將銫原子冷卻，然後再將銫原子投擲到計(jì)時(shí)器真空的空間，形成一個(gè)銫原噴泉當(dāng)銫原子慢慢地降落在計(jì)時(shí) 器的微波空穴內(nèi)，銫原子和微波 發(fā)生相互作用，發(fā)出光子；由於 銫原子停留在計(jì)時(shí)器的空間的時(shí) 間延長(zhǎng)了，科學(xué)家可以有更長(zhǎng)的 時(shí)間觀察和量度銫原子的振動(dòng)和 銫原子發(fā)出的光子，提高原子鐘 的準(zhǔn)確度。,原子鐘內(nèi)部構(gòu)造圖,3.原子鐘的應(yīng)用及提

6、高精度的意義,原子鐘成了提供、記錄標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間必不可少的備。我國(guó)原子鐘精度： ，屬世界先進(jìn)行列。 時(shí)間的精確測(cè)定導(dǎo)致長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)的改變。 鉑銥合金米原器 精度： 氪發(fā)出的特定波長(zhǎng)：1米氪原子在真空中其2p10和5d5兩能級(jí)躍遷所發(fā)光波波長(zhǎng)的1650763.73倍。精度： 1983年國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義一米為真空中平面電磁波在299792458分之一秒進(jìn)行路程的長(zhǎng)度。 時(shí)間精度提高，長(zhǎng)度精度同時(shí)提高。,原子鐘檢驗(yàn)相對(duì)論、量子論 相對(duì)論、量子論是近代物理的基石。愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論受直接檢驗(yàn)還不多，原因是時(shí)間變化極微小，只有提高時(shí)鐘精度才能檢驗(yàn)。 全球定位系統(tǒng)和信息高速公路的計(jì)劃 精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)對(duì)

7、社會(huì)生活和生產(chǎn)也有重大意義。,三、量子霍爾效應(yīng),經(jīng)典霍爾效應(yīng) 如圖所示，將一載流導(dǎo)體板放在磁場(chǎng)中，若磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)體板并與電流方向垂直，則在導(dǎo)體板的上下兩側(cè)面之間會(huì)產(chǎn)生一定的電勢(shì)差。這一現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差叫做霍爾電壓。,2.量子霍爾效應(yīng) 朗道能級(jí) 帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),B沿z方向 薛定諤方程為： 能級(jí)： 電子被局限在xy平面運(yùn)動(dòng),電子完全激化 朗道能級(jí),整數(shù)量子霍爾效應(yīng) 通過(guò)硅金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管用電場(chǎng)使電子局限在半導(dǎo)體表面。 與經(jīng)典霍爾效應(yīng)顯著差別是： 和B不再呈線性關(guān)系，克利青發(fā)現(xiàn)，二維電子氣的霍爾電阻RH與B的關(guān)系是在總的直線趨勢(shì)上出現(xiàn)一系列平臺(tái)（量子化霍爾電阻

8、） 量子霍爾電阻與具體材料無(wú)關(guān)。,,在絕對(duì)零度附近，強(qiáng)磁場(chǎng)下，并迫使電子在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，霍爾效應(yīng)以臺(tái)階的方式變化。,分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng) 當(dāng)二維電子氣處于更強(qiáng)磁場(chǎng)和更低溫度時(shí)，出現(xiàn)新規(guī)律，在 處也出現(xiàn)量子化霍爾電阻平臺(tái)。,四、量子信息學(xué),1.量子編碼,量子編碼：消相干會(huì)引起量子錯(cuò)誤，量子編碼的目的是為糾正或防止這些量子錯(cuò)誤。基本思想是以合適的方式引進(jìn)多余信息，以提高信息的抗干擾能力。 量子編碼的困難：（1）量子態(tài)不可克隆定理禁止態(tài)復(fù)制。（2）經(jīng)典編碼糾錯(cuò)時(shí)，需要進(jìn)行測(cè)量，以確定錯(cuò)誤圖樣，對(duì)量子態(tài)測(cè)量會(huì)破壞量子相干性。（3）經(jīng)典碼中的錯(cuò)誤只有一種，即0和1之間的躍遷，而量子錯(cuò)誤的自由

9、度大得多，對(duì)一確定輸入態(tài)，輸出態(tài)可以是二維空間的任意態(tài)，錯(cuò)誤種類是連續(xù)的。,量子糾錯(cuò)方案： 1995年底，shor和steane獨(dú)立提出最初的兩個(gè)糾錯(cuò)方案。 （1）為了不違背量子態(tài)不可克隆定理，量子編碼時(shí)，單比特不是被復(fù)制為多比特的直積，而是編碼為較復(fù)雜的糾纏態(tài)。 （2）量子糾錯(cuò)在確定錯(cuò)誤圖樣時(shí)，只進(jìn)行部分測(cè)量，信息的量子相干性仍被保留。 （3）量子錯(cuò)誤的種類雖為連續(xù)流，但它可表示為3種基本量子錯(cuò)，所有的量子錯(cuò)誤都將得到糾正。 兩種編碼方案：1）糾隨機(jī)的量子碼，2）防合作錯(cuò)量子碼。,2.量子克隆與量子復(fù)制： 量子克隆與量子復(fù)制的區(qū)別是：前者是精確復(fù)制，而后者允許輸出態(tài)與輸入態(tài)有一定偏差。 量子

10、不可克隆定理：一個(gè)未知的量子態(tài)不可以克隆。,量子態(tài)不可精確復(fù)制是量子密碼術(shù)的重要前提，它確保了量子密碼的安全性，使竊聽(tīng)者不可采取克隆技術(shù)獲得合法用戶的信息。 量子不可克隆定理并未排除量子復(fù)制。人們一直在尋找最佳的量子復(fù)制機(jī)，盡可能精確復(fù)制所有輸入態(tài)。,經(jīng)典物理：精確測(cè)量遠(yuǎn)程復(fù)制 量子物理：海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理。單個(gè)未知量子態(tài)不可克隆。 1993年， Bennett指出：量子態(tài)遠(yuǎn)程傳送是可能的。由量子力學(xué)，相互耦合的微觀粒子之間存在某種超光速關(guān)聯(lián)。對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，另一粒子將瞬時(shí)“感應(yīng)”到這種影響,3.量子態(tài)遠(yuǎn)程傳送,4.量子密碼通信： 經(jīng)典密碼通信原理： 信息加密：對(duì)明文M進(jìn)行數(shù)據(jù)變換Gk得

11、出密文C: Gk(M)=C. 解密：對(duì)密文進(jìn)行逆變換，恢復(fù)明文。 密鑰：明文和密文之間的變換借助密碼算法在參數(shù)K作用下完成，這樣的參數(shù)稱為密鑰，保密通信的關(guān)鍵在于密鑰K的生成。,例：CIPHER --(按字母表向后錯(cuò)三位)FLSKHU,密碼通信依靠密鑰、編碼規(guī)則、密鑰傳送三方面的保密保證其安全性。經(jīng)典密碼缺點(diǎn)是必須經(jīng)常更換密鑰。 按經(jīng)典理論，找到一種不可破譯的絕對(duì)安全的密碼通信目前還做不到。量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理提供了一種可能。,量子編碼原理： 美國(guó) Wiesner 首先將量子力學(xué)用于密碼術(shù)，后來(lái)，1984年，Bennett等人提出第一個(gè)量子密碼術(shù)方案。 單光子偏振態(tài)編碼（

12、BB84協(xié)議） 雙量子糾纏態(tài)編碼（EPR協(xié)議）,設(shè)A，B為通信雙方 1) A向B發(fā)送一串偏振方向隨機(jī)選定的單光子（0，45，90，135）。 2）B用檢偏器同步測(cè)量每個(gè)光子的偏振方向，每次隨機(jī)選擇正向放置或斜向放置檢偏棱鏡，A放置與B是一致時(shí)，B能確切知道光子原偏振方向，雙方放置不通時(shí)，B的測(cè)量結(jié)果完全隨機(jī)，無(wú)法知道偏振方向。 3）B宣布他使用的偏振序列，A告訴B哪些是對(duì)的，雙方保留基相同時(shí)與偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)比特序列，這就是密鑰。 竊聽(tīng)者： 分流（X） , 復(fù)制（X）, 截獲（X）.,5.量子對(duì)策論： 對(duì)策論：對(duì)抗或競(jìng)爭(zhēng)各方采取的策略。 量子對(duì)策論：即允許策略線性疊加。這是量子信息學(xué)的新興分支

13、。,例：P，Q翻硬幣問(wèn)題：P把一正面朝上的硬幣放到一盒中，與Q二人按Q、P、Q順序操作（翻或不翻），正面朝上，Q贏；否則，P贏。翻：F, 不翻：N, 正面朝上：H,正面朝上： T 雙方贏的幾率均等。,經(jīng)典情況：平衡使用混合策略：1/2幾率翻與不翻： 雙方贏的幾率相等。 量子領(lǐng)域，硬幣狀態(tài)看成量子態(tài)：|H,|T Q用量子決策論。,Q再用一次量子決策： 硬幣狀態(tài)又回到|H，Q必贏疑。,量子力學(xué)已經(jīng)滲透到我們生活的各個(gè)方面， 其影響之巨大是以往所不能想像的，相信隨 著科技的不斷發(fā)展，新的技術(shù)和工藝將不斷 改變我們的 生活，使之 越來(lái)越便捷 舒適和安全。,,參考書目,應(yīng)用量子力學(xué)W.A.Harrison 上帝擲骰子嗎?曹天元 量子力學(xué)曾謹(jǐn)言,THANK YOU,