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1、量子力学的发展和应用量子力学的发展和应用1本讲稿第一页，共十六页I I）量子理论的诞生）量子理论的诞生 量子论的生日1900年12月14日。M.PlanckM.Planck：在柏林物理学会上报告他的公式（普朗克公式）的量子说明辐射能量在吸收或发射时以整个量子进行，频率为 的辐射振子的能量为 。这就宣告了量子论的诞生。M.Planck,Ann.Physik,4(1901)553.M.Planck,Ann.Physik,4(1901)553.2本讲稿第二页，共十六页 II II）量子力学是甚么？）量子力学是甚么？n n量子力学是什么？量子力学，更广泛地说量子理论，是研究微观世界物质运动和变化的基本
2、规律的科学。由于我们宏观物质全是由微观物质组成的，宏观世界全部建立在微观世界上面。因此，量子力学便无处不在、普遍适用。3本讲稿第三页，共十六页IIIIII）自诞生起至今，它的势头（）自诞生起至今，它的势头（1 1）自自从从量量子子理理论论诞诞生生以以来来，它它的的发发展展和和应应用用一一直直广广泛泛深深刻刻地地影影响响、促促进进和和触触发发人人类类物物质质文文明明的的大大飞飞跃跃。近近8080年年的人类全部历史可以作证。的人类全部历史可以作证。如如果果还还不不信信，举举例例，可可以以把把所所有有学学科科名名称称前前面面冠冠以以“量量子子”二二字字，就就会会发发现现：已已经经形形成成或或将将要要
3、形形成成一一门门新新的的理理论论、一一门门新新的的学学问问。物物理理学学内内部部就就有有很很多多这这种种情情况况。不不必必说说物物理理学学中中以以量量子子力力学学为为主主要要理理论论支支柱柱的的学学科科；单单是是直直接接添添加加这这两两个个字就形成新学问的就有：字就形成新学问的就有：光学光学量子光学量子光学电子学电子学量子电子学量子电子学电动力学电动力学量子电动力学量子电动力学统计力学统计力学量子统计力学量子统计力学经典场论经典场论量子场论量子场论在物理学之外也是大量的：在物理学之外也是大量的：化学化学量子化学量子化学生物学生物学量子生物学量子生物学宇宙学宇宙学量子宇宙学量子宇宙学网络网络量子
4、网络量子网络信息论信息论量子信息论量子信息论计算机计算机量子计算机量子计算机就连投机家所罗斯的基金会也时髦的冠以就连投机家所罗斯的基金会也时髦的冠以“量子量子”二字：二字：“量子基金会量子基金会”4本讲稿第四页，共十六页自诞生起至今，它的势头（续自诞生起至今，它的势头（续2 2）n n百年（19012002）来总共颁发 Nobel PrizeNobel Prize 96 次（其中其中1916,1931,1934,1940,1941,19421916,1931,1934,1940,1941,1942共共6 6年未颁奖年未颁奖）单就物理奖而言：直接由量子理论得奖 或与量子理论密切相关而得奖的次数有
5、 57 次 （直接由量子理论得奖25次）5本讲稿第五页，共十六页自诞生起至今，它的势头（续自诞生起至今，它的势头（续3 3）n nNatureNature杂杂志志20002000年年总总结结100100年年来来在在它它上上面面发发表表的的文文章章。从从登登载载的的数数千千篇篇文文章章中中精精选选出出2121篇篇具具有有里里程程碑碑性性的的文文章章。其中与量子力学有关的竟占其中与量子力学有关的竟占1414篇。篇。n n量量子子理理论论自自2020世世纪纪2020年年代代创创立立以以来来，直直到到现现在在，已已逐逐步步成成为为核核物物理理、粒粒子子物物理理、凝凝聚聚态态物物理理、超超流流和和超超导
6、导物物理理、半半导导体体物物理理、激激光光物物理理等等众众多多物物理理分分支支学学科科的的共共同同理理论论基基础础。而而且且在在量量子子理理论论的的框框架架内内建建立立了了弱弱电电统统一一的的标标准准模模型型；量量子理论进入了宇宙起源和黑洞理论。子理论进入了宇宙起源和黑洞理论。n n总之，量子理论诞生后这总之，量子理论诞生后这8080年来的发展，使得：年来的发展，使得：量子理论成为整个近代物理学的共同理论基础。6本讲稿第六页，共十六页IVIV）自）自2020世纪世纪8080年代以来，量子力学又年代以来，量子力学又有很大发展有很大发展（除（除（除（除BECBECBECBEC及其应用这一大块之外）
7、及其应用这一大块之外）及其应用这一大块之外）及其应用这一大块之外）n n量子信息论和量子计算机：位位(bit)(bit)量子位量子位(qubit)(qubit)既是既是YesYes又是又是NoNo：|Yes+|No|Yes+|No存贮器存贮器量子存贮器量子存贮器 各个位不一定有确定的状态各个位不一定有确定的状态 逻辑门逻辑门量子逻辑门量子逻辑门网络网络量子网络量子网络算法算法量子算法量子算法DeutschDFTShorGroverDeutschDFTShorGrover 并行计算、超高速、超大容量并行计算、超高速、超大容量 通讯通讯量子通讯量子通讯 超大容量、天然保密超大容量、天然保密 编码编
8、码量子编码量子编码密码密码量子密码量子密码密钥密钥量子密钥量子密钥经典可克隆经典可克隆量子不可克隆量子不可克隆 经典克隆是硬件克隆；量子克隆是软硬件经典克隆是硬件克隆；量子克隆是软硬件全部克隆，原理上不可能全部克隆，原理上不可能 经典通讯的定域传播经典通讯的定域传播量子通量子通讯的非定域传播讯的非定域传播7本讲稿第七页，共十六页 例如：Lov K.Grover“Quantum Mechanics Helps in Searching“Quantum Mechanics Helps in Searchingfor a Needle in a Haystack”for a Needle in a
9、Haystack”Physical Review Letters,Vol.79,No.2,1997“量子力学帮助在干草堆里找一根针”物理评论快报，第79卷，第2期，1997年8本讲稿第八页，共十六页V V）当前量子力学的重要应用）当前量子力学的重要应用n n量子生物学n n量子生命科学n n量子神经网络n n量子化学n n量子材料科学n n量子信息科学n n量子计算机科学n nBEC器件、原子器件目前，它正在向材料科学、化学、生物学、信息科学、计算机科学大规模渗透。预计不久的将来它将会成为整整个个近近代代科科学学共共同同的理论基础的理论基础9本讲稿第九页，共十六页VIVI）量子力学的基础和逻辑
10、框架（）量子力学的基础和逻辑框架（1 1）n n量子力学的主要线索：量子力学的主要线索：22两组基本实验：波性、粒子性实验两组基本实验：波性、粒子性实验 11一个基本图象：波粒二象性一个基本图象：波粒二象性 33三大基本特征：或然、分立、不确定性三大基本特征：或然、分立、不确定性 55五大基本公设：波函数、算符、测量、五大基本公设：波函数、算符、测量、动力学方程、全同性原理动力学方程、全同性原理 另有：另有：33测量过程的测量过程的3 3阶段：纠缠分解、波包塌缩、阶段：纠缠分解、波包塌缩、初态演化初态演化 22两种因果律：决定论的、或然的两种因果律：决定论的、或然的 11一个中心任务：几率幅计
11、算一个中心任务：几率幅计算10本讲稿第十页，共十六页量子力学的基础和逻辑框架（续量子力学的基础和逻辑框架（续2 2）n n两类实验基础两类实验基础微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性n n光原是“波”现在发现它又具有粒子性n n电子原是“粒子”现在发现它又具有波动性n n实验给出微观粒子一个基本图象实验给出微观粒子一个基本图象波粒二象性波粒二象性n n（对波动的）Einstein Einstein 关系：n n（对粒子的）de Brogliede Broglie 关系：n n量子力学的总结：n n（派生出的）三大基本特征：（派生出的）三大基本特征：n n几率幅描述n n量子化现象n n
12、不确定性关系11本讲稿第十一页，共十六页量子力学的基础和逻辑框架（续量子力学的基础和逻辑框架（续3 3）n n（归纳成）逻辑结构（归纳成）逻辑结构 五大公设：五大公设：n n第一公设第一公设波函数公设波函数公设第二公设第二公设算符公设算符公设n n第三公设第三公设测量公设测量公设n n第四公设第四公设动力学演化公设动力学演化公设:Schrdinger Schrdinger 方程公设方程公设n n第五公设第五公设微观粒子全同性微观粒子全同性原理公设原理公设n n量子测量的三个过程：量子测量的三个过程：n n纠缠分解纠缠分解n n波包塌缩（随机、不可逆、破坏相波包塌缩（随机、不可逆、破坏相干性、非
13、定域）干性、非定域）n n初态演化初态演化n n两种因果律的交织两种因果律的交织n n第一类态变化：第一类态变化：状态演化状态演化 运动方程初条件。运动方程初条件。决定论的、可逆的、保持相干性。决定论的、可逆的、保持相干性。n n第二类态变化：第二类态变化：状态测量状态测量 这是一次随机的、这是一次随机的、不可逆的、破坏相干性的、非定域不可逆的、破坏相干性的、非定域的的“选择选择”。n n一个中心任务的改变：一个中心任务的改变：“非对易代数运动方程非对易代数运动方程 算符方程求解算符方程求解”到到“几率幅约束条件几率幅约束条件 路路 径积分计算径积分计算”。12本讲稿第十二页，共十六页n n假
14、如一个人不为量子论感到困惑，那他就是没有明白量子论。尼尔斯玻尔n n我想我可以放心地说，没有谁理解量子力学（I I think think I I can can savely savely say,say,nobody nobody understands understands quantum quantum mechanics mechanics）。R.P.费曼，1963n n测量过程包含着深邃的不可逆性原理。L.朗道,1956 13本讲稿第十三页，共十六页n n 爱因斯坦爱因斯坦：自然界最不可理解的就是，它竟自然界最不可理解的就是，它竟 然是可以理解的然是可以理解的 ！n n It is the strangest It is the strangest that existencethat existence shows a universal order!shows a universal order!14本讲稿第十四页，共十六页n n 道可道，非常道；名可名，非常名。老子道德经n n 路曼曼其修远兮，吾将上下而求索。屈原离骚15本讲稿第十五页，共十六页16本讲稿第十六页，共十六页