量子密碼學(xué)理論基礎(chǔ)

1、19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)處于新舊交替的時(shí)期。生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)的提高，導(dǎo)致了物理實(shí)驗(yàn)上一系列重大發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的經(jīng)典物理理論大廈越發(fā)牢固，欣欣向榮，而唯一不協(xié)調(diào)的只是物理學(xué)天空上小小的兩朵烏云。但是正是這兩朵烏云卻揭開了物理學(xué)革命的序幕：一朵烏云下降生了量子論，緊接著從另一朵烏云下降生了相對(duì)論。量子論和相對(duì)論的誕生，使整個(gè)物理學(xué)面貌為之一新。量子論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關(guān)于自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收與輻

2、射等。20世紀(jì)初,新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不斷發(fā)現(xiàn),經(jīng)典物理學(xué)在解釋一些現(xiàn)象時(shí)出現(xiàn)了困難,其中表現(xiàn)最為明顯和突出的是以下三個(gè)問題:黑體輻射問題;光電效應(yīng)問題;原子穩(wěn)定性和原子光譜.什么是黑體？在任何條件下，對(duì)任何波長的外來輻射完全吸收而無任何反射的物體，即吸收比為1的物體。1900年,才華橫溢而又保守謹(jǐn)慎的德國物理學(xué)家普朗克(MaxPlanck,1858-1947)為解決黑體輻射問題,大膽地提出了一個(gè)革命性的思想:電磁振蕩只能以量子的形式發(fā)生,量子的能量E和頻率 u之間有一確定的關(guān)系:E=h u h為一自然的基本常數(shù).普朗克假定:黑體以h u為能量單位不連續(xù)地發(fā)射和吸收頻率為u的輻射,而不是象經(jīng)典理論所要

3、求的那樣可以連續(xù)地發(fā)射和吸收能量。6如果一個(gè)物體能全部吸收投射在如果一個(gè)物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對(duì)黑體，簡稱黑體。體稱為絕對(duì)黑體，簡稱黑體。0 1 2 3 4 5 60 1 2 3 4 5 6(m)(m)1700K K1500K K1300K K1100K K)(TMB 黑體：吸收和輻射都最大黑體：吸收和輻射都最大黑洞：只吸收不輻射，黑洞：只吸收不輻射，電磁波為黑洞所束縛，電磁波為黑洞所束縛，無法逃逸出來。無法逃逸出來。普朗克的新思想是與經(jīng)典理論相違背的,它沖破了經(jīng)典物理傳統(tǒng)觀念對(duì)人們的長期束縛,這就為人們建立新的概念,探索新的理論開

4、拓了一條新路.在這個(gè)假設(shè)的啟發(fā)下,許多微觀現(xiàn)象得到了正確的解釋,并在此基礎(chǔ)上建立起一個(gè)比較完整的,并成為近代物理學(xué)重要支柱之一的量子理論體系。8實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值)T(MB 維恩維恩瑞利瑞利-金斯金斯紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難0123456789)m( TCBeC)T(M 251 TC)T(MB43 9h h普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)sJh 341063. 6由此普朗克得到了由此普朗克得到了黑體輻射公式黑體輻射公式，成功的解釋了黑體輻射，成功的解釋了黑體輻射11252 kThcBehc)T(M c c 光速光速k k 玻爾茲曼恒量玻爾茲曼恒量(1)(1)黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波，黑體是由帶電諧振

5、子組成，這些諧振子輻射電磁波，并和周圍的電磁場交換能量。并和周圍的電磁場交換能量。(2) (2) 這些諧振子能量不能連續(xù)變化，只能取一些分立值，這些諧振子能量不能連續(xù)變化，只能取一些分立值，是最小能量是最小能量 的整數(shù)倍的整數(shù)倍, ,這個(gè)最小能量稱為能量子。這個(gè)最小能量稱為能量子。 h 光子以光子以頻率頻率v v入射入射光電效應(yīng) 愛因斯坦方程的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng) 光照射到金屬表面時(shí)，有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。光電子 逸出的電子。光電子由K飛向A，回路中形成光電流。OOOOOOOOAKGVR愛因斯坦愛因斯坦光電效應(yīng)光電效應(yīng)方程方程Amvhm 221 光是以光速光是以光速 c c 運(yùn)動(dòng)的微粒流，稱

6、為光量子（光子）運(yùn)動(dòng)的微粒流，稱為光量子（光子）光子的能量光子的能量：金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子能量金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子能量h h 以后，以后，一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功A A ，一部分，一部分轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能。轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能。微觀粒子的空間位置要由概率波來描述，概率波只能給出微觀粒子的空間位置要由概率波來描述，概率波只能給出粒子在各處出現(xiàn)的概率。任意時(shí)刻不具有確定的位置和確粒子在各處出現(xiàn)的概率。任意時(shí)刻不具有確定的位置和確定的動(dòng)量。定的動(dòng)量。電子束電子束x x縫縫a 2X X方向電子的位置不準(zhǔn)確量為：方向電子的位置不準(zhǔn)確量

7、為：ax 13sinxksinxpp X X方向的分動(dòng)量方向的分動(dòng)量p px x的測(cè)不準(zhǔn)量為：的測(cè)不準(zhǔn)量為：kpxh pxpxkp xpypp 電子束電子束x x縫縫a 2ax xpxkhh 相關(guān)公式：dsin= n其中d為為兩狹縫之間的間距,為衍射角度，n為光柵級(jí)數(shù)，為波長。14經(jīng)嚴(yán)格證明此式應(yīng)為：經(jīng)嚴(yán)格證明此式應(yīng)為：hxpx 2 xpx 這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式2 ypy 2 zpz 2h普朗克常數(shù)稱為約化普朗克常數(shù)或 什么是薛定諤的貓?處于所謂“疊加態(tài)”的微觀粒子之狀態(tài)是不確定的，例如：電子可以幾乎同時(shí)位于幾個(gè)不同的地點(diǎn)，直到被觀察測(cè)量（觀測(cè)）時(shí)，才在

8、某處出現(xiàn)。這種事如果發(fā)生在宏觀世界的日常生活中，就好比：我在家中何處是不確定的，你看我一眼，我就突然現(xiàn)身于某處客廳、餐廳、廚房、書房或臥室都有可能，而在你看我之前，我像云霧般隱身在家中，穿墻透壁到處游蕩。薛定諤的貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯(lián)系起來，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態(tài)。是薛定諤試圖證明量子力學(xué)在宏觀條件下的不完備性而提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn).把一只貓放進(jìn)一個(gè)不透明的盒子里，然后把這個(gè)盒子連接到一個(gè)包含一個(gè)放射性原子核和一個(gè)裝有有毒氣體的容器的實(shí)驗(yàn)裝置。設(shè)想這個(gè)放射性原子核在一個(gè)小時(shí)內(nèi)有50%的可能性發(fā)生衰變。如果發(fā)生衰變，它將會(huì)發(fā)射出一個(gè)粒子，而發(fā)射出的這個(gè)粒子將會(huì)觸發(fā)這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這只貓。根據(jù)量子力學(xué)，未進(jìn)行觀察時(shí)，這個(gè)原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，但是，如果在一個(gè)小時(shí)后把盒子打開，實(shí)驗(yàn)者只能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況。這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的巧妙之處，在于通過“檢測(cè)器原子毒藥瓶”這