量子力學(xué)和現(xiàn)代科技發(fā)展

1、量子力學(xué)和現(xiàn)代科技發(fā)展量子力學(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。其實質(zhì)就是在分子水平上一個原子、一個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局域相互作用來測量表面原子結(jié)構(gòu)，獲得原子級分辨圖象。 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡（ST

2、M）由STM頭部，電子學(xué)處理部分，減震系統(tǒng)以及計算機系統(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)是粒子波動性的直接結(jié)果。當一個粒子進入到一個勢壘中，而勢壘的勢能比粒子的動能大時，根據(jù)量子力學(xué)原理，粒子越過壁壘而出現(xiàn)在勢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 電子從一極通過隧道效應(yīng)穿過空間勢壘到另一極，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，并且得到的不是實際表面形貌。后來又發(fā)明了掃描探針顯微鏡（近場掃描光學(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量各種

3、表面的形貌，研究表面彈性、塑性、硬度等。3. 對納米世界的操縱 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個原子拼出了IBM 3個字母，寬度在3個納米內(nèi)。美國正在研制一種納米操縱器，使用類似游戲機搖桿來控制掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡：圖中的“IBM”是由單個原子構(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)計好結(jié)合方式，通過納米技術(shù)設(shè)計超分子結(jié)構(gòu)。 惠普公司研究人員提出分子計算機設(shè)想，夢想制造出分子級晶體管、導(dǎo)線等微電子元件?，F(xiàn)已制

4、造出直徑1.2納米的納米管。二、量子頻標1. 時間標準的發(fā)展歷史天文秒：地球?qū)μ柕墓D(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，稱世界時。一個太陽日的86400分之一為1天文秒。精確程度為3年差1秒。時鐘性能標準： a)精確度：實際測定的時間與定義值的偏離程度。 b)穩(wěn)定性：時間裝置在相繼時間間隔內(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行期間或多次連續(xù)開機下產(chǎn)生相同頻率的程度。鐘表的發(fā)展： 17世紀：機械鐘，誤差：一年不到一秒。 20世紀：石英鐘：目前最好的石英鐘穩(wěn)定度為 石英鐘與機械鐘不能替代以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時間標準。原子鐘與原子秒:1967年第十三屆國際計量大會決定，以零磁場下銫原子基態(tài)兩個超精

5、細結(jié)構(gòu)能級之間的躍遷頻率作為國際通用頻率標準，定義持續(xù)9192631770個周期的時間為1原子秒。 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時器真空的空間，形成一個銫原噴泉當銫原子慢慢地降落在計時 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 銫原子停留在計時器的空間的時 間延長了，科學(xué)家可以有更長的 時間觀察和量度銫原子的振動和 銫原子發(fā)出的光子，提高原子鐘 的準確度。 原子鐘內(nèi)部構(gòu)造圖原子鐘成了提供、記錄標準時間必不可少的備。我國原子鐘精度： ，屬世界先進行列。時間的精確測定導(dǎo)致長度標準的改變。 鉑銥合金米原器 精度： 氪發(fā)出的特定波長：1米氪原子在真空中其2

6、p10和5d5兩能級躍遷所發(fā)光波波長的1650763.73倍。精度： 1983年國際計量大會定義一米為真空中平面電磁波在299792458分之一秒進行路程的長度。時間精度提高，長度精度同時提高。原子鐘檢驗相對論、量子論 相對論、量子論是近代物理的基石。愛因斯坦廣義相對論受直接檢驗還不多，原因是時間變化極微小，只有提高時鐘精度才能檢驗。全球定位系統(tǒng)和信息高速公路的計劃 精確的時間標準對社會生活和生產(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)體板放在磁場中，若磁場方向垂直于導(dǎo)體板并與電流方向垂直，則在導(dǎo)體板的上下兩側(cè)面之間會產(chǎn)生一定的電勢差。這一現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢

7、差叫做霍爾電壓。 朗道能級 帶電粒子在均勻磁場中的運動,B沿z方向 薛定諤方程為： 能級： 電子被局限在xy平面運動,電子完全激化 朗道能級 整數(shù)量子霍爾效應(yīng) 通過硅金屬氧化物場效應(yīng)管用電場使電子局限在半導(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上出現(xiàn)一系列平臺（量子化霍爾電阻） 量子霍爾電阻與具體材料無關(guān)。在絕對零度附近，強磁場下，并迫使電子在平面內(nèi)運動，霍爾效應(yīng)以臺階的方式變化。 分數(shù)量子霍爾效應(yīng) 當二維電子氣處于更強磁場和更低溫度時，出現(xiàn)新規(guī)律，在 處也出現(xiàn)量子化霍爾電阻平臺。四、量子信息學(xué)量子信息學(xué)量子編碼

8、量子克隆與量子復(fù)制量子密碼通訊量子態(tài)遠程傳輸1.量子編碼量子編碼：消相干會引起量子錯誤，量子編碼的目的是為糾正或防止這些量子錯誤。基本思想是以合適的方式引進多余信息，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)典編碼糾錯時，需要進行測量，以確定錯誤圖樣，對量子態(tài)測量會破壞量子相干性。（3）經(jīng)典碼中的錯誤只有一種，即0和1之間的躍遷，而量子錯誤的自由度大得多，對一確定輸入態(tài)，輸出態(tài)可以是二維空間的任意態(tài)，錯誤種類是連續(xù)的。量子糾錯方案：1995年底，shor和steane獨立提出最初的兩個糾錯方案。 （1）為了不違背量子態(tài)不可克隆定理，量子編碼時，單比特不

9、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）量子糾錯在確定錯誤圖樣時，只進行部分測量，信息的量子相干性仍被保留。 （3）量子錯誤的種類雖為連續(xù)流，但它可表示為3種基本量子錯，所有的量子錯誤都將得到糾正。兩種編碼方案：1）糾隨機的量子碼，2）防合作錯量子碼。：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。量子不可克隆定理：一個未知的量子態(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，盡可能精確復(fù)制所有輸入

10、態(tài)。經(jīng)典物理：精確測量遠程復(fù)制量子物理：海森伯測不準原理。單個未知量子態(tài)不可克隆。1993年， Bennett指出：量子態(tài)遠程傳送是可能的。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)。對其中一個粒子進行測量，另一粒子將瞬時“感應(yīng)”到這種影響：經(jīng)典密碼通信原理： 信息加密：對明文M進行數(shù)據(jù)變換Gk得出密文C: Gk(M)=C. 解密：對密文進行逆變換，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 -(按字母表向后錯三位)FLSKHU明文W加密解密明文C密鑰K生成明文M竊取者通道密碼通信依靠密鑰

11、、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安全的密碼通信目前還做不到。量子力學(xué)測不準原理提供了一種可能。量子編碼原理： 美國 Wiesner 首先將量子力學(xué)用于密碼術(shù)，后來，1984年，Bennett等人提出第一個量子密碼術(shù)方案。單光子偏振態(tài)編碼（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選定的單光子（0，45，90，135）。2）B用檢偏器同步測量每個光子的偏振方向，每次隨機選擇正向放置或斜向放置檢偏棱鏡，A放置與B是一致時，B能確切知道光子原偏振方向，雙方放置不通時，B的測量結(jié)果完全隨機，無法知道偏振方向。3）B宣布他使用的偏振序列，A告訴B哪些是對的，雙方保留基相同時與偏振態(tài)對應(yīng)的隨機比特序列，這就是密鑰。竊聽者： 分流（X） , 復(fù)制（X）, 截獲（X）.：對策論：對抗或競爭各方采取的策略。量子對策論：即允許策略線性疊加。這是量子信息學(xué)的新興分支。例：P，Q翻硬幣問題：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：