工商分會
一、量子的起源
        二、量子的概念
        三、量子力學
        四、量子的特性
            1、傳遞的不連續(xù)性;
2、波粒二象性;
3、測不準和坍塌性;
4、糾纏性;
5、疊加性;
6、不可克隆性;
            7、坍塌性。
量子從概念的提出到理論量子力學的形成盡管已有百年,但問津的只有少數學者。量子所表現出的神奇特性,包括愛因斯坦都表示懷疑,直到21世紀初夜被實驗所證實,并對其奇特性質顯現出來的應用前景所吸引,才真正引起政界、軍界、商界的重視。量子這個具有劃時代意義的科學,正引領前沿科技潮流,滾滾向前,在國際上你追我趕,競爭十分激烈。美、歐、日等發(fā)達國家紛紛投資立項,搶占科技前沿,中國實現關鍵技術突破,后來居上躋身國際先進行列。對于老科技工作者,對量子方面的知識,知之甚少,出于對新知識的渴望,活到老學到老,不求弄通,只求聽懂,跟上時代,愿意把讀書筆記奉獻大家。筆記難免有表述不準或錯誤,還望指正。
一、量子的起源
量子一詞是由德國物理學家普朗克發(fā)現黑體輻射現象用牛頓力學無法解釋,于1900年提出解釋黑體輻射現象的假說。
黑體是指入射的電磁波全被吸收,即沒有反射也沒有透射。假想黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的,只能取能量單位的整數倍,這一假說很好地解釋了黑體輻射現象,物體吸收和發(fā)射電磁輻射,只能以能量量子的方式進行。后來研究證明不但能量表現出這種不連續(xù)的分離化現象,其他諸多物理量也都表現出量子化現象。量子成為現代物理學的重要概念。量子假說,被試驗證明成為量子理論,后經數位物理大師的成就,形成量子理論——量子力學。
二、量子的定義
量子像原子做為一切物質的構成單位一樣,量子是構成能量的最基本單位,也是不可再分的最小能量單位,量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。量子的能量與量子振動頻率有關,而于量子本身無關。即E=h·v   h是普朗克常數。
量子一詞源于拉丁語,意為“有多少”代表“相當數量的某物質”。例如光的量子簡稱光子,是光的不可再分的最小能量單位,不存在半個光子,所有有形物質都可用量子去解讀,即量子化。量子化指其物理量的數值特定的,而不是任意的,如原子中的電子是可量子化的。它決定原子的穩(wěn)定性和一般問題。量子化現象主要表現在微觀世界。打個比方,電影膠片是由許多時間幀頻構成的,每隔0.0幾秒就換一張圖片,而不是連續(xù)的。每張圖片就相當一個量子,不可再分,這其實就是量子化。
三、量子力學
量子力學是描寫微觀物質世界的理論,是研究物質世界微觀粒子運動規(guī)律的科學。量子力學主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質以及原子核和基本粒子的結構和性質。
物理學按研究宏觀還是微觀物質可分為經典物理學和現代物理學,經典物理學以牛頓力學為代表,現代物理學以量子力學和相對論為基礎。
量子力學很好的解釋了基本相互作用經典物理學不能解釋的難題。量子力學從根本上改變了人類對物質結構及其相互作用的理解。
四、量子特性
1、傳遞的不連續(xù)性,量子的傳遞是不連續(xù)的,是以能量單位逐個傳遞的。
2、波粒二象性
指的是所有量子即有部分波的屬性,又有部分粒子屬性。如光量子在傳播過程中顯示光的波動性,在與物質相互作用時顯示粒子性。波粒二象性是微觀粒子的基本屬性,是量子力學中的重要概念。
在經典物理學中講,波動是彌漫空間傳播的現象,而粒子運動是有一定軌道的。這與量子力學中講,波動即電磁輻射有頻率有波長,粒子做為諧振子有軌域有能量和動量是格格不入的。這里講的波、粒、不能按經典物理波、粒去理解套用,由于微觀粒子具有波粒二象性,微觀粒子所遵循的運動規(guī)律,就不同于宏觀物體的運動規(guī)律。它只能用適合微觀粒子運動規(guī)律的量子力學去描述,去理解。
量子物理學家普朗克,用普朗克常量架起了波動性和粒子性的橋梁。
波的頻率V,波長入,粒子的能量E,動量P。普朗克常數h=6.6206896×10-34
得V = h 、       入 =  p
  就是說波頻率與粒子能量有關,波長與粒子動量有關,有多大關系就象圓周長和直徑的關系π一樣存在一個常數h關系。
3、不確定性原理
我們在對量子觀測時任何一個微小的測量都可以使量子的狀態(tài)發(fā)生改變,從而進入一個新的狀態(tài)。觀測即是干擾。想知道原始狀態(tài)就得觀測,而觀測原始態(tài)就改變即坍塌。原始狀態(tài)是客觀存在的,對我們來說是模糊的,不確定的。位置和速度結合物的量子態(tài),不能同時被準確測量即不確定性。
4、量子糾纏
量子糾纏是量子的神奇特性,相隔兩地的量子當一個狀態(tài)發(fā)生改變時,另一個幾乎在相同的時間出現同樣的狀態(tài)變化。
糾纏量子之間的聯系即量子傳輸。這種傳輸不需要載體,也沒有時空制約,瞬間完成速度超光速。
量子糾纏是量子信息學區(qū)別經典信息學的重要特征,是量子信息過程中不可或缺的資源。在量子密碼技術,量子通信,量子計算機中起到決定性的作用。
5、量子疊加
量子疊加是微觀粒子波粒二象性的反映,是量子力學重要原理,量子疊加原理就是量子可以以多種態(tài)同時存在于幾個地方。這種疊加直到被觀測時止。
態(tài)W1、W2疊加態(tài)W3,寫成等式
W3=mW1+nW2
m、n是態(tài)W3時W1和W2存在的幾率。
量子力學講,某一時刻量子只能處于W1或W2狀態(tài),但量子力學不知道這一時刻是W1還是W2狀態(tài)。它所關注地是長時間內量子處于混合后的W3,即處于W1,也處于W2,并有相應的幾率。這里必須擺脫釘是釘鉚是鉚的束縛,用開放的思維方式進入一個全新的領域。
6、量子態(tài)不可克隆
人們無法對一個不知道其狀態(tài)的量子進行復制。量子不可克隆定理確保了量子態(tài)的安全性,使得竊聽者無法用信息復制的方法截獲用戶信息。
7、量子的坍塌性
量子受到侵擾改變原有狀態(tài)的現象。
量子的特性,注定了量子的神奇,在學習量子時必須擺脫經典物理學的束縛,用一種開放的,全新的思維方式去理解前沿科技,去發(fā)現量子為現代科技注入的活力。