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1、量子力學與現(xiàn)代科技,應用物理 0310317 趙楠 材料物理 0310287 趙云帆,量子力學向其它領(lǐng)域的滲透量子化學、 量子生物學、 量子磁學,量子力學向近代科學技術(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
2、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（STM）由STM頭部，電子學處理部分，減震系統(tǒng)以及計算機系統(tǒng)（含軟件）組成。,隧道效應理論 在量子力學中，隧道效應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，只能用于導體或半導體研究，并且得到的不是實際表面形貌。后來又
3、發(fā)明了掃描探針顯微鏡（近場掃描光學顯微鏡、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（巨磁阻效應新料）。 分子自組織 事先設計好結(jié)合方式，通過納
4、米技術(shù)設計超分子結(jié)構(gòu)。 惠普公司研究人員提出分子計算機設想，夢想制造出分子級晶體管、導線等微電子元件?，F(xiàn)已制造出直徑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
5、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。,,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,3.原子鐘的應用及提
6、高精度的意義,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2p10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
7、社會生活和生產(chǎn)也有重大意義。,三、量子霍爾效應,經(jīng)典霍爾效應 如圖所示，將一載流導體板放在磁場中，若磁場方向垂直于導體板并與電流方向垂直，則在導體板的上下兩側(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，所產(chǎn)生的電勢差叫做霍爾電壓。,2.量子霍爾效應 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 通過硅金屬氧化物場效應管用電場使電子局限在半導體表面。 與經(jīng)典霍爾效應顯著差別是： 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
8、） 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，霍爾效應以臺階的方式變化。,分數(shù)量子霍爾效應 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,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
9、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，單比特不是被復制為多比特的直積，而是編碼為較復雜的糾纏態(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。,2.量子克隆與量子復制： 量子克隆與量子復制的區(qū)別是：前者是精確復制，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：一個未知的量子態(tài)不可以克隆。,量子態(tài)不可精確復制是量子密碼術(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制。人們一直在尋找最佳的量子復制機，盡可能精確復制所有輸入態(tài)。,經(jīng)典物理：精確測量遠程復制 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，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”到這種影響,3.量子態(tài)遠程傳送,4.量子密碼通信： 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
11、出密文C: Gk(M)=C. 解密：對密文進行逆變換，恢復明文。 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,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（
12、BB84協(xié)議） 雙量子糾纏態(tài)編碼（EPR協(xié)議）,設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)對應的隨機比特序列，這就是密鑰。 竊聽者： 分流（X） , 復制（X）, 截獲（X）.,5.量子對策論： 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。這是量子信息學的新興分支
13、。,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：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。,量子力學已經(jīng)滲透到我們生活的各個方面， 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 越來越便捷 舒適和安全。,,參考書目,應用量子力學W.A.Harrison 上帝擲骰子嗎?曹天元 量子力學曾謹言,THANK YOU,
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