量子力学对科技的影响

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量子力学对科技的影响范文第1篇

关键词 量子力学 教学内容 教学方法

中图分类号：G420 文献标识码：A

Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of

Materials Physics Professional

FU Ping

(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)

Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.

Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods

0 引言

量子力学是研究微观粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）运动规律的物理学分支学科，它和相对论是矗立在20世纪之初的两座科学丰碑，一起构成了现代物理学的两块理论基石。相对论和量子力学彻底改变了经典物理学的世界观，并且深化了人类对自然界的认识，改造了人类的宇宙观和思想方法，它使人们对物质存在的方式及其运动形态等的认识产生了一个质的飞跃。

量子力学是材料物理专业一门承前启后的专业基础必修课：量子力学的教学必须以数学为基础，包括线性代数、概率论、高等数学、数理方法等，其又是后续课程材料科学基础、固体物理、材料物理、纳米材料等的理论基础。可见，量子力学课程在材料物理专业的课程体系中占有非常重要的地位，学生掌握的程度直接影响后续专业课程的学习。作者近年来一直从事量子力学的教学工作，针对量子力学课程教学过程中存在的现象和问题，进行了较深入细致的思考与探讨，在实际教学过程中对本课程的教学方法进行了探索与实践，收到了较好的教学效果。

1 量子力学教学面临的难点

量子力学研究的是微观粒子的运动规律，微观粒子同宏观粒子不同，看不见，摸不着，只有借助于探测器才能察觉它的存在和属性。材料物理专业学生之前学习的基本上是经典物理，而量子力学理论无法用经典理论进行解释，学生对此感到难于理解。因此，经典物理的传统观念对学生思想的束缚，构成了学生学习量子力学的思想障碍；量子力学可以说无处不“数学”， 由于材料物理专业学生在数学基础方面与物理专业学生相比较为薄弱，在学习过程中普遍感到数学计算繁难，对大段的数学推导表现出畏难情绪。可见，量子力学对数学的精彩诠释却构成了学生学习量子力学的心理障碍。这两大障碍势必会影响量子力学和后续课程的学习。在这种情况下，我们应当怎样开展量子力学教学从而使学生重视并努力学好该课程就成了一个严峻的挑战。

2 明确教学重点和难点、有的放矢

要讲授一门课程，首先应该对课程内容有一个清晰的认识。量子力学的内容可以包括三个方面：一是介绍产生新概念的历史背景及一些重要实验；二是提出一系列不同于经典物理学的基本概念与原理，如波函数、算符等概念和相关原理，是该课程的核心；三是给出解决具体实际问题的方法。三部分内容相互联系，层层推进，形成完整的知识体系。作为引导者，教师应在这三部分内容的教学过程中帮助学生成功地突破两大束缚。第一部分内容教师应考虑如何引导学生入门，从习惯古典概念转而接受量子概念。在讲授这部分内容时要将重点放在“经典”向“量子”的过渡上，引出量子力学与经典力学在研究方法上的显著不同：经典力学是将其研究对象作为连续的不间断的整体对待，而量子力学将其研究对象看成的间断的、不连续的。学生在学习这部分时应仔细“品尝”其中的“滋味”，以便启发自己的思维自然地产生一个飞跃，完成思想的突破。第二、三部分是量子力学学习的重点与难点，并且涉及大量的数学推导，教师应采取适当的教学手段，突出重点，强调难点。在物理学研究中，数学只是用来表达物理思想并在此基础上进行逻辑演算的工具，不能将物理内容淹没在复杂的数学形式当中。通过数学推导才能得到的结论，只需告诉学生，从数学上可以得到这样的结果就可以了，无需将重点放在繁难的数学推导上，否则会使学生本末倒置，忽略了对量子力学思想的理解。这样的教学可以帮助学生突破心理障碍，不会一提量子力学就想到复杂的数学推导，从而产生抵触情绪。成功地突破这两大障碍，是学习量子力学的关键。

3 教学方法的改革

3.1 利用现代技术改进教学手段

传统的板书教学能够形成系统性的知识框架，教师在板书推导的过程中，学生有时间反应和思考，紧跟教师的思路，从而可以详细、循序渐进地吸收所学知识，并培养了良好的思维习惯。但全程板书会导致上课节奏慢，授课内容有限。目前随着高校教学改革的推进，授课学时相继减少，对于传统教学方式来讲，要完成教学任务比较困难。这就要借助现代科技手段进行教学改革，包括多媒体课件的使用和网络教学。但是在量子力学教学中，一些繁杂公式的推导，如果使用多媒体课件，节奏会较快，导致学生目不暇接，来不及做笔记，更来不及思考，不利于讲授内容的消化吸收。鉴于此，对于量子力学课程，教学过程应采用板书和多媒体技术相结合的方式，充分发挥二者的优势，调动学生的学习积极性。

3.2 建设习题库

量子力学课程理论抽象，要深入理解这些理论，在熟练掌握教材基本知识的基础上，需要通过大量习题的演练，循序渐近，才能检验自己理解的程度，真正学好这门课程。因此在教学过程中，强调做习题的重要性。有针对性地根据材料物理专业量子力学的教学大纲和教学内容，参考多本量子力学教材和习题集，利用计算机技术建设量子力学习题库，题型包括选择、填空、证明、简答和计算题等，内容涵盖各知识点，从简到繁、由浅至深。题库操作方便，学生可自行操作，并对所做结果进行实时检查，从而清楚自己掌握本课程的程度。这一方式在近几年的教学中取得了良好的教学效果。

3.3 加强与学生互动，调动学生的学习积极性

教学是一个师生互动的过程，应让学生始终处于主动学习的位置而不是被动的接受。量子力学课程的学习更应积极调动学生的积极性，因此教师应在教学过程中加强与学生的互动。增设课前提问、课后讨论环节，认真批改作业，积极发现学生学习过程中存在的问题，并及时对问题进行深入讲解，解决问题。另外，由于量子力学是建立在一系列基本假定基础之上的，抽象难懂，鉴于学生难接受的情况，在授课时注意理论联系实际，尽可能进行知识的渗透和迁移，将量子力学在实际中的应用穿插于教学之中，丰富教学内容，开拓学生视野，从而调动学生的学习兴趣和积极性。

4 结语

通过近年来教学经验的总结和探索，形成了一套适合材料物理专业量子力学课程教学的方法，该方法教学效果良好。在近几年的研究生入学考试中，学生量子力学课程的成绩优秀，说明采用这样的教学方法是成功的。

资助项目：武汉工程大学2010年校级教学研究项目（X201037）

量子力学对科技的影响范文第2篇

关键词 变分法；量子力学；最优控制

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）02-0122-03

20世纪二三十年代，奥地利物理学家薛定谔提出一种可以进行微观粒子体系运动行为的一波方程，被人称之为薛定谔方程。通过进行薛定谔方程求解，可以获得体系波函数，应用体系波函数，可以确定体系性质，此后有学者对相对论效应狄拉克方程的确定进行了研究。这些研究成果的出现，让人们认为量子力学其普遍理论似乎已经基本完成，人类已经基本知晓了绝大部分物理学及物理定律。解决问题困难及关键仅在于如何将这些定律进行现实应用。狄拉克认为，随着体系的不断增加，薛定谔方程或狄拉克方程几乎是不可解的。

针对这种现象，求解其方程的近似方法不断被研究。在物理量子学领域，进行薛定谔法方程求解，其主要方法包括微扰法及变分法。束缚定态是建立于不含时间的薛定谔方程，即在能量变分原理的等价性基础上，能量本征值方程解是通过对能量极值的求解来完成的。在进行具体问题处理的过程中，通过波函数中一些特殊变化将最普遍任意变分进行替代，通过这种方法可以获得依赖于波函数特殊形式的一种近似解，这种解决问题的方法被称之变分法。变分法用在解决如量子力学等物理问题领域。变分法的应用，其优势在于运用变分法进行方程求解并不会受到限制，在保证变分函数良好的基础上，即可实现对体系基态性质的研究。

1 变分法概述

变分法与处理数函数普通微积分表现出相对立关系。泛函是通过位置函数导数及相应位置函数积分来实现相应构造。变分法应用的最终目的在于找出更好的极值函数，通过变分法，获得泛函最大值或最小值。欧拉-拉格朗日方程式属于变分法最重要定理。通过变分法，可以获得相应泛函临界点，在处理量子力学及其他物理问题时应用优势十分明显。

在解决量子力学问题时，解决微扰问题最为广泛的方法是应用微扰法及变分法。如应用微扰法进行量子力学问题的解决，其条件则为体系的哈密顿算符。可以分为及两个部分，则有：

= +

在微扰法中，本征函数及本征值属于已知，则很小，如在解决问题时其满足微扰法求解问题的基本条件，则可以实现量子问题求解。然而在实际应用中，进行全体必要的矩阵元求和计算是十分困难的，其解决问题存在着一定的局限性。应用变分法则不会受到条件限制。如将体系哈密顿算符本征值由小到大进行排列，其顺序如下：

E0，E1，E2，…En，… （1）

计算这些本征值对应本征函数，则有：

Ψ0，Ψ1，Ψ2，…，Ψn，… （2）

在公式中，E0代表的是基态能量，Ψ0代表的是基态波函数。为便于研究，假设与本征值En是保持对立的，本征函数Ψn组成正交归一系，则有：

Ψn=En+Ψn （3）

在公式中，设Ψ属于任意归一化波函数，将公式展开后获得：

（4）

在进行Ψ状态描述时，其体系能量平均值则为：

（5）

通过公式整理，则可以获得：

（6）

因E0代表的是基态能量，为此，则有E0

（7）

=E0属于Ψ归一条件，则有：

（8）

公式（8）不等式说明，在进行任意波函数Ψ求解时所获得的平均值总是较之基态能量较大，在进行Ψ平均值求解时，其中最小平均值与E0最接近。当Ψ作为体系中Ψ0基态波函数时，此时基态能量E0则与平均值保持一致。由此，实现变分法基态能量及基态波函数体系求解。

2 量子力学变分原理

如下，为某个微观体系薛定谔方程：

（9）

该薛定谔方程为变分问题欧拉微分方程，其变分问题求解则是对其能量积分进行求解，则有：

（10）

能量积分极小值为：

（11）

将体系哈密顿量设为H，则有：

（12）

在满足归一化条件的基础上，进行公式整理，则有：

（13）

实践证明，经过欧拉微积方程整理，可以获得薛定谔方程，证明微观体系薛定谔方程是可以让能量积分获得极值时的欧拉微分方程。以上公式，则为量子力学中变分原理。

3 变分法在量子力学中的应用案例

在量子物理或经典物理中，一维谐振子与很多物理现象存在较大关系，甚至可以将任何体系在稳定平衡点位置所进行的运动看作一种近似一维谐振子，如核振动、晶体结构离子及中原子振动等。本文在分析量子力学变分原理的基础上，进行一维谐振子研究。将谐振子质量设为m，并沿x轴进行直线运动，则谐振子所受到势能为，可以通过以下公式进行哈密顿量表示：

（14）

体系试探波函数为，按照归一化条件，可以获得。则有：

（15）

通过公式调整，可以获得以积分公式：

（16）

通过计算后获得：

（17）

并获得体系最低能量值为：

（18）

相应函数简化后为：

（19）

通过检验后发现，这种计算结果与求解结果相同，证明所选取的变分函数良好。图1为典型a下线性谐振子波函数及位置几率密度分布图。

波函数能够满足高斯型分布，在x=0位置，存在明显峰值，随着a逐渐降低，其峰值降低，且峰宽度逐渐增加。从图1中可以看出，波函数几率密度分布状况与波函数、分布曲线形状基本保持一致。应用变分法所求解出的波函数几率分布存在一定差异。由此可以看出，应用变分法解决量子力学问题时，虽然其可以简单方便地进行体系基态性质求解，但其属于解决问题的近似方法，其近似程度随着参数变化发生变化。只有保证所选择的波函数满足边界条件及归一化条件，参数越多时，其结果越好。

变分法其应用的优点在于其求解过程并不受到什么限制，但其结果好坏完全是由尝试波函数选择来确定。为此，在应用结构变分法解决物理量子力学问题时，应保证变分法所选择的尝试波函数的合理性及科学性。

4 结语

当前，微扰法及变分法是处理物理量子力学问题常见的方法。微扰法求解存在一定局限性，变分法求解并不受到任何限制，变分法属于处理函数的一种方式，与处理数的函数的普通微积分保持着相对立关系。应用变分法，可以实现泛函临界点对应。变分法在解决物理问题中发挥着十分重要的作用，尤其是在量子力学领域。本文在概述变分法的基础上，对量子力学变分原理进行分析，并通过一维谐振子对变分法在量子力学中的应用进行分析。通过实践证明，变分法在处理量子力学问题方面具有较大优势，保证尝试波函数选择合理性，是实现变分法效果的关键。

参考文献

[1]邓小辉，许成科，汪新文，等.变分法在量子力学中的应用[J].衡阳师范学院学报，2013，34（3）：146-148.

[2]陈霞，唐晨.量子力学基态能量计算的改进蚁群优化算法[J].计算物理，2010，27（4）：624-632.

[3]额尔敦朝鲁，乌云其木格，宝日玛，等.量子棒中强耦合磁极化子基态能量的磁场和温度依赖性[J].中国石油大学学报：自然科学版，2010，34（6）：177-180.

[4]蒋逢春，苏玉玲，李俊玉，等.量子尺寸效应对

InGaN/GaN量子点中的类氢杂质态的影响[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2012，27（2）：102-104.

[5]叶霄凌.内抛物柱形量子线的电子基态能量[J].科技风，2011（21）：49-50.

量子力学对科技的影响范文第3篇

[关键词]物理学理论 计算机技术 量子计算机

中图分类号：O4-39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0198-01

一、近代物理学理论的发展与现代物理学理论

现代物理学的发展即为19世纪至今，是现代物理学理论发展不断壮大的时期。

当力学，热力学，统计学，电磁学都发展的很完善时，有“两个不稳定因素”打破了物理界的当时的境况，推动了物理学的变革。第一个是迈克尔逊-莫雷实验，即在实验中没测到“以太风”，也就是说不存在真正的参考系，光速与光源运动无关，光速各向同性。第二个是黑体辐射实验，用经典物理学理论无法解释实验结果。

20世纪初，爱因斯坦打破了传统的物理学理论，提出了侠义相对论，彻底了之前牛顿提出的绝对时空观的理论。十年后又创立了广义相对论，阐述了万有引力的实质。

物理学界的第二个稳定因素――黑体辐射实验，通过普朗克，爱因斯坦，玻尔等一大批物理学家的努力下，量子力学应时诞生了。随着薛定谔波动方程解释物质与波的关系，量子力学愈来愈趋于完善。

量子力学与相对论力学在现代物理学理论发展中是不可忽略的伟大成就。这两个的研究的对象也发生了改变，由低速到高速，宏观到微观等，物理学理论也日趋成熟。

二物理学理论是计算机诞生的基础

物理学作为理论基础：随着微积分、力学三大定律、万有引力定律，经典光学理论的建立，总所周知的一位伟大的物理学家――牛顿的整个力学的体系也完美的呈现于人们眼中。一对天才数学家布尔和德莫根历经无数次的推演证明，挖掘出了数理逻辑中那闪耀着最亮的光辉――布尔代数：电磁理论则是伟大的物理学家法拉第和麦克斯文创立的！而微观领域上的量子力学经由多位物理学家――德布罗意、玻尔、爱因斯坦、海森伯、薛定谔建立;还有电子三极管经过无数次实验也被德弗雷斯发明出来了。

上世纪40年代，200多位的专家研制小组由美国国防部任命的莫奇利和埃克特领导着并且克服了无数困难，两年中坚持的开发创新，人类第一台计算机――ENIAC（1946）在宾夕法尼亚大学研制成功！这不仅是第一台电子管数字积分计算机更是人类文明进步的一大步。

随着第一台计算机的成功研制的第二年，一种不仅小而且安全可靠，又不会变热，结构也什么简单的晶体管在美国的科学家巴丁等人研制出来。德克萨斯一器和仙童公司也紧跟着飞速发展的科技的步伐，在1953年成功的生产出了首个集成电路。次年，得克萨斯仪器公司首先的宣布他们拥有了集成电路的生产线，这意味着集成电路可以大量的投入生产和使用，然后TRADIC――首台晶体管计算机诞生了，这个在体积上要小很多的计算机就诞生了。

伴随着集成电路的出现，第三代计算机则是诞生在60年代中期。同样是由IBM公司生产出的IBN600系列计算机成为了第三代计算机的代表产品。早一些的INTEL8080CPU的晶体管集成度超过5000管/片，1977年在一个小小的硅片上就可包含几万个管子。

随着时间的推移，以大比例的集成电路当作逻辑元件和存储器的第四代计算机也向着微型或巨型改。计算机的处理器也由8086不停地在转化，到了我们熟知的奔腾系列。

不管是计算机的理论基础还是硬件设施，其实都是以物理学理论为根本的。物理学理论与计算机技术在未来的日子里互相补益，会不断的推动科学向前飞速发展的。

三、计算机零件应用的物理学理论

液晶屏，一听名字就可以想象得到它是以液晶材料为基本组件的。实际上液晶屏就是把液晶材料填充于两块平行板之间，并且利用电压来改变其材料内部的分子排列情况，控制遮光与透光以显示明暗不同，鳞次栉比的图案。如果想要显示彩色的图案时，只要把带着三元色的滤光层加入到两块平行板之间就可以了。液晶屏的广泛应用还因为其功耗十分的低，应用电池的电子产品都可以配置液晶屏。由于液晶介于固态与液态之间，那么就可以既体现固态晶体所有的光学特性，还可以表现出液态的流动特性。总结液晶的物理特性可归纳为：粘性、弹性和其极化性。

目前的CPU一般就是包括三个部分：基板、核心、针脚。大家都知道有一种电脑的硬件的组成的基本单位十分的重要，就是晶体管，而CPU的主要的组成也是晶体管。AMD主流CPU内核在早期的Palomino核心和Thoroughbred-B核心的配备，通常采用3750万个晶体管，而Barton核心使用了5400万个晶体管，核心Opteron处理器使用多达1.06亿个晶体管;。因此，实际上说的CPU核心构成的最基本单位就是晶体管的的芯数，针脚。所说的基板通常是印刷电路板，它承载着核心与针脚。然后该晶体管通过电路连接，成为一个不可或缺的整体，然后可以去分成不同的执行单元，每个单元又可以去处理不同的数据，这样有秩序的完成每个任务，才会准确而快速，这也是CPU为何拥有如此强大的处理能力的原因。

其实还有很多的零件都运用了大量的物理学理论。下面向大家介绍一下比较先进的计算机――量子计算机。

四、简介量子计算机

从物理观点看，计算机是一个物理系统.计算过程是一个物理过程。量子计算机是一个量子力学系统，量子计算过程就是这个量子力学系统内量子态的演化过程。

量子计算机以量子力学建立逻辑体系，与量子计算机有关的量子力学的原理，即量子状态的主要性质包括：状态叠加、干涉性、状态变化、纠缠、不可复制性与不确定性。

量子计算机具有学术价值和产业价值不可估量。对人类的文明，它实际上是一个很大的进步，我认为最主要的方面则是它的工业价值。最直接的应用各种各样的量子算法，他就可以用于商用化。

可以回想机器在20年前的悲惨境况和现在的春分得意，利用机器学习是很难在工业部门查找数值，因为计算能力的时候真的很烂。然后还要测试几个月，谁还有时间来调整参数啊。而这两十年间，计算机体系结构不断的优化下，机器学习强大了好多倍。想想看，如果我们比今天的计算能力更强大，我们无法想象一个强大的AI强量子任务不是指日可待？而当每家每户都有一个量子计算机，互联网将演变成什么形式？总之，商业量子计算机将是未来科技的发动机，就像蒸汽机是工业文明的象征，量子计算机的前景值得我们期待！

我国科技飞速发展的今天，我们不难发现现代生活已经步入了一个电子的天堂，计算机将会发挥它不可估量的价值，而作文计算机技术的支架――物理学理论也在不断的发展着，这就要求我们在紧跟着的脚步，努力研究，发现问题、认识问题、解决问题，逐渐的将我们国力壮大，2020年全面建成小康社会。

参考文献

[1] 王炳根.百年物理学发展的回顾与未来的展望[J].南平师专学报. 1997，04：11-14.

量子力学对科技的影响范文第4篇

最吸引人的是美猴王。孙悟空有一个功能就是分身术，毫毛一拔，到处一扔，就变出好多个孙悟空。他还有另外一种非常强大的功能――筋斗云。翻一个筋斗，就可以从一个地方消失，在另一个非常遥远的地方出现。这有点像我们前阵子看到的科幻电影《星际穿越》里面的场景。

神话与现实：人可以在不同的时空生活

大家就问了，这些东西在我们现实生活当中到底能不能实现？大家都知道，得益于电动力学的建立，我们能进行无线电的通信。在1888年，赫兹在卡尔斯鲁厄――德国的小镇，做了一个实验来验证电磁波是不是存在。赫兹在这边一抖，那边即时的电火花就发生了。正因为有这些发明，后来有了电话，有了电视机，到现在我们用的手机，都可以现场实现千里眼、顺风耳这么神奇的功能了。所以我说，物理学真的非常有意思，它可以保证信息的有效传输。

狭义相对论和广义相对论都告诉了我们确实存在某种特殊的情况，有些地方时间过得慢一点，有的地方时间就过得快一点。比如在一个引力特别强的地方，一个小时甚至等于远处地方的七年。举个例子，如果有对双胞胎兄弟，有一个是宇航员，坐着宇宙飞船在宇宙中进行快速的旅行。等他回来之后，他双生的兄弟，已经变得很老了。这样的现象，在物理世界、在高速飞行的粒子里面，已经能看到了。确实是可以实现的。

因此形成了这样一种观点：我们在古代通过口口相传，进行信息的传递、交流和共享。随后我们有了文字，也可以通过书信来传递信息。到了后来，随着科技的发展，第一次工业革命热力学的发现，电动力学的运用，信息的传递效率变得越来越高。到了现代，因为有计算机和互联网的出现，整个地球都变成一个村子了。

有两个永恒主题将一直伴随着我们人类进化和社会发展：首先，怎样来加强信息交互的效率，把信息中有用的知识提取出来，进行传播、共享？这是非常重要的。同时，要加强隐私的保护，保证每个人思想的自由。比如说，如果可以非常方便地看到别人在想什么，可以控制他的思想的话，每个人都不可能进行自由的创造了。所以我觉得，隐私的保护是我们人类未来的一个基本保证。不然，我们就没办法继续进化下去了。

量子世界：事物可以同时在两个地方“存在”

我今天想跟大家分享的一个观点，就是量子力学在近百年的发展过程当中已经为解决这些重大的问题做好了准备。

量子力学认为：第一，在某些特殊的情况下，如果说你没有看这个客体到底是处于哪个位置的时候，在特定情况它可以同时处在两个位置。第二，就是客体的状态，只要观测一下，对它的影响就不可逆转了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。

牛顿力学是一个非常美的理论。它告诉我们一个粒子和周围环境明确的话，它未来的运动状态，就可以计算出来了。如果所有的粒子都是由牛顿力学在控制的话，那么我们什么时候死、谁做生命学家、谁做物理学家，在宇宙大爆炸这个时候就已经确定了，个人的努力是毫无意义的。

从这个角度上讲，量子力学比经典牛顿力学哲学，要更加积极一些。量子力学告诉我们个人的行为、对体系的测量是可以影响世界的，从哲学上讲是非常积极的。

举个例子，我到北京来，送给朋友一个骰子，我事先做好了，送给他的这个骰子跟另一个骰子是纠缠态。然后我回到上海去了，就跟他说，你扔手中的那个骰子。他扔了好多次，把结果写下来，每次随机得到1到6里面的某一个点数。我就能跟他说你第一次扔的点数是多少，第二次是多少，我都可以猜得出来。这样的现象，我们把它叫作遥远地点之间的诡异互动。在2015年，这现象基本在物理角度被确证了，只剩一个很小的漏洞。这是我们正在做的一个研究。

量子通信：隐密、高速的信息交互

由此，新的科学就诞生了。有了量子的0加1之后，一些新的东西就诞生了。例如，可以利用它来保证原理上无条件的安全通信。如果将来立法，我们可以利用这种手段，保证我们的隐私。

利用这种量子计算手段，也可以算得非常地快，可以有效地揭示复杂物理体系的规律。就是说，可以把计算能力和信息安全两个问题都比较好地解决。

具体来说，比如说量子通信，我们可以用量子密钥分发。因为它是不可复制的，你去探测就会被发现。所以我们就可以有一种绝对安全的通讯方式。其实还有另外一种比较有意思的、利用这样的量子纠缠的概念。

因为时间关系，我只举一个例子。比如说要求解一个10的24次方的变量的线性方程组，用目前最快的天河2号超级计算机大概需要100年左右的时间。而利用万亿次的量子计算机，尽管计算的频率比天河2号要慢1万倍，但它只需要0.01秒就可以把这个方程给求解出来。所以它可以广泛地应用于药物设计、金融分析、气象预报、密码分析等等，用途是比较大的。

当然，也可以利用量子通讯，来构建一个非常好的网络，有城域网、城际网，利用卫星实现的这种广域的量子通信，可以比较好地保证我们的网络安全。

量子力学对科技的影响范文第5篇

【关键词】量子通信；量子信息学；量子信道；光子探测

1.引言

量子通信是量子力学和通信科学相结合的产物，可以实现经典信息论不能完成的信息处理任务。量子通信以量子力学为基础，其研究包括：量子隐形传态、量子安全直接通信等研究方向，对现有信息技术带来了重大突破，引起了学术界高度重视。近年来，有关量子计算机、量子相干性、量子通信、量子密码等理论和研究大热，其中，量子通信作为量子信息研究的内容之一，成为物理学等领域最活跃的研究热点。量子通信理论上可以实现绝对安全的通信过程，最初是利用光纤完成的，但由于光纤受地理和自身限制，无法实现远距离的量子通信，不利于全球化量子通信。1993年，6位来自不同国家的科学提出了利用量子隐形传送方案，构建了一种脱离实物的量子通信系统，以量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成了大容量信息的传输，实现原则上不可被破译的通信技术。由于存在不可避免的环境噪声，量子的纠缠态品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，量子通信不可避免地首先要解决传输距离的限制才能具有良好的应用前景。空间量子通信技术利用分发纠缠光子的方法为远程量子通信的研究提供了一种途径。

2.空间量子通信技术原理

量子通信具有“容量大、速度快、保密性好”的优点，其过程遵从量子力学原理。典型的量子通信系统包括：量子态发生器、通道和量子测量装置。具有量子效应的粒子如：光子、电子、原子等，都可以作为实现量子通信的量子信号[1]。由于光信号具有良好的传输特性，我们现在通常所说的量子通信系统均为量子光通信系统。单光子（纠缠光子对）的分发是实现空间量子通信的前提，空间量子通信技术可以通过空间技术实现全球化的量子通信，克服自由空间链路带来的距离限制，图1给出了典型量子通信实验系统组成。

使用纠缠量子信号的量子态隐形传输技术是未来量子通信网络的核心技术[2]，其原理如下：根据量子力学理论，由两个光子组成的纠缠光子对（薛定谔将多体量子状态的不可分的相互关联称为量子纠缠），无论其在宇宙中相隔多远，其状态均不可分割。单独测量其中一个光子状态，会得到完全随机的结果，根据海森堡测不准原理，一旦测量了其中一个光子的状态，即使其发生了变化，那么另一个光子也会发生同样的变化，即“塌缩”到相同的状态。利用这一特性，通信者Alice随机产生一个比特，再随机改变自己的基来制备传输量子态，并重复多次，接收者Bob通过量子信道进行接收，他测量每个光子，也随机改变自己的基，当两人的基相同时，就得到了一组互补的随机数。一旦窃听者Eve进行窃听，纠缠光子对的特性就被破坏，Alice和Bob就会发觉，因此利用这种方式的通信是绝对安全的。

3.量子通信的研究进展和趋势

人们最初对量子的研究是基于对光的研究进行的，由于量子通信可以建立无法被破译的通信系统，因此受到美国、欧盟、日本等国在内有关科研机构的大力研究和发展，我国在这方面的研究成果也受到了国际上的广泛关注。特别是在量子通信的演示验证试验方面，学术界已经由地面自由空间传输试验向空间传输试验发展[1][3]。

（1）分发协议的发展

1984年，IBM公司的Chales H.Bennet和加拿大蒙特利尔大学的Gilles Brassard提出了第一个分发协议——BB84协议[4]。在1992年，他们又提出了EPR协议，又称E91协议，将纠缠态首次与量子通信联系起来[5]。2002年，Bostrom和Felbinger提出了Ping-pong协议[6]，这是一个十分重要的协议，其信息可以被确定性的直接传输，明显提高了传输相率，受到人们的重视。目前所有实验基本上基于上述协议进行的[7]。

（2）地面自由空间量子通信实验进展

1993年，美国IBM公司基于纠缠态交换的实验方案实现了世界上第一个量子信息传输实验，传输距离32cm，传输速率10bps，从此拉开了量子通信实验研究的序幕[1]。表1给出了现在国内外较著名的地面自由空间量子通信实验及成果[2][8-10]。

其中，中国科学技术大学潘建伟教授、清华大学彭承志教授等人于2005年至2009年间一系列的研究成果表明量子隐态传输穿越大气层是可行的，纠缠光子在穿透等效于整个大气厚度的地面大气后，其纠缠特性仍可以保持，这为未来空间量子通信技术的发展奠定了基础[7]。2007年，Zeilinger领导的联合实验室在奥地利两海岛间实现了跨越144km距离的基于诱骗态和纠缠态量子通信，是目前为止自由空间量子通信实验距离的世界纪录[7]。该实验的单光子源采用弱相干脉冲[10]，链路采用双向主动望远镜跟踪系统，包括一台光学望远镜（可发送单光子同时接收信标激光信号）及一架CCD相机等部件，如图2所示。这个实验的成功被认为是实现空间量子通信的重要基石。

由于量子通信的优势和特点，许多国家都把其列入重点研究范围，纵观各国研究现状，不难发现，美国侧重研究量子理论，正在大力研究和发展量子计算机和量子通信的理论和技术，希望在十年内有所突破。欧洲则对星地量子通信等空间应用较感兴趣，善于联合各国力量推动量子通信技术发展，现已开展相关实验。日本则重点致力于提高量子通信传输速率，并致力于量子网络系统的搭建和研究。我国目前已经在自由空间量子通信上取得了一系列世界领先的科研成果，需要广大科研人员继续努力，保持我国在该领域的领先地位。

（3）量子通信在空间的实验计划

欧空局（ESA）自2002年以来资助了一系列空间量子通信研究，如QSpace项目（2002年-2003年），ACCOM项目（2004年），QIPS（2005年-2007年）。QSpace项目一来是为了验证基于量子物理学的空间通信技术的可行性，二来是为了验证空间量子通信较地面量子通信的优势，如可避免大气扰动和吸收的影响等[11]。为此该项目进行了一些列的试验，获得了空间量子通信四项主要应用方向，对空间量子通信技术优势进行了归纳总结。ACCOM项目主要包括一个空-地单向通信实验，该实验基于当时的星间光通信技术，利用一个空基发射机对多个分布式地基接收机间进行自由空间量子通信实验，首次研发出了一种可重复使用光学收发终端。该项目的实验系统是在经典光学通信系统上进行复杂设计后改建的。QIPS项目即为上面描述的Zeilinger领导的联合实验团队进行的144km量子通信实验。实验表明，144km地面水平传输实验量子信道传输损耗约为25-30dB，这一数值与低轨卫星与地面间传输损耗大致相当，由此可见，同样的技术应用于空-地系统更具发展潜力和优势。

基于上述研究成果，维也纳大学的研究团队于2004年提出了Space-QUEST计划。审核该计划的ELIPS-2项目组认为该计划具有非常巨大的优势并强烈推荐ESA进行资助并实施。Space-QUEST实验旨在首次验证如下内容[11]：

1）基于新型量子通信技术（QKD）的全球无条件安全空间信息传输技术。

2）利用空间环境优势，突破地基量子通信瓶颈，实现空间量子通信。

如图4所示，该计划拟采用国际空间站（ISS）上搭载的量子通信终端设备向地面发送纠缠态光子来进行，搭载的光学望远镜口径仅10-15cm，载荷总重小于100kg，峰值功率小于250W，收发终端间距离大于1000km，远远超过现有地基实验系统传输距离。该计划最终将于2015年实施完成。

（4）空间量子通信技术存在的主要问题

一是空间量子通信噪声干扰消除问题。由于现实通讯状况的不完美和噪声干扰，所有的量子密码协议的噪声干扰如果跟有窃听者存在所带来的噪声没有差别[1]，通信连路是无法建立起来的；二是自由空间量子信道的传输特性问题。不同地面环境对光子传播的影响，包括大气衰减和退极化效应。4.总结

如上所述，近年来量子通信由于其安全性引起了研究人员广泛地兴趣，目前在实验领域取得了一系列进展，其中量子态的隐形传输，量子网络等技术正逐步走向实用。正是因为量子拥有广袤的实用前景，各国均在量子通信技术方面加大科研投入。但是在降低单光子源成本、加大通信传输距离、增强检测概率等一些关键性问题上还需要进一步研究。本文主要阐述了空间量子通信技术的产生、基本原理、发展历程和现状，并对空间量子通信技术存在的问题和难点进行了介绍。笔者相信，随着科学技术的发展，量子通信技术实用化、商用化指日可待。

参考文献

[1]阎毅.自由空间量子通信若干问题研究[J].西安电子科技大学，2009.

[2]CZ Peng，T Yang，et al.Experimental free-space distribution of entangled photon pairs over 13km：towards satellite-based global quantum communication[J].PhysicalReviewLetters，2005（94）.

[3]金贤敏.远程量子通信的实验研究[J].中国科学技术大学学报，2008.

[4]C.H.Bennett and G.Brassard，in Proc.IEEE Int.Conf.on Computers，Systems and Signal Processing Bangalore，India，pp.175-179.

[5]C.H.Bennett，Quantum cryptography using any two nonorthogonal states.Phys.Rev.Lett.68：3121-3124，1992.

[6]Bostrom K，Felbinger T.Deterministic Secure Direct Communication Using Entanglement[J].Phys Rev Lett，2002，89（18）：187-902.

[7]何玲燕，王川.量子通信原理及进展概述[J].中国电子科学研究院学报，2012，7（5）：466-471.

[8]Richard J Hughes，Jane E Nordholt et al.Practical Free-Space Quantum Key Distribution over 10km in Daylight and at Night[J].New Journal of Physics，2002（4）.

[9]RarityJ G，Gorman P M，et al.Secure Key Exchanger Over 1.9km Free-Space Range Using Quantum Crypto-graphy[J].Electronics Letters，2001，37（8）：512-514.