量子力學(xué)的新應用
量子力學(xué)的新應用【1】
摘 要:首先分析了量子力學(xué)對計算機技術(shù)發(fā)展的影響,再詳細說(shuō)明了將量子力學(xué)應用在計算機技術(shù)中可使量子計算機具有優(yōu)越的性質(zhì),最后介紹了未來(lái)量子計算機發(fā)展的趨勢。
關(guān)鍵詞:量子力學(xué) 量子計算機
1量子力學(xué)對計算機技術(shù)發(fā)展的影響
自1646年第一臺電子計算機問(wèn)世以來(lái),其芯片發(fā)展速度日益加快。
按照芯片的摩爾定律 ,其集成度在不久的將來(lái)有望達到原子分子量級。
在享受計算機飛速發(fā)展帶來(lái)的種種便利的同時(shí),我們也不得不面臨一個(gè)瓶頸問(wèn)題,即根據量子力學(xué)理論,在芯片發(fā)展到微觀(guān)集成的時(shí)候,量子效應會(huì )影響甚至完全破壞芯片功能。
因此,量子力學(xué)對計算機技術(shù)發(fā)展具有決定性作用。
1.1量子力學(xué)簡(jiǎn)介
量子力學(xué)是近代自然科學(xué)的最重要的成就之一. 在量子力學(xué)的世界里,一個(gè)量子微觀(guān)體系的狀態(tài)是由一個(gè)波函數來(lái)描述的,而非由粒子的位置和動(dòng)量描述,這就是它與經(jīng)典力學(xué)最根本的區別。
1.2量子力學(xué)與量子計算機
量子力學(xué)的海森堡測不準原理決定了粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)確定的()。
當計算機芯片的密度很大時(shí)(即很小)將導致很大,電子不再被束縛,產(chǎn)生量子干涉效應,而這種干涉效應會(huì )完全破壞芯片的功能。
為了克服量子力學(xué)對計算機發(fā)展的限制,計算機的發(fā)展方向必然和量子力學(xué)相結合,這樣不僅可以越過(guò)量子力學(xué)的障礙,而且可以開(kāi)辟新的方向。
量子計算機就是以量子力學(xué)原理直接進(jìn)行計算的計算機.保羅•貝尼奧夫在1981年第一次提出了制造量子計算機的理論。
量子計算機的存儲和讀寫(xiě)頭都以量子態(tài)存在的,這意味著(zhù)存儲符號可以是0、1以及它們的疊加。
2量子計算機的優(yōu)點(diǎn)
近年來(lái)的種種試驗表明,量子計算機的計算和分析能力都超越了經(jīng)典計算機。
它具有如此優(yōu)越的性質(zhì)正在于它的存儲讀取方式量子化。
對量子計算機的原理分析可知,以下兩個(gè)個(gè)特性是令量子計算機優(yōu)越性的根源所在。
2.1存儲量大、速度高
經(jīng)典計算機由0或1的二進(jìn)制數據位存儲數據,而量子計算機可以用自旋或者二能級態(tài)構造量子計算機中的數據位,即量子位。
不同于經(jīng)典計算機的在0與1之間必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加態(tài)。
因此,量子計算機的n個(gè)量子位可以同時(shí)存儲2n個(gè)數據,遠高于經(jīng)典計算機的單個(gè)存儲能力; 另一方面量子計算機可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)讀取和計算,遠優(yōu)于經(jīng)典計算機的單次計算能力。
量子計算機的存儲讀取特性使其具有存儲量大、讀取計算速度高的優(yōu)點(diǎn)。
2.2可以實(shí)現量子平行態(tài)
由量子力學(xué)原理可知,如果體系的波函數不能是構成該體系的粒子的波函數的乘積,則該體系的狀態(tài)就處在一個(gè)糾纏態(tài),即體系的粒子的狀態(tài)是相互糾纏在一起的。
而量子糾纏態(tài)之間的關(guān)聯(lián)效應不受任何局域性假設限制,這使兩個(gè)處在糾纏態(tài)的粒子而言,不管它們離開(kāi)有多么遙遠,對其中一個(gè)粒子進(jìn)行作用,必然會(huì )同時(shí)影響到另外一個(gè)粒子.正是由于量子糾纏態(tài)之間的神奇的關(guān)聯(lián)效應, 使得量子計算機可以利用糾纏機制,實(shí)現量子平行算法,從而可以大大減少操作次數。
3量子計算機發(fā)展現狀和未來(lái)趨勢
3.1量子計算機實(shí)現的技術(shù)障礙
到目前為止,世界上還沒(méi)有真正意義上的量子計算機,它的實(shí)現還有許多技術(shù)上的問(wèn)題。
量子計算機的優(yōu)越性主要體現在量子迭加態(tài)的關(guān)聯(lián)效應. 然而,環(huán)境對迭加態(tài)的影響以及迭加態(tài)之間的相互作用會(huì )使這種關(guān)聯(lián)效應減弱甚至喪失,即量子力學(xué)去相干效應.因此應盡量減少環(huán)境對量子態(tài)的作用。
同時(shí),萬(wàn)一由于相干效應引入了錯誤信息,必需能及時(shí)改正,這需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗。
另一方面,量子態(tài)不能復制,使得不能把經(jīng)典計算機中很完善的糾錯方法直接移植到量子計算機中來(lái).由于量子計算機在計算過(guò)程中不能對量子態(tài)測量, 因為這種測量會(huì )改變量子態(tài), 而且這種改變是不可恢復的,因此在糾錯方面存在很多問(wèn)題。
3.2量子計算機的現狀
由于上述兩種原因,現在還無(wú)法確定未來(lái)的量子計算機究竟是什么樣的, 目前科學(xué)家門(mén)提出了幾種方案.
第一種方案是核磁共振計算機. 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 兩種狀態(tài),重點(diǎn)在于實(shí)現自旋狀態(tài)的控制非操作,優(yōu)點(diǎn)在于盡可能保證了量子態(tài)和環(huán)境的較好隔離。
第二種方案是離子阱計算機. 其原理是將一系列自旋為1/2 的冷離子被禁錮在線(xiàn)性量子勢阱里, 組成一個(gè)相對穩定的絕熱系統,重點(diǎn)在于由激光來(lái)實(shí)現自旋翻轉的控制非操作其優(yōu)點(diǎn)在于極度減弱了去相干效應, 而且很容易在任意離子之間實(shí)現n 位量子門(mén)。
第三種方案是硅基半導體量子計算機. 其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實(shí)現存儲信息的量子位,重點(diǎn)在于用絕緣物質(zhì)實(shí)現量子態(tài)的隔絕,其優(yōu)點(diǎn)在于可以利用現代高效的半導體技術(shù)。
此外還有線(xiàn)性光學(xué)方案, 腔量子動(dòng)力學(xué)方案等.
3.3量子計算機的未來(lái)
隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,量子計算機也會(huì )逐漸走向現實(shí)研制和現實(shí)運用。
量子計算機不但于未來(lái)的計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān),更重要的是它與國家的保密、電子銀行、軍事和通訊等重要領(lǐng)域密切相關(guān)。
實(shí)現量子計算機是21 世紀科學(xué)技術(shù)的最重要的目標之一。
參考文獻:
[1]胡連榮. 速度驚人的量子計算機[J].知識就是力量
[2]付剛.“量子計算機”解密[N].中安在線(xiàn)-安徽日報
[3]譚華海.量子計算機研究的最新進(jìn)展[J].教育部科技發(fā)展中心內刊.
[4]朱迅. 量子計算機[J].三思科學(xué).
[5]張同民.量子計算機原理簡(jiǎn)介[J].黑龍江科技信息.
量子力學(xué)的發(fā)展及應用【2】
摘 要：量子力學(xué)是對經(jīng)典物理學(xué)在微觀(guān)領(lǐng)域的一次革命。
它有很多基本特征，如不確定性、波粒二象性等，在原子和亞原子的微觀(guān)尺度上將變的極為顯著(zhù)。
愛(ài)因斯坦、海森堡、波爾、薛定諤、狄拉克等人對其理論發(fā)展做出了重要貢獻。
量子力學(xué)是現代物理學(xué)基礎之一，在低速、微觀(guān)的現象范圍內具有普遍適用的意義。
論述了量子力學(xué)的發(fā)展以及與量子力學(xué)相關(guān)的物理概念，討論了量子力學(xué)研究的主要內容。
關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 量子力學(xué)發(fā)展 質(zhì)子和粒子
前言：量子力學(xué)是對牛頓物理學(xué)的根本否定。
l9世紀末正當人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就歡呼的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無(wú)法解釋的現象一個(gè)接一個(gè)地發(fā)現了。
在經(jīng)典力學(xué)時(shí)期，物理學(xué)所探討的主要是那些描述用比較直接的試驗研究就可以接觸到的物理現象的定律和理論。
在宏觀(guān)和慢速的世界中，牛頓定律和麥克斯韋電磁理論是很好的自然定律。
而對于發(fā)生在原子和粒子這樣小的物體中的物理現象，經(jīng)典物理學(xué)就顯得無(wú)能為力，很多現象沒(méi)法解釋。
1.量子力學(xué)的起源
量子論起源于經(jīng)典物理學(xué)體系中出現的反常的經(jīng)驗問(wèn)題，以及相伴隨的概念問(wèn)題。
量子力學(xué)的發(fā)展主要歸功于四位物理學(xué)家。
德國的海森伯于1926年作出了量子力學(xué)理論的第一種表述。
利用矩陣力學(xué)的理論，求得描述原子內部電子行為的一些可觀(guān)察量的正確數值。
接著(zhù)，奧地利的薛定諤發(fā)表了波動(dòng)力學(xué)，是量子力學(xué)的另一種數學(xué)表述。
同年，德國的伯恩對上述兩種數學(xué)表述作出可以接受的物理解釋?zhuān)⑹紫仁褂?ldquo;量子力學(xué)”這個(gè)名詞。
1928年，英國的狄拉克又把上面的理論加以推廣，并與狹義相對論結合起來(lái)。
量子力學(xué)是對牛頓物理學(xué)的根本否定。
牛頓認為物質(zhì)是由粒子組成的，粒子是一個(gè)實(shí)體，量子力學(xué)認為粒子是波，波是無(wú)邊無(wú)際的。
牛頓認為宇宙是一部機器，可以把研究對象分成幾部分，然后對每一部分進(jìn)行研究。
量子力學(xué)認為自然界是深深地連通著(zhù)的，一定不能把微觀(guān)體系看成是由可以分開(kāi)的部分組成的。
因為兩個(gè)粒子從實(shí)體看可以分開(kāi)，從波的角度他們是糾纏在一起的。
牛頓認為宇宙是可以預言的，而量子力學(xué)認為，自然界在微觀(guān)層次上是由隨機性和機遇支配的。
牛頓認為自然界的變化是連續的，量子力學(xué)認為自然界的變化是以不連續的方式發(fā)生的。
2.量子力學(xué)的形成
2.1 量子假說(shuō)的提出
1900年l2月14日，德國物理學(xué)家普朗克在柏林德國物理學(xué)會(huì )一次會(huì )議上提出了黑體輻射定律的推導，這一天被認為是量子力學(xué)理論的誕辰日。
在推導輻射強度作為波長(cháng)和絕對溫度函數的理論表達式時(shí)，普朗克假設構成腔壁的原子的行經(jīng)像極小電磁振子，各振子均有一個(gè)振蕩的特征頻率。
振子發(fā)射電磁能量于空腔中，并自空腔中吸收電磁能量，因此可以由在輻射平衡狀態(tài)的振子的特性而推出空腔輻射的特性。
而關(guān)于原子的振子，普朗克作了兩項
根本的假設，現簡(jiǎn)述如下：
�、� 振子不能為“任何能量”，只能為：
(1)式中：為振子頻率，為常數(現稱(chēng)為普朗克常數)，只能為整數(現稱(chēng)為量子數)，(1)式斷言振子的能量只能是一份一份的，而不能是連續的，即振子能量是量子化的。
�、谡褡硬⒉贿B續放射能量，僅能以“跳躍”方式放射，或稱(chēng)“量子式”放射。
當振子自一量狀態(tài)改變至另一態(tài)時(shí)，即放出能量量子。
因此，當改變一個(gè)單位時(shí)，放射之能量為：
只要振子仍在同一量子狀態(tài)，則既不放射能量也不吸收能量。
2.2 愛(ài)因斯坦利用量子假說(shuō)揭開(kāi)光電效應之謎
愛(ài)因斯坦根據普朗克的量子假設推理認為：如果一個(gè)振動(dòng)電荷的能量是量子化的，那么它的能量變化只能是從一個(gè)允許的能量瞬時(shí)地躍遷到另一個(gè)允許的能量，因為根本不允許它具有任何中間的能量值。
而能量守恒就意味著(zhù)，發(fā)射出的輻射必須是以一股瞬時(shí)的輻射進(jìn)發(fā)的形式從振動(dòng)電荷產(chǎn)生出來(lái)，而不是電磁波理論所預言的長(cháng)時(shí)間的連續波。
愛(ài)因斯坦得出結論：輻射永遠以一個(gè)個(gè)小包、小粒子的形式出現，但不是象質(zhì)子、電子那樣的實(shí)物粒子。
這些新粒子是輻射構成的;它們是可見(jiàn)光粒子、紅外光粒子、 射線(xiàn)粒子等等。
這些輻射粒子叫做光子。
光子和實(shí)物粒子不同：它們永遠以光速運動(dòng);它們的靜止質(zhì)量為零;振動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生光子。
3.量子力學(xué)的宇宙觀(guān)
在原子的量子理論的探討中，從對氫原子的研究中發(fā)現，氫原子有無(wú)數個(gè)量子態(tài)。
而電子多于一個(gè)的原子有更復雜的量子態(tài)，這些量子態(tài)都從求解適合于該特定原子的薛定諤方程，并且要求其場(chǎng)剛好環(huán)繞原子核產(chǎn)生駐波而求得。
由于這些量子態(tài)的每一個(gè)都是有特定頻率的駐波，并且波的頻率和它的能量相聯(lián)系，預期每個(gè)量子態(tài)只有一個(gè)特殊的能量。
這就是說(shuō)，預期任何一個(gè)態(tài)的能量不會(huì )有任何量子不確定性。
可以對每個(gè)態(tài)的能量大小作合理的猜測。
由于質(zhì)子作用于電子的力是吸引力，要把一個(gè)電子向外拖到離原子核更遠的地方就必須做功。
因此電子離原子核越遠，電子的電磁能量就越高。
量子理論的中心思想是，一切東西都由不可預言的粒子構成，但這些粒子的統計行為遵循一種可以預言的波動(dòng)圖樣。
1927年，德國物理學(xué)家海森伯發(fā)現，這種波粒二象性意味著(zhù)，微觀(guān)世界具有一種內稟的，可以量化的不確定性。
量子理論的最大特點(diǎn)也許是它的不確定性。
量子不確定的實(shí)質(zhì)是，完全相同的物理情況將導致不同的結果。
哥本哈根學(xué)派解釋的結論是，微觀(guān)事件真的是不可預言的。
而且，當我們說(shuō)一個(gè)微觀(guān)粒子的位置是不確定的時(shí)候，意思并不僅僅是我們缺乏有關(guān)其位置的知識。
相反，意思是這個(gè)粒子的確沒(méi)有確定的位置
結語(yǔ)：量子力學(xué)在低速、微觀(guān)的現象范圍內具有普遍適用的意義。
它是現代物理學(xué)基礎之一，在現代科學(xué)技術(shù)中的表面物理、半導體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。
量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標志著(zhù)人類(lèi)認識自然實(shí)現了從宏觀(guān)世界向微觀(guān)世界的重大飛躍。
參考文獻
[1] 曾謹言.量子力學(xué)導論[M].2版.北京大學(xué)出版社，2OOO.
[2] 楊仲耆，申先甲.物理學(xué)思想史[M].長(cháng)沙：湖南教育出版社，l993.
[3] 張德興，桂起權.通向人類(lèi)思想的深層：哲人科學(xué)家――玻恩[M].福州：福建教育出版社，1996.
【量子力學(xué)的新應用】相關(guān)文章：
新的學(xué)期新的開(kāi)始作文10-14
新校園新環(huán)境隨筆02-17
新的一年，新的希望作文12-15
新的一年新的起點(diǎn)作文11-25
新的一年新的開(kāi)始作文11-04
應用寫(xiě)作作文10-16
小學(xué)教案比的應用03-05
比的應用教案優(yōu)秀10-25
新的一年新的開(kāi)始的經(jīng)典語(yǔ)錄10-24
新的計劃作文09-09