物理前沿专题讲座.pptx

物理前沿专题讲座 量子物理 金亮 2016.7.1 十七世纪末，牛顿《自然哲学之数学原理》出版，创立的经典物理学。 二十世纪初，相对论和量子论的建立，彻底挑战颠覆了经典物理学，是近代物理学的核心。 物理学的发展 第一次科学革命的集大成之作，它在物理学、数学、天文学和哲学等领域产生了巨大影响。 《自然哲学的数学原理》提出了经典力学的三个基本定律和万有引力定律 量子概念的提出 1900年，普朗克在研究黑体辐射时提出能量量子化假说，揭开20世纪物理学革命的序幕； 1905年，爱因斯坦用光量子假说解释光电效应； 1913年，波尔创造性的将量子概念应用于卢瑟福的原子模型，建立半经典，半量子的氢原子理论，说明了氢原子光谱的规律； 1923年，德布罗意提出物质波假说； 1926年，薛定谔提出薛定谔方程，建立量子力学。 量子力学的建立 1927年第五次索尔维会议 量子理论  相对论 DNA结构 二十世纪三大科学发现 诺贝尔奖 薛定谔、狄拉克(1933) 海森堡(1932) 德布罗意(1929) 普朗克(1918) 爱因斯坦(1921) 玻尔(1922) 电子的波动性 原子结构和辐射 光电效应 发现量子 创立量子力学 量子力学的基本方程 薛定谔、狄拉克方程 双缝干涉实验 波动性 粒子性 叠加原理 “God doesn’t play dice!” 上帝不掷骰子！ 巨大争议 薛定谔猫态 1935年，奥地利物理学家薛定谔提出著名的“薛定谔猫”佯谬。 美国科学家实现了6个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态 猫态: 可分辨宏观量子态 量子退相干 拉比震荡 退相干 宏观量子现象 超导 超流 BEC 玻色子是自旋为整数的粒子，其本征波函数对称，在玻色子的某一个能级上，可以容纳无限个粒子。因而符合玻色-爱因斯坦统计分布的粒子，不满足泡利不相容原理。 费米子为自旋为半整数的粒子，其本征波函数反对称，在费米子的某一个能级上，最多只能容纳一个粒子。因而符合费米-狄拉克统计分布的粒子，满足泡利不相容原理 。 玻色子-费米子 基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料（如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子）；而传递作用力的粒子（光子、介子、胶子、W和Z玻色子）都是玻色子。 玻色子具有整体特性，在低温时集聚到能量最低的同一量子态(基态)；费米子具有互相排斥的特性，它们不能占据同一量子态，因此其它的费米子就得占据能量较高的量子态，原子中的电子就是典型的费米子。 1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态——玻色爱因斯坦冷凝态，即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时，所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。 1995年，麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学波尔德分校（University of Colorado Boulder）的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用气态的铷原子在170 nK（1.7乘10的-7次方K）的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下，几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC) …... 1985年，量子霍尔效应 1986年，扫描隧道显微镜 1989年，离子阱 1996年，氦-3超流 1997年，激光制冷 1998年，分数量子霍尔效应 量子物理相关的诺贝尔物理学奖 2001年，玻色-爱因斯坦凝聚态 2003年，超导，超流 2007年，巨磁阻效应 2012年，量子操控 量子比特 经典信息 经典系统的状态 量子系统的状态 量子信息 二能级原子 硬币 量子门 Hadamard gate, Pauli-X gate, 这个门相当于经典的逻辑非门。 它将 |0换成 |1并且 |1换成 |0。 Pauli-Y gate, 这个门可以用一个 泡利 Y 矩阵表示：  这个门保留基本状态 |0不变,并且将 |1换成 |-1。 Pauli-Z gate, 这个门保留基本状态 |0并且将 |1换成 eiθ|1。 Phase shift gate, 可分离 不可分离 量子纠缠态 Non-entangled Entangled 量子纠缠态 非经典关联 一对一 A B 非定域性 三个量子比特(qubit) 的GHZ态和W态 在量子密码学里，纠缠粒子被用来传输信息，使用这种方法，任何窃听动作必定会留下痕迹。 (2) 在量子计算学里，纠缠量子态可以做并行计算，允许某些种运算的速度比经典计算机快很多。 很多正在研发中的科技依靠量子纠缠为基本运作机制。 Laser Cooling (激光冷却) 1997 Nobel Prize winners. Laser cooling can get to th