2012量子力学第一章3.ppt

引言 一.量子力学的研究对象 反映微观粒子运动规律的基础理论 二.学习量子力学的必要性(量子力学的发展与应用) 1.量子力学是近代物理的基础, 20世纪物理学两个划时代的里程碑: (1)、狭义相对论，改变了牛顿力学的绝对时空观，指明了牛顿力学的适用范围 (2)、量子力学，涉及物质运动形式的根本变革，经典物理学只适用描述一般宏观条件下的物质运动，微观世界只有量子力学才可以描述。 2.量子力学在自然科学的各领域获得广泛应用(生物、化学、信息科学、光学、统计等） 3.量子力学与现代科技的发展密切相关(原子能技术、激光、大规模集成电路、量子通讯、量子计算机）量子力学走向工业化已经势不可挡。 4.物理专业本科生提高专业素质的需要，在物理学的任何领域工作，没有量子力学，是不可思议的。 I）量子理论的诞生 量子论的生日—1900年12月14日。 M. Planck： 在柏林物理学会上报告他的公式（普朗克公式）的量子说明——辐射能量在吸收或发射时以整个量子进行，频率为 的辐射振子的能量为 。 这就宣告了量子论的诞生。 M. Planck, Ann.Physik, 4(1901)553. II）量子力学是甚么？ 量子力学是什么？ 量子力学，更广泛地说——量子理论，是研究微观世界物质运动和变化的基本规律的科学。 由于我们宏观物质全是由微观物质组成的，宏观世界全部建立在微观世界上面。因此，量子力学便无处不在、普遍适用。 III）自诞生起至今，它的势头（1） 自从量子理论诞生以来，它的发展和应用一直广泛深刻地影响、促进和触发人类物质文明的大飞跃。近80年的人类全部历史可以作证。 可以把所有学科名称前面冠以“量子”二字，就会发现：已经形成或将要形成一门新的理论、一门新的学问。物理学内部就有很多这种情况。不必说物理学中以量子力学为主要理论支柱的学科；单是直接添加这两个字就形成新学问的就有： 光学—量子光学 电子学—量子电子学 电动力学—量子电动力学 统计力学—量子统计力学 经典场论—量子场论 在物理学之外也是大量的： 化学—量子化学 生物学—量子生物学 宇宙学—量子宇宙学 网络—量子网络 信息论—量子信息论 计算机—量子计算机 就连投机家所罗斯的基金会也时髦的冠以“量子”二字：“量子基金会” 自诞生起至今，它的势头（续2） 百年（1901—2002）来总共颁发 Nobel Prize 96 次 （其中1916,1931,1934,1940,1941,1942共6年未颁奖） 单就物理奖而言：直接由量子理论得奖 或与量子理论密切相关而得奖的次数有 57 次 （直接由量子理论得奖25次） 自诞生起至今，它的势头（续3） Nature杂志2000年总结100年来在它上面发表的文章。从登载的数千篇文章中精选出21篇具有里程碑性的文章。其中与量子力学有关的竟占14篇。 量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现在，已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚态物理、超流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多物理分支学科的共同理论基础。而且在量子理论的框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论进入了宇宙起源和黑洞理论。 总之，量子理论诞生后这100年来的发展，使得： 量子理论成为整个近代物理学的共同理论基础。 IV）自20世纪80年代以来，量子力学又有很大发展 量子信息论和量子计算机： 位(bit)—量子位(qubit) {既是Yes又是No： |Yes+|No} 存贮器—量子存贮器 {各个位不一定有确定的状态} 逻辑门—量子逻辑门 网络—量子网络 算法—量子算法 {Deutsch\DFT\Shor\Grover} {并行计算、超高速、超大容量} 通讯—量子通讯 {超大容量、天然保密} 编码—量子编码 密码—量子密码 密钥—量子密钥 经典可克隆—量子不可克隆 {经典克隆是硬件克隆；量子克隆是软硬件全部克隆，原理上不可能} 经典通讯的定域传播—量子通讯的非定域传播 V）当前量子力学的重要应用 量子生物学 量子生命科学 量子神经网络 量子化学 量子材料科学 量子信息科学 量子计算机科学 BEC器件、原子器件 目前，它正在向材料科学、化学、生物学、信息科学、计算机科学大规模渗透。 预计不久的将来它将会成为 整个近代科学共同的理论基础 国家重点基础研究发展计划和重大科学研究计划2013年重要支持方向 量子调控研究 1. 基于固态量子比特的