量子信息科学在中国科学技术大学的兴起和发展

量子信息科学在中国科学技术

大学的兴起和发展

摘要：文章介绍了中国科学技术大学的量子信息科学研究是如何兴起和发展的；着重介绍了在量子信息的基础理论、量子密码、量子纠缠、量子隐形传态、量子处理器和量子信息的应用等方面所取得的研究成果.

关键词量子信息，量子纠缠，量子通信，量子计算

1 引言

上世纪80年代，正当电子计算机按每18个月运行速度翻一番的摩尔定律而蓬勃发展之际，物理学家就杞人忧天地问：摩尔定律是否会终结？他们的研究结论是：摩尔定律必然会失效，而量子计算机可望成为后摩尔时代的新型计算工具.当时信息领域的科学家们对此并不予理会和关注，因为其时摩尔定律正处于辉煌的顶盛时期.然而，物理学家们仍然孜孜不倦地努力，终于诞生了量子信息这门新兴交叉学科.

1994年,Shor提出量子并行算法［1］，并证明可用来实现大数因子分解，从而轻易地攻破目前广泛使用的RSA公开密码体系，这门新兴学科的巨大威力震惊了整个国际学术界，并引起政界、军界和商界的极大关注，从此量子信息科学便迎来迅猛发展的新时期，迄今方

兴未艾！

我们在上世纪90年代量子信息刚刚在国际上悄然兴起之际就投入到这个新兴领域的研究行列之中，并于1997年和1998年先后在《Phys.Rev.Lett.》上提出“量子避错编码原理”和“量子概率克隆原理”，引起国际学术界的高度重视.1999年，中国科学院开始在我校创建国内第一个从事量子信息研究的量子信息重点实验室，这个极富有前瞻性的战略部署开辟了我校量子信息研究的新局面.在此之前，自我回国归来所组建的研究小组只有一台电脑，我们坐着冷板凳，默默耕耘了15年之久.2001年作为首席科学家单位，我校承担了科技部“国家重点基础研究发展计划”项目（“973”项目）：“量子通信与量子信息技术”，这个由国内17个单位50多位学术骨干组成的研究团队不仅取得一系列重要成果，而且培养出许多杰出的年青学术骨干，在其后国家重点基础研究计划“量子调控”的实施中由此研究团队衍生出5位首席科学家.

本世纪初，我校以中国科学院百人计划从奥地利引进杰出的年青学术带头人潘建伟博士，他随后在“合肥微尺度国家实验室”建立“量子物理与信息”研究组，并在多光子纠缠方面不断地做出国际领先水平的成果.该研究组与中国科学院量子信息重点实验室共同推进了我国量子信息学科的发展，也成为我校物理学科中特色鲜明成果丰硕的新成长点.本文将简要介绍我校在量子信息领域中已取得的主要研究成果.

2 首个量子信息领域的国家奖

2．1 提出能有效抑制环境噪声的量子避错编码原理［2］

量子相干性在环境作用下会不可避免地消失，这种消相干效应是量子计算机和量子信息系统实际应用的主要障碍.量子编码是有效克服消相干的有效途径.国际学术界提出基于独立消相干的量子纠错编码.我们发现在集体消相干过程中存在有不会发生消相干的“相干保持态”（又称“无消相干子空间”，DFS），并基于此发现提出量子避错编码原理，成为迄今三种不同原理的量子编码之一.美国著名的Los Alamos和NIST实验室的三个研究组分别在光子、离子和原子核体系中证实了这个编码的正确性，三个实验均发表在《Science》上［3］，我们的论文作为原始性工作被引用.

2．2 提出能有效提取量子信息的概率克隆原理［4］

量子不可克隆定理为量子信息提取设置了不可逾越的障碍，于是学术界提出不精确克隆的量子普适克隆原理，其克隆效率为1，但保真度总是小于1.我们提出概率量子克隆原理，可以某种概率精确克隆量子信息，即克隆效率总小于1，但保真度为1.国际学术界称之为“段-郭量子克隆机”，最大克隆效率称为“段-郭界限”.我们还在实验上研制成功这两类量子克隆机，验证了理论预言的正确性［5］，被国际学术界誉为“本领域最激动人心的最新进展之一”［6］.

2．3 提出能有效抑制腔损耗影响的腔量子电动力学（QED）量子处理器新方案［7］

腔QED是种理想的量子处理器，但腔的损耗引起量子信息的泄漏阻碍其实际运行，为此要求腔的Q值要很高，现有的技术难以达到.我们提出一种能抑制腔损耗影响的新方案，并证明现有技术可以实现.法国巴黎高师的著名学者、法兰西院士Haroche研究组很快在实验上证实这个方案的正确性［8］.我们的论文成为该研究方向后续工作必引用原始的论文，迄今已被SCI他引260余次.

2003年上述成果以“量子信息技术的基础研究”为题目荣获了国家自然科学二等奖.

3 量子密码

3．1 实现从北京到天津125km商用光纤的量子密钥分配［9］量子密码是量子信息领域中最可能得到实际应用的技术.美国人将“量子加密”称为“改变人类未来”的新技术.量子密码原理已在实验室内演示成功.目前国际学术界正在研究走向实用进程中的关键科学和技术问题.光纤量子密钥分配研究中最关键的问题是：现在广泛研制的不等臂MZ干涉仪虽然安全但稳定性很差，无法在商用光纤上运行，而改进后的返回式光学系统虽然解决了稳定性问题，但其安全性却出现了漏洞.我们解决了这个稳定性和安全性统一的难题.在实验上研究了光纤系统不稳定性的物理根源，在理论上给出稳定性条件，进

而设计出满足稳定性条件的迈克逊-法拉第干涉仪，在实验室内实现150km的量子密钥分配，在北京与天津之间的125km商用光纤上实现了量子密钥分配和加密图像传送.这是迄今国际上报道的最远距离实用光纤量子密钥分配.

3．2 局域量子保密通信网在北京测试成功

我们利用自己发明的量子网络路由器和单向传输、抗干扰的F-M 量子密钥分配系统，于2007年3月份在北京完成了国际上第一个多（4个）节点、无中转、可同时、任意互通的量子保密通信网的测试性运行，取得了很好的通信效果.这次测试是在中国网通公司的商用通信光纤线路上实现的，节点间距离分别为43，32，40，32km，对应的误码率码率分别为7.7%,4.1%,6.6%,2.4%.测试显示，系统在没有人为干预的条件下，可以长期稳定运行.

3．3 无共享参考系的量子通信的实验实现［10］

在1km的光纤中,利用偏振和时间两个模式均有纠缠的光子对实验，实现了BB84量子密钥传输的一种更抗干扰的改良方案.该量子密码不受光纤扭曲、旋转或者光纤本身缺陷的影响，通信双方也不需要精确的同步时间，从而大大降低了通信的复杂度.无论外部环境如何变化，光纤通信双方总有办法取得需要的密码.此外，我们还给出了量子通信方案的绝对安全的理论论证，避免了现有光纤量子通信的安全性隐患.《Phys. Rev. Lett.》审稿人认为，该成果是“非常出色的”，“具有特殊的价值”.

4 量子纠缠源的制备和操控

量子纠缠是量子信息领域中最重要的资源.当两个或多个粒子处于纠缠态时，对其中的一个粒子进行操作，其他的纠缠粒子不管位于何处，其量子态会立即发生相应的变化.因此，彼此纠缠的粒子之间便由这种基于量子非局域性的内禀通道构成一个量子网络，它可以实现量子通信（即传送量子信息），也可以实施分布式的量子计算.自从量子信息作为新兴学科诞生以来，量子纠缠便成为国际学术界研究的焦点.我校研制成功高亮度的光子纠缠源：连续纠缠光子源，每秒12.8对，对比度为95%；脉冲纠缠光子源，每秒1.4万对,对比度87%,在国际上处于领先水平.

4．1 量子信息传输的奇特现象

两个纠缠的光子构成一条量子通道，通过对各个光子的操作，可实现许多新奇的信息传输功能.1997年，在实验上实现了所谓“量子隐形传态”，即将未知量子信息传送到远处的纠缠光子上而原先携带该量子信息的物理载体却留在原处不被传送.我们进一步研究了量子信息传输的许多有趣现象：（1）在实验上实现了单光子量子态的远程操纵，即局域地操作其中一个纠缠光子，可将远处的另一个纠缠光子制备在任意态上［11］；（2）局域地对一个纠缠光子实施任意相位旋转操作，可将这个操作传送到远处，旋加在另一个光子态上［12］；（3）在实验上演示了当纠缠通道被损坏时，可通过单光子局域操作来实现

纠缠纯化，而不必通过非局域的操作［13］.

4．2 多光子物理学的研究进展［14］

多光子量子态具有许多重要性质，例如N个光子态的干涉所呈现的德布罗意波长减少到1/N，这可使相位测量达到海森伯极限的精度，用于光学刻蚀，其精度可提高到1/N.光子数越来越多的量子态，蕴含着越丰富的量子现象，但制备也更为困难.我们在理论上提出一种所谓“NOON态投影测量方法”，可用来制备和识别多光子量子态，在实验上演示了四光子和六光子德布罗意波长，并将著名的两光子洪-区-曼德尔（Hong-Qu-Mandel）干涉推广到多光子场合，在实验上证实了这种方法是多光子物理中重要而有效的实验方法.

4．3 五光子纠缠态的实验实现［15］

首次在实验上实现了五光子纠缠态，并演示利用这个纠缠态可实现终端开放的量子隐形传态，即未知量子态被隐形传到终端的三个光子纠缠态上，然而按照三个粒子的合作可被制备在其中任一个粒子上.利用这个五光子纠缠态，在实验上还演示了量子纠缠浓缩和纠缠交换，为量子中继的实现研究迈开重要一步.

4．4 六光子图态纠缠的实验实现［16］

该工作通过对多光子操纵技术的进一步发展，从实验上实现了基于光子比特“焊接”技术的量子计算机测试平台，成功地制备出国际上纠缠光子数量多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态.该项

成果以封面标题形式发表在2007年2月1日出版的英国《Nature》杂志子刊《Nature Physics》上，审稿人评价其是“光学量子计算领域至今最先进实验工作”和“一个出色的成就，为量子计算、量子纠错和量子力学基本问题的研究铺平了道路”.欧洲物理学会称赞该工作“为量子计算机的物理实现迈进了重要一步”.

5 量子隐形传态的研究进展

5．1 两个量子位复合系统量子量子态隐形传输的实验实现［17］在国际上首次成功地实现了复合系统量子态隐形传输，首次成功地实现了六光子纠缠态的操纵，这为实用化的量子信息研究开创了新起点.对于容错量子计算、量子中继、普适量子纠错等重要研究方向具有极其深远的影响，《Nature》网站专门发布了“Press releases”,并在《Nature》杂志“研究亮点”栏目中对该工作进行专门报导，称赞该实验成果是在“在大尺度量子通信研究中取得长足进展”.该工作入选“2006年度中国十大科技进展新闻”.

5．2 利用光子和原子量子比特的内嵌存储的量子隐形传输的实验实现［18］

内嵌存储的量子比特隐形传输是实现大尺度量子通信以及基于测量的量子计算的关键.尽管量子态的隐形传输以及量子比特的存储已经在原则上被证明，然而实现内嵌存储的量子比特的隐形传态在实

验上仍旧很困难.

首次通过将光量子比特的态隐形传输至原子的比特上，从实验上实现了内嵌存储的量子比特隐形传输，在实验中，一个未知的极化光子态通过7m的距离隐形传输至一个原子比特，并成功地存储了8μs，该原子态可以被转换成光量子态,以用于进一步的量子信息处理.从光子态到原子态的隐形传输并且内嵌了可读存储的实现，使得有效的、可升级的量子网络有望在不久的将来被实现.

6 量子信息处理器的研究进展

量子计算的最终实现取决于能否研制成功物理上可扩展的量子信息处理器,用它来有效地存储和处理量子信息.目前的研究水平离此目标还相差甚远,但科学家满怀着坚定信心正在向着这个目标步步逼进.我们在基于固态物理、量子光学和核磁共振量子计算物理实现的基础研究方面取得一系列理论和实验的重要进展.

6．1 在理论上提出一种基于腔QED的新型量子信息处理器方案［19］

通过对腔的泄漏光子进行单光子探测，来实现不同腔中原子之间的纠缠，该方案具有制备效率高、抗噪能力强、易于寻址等优点.《Phys.Rev.Lett.》的审稿人赞道：“在寻求随心所欲的产生量子态的方案中，这可能是一篇里程碑的文章”.另外，利用高Q腔单个原子与

腔外部单个原子的相互作用，设计了一种可行性很强的基于光子的量子计算方案，它以原子作为中介来实现光子与光子之间的受控相位门操作，该方案按目前的技术水平和抗噪能力是可以实现的，学术界对此予以很高评价.

6．2 提出固态容错量子计算新方案［20］

固态量子计算被国际学术界认为是最有希望研究成功的途径之一，固态中量子比特之间的固有耦合是其易于扩展集成的优势根源，但在量子计算过程中往往要求断开量子比特间的这种固有耦合，这是固态量子计算遇到的新难题.我们提出“无相互作用子空间（IFS）”的新概念，利用编码方法可以实现逻辑比特之间的消耦合，同时证实，在实际固态模型中实施逻辑比特的任意操作和受控操作是可行的.进一步，将学术界业已认可的无消相干子空间（DFS）与IFS相结合，提出固态容错量子计算新方案，并在实际的固态模型中证明了其可行性.这开辟了固态量子计算的新研究方向.

6．3 实验上实现量子受控非门的隐形传送［21］

基于量子光学系统的量子计算物理实现是另一种有希望途径，其优点是量子相干性好.但这类方案的不足之处是物理可扩展性差.分布量子计算方案是克服这个缺点的有效方法，即以只含少数量子比特的系统作为节点，采用纠缠通道将这些节点连成量子网络，便可实现量子计算.该方案的可行性取决于在相距甚远的节点之间能否实现两比特的量子受控门操作这一关键问题.特别是，在光子与节点量子比特

之间非强耦合的条件下能否实现确定性的受控非门操作更是至关重要的问题.我们运用纠缠光子对在实验上将某个节点的两比特受控门操作经由纠缠量子通道隐形传送到远处的另一个节点上，实现了两个节点之间的确定性受控门操作，这个操作的平均保真度达到0.84.《Phys.Rev.Lett.》的审稿人认为“这是向分布量子计算的实现迈出的重要一步”.

6．4 实验上实现独立光子间的量子逻辑门［22］

光子之间的相互作用非常微弱，在实验上要实现两个独立光子之间的受控非门操作是相当困难的.利用五光子纠缠技术，首次实现了非破坏性可升级的独立光子之间的量子逻辑门，这是线性光学量子计算研究中最基本和重要的一步.作为这种量子逻辑门的一个重要应用例子，还进一步在实验上用它来实现完全的量子隐形传态.

6．5 混合态量子几何相的实验研究［23］

几何相是量子理论的重要概念，但什么是量子混态的几何相却尚未搞清楚.我们利用核磁共振（NMR）实验技术完成具备不同噪声的量子混态的制备，观测到了任意量子态的几何相.该工作受到国际学术界的高度关注.

6．6 利用光子比特实现Shor量子分解算法［24］

我们在国际上首次用光子比特设计了一套线性光学网络，实验演示了15=3×5这个质数因子分解，并且确认了量子计算中多体纯纠缠的存在，验证了量子加速的根源问题.该工作获得了国际学术界的关

注和认可.麻省理工学院教授Seth Lloyd评价该实验是“迈向光学量子计算的必要一步”.美国物理学会以“量子计算的重大突破”为题发布新闻稿，称赞“这一富有创造性的工作将有助于进一步应用于物理化学建模和超快搜索”.英国科技新闻杂志《New Scientist》以《量子计算威胁我们的机密数据》为题对实验做了长篇报道，称“出现能运行Shor 算法的量子计算机具有极为深远的意义：这意味着未来量子计算机能够轻松地破解我们银行帐号，商业和电子商务数据使用的密码.”此外，美国的《Science News》、德国的《Innovations Report》等其他多家科学期刊和网站也纷纷报道了该工作.

6．7 首次证明“量子开关”可被局域识别，为量子信息处理提供了一个实用方法［25］

此前，物理学家们证明了量子门操作可以被准确地识别，但该方法需要量子纠缠作为基本资源，而量子纠缠在现阶段实验中获取、保存与传输都有很大难度，因此实验实现的难度巨大.

我们利用幺正变换的基本性质，证明了量子门的识别过程中可以不需要耗费纠缠资源，仅使用局部操作和传统手段就可以完成识别功能，这一成果为量子信息处理过程的量子门操作识别和量子通信信通的识别提供的一个很好的工具.审稿人评价“对我们理解量子操作具有重要贡献”.

7 量子信息应用研究的进展

7．1 利用纠缠光子对在实验上检验了Kochen-Specker理论［26］在量子物理学中，隐变量理论一直在挑战着量子力学的完备性.Bell不等式在实验上的违背证实了这种隐变量是不存在的，量子力学是完备的.但这个结论仅适合于类空事件的场合.Kochen-Specker 理论更深刻揭示出与环境无关的隐变量（NCHV）与量子力学的不相容性，但以往只有两个对NCHV进行统计性检验的实验.我们完成了一个“全有或全无”类型的对NCHV的非统计性的实验检验，实验结果有力地说明了量子力学的正确性.

7．2 首次利用核磁共振实现了量子博弈实验［27］

实验上验证了在量子博弈中，如果两个参与人都选择了量子策略，他们将获得双赢的结果，而在经典博弈中，任何一个理性的参与人都不可能获胜.这个有趣的研究成果，在国际学术媒体中引起广泛的兴趣，美国和英国物理学会发表了许多报道和评价.

7．3 实验上实现高精度量子相位测量［28］

应用双模光子数态和自己独创的多光子投影测量方法，实验测得的相位精度超过相应的标准量子极限.该方法最有希望逼近海森伯极限.著名的美国物理学科网站以《测量精度冲破了标准量子极限》为题做了专文报道.

7．4 实验上研制成功“量子赌博机”［29］

这是宏观上展示量子力学反常行为的奇妙机器，其功能可抑制“庄家”的欺骗，在未来的量子信息产业中可能成为一种必备的商用机器.该文章发表后，《Nature》在其“研究亮点”栏目专文中作了报导，美国物理学科网站也以《物理学家建立量子赌博机》为题予以长篇报道.

8 结束语

量子信息技术已经成为各国战略竞争的焦点之一，我们有幸在起跑线上加入到这场关系到国家重大利益的竞争之中，就必须义无反顾地担负起这份历史责任，在这个新兴领域中为我国争得重要的一席之地.面对着这个巨大的挑战和难得的机遇，我们将以量子通信网络和量子计算机为研究目标，艰苦奋斗，永不放弃.雄关漫道真如铁，无限风光在险峰！

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量子力学发展简史

量子力学发展简史摘要：相对论是在普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入能量子概念的基础上发展起来的，爱因斯坦提出光量子假说、运用能量子概念使量子理论得到进一步发展。玻尔、德布罗意、薛定谔、玻恩、狄拉克等人为解决量子理论遇到的困难，进行了开创性的工作，先后提出电子自旋概念，创立矩阵力学、波动力学，诠释波函数进行物理以及提出测不准原理和互补原理。终于在1925 年到1928年形成了完整的量子力学理论，与爱因斯坦的相对论并肩形成现代物理学的两大理论支柱。关键词：量子力学，量子理论，矩阵力学，波动力学，测不准原理量子力学是研究微观粒子（如电子、原子、分子等）的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础，是现代物理学的两大基本支柱。经典力学奠定了现代物理学的基础，但对于高速运动的物体和微观条件下的物体，牛顿定律不再适用，相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。量子力学认为在亚原子条件下，粒子的运动速度和位置不可能同时得到精确的测量，微观粒子的动量、电荷、能量、粒子数等特性都是分立不连续的，量子力学定律不能描述粒子运动的轨道细节，只能给出相对机率，为此爱因斯坦和玻尔产生激烈争论，并直至去世时仍不承认量子力学理论的哥本哈根诠释。量子力学是一个物理学的理论框架，是对经典物理学在微观领域的一次革命。它有很多基本特征，如不确定性、量子涨落、波粒二象性等，在原子和亚原子的微观尺度上将变的极为显著。爱因斯坦、海森堡、玻尔、薛定谔、狄拉克等人对其理论发展做出了重要贡献。原子核和固体的性质以及其他微观现象，目前已基本上能从以量子力学为基础的现代理论中得到说明。现在量子力学不仅是物理学中的基础理论之一，而且在化学和许多近代技术中也得到了广泛的应用。上世纪末和本世纪初，物理学的研究领域从宏观世界逐渐深入到微观世界；许多新的实验结果用经典理论已不能得到解释。大量的实验事实和量子论的发展，表明微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性（参见波粒二象性），微观粒子的运动不能用通常的宏观物体运动规律来描写。德布罗意、薛定谔、海森堡，玻尔和狄拉克等人逐步建立和发展了量子力学的基本理论。应用这理论去解决原子和分子范围内的问题时，得到与实验符合的结果。因此量子力学的建立大大促进了原子物理。固体物理和原子核物理等学科的发展，它还标志着人们对客观规律的认识从宏观世界深入到了微观世界。量子力学是用波函数描写微观粒子的运动状态，以薛定谔方程确定波函数的变化规律，并用算符或矩阵方法对各物理量进行计算。因此量子力学在早期也称为波动力学或矩阵力学。量子力学的规律用于宏观物体或质量和能量相当大的粒子时，也能得出经典力学的结论。在解决原子核和基本粒子的某些问题时，量子力学必须与狭义相对论结合起来（相对论量子力学），并由此逐步建立了现代的量子场论。

量子力学的发展综述

量子力学的发展综述量子力学是对经典物理学在微观领域内的一次革命，是现代物理学的基础，它从根本上否定了牛顿物理学。本文带大家再次回到那个伟大的年代，再次简要回顾下那场史诗般壮丽的革命。标签：量子力学发展量子多世界解释量子理论的中心思想是一切东西都是由不可预言的量子构成，但这些粒子的统计行为遵循一种可以预言的波动图样。简简单单的一句话，深入研究起来确实那样令人困惑，整个20世纪的物理学家们就是在不断的量子的迷雾中摸索着。现在我们也要沿着他们的航线领略一下量子理论奇。一、量子的创生 19世纪末，物理学界取得了一系列举世瞩目的成就，当人们为所谓的物理学大厦已经根深蒂而感到皆大欢喜时，几个悬而未决的谜题却一直困扰着高瞻远虑的物理学家们[1]。“在物理学阳光灿烂的天空中飘浮着两朵小乌云”这句话在几乎每一本关于物理学史的书籍中被反复提到，具体一些的话，指的是人们在迈克尔—莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。这两朵乌云带来的狂风暴雨，远远超出了人们的想象：第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发;第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。1900年，普朗克在解决黑体辐射问题时，做了一个假定，“必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”普通的一个假设，却推翻自牛顿以来200多年，曾被认为坚固不可摧毁的物理世界。这与有史以来的一切物理学家的观念截然相反，自牛顿和伽利略以来，一切自然的过程都被当成是连续不间断的，是微积分的根本基础，牛顿、麦克斯韦那庞大的体系，都是建立在这个基础之上，从没有人怀疑过这个物理学的根基。1900年12月14日，量子的诞辰，这一天，量子这个幽灵从普朗克的方程中脱胎而出。这个幽灵拥有彻底的革命性和无边的破坏力，物理学构成的精密体系被摧毁成断壁残垣，甚至推动量子论的某些科学家最终也站到了它的对立面。量子论这场前所未有的革命，从这个叫马克思·普朗克的男人这里开始了。二、量子力学的建立和论战量子这个概念已经诞生了，然而他的创造者普朗克却抛弃了它，不断地告诫人们，不到万不得已不要使用，不要胡思乱想。不怪普朗克本人畏首畏尾，实在是量子这个概念太过惊世骇俗，但是接下来一系列的成就证明了它的价值：1.为了解释光电效应，1905年爱因斯坦提出光量子论，揭示了光的波粒二象性;2.玻尔结合原子的核式结构模型和量子论，1913年提出了氢原子理论;3.德布罗意从光量子理论得到启发，于1923年提出物质波假说;4.海森堡抛弃了玻尔的轨道概念，建立了矩阵力学（1925年）[2]。海森堡建立矩阵力学标志着量子力学的建立，但是刚诞生的矩阵力学立刻受到了挑战：薛定谔于1926年把物质波的思想加以发展，建立了波动力学。矩阵力学？波动力学？全新的量子论建立不到一

量子信息与量子计算课程论文

半导体量子点的电子自旋相干和自旋操控摘要:现在各国科学家都在努力希望实现量子计算机，而量子计算机需要一些重要的量子性质，其一是“量子相干性”。该文介绍了量子相干性，并简略介绍了半导体量子点中的电子的自旋相干性，简要探讨半导体量子点的电子自旋操控的方法关键词：量子点自旋相干自旋调控一﹑量子相干性量子相干性，或者说“态之间的关联性”。其一是爱因斯坦和其合作者在1935年根据假想实验作出的一个预言。这个假想实验时这样的：高能加速器中，由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行，在没有人观测时，两者都处于向右和向左自旋的叠加态而进行观测时，如果观测到电子处于向右自旋的状态，那么正电子就一定处于向左自旋的状态。这是因为，正电子和电子本是通过能量无中生有而来，必须遵守守恒定律。这也就是说，“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的，称作“量子相干性”。这种相干性只有用量子理论才能说明。要在量子计算机中实现高效率的并行运算，就要用到量子相干性。彼此有关的量子比特串列，会作为一个整体动作。因此，只要对一个量子比特进行处理，影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。这一特点，正是量子计算机能够进行高速运算的关键。二﹑半导体量子点中的电子的自旋相干性

半导体中的电子电荷相干态已经由超快脉冲激光光谱进行了广泛的研究。强的激光脉冲在半导体中产生了大量的电子和空穴,它们的动力学过程大致可分成3 个阶段: (1) 无碰撞或相干阶段。在这个阶段内,电子和空穴与光场之间产生了一个相干的耦合振荡,导致了材料极化强度的振荡,类似于二能级系统的拉比跳跃。 (2) 位相弛豫阶段。在这个阶段内,电子和空穴都失去了它们的位相相干性,类似于二能级系统的退相弛豫。 (3) 准热平衡阶段。由于电子- 声子相互作用,电子和空穴将能量传递给声子(晶格) ,它们分别弛豫到导带和价带的顶部,形成准平衡状态。利用不同延迟时间的泵- 探束瞬态吸收光谱可以测量半导体中的退相弛豫时间。图1 是GaAs 三个激发载流子浓度下瞬态差分透射系数ΔT作为延迟时间的函数。由图1 可见,有两个衰减过程;一个是快过程,另一个是慢过程。前者对应于位相弛豫,后者对应于准热平衡弛豫。实验测得GaAs中的位相弛豫时间分别为30 ,19 ,13fs ,对应于由小到大三个载流子浓度。这个位相弛豫时间是较小的,主要是由电子的谷间散射引起的。

量子力学史简介

近代物理学史论文题目：量子力学发展脉络及代表人物简介姓名：学号：学院： 2016年12月27

量子力学发展脉络量子力学是研究微观粒子运动的基本理论，它和相对论构成近代物理学的两大支柱。可以毫不犹豫的说没有量子力学和相对论的提出就没有人类的现代物质文明。而在原子尺度上的基本物理问题只有在量子力学的基础上才能有合理地解释。可以说没有哪一门现代物理分支能离开量子力学比如固体物理、原子核粒子物理、量子化学低温物理等。尽管量子力学在当前有着相当广阔的应用前景，甚至对当前科技的进步起着决定性的作用，但是量子力学的建立过程及在其建立过程中起重要作用的人物除了业内人对于普通得人却鲜为人知。本文主要简单介绍下量子力学建立的两条路径及其之间的关系及后续的发展，与此同时还简单介绍了在量子力学建立过程中起到关键作用的人物及其贡献。通过本文的简单介绍使普通人对量子力学有个简单认识同时缅怀哪些对量子力学建立其关键作用的科学家。旧量子理论量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的旧量子论包括普朗克量子假说、爱因斯坦光电效应光电子假说和波尔的原子理论。在19世纪末，物理学家存在一种乐观情绪，他们认为当时建立的力学体系、统计物理、电动力学已经相当完善，而剩下的部分不过是提高重要物理学常数的观测精度。然而在物理的不断发展中有些科学家却发现其中存在的一些难以解释的问题，比如涉及电动力学的以太以及观测到的物体比热总小于能均分给出的值。对黑体辐射研究的过程中，维恩由热力学普遍规律及经验参数给出维恩公式，但随后的研究表明维恩公式只在短波波段和实验符合的很好，而在长波波段和实验有很大的出入。随后瑞利和金森根据经典电动力学给出瑞利金森公式，而该公式只在长波波段和实验符合的很好，而在短波波段会导致紫外光灾。普朗克在解决黑体辐射问题时提出了一个全新的公式普朗克公式，普朗克公式和实验数据符合的很好并且数学形式也非常简单，在此基础上他深入探索这背后的物理本质。他发现如果做出以下假设就可以很好的从理论上推导出他和黑体辐射公式：对于一定频率f的电磁辐射，物体只能以hf为单位吸收

早期量子论(附答案)

早期量子论(初稿) 一、填空题（10道） 1.在加热黑体过程中，其最大单色辐射度对应的波长由0.8μm变到0.4μm，则其辐射度增大为原来的______________倍。 2.100W的白炽灯灯丝表面积为 5.3×10-5 m2。若视其为黑体，则工作温度为 ______________K。 3.若黑体的半径有R增大为2R，则总辐射功率为原来的______________倍。 4.当绝对黑体的温度从27 oC升到327 oC时，其辐射出射度（总辐射本领）增加为原来的 ______________倍。 5.在均匀磁场B内放置一极薄金属片，其红限波长为λ0。今用单色光照射，发现有电子放出，有些放出的电子（质量为m，电荷绝对值e）在垂直于磁场的平面内做半径为R的圆周运动，那么此照射光光子的能量是______________。 6.当照射光的波长从4000 ?变到3000 ?时，光强保持不变，对同一金属，在光电效应实验中测得的遏止电压将增大______________。 7.在康普顿散射中，若入射光子与散射光子的波长分别为λ和λ',则反冲电子获得的动能 E k=______________。 8.在X射线实验中散射角为45o和60o的散射光波长改变量之比为______________。 9.质量为1 g，以速度v=1cm/s运动的小球的德布罗意波长为______________。 10.某金属产生光电效应的红限为υ0，当用频率为υ（υ>υ0）的单色光照射该金属时，从金属中溢出的光电子（质量为m）的德布罗意波长为______________。二、计算题（10道） 1. 红限波长为λ0=0.15?的金属箔片至于B=30×10-4T的均匀磁场中。现用单色γ射线照射儿释放出电子，且电子在垂直于磁场的平面内做R=0.1m的圆周运动。求γ射线的波长。 2.处于静止状态的自由电子是否能吸收光子，并把全部能量用来增加自己的动能？为什么？ 3.用波长λ0=1 ?的光子做康普顿实验。（1）散射角?=90o的康普顿散射波长是多少？（2）反冲电子获得的动能有多大？

量子力学的发展史及其哲学思想

十九世纪末期,物理学理论在当时看来已发展到相当完善的阶段.那时,一般的物理现象都可以从相应的理论中得到说明:物体的机械运动比光速小的多时,准确地遵循牛顿力学的规律;电磁现象的规律被总结为麦克斯韦方程;光的现象有光的波动理论,最后也归结为麦克斯韦方程;热的现象理论有完整的热力学以及玻耳兹曼,吉不斯等人建立的统计物理学.在这种情况下,当时有许多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露,剩下的工作只是把这些基本规律应用到各种具体问题上,进行一些计算而已。这种把当时物理学的理论认作”最终理论”的看法显然是错误的,因为:在绝对的总的宇宙发展过程中,各个具体过程的发展都是相对的,因而在”绝对真理的长河中,人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识具有相对的真理性.”生产力的巨大发展,对科学试验不断提出新的要求，促使科学试验从一个发展阶段进入到另一个新的发展阶段。就在物理学的经典理论取得上述重大成就的同时，人们发现了一些新的物理现象，例如黑体辐射，光电效应，原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等，都是经典物理理论所无法解释的。这些现象揭露了经典物理学的局限性，突出了经典物理学与微观世界规律性的矛盾，从而为发现微观世界的规律打下基础。黑体辐射和光电效应等现象使人们发现了光的波粒二象性；玻尔为解释原子的光谱线系而提出了原子结构的量子论，由于这个理论只是在经典理论的基础上加进一些新的假设，因而未能反映微观世界的本质。因此更突出了认识微观粒子运动规律的迫切性。直到本世纪二十年代，人们在光的波粒二象性的启示下，开始认识到微观粒子的波粒二象性，才开辟了建立量子力学的途径。量子力学诞生和发展的过程，是充满着矛盾和斗争的过程。一方面，新现象的发现暴露了微观过程内部的矛盾，推动人们突破经典物理理论的限制，提出新的思想，新的理论；另一方面，不少的人（其中也包括一些对突破经典物理学的限制有过贡献的人），他们的思想不能（或不完全能）随变化了的客观情况而前进，不愿承认经典物理理论的局限性，总是千方百计地企图把新发现的现象以及为说明这些现象而提出的新思想，新理论纳入经典物理理论的框架之内。虽然本书中不能详细叙述这个过程。尽管这些新现象在十九世纪末就陆续被发现，而量

量子力学的发展进程

量子力学的发展进程黑体2014 摘要：简述了量子力学的发展进程。量子力学是近代物理学的重要组成部分,是研究微观粒子(分子、原子、原子核、基本粒子等)运动规律的一种基础理论。它是本世纪二十年代在总结大量实验事实和旧量子论的基础上建立起来的。它的发展曾经引起物理思想上的巨大变革,它产生的影响,绝不局限于物理学和化学这两门学科,而且还涉及人类认识本身的种种基本问题。因此对它的发展进程进行研究有着特别的重要意义。笔者想在这篇文章中对量子力学的发展进程作一简要的回顾,并就自己在学习周世勋《量子力学教程》这门课程中一些疑惑和感想做一说明。关键词：量子力学；进程；学习心得

The development process of quantum mechanics Abstract:Briefly describes the development process of quantum mechanics. It is an important part of modern physics, quantum mechanics is the study of microscopic particles (molecules, atoms, nuclei, elementary particles, etc.) a basic theory of the motion law. It is in the 20 s of this century in summing up a lot of experimental facts and the old quantum theory established on the basis of it. Its development has caused physical and ideological change, the impact of it, not limited to the physics and chemistry, the two subjects, but also the basic problem of human cognition itself. So the study of its development process has a special significance. In this article the development process of quantum mechanics makes a brief review of, and in their learning Zhou Shixun in the course of the quantum mechanics course some doubts and thoughts. Key words:Quantum mechanics; Process; The learning