量子物理近期重要進(jìn)展.ppt

量子物理近期重要進(jìn)展,北京大學(xué)物理學(xué)院 曾謹(jǐn)言,Macroscopic Quantum Phenomena (Quantum Coherence， Quantum Cooperation) Laser Superconductivity and Superfluidity BEC (Bose-Einstein Condensation) Quantum Hall Effect Quantum Tunnelling Effect Quantum Engineering， Nanotechnology Quantum Information,預(yù)備知識(shí),粒子全同性（不可分辨性） 波動(dòng)粒子二象性,粒子全同性 （不可分辨性）,玻色子 (boson)： 自旋 s = 0，1，2， 粒子（4 He）， s = 0， 光子 （s = 1） 費(fèi)米子 (fermion)：自旋 s = 1/2，3/2，5/2 ， 電子，質(zhì)子，中子，s = 全同玻色子體系： 允許任意多個(gè)全同玻色子 處于一個(gè)單粒子態(tài)。 Laser(光子，m = 0， 只有相對(duì)論情況) 數(shù)目眾多的光子處于同一個(gè)量子態(tài)。 m 0玻色子，(4 He，堿金屬原子) 傾向于所有全同玻 色子處于最低能級(jí)上。,粒子全同性（續(xù)）,全同費(fèi)米子體系： Pauli不相容原理 每一個(gè)單粒子態(tài)上 最多 只允許一個(gè)全同費(fèi)米子占據(jù)。 原子的電子殼結(jié)構(gòu)，化學(xué)元素周期表。 原子核的質(zhì)子（中子）殼結(jié)構(gòu)。 中子星。,波動(dòng)粒子二象性,de Broglie 關(guān)系 Free non-relativistic material particle (m 0) Thermal equilibrium， k Boltzmann 常數(shù) 只當(dāng) T0 K（極低溫），波長足夠大， 才能觀測到波動(dòng)干涉現(xiàn)象。,Laser (light amplification by stimulated emission of radiation),A.Einstein (1917) 理論 Stimulated emission， Absorption， Spontaneous emission,C. Townex (1953,Maser) N. G. Basov A.M. ProkhorovT. A.H. Mainman (1960,Laser ),1964, Nobel Prize,特點(diǎn)和應(yīng)用： 一束Laser中眾多光子處于同一量子態(tài) (光子是玻色子) 特點(diǎn)： laser光束中，諸光子態(tài)相位相同，可聚焦在極小空間，能量高度集中 (不大于普通燈泡能量Laser，可以擊穿一塊薄金屬板)。 出射光與入射光方向相同，方向性強(qiáng)，精確定位 (地球月亮距40萬km，測準(zhǔn)到幾個(gè)cm)。衛(wèi)星通訊，宇航，精密加工，納米技術(shù)，,特點(diǎn)和應(yīng)用（續(xù)） “holograph” (3-dim photograph), D. Gaber,1971, Nobel Prize 通常照相只記錄底片上光強(qiáng)度分布的信息。 全息照相，包括記錄光子的相位。(產(chǎn)生干涉） 激光照排 Laser Cooling Photolithograph (半導(dǎo)體制作工藝),Superconductivity and Superfluidity,Nobel獎(jiǎng) 頒獎(jiǎng)時(shí)間,H. K. Onnes， 1911， 液氦制備(利用液化氫氣化，降溫部分氦液化)水銀Hg在 ， 電阻突然消失，金屬超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)。 P. L. Kapitsa，1937， ， 液氦的超流動(dòng)性：液氦通過狹縫的流速與壓強(qiáng)差無關(guān)。液氦( )內(nèi)部及液體與器壁之間沒有摩擦力，粘滯性消失 L. D. Landau，1941，液氦的超流動(dòng)性理論 液氦為何失去粘滯性而無摩擦地流動(dòng)?為何其熱導(dǎo)率比銅（室溫下）還要大800倍？ 預(yù)言：液氦中聲音傳播速度有兩種：(1) 壓力波（大家熟悉），(2) 溫度波（第二聲）。后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 為玻色子， 原子之間有強(qiáng)相互作用，強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。,BCS，1957，金屬超導(dǎo)性理論 首先發(fā)現(xiàn)“Cooper pair”金屬中的兩個(gè)電子之間通過交換聲子（晶格振動(dòng)量子）而呈現(xiàn)吸引力。在Fermi面附近的電子，兩兩配對(duì)，構(gòu)成“Cooper pair”。（類玻色子） Superconductivity is essentially a quantum phenomenon. Electrons in superconducting materials tends to pair up, forming a single quantum entity. At low enough temperature, all pairs coalesce into a ground state that can support a persistent current indefinitely. 在連續(xù)的能帶態(tài)下，出現(xiàn)一條分離的能級(jí)（基態(tài)），它與激發(fā)態(tài)之間有一個(gè)能隙（energy gap） Superconductivity （準(zhǔn)粒子激發(fā)自由度被凍結(jié)）。,金屬超導(dǎo)態(tài)(一種實(shí)物的宏觀量子態(tài))的唯象描述， periodic condition 超導(dǎo)環(huán)內(nèi)磁通量量子化 ， (Cooper 對(duì)),玻色愛因斯坦凝聚（BEC） (Bose-Einstein Condensation),Nobel獎(jiǎng) 頒獎(jiǎng)時(shí)間,E. Cornel，C. Wieman，W. Ketterle， 1995, 發(fā)現(xiàn)稀薄堿金屬原子氣體（玻色子）的BEC, Bose統(tǒng)計(jì)提出后(1924)，Einstein用以研究單原子理想氣體（無相互作用玻色子體系），預(yù)言：當(dāng)原子之間距離足夠近，速度足夠慢時(shí)（此時(shí)所有粒子都處于最低單粒子態(tài)）在適當(dāng)條件下可能發(fā)生相變（BEC）,同年，de Broglie物質(zhì)波提出。1924， Pauli原理提出。1925，量子力學(xué)的兩種形式提出。 BEC物理圖像：當(dāng)原子的de Broglie波長 原子間距離時(shí)，描述單個(gè)原子的波函數(shù)彼此重疊（overlap）。由全同粒子組成的氣體變成 “quantum soup” 。,如為玻色子，則所有粒子占據(jù)同一個(gè)量子態(tài)，在適當(dāng)條件下，可能發(fā)生相變。(在確切溫度下，密度滿足 ，n- peak atomic density下將 發(fā)生BEC。 如為費(fèi)米子，“Fermi sea” （每個(gè)原子各占其最低能級(jí)）。 F. London曾認(rèn)為： 超流動(dòng)性可能具有BEC性質(zhì)。后來發(fā)現(xiàn) 原子之間有很強(qiáng)相互作用。其性質(zhì)與Bose-Einstein理論中的無相互作用單原子理想氣體的BEC相差甚遠(yuǎn)。,量子霍爾效應(yīng) Quantum Hall Effect,Nobel獎(jiǎng) 頒獎(jiǎng)時(shí)間,量子Hall效應(yīng) 強(qiáng)磁場中二維電子氣的宏觀量子態(tài) Hall電導(dǎo)率（電阻）量子化， ， 整數(shù)量子Hall效應(yīng)， 電阻自然單位， Landau能級(jí)和波函數(shù) 分?jǐn)?shù)量子Hall效應(yīng)， Laughling波函數(shù) 攜帶分?jǐn)?shù)電荷的準(zhǔn)粒子激發(fā),量子隧道效應(yīng) Quantum Tunnelling,Gamow，-decay，(Barrier penetration) Nuclear Energy Nuclear fission Atom Bomb， 核電站， Nuclear fusion Hydrogen Bomb， Josephson junction 超導(dǎo)體中Cooper 電子 對(duì)穿透薄層絕緣體的現(xiàn)象. D. Josephson (1962) L. Esaki，Nobel Prize (1973) I. Giaever SQUID (Superconducting Quantum interference Device) Quantum Computer,Nobel 獎(jiǎng)（1973）,（續(xù)前）,STM (Scanning Tunnelling Microscope) G. Binig & H. Rohrer， Nobel Prize (1986) 利用電子的 “vacuum tunneling” 研究物體表面形狀,量子工程 Quantum Engineering (1960 - ),R. P. Feynman，APS Pasadena 會(huì)議（1959）上的報(bào)告： “Theres plenty of room at the bottom an invitation to enter a new field of physics” Beginning of Nanotechnology在納米尺度對(duì)物質(zhì) 進(jìn)行的操作， 1 nm = 10-9 m = 10-3m。 氫原子半徑，a = 0.053nm， 1 nm長度可排列1020個(gè)原子。 進(jìn)入此領(lǐng)域不需要什么新理論，只需借助已有理論（量子物理）。,他懸賞解決兩個(gè)問題： （1）制作一個(gè)微型電動(dòng)機(jī)，體積 ， （2）把一頁書中的信息縮小記錄在面積只有原書 頁兩萬五千分之一的面積之內(nèi)。 他還進(jìn)一步設(shè)想，按人們需要對(duì)原子進(jìn)行排列， “.it would be, in principle, possible (I think) for a physicist to synthesize any chemical substance that the chemist writes down. Give the orders and the physicist synthesizes it. How? Put the atoms down where the chemist says， and so you make the substance.”,此夢想正開始被實(shí)現(xiàn)： IBM logo，Quantum Corral， Artificial Molecules， 為什么1960年左右，人們才認(rèn)真思考這個(gè)問題？技術(shù)上進(jìn)步：激光技術(shù)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)微型化， photolithograph，quantum well， quantum dot，single-electron transistor， single-electron turnstile device， .,取自 T.Hey and P.Waters, The New Quantum Universe p.85, (Cambridge Univer. Press, 2003); 雷奕安譯,新量子世界, 湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 2005年.,An artificial quantum corral showing the surface electron waves of the confined electrons 取自 T.Hey and P.Waters, The New Quantum Universe p.184, (Cambridge Univer. Press, 2003); 雷奕安譯,新量子世界, 湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 2005年.,量子信息論 Quantum Information,量子密碼（quantum cryptography） K. Akert， Phys. Rev. Lett.，67(1991)661， Quantum Cryptography based on Bells theorem. T. Jennewein， et al， Phys. Rev. Lett.，84(2000)4279， Quantum Cryptography with entangled photons. 量子遠(yuǎn)程傳態(tài)（quantum teleportation） C. H. Bennett，et al，Phys.Rev.Lett.，70(1993)1895， Teleportating an unknown quantum state via dual classical and EPR channels. D.Bouwester，et al，Nature，390(1997)575， Experimental Quantum teleportation.,量子計(jì)算（quantum computation） Shor 大數(shù)的素?cái)?shù)分解算法 P. W. Shor， Algorithms for quantum computation，discrete logarithms and factoring，Proc. 35th Annual Symp. on the Foundation of Computer Science，124-134(1994). Grover 量子搜索算法 L. K. Grover，Phys. Rev. Lett.，78(1997) 325，Quantum mechanics helps in searching for a needle in a haystack. 量子博弈論（quantum game theory） D. Meyer，Phys. Rev. Lett.，82(1999)1052 J. Eisert，et al，Phys.Rev. Lett.，83(1999)3077,Quantum Teleportation,An arbitrary unknown 1-qubit state to be teleportated An ancillary 2-qubit entangled state,Alice sends the information of her measurement on ( ) to Bob via a classical channel. Then Bob can extract the arbitrary unknown state to be teleported by an inverse unitary transformation,Bell basis,Shor大數(shù)因子分解量子算法,給定任意數(shù) 求 （快?。?， 給定任意大數(shù)（正整數(shù)）N，對(duì)它進(jìn)行素?cái)?shù)分解。 如何求 和 ？ 例： （ ）（慢！） 經(jīng)典算法，用 去除，所需步驟（即所需時(shí)間） (二進(jìn)制中N的長度) (隨L指數(shù)增長),例：129位大數(shù)，1994年用1600個(gè)工作站花8個(gè)月時(shí) 間才完成其因子分解