物理前沿專題講座

1、物理前沿專題物理前沿專題講座講座量子物理金亮金亮2016.7.1十七世紀(jì)末，牛頓自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理出版，創(chuàng)立的經(jīng)典物理學(xué)。二十世紀(jì)初，相對論和量子論的建立，徹底挑戰(zhàn)顛覆了經(jīng)典物理學(xué)，是近代物理學(xué)的核心。物理學(xué)的發(fā)展物理學(xué)的發(fā)展第一次科學(xué)革命的集大成之作，它在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)和和哲哲學(xué)學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響。自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理提出了經(jīng)典力學(xué)的三個基本定律和萬有引力定律量子概念的提出量子概念的提出1900年，普朗克在研究黑體輻射時提出能量量子化假說，揭開20世紀(jì)物理學(xué)革命的序幕；1905年，愛因斯坦用光量子假說解釋光電效應(yīng)；1913年，波爾創(chuàng)造性的將量子概念應(yīng)用于盧瑟福的原

2、子模型，建立半經(jīng)典，半量子的氫原子理論，說明了氫原子光譜的規(guī)律；1923年，德布羅意提出物質(zhì)波假說；1926年，薛定諤提出薛定諤方程，建立量子力學(xué)。量子力學(xué)的建立量子力學(xué)的建立1927年第五次索爾維會議年第五次索爾維會議量子理論相對論DNA結(jié)構(gòu)二十世紀(jì)三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)二十世紀(jì)三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)諾貝爾獎諾貝爾獎薛定諤、狄拉克(1933)海森堡(1932)德布羅意(1929)普朗克(1918)愛因斯坦(1921)玻爾(1922)電子的波動性原子結(jié)構(gòu)和輻射光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)量子創(chuàng)立量子力學(xué)量子力學(xué)的基本方程薛定諤、狄拉克方程雙縫干涉實(shí)驗(yàn)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)波動性粒子性疊加原理“Goddoesntplaydice!”上帝不擲

3、骰子！巨大爭議巨大爭議薛定諤貓態(tài)薛定諤貓態(tài)1935年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出著名的“薛定諤貓”佯謬。美國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了6個鈹離子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態(tài)貓態(tài):可分辨宏觀量子態(tài)AliveDead+ 量子退相干量子退相干拉比震蕩-11-11退相干宏觀量子現(xiàn)象宏觀量子現(xiàn)象 超導(dǎo)超流BEC玻色子是自旋為整數(shù)的粒子，其本征波函數(shù)對稱，在玻色子的某一個能級上，可以容納無限個粒子。因而符合玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布的粒子，不滿足泡利不相容原理。費(fèi)米子為自旋為半整數(shù)的粒子，其本征波函數(shù)反對稱，在費(fèi)米子的某一個能級上，最多只能容納一個粒子。因而符合費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布的粒子，滿足泡利不相容原理。玻

4、色子玻色子-費(fèi)米子費(fèi)米子基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料（如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子）；而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色子。玻色子具有整體特性，在低溫時集聚到能量最低的同一量子態(tài)(基態(tài))；費(fèi)米子具有互相排斥的特性，它們不能占據(jù)同一量子態(tài)，因此其它的費(fèi)米子就得占據(jù)能量較高的量子態(tài)，原子中的電子就是典型的費(fèi)米子。1924年玻色和愛因斯坦就從理論上預(yù)言存在另外的一種物質(zhì)狀態(tài)玻色愛因斯坦冷凝態(tài)，即當(dāng)溫度足夠低、原子的運(yùn)動速度足夠慢時，它們將集聚到能量最低的同一量子態(tài)。此時，所有的原子就象一個原子一樣，具有完全相同的物理性質(zhì)。1995年

5、，麻省理工學(xué)院的沃夫?qū)鶆P特利與科羅拉多大學(xué)波爾德分校（UniversityofColoradoBoulder）的埃里克康奈爾和卡爾威曼使用氣態(tài)的銣原子在170nK（1.7乘10的-7次方K）的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態(tài)下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài)，形成一個宏觀的量子狀態(tài)。玻色玻色-愛因斯坦凝聚愛因斯坦凝聚(BEC).1985年，量子霍爾效應(yīng)1986年，掃描隧道顯微鏡1989年，離子阱1996年，氦-3超流1997年，激光制冷1998年，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)量子物理相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎量子物理相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎2001年，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)2003年，超導(dǎo)，超流2

6、007年，巨磁阻效應(yīng)2012年，量子操控BEC巨磁阻超流超導(dǎo)量子測量與操縱量子比特量子比特經(jīng)典信息經(jīng)典系統(tǒng)的狀態(tài)量子系統(tǒng)的狀態(tài)01 量子信息cos( ), sin( ).22ie|0二能級原子硬幣|1+量子門量子門Hadamardgate,這個門將基本狀態(tài) |0 變成，并且將 |1 變成Pauli-Xgate,這個門相當(dāng)于經(jīng)典的邏輯非門。 它將 |0換成 |1并且 |1換成 |0。 Pauli-Ygate,這個門可以用一個泡利Y矩陣表示：這個門保留基本狀態(tài)|0不變,并且將|1換成|-1。Pauli-Zgate,這個門保留基本狀態(tài)|0并且將|1換成ei|1。Phaseshiftgate,2222

7、2( ,)269110 35414f x yx yx yxyxyyy=+22( )1352( )27g xxxh yyy=+=+( ,)()( )f x yg xh y=22(,)f x yxyx y=+()()g xh y可分離不可分離量子糾纏態(tài)量子糾纏態(tài)ABABNon-entangledABABEntangled( ,)( )( )A BABY=Y Y( ,)( )( )A BABYY Y量子糾纏態(tài)量子糾纏態(tài)()12y=+zSMagical Power?非經(jīng)典關(guān)聯(lián)一對一 A B非定域性非定域性三個量子比特(qubit)的GHZ態(tài)和W態(tài)(1) 在量子密碼學(xué)里，糾纏粒子被用來傳輸信息，使用這種

8、方法，任何竊聽動作必定會留下痕跡。(2)在量子計(jì)算學(xué)里，糾纏量子態(tài)可以做并行計(jì)算，允許某些種運(yùn)算的速度比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快很多。很多正在研發(fā)中的科技依靠量子糾纏為基本運(yùn)作機(jī)制。Laser Cooling (Laser Cooling (激光激光冷卻冷卻) )1997NobelPrizewinners.Lasercoolingcangettothelowtemperatureof0.18K(10-6開爾文).Chu朱棣文Cohen-TannoundjiPhillips激光冷卻是利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動以獲得超低溫原子的技術(shù)。光子iEikpdtpdFsEskp光子具有能量和動量原子和光子間可

9、以傳遞能量和動量作用到原子上的力從光子到原子的動量absorptionemission多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)藍(lán)移紅移高頻低頻激光冷卻激光冷卻原子在頻率略低于原子躍遷能級差且相向傳播的一對激光束中運(yùn)動時，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運(yùn)動方向相反的光子，而對與其相同方向行進(jìn)的光子吸收幾率較小;原子原子激光冷卻激光冷卻二能級原子二能級原子TemperatureLandmark106103110-310-610-90(K)core of sunsurface of sunroom temperatureL N2L He3He superfluidity2003 MIT Na BECtypical

10、 TCof BECMOTsub-Doppler cooling比室溫低 12 orders光晶格光晶格光子晶體光子晶體一維周期系統(tǒng)一維周期系統(tǒng)t線性勢場中的布洛赫震蕩線性勢場中的布洛赫震蕩布洛赫震蕩是周期勢，以及波矢存在最大值的直接結(jié)果。排斥勢束縛粒子對排斥勢束縛粒子對K.Winkler,et.al,Nature441,853(2006).雙點(diǎn)量子比特雙點(diǎn)量子比特0UU0s s+1 s+2 s+30UU0s s+1 s+2 s+3單光子開關(guān)單光子開關(guān)(, )2LRSingle-particlesource量子點(diǎn)量子點(diǎn)長頸瓶中不同尺寸的硒化鎘(CdSe)量子點(diǎn)在紫外線的照射下發(fā)出熒光量子點(diǎn)(quantumdot)是準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成。粗略地說，量子點(diǎn)三個維度的尺寸都在100納米(nm)以下量子點(diǎn)具有激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜窄而對稱，顏色可調(diào)，光化學(xué)穩(wěn)定性高，熒光壽命長等優(yōu)越的熒光特性，是一種理想的熒光探針。量子遂穿量子遂穿隧穿粒子的能量不變，只有量子幅降低。找到粒子的概率降低。隧穿粒子