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世界量子日!科普一下量子理论的基础知识以及量子理论的应用

更新时间:2023-10-29 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

由德国化学学会发起,国际科学史界和数学学界联合筹划将2025年确立为“量子世纪年”,法国和英国化学学家建议自2021年起将每年的4月14日定为庆祝日,即世界量子日!Tz6物理好资源网(原物理ok网)

“世界量子日”旨在让公众也能参与到对量子科学与技术的理解和讨论,即:Tz6物理好资源网(原物理ok网)

为何是4月14日呢?Tz6物理好资源网(原物理ok网)

是由于普朗克常数4.×10-15eV·s,约化为4.14量子物理知识点,尽管这个数字现今修订为更确切的另一长串数字了。假如用国际单位,普朗克常数是6.×10-34J·s。所以来自65个以上国家的科学家在2021年发起的一项呼吁,将之后每年的4月14日作为“世界量子日”。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

哪些是量子?Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子()是现代数学的重要概念。即一个数学量假如存在最小的不可分割的基本单位,则这个数学量是量子化的,并把最小单位称为量子。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子一词来自拉丁语,意为“有多少”,代表“相当数目的某物质”,它最早是由瑞典化学学家M·普朗克在1900年提出的。他假定宋体幅射中的幅射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍,因而挺好地解释了宋体幅射的实验现象。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

后来的研究表明,不但能量表现出这些不连续的分离化性质,其他数学量例如角动量、自旋、电荷等也都表现出这些不连续的量子化现象。这同以牛顿热学为代表的精典化学有根本的区别。量子化现象主要表现在微观化学世界。描写微观化学世界的数学理论是量子热学。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

自从普朗克提出量子这一概念以来,经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的建立,在20世纪的前半期,初步构建了完整的量子热学理论。绝大多数数学学家将量子热学视为理解和描述自然的基本理论。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

而延展出的量子热学、量子光学等成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其数学量的数值是离散的,而不是连续地任意取值。比如,在原子中,电子的能量是可量子化的。这决定了原子的稳定性和发射波谱等通常问题。绝大多数数学学家将量子热学视为了解和描述自然的基本理论。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

浅显地说,量子是能表现出某物质或化学量特点的最小单元。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子物理知识点_量子物理知识点高中_量子物理学知识Tz6物理好资源网(原物理ok网)

怎样理解离散呢?Tz6物理好资源网(原物理ok网)

中国科学家强调,我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人、1/3个人。我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶、1/3个台阶。这种就是“离散变化”。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。假如某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子叠加态Tz6物理好资源网(原物理ok网)

这是一个神奇的状态,也是不同于精典数学学的概念。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

提到叠加态量子物理知识点,我们就不得不提起那种知名的“薛定谔的猫”理论。在我们的精典理论中,一个客体的状态(用0和1表示)如同最简单的二补码开和关,只能处于开或则陇右的某一个状态,即要么是0要么是1,这就好比一只猫,要么是生要么是死,不能同时“又生又死”。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

但这一理论并不适用于量子世界:在量子世界中,一只猫可以处于又生又死的叠加状态。这些所谓的量子相干叠加正是量子世界与精典世界的根本区别。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子热学Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子热学是人类的数学学理论,同时也是人类的数学学理论基础,量子热学主要是描述微观粒子的运动规律,在量子热学中存在好多颠覆传统认知的定理和现象,微观粒子的运动形式犹如遵守另一种规则。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

从定义上来看,量子热学虽然并不复杂,无非就是在研究“量子”的运动规律和性质,是从微观的角度去分析宇宙的本质。实际上的量子热学非常复杂,完全和我们熟知的世界是一个不同的领域,知名的化学学家费曼就说过:“没有人真正懂量子热学”,他觉得,倘若有一个人宣称自己搞懂了量子热学,这么这个人就是对量子热学一窍不通。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

任何比量子更小的化学单位都是没有意义的,并不是更小的单位不存在,而是高于普朗克尺度后,我们的数学定理就失效了,不止是在大于量子尺度时,人类的数学定理会失效,在黑洞的奇点附近,人类的数学定理同样会失效。不论是相对论还是量子热学,都不能完美地描述已知宇宙,在黑洞和非常小的尺度下才会失效。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子物理知识点高中_量子物理学知识_量子物理知识点Tz6物理好资源网(原物理ok网)

所以,量子热学就是人类现今描述微观粒子的理论,只不过微观粒子的运动规律和基本构成与宏观世界中的规律有很大的差别,同时量子热学目前还不是百分百建立的理论,许多领域和难以解释的事情都能和量子热学扯到一起,于是才有了“遇事不决,量子热学”,这样的自嘲。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子理论的应用!Tz6物理好资源网(原物理ok网)

在许多现代技术武器中,量子化学学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图象显示装置,都关键地借助了量子热学的原理和效应。对半导体的研究引起了晶闸管和二极管的发明,最后为现代的电子工业铺平了公路。在核装备的发明过程中,量子热学的概念也起了一个关键的作用。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

在上述这种发明创造中,量子热学的概念和物理描述,常常甚少直接起了一个作用,而是固体化学学、化学、材料科学或则核化学学的概念和规则,起了主要作用,在所有那些学科中,量子热学均是其基础,这种学科的基本理论,全部是构建在量子热学之上的。以下仅能列列举一些最明显的量子热学的应用,但是,这种列举的事例,肯定也十分不完全。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子计算机Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子计算机()是一类遵守量子热学规律进行高速物理和逻辑运算、存储及处理量子信息的化学装置。当某个装置处理和估算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子计算机的特征主要有运行速率较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与通常计算机比较上去,信息处理量愈多,对于量子计算机施行运算也就更加有利,也就更能确保运算具备精准性。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子通讯Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子通讯是借助量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通讯方法,基于量子热学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供了难以被监听和估算破解的绝对安全性保证,主要分为量子隐型传态和量子秘钥分发两种。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

量子隐型传态基于量子纠缠对分发与贝尔态联合检测,实现量子态的信息传输,其中量子态信息的检测和确定仍须要现有通讯技术的辅助。量子隐型传态中的纠缠对制备、分发和检测等关键技术有待突破,处于理论研究和实验探求阶段,距离实用化尚有较大差别。[1]量子秘钥分发,也称量子密码,利用量子叠加态的传输检测实现通讯双方安全的量子秘钥共享,再通过一次一密的对称加密体制,即通讯双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加揭秘操作,实现无条件绝对安全的保密通讯。以量子秘钥分发为基础的量子保密通讯成为未来保障网路信息安全的一种特别有潜力的技术手段,是量子通讯领域理论和应用研究的热点。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

2022年4月13晚报道,中国科学家设计出一种相位量子态与时间戳量子态混和编码的量子直接通讯新系统,成功实现100公里的量子直接通讯。Tz6物理好资源网(原物理ok网)

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