量子力学和现代科技课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,*,量子力学与现代科技,应用物理,0310317,赵楠,材料物理,0310287,赵云帆,1,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,量子力学与现代科技应用物理 0310317 赵楠1锲而舍之,量子力学向其它领域的渗透,量子化学、量子生物学、量子磁学,2,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,量子力学向其它领域的渗透量子化学、量子生物学、量子,量子力学向近代科学技术的发展提供了理论基础,原子能技术开发,纳米技术,激光,超导研究,大规模集成电路,3,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,量子力学向近代科学技术的发展提供了理论基础原子能技术开发3,一、纳米技术,纳米技术与纳米材料,纳米技术：,在纳米尺度（1100）上制造材料和器件的工艺。其实质就是在分子水平上一个原子、一个原子地制造具有崭新的分子组织的纳米结构的能力。,纳米材料：,由纳米级结构单元构成的任何类型的材料。,4,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,一、纳米技术纳米技术与纳米材料4锲而舍之，朽木不折。锲而不舍,2.纳米尺度的观测,扫描探针显微术,(,Scanning Probe Microscopy),是利用探针尖端与表原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构，获得原子级分辨图象。,扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜（,STM,）由,STM,头部,，,电子学处理部分,，减震系统以及计算机系统（含软件）组成。,5,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,2.纳米尺度的观测,隧道效应理论,在量子力学中，隧道效应是粒子波动性的直接结果。当一个粒子进入到一个势垒中，而势垒的势能比粒子的动能大时，根据量子力学原理，粒子越过壁垒而出现在势垒的另一边的几率不为零，而经典力学给出的几率则为零。,6,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,隧道效应理论6锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友,扫描隧道显微镜工作原理,电子从一极通过隧道效应穿过空间势垒到另一极，形成隧道电流。电流大小取决于针尖与表面间距及表面电子状态。,7,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,扫描隧道显微镜工作原理7锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可,扫描隧道显微镜要测量隧道电流变化，只能用于导体或半导体研究，并且得到的不是实际表面形貌。后来又发明了扫描探针显微镜（近场扫描光学显微镜、热扫描显微镜、原子力显微镜），它们可在原子水平测量各种表面的形貌，研究表面弹性、塑性、硬度等。,8,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,扫描隧道显微镜要测量隧道电流变化，只能用于导体或半导体研,3.对纳米世界的操纵,主要利用扫描探针显微镜和分子外延技术。,移动原子,用扫描探针显微镜还可操纵原子。,IBM,公司1990年第一次在一块镍晶体上用35个原子拼出了,IBM 3,个字母，宽度在3个纳米内。,美国正在研制一种纳米操纵器，使用类似游戏机摇杆来控制扫描隧道显微镜,9,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,3.对纳米世界的操纵9锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可,扫描隧道显微镜,：图中的“,IBM”,是由单个原子构成的,10,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,扫描隧道显微镜：图中的“IBM”是由单个原子构成的 10锲而,用原子喷绘,用分子束外延技术（,MBE）,可以一次一个原子层或分子层地制备特殊的晶体（巨磁阻效应新料）。,分子自组织,事先设计好结合方式，通过纳米技术设计超分子结构。,惠普公司研究人员提出分子计算机设想，梦想制造出分子级晶体管、导线等微电子元件。现已制造出直径1.2纳米的纳米管。,11,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,用原子喷绘11锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友,二、量子频标,1.,时间标准的发展历史,天文秒：,地球对太阳的公转与自转为基础，称世界时。一个太阳日的86400分之一为1天文秒。精确程度为3年差1秒。,时钟性能标准：,a),精确度：,实际测定的时间与定义值的偏离程度。,b),稳定性：,时间装置在相继时间间隔内产生同一结果的程度。,c),复现度：,一定形式的装置在不同运行期间或多次连续开机下产生相同频率的程度。,12,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,二、量子频标1.时间标准的发展历史12锲而舍之，朽木不折。,钟表的发展：,17世纪：机械钟，误差：一年不到一秒。,20世纪：石英钟：目前最好的石英钟稳定度为,石英钟与机械钟不能替代以地球自转为基础的时间标准。,原子钟与原子秒:,1967年第十三届国际计量大会决定，以零磁场下铯原子基态两个超精细结构能级之间的跃迁频率作为国际通用频率标准，定义持续9192631770个周期的时间为1原子秒。,13,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,钟表的发展：13锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂,2.铯原子钟工作原理,利用六组红外线雷射光将铯原子冷却，然後再将铯原子投掷到计时器真空的空间，形成一个铯原喷泉当铯原子慢慢地降落在计时 器的微波空穴内，铯原子和微波 发生相互作用，发出光子；由於 铯原子停留在计时器的空间的时 间延长了，科学家可以有更长的 时间观察和量度铯原子的振动和 铯原子发出的光子，提高原子钟 的准确度。,原子钟内部构造图,14,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,2.铯原子钟工作原理原子钟内部构造图14锲而舍之，朽木,3.原子钟的应用及提高精度的意义,原子钟成了提供、记录标准时间必不可少的备。,我国原子钟精度：，属世界先进行列。,时间的精确测定导致长度标准的改变。,铂铱合金米原器 精度：,氪发出的特定波长：1米氪原子在真空中其2,p10,和5,d5,两能级跃迁所发光波波长的1650763.73倍。精度：,1983年国际计量大会定义一米为真空中平面电磁波在299792458分之一秒进行路程的长度。,时间精度提高，长度精度同时提高。,15,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,3.原子钟的应用及提高精度的意义原子钟成了提供、记录标准时间,原子钟检验相对论、量子论,相对论、量子论是近代物理的基石。爱因斯坦广义相对论受直接检验还不多，原因是时间变化极微小，只有提高时钟精度才能检验。,全球定位系统和信息高速公路的计划,精确的时间标准对社会生活和生产也有重大意义。,16,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,原子钟检验相对论、量子论16锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金,三、量子霍尔效应,经典霍尔效应,如图所示，将一载流导体板放在磁场中，若磁场方向垂直于导体板并与电流方向垂直，则在导体板的上下两侧面之间会产生一定的电势差。这一现象叫做霍尔效应，所产生的电势差叫做霍尔电压。,17,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,三、量子霍尔效应经典霍尔效应17锲而舍之，朽木不折。锲而不,2.量子霍尔效应,朗道能级,带电粒子在均匀磁场中的运动,B,沿,z,方向,薛定谔方程为：,能级：,电子被局限在,xy,平面运动,电子完全激化,朗道能级,18,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,2.量子霍尔效应18锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂,整数量子霍尔效应,通过硅金属氧化物场效应管用电场使电子局限在半导体表面。,与经典霍尔效应显著差别是：和,B,不再呈线性关系，克利青发现，二维电子气的霍尔电阻,RH,与,B,的关系是在总的直线趋势上出现一系列平台（量子化霍尔电阻）,量子霍尔电阻与具体材料无关。,19,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,整数量子霍尔效应19锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂,在绝对零度附近，强磁场下，并迫使电子在平面内运动，霍尔效应以台阶的方式变化。,20,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,在绝对零度附近，强磁场下，并迫使电子在平面内运动，霍尔效应以,分数量子霍尔效应,当二维电子气处于更强磁场和更低温度时，出现新规律，在,处也出现量子化霍尔电阻平台。,21,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,分数量子霍尔效应21锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂,四、量子信息学,量子信息学,量子编码,量子克隆与量子复制,量子密码通讯,量子态远程传输,22,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,四、量子信息学量子信息学量子编码量子克隆与量子复制量子密码通,1.,量子编码,量子编码：,消相干会引起量子错误，量子编码的目的是为纠正或防止这些量子错误。基本思想是以合适的方式引进多余信息，以提高信息的抗干扰能力。,量子编码的困难：,（1）量子态不可克隆定理禁止态复制。（2）经典编码纠错时，需要进行测量，以确定错误图样，对量子态测量会破坏量子相干性。（3）经典码中的错误只有一种，即0和1之间的跃迁，而量子错误的自由度大得多，对一确定输入态，输出态可以是二维空间的任意态，错误种类是连续的。,23,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,1.量子编码量子编码：消相干会引起量子错误，量子编码的目的是,量子纠错方案：,2019年底，,shor,和,steane,独立提出最初的两个纠错方案。,（1）为了不违背量子态不可克隆定理，量子编码时，单比特不是被复制为多比特的直积，而是编码为较复杂的纠缠态。,（2）量子纠错在确定错误图样时，只进行部分测量，信息的量子相干性仍被保留。,（3）量子错误的种类虽为连续流，但它可表示为3种基本量子错，所有的量子错误都将得到纠正。,两种编码方案：1）纠随机的量子码，2）防合作错量子码。,24,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,量子纠错方案：24锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂,2.量子克隆与量子复制,：,量子克隆与量子复制的区别是：,前者是精确复制，而后者允许输出态与输入态有一定偏差。,量子不可克隆定理：,一个未知的量子态不可以克隆。,25,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,2.量子克隆与量子复制：25锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金,量子态不可精确复制是量子密码术的重要前提，它确保了量子密码的安全性，使窃听者不可采取克隆技术获得合法用户的信息。,量子不可克隆定理并未排除量子复制。人们一直在寻找最佳的量子复制机，尽可能精确复制所有输入态。,26,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,量子态不可精确复制是量子密码术的重要前提，它确保了量子密码的,经典物理：,精确测量远程复制,量子物理：,海森伯测不准原理。单个未知量子态不可克隆。,1993年，,Bennett,指出：量子态远程传送是可能的。由量子力学，相互耦合的微观粒子之间存在某种超光速关联。对其中一个粒子进行测量，另一粒子将瞬时“感应”到这种影响,3.量子态远程传送,27,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,经典物理：精确测量远程复制3.量子态远程传送27锲而舍之,4.量子密码通信,：,经典密码通信原理：,信息加密：,对明文,M,进行数据变换,Gk,得出密文,C:Gk(M)=C.,解密：,对密文进行逆变换，恢复明文。,密钥：,明文和密文之间的变换借助密码算法在参数,K,作用下完成，这样的参数称为密钥，保密通信的关键在于密钥,K,的生成。,28,锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂 友友情分享O(_)O,4.量子密码通信：28锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，金石可镂,例：,C