量子力学应用简介课件

,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,*,*,21,世纪最重要的理论,何为量子力学？,描述微观状态下的力学,1、穿遂效应,2、测不准原理,3、量子纠缠态,4、电子自旋,1,穿遂效应,2,穿遂效应,一个双壁结构，中间包含一个量子井，具有相当于量子井中能量的电子可以很容易穿遂通过这个结构。,3,穿遂效应,4,扫描隧道显微镜（STM）,在金属探针及导电样品间加上小电压，并将两者的距离维持在数埃到数十埃之间，是探针尖端原子与样品表面的量子穿遂电流保持恒定值，而测得表面结构形状，具有原子解析度。,5,STM的基础框架,6,STM的应用,进行原子表面修饰和单原子操纵，具有十分广阔的应用前景。,原子操纵最主要的目的是记忆体的制造与读取，每个有原子的位置相当于零。,7,原子操纵技术,1990年，IBM研究人员首次在金属镍表面用35个惰性气体,氙原子,组,成“IBM”三,个,英,文,字母,。后来，又搬移近,百,颗铁,原子形成,“,原子,”,二字,。,此结,果,成为杂志及国际研讨会,的,封面图案。,8,现有的相关技术-量子计算机,一、量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。,二、全球第一台量子计算机,:,由加拿大科技公司,D-Wave,，正式,对外公布,三、目前发展问题,:,1.只要受到任何,一点微干扰,，,马上会死机，过热。,2.,稳定度不够。,3.,需在零下,273,度（,绝对零度,）下,运作。,9,经典计算机的特点,（1）其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110，用量子记号，即|0110110。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态：,C,1|0110110,C,2|1001001。,（2）经典计算机内部的每一步变换都将正交态演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换（或计算）只对应一类特殊集。,10,量子计算机的特点,1量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；,2量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。,11,比较,由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作。,12,量子算法,1994,年Peter Shor,发现,能快速完成因,数分解,的第一,个,量子算法，其可用,来迅速破解现在的,RSA,资料,加密,系统,。,1996年Lov Grover,发现资料快速搜寻的,量子演算法，加速了,资料搜寻,的速度，,进而推广到多方面的应用,。,13,量子计算机模拟图,14,全球首台商用量子计算机,15,通讯中的量子加密,现代的密码专家所遇到的挑战是，如何让发送者与接收者共同拥有一把钥匙，并保证不会外流。,我们通常用一种称为“公开金钥加密法”的方法发送“秘密钥匙”（简称密钥或私钥），对传送的讯息加密或解密。,16,前在公开金钥加密法中，最常用到的RSA密码演算法，就是应用因数分解的原理。在发送与接收者之间传递的秘密讯息，是以“公开钥匙”（简称公钥）加密，这个公钥是一个很大的数，例如408508091（实际上用的数会远大于此）。资料只能以接收者握有的密钥解开，这把密钥是公钥的两个因数，而在这个例子里就是18313与22307。,17,量子密码术和公开金钥加密法的差别在于，前者在量子电脑出现后仍然牢不可破！,18,量子加密原理,要在两端传递量子加密钥匙，其中一种方法就是以雷射发出单一光子，光子会以两种模式中的其中一种偏振。光子的第一种偏振方向是垂直或平行（直线模式）；第二种则是与垂直呈45度角（对角模式）。不管是哪一种模式，光子的不同指向分别代表0或1这两个数字。,19,量子加密原理,依惯例，密码学者通常称发送者为爱丽丝，她以直线或对角随机模式送出光子，发射出一串位元。至于接收者则称为鲍伯，他也随机决定以两种模式之一来量测射入的位元。根据海森堡的测不准原理，他只能以一种模式来测量位元，而不能用两种。只有当鲍伯与爱丽丝选用相同的模式时，位元的指向才能保证是正确的，不会影响原来的数值。,20,量子加密原理,首先是制作钥匙，爱丽丝让一个光子通过直线式或对角式偏振片里的0或1狭缝，同时记录下不同的指向。对于每个射入的位元，鲍伯随机选择一个滤片侦测，同时写下偏振方向以及位元值。,21,量子加密原理,在传送之后，鲍伯与爱丽丝互相联络，这时不需要保密，鲍伯告诉对方他是用哪种模式接收个别光子。不过他并没有说明各个光子的位元是0或1。接着爱丽丝告诉鲍伯他哪些模式的测量方式是正确的。他们会删除没有以正确模式观测的光子，而以正确模式所观测出来的光子便成为钥匙，用以输入演算法来对讯息加密或解密。,22,量子加密原理,如果有人（称为伊芙）想拦截这道光子流，由于海森堡原理的关系，她无法两种模式都测。如果她以错误的模式进行测量，即使她将位元依照测到的结果重传给鲍伯，都一定会有误差。爱丽丝与鲍伯可以选择性地比较一些位元，并检查错误，来侦测是否有窃听者。,23,基于量子加密技术的网络安全芯片已经面世,（QPN：量子私人网络；QKD：量子密钥分配）,Vectis加密机,24,结束语,量子力学的科技应用可以说是方兴未艾，像纳米科技，量子医学,量子力学这门理论性很强的学科也正日益深入到我们的生活中去，逐渐改变着我们的生活,25,谢谢观看,26,