量子物理近期重要进展市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

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,*,量子物理,近期,主要进展,北京大学物理学院,曾谨言,第1页,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,第2页,预备知识,粒子全同性（不可分辨性）,波动粒子二象性,第3页,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）,费米子(fermion)：自旋 s=1/2，3/2，5/2，电子，质子，中子，s=,全同玻色子体系：允许任意多个全同玻色子,处于一个单粒子态。,Laser(光子，m=0，只有相对论情况)数目众多光子处于同一个量子态。,m 0玻色子，(4 He，碱金属原子)倾向于全部全同玻 色子处于最低能级上。,第4页,粒子全同性（续）,全同费米子体系：,Pauli不相容原理 每一个单粒子态上 最多,只允许一个全同费米子占据。,原子电子壳结构，化学元素周期表。,原子核质子（中子）壳结构。,中子星。,第5页,波动粒子二象性,de Broglie 关系,Free non-relativistic material particle(,m,0),Thermal equilibrium，,k,Boltzmann 常数,只当,T,0 K（极低温），波长足够大，,才能观察到波动干涉现象。,第6页,Laser,(light amplification by stimulated emission of radiation),A.Einstein(1917)理论,Stimulated emission，,Absorption，,Spontaneous emission,第7页,第8页,C.Townex(1953,Maser),N.G.Basov,A.M.ProkhorovT.,A.H.Mainman(1960,Laser),1964,Nobel Prize,第9页,特点和应用,：,一束Laser中众多光子处于同一量子态(光子是玻色子),特点：,laser光束中，诸光子态相位相同，可聚焦在极小空间，能量高度集中(小于普通灯泡能量Laser，能够击穿一块薄金属板)。,出射光与入射光方向相同，方向性强，准确定位(地球月亮距40万km，测准到几个cm)。卫星通讯，宇航，精密加工，纳米技术，,第10页,特点和应用（续）,“holograph”(3-dim photograph),D.Gaber,1971,Nobel Prize,通常摄影只统计底片上光强度分布信息。,全息摄影，包含统计光子相位。(产生干涉）,激光照排,Laser Cooling,Photolithograph(半导体制作工艺),第11页,Superconductivity and Superfluidity,第12页,H.K.Onnes,1911，制备出液氮，,金属汞电阻消失，发觉金属超导性,1913,P.L.Kapitsa,1937，发觉液氦4He 超流，,1978,L.Landau,1941，液氦4He超流理论,1962,J.Bardeen，L.N.Cooper，J.R.SchriefferD.,1957，金属超导性微观理论,BCS 波函数,1972,D.M.Lee,D.D.Osheroff,R.C.Richardson,1972，发觉液氦3He超流,1996,J.O.Bednorz,K.A.Mller,1986，Ba-La-Cu-O 系统中，,发觉高Tc()超导性,1987,Nobel奖,颁奖时间,第13页,H.K.Onnes，1911，液氦制备(利用液化氢气化，降温部分氦液化)水银Hg在 ，电阻突然消失，金属超导性发觉。,P.L.Kapitsa，1937，液氦超流动性：液氦经过狭缝流速与压强差无关液氦()内部及液体与器壁之间没有摩擦力，粘滞性消失,L.D.Landau，1941，液氦超流动性理论,液氦为何失去粘滞性而无摩擦地流动?为何其热导率比铜（室温下）还要大800倍？,预言：液氦中声音传输速度有两种：(1)压力波（大家熟悉），(2)温度波（第二声）。后被试验证实。,为玻色子，原子之间有强相互作用，强关联体系。,第14页,BCS，1957，金属超导性理论首先发觉“Cooper pair”金属中两个电子之间经过交换声子（晶格振动量子）而展现吸引力。在Fermi面附近电子，两两配对，组成“Cooper pair”。（类玻色子）,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.,在连续能带态下，出现一条分离能级（基态），它与激发态之间有一个能隙（energy gap）Superconductivity（准粒子激发自由度被冻结）。,第15页,金属超导态(一个实物宏观量子态)唯象描述，,periodic condition,超导环内磁通量量子化，,(Cooper 对),第16页,玻色爱因斯坦凝聚（BEC）(Bose-Einstein Condensation),第17页,S.Chu（朱棣文）,W.D.Philips,C.Cohen-Tanoudji,80年代，激光制冷和原子俘获方法抵达,1997,E.Cornell,C.Wieman,W.Ketterle,1995，发觉稀薄碱金属原子气体BEC，,Nobel奖,颁奖时间,第18页,E.Cornel，C.Wieman，W.Ketterle，1995,发觉稀薄碱金属原子气体（玻色子）BEC,Bose统计提出后(1924)，Einstein用以研究单原子理想气体（无相互作用玻色子体系），预言：当原子之间距离足够近，速度足够慢时（此时全部粒子都处于最低单粒子态）在适当条件下可能发生相变（BEC）,第19页,同年，de Broglie物质波提出。1924，Pauli原理提出。1925，量子力学两种形式提出。,BEC物理图像：当原子de Broglie波长 原子间距离时，描述单个原子波函数彼此重合（overlap）。由全同粒子组成气体变成“quantum soup”。,第20页,如为玻色子，则全部粒子占据同一个量子态，在适当条件下，可能发生相变。(在确切温度下密度满足 ，,n,-,peak atomic density下将 发生BEC。,如为费米子，“Fermi sea”（每个原子各占其最低能级）。,F.London曾认为：超流动性可能含有BEC性质。以后发觉原子之间有很强相互作用。其性质与Bose-Einstein理论中无相互作用单原子理想气体BEC相差甚远。,第21页,量子霍尔效应Quantum Hall Effect,第22页,K.von Klitzen,1980，试验观察到整数量子 Hall效应，,磁场强度 Tesla,1985,R.B.Laughlin,H.L.Stormer,D.C.Tsui,（崔琦）,1982-83，观察到分数量子Hall效应，,磁场强度 Tesla,1998,Nobel奖,颁奖时间,第23页,量子Hall效应,强磁场中二维电子气宏观量子态,Hall电导率（电阻）量子化，,整数量子Hall效应，,电阻自然单位，,Landau能级和波函数,分数量子Hall效应，,Laughling波函数,携带分数电荷准粒子激发,第24页,第25页,第26页,第27页,量子隧道效应Quantum Tunnelling,第28页,Gamow，-decay，(Barrier penetration),Nuclear Energy,Nuclear fission Atom Bomb，核电站，.,Nuclear fusion Hydrogen Bomb，,Josephson junction 超导体中Cooper 电子,对穿透薄层绝缘体现象.,D.Josephson(1962),L.Esaki，Nobel Prize(1973),I.Giaever,SQUID(Superconducting Quantum interference Device),Quantum Computer,Nobel 奖（1973）,第29页,（续前）,STM(Scanning Tunnelling Microscope),G.Binig&H.Rohrer，,Nobel Prize(1986),利用电子“vacuum tunneling”,研究物体表面形状,第30页,第31页,第32页,第33页,量子工程Quantum Engineering,(1960-),第34页,R.P.Feynman，APS Pasadena 会议（1959）上汇报：“Theres plenty of room at the bottom an invitation to enter a new field of physics”,Beginning of Nanotechnology在纳米尺度对物质 进行操作，1 nm=10,-9,m=10,-3,m。氢原子半径，,a,=0.053nm，,1 nm长度可排列1020个原子。,进入此领域不需要什么新理论，只需借助已经有理论（量子物理）。,第35页,他悬赏处理两个问题：,（1）制作一个微型电动机，体积 ，,（2）把一页书中信息缩小统计在面积只有原书,页两万五千分之一面积之内。,他还深入构想，按人们需要对原子进行排列，,“.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.”,第36页,此梦想正开始被实现：IBM logo，Quantum Corral，Artificial Molecules，,为何1960年左右，人们才认真思索这个问题？技术上进步：激光技术，微电子技术，计算机微型化，photolithograph，quantum well，quantum dot，single-electron transistor，single-electron turnstile device，.,第37页,取自 T.Hey and P.Waters,The New Quantum Universe,p.85,(Cambridge Univer.Press,);,雷奕安译,新量子世界,湖南科学技术出版社,.,第38页,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,);,雷奕安译,新量子世界,湖南科学技术出版社,.,第39页,量子信息论Quantum Information,第40页,量子密码（quantum cryptography）,K.Akert，Phys.Rev.Lett.，,67,(1991)661，,Quantum Cryptography based on Bells theorem.,T.Jennewein，et al，Phys.Rev.Lett.，84()4279,，,Quantum Cryptography with entangled photons.,量子远程传态（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.,第41页,量子计算,（,quantum computation,）,Shor 大数素数分解算法,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.,量子博弈论,（,quantum game theory）D.Meyer，Phys.Rev.Lett.，,82,(1999)1052 J.Eisert，et al，Phys.Rev.Lett.，,83,(1999)3077,第42页,Quantum Teleportation,An arbitrary unknown 1-qubit state to be teleportated,An ancillary 2-qubit entangled state,第43页,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,第44页,Shor大数因子分解量子算法,给定任意数 求 （快！），,给定任意大数（正整数）N，对它进行素数分解。,怎样求 和？,例：（）（慢！）,经典算法，用 去除，所需步骤（即所需时间）,(二进制中N长度)(随L指数增加),第45页,例：129位大数，1994年用1600个工作站花8个月时,间才完成其因子分解。,对250大数，年,600位大数，年（宇宙年纪！）,第46页,Shor量子算法，基于量子平行算法，发觉运算步骤，,估算1000位大数因子分解1秒内完成。,解开密钥：比如，RSA(Rivest，Shamir，Adlman)密钥。（网络，电子银行等）基础，大数因子分解非常困难。,P（Polynomial）问题NP（Non-Polynomial）问题,NPC(Complete)问题,NPI(Intermediate)问题。（未证实是NPC问题）,大数因子分解：经典算法中为NPI问题,Shor 量子算法使之变为P问题！,第47页,Grover量子搜寻（Quantum Search）算法,L.K.Grover，Phys.Rev.Lett.79(1977)325-328,第48页,问题：从N个未分类客体中寻找出某个特定客体，,经典计算机：N/2次，几率1/2,量子计算机：次，几率1/2,例：从 个电话号码中找出某个特定号码,经典方法：one by one，yes or no。平均要 次，,1/2几率,量子计算：一次查询能够同时检验全部 个号码，检验结果是几率性，但查询结果不加测量，继续做量子操作。量子干涉会使前次结果影响下一次量子操作，这种干涉生成操作重复 次后，测量取得正确答案几率为1/2。但若重复几次，则取得正确答案几率靠近1。,第49页,量子力学建立与Nobel奖,姓名,年纪,颁发时间,获奖工作,M.Plank,(1900),(1858-1947),42,1918,基本作用量子,A.Einsten,(1905),(1879-1955),26,1921,光电效应（光量子）及,数学物理方面成就,N.Bohr,(1913),(1885-1962),28,1922,原子结构和原子光谱理论,（早期量子论）,L.de Broglie,(1923),(1892-1987),31,1929,电子波动性,第50页,姓名,年纪,颁发时间,获奖工作,W.Heisenberg,(1925),(1901-1976),24,1932,矩阵力学；,原子核由质子和中子组成,E.Sch,dinger,(1925),(1887-1961),38,1933,波动力学,P.A.M.Dirac,(1927),(1902-1984),25,1933,电子相对论性波动方程；,预言正电子,W.Pauli,(1925),(1900-1958),25,1945,不相容原理,M.Born,(1927),(1882-1970),45,1954,波函数统计诠释,第51页,马克斯 普朗克,阿尔伯特 爱因斯坦,尼尔斯 玻尔,路易 德布罗意,埃尔文 薛定谔,马克思 玻恩,维纳 海森堡,第52页,谢谢,第53页,