1、量子力學(xué)若干問(wèn)題量子力學(xué)若干問(wèn)題 光的波粒二象性光的波粒二象性 反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn) 物質(zhì)波及其應(yīng)用物質(zhì)波及其應(yīng)用 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)華中科技大學(xué)物理學(xué)院華中科技大學(xué)物理學(xué)院The rectangular aperture of dimensions a b on the leftgives the diffraction pattern on the right.ab 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)Two polaroid analyzers are placed with thei

2、r transmission axes, alongthe long edges, at right angles to each other. The ordinary ray,undeflected, goes through the left polarizer whereas the extraordinarywave, deflected, goes through the right polarizer. The two wavestherefore have orthogonal polarizations.)(0222)(0)()(tkzieEzEzEkdzzEd光的波粒二象性

3、光的波粒二象性- -光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性,0,1,2.nnn量子力學(xué)的開端量子力學(xué)的開端光的波粒二象性光的波粒二象性- -光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性光的波粒二象性光的波粒二象性- -光的粒子性光的粒子性Ahvmme221202022011vkkmcmcm粒子，波？粒子，波？ 粒子的特點(diǎn)是能量和質(zhì)量在時(shí)間和粒子的特點(diǎn)是能量和質(zhì)量在時(shí)間和空間上高度集中空間上高度集中 波的能量在時(shí)間和空間上是彌散的波的能量在時(shí)間和空間上是彌散的. 定域（定域（localize)與非定域與非定域(global) 波是概率波波是概率波)()()()(Re2)()()(),()()()()()()(Re2)()()(),()(

4、)(1*22*121212211*22*12121221rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrEEEEEEEEEE光的波粒二象性光的波粒二象性- -波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一Wave ? Particle? Eitheror Bothand, Neithernor/nobel_prizes/physics/articles/ekspong/index.htmlThe Dual Nature of Light as Reflected in the Nobel Archives量子力學(xué)若干問(wèn)題量子力學(xué)若干問(wèn)題 光的波粒二象性光的波粒二象性

5、反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn) 物質(zhì)波及其應(yīng)用物質(zhì)波及其應(yīng)用 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)華中科技大學(xué)物理學(xué)院華中科技大學(xué)物理學(xué)院PHYSICAL REVIEW A, 65，033818 20021()2spspxyyx反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)探測(cè)探測(cè)P路光子路光子偏振態(tài)偏振態(tài)S路光子在進(jìn)路光子在進(jìn)入雙逢時(shí)的入雙逢時(shí)的偏振態(tài)偏振態(tài)S路光子經(jīng)過(guò)路光子經(jīng)過(guò)狹縫狹縫1后的偏后的偏振態(tài)振態(tài)S路光子經(jīng)過(guò)路光子經(jīng)過(guò)狹縫狹縫2后的偏后的偏振態(tài)振態(tài)XYRLYXLRS路光路光的偏振的偏振通過(guò)狹通過(guò)狹縫縫1通過(guò)狹通過(guò)狹縫縫2XLRYR

6、L反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)1/4波片，記號(hào)波片，記號(hào)探測(cè)探測(cè)P路光子路光子偏振態(tài)偏振態(tài)S路光子在遇路光子在遇到到1/4波片時(shí)波片時(shí)的偏振態(tài)的偏振態(tài)S路光子經(jīng)過(guò)路光子經(jīng)過(guò)QWP1和狹縫和狹縫1后的偏振態(tài)后的偏振態(tài)S路光子經(jīng)過(guò)路光子經(jīng)過(guò)QWP2和狹縫和狹縫2后的偏振態(tài)后的偏振態(tài)XYRLYXLR反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)傾斜起偏器傾斜起偏器探測(cè)到探測(cè)到P路光子路光子S路光子在遇到路光子在遇到1/4波片時(shí)的偏振波片時(shí)的偏振態(tài)態(tài)S路光子經(jīng)過(guò)路光子經(jīng)過(guò)QWP1和和SLIT1后的偏振態(tài)后的偏振態(tài)S路光子經(jīng)過(guò)路光子經(jīng)過(guò)QWP2和和SLIT2

7、后的偏振態(tài)后的偏振態(tài)X, （也可以（也可以Y）Y，（也可以，（也可以X）R，（也可以，（也可以L）L （也可以（也可以R）Y，（也可以，（也可以X）X，（也可以，（也可以Y）L，（也可以，（也可以R）R，（也可以，（也可以L）反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)干涉的原因是因?yàn)槲覀儾恢拦庾幼吒缮娴脑蚴且驗(yàn)槲覀儾恢拦庾幼吡四臈l路徑。了哪條路徑。兩個(gè)分開很遠(yuǎn)的光子，依然保持某種兩個(gè)分開很遠(yuǎn)的光子，依然保持某種關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)。光子似乎能光子似乎能“感知感知”到遙遠(yuǎn)的起偏器。到遙遠(yuǎn)的起偏器。必須把光子以及波片必須把光子以及波片,偏振片之間的糾偏振片之間的糾纏考慮進(jìn)去纏考慮進(jìn)去, 它們是一個(gè)整體它

8、們是一個(gè)整體,這種關(guān)這種關(guān)聯(lián)是非局域的聯(lián)是非局域的.反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)“Entanglement is the characteristic trait of quantum mechanics, the one that enforces its entire departure from classical lines of thought”.光的波粒二象性光的波粒二象性- -糾纏態(tài)！糾纏態(tài)！量子力學(xué)若干問(wèn)題量子力學(xué)若干問(wèn)題 光的波粒二象性光的波粒二象性 反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn) 物質(zhì)波及其應(yīng)用物質(zhì)波及其應(yīng)用 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)

9、華中科技大學(xué)物理學(xué)院華中科技大學(xué)物理學(xué)院 X射線射線 和電子束衍射和電子束衍射物質(zhì)的波動(dòng)性物質(zhì)的波動(dòng)性物質(zhì)的波動(dòng)性物質(zhì)的波動(dòng)性C60分子光柵衍射分子光柵衍射準(zhǔn)直狹縫準(zhǔn)直狹縫100 nm 柵柵離子位置探測(cè)單元離子位置探測(cè)單元波動(dòng)并不僅屬于光波動(dòng)并不僅屬于光, 原本粒子性很強(qiáng)的原本粒子性很強(qiáng)的碳碳60分子也顯示出波動(dòng)性。分子也顯示出波動(dòng)性。High Temperature:Random thermal motion dominatesLow Temperature:Underlying quantum behavior revealedQuantum wave-likebehaviorClassi

10、cal particle-likebehavior物質(zhì)的波動(dòng)性物質(zhì)的波動(dòng)性低溫下的量子行低溫下的量子行為為2/ 2/ 2xBmvk T/ p 2/xBTmvk物質(zhì)的波粒二象性物質(zhì)的波粒二象性300K1K1mK1m mK1nK1pK室溫室溫液氦液氦Doppler 冷卻冷卻亞亞 Doppler 冷卻冷卻Raman冷卻冷卻？銣原子速率銣原子速率170m/s10 m/s0.3 m/s1cm/s0.3mm/s對(duì)應(yīng)溫度對(duì)應(yīng)溫度6 m mm/s實(shí)驗(yàn)手段實(shí)驗(yàn)手段2/2/2Bmvk T物質(zhì)的波粒二象性物質(zhì)的波粒二象性溫度與速率的關(guān)系溫度與速率的關(guān)系物質(zhì)的波粒二象性物質(zhì)的波粒二象性Doppler 冷卻冷卻Dopp

11、ler冷卻Magneto-Optical-Trap MOT冷卻原子冷卻原子物質(zhì)的波動(dòng)性物質(zhì)的波動(dòng)性-BEC211()22TmvhhPTm物質(zhì)的波動(dòng)性物質(zhì)的波動(dòng)性-BEC物質(zhì)波的應(yīng)用物質(zhì)波的應(yīng)用 冷原子的物質(zhì)波比光波波長(zhǎng)更短冷原子的物質(zhì)波比光波波長(zhǎng)更短,因此對(duì)外界物理量的測(cè)量具有更高因此對(duì)外界物理量的測(cè)量具有更高靈敏度靈敏度 原子運(yùn)動(dòng)速度相比于光速慢很多原子運(yùn)動(dòng)速度相比于光速慢很多,因此一些效應(yīng)可以得到累積因此一些效應(yīng)可以得到累積.冷原子干涉冷原子干涉Optical interferometer重力加速度重力加速度,轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),電場(chǎng)電場(chǎng),磁場(chǎng)等都會(huì)造成干涉儀兩臂磁場(chǎng)等都會(huì)造成干涉儀兩臂之間相位差之

12、間相位差的改變的改變.因此可以用來(lái)靈敏測(cè)量相應(yīng)的因此可以用來(lái)靈敏測(cè)量相應(yīng)的物理量物理量.Atom interferometer冷原子干涉冷原子干涉轉(zhuǎn)動(dòng)角速度測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角速度測(cè)量Q1: 如何理解分束？ Q2：為什么要用MOT冷卻？量子力學(xué)若干問(wèn)題量子力學(xué)若干問(wèn)題 光的波粒二象性光的波粒二象性 反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn) 物質(zhì)波及其應(yīng)用物質(zhì)波及其應(yīng)用 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)華中科技大學(xué)物理學(xué)院華中科技大學(xué)物理學(xué)院C70 分子衍射驗(yàn)證測(cè)不準(zhǔn)原理分子衍射驗(yàn)證測(cè)不準(zhǔn)原理Experimental verification of the Heisenberg uncertai

13、nty principle for fullerene moleculesPHYSICAL REVIEW A, VOLUME 65, 032109,2002準(zhǔn)直狹縫準(zhǔn)直狹縫 10um可調(diào)縫寬可調(diào)縫寬 020 umC70 分子衍射驗(yàn)證測(cè)不準(zhǔn)原理分子衍射驗(yàn)證測(cè)不準(zhǔn)原理/ 2x p sJhsmKgpxsmKgpmmx342342771062620. 6/1025. 6/105 . 2105 . 225. 0m測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 傅立葉分解-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.500.511.522.533.5 2-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.50501001

14、50200250 20-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.500.511.522.5x 104傅立葉變換傅立葉變換f (x)F (P)f (t)F () 狹逢S2的存在改變了C70分子在空間分布的狀態(tài)(即改變了波函數(shù)),當(dāng)狹逢很大的時(shí)候,C70在空間的波函數(shù)可以用 描寫 當(dāng)逐漸壓窄狹逢的時(shí)候,事實(shí)上將C70的波函數(shù)塌縮到了位置本征態(tài)(即位置確定的態(tài)),這個(gè)位置本征態(tài)是由具有不同動(dòng)量的平面波的疊加態(tài).00/1( )2pip xxesin2sinsin,22yyydpppdpy 狹縫越小，粒子的位置在狹縫越小，粒子的位置在y 軸上的越精確。軸上的越精確。小尺寸小尺寸,大能量大能量

15、電子在原子中電子在原子中, 10-8 , 能量能量 10100 eV核子在核中，核子在核中， 10-12 , 能量能量, 1 MeVL22222/mlmpElp動(dòng)能Smaller size, more energy CERN (歐洲核子中心歐洲核子中心)量子力學(xué)若干問(wèn)題量子力學(xué)若干問(wèn)題 光的波粒二象性光的波粒二象性 反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn)反直覺(jué)的光子干涉實(shí)驗(yàn) 物質(zhì)波及其應(yīng)用物質(zhì)波及其應(yīng)用 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)華中科技大學(xué)物理學(xué)院華中科技大學(xué)物理學(xué)院量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)-Moore定律終結(jié)定律終結(jié)2017 ! End of Moores law?量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)-經(jīng)典比特

16、與量子比經(jīng)典比特與量子比特特量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)-經(jīng)典比特與量子比經(jīng)典比特與量子比特特20| 經(jīng)典比特經(jīng)典比特 可以處在兩個(gè)截然不同的狀態(tài)可以處在兩個(gè)截然不同的狀態(tài),要么要么0,要么要么1, N個(gè)比特存儲(chǔ)個(gè)比特存儲(chǔ)N個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài). 對(duì)比特的讀取對(duì)比特的讀取(測(cè)量測(cè)量)不會(huì)改變狀態(tài)不會(huì)改變狀態(tài). 量子比特量子比特 可以同時(shí)處于可以同時(shí)處于0和和1的疊加態(tài)的疊加態(tài), N個(gè)比特能存儲(chǔ)個(gè)比特能存儲(chǔ)2N個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài) 測(cè)量量子比特時(shí)測(cè)量量子比特時(shí) 有一定概率處于有一定概率處于0 有一定概率處于有一定概率處于121|3Pr:Y52SiO量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)-量子比特載體量子比特載體91. 092. 093. 093. 096. 00 . 11010101010iiFFFFFF量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)-對(duì)量子比特操控對(duì)量子比特操控 一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于兩個(gè)態(tài)一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于兩個(gè)態(tài),我們可我們可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)態(tài)進(jìn)行操作以同時(shí)對(duì)兩個(gè)態(tài)進(jìn)行操作. 如果有如