量子密碼學(xué)理論基礎(chǔ)第1頁，共17頁。量子密碼學(xué)的誕生19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)處于新舊交替的時(shí)期。生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)的提高，導(dǎo)致了物理實(shí)驗(yàn)上一系列重大發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的經(jīng)典物理理論大廈越發(fā)牢固，欣欣向榮，而唯一不協(xié)調(diào)的只是物理學(xué)天空上小小的"兩朵烏云"。但是正是這兩朵烏云卻揭開了物理學(xué)革命的序幕：一朵烏云下降生了量子論，緊接著從另一朵烏云下降生了相對論。量子論和相對論的誕生，使整個(gè)物理學(xué)面貌為之一新。第2頁，共17頁。量子理論的簡介量子論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關(guān)于自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射等。第3頁，共17頁。舊量子理論的建立20世紀(jì)初,新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不斷發(fā)現(xiàn),經(jīng)典物理學(xué)在解釋一些現(xiàn)象時(shí)出現(xiàn)了困難,其中表現(xiàn)最為明顯和突出的是以下三個(gè)問題:黑體輻射問題;光電效應(yīng)問題;原子穩(wěn)定性和原子光譜.第4頁，共17頁。黑體輻射什么是黑體？在任何條件下，對任何波長的外來輻射完全吸收而無任何反射的物體，即吸收比為1的物體。1900年,才華橫溢而又保守謹(jǐn)慎的德國物理學(xué)家普朗克(MaxPlanck,1858-1947)為解決黑體輻射問題,大膽地提出了一個(gè)革命性的思想:電磁振蕩只能以"量子"的形式發(fā)生,量子的能量E和頻率u之間有一確定的關(guān)系:[E=hu]h為一自然的基本常數(shù).普朗克假定:黑體以hu為能量單位不連續(xù)地發(fā)射和吸收頻率為u的輻射,而不是象經(jīng)典理論所要求的那樣可以連續(xù)地發(fā)射和吸收能量。第5頁，共17頁。為了定量描述某物體在一定溫度下發(fā)出的能量隨波長的分布，引入“色輻射本領(lǐng)”(也叫單色輻出度)的概念。波長為λ的單色輻射本領(lǐng)是指單位時(shí)間內(nèi)從物體的單位面積上發(fā)出的波長在λ附近單位波長間隔所輻射的能量．通常用Mλ(T)表示。6如果一個(gè)物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。0123456(μm)1700K1500K1300K1100K黑體：吸收和輻射都最大黑洞：只吸收不輻射，電磁波為黑洞所束縛，無法逃逸出來。第6頁，共17頁。普朗克的量子假設(shè)普朗克的新思想是與經(jīng)典理論相違背的,它沖破了經(jīng)典物理傳統(tǒng)觀念對人們的長期束縛,這就為人們建立新的概念,探索新的理論開拓了一條新路.在這個(gè)假設(shè)的啟發(fā)下,許多微觀現(xiàn)象得到了正確的解釋,并在此基礎(chǔ)上建立起一個(gè)比較完整的,并成為近代物理學(xué)重要支柱之一的量子理論體系。第7頁，共17頁。8實(shí)驗(yàn)值維恩瑞利--金斯紫外災(zāi)難普朗克的量子假設(shè)第8頁，共17頁。9h—普朗克常數(shù)由此普朗克得到了黑體輻射公式，成功的解釋了黑體輻射c

——光速k

——玻爾茲曼恒量(1)黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波，并和周圍的電磁場交換能量。(2)這些諧振子能量不能連續(xù)變化，只能取一些分立值，是最小能量

的整數(shù)倍,這個(gè)最小能量稱為能量子。普朗克的量子假說第9頁，共17頁。光子以頻率v入射光的量子性光電效應(yīng)愛因斯坦方程的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)光照射到金屬表面時(shí)，有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。光電子逸出的電子。光電子由K飛向A，回路中形成光電流。OOOOOOOO第10頁，共17頁。愛因斯坦光子假說愛因斯坦光電效應(yīng)方程光是以光速c運(yùn)動的微粒流，稱為光量子（光子）光子的能量：金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子能量h

以后，一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功A

，一部分轉(zhuǎn)化為光電子的動能。第11頁，共17頁。測不準(zhǔn)關(guān)系微觀粒子的空間位置要由概率波來描述，概率波只能給出粒子在各處出現(xiàn)的概率。任意時(shí)刻不具有確定的位置和確定的動量。電子束x縫屏幕X方向電子的位置不準(zhǔn)確量為：第12頁，共17頁。13

X方向的分動量px的測不準(zhǔn)量為：電子束x縫屏幕相關(guān)公式：d·sinθ=n·λ其中d為為兩狹縫之間的間距,θ為衍射角度，n為光柵級數(shù)，λ為波長。第13頁，共17頁。14經(jīng)嚴(yán)格證明此式應(yīng)為：這就是著名的海森伯測不準(zhǔn)關(guān)系式第14頁，共17頁。趣味實(shí)驗(yàn)——薛定諤的貓

什么是薛定諤的貓?處于所謂“疊加態(tài)”的微觀粒子之狀態(tài)是不確定的，例如：電子可以幾乎同時(shí)位于幾個(gè)不同的地點(diǎn)，直到被觀察測量（觀測）時(shí)，才在某處出現(xiàn)。這種事如果發(fā)生在宏觀世界的日常生活中，就好比：我在家中何處是不確定的，你看我一眼，我就突然現(xiàn)身于某處——客廳、餐廳、廚房、書房或臥室都有可能，而在你看我之前，我像云霧般隱身在家中，穿墻透壁到處游蕩。薛定諤的貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯(lián)系起來，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態(tài)。是薛定諤試圖證明量子力學(xué)在宏觀條件下的不完備性而提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn).第15頁，共17頁。

把一只貓放進(jìn)一個(gè)不透明的盒子里，然后把這個(gè)盒子連接到一個(gè)包含一個(gè)放射性原子核和一個(gè)裝有有毒氣體的容器的實(shí)驗(yàn)裝置。設(shè)想這個(gè)放射性原子核在一個(gè)小時(shí)內(nèi)有50%的可能性發(fā)生衰變。如果發(fā)生衰變，它將會發(fā)射出一個(gè)粒子，而發(fā)射出的這個(gè)粒子將會觸發(fā)這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這只貓。根據(jù)量子力學(xué)，未進(jìn)行觀察時(shí)，這個(gè)原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，但是，如果在一個(gè)小時(shí)后把盒子打開，實(shí)驗(yàn)者只能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況。

這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的巧妙之處，在于通過“檢測器－原子－毒藥瓶”這條因果鏈，似乎將鈾原子的“衰變－未衰變疊加態(tài)”與貓的“死－活疊加態(tài)”