2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——現(xiàn)代物理學(xué)中的新興研究領(lǐng)域考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述量子計(jì)算相較于經(jīng)典計(jì)算的主要優(yōu)勢。請列舉兩種實(shí)現(xiàn)量子比特的物理方案，并簡述各自原理的優(yōu)缺點(diǎn)。二、拓?fù)洳牧辖陙沓蔀槟蹜B(tài)物理的研究熱點(diǎn)。請定義拓?fù)浣^緣體，并說明其邊緣態(tài)或表面態(tài)具有哪些獨(dú)特性質(zhì)。與普通絕緣體相比，拓?fù)洳牧系闹饕獌r(jià)值體現(xiàn)在哪些方面？三、大強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）運(yùn)行至今取得了哪些重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)？請選擇其中一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，簡述其結(jié)果及其對標(biāo)準(zhǔn)模型物理圖像的意義。四、解釋什么是暗能量。當(dāng)前有哪些主要的觀測證據(jù)支持宇宙存在暗能量？請簡述其中一種證據(jù)的觀測方法和主要結(jié)論。五、超冷分子是原子物理和化學(xué)交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。請說明制備超冷分子的主要挑戰(zhàn)是什么？并簡述一種可能的制備方案及其原理。六、引力波天文學(xué)為研究宇宙開辟了新的窗口。請簡述引力波是如何產(chǎn)生的。并說明LIGO/Virgo等探測器探測到的典型引力波信號（如雙黑洞并合）具有哪些特征？這類觀測對物理學(xué)和天文學(xué)帶來了哪些啟示？七、光頻梳技術(shù)是現(xiàn)代光學(xué)的重要進(jìn)展。請簡述光頻梳產(chǎn)生的基本原理及其在精密測量中的應(yīng)用。例如，可以說明光頻梳如何用于重新定義秒這一基本單位。八、請比較和對比中微子振蕩和暗物質(zhì)這兩種目前用于解釋天體物理觀測現(xiàn)象（如太陽中微子失蹤、銀河系旋轉(zhuǎn)曲線異常）的假設(shè)。它們各自的實(shí)驗(yàn)證據(jù)有哪些？九、自旋電子學(xué)是利用電子自旋特性進(jìn)行信息存儲和處理的領(lǐng)域。請簡述自旋電子學(xué)的基本概念。并舉例說明自旋電子學(xué)在哪些方面可能超越傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電子學(xué)。十、結(jié)合你所學(xué)知識，談?wù)勀銓ξ锢韺W(xué)未來發(fā)展方向的一種看法。可以討論你認(rèn)為特別有潛力的新興研究領(lǐng)域，并說明理由。試卷答案一、量子計(jì)算優(yōu)勢：利用量子疊加和糾纏特性，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的特定計(jì)算任務(wù)（如快速因子分解、模擬量子系統(tǒng)），具有潛在的指數(shù)級加速。實(shí)現(xiàn)方案1：離子阱。原理：利用電磁場囚禁原子離子，通過激光精密操控離子內(nèi)態(tài)和運(yùn)動態(tài)實(shí)現(xiàn)量子比特。優(yōu)點(diǎn)：量子比特保真度高、相互作用可調(diào)。缺點(diǎn)：系統(tǒng)龐大復(fù)雜、對環(huán)境噪聲敏感。實(shí)現(xiàn)方案2：超導(dǎo)電路。原理：利用超導(dǎo)量子比特（如約瑟夫森結(jié)）在特定電路中實(shí)現(xiàn)量子態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：集成度高、可能實(shí)現(xiàn)硬件化量子計(jì)算機(jī)。缺點(diǎn)：退相干時(shí)間相對較短、需要極低溫環(huán)境。二、拓?fù)浣^緣體定義：一種特殊狀態(tài)的絕緣體，其體材料導(dǎo)電性差，但表面或邊緣存在導(dǎo)電的拓?fù)浔Ｗo(hù)態(tài)。獨(dú)特性質(zhì)：表面/邊緣態(tài)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)，不受散射影響，可實(shí)現(xiàn)無耗散的定向電流；存在無能隙的拓?fù)浔砻鎽B(tài)能帶；手性特性（如自旋-動量鎖定）。主要價(jià)值：為實(shí)現(xiàn)新型自旋電子器件提供了可能；拓?fù)浔Ｗo(hù)特性使其對缺陷不敏感，有助于構(gòu)建穩(wěn)定可靠的量子計(jì)算器件；可能揭示新的基本物理規(guī)律。三、重要發(fā)現(xiàn)1：發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。實(shí)驗(yàn)：ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)組在LHC上分別觀測到與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言一致的希格斯粒子信號。意義：確認(rèn)了標(biāo)準(zhǔn)模型最后一個(gè)預(yù)言粒子的存在，完整了標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子譜，為理解物質(zhì)質(zhì)量起源提供了依據(jù)。重要發(fā)現(xiàn)2：發(fā)現(xiàn)頂夸克（TopQuark）。實(shí)驗(yàn)：CDF和D?實(shí)驗(yàn)組在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)頂夸克。意義：頂夸克是標(biāo)準(zhǔn)模型中最重的夸克，其性質(zhì)的研究有助于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的統(tǒng)一性和完整性。四、暗能量定義：一種假設(shè)的、導(dǎo)致宇宙加速膨脹的神秘能量形式，均勻填充于時(shí)空之中。主要觀測證據(jù)1：超新星觀測。實(shí)驗(yàn)：觀測遙遠(yuǎn)超新星（TypeIa）的光度，發(fā)現(xiàn)其視向速度（遠(yuǎn)離地球的速度）與距離之間存在系統(tǒng)偏差，表明宇宙膨脹在加速。解釋：加速膨脹需要額外的排斥性力，暗能量提供此力。主要觀測證據(jù)2：宇宙微波背景輻射（CMB）各向異性。分析：CMB功率譜的峰值位置和形狀與包含暗能量的宇宙學(xué)模型（ΛCDM模型）吻合得最好。解釋：暗能量影響宇宙早期演化，進(jìn)而影響CMB的溫度漲落模式。五、制備挑戰(zhàn)1：分子形成過程中的多體問題，反應(yīng)通道復(fù)雜，產(chǎn)物難以控制。挑戰(zhàn)2：分子在形成和操控過程中易發(fā)生退相干。制備方案：激光冷卻與絕熱膨脹法。原理：利用激光冷卻技術(shù)將原子冷卻到接近絕對零度，然后通過絕熱膨脹降低原子動能，使得原子間的相互作用增強(qiáng)，克服反應(yīng)能壘，促使原子發(fā)生反應(yīng)形成分子。六、引力波產(chǎn)生：加速運(yùn)動的質(zhì)量（如做圓周運(yùn)動的黑洞、中子星，或并合過程中的劇烈事件）會擾動時(shí)空結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生以波的形式傳播的引力輻射。典型信號特征（雙黑洞并合）：頻譜隨時(shí)間變化，早期頻段較低且隨時(shí)間推移而升高（色散關(guān)系），峰值時(shí)對應(yīng)合并頻率，隨后頻譜展寬，包含豐富的頻率成分，最終趨于零。啟示：驗(yàn)證了愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言；提供了觀測宇宙的新途徑，可以直接探測極端天體事件；為研究黑洞性質(zhì)和宇宙學(xué)提供了新信息。七、產(chǎn)生原理：利用飛秒激光在近紅外區(qū)域產(chǎn)生寬帶連續(xù)譜（啁啾光），通過色散元件（如光柵）將不同頻率的光分離，形成在寬光譜范圍內(nèi)頻率間隔相等的光梳。精密測量應(yīng)用1：頻率測量。利用光頻梳作為“光標(biāo)尺”，可以精確測量任意信號光的頻率，精度達(dá)到飛赫量級。應(yīng)用2：重新定義秒。將光頻梳的某個(gè)穩(wěn)定梳齒頻率（如銫噴泉鐘頻率最近的梳齒）定義為基礎(chǔ)單位秒，實(shí)現(xiàn)了秒的定義從原子躍遷周期到光學(xué)頻率的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變，精度大幅提高。應(yīng)用3：光譜學(xué)。進(jìn)行高分辨率、快速掃描的光譜測量。八、中微子振蕩：中微子存在三種味道（電子、μ、τ），它們在傳播過程中可以相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。解釋了實(shí)驗(yàn)中觀測到的電子中微子通量與理論預(yù)言不符等問題。暗物質(zhì)：一種假設(shè)存在的、不與電磁力相互作用或僅弱相互作用、自旋為0的粒子，均勻分布或團(tuán)塊狀存在于宇宙中，其引力效應(yīng)可以解釋星系旋轉(zhuǎn)曲線異常、引力透鏡效應(yīng)等。實(shí)驗(yàn)證據(jù)（中微子振蕩）：超級神岡探測器觀測到大氣中微子振蕩；MINOS實(shí)驗(yàn)觀測到μ子中微子到電子中微子的振蕩；LSND實(shí)驗(yàn)觀測到τ子中微子到電子中微子的振蕩。實(shí)驗(yàn)證據(jù)（暗物質(zhì)）：直接探測實(shí)驗(yàn)（如PAndAS、XENONnT）設(shè)置探測器尋找暗物質(zhì)粒子與核子碰撞信號；間接探測實(shí)驗(yàn)（如費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡觀測伽馬射線源、LIGO/Virgo觀測雙黑洞并合）試圖發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅產(chǎn)生的信號；引力效應(yīng)觀測（如銀河系旋轉(zhuǎn)曲線、子彈星團(tuán)碰撞）。九、基本概念：利用電子自旋（一種內(nèi)稟角動量）的量子態(tài)（自旋向上或向下）來存儲和處理信息，而非傳統(tǒng)的電子電荷或軌道運(yùn)動。超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子學(xué)方面1：非易失性存儲。自旋電子器件（如自旋霍爾存儲器）在斷電后仍能保持信息狀態(tài)，可能實(shí)現(xiàn)更節(jié)能、更持久的存儲。超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子學(xué)方面2：高速操作。自旋相關(guān)現(xiàn)象（如自旋軌道矩驅(qū)動）可能實(shí)現(xiàn)比電荷驅(qū)動更快的器件開關(guān)速度。超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體電子學(xué)方面3：新原理器件。可能開發(fā)出基于自旋流的邏輯門、量子比特等新型器件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算和通信的新方式。十、看法示例：我認(rèn)為量子信息科學(xué)（包括量子計(jì)算和量子通信）是未來極具潛力的方向。理由1：量子計(jì)算在特定問題（如大數(shù)分解、量子化學(xué)模擬、優(yōu)化問題）上展現(xiàn)出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的巨大潛力，可能引發(fā)科技革命。理由2：量子通信（特別是量