2022-2023学年高二物理竞赛课件：量子力学应用简介

1 量子力学应用简介 2 二十世纪最重要的理论 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 3 穿遂效应 Tunnel Effect 4 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。 穿遂效应 Tunnel Effect 5 穿遂效应 Tunnel Effect 6 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。 7 STM的基础框架 8 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。 9 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。 10 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-273oC（绝对零度附近）下运作。 11 现有的相关技术——量子计算机 传统计算机 量子计算机 1、在同一个上能能表示00、01、10和11中的一种状态。 2、因数分解执行速度慢 1、N个存储位元可以同时储存2N个资料 2、在一个时间上可以同时表示00、01、10和11四种状态 3、资料传送能以接近光速的速度进行 4、执行度是目前电脑的2的N次方 12 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：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： C1|0110110 ＞＋ C2|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 。 13 量子计算机的特点 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； 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。 14 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。 � � � $