量子力学和计算机的关系范文
时间：2023-12-13 17:50:35
导语：如何才能写好一篇量子力学和计算机的关系，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
多年以前，高科技最牛的美国就已不把电子计算机列为高科技产品了。
但巨高性能计算机仍是信息时代的高科技标志物件之一。2012年诺贝尔物理学奖发给了法国人塞尔日·阿罗什和美国人大卫·维恩兰德，这两位科学家的研究成果为新一代超级量子计算机的诞生提供了可能性。
恶搞一下：法国人浪漫，而简称美国人为美人，那么，浪漫人美人=？
文艺范儿的信息
不往滥俗里想，那么，答案就是很文艺化的表达了。其实，“信息”最初是相当文艺范儿的，而不是20世纪中期才开始热门起来的科技词汇。
一般认为，中文的“信息”一词出自南唐诗人李中《暮春怀故人》：“梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台。”—— “美眉音信消息全无啊，梦里也梦不到你，我独自上楼倚栏，望眼欲穿望到长路尽头也不见你。”这么拙劣地意译，也让人感觉到深深的思念。
其实，在李中之前一百多年，与李商隐齐名的唐朝大诗人杜牧《寄远》里就有“信息”了：“塞外音书无信息，道旁车马起尘埃。”还有比小杜更早的，唐朝诗人崔备的《清溪路中寄诸公》：“别来无信息，可谓井瓶沉。”
宋朝的婉约派大词人柳永、李清照也用过“信息”这个词。因金兵入侵而流离失所的李清照思念当年安乐的故乡，心理上把信息的价格定成了真正的天价：“不乞隋珠与和璧，只乞乡关新信息。”——千年前的唐宋中国，其高科技虽是世界第一，但信息技术还是跟现在没法比的，要靠驿马、鸿雁甚至人步行来传递信息，速度慢而效率低，信息珍贵啊。
在地球的西方呢？虽然香农1948年就划时代地把信息引为数学研究的对象，赋予其新的科学的涵义；至1956年，“人工智能”术语也出现了。可最早讨论数据、信息、知识与智慧之间关系的，却是得过诺贝尔文学奖的大诗人艾略特（T. S. Eliot；钱钟书故意译为“爱利恶德”）。他在1934年的诗歌“The Rock”中写道：
Where is the Life we have lost in living？
Where is the wisdom we have lost in knowledge？
Where is the knowledge we have lost in information？
Where is the information we have lost in data？
我们迷失于生活中的生命在哪里？
我们迷失于知识中的智慧在哪里？
我们迷失于信息中的知识在哪里？
我们迷失于数据中的信息在哪里？
尽管第四句是好事者后加的，但诗人还是直指本质地提出了信息暴炸时代最困扰人的难题：如何不让我们的生命和智慧都迷失在数据中？
量子计算机和量子信息技术，提供了一种让生命和智慧不要淹没在数据的海洋中的途径、工具和可能。
量子与量子计算机
量子理论是现代物理学的两大基石之一，为从微观理解宏观提供了理论基础。客观世界有物质、能量两种存在形式，物质和能量可以互相转换（见爱因斯坦的质能方程），量子理论就是从研究极度微观领域物质的能量入手而建立起来的。
我们知道，微观世界中有许多不同于宏观世界的现象和规则。经典物理学理论中的能量是连续变化的，可取任意值，但科学家们发现微观世界中的很多物理现象无法解释。1900年12月14日，普朗克在解释“黑体辐射”时提出：像原子是一切物质的构成单元一样，“能量子（量子）”是能量的最小单元，原子吸收或发射能量是一份一份地进行的。这是量子物理理论的诞生。
1905年，爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布罗意提出“物质波”概念，即一切物质粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩阵力学，薛定谔建立了量子波动力学，量子理论进入了量子力学阶段。1928年，狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学转换，对量子力学理论进行了系统的总结，成功地将相对论和量子力学两大理论体系结合起来，使量子理论进入量子场论阶段。
“量子”词源拉丁语quantum，意为“某数量的某事物”。现代物理学中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的基本单位叫做量子；或者说，一个物理量如果有不可连续分割的最小的基本单位，则这个物理量（所有的有形性质）是“可量子化的”，或者说其物理量的数值会是特定的数值而非任意值。例如，在（休息状态）的原子中，电子的能量是可量子化的，这能决定原子的稳定和一般问题。
虽然量子理论与我们日常经验感觉的世界大不一样，但量子力学已经在真实世界应用。激光器工作的原理，实际上就是激发一个特定量子散发能量。现代社会要处理大量数据和信息，需要计算的机器（计算机）。量子力学的突破，使瓦格纳等于1930年发现半导体同时有导体和绝缘体的性质，后来才有了用于电子计算机的同时作为电子信号放大器和转换器的晶体管，再有了集成电路芯片，今天的一个尖端芯片可集聚数十亿个微处理器。
随着计算机科技的发展，发现能耗导致发热而影响芯片集成度，限制了计算速度；能耗源于计算过程中的不可逆操作，但计算机都可找到对应的可逆计算机且不影响运算能力。既然都能改为可逆操作，在量子力学中则可用一个幺正变换来表示。1969年，威斯纳提出“基于量子力学的计算设备”，豪勒夫等于1970年代论述了“基于量子力学的信息处理”。1980年代量子计算机的理论变得很热闹。费曼发现模拟量子现象时，数据量大至无法用电子计算机计算，在1982年提出用量子系统实现通用计算以减少运算时间；杜斯于1985年提出量子图灵机模型。1994年，数学家彼得·秀尔提出量子质因子分解算法，因其可破解现行银行和网络应用中的加密，许多人开始研究实际的量子计算机。
在物理上，传统的电子计算机可以被描述为对输入信号串行按一定算法进行变换的机器，其算法由机器内部半导体集成逻辑电路来实现，其输入态和输出态都是传统信号（输入态和输出态都是某一力学量的本征态），存储数据的每个单元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个。而量子计算机靠控制原子或小分子的状态，用量子算法运算数据，输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交，其中的变换为所有可能的幺正变换；因为量子态有叠加性（重叠）和相干性（牵连、纠缠）两个本质特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或两个“0”或两个“1”，即可同时存储4个二进制数（00、01、10、11），实现量子并行计算（量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种传统计算，所有传统计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加，给出量子计算机的输出结果），从而呈指数级地提高了运算能力——一台未来的量子计算机3分钟就能搞定当今世界上所有电子计算机合起来100万年才能处理完的数据。用量子力学语言说，传统计算机是没有用到量子力学中重叠和牵连特性的一种特殊的量子计算机。从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储2的250次方个二进制数，比人类已知宇宙中的全部原子数还多。而且，集成芯片制造业很快将步入16纳米的工艺，而量子效应将严重影响芯片的设计和生产，又因传统技术的物理局限性，硅芯片已到尽头，突破的希望在于量子计算。
量子世界的死猫活猫与粒子控制
喜好科技的文艺青年可能看过美剧《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定谔猫”：一只被关在黑箱里的猫，箱里有毒药瓶，瓶上有锤子，锤子由电子开关控制，电子开关由一个独立的放射性原子控制；若原子核衰变放出粒子触动开关，锤落砸瓶放毒，则猫死。薛定谔构想的这个实验，被引为解释量子世界的经典。而量子理论认为，单个原子的状态其实不是非此即彼，或说箱里的原子既衰变又没有衰变，表现为一种概率；对应到猫，则是既死又活。若我们不揭开盖子观察，永远也不知道猫的死活，它永远处于非死非活的叠加态。
宏观态的确定性，其实是亿万微观粒子、无数种概率的宏观统计结果。微观粒子通常表现为两种截然不同的状态纠缠一起，一旦用宏观方法观察这种量子态，只要稍一揭开箱盖，叠加态立即就塌缩了（扰破坏掉），薛定谔猫就突然由量子的又死又活叠加态变成宏观的确定态。用实验研究量子，首先要捕获单个的量子。即若不分离出单个粒子，则粒子神秘的量子性质便会消失。科学家们长期以来头疼的是，未找到既不破坏量子态，又能实际观测它的实验方法，他们只能在头脑中进行思想实验，而无法实际验证其预言。
而阿罗什和维恩兰德的研究，发明了在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行观测和操控的方法，则可实证地说出薛定谔猫究竟是死猫还是活猫，而且为研制超级量子计算机带来了更大可能，因为量子计算机中最基础的部分——得到1个量子比特已获成功。
光子和原子是量子世界中的两种基本粒子，光子形成可见光或其他电磁波，原子构成物质。他们研究光与物质间的基本相互作用，方法大同小异：维因兰德利用光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者离子。他平行放置两面极精巧的镜子，镜间是真空空腔，温度接近绝对零度（约-273℃）。一个光子进入空腔后，在两镜面间不断反射。阿罗什则通过发射原子穿过阱，控制并测量了捕获的光子或粒子。他用一系列电极营造出一个电场囚笼，粒子像是被装进碗里的玻璃球；然后用激光冷却粒子，最终有一个最冷的粒子停在了碗底。阿罗什在捕获单个光子后，引入了特殊的里德伯原子，作为观测工具，从而得到光子的数据。维因兰德向碗中发射激光，通过观测光谱线而得到碗底粒子的数据。
2007年以来，加拿大、美国、德国和中国的科学家都说自己研制出了某种级别的量子计算机，但到今天却仍无一个投入实用。光钟更接近现实，因为可操控单个量子，就能按意愿调控量子的振荡（相当于钟摆）频率，越高越精；目前实验的光钟，若从宇宙产生起开始计时，至今只误差5秒。光钟可使卫星定位和计算太空船的位置更精确……
神话般的量子信息技术
科幻作家克莱顿（著有《侏罗纪公园》、《失去的世界》等）在科幻小说《时间线》中，曾文艺化地描述量子计算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫虫洞”、“量子运输”、“量子纠缠态”、“电子的32个量子态”等让常人倍感高深的说法。其中一些如今正在证实或变现。
如果清朝政府的通信密码不被日本破译，那么李鸿章后去日本谈判时就很可能是另外一种结局，今天也不会有的问题了。目前世界的密码系统大都采用单项数学函数的方式，应用了因数分解等数学原理，例如目前网络上常用的密码算法。秀尔提出的量子算法利用量子计算的并行性，能轻松破解以大数因式分解算法为根基的密码体系。量子算法中，量子搜寻算法等也能分分钟攻破现有密码体系。可说量子这种技术在现代军事上的意义不亚于核弹。但同时，量子信息技术也将发展出一种理论上永远无法破译的密码——量子密码。
保密通信分为加密、接收、解密三个过程，密钥的保密和不被破解至为关键。量子密码采用量子态作为密钥，是不可复制的，至少在理论上是无破译的可能。量子通信是用量子态的微观粒子携带的量子信息作为加密和解密用的密钥，其密钥安全性不再由数学计算，而是由微观粒子所遵循的物理规律来保证，窃密者只有突破物理法则才有可能盗取密钥（根据海森堡的测不准原理，任何测量都无法穷尽量子的所有信息）。而且量子通信中，量子纠缠态（有共同来源的两个粒子存在着纠缠关系，似有“心灵感应”，无论距离多远，一个粒子的状态发生变化，另一个粒子也发生变化，速度远远超过光速，一旦受扰即不再纠缠。爱因斯坦称这种发生机理至今未解的量子纠缠为“幽灵般的超距作用”）被用于传输和保证信息安全，使任何窃密行为都会扰乱传送密钥的量子状态，从而留下痕迹。
篇2
楹我豢盼佬堑姆⑸洌引发了这么大关注？这要从其魔法般的特性说起。
大约一百多年前，我们生活在一个很“经典”的宇宙里，一切都合乎常情，没有什么奇怪表现。随后，量子理论出现了。
突然间，事物的表现不再总是合乎一个理性的人的料想了。在微观尺度上，一个粒子可以同时处于两个地方，甚至可以同时向两个不同的方向运动。而且粒子之间可以互相纠缠―通过某种方式即时地远程感知、影响对方。
起源于1900年的普朗克量子力学，描述了这些看似魔法的物理现象。这套理论不断获得实验支持，在一百多年里催生了许多重大发明――原子弹、激光、晶体管、核磁共振等，改变了世界面貌。
量子信息技术是量子力学的最新发展。其中，用这一技术有望打造“不可拦截”的密钥，让通信高度保密。而未来的量子计算机，可能会比传统计算机快亿万倍。这些特性看似魔法，未来却会成为寻常事。
中国此次发射量子卫星的主要任务是，执行星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务。这都是量子信息技术的最前沿研究，自然举世瞩目。
但是，要让看似魔法的效果真正实现，还需要长期艰苦卓绝的努力。因为，搞基础科学研究，需要耐得住寂寞、甘坐冷板凳以及长期的积累。
量子、引力波等许多看似枯燥无味或高深难懂的基础研究，之所以吸引全球各主要国家持之以恒地研究投入，正在于它们都有着引发魔法般巨变的前景。量子力学已经引发了社会巨变。例如，电磁波的发现最终使人类有了无线电通信和手机，在狭义相对论中质能关系理论的指导下，科学家最终制造出了原子弹、氢弹和核反应堆，卫星定位等技术也借助了狭义相对论的知识。基础科学研究可以带给人类什么？它带给人类无穷的可能。前沿基础研究，探索的是“魔法”的奥秘，必将带来社会进步。
在今年引力波发现后，美国麻省理工学院校长拉斐尔・赖夫的公开信中的一段话发人深省：“基础科学研究往往是艰苦的、严谨且缓慢的，但不要忘记，它又是震撼性的、革命性的和具有催化作用的。如果没有基础科学，最好的设想就无法得到改进，‘创新’也只能是修修补补。只有基础科学进步，社会才能进步。”
篇3
2015年度国家自然科学一等奖
2016年1月8日，潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授组成的5人团队获得了2015年度国家自然科学一等奖，并在人民大会堂接受颁奖。5位老师均来自中国科学技术大学，他们是该奖项历史上最年轻的获奖团队，其中潘建伟、彭承志、陈增兵3位老师为70后，而陈宇翱和陆朝阳两位老师为80后。
国家自然科学一等奖是中国自然科学领域的最高奖项，很多耳熟能详的老一辈科学家都名列其中。但是因2014年获奖的“透明计算”存在较大争议，2015年急需一个众望所归的团队来重新树立该奖项的声誉。恰好2015年初潘院士团队作为最大热门参加了该奖项的评选，并最终毫无悬念地获奖。
这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子产生纠缠，这是利用光子做量子比特传送和量子计算的必要前提;而“干涉”就是实验上实现多光子纠缠的手段。潘建伟院士团队在量子通信和量子计算等多个方向上都取得了世界领先的科研成果，“多光子纠缠和干涉度量学”就作为其核心研究内容之一，贯穿始终。
潘建伟院士的团队是世界上量子信息研究的领军者之一，在量子通信领域更是世界最强。与以往的历届国家自然科学一等奖相比，潘建伟团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃。截止到2015年，该团队成果3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”，2次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”。2015年年末更是被物理世界网站（Physics world）评选为“2015年世界物理学十大进展”第一名，这在中国物理学界史无前例。
量子纠缠
介绍“多光子纠缠和干涉度量学”，首先需要介绍一下什么是量子纠缠。量子力学中最神秘的就是叠加态，而量子纠缠就是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，同时另一个粒子B也可以处于叠加态，当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，即纠缠态：无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态;反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。
随着量子信息学的诞生，量子纠缠已经不仅仅是一个基础研究，它已经成为量子信息科技的核心：例如，利用量子纠缠可以完成量子通信中的量子隐形传态，可以完成一次性操作多个量子比特的量子计算。让更多的粒子纠缠起来是量子信息科技不断追寻的目标。
多光子纠缠和干涉度量学
“多光子纠缠和干涉度量学”就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。如果这种把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加，扩展到更多的光子，就可以形成更多光子的纠缠。针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求，纠缠的光子数自然是越多越好。但是随着产生纠缠的光子数越多，干涉和测量的系统也就越复杂，实验难度也就越大。
潘建伟团队从2004年开始，通过在国际上原创的多光子干涉和测量技术，一直保持着纠缠光子数的世界纪录。2004年在世界上第一个实现了5光子纠缠，2007年在世界上第一个实现了6光子纠缠，2012年在世界上第一个实现了8光子纠缠，并且保持该纪录至今。
每增加一个纠缠光子，光学干涉系统就要复杂一倍，纠缠产生的难度会随着光子数呈指数上升。这个8光子纠缠光路就像“潘神的迷宫”一样复杂，精巧，困难重重，但又引人入胜。
量子计算的应用
1. 量子叠加态的计算魅力。在经典物理学中，物质在确定的时刻仅有确定的一个状态。量子力学则不同，物质会同时处于不同的量子态上。因为处于叠加态，这就意味着，量子计算一次运算就可以处理210=1024个数（从0到1023被同时处理一遍）。以此类推，量子计算的速度与量子比特数是2的指数增长关系。一个64位的量子计算机一次运算就可以同时处理264=18446744073709551616个数。如果单次运算速度达到目前民用电脑CPU的级别（1GHz），那么这个64位量子计算机的数据处理速度将是世界上最快的“天河二号”超级计算机（每秒33.86千万亿次）的545万亿倍。
量子力学叠加态赋予了量子计算机真正意义上的“并行计算”，而不像经典计算机一样只能并列更多的CPU来并行。因此在大数据处理技术需求强烈的今天，量子计算机越来越获得互联网巨头们的重视。
2. 肖尔算法――RSA加密技术的终结者。1985年，牛津大学的物理学家戴维・德意志提出了量子图灵机模型的概念。随后贝尔实验室的彼得・肖尔于1995年提出了量子计算的第一个解决具体问题的思路，即肖尔因子分解算法。
我们今天在互联网上输入的各种密码，都会用到RSA算法加密。这种技术用一个很大的数的两个质数因子生成密钥，给密码加密，从而安全地传输密码。由于这个数很大，用目前经典计算机的速度算出它的质数因子几乎是不可能的任务。但利用量子计算的并行性，肖尔算法可以在很短的时间内通过遍历算法来获得质数因子，从而破解掉密钥，使RSA加密技术不堪一击。
量子计算机会终结任何依靠计算复杂度的加密技术，但这不意味着从此我们会失去信息安全的保护。量子计算的孪生兄弟――量子通信，会从根本上解决信息传输的安全隐患。
3. 格罗弗算法――未来的搜索引擎。肖尔算法提出一年后的1996年，同在贝尔实验室的洛夫・格罗弗提出了格罗弗算法，即通过量子计算的并行能力，同时给整个数据库做变换，用最快的步骤显示出需要的数据。
量子计算的格罗弗搜索算法远远超出了经典计算机的数据搜索速度，这也是互联网巨头们对量子计算最大的关注点之一。量子信息时代的搜索引擎将植根于格罗弗算法，让我们更快捷地获取信息。
4. 量子计算机与人工智能。英国物理学家罗杰・彭罗斯把依靠经典计算机的人工智能称为“皇帝新脑”（即像皇帝的新衣一样）。他认为人脑不会像经典计算机那样以确定的方式处理信息，但量子测量会赋予人脑随机性，同时量子叠加态还会赋予人脑全局观（一个一个像素处理的经典计算做不到全局观）。因此彭罗斯等人认为，人脑可能是一台量子计算机。也许量子计算机的研究能在某个量子和经典的交汇点上给出答案，解答人类意识和智慧的起源。那样，量子计算机就会成为实现真正的人工智能的关键。
篇4
量子密码应运而生
量子计算的原理与传统计算机采用的原理有很大不同，传统计算机采用单路串行操作，而量子计算机采用多路并行操作，它们运算速度的差异就如同万只飞鸟同时升上天空与万只蜗牛排队过独木桥的区别。
20世纪70年代，英国和美国最早开始对量子计算的研究。近年来，量子计算的理论和实践都相继取得重大进展，产生了多种新的量子算法，研制了多种量子计算机原型。
科学家预测，未来10～20年将研制成功103～104量子比特的大型量子计算机，其运算能力可以在几分钟内破译现有任何采用非对称密钥系统生成的密码。
面对量子计算未来可能随时“秒杀”传统密码的危险，科学家致力于寻找不基于数学问题，能有效抵抗量子计算攻击的新型密码体制。解铃还须系铃人，同样基于量子信息技术的量子密码应运而生，成为对抗量子计算的“神器”。
又一个可能的“技术差”
二战中，英国破译德军ENGMA密码，获知其即将轰炸考文垂市，但为保守德军密码已被破译的秘密，英国断然牺牲考文垂这个重要工业城市，不发出防空警报任由德军轰炸；美军在中途岛海战的胜利，以及击落山本五十六座机等影响战争进程的重大事件，与其成功破译日军“紫密”有直接关系。一些专家们甚至估计，盟军在密码破译上的成功至少使二战缩短了8年。
当前，战场网络已成为连接人与武器、武器与武器的技术纽带，构成了信息化军队的神经中枢。侦察预警、指挥协同、武器控制、后勤保障等作战活动均离不开网络的支持。安全可靠的战场网络是保证自身作战体系稳定，在体系对抗中谋取胜势的重要前提，而战场网络的安全又十分依赖于网络通信密码提供的“安全屏障”。
一个国家的军队一旦率先实现量子密码和量子计算的武器化，并在战争中投入使用，将与对手形成巨大的“技术差”，在保持自身网络通信绝对安全的同时，可随时破译对方网络通信密码，洞悉对手的一举一动，从而占据绝对信息优势，甚至可以直接瘫痪和控制对方网络，由此将置作战对手于极为被动的不利地位，战局可能出现“一边倒”的情况。
以超常措施推进军事应用
意大利军事家杜黑指出：“胜利只向那些能预见战争特性变化的人微笑，而不是向那些等待变化发生才去适应的人微笑。”面对量子信息技术的机遇与挑战，只有未雨绸缪，尽早规划，提前部署，才能在未来战争中占据先机和主动，避免对手利用技术突然性陷我于被动。
目前，量子密码已经从实验室演示性研究迈向实际应用。发达国家军队已把量子信息技术作为引领未来军事革命的颠覆性、战略性技术。例如，美国防高级研究计划局专门制定“量子信息科学和技术发展规划”、研发量子芯片的“微型曼哈顿”计划等。美国正加速推进量子信息技术的实际应用，美国白宫和五角大楼已安装量子通信系统并已投入使用。英、法、德、日等国军队也相继制定实施一系列发展量子信息技术的计划。
篇5
【关键词】极坐标；椭圆坐标；薛定谔方程；基态能量；概率密度
1.引言
量子物理在许多近代技术中得到了广泛地应用，并作为大学物理中的重要组成部分被广大学者深入研究[1-2]。薛定谔方程的求解是量子力学中的重要问题，对于复杂的问题可借助计算机软件进行求解。薛定谔方程中的能量算符与矢量微分算符[3]密切相关。
本文讨论的是二维约束的情况，即量子线模型。实际模型是结构，为量子线材料，x为的掺杂比例，本文中取x=0.3，GaN为势垒材料。在量子线的界面上，这两种材料的边界可以是各种形状的，如圆形、椭圆形、三角形、T形[4]等。前人曾对椭圆模型的物理问题进行了研究[5-6]。我们研究了极坐标系和椭圆坐标系下薛定谔方程的表达式及圆形和椭圆形势阱中薛定谔方程的解，得出了电子的基态能量及概率密度的变化规律。
2.圆形势阱中薛定谔方程的解
2.1 直角坐标与极坐标的坐标变换
直角坐标与极坐标之间的关系式为[7]：
（1）
二维直角坐标系下，拉普拉斯的算符为：
（2）
2.2 极坐标系下二维薛定谔方程的解
在InxGa1-xN/GaN圆形截面量子线中，电子满足的薛定谔方程为：
（3）
其中，为电子的有效质量，在InxGa1-xN材料中，x=0.15时，；在GaN材料中，。电子受到的约束势：
其中R0为量子线的半径：
1Ry*=25.581meV，1a0*=28.17
通过求解薛定谔方程（14）可得出电子的基态能量和波函数。
图1为电子在圆形边界约束势下的基态能量，从图中可知，薛定谔方程的本征值随着截面半径的增大而减小，原因是电子受到的势垒约束作用随着量子线截面半径的增大而减弱，电子受到较弱的势垒约束，会导致电子的基态能量（本征值）减小。
3.椭圆形势阱中薛定谔方程的解
3.1 极坐标与椭圆坐标的坐标变换
直角坐标与椭圆坐标之间的关系为[8]：
则：
（4）
（5）
3.2 椭圆坐标系下二维薛定谔方程的解
在InxGa1-xN/GaN圆形截面量子线中，电子满足的薛定谔方程为：
（6）
掺杂情况和电子的有效质量与圆形截面量子线中的取值相同，电子受到的约束势：
1Ry*=25.581meV，1a0*=28.17
通过求解电子满足的薛定谔方程方程式（17），可得出电子的本征值和本征矢。由本征矢可以求出电子的概率密度。电子的基态能量和概率密度分布分别如图2和图3所示。
图2为椭圆形量子线中截面积等于4002时，电子的基态能量随着椭圆截面的半长轴与半短轴之比a/b的变化，在我们选用的坐标系中，椭圆的长轴在x轴上，短轴在y轴上，所以y方向的势垒约束大于x方向的势垒约束，由图可知，电子的基态能量随着a/b的增大而增大。这是因为截面积不变时，较大a/b对应着较大的半长轴a和较小的半短轴b，当a/b增大时，x方向的约束在减小，y方向的约束在增大，较大的a/b对应着较大的基态能量是由于y方向的约束起主要作用，图中的曲线呈上升趋势。图3为椭圆的半长轴与半短轴之比a/b=4时，截面积等于4002的椭圆形量子线中电子的概率密度分布。通过数值求解椭圆形边界约束势作用下的二维薛定谔方程，可得出本征矢，然后求出概率密度||2。
4.结束语
本文将理论计算与计算机模拟相结合，不仅计算了极坐标系和椭圆坐标系下二维薛定谔方程的表达式，而且通过计算机模拟功能研究了不同二维约束作用下薛定谔方程的解，并对其规律进行了合理地解释。另外，本文对低维半导体器件的制作提供了理论依据。因此，本文具有一定的理论价值和实际意义。
参考文献
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[8]梁昆淼.数学物理方法（第二版）[M].北京：人民教育出版社，1978：511-512.
篇6
关键词：转动；宏观与微观；自旋；量子力学描述1 在高速转动的世界中生活
“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。如果你对朋友说我们无时无刻不处在一个高速转动的世界中，有的朋友会对此产生疑问。
首先说，我们住在地球上，日复一日、年复一年地跟着地球以每小时1674公里的速度（赤道附近）绕地球自转轴转动着，这比最快的汽车速度还要快十倍以上。算起来差不多一昼夜转40，073公里，就恰好是诗人说的“坐地日行八万里”！地球还要绕太阳一年转一大圈，这一圈是九亿多公里，每小时差不多要跑十万零八千公里。现代的小学生都知道，每天的日出日落可以说明地球在自转。
但如果不是伟大的科学家哥白尼等人的贡献，这种日出日落也曾长期被解释为太阳绕地球转动。在看不见太阳的阴天和夜间，怎么知道我们和地球在一起转动？聪明的人们曾设计了各种物理实验来观察和证明地球自转。
例如，在一座精心设计的完全垂直于地面高塔顶上，在风平浪静的天气，从塔顶沿塔的东西墙面中线垂直落下一个很重的铅球。结果发现，铅球落地时总不落在塔基的正中，球落点总要和塔基中心线向东偏一点（例如，200米高的塔，大概偏移为5厘米），使人觉得像比萨铁塔那样不垂直于地面，是塔建斜了吗？不是。这是因为塔和地球一起在由西向东转动，塔尖离过地心的转轴的距离比地面离转轴的距离更大，因此塔尖（以及放在塔尖的铅球）绕转轴转动的线速度比地面转动的线速度大。当铅球脱手下落时，除了受地心引力垂直下落外，还要带着这一点线速度的差别，总要向东偏一点。这个实验比较直观地证明了地球在自转。另外的试验，像大学物理都要讲的、并在许多天文馆展出的傅科摆，也能很形象地说明地球的自转。
我们在高速转动的地球上会受到多种力的作用，你可能首先会想到，因为随地球高速转动，可能会受到惯性离心力作用。我们在夏天能稳坐在树荫下的沙发椅上乘凉，说明圆周运动产生的惯性离心力和地球对我们的吸引力及地面对我们的反作用力互相平衡。
因此，我们既没有离心力将我们向外抛的感觉，也感觉不到地球的向心力将我们向里吸。除此以外，如果我们在高速转动的世界中运动，还会受到一种特有的力，这种力叫做科利奥里力。
在北半球，从西向东运动的物体会受到一个向运动方向右侧偏转的力，这就使从西向东流的河流右岸（顺着河流流动方向观察）会受到更严重的冲刷。一水盆装满水，若在盆底开一个口，水迅速往外泄漏时，会在水面上产生一个漩涡，而且在南半球和北半球漩涡旋转方向不一样，这也是由于科利奥里力的作用，水从不同方向流向开口处，流向不同受到的科氏力的方向也就不同，这样就会形成漩涡。
其实，我们前面举的从塔顶掉下铅球向东偏移的例子，也可理解为铅球在塔尖和在地面的转动角动量（见下文）发生了变化，只有铅球受到一个力矩的作用才能发生这样的变化，这个力矩正是由西向东的科利奥里力提供的。
一个物体绕某一点或一个轴作圆周运动，它具有动量和动量矩，通常也将动量矩叫做角动量。物体绕着过自身的轴转动，就称它具有的角动量为自旋角动量，常常简称为自旋。
本文中我们将反复地和自旋打交道。物体运动的角动量可以规定为一个向量（矢量），它的大小由转动物体的转动惯量（与之对比，作直线运动物体有惯性，也可叫做惯量）及转动速度决定。如果用右手伸开，四个手指微微顺着转动方向弯曲，那么，大姆指所指的方向就是角动量矢量的方向。角动量的大小和方向都不会轻易改变，只有受到一定的外力矩时才会改变。没有外力矩作用时角动量是不变的，这就叫角动量守恒。
轮船在大海中长期航行时怎么知道它自身的位置呢？怎么对他导航呢？用什么做参照物呢？若是晴朗的夜空还可以靠特定的一组星星（比如北斗星）的方位来确定航行方向。但看不见星空的天气或潜入水下的潜艇就毫无办法了。长期使用的办法是陀螺导航仪，它就是依靠高速旋转的陀螺在船只航行过程中始终保持角动量方向不变，由它来确定轮船前进的方向。
2 离经叛道的微观粒子
著名球星迈克尔.乔丹能够以很高的成功率将对方掷出的篮球阻断，因为他牛顿力学“学得好”，只要他准确知道篮球此时此刻的位置和速度（包括方向），就可以知道下一秒钟篮球应在什么位置，准时地跳到那个位置就可以抓个正着。将篮球换成足球、垒球或换成更小的乒乓球，它们还是有同样的运动规律，都服从牛顿力学的规律。
如果我们将球不断地小下去，会发生什么变化呢？会不会出现哲学家说的量变到质变呢？著名哲学家黑格尔举过一个著名的例子说，给一头毛驴背上的袋子内添加谷子。一粒一粒的加上去，开始很长一段时间，毛驴都不会感到有多大变化。不断的加下去，袋子越来越重。当加到某一粒谷子时，毛驴终将承受不住而被压倒了，这就是从量变到了质变。
当我们将球做得只有一个小分子（或者所有比分子还小的粒子，这种粒子我们统称为微观粒子）那么大时，奇迹就发生了。我们如果确定分子某时某刻的准确位置，就完全不知道它的动量（速度）。这不是因为我们受测量技术的限制，而是从原理上就根本无法测量。
反过来如果准确的知道了分子的动量，就完全不知道它在什么地方。即不能同时准确知道微观粒子的位置和动量。这时，比乔丹高明十倍的运动员，以及十分聪明的科学工作者，也难以抓到一个具体的微观粒子了。
我们都知道光是一种波，它能像水波一样发生干涉、衍射等波动现象。我们看见的肥皂泡或水面漂浮的油膜呈五颜六色，这就是光波干涉的结果。我们又知道光会产生光电效应。即便很弱的光，只要波长够短（紫光比红光波长更短），就能从金属表面打出一个一个的电子。常见的光电管，就是光照产生电流的一种元件。
因此，爱因斯坦1905年提出光波是由一个一个的粒子（光量子）组成的。这是一个划时代的推断。这一推断解决了20世纪初物理学存在的一个重大疑难问题。因而爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
既然光可以又是粒子又是波，其他微观粒子呢？法国科学家德.布洛意1924年提出所有微观粒子都既是粒子又是波，即都有所谓的波和粒子二象性。这种波和一般的水波、声波一样，也会产生干涉和衍射等波动现象。但又不完全一样，我们所见到的水波、声波是由大量水分子或空气分子组成的，由这些分子位移或密度变化产生的波。干涉、衍射也是在大量分子存在的情况下产生的。
而德・布洛意波是和每一个微观粒子相联系的特殊的波。例如让一束电子束通过两条很窄的缝照到荧光屏上，会在荧光屏上看到像光波干涉那样的明暗相间的干涉条纹，这是由于电子的波动性产生的。但是，更奇怪的是，当电子束流弱到电子一个一个地通过双缝时，仍可得到荧光屏上的干涉条纹（只要记录时间够长），也就是说每个电子自己和自己干涉，这就不同于宏观波的干涉了。
一个垒球质量若为m，运动速度为v，我们就知道这个垒球的动能为mv2/2。垒球放在离地面高度为h的地方，具有势能（或叫位能）mgh，这里g为地球对垒球的吸引力产生的重力加速度。动能和位能之和就是小球的总能量。速度v或高度h随意变化一点点，总能量也就变化一点点。这个一点点可以是任意小的。因此我们就说宏观的小球的能量是可以连续变化的。微观粒子也有动能、位能及总能量，但和宏观的小球不同，这些微观粒子的能量在一定条件下（例如束缚在原子中的电子），是不能连续变化的，它们只能在一些特定的轨道（这里我们是借用宏观物体经典运动的术语，并非严格意义上的轨道）上运动，每一条轨道对应一特定的能量。
有一个与能量相关的很小的常量h（h=6.626×10-34焦耳・秒，是一个很小的量，称为普朗克常数），例如，光波的频率若为ν，则每个光子的能量就为hν。用h作单位来度量这些微观粒子的能量，能量值只能为某些特定数值，不能取任意值。因此我们说微观粒子的能量是量子化的。牛顿力学可以完全描写宏观物体的运动，与之对应的，需要一个全新的学科――量子力学来描写微观粒子的运动。
3 微观粒子的高速转动
微观粒子既然有波--粒二象性，是否仍有高速转动呢？这种转动和宏观物体的转动有什么不同特点呢？事实上，整个世界都有其微观结构：组成各种物质的基元是各种性质不同的分子。
水由水分子组成，食盐由氯化钠分子组成，分子又是由若干个同种或不同种的原子组成。例如，水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，氧分子则由完全相同的两个氧原子组成。每个原子则由一个原子核和绕原子核运动的一个或多个电子组成，电子运动“轨道”（这里还是借用宏观物体经典运动的术语）的尺度决定原子的尺度。原子核的直径大概比原子的直径小一万倍，但它的质量却比外面那些电子质量的总和大上千倍。
原子核又是由几个到几百个质子和中子组成。这些质子和中子又可统称为核子。一个原子核中的这些核子除绕着它们共同的质心做振动与转动运动外，每个核子自身还做自转运动，即每个核子都有自旋。质子、中子和电子都具有较长的寿命。高速运动的质子、中子或电子具有很高的能量，这些高能量粒子在相互碰撞时，还会产生许多新的短寿命的微观粒子。质子和中子以及这些碰撞产生的短寿命粒子又是由更小的单元――夸克组成的。从分子到夸克，构成微观世界的这些粒子统称为微观粒子。
这些微观粒子是否也会高速旋转呢？从分子到夸克，虽然大小相差7～8个数量级，但是都在做高速转动运动。分子中的原子绕他们的质量中心作振动和转动运动。原子和分子中的电子绕核心作轨道转动运动。电子本身还做自转运动。原子核中的核子也围绕所有核子共同的质心作振动与转动运动。组成各种粒子的夸克也作“轨道”运动。除了作“轨道”运动外，所有这些微观粒子也都在做自转运动。因此和每一个微观粒子相连的都有一个做轨道运动的角动量，简称轨道角动量，和一个自旋角动量，简称为自旋。
一个宏观的小球若围绕一中心点转动，小球质量若为m，线速度为v，离转动中心的距离为r，则小球转动的角动量为rmv。因为v和r都是可以连续变化的，所以宏观小球的角动量也是可以连续变化的。和能量不能连续变化一样，微观粒子转动的角动量也是不能连续变化的，即角动量的大小也是量子化的。
所有粒子都有自旋（有的粒子自旋为零），自旋角动量的大小也是量子化的，不能取任意值。可以用一个数值J来标记转动角动量的大小，这个数值称为轨道角动量量子数，它只能为一些特定的数值（整数或半整数），转动角动量=√J（J+1）h，这里h=h/2π是为了计算方便引入的。同理用另一个数S来标记自旋角动量的大小，它也只能取1/2，1，3/2…等一些特定的数值，自旋角动量=√S（S+1） h。
有的粒子自旋可以相当快，例如，原子核在发生碰撞（核反应）过程中，自旋角动量量子数可以达到65以上，原子核差不多每秒要转1022转。不过原子核的半径只有几费米（1费米=10-15米），如果按刚体转动估算，可以算出原子核的表面的转速可达到光速的1/10左右。
电子的自旋量子数为1/2，即自旋角动量为√3/4h。从经典电磁辐射估计的电子的经典半径为2.8x10-15米。电子的质量已知道为0.51MeV/C2（由爱因斯坦的相对论，质量m总是通过E=mc2和能量联系在一起的）。假定电子是电荷和密度均匀分布在半径为2.8x10-15米的小球内，要达到√3/4h这样的自旋角动量，则电子表面的转动线速度应远远超过光速。这是与物理学的基本原理（相对论认为任何物体的运动速度不能超过真空中的光速）相违背的。
实际上，当代最新测量表明，精确到10-16m时还测不出电子的大小，也就是说电子即便有半径，也是小于10-16m的。比经典估计的半径更小，要达到那样大的自旋角动量，就要转得更快。因此电子的自旋角动量到底是怎么来的呢？至今还是一个谜。通常解释说微观粒子具有内禀自旋（也就是固有的自旋），科学发展到现阶段，还不能回答内禀自旋是怎么来的。
角动量不仅有大小，而且还有方向，因此角动量是一个矢量。宏观物体绕一个固定轴转动，角动量的方向就是沿这个定轴并与转动方构成右手螺旋。宏观转动的角动量方向可以随意选择，例如玩具陀螺，他的转轴可以垂直于地面，也可以和地面有一个小于90°的夹角这个夹角是可以连续变化的。和宏观转动不同，微观粒子转动的角动量方向也是不能任意选择，只能朝向一些特定的方向，即角动量的方向也是量子化的。
例如选定一个特定的方向作为我们考虑问题的参考方向（通常这个方向可以选电场方向、磁场方向或粒子运动方向，将选定了的方向称为量子化轴），电子自旋角动量的方向就只能与选定的量子化轴平行或反平行。当然，如果是别的粒子，自旋是1或更大，自旋可取的方向更多一些，但也是有限的几个方向。自旋为S的粒子，可取2S+1个方向。
小磁铁构成的世界：与每一种转动角动量（动量矩）相联系的都有一个磁矩，磁矩的大小是和角动量大小成正比的，而其方向则是和角动量的方向相同或相反的。这样的一个磁矩就像一个具有南北极的小磁铁。对于带电粒子的转动，这个磁矩可以理解为由于带电粒子所带电荷的转动形成的电流产生的磁矩。但是，中子完全不带电，中子的自旋运动也有与之相联系的磁矩，这种磁矩是怎么产生的，又是一个令人费解的问题。这种磁矩称为“反常磁矩”，来自于中子和另一种微观粒子π介子的强相互作用。大量的微观粒子自旋朝同一方向排列叫顺排，顺排是形成磁铁及其他磁性材料的物理基础。
4 自旋的杠杆作用
宏观的高速转动能推动科学和社会进步。微观粒子很小，其转动影响是否也是微小的呢？中国的乒乓外交用小球推动大球，推动世界进步。和乒乓外交一样，微观粒子的自旋能量虽小，确也是推动科学与世界进步的一个巨大的杠杆。从生活到科学的丰富多彩的世界中，到处都可以看到微观粒子转动及自旋的影响。
你到立体电影院去看立体电影时（一些家庭也有立体电视了），能够看到电影中的篮球向你头上直飞而来，你会不由自主地伸手去阻挡这个虚拟的篮球………。你想到过这也和自旋有关吗？
构成极弱的光线的光子数也有成万上亿个，这些光子都有自旋。这些光子自旋方向排列方式不同，就可以构成不同性质的偏振光（线偏振、左旋圆偏振、右旋圆偏振、椭圆偏振等等）。立体电影就是利用了偏振光才能获得的虚幻感觉。
人以左右眼看同样的对象，两眼所见角度不同，在视网膜上形成的像并不完全相同，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉。立体电影拍摄时以两台摄影机仿照人眼睛的视角同时拍摄。在放映时亦以两台投影机同步放映至同一面银幕上，以供左右眼观看。
放映立体电影时，两台投影机以一定方式放置，并将两个画面点对点完全一致地、同步地投射在同一个银幕内。在每台投影机的镜头前都必须加一片偏光镜，一台是横向偏振片，一台是纵向偏振片。这样银幕就将不同的偏振光反射到观众的眼睛里。观众观看电影时亦要戴上偏振光眼镜，左右镜片的偏振方向必须与投影机搭配，如此左右眼就可以各自过滤掉不合偏振方向的画面，只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机放映的画面，右眼只能看到右机放映的画面。这些画面经过大脑综合后，就产生了立体视觉。
5 核磁共振扫描
你想检查脑部或身体其它部位是否有肿瘤或其他病变吗？你可作CT检查，它是靠身体器官不同部位密度不同，从而对X射线的吸收不同来成像的。这种成像是用多束准直得很细的X射线束对身体内的某一薄层扫描，通过计算机计算处理，先对这一薄层成像。然后再一层一层的做，从而得到身体某一部位（或全身）的三维图像，所以叫做计算机断层扫描（即CT ， computerized tomography）。
但有时密度很高的骨头可能挡住有肿瘤的部位（例如脑部），使CT扫描受到影响。这时，最好的办法是到医院去做一个核磁共振扫描。核磁共振（即NMR，nuclear magnetic resonance，现在也叫MR）就是利用原子核的自旋来成像的仪器。
原子核（例如身体中的水分子中的氢原子核）有自旋，也就是一个个的小磁铁（磁矩）。加一个外磁场，原子核的小磁矩就会在外磁场中转动方向。原子核将其磁矩的北极转向外磁场的南极，南极转向外磁场的北极。这是整个系统最稳定的状态，也就是能量最低的状态（称为基态）。如果再外加一个高频电流，这个高频电流会发射电磁波。发出的电磁波的能量也是一份一份的，也是量子化的。这种量子和光量子一样，与电磁波频率成正比，每个量子的能量为hν，这里ν为电磁波的频率。如果调节电磁波的频率，使这样一份能量的大小正好和要测的原子核在磁场中从基态到较高的能量状态（称作激发态）的能量差相同。对于氢原子核，因为它的自旋为1/2，所以，它在磁场中只有两个取向，对应两种能量状态，所以又将基态称为下能级，将激发态称为上能级。如电磁波的量子能量，和上下能级的能量差相同时，高频电磁场发出的能量就会被原子核吸收，这种吸收称为共振吸收。
这种调节高频电流频率的方法称为扫频法。另一方面，所加直流磁场强度不同，即使对同一种原子核下能级和上能级的能量差也不同，它们吸收电磁波的频率也不同，这种依靠调节直流磁场强度来实现共振吸收的方法称为扫场法。
多数医院用的核磁共振仪都是采用扫场法。固定高频线圈的频率，而用梯度线圈提供的有一定空间分布的直流磁场，来实现一定区域的共振吸收。原子核吸收高频电磁波后，到达上能级，不断吸收电磁波，上能级就会饱和，所以上能级还要通过不断地释放能量使其回到下能级，共振吸收才能持续进行。从上能级释放能量回到下能级的过程叫做弛豫，弛豫快慢与原子核所处的环境（例如晶格结构）及两个相邻原子核之间的自旋耦合有关，分别用两个参数T1和T2来标记这两种弛豫过程。高频电磁波被人体各部位吸收后，检测其释放的能量强度、频率及T1、T2等，结合梯度场的空间编码，就可知道氢原子核的密度分布及其在人体内的状态的分布情况（也就对应水分布）。
现已对生物组织的病变与其水含量的分布关系做过广泛的研究，病变会使组织内的水含量分布发生变化，从而可通过水分布的变化找出病变的部位。
不同原子核共振吸收的频率是不同的。由不同频率的高频电磁波也可研究人体其他种类的原子核在人体内的分布情况。目前，除氢原子核外，对其他原子核的研究尚在试验中，还未达到临床应用阶段。
6 自旋与量子计算
由于量子力学的推动，产生了当代的电子技术，有了功能无比强大的计算机及当代的通讯技术。而且这些技术正在日新月异地发展着。例如计算机用的芯片速度差不多每十八个月要提高一倍，这就是有名的摩尔定律。这些高新技术是否会沿着这条路无限制地发展下去？
科学对当代技术的发展提出了警告：此路不通！提醒人们，再沿这个方向发展下去，前面有不可逾越的障碍。计算机是以大规模集成电路为基础的，集成电路是将成千上万个晶体管做在同一块硅片上，通过硅晶片内部连接成为完整线路。要想提高计算机的计算速度，这些晶体管就要越做越小。小到一定程度，又会发生量变到质变，晶体管就不能工作了。因为它碰到了量子力学设置的障碍。
这又要从微观粒子的特性说起。一个人如果只能跳一米五高，修一圈三米高的围墙就可以将他长期困死在围墙内。春秋战国时英明一世的齐桓公晚年，奸臣们为了夺权就用这个办法在王宫周围筑高墙将国王围困而死的。微观粒子就不一样了，一个能量只有2eV（微观物理中，常将一个电子在电场中经过1V的电压所获得的能量作为能量的一个基本单位，即一电子伏――1eV）的电子，筑一圈4eV高的围墙是否就能将电子长期围在里面呢？不行了，微观粒子有二象性，它也就有了穿墙的本事，量子力学中叫做位垒穿透。
在围墙外也有一定的几率能发现电子。而且围墙越薄、越低，电子穿过围墙的几率就越大。集成电路中，为了保证各晶体管能独立工作，不互相干扰，也要修一个这样的围栏（或叫隔离位垒）。当晶体管越做越小时，这种位垒就会越来越小，越来越薄，最后电子就能随意穿越位垒，使集成电路完全不能正常工作。这就使集成电路的发展遇到了不可逾越的量子屏障。
为了越过这个屏障，近年来提出了多种发展计算机和通讯的办法。其中量子计算和量子通讯最受关注。在量子计算的各种设计方法中，目前核磁共振方法发展最快。核磁共振方法可以利用一些大分子中的某种原子核（例如氢原子核）的自旋的方向来作为量子计算的基本单元――量子位。量子位等价于现有计算机中的二进制的位，但有目前计算机所不具备的特殊功能。虽然量子计算和量子通讯要达到实用阶段，还有很长的路要走，但无论如何它使人们看到了希望。我们也看到，自旋在这条发展路上起了至关重要的作用。
7 自旋电子学
从人类发明了电以后，中学生都知道，导电都是靠电荷在导体、或半导体或液体中运动（相位的运动）来完成的。即依靠电荷的流动来导电，来传递信号。
近年来正在酝酿着电子学的一场革命――自旋电子学的出现。假定有两束等量的电子流动，一束从右向左流，一束从左向右流。从传统的电流的概念来衡量，导体中没有净电流。但如果向左流的一束电子全部自旋向上，而向右流的一束电子全部自旋向下。我们知道正电荷向左流等价于负电荷向右流。同理自旋向上向左流的电子等价于自旋向下向右流的电子。
篇7
关键词：物理学；新教学体系；研究与实践
中图分类号：G6420
文献标志码：A
文章编号：1002－0845(2007)06－0074－02
收稿日期：2007-01-05
作者简介：胡波(1963-)，男，山东高青人，教授，博士研究生，从事物理课程与教学论及高等教育研究。
一、新教学体系构建的原则
1．坚持知识、能力、素质协调发展和综合提高的原则
新的教学体系应以对学生知识、能力、素质结构的整体优化为基础，全面实施文化传承与创造相结合，人文精神与科学素养相结合，通识教育与专业教育相结合的原则，鼓励学生跨专业、跨学科选课，努力改善学生的知识结构，使学生在道德素质、文化素质、业务素质和身心素质等方面得到协调发展。
2．实施宽口径与专门化教育相结合的原则
为了适应我国经济的高速增长和全球经济的一体化趋势，必须在着眼于学生的适应性和竞争能力上下功夫，按大类构筑基础平台，建设面向学科平台的基础课程体系，淡化专业，扩宽口径，加强基础，注重综合素质和创新能力，构建通识教育基础上的宽口径专业教育培养模式。同时为了培养能够快速适应工作要求的专门化人才，必须考虑面向市场设置专业课程。
3.优化课程结构与体系的原则
以“改革、调整、整合、创新”原有的课程资源为基础，以知识的系统性，教学内容的科学性与先进性，学科知识体系之间内在的逻辑性，教学方法的适应性与高效性有机结合为出发点，科学合理地确定课程结构、体系、内容、教学时数和教学进程，实现课程的结构与选择，广度与深度，基础与专业的高度统一。
4.坚持“以人为本”的教育理念下的因材施教的原则
新教学体系应全面贯彻“以人为本”的教育思想，考虑学生在基础、兴趣、特长、能力等方面的差异对教学的不同要求，设置和扩大专业方向及选修课比例，压缩总学时，减少必修学分和课内学时。精选必修课程，增加选修学分，开设能力学分。扩大选修课程数量，设置副修及双学位课程。增加研究型、讨论型、课题型和自主学习型等课程，增加教学计划的“柔性”，减少“刚性”，鼓励学生在全面发展的同时能够自我设计、自我组建知识结构。
5.突出创新意识和实践能力培养的原则
以地方性大学办学定位和服务面向为指南，从培养创新意识、创新能力和实践能力的目标出发，构建新的实践教学体系。一是实践教学的全程化，即大学一年级为基础实验训练阶段，二年级为专业技术基础训练阶段，三年级为综合能力训练阶段，四年级为专题设计训练阶段。二是实践教学的工程化，即在实践教学训练中适时地将工程和技术开发渗透到实验中去。三是实践教学的多样化，即设计课内外紧密结合的实验、实训、实习、学科竞赛、毕业设计、产学研一体化的校内外研究基地。四是实践教学的层次化，即构建由易到难、由简到繁、由浅入深的各种实践教学活动。
6.切实加强计算机、英语教学，重视综合应用能力培养的原则
完善计算机文化、计算机技术、计算机应用三个层次的教学体系，在电路基础、普通物理、电磁学和量子力学等近十门课程中引入计算机方法、计算机模拟与仿真、网络教学等，切实提高学生综合利用现代信息技术的水平和能力。同时强化学生英语听、说、读、写综合能力的培养，实行双语教学，加强英语教学与实践，保证计算机教育及英语学习四年不断线。
二、新教学体系的主要内容
按照前期趋同，后期分化的集约型、开放型的课程体系的原则，前两年按物理学一级学科打通培养设置课程，主要安排全校性公共必修课、通选课和学科基础课。三年级起，根据学科和社会发展对人才需求的新要求，在充分尊重学生个性差异的基础上，鼓励学生自主地、科学合理地选择专业方向并据此构建自身的知识结构体系。
按照平台―模块―课组三级指标体系设置模块化课程。一级指标中设五个平台课程体系：通识教育平台、学科基础平台、专业主干平台、选修平台及实践教学平台。二级指标(五个平台课程体系下)中设七个模块化课程：公共必修课程模块、通选课程模块、学科基础模块、专业基础课程模块、专业主干课程模块、实践教学课程模块和任意选修课程模块等。三级指标(任意选修课程模块下)中设四个课程组：三个专业方向课程组和一个任意选修课程组。
1.通识教育平台课程
通识教育平台下设两个模块：公共必修模块和全校通选模块。公共必修模块包括思想道德修养、计算机文化基础、形势与政策等课程，必修41学分。全校通选课包括文化艺术类、语言文学类、经贸管理类、应用技能类和教育历史类等课程，其中，艺术体育类课程中选修1学分，其它每类课程中至少选修2学分，共修12学分。
2.学科基础平台课程
学科平台课程包括高等数学、普通物理及其实验、电路分析及实验、电子技术基础及实验等，共修43学分。
3.专业主干平台课程
专业主干课程包括量子力学(I)、电动力学、理论力学热力学与统计物理(I)和固体物理等，共修22学分。
4.选修课平台课程
选修平台课程主要包括三个专业方向选修模块和一组选修课程。三个专业方向分别为师范方向、电气自动化方向和电子信息方向，每一个专业方向中含有四门该专业的主干课程，三选一，修满12学分。任意选修课程设有量子力学(II)、热力学与统计物理(II)、计算物理、嵌入式系统原理及应用、电子工艺与CAD、自动控制原理等二十余门课程，学生可以根据辅修、双学位、考研及就业等情况任意选择，至少选修8学分。
5.实践教学平台课程
实践教学平台课程包括生产劳动、社会实践、毕业实习、毕业设计和创新活动等，共修23学分。对在全国及省各种竞赛中取得优异成绩者、在各类杂志发表文章者、取得各种发明专利者或在科研项目中独立承担部分工作者，均给予该课程的学分和成绩。
三、新教学体系实施的保障措施
1．切实加强教师队伍建设
实施“人才强系工程”，强化骨干教师队伍建设，逐步建设并形成一支结构合理、人员稳定、学术水平高、教学效果好的教师梯队。聘请3―5名国内重点大学的教授主讲专业课程，选派具有丰富经验的教授、副教授担任基础课及专业课首席教师，制定系级教学名师培养计划，遴选5～8名青年骨干教师进行重点培养以提升教学科研水平。
2．加强精品课程、教材的建设与选用
本着“选优用优”的原则，优先选用国家级重点教材、精品课程、“面向21世纪课程教材”、省部级以上优秀教材与国外优秀原版教材，对发展迅速和应用性强的课程，要在不断更新教材内容的同时积极开发新教材。力争70％以上的专业课使用近3年出版的教材，鼓励建设一体化设计、多种媒体有机结合的立体化教材，每学期至少有一门课程开展双语教学。
3.大力进行教学内容、手段及方法的改革
培养方案、目标的调整与实现，必须要落实到教学内容、教学手段和方法的改革上。我们提出了“夯实基础，加强现代；拓展知识，开阔眼界；因材施教，优生优教；国际模式，先进理念：网络辅助，师生互动；名师参与，科教结合；文理渗透，有机结合；原版教材，英语授课”的明确要求，切实加强教学各个环节的内涵建设。教师要用现代的观点来审视和组织好学科前沿与基础内容的衔接、基本物理内容与实际应用的衔接，要处理好接受式学习与探究式学习、知识传授与能力培养、传统教学手段与现代教学手段的关系，要积极采用课内讲授、课外实践和课题研究三结合的课时结构，提高教学效果。
4.加强校内外产学研一体化实践教学基地建设
实践教学的环境、条件和基地建设是落实复合型应用型人才培养目标的基本保证。根据专业建设的需求，一要积极建设“校内研究型”、“校外实习型”、“产学研紧密结合型”等多层次、多元化实践教学体系，二要充分利用国内外资源，不断拓展校际之间、校企之间、高校与科研院所之间的合作，加强多种形式的实践教学基地和实验室建设。
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关键词：X射线；半导体；原子能；激光；蓝光LED；科技创新；大学物理
1引言
物理学是一门研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用以及最一般的运动规律的科学[1-3]，其内容广博、精深，研究方法多样、巧妙，被视为一切自然科学的基础.纵观物理学发展历史可以发现：其蕴含的科学思维和科学方法能够有效促进学生能力的培养和知识的形成，同时，其每一次新的发现都会带动人类社会的科技创新和科技发展.正因如此，大学物理成为了高等学校理、工科专业必修的一门基础课程.按照教育部颁发的相关文件要求[4-5]，大学物理课程最低学时数为126学时，其中理科、师范类非物理专业不少于144学时；大学物理实验最低学时数为54学时，其中工科、师范类非物理专业不少于64学时.然而调查显示，众多高校（尤其是新建本科院校）并没有严格按照教育部颁发的课程基本要求开设大学物理及其实验课程.他们往往打着“宽口径、应用型”的晃子，大幅压缩大学物理和大学物理实验课程的学时，如今，大学物理及其实验课程的总学时数实际仅为32-96学时，远远低于教育部要求的最低标准（180学时）.试问这么少的课时怎么讲丰富、深奥的大学物理？怎么能够真正发挥出大学物理的作用？于是有的院、系要求只讲力学，有的要求只讲热学，有的则要求只讲电磁学，…面对这种情况，大学物理的授课教师在无奈状态下讲授大学物理.从《大学物理课程报告论坛》上获悉，这不是个别学校的做法，在全国具有普遍性.殊不知，力、热、光、电磁、原子是一个完整的体系，相互联系，缺一不可.这种以消减教学内容为代价，解决课时不足的做法，就如同削足适履，是对教育规律不尊重，是管理者思想意识落后的一种体现.本文且不论述物理学是理工科必修的一门基础课，只论及物理学是科技创新的源泉这一命题，以期提高教育管理者对大学物理课程重要性的认识.
2物理学是科技创新的源泉
且不说力学和热力学的发展，以蒸汽机为标志引发了第一次工业革命，欧洲实现了机械化；且不说库伦、法拉第、楞次、安培、麦克斯韦等创立的电磁学的发展，以电动机为标志引发了第二次工业革命，欧美实现了电气化.这两次工业革命没有发生在中国，使中国近代落后了.本文着重论述近代物理学的发展对科学技术的巨大推动作用，从而得出结论：物理学是科技创新的源泉.1895年，威廉•伦琴（WilhelmR魻ntgen）发现X射线，这种射线在电场、磁场中不发生偏转，穿透能力很强，由于当时不知道它是什么，故取名X射线.直到1912年，劳厄（MaxvonLaue）用晶体中的点阵作为衍射光栅，确定它是一种光波，波长为10-10m的数量级[6].伦琴获1901年诺贝尔物理学奖，他发现的X射线开创了医学影像技术，利用X光机探测骨骼的病变，胸腔X光片诊断肺部病变，腹腔X光片检测肠道梗塞.CT成像也是利用X射线成像，CT成像既可以提供二维（2D）横切面又可以提供三维（3D）立体表现图像，它可以清楚地展示被检测部位的内部结构，可以准确确定病变位置.当今，各医院都设置放射科，X射线在医学上得到充分利用.X射线的发现不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响20世纪许多重大科学发现.1913-1914年，威廉•享利•布拉格（willianHenrgBragg）和威廉•劳仑斯•布拉格（WillianLawrenceBragg）提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ（k=1,2,3…）式中d为晶格常数，α为入射光与晶面夹角，λ为X射线波长.布拉格父子提出使用X射线衍射研究晶体原子、分子结构，创立了X射线晶体结构分析这一学科，布拉格父子获1915年诺贝尔物理学奖.当今，X射线衍射仪不仅在物理学研究，而且在化学、生物、地质、矿产、材料等学科得到广泛应用，所有从事自然科学研究的科研院所和大多数高等学校都有X射线衍射仪，它是研究物质结构的必备仪器.1907年，威廉•汤姆孙（W•Thomson）发现电子，电子质量me=9.11×10-31kg，电子荷电e=-1.602×10-19C.电子的荷电性引发了20世纪产生革命.1947年，美国的巴丁、布莱顿和肖克利研究半导体材料时，发现Ge晶体具有放大作用，发明了晶体三极管，很快取代电子管，随后晶体管电路不断向微型化发展.1958年，美国的工程师基尔比制成第一批集成电路.1971年，英特尔公司的霍夫把计算机的中央处理器的全部功能集成在一块芯片上，制成世界上第一个微处理器.80年代末，芯片上集成的元件数已突破1000万大关.微电子技术改变了人类生活，微电子技术称雄20世纪，进入21世纪微电子产业仍继续称雄.到各个工业区看看，发现电子厂比比皆是，这真是小小电子转动了整个地球啊！电子不仅具有荷电性，还具有荷磁性.
1925年，乌伦贝克—哥德斯密脱（Uhlenbeck-Goudsmit）提出自旋假说，每个电子都具有自旋角动量S軋，它在空间任意方向上的投影只可能取两个数值，Sz=±h2；电子具有荷磁性，每个电子的磁矩为MSz=芎μB(μB为玻尔磁子）[7].电子的荷磁性沉睡了半个多世纪，直到1988年阿贝尔•费尔（AlberFert）和彼得•格林贝格尔（PeterGrünberg）发现在Fe/Cr多层膜中，材料的电阻率受材料磁化状态的变化呈显著改变，其机理是相临铁磁层间通过非磁性Cr产生反铁磁耦合，不加磁场时电阻率大，当外加磁场时，相邻铁磁层的磁矩方向排列一致，对电子的散射弱，电阻率小.利用磁性控制电子的输运，提出巨磁电阻效应（giantmagnetoresistance,GMR），磁电阻MR定义MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)为零场下的电阻率，ρ(H)为加场下的电阻率[8].GMR效应的发现引起科技界强烈关注，1994年IBM公司依据巨磁电阻效应原理，研制出“新型读出磁头”，此前的磁头是用锰铁磁体，磁电阻MR只有1%-2%，而新型读出磁头的MR约50%，将磁盘记录密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型读出磁头的MR才出现笔记本电脑、MP3等，GMR效应在磁传感器、数控机库、非接触开关、旋转编码器等方面得到广泛应用.阿尔贝?费尔和彼得?格林贝格尔获2007年诺贝尔物理学奖.1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中观察到MR高达105%，称为庞磁电阻（Colossalmagnetoresistance,CMR），钙钛矿氧化物中有如此高的磁电阻，在磁传感、磁存储、自旋晶体管、磁制冷等方面有着诱人的应用前景，引起凝聚态物理和材料科学科研人员的极大关注[10-12].然而，CMR效应还没有得到实际应用，原因是要实现大的MR需要特斯拉量级的外磁场，问题出在CMR产生的物理机制还没有真正弄清楚.1905年，爱因斯坦提出[13]：“就一个粒子来说，如果由于自身内部的过程使它的能量减小了，它的静质量也将相应地减小.”提出著名的质能关系式E=m莓C2式中m.表示经过反应后粒子的总静质量的减小，E表示核反应释放的能量.爱因斯坦又提出实现热核反应的途径：“用那些所含能量是高度可变的物体（比如用镭盐）来验证这个理论，不是不可能成功的.”按照爱因斯坦的这一重大物理学理论，1938年物理学家发现重原子核裂变.核裂变首先被用于战争，1945年8月6日和9日，美国对日本的广岛和长崎各投下一颗原子弹，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布无条件投降.后来原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奥布宁斯克原子能发电站投入运行.2009年，美国有104座核电站，核电站发电量占本国发电总量的20%，法国有59台机组，占80%；日本有55座核电站，占30%.截至2015年4月，我国运行的核电站有23座，在建核电站有26座，产能为21.4千兆瓦，核电站发电量占我国发电总量不足3%，所以我国提出大力发展核电，制定了到2020年核电装机总容量达到58千兆瓦的目标.核能的利用，一方面减少了化石能源的消耗，从而减少了产生温室效应的气体———二氧化碳的排放，另一方面有力地解决能源危机.利用海水中的氘和氚发生核聚变可以产生巨大能量，受控核聚变正在研究中，若受控核聚变研究成功将为人类提供取之不尽用之不竭的能量.那时，能源危机彻底解除.
20世纪最杰出的成果是计算机，物理学是计算机硬件的基础.从1946年计算机问世以来，经历了第一至第五代，计算机硬件中的电子元件随着物理学的进步，依次经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路；主存储器用的是磁性材料，随着物理学的进步，磁性材料的性能越来越高，计算机的硬盘越来越小.近日在第十六届全国磁学和磁性材料会议（2015年10月21—25日）上获悉，中科院强磁场中心、中科院物理所等，正在对斯格明子（skyrmions）进行攻关,斯格明子具有拓扑纳米磁结构，将来的笔记本电脑的硬盘只有花生大小，ipod平板电脑的硬盘缩小到米粒大小.量子力学催生出隧道二极管，量子力学指导着研究电子器件大小的极限，光学纤维的发明为计算机网络提供数据通道.
1916年，爱因斯坦提出光受激辐射原理，时隔44年，哥伦比亚大学的希奥多•梅曼（TheodoreMaiman）于1960制成第一台激光器[14].由于激光具有单色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特点，在医疗、农业、通讯、金属微加工，军事等方面得到广泛应用.激光在其他方面的应用暂不展开论述，只谈谈激光加工技术在工业生产上的应用.激光加工技术对材料进行切割、焊接、表面处理、微加工等，激光加工技术具有突出特点：不接触加工工件，对工件无污染；光点小，能量集中；激光束容易聚焦、导向，便于自动化控制；安全可靠，不会对材料造成机械挤压或机械应力；切割面光滑、无毛刺；切割面细小，割缝一般在0.1-0.2mm；适合大件产品的加工等.在汽车、飞机、微电子、钢铁等行业得到广泛应用.2014年，仅我国激光加工产业总收入约270亿人民币，其中激光加工设备销售额达215亿人民币.
2014年，诺贝尔物理学奖授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科学家，是因为他们发明了蓝色发光二极管（LED），帮助人们以更节能的方式获得白光光源.他们的突出贡献在于，在三基色红、绿、蓝中，红光LED和绿光LED早已发明，但制造蓝光LED长期以来是个难题，他们三人于20世纪90年明了蓝光LED，这样三基色LED全被找到了，制造出来的LED灯用于照明使消费者感到舒适.这种LED灯耗能很低，耗能不到普通灯泡的1/20，全世界发的电40%用于照明，若把普通灯泡都换成LED灯，全世界每个节省的电能数字惊人！物理学研究给人类带来不可估量的益处.2010年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•诺沃肖洛夫（Kon-stantinNovoselov），因发明石墨烯材料，获得诺贝尔物理学奖.目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管.此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好.因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命[14].2012年，法国科学家沙吉•哈罗彻(SergeHaroche)与美国科学家大卫•温兰德(DavidJ.win-land)，在“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”.他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步[16].
2013年，由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.早在2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系，薛其坤等在这一理论指导下开展实验研究，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题.这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗.而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，电子自旋向上的在一个跑道上，自旋向下的在另一个跑道上，犹如在高速公路上，它们在各自的跑道上“一往无前”地前进，不产生电子相互碰撞，不会产生热能损耗.通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大.因此，这一科研成果的应用前景十分广阔[17].物理学的每一个重大发现、重大发明，都会开辟一块新天地，带来产业革命，推动社会进步，创造巨大物质财富.纵观科学与技术发展史，可以看出物理学是科技创新的源泉.
3结语
论述了X射线，电子、半导体、原子能、激光、蓝光LED等的发现或发明对人类进步的巨大推动作用，自然得出结论，物理学是科技创新的源泉.打开国门看一看，美国的著名大学非常注重大学物理，加州理工大学所有一、二年级的公共物理课程总学时为540，英、法、德也在400-500学时[18].国内高校只有中国科学技术大学的大学物理课程做到了与国际接轨，以他们的数学与应用数学为例，大一开设：力学与热学80学时，大学物理—基础实验54学时；大二开设：电磁学80学时，光学与原子物理80学时，大学物理—综合实验54学时；大三开设：理论力学60学时，大学物理及实验总计408学时.在大力倡导全民创业万众创新的今天，高等学校理所应当重视物理学教学.各高校的理工科要按照教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导委员会颁发的《非物理类理工学科大学物理课程/实验教学基本要求》给足大学物理课程及大学物理实验课时.
参考文献：
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1.基本概念介绍
为了便于厘清量子通信技术的相关概念，本文基于量子行业曲线linkindustryDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2022.11.002可替代度影响力行业关联度技术的发展以及相关概念内在的联系，下面着重对量子、量子通信、量子密钥分发以及量子保密通信的概念分别予以阐述。
1.1量子
普朗克提出了光辐射的能量是非连续的，而是一份一份的，对于频率为ν的电磁波，这一份能量为hν，其中，h为普朗克常数。这一份能量就是电磁波在频率ν下的最小能量。随着频率的不同，这个最小能量也不同，普朗克称这个最小能量为“量子”（Quantum）。爱因斯坦看到了普朗克的量子假说后，更进一步地认为，电磁波本质上就是由一份一份的能量组成的，他称为光量子，也就是光子（Photon）。
1.2量子通信
20世纪90年代以后，随着对量子等微观粒子的不断调控，当人们将基于经典物理学描述过程的信息传输变换成基于量子力学描述和操控的过程时，便催生出了一种新的通信方式：量子通信。量子通信不应该简单地从字面意思理解为通过量子来通信，真正的“量子通信”的含义应是利用量子态作为信息载体来进行信息交互的通信技术。现阶段，量子通信的一种典型应用是量子密钥分发（QuantumKeyDistribution，QKD），量子密钥分发可用来实现经典信息的安全传输。
1.3量子密钥分发
量子密钥分发作为量子通信的典型应用之一，是最先实用化起来的量子信息技术。现有实际的量子密钥分发系统主要采用的是由IBM的C.H.Bennett和G.Brassard在1984提出的BB84协议，其与经典密码体制不同，量子密钥分发是基于量子力学的基本原理，能够保证密钥的安全性，这种安全性在学术界称为“信息理论安全”或者“无条件安全”，是经过严格的数学证明的。因此，量子密钥分发能够在空间上分隔的用户之间以信息理论安全的方式共享密钥。1.4量子保密通信量子密钥分发可以通过对量子态的传输和测量，为经典数字通信建立牢不可破的量子密钥，为经典信息的加密服务提供安全性保证，因此，可以将QKD技术作为密钥分发功能组件，结合适当的密钥管理、安全的密码算法和协议而形成的加密通信安全解决方案定义为量子保密通信。目前，以量子密钥分发为核心的量子保密通信已是量子通信领域的主要发展方向。基于前面的介绍，我们可以清晰地理出量子密钥分发、量子通信和量子保密通信的层次关系，如图1所示。
2.专利技术布局分析
近年来，国内外对量子通信技术日益重视，纷纷加大对相关技术的研发力度，图2、图3、图4、图8、图9分别展示的全球/中国量子通信行业规模以及量子通信技术的专利申请量和专利申请人态势的持续增长均可见一斑。我们通过对国际专利分类体系（IPC）和联合专利分类体系（CPC）中的与量子通信相关的分类号进行统计分析，得出与量子通信技术相关的分类号主要集中在H04L9、H04B10。其中H04L9主要描述的是量子密码相关的密码、密钥的产生、共享或更新，H04B10主要描述的是量子通信的传输系统。通过对H04L9下的专利统计分析，将其技术分支划分为量子密钥分发、量子秘密共享、量子隐形传态、量子安全直接通信、量子签名、量子随机数发生器。通过对H04B10下的专利统计分析，将其技术分支划分为信号生成、信号探测、信号调制。通过对上述技术分支进行统计，不难看出量子密钥分发、量子签名和信号探测三个技术分支的相关专利申请居前，从侧面也说明这三个技术分支是目前量子通信技术领域研究的热点和关注所在。下面选取了量子通信技术中的量子密钥分发和信号探测两个热点技术分支来着重了解一下。
2.1关键技术之密钥分发
通过对量子密钥分发技术的专利进行统计，由图6可知在全球和中国该关键技术近年来保持增长态势。聚焦到该细分技术领域的专利分析后，发现目前针对该技术分支的研究的关注焦点主要集中在：（1）离散变量量子密钥分发DV-QKD的改进。如CN213879845U中采用环形网络实现了一种三用户TF-QKD网络系统，对现有的只是两用户的量子通信TF-QKD协议进行改进，结构简单，易于实现；（2）连续变量量子密钥分发CV-QKD的改进。如CN107682144A中优化现有的信息调制技术，改进数据后处理流程，提高后处理的数据处理速度，提高CV-QKD系统的密钥率。在DV-QKD技术方面，尤其是双场量子密钥分发协议（Twin-FieldQuantumKeyDistribution，TF-QKD）的提出使得整个QKD传输系统的性能，尤其是数据传输能力，得到了显著提高，而CV-QKD技术在成本和集成度方面优势明显。基于目前CV-QKD技术和DV-QKD技术在安全传输距离方面存在的差异，以及两者由于固有的特点在应用场景上的不同侧重，使得两者可以形成很好的互补关系，从而具备了构建商业化系统的条件。当前国内在DV-QKD方面的研究机构主要有国盾量子、九州量子、国腾量子、华南师范大学、中国科学技术大学、安徽问天量子科技；在CV-QKD方面的研究机构主要有循态量子、华为、烽火通信、北京大学、北京邮电大学。
2.2关键技术之信号探测
通过对信号探测技术的专利进行统计，由图7可知在全球和中国该关键技术近年来同样保持增长态势。聚焦到该细分技术领域的专利分析后，发现目前针对该技术分支研究的关注焦点主要集中在：（1）探测效率的改进。如CN112929170A中引入本地本振强光，避免接收机的探测效率变低，提高系统的成码率。（2）系统设计的改进。如CN107196758A中提供一种单光子探测方法，通过对同步信号进行相位切换和分段延时扫描的方式达到单光子信号的正周期延时，降低系统的冗余度。目前，单光子探测技术是量子通信系统中接收端探测微弱量子信号的主流技术，其中的超导纳米线单光子探测（superconductingnanowiresinglephotondetector，SNSPD）技术具备低暗计数、高量子探测效率等优异特性，成为量子通信系统信号接收端重点关注对象。2021年7月5日，中科大潘建伟团队在预印本arXiv上公开了113个光子的量子计算机原型机“九章2.0”，在实现“高斯玻色取样”任务的快速求解的同时，其中的一项核心技术SNSPD，使得平均系统探测效率达到了83%。
2.3量子通信技术的创新主体情况
从全球范围的量子通信技术专利布局情况来看，目前国内走在前列的创新主体有：九州量子、神州量子、安徽问天、国盾量子、如般量子、中国科学技术大学、北京邮电大学、华南师范大学、中国电子科技集团公司电子科学研究院、阿里巴巴。国外的创新主体主要分布在美国、欧洲、日本、韩国，包括：日本的东芝公司、日本电信电话株式会社、三菱株式会社、日本电气株式会社，美国的MagiQ技术公司、惠普、谷歌，芬兰的诺基亚，英国电信集团，韩国电子通信研究院、韩国科学技术院。
3.未来发展展望
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胶体是日常生活中常见的一种软物质，指的是一种不连续介质分散在另外一种连续介质中的均匀混合物，分散质可以是固体，液体，也可以是气体，其长度尺寸一般介于10nm至10μm之间。根据分散质的不同，胶体主要可以分为悬浮液、乳状液、泡沫、气溶胶等。胶体涉及我们生活的方方面面，比如墨水，护手霜，冰淇淋等都属于胶体范畴。正因如此，对胶体的研究就显得很有意义。虽然在量子现象中研究范德瓦尔斯力这样的参量很重要，但是在胶体体系的尺度上，量子力学效应可以忽略，所以可以把胶体体系看作经典体系来进行研究。同时，由于胶体中分散质的尺寸足够小，体系的热力学涨落就不可忽略。比如在胶体悬浮液中，固体粒子和溶剂分子之间的随机相互碰撞形成的布朗运动，这是在实验上很容易观察到的一个现象。在实验室当中，人们就可通过胶体体系来研究物质的相变。在六七十年代，实验中发现，胶体悬浮液在结构上和原子体系有诸多相似之处，这直接导致了在接下来的几十年里，人们广泛采用胶体作为模型去研究液体和晶体。比如在1982年，Lindsay和Chaikin通过将两种不同尺寸的带电胶体粒子混合在一起后，观察到了体系呈现出无序的结构和有限的刚度的玻璃态行为[1]。在随后的1986年和1987年，Pusey和Megen在对不带电的高浓度胶体体系的研究中，也观察到了硬球胶体的玻璃化转变。
2胶体模型的玻璃化转变
对于胶体悬浮液来说，体系是由固体颗粒分散在液体中所形成的。体系的关键参数则是堆积分数φ，其定义为固体颗粒所占整个空间的比例。当堆积分数很低时，体系中粒子能够自由扩散，体系呈现液态；随着堆积分数的增加，当φ接近于玻璃化转变点φg时，体系的粘度将会急剧变大；当堆积分数达到玻璃化转变点之后，体系表现出与传统分子或聚合物玻璃体系相类似的行为。由于胶体粒子具有相对较大的尺寸，因此人们可以通过各种设备与技术来研究它，而这在分子原子尺度上，是比较难以实现的。很多情况下，胶体微球就可以被看作一种简单的硬球。早在八十年代中期，Pusey和vanMegen就开始在实验上利用胶体体系来研究硬球体系的相图[2]。这一研究之所以如此重要，主要是因为以下原因：粒子间的相互作用比较单一，且易于描述；粒子间的简单相互作用可以和诸多体系进行对比，并且在计算机模拟上较容易实现；可以通过显微镜，光散射，流变等一系列技术来研究。Pusey和Megen曾采用PMMA微球来研究玻璃化转变，为了防止粒子间因范德瓦尔斯力而发生聚集，他们在粒子表面覆盖了一层约10nm的聚12羟基硬脂酸[3]。正是由于这些硬质的涂覆层，粒子可以被看作硬球，因为当粒子非常靠近时，粒子间发生相互作用的是涂覆层。这些粒子在有机溶剂中非常稳定，同时在实验上也比较容易进行调整，比如染色后的粒子，就可以在摄荧光显微镜下观察。
3动力学不均匀性
对于玻璃而言，体系中某些区域的动力学可能比另一些区域更快些，而这些区域在空间上也会比较紧凑，人们称这种现象为动力学不均匀性，也就是说系统中不同区域的弛豫速率是不同的。在这些系统中，弛豫的时间尺度和空间尺度相互耦合，也就是说较长的弛豫时间一般对应这较大的粒子团簇。在体系快要发生玻璃化转变时，粒子可能需要“相互协同”才能重排，所以通常用协同运动来描述动力学不均匀性。动力学不均匀的现象也与牢笼受限和牢笼重排之间存在一定的关系。在短时间内，粒子做布朗运动，但是这种运动却因为粒子与周围粒子发生碰撞而受到限制。一个粒子的近邻粒子限制了该粒子，同时该粒子也是构成了包围其周围粒子笼子的一部分。在较长的时间尺度上来看，这些“笼子”就可能发生塌陷，体系也就随之发生了重排。实验上所观察到的空间动力学不均匀性，与计算机模拟结果之间也存在高度的吻合。在玻璃化转变过程中，人们很容易观察到协同运动区域增大，但这和弛豫时间不断增大之间的关系还并不得而知。直观上讲，如果越来越多的粒子需要同时以协同的方式运动，这种粒子间的关联运动就可能是导致扩散时间的延长的直接原因。从这个角度讲，或许动力学不均匀性和玻璃化转变之间就连在了一起，也就可以说正是动力学不均匀性导致了玻璃化转变。Cooper等人利用模拟的手段，模拟出一个能够发生重排的体系，为了得到结论，他们重复运行了具有相同初始构型的体系。他们将初始构型经过分子动力学平衡，并且随机的赋予粒子初始速度。即使这样，他们发现动力学不均匀性和结构之间的关联性也很弱[4]。正由于有模拟结果作为支撑，所以利用胶体体系研究动力学不均匀性的方向性显得更强。模拟的结果能够指导对实验数据的分析，更能够使得实验上存在困难或难以实现的研究得以开展。Kob等人也通过计算机模拟，研究了一种新颖的随机pinning体系，他们随机的选择一部分粒子，把这些粒子固定住以对体系进行限制。这样就可以通过对该受限体系中运动粒子的研究，来探究玻璃体系中的动力学不均匀性了。他们发现随着pinning粒子比例的增加，体系的协同性就会减弱，这正是由于pinning粒子破坏了体系的协同重排区域所导致的。原本一个粒子的运动状态能够影响到周围的粒子，并传递下去，但是当有了pinning粒子之后，这种能量的传递被阻碍了，体系的协同性遭也就随之遭到了破坏[5]。
4结语
