量子力學基本原理的內容精選(九篇)
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第1篇：量子力學基本原理的內容范文
【關鍵詞】量子;通信;技術;發展
對量子信息進行研究是將量子力學作為研究基礎，根據量子并行、糾纏以及不可克隆特性，探索量子編碼、計算、傳輸的可能性，以新途徑、思路、概念打破原有的芯片極限。從本質來說：量子信息是在量子物理觀念上引發的效應。它的優勢完全來源于量子并行，量子糾纏中的相干疊加為量子通訊提供了依據，量子密碼更多的取決于波包塌縮。理論上，量子通信能夠實現通信過程，最初是通過光纖實現的，由于光纖會受到自身與地理條件限制，不能實現遠距離通信，所以不利于全球化。到1993年，隱形傳輸方式被提出，通過創建脫離實物的量子通信，用量子態進行信息傳輸，這就是原則上不能破譯的技術。但是，我們應該看到，受環境噪聲影響，量子糾纏會隨著傳輸距離的拉長效果變差。
一、量子通信技術
（一）量子通信定義
到目前為止，量子通信依然沒有準確的定義。從物力角度來看，它可以被理解為物力權限下，通過量子效應進行性能較高的通信;從信息學來看，量子通信是在量子力學原理以及量子隱形傳輸中的特有屬性，或者利用量子測量完成信息傳輸的過程。
從量子基本理論來看，量子態是質子、中子、原子等粒子的具體狀態，可以代表粒子旋轉、能量、磁場和物理特性，它包含量子測不準原理和量子糾纏，同時也是現代物理學的重點。量子糾纏是來源一致的一對微觀粒子在量子力學中的糾纏關系，同時這也是通過量子進行密碼傳遞的基礎。Heisenberg測不準原理作為力學基本原理，是同一時刻用相同精度對量子動量以及位置的測量，但是只能精確測定其中的一樣結果。
（二）量子通信原理
量子通信素來具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的過程就是量子力學原理的展現。從最典型的通信系統來說具體包含：量子態、量子測量容器與通道，擁有量子效應的有：原子、電子、光子等，它們都可以作為量子通信的信號。在這過程中，由于光信號擁有一定的傳輸性，所以常說的量子通信都是量子光通信。分發單光子作為實施量子通信空間的依據，利用空間技術能夠實現空間量子的全球化通信，并且克服空間鏈路造成的距離局限。
利用糾纏量子中的隱形量子傳輸技術作為未來量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力學，由兩個光子構成糾纏光子，不管它們在宇宙中距離多遠，都不能分割狀態。如果只是單獨測量一個光子情況，可能會得到完全隨機的測量結果;如果利用海森堡的測不準原理進行測量，只要測量一個光子狀態，縱使它已經發生變化，另一個光子也會出現類似的變化，也就是塌縮。根據這一研究成果，Alice利用隨機比特，隨機轉換已有的量子傳輸狀態，在多次傳輸中，接受者利用量子信道接收;在對每個光子進行測量時，同時也隨機改變了自己的基，一旦兩人的基一樣，一對互補隨機數也就產生。如果此時竊聽者竊聽，就會破壞糾纏光子對，Alice與Bob也就發覺，所以運用這種方式進行通信是安全的。
（三）量子密碼技術
從Heisenberg測不準原理我們可以知道，竊聽不可能得到有效信息，與此同時，竊聽量子信號也將會留下痕跡，讓通信方察覺。密碼技術通過這一原理判別是否存在有人竊取密碼信息，保障密碼安全。而密鑰分配的基本原理則來源于偏振，在任意時刻，光子的偏振方向都擁有一定的隨機性，所以需要在糾纏光子間分設偏振片。如果光子偏振片與偏振方向夾角較小時，通過濾光器偏振的幾率很大，反之偏小。尤其是夾角為90度時，概率為0;夾角為45度時，概率是0.5，夾角是0度時，概率就是1;然后利用公開渠道告訴對方旋轉方式，將檢測到的光子標記為1，沒有檢測到的填寫0，而雙方都能記錄的二進制數列就是密碼。對于半路監聽的情況，在設置偏振片的同時，偏振方向的改變，這樣就會讓接受者與發送者數列出現差距。
（四）量子通信的安全性
從典型的數字通信來說：對信息逐比特，并且完全加密保護，這才是實質上的安全通信。但是它不能完全保障信息安全，在長度有限的密文理論中，經不住窮舉法影響。同時，偽隨機碼的周期性，在重復使用密鑰時，理論上能夠被解碼，只是周期越長，解碼破譯難度就會越大。如果將長度有限的隨機碼視為密鑰，長期使用雖然也會具有周期特征，但是不能確保安全性。
從傳統的通信保密系統來看，使用的是線路加密與終端加密整合的方式對其保護。電話保密網，是在話音終端上利用信息通信進行加密保護，而工作密鑰則是偽隨機碼。
二、量子通信應用與發展
和傳統通信相比，量子通信具有很多優勢，它具有良好的抗干擾能力，并且不需要傳統信道，量子密碼安全性很高，一般不能被破譯，線路時延接近0，所以具有很快的傳輸速度。目前，量子通信已經引起很多軍方和國家政府的關注。因為它能建立起無法破譯的系統，所以一直是日本、歐盟、美國科研機構發展與研究的內容。
在城域通信分發與生成系統中，通過互聯量子路由器，不僅能為任意量子密碼機構成量子密碼，還能為成對通信保密機利用，它既能用于逐比特加密，也能非實時應用。在嚴格的專網安全通信中，通過以量子分發系統和密鑰為支撐，在城域范疇，任何兩個用戶都能實現逐比特密鑰量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系統。在廣域高的通信網絡中，受傳輸信道中的長度限制，它不可能直接創建出廣域的通信網絡。如果分段利用量子密鑰進行實時加密，就能形成安全級別較高的廣域通信。它的缺點是，不能全程端與端的加密，加密節點信息需要落地，所以存在安全隱患。目前，隨著空間光信道量子通信的成熟，在天基平臺建立好后，就能實施范圍覆蓋，從而拓展量子信道傳輸。在這過程中，一旦量子中繼與存儲取得突破，就能進一步拉長量子信道的輸送距離，并且運用到更寬的領域。例如：在潛安全系統中，深海潛艇與岸基指揮一直是公認的世界難題，只有運用甚長波進行系統通信，才能實現幾百米水下通信，如果只是使用傳統的加密方式，很難保障安全性，而利用量子隱形和存儲將成為開辟潛通的新途徑。
三、結束語
量子技術的應用與發展，作為現代科學與物理學的進步標志之一，它對人類發展以及科學建設都具有重要作用。因此，在實際工作中，必須充分利用通信技術，整合國內外發展經驗，從各方面推進量子通信技術發展。
參考文獻
[1]徐啟建，金鑫，徐曉帆等.量子通信技術發展現狀及應用前景分析[J].中國電子科學研究院學報，2009，4（5）：491-497.
第2篇：量子力學基本原理的內容范文
關鍵詞：不確定原理 玻爾量子化條件 德布羅意公式 擾動
【中圖分類號】O413.1【文獻標識碼】A【文章編號】1004-1079（2008）10-0184-02
眾所周知，量子力學誕生以后，不確定原理引起了長期激烈的爭論。[1]物理學家們一般認為，不確定原理與測量對粒子的擾動有關[2]，但已有的各種嚴格或不嚴格的論證并未直接給出這個結論, 以至于當今有的物理學專家在談及不確定原理時感慨地說：沒有人真正知道它是如何產生的。[3]其次，由于習慣于認為經典力學是決定性的理論，初學者對不確定原理往往感到難以理解。事實上，不確定原理不僅存在于量子力學中，在經典力學乃至整個經典物理學中也存在，只不過因其實際效應可以忽略人們以往不注意罷了。下面，我們先討論經典力學中的不確定原理，再討論量子力學中的不確定原理，并根據玻爾量子化條件和德布羅意公式得到一種導出不確定關系式的新方法，證明不確定關系與測量對粒子的擾動有關。
一、經典力學中的不確定原理
看到本段的標題，也許有人會想：經典力學是決定性的理論，怎么會存在不確定原理？對此疑問，首先必須指出的是：狀態之間的因果關系與狀態描述的確定程度是既有聯系又有區別的兩個概念。以往，由于牛頓方程給出了質點運動狀態之間確定的因果關系，人們認為經典力學完全是決定性的理論，但這隱含著一個如狄拉克所指出的假定：經典力學假定對所有可觀測量都能同時賦予數值。[4]問題是：在經典力學中，質點狀態，也就是質點的位置和速度是否真的可以完全確定呢？
為簡便起見，討論一維運動。我們知道，一維運動中平均速度的定義是V=,（1）
而瞬時速度定義為平均速度的極限：
V=limt0（2）
我們知道，任何測量都是或長或短的過程，不可能是瞬時的，因此，我們能測得的總是平均速度而非瞬時速度，或者說，平均速度可測，（瞬時）速度不可測。這聽起來似乎有點怪，但事實如此。在物理學中，說一個不能準確測定的物理量有確定值是沒有意義的，所以，我們把平均速度相對于速度的這種偏差叫做速度的不確定偏差：δV=V-.（3）
顯然，速度不確定偏差的存在與具體的測量技術無關。對上式兩邊取極限，可知不確定偏差δV是無窮小量，這就保證了速度的測定在具有不確定性的同時具有穩定性。
也許有人會把速度不確定偏差的存在歸于測量技術的限制，那么我們要問，這種限制可否完全消除？顯然不能。因為不確定偏差描述的是可測的平均速度相對于不可測的速度的偏差，這個偏差的存在與具體的測量技術無關，與通常所說的測量誤差是兩個概念。通常所說的速度測量誤差是平均速度的測量值與平均速度的真值的差，而所謂真值不過是多次測量的平均值罷了。
速度有不確定偏差，位置是否也有不確定偏差呢？利用V=可將牛頓方程=（4）
寫成V=,也就是dx=dV.
所以，當速度有不確定偏差δV時，位置必有不確定偏差δx：
δx=δV.（5）
上式表明，僅當質點靜止時位置有確定值。此時,位置、速度都是完全確定的，或者說都是可測準的。
上式還表明：當力F足夠大時，δx足夠小，這就保證了位置的測定在具有不確定性的同時具有穩定性。那么，所謂力F足夠大意味著什么呢？
設力場（Fx）有勢函數U(x)，即令
（Fx）＝－. （6）
將上式右邊的勢梯度在附近展開：
＝+x+A.（7）
所謂F（x）=足夠大，意味著上式右邊第一項后邊的那些項可以忽略，或者說，力場變化比較慢。所以，所謂給定初態和運動方程，質點以后的狀態就是確定的，其條件是力場F變化較慢。這個結論與量子力學關于可以用經典力學描述微觀粒子運動的條件完全相同[5]。
事實上，不僅在經典力學中，在整個經典物理學中不確定性都是普遍存在的。例如，測量電場或磁場時必須引入帶電粒子，測得的場是受到帶電粒子的場干擾的場，而非原來的那個場。又例如，測量一段電路的電壓時必須并聯一個伏特計，測得的電壓是并聯伏特計后的電壓，而非原來那段電路的電壓。諸如此類，不勝枚舉。這些不確定性并不是測量技術帶來的，也不是通過改進測量技術能夠完全消除的，而是理論體系固有的，不可消除的，是客觀物質運動屬性的表現。
綜上所述可知，經典物理學中的不確定性是一個客觀存在，是客觀物質運動屬性的反映。如前所說，狄拉克曾經指出，經典力學假定對所有可觀測量都能同時賦予數值。經典力學的這個不自覺的假定使人們形成了一種根深蒂固的觀念，認為經典力學完全是決定論的，與不確定性無關。許多學習了經典力學的人開始學習量子力學時對量子力學的不確定關系感到難以理解，其思想根源皆在于此。量子力學誕生以后，不確定原理引起了長期的激烈的爭論。爭論的結果之一是把舊名稱“測不準原理”、“測不準關系”改成了“不確定原理”，“不確定關系”，以免望文生義，把不確定“偏差”誤認為測量“誤差”。看來，改得確有必要。不過，概念的建立重在內涵的把握。不論在量子力學中還是在經典力學中，不確定原理都應被視為一個基本原理，都是客觀物質運動屬性的表現，只不過表現形式和表現程度不同罷了。不同之處在于，量子力學中的力學量大多是量子化的，不確定偏差有下限，不是無窮小量；經典力學中的力學量大多是連續變化的，不確定偏差是一個無窮小量。正是由于經典力學中的不確定偏差是一個無窮小量，忽略它不會給一般的技術工作帶來問題，但不能因此就否認它的存在。
二、 量子力學中的不確定原理
我們知道，在量子力學中，算符x和算符不對易，坐標x和動量Px不能同時有確定值。下面根據玻爾軌道量子化條件和德布羅意公式導出量子力學中的不確定關系式x?Px=t?E≥.（8）
不失一般性，設用光信號測量一個氫原子的位置。 顯而易見，從氫原子中電子吸收光子躍遷到較高能級到放出光子躍遷到較低能級，存在一個或長或短的時間間隔t。假設在此時間內氫原子的位移是, 動量增量是x, 則有Px
t?Px＝x?F?t=t?E,（9）
其中F是t時間內氫原子所受力的平均值,E 是氫原子能量的增量。上述過程等效于氫原子吸收了一個能量為hv的光子，于是有
E=hv=hω＝h,
即t?E=h?Ф.（10）
那么，上式中Ф的物理意義是什么呢？利用德布羅意公式p=mV=可將玻爾的軌道量子化條件mVr=nη寫成
2πr=nη=2n. （11）
這表明氫原子中電子的德布羅意波是一個沿著圓軌道的駐波，圓軌道上每兩個相鄰節點對應的圓心角是，如圖1所示。電子躍遷的末態能級
包含無限多個可能的軌道面，其中一個軌道面與初態軌道面的夾角為θ,0≤θ≤π ，如圖2所示。設這些軌道面是等幾率的，則初末態中相鄰節點對應的圓心角之差的平均值是
Ф=-≥-, （12）
其中n=1,2,3,L;m=n+1,n+2,L. 取n=2, 得
Ф≥.（13）
將上式代入（10）式即得（8）式。
由上述證明可知，不確定原理與測量對粒子的擾動有關，即與物體之間的相互作用有關。這與前面的分析一致。不過，由于應用了玻爾軌道量子化條件，上述證明還不是完全量子論的證明。量子力學中對不確定原理的嚴格證明見各種標準的量子力學教科書[6]，這里不再贅述。
參考文獻
[1] 量子力學，周世勛編，上海科學技術出版社，1961第1版，400-405頁；
[2] 時間簡史，（英）S.W. Hawking 著，許明賢 吳忠超譯，湖南科學技術出版社，2002第1版，53頁
[3] 通向量子引力的三條途徑，（美）李. 斯莫林著，李新洲等譯，上海科學技術出版社，2003第1版，17頁
[4] 量子力學原理，P.A.M狄拉克著，陳咸亨譯，喀興林校，科學技術出版社，1965第1版，100頁；
[5] 同[1]，148頁
第3篇：量子力學基本原理的內容范文
材料的計算模擬方法介紹
材料的計算模擬研究是近年來飛速發展的一門新興學科和交叉學科．它綜合凝聚態物理學、理論化學、材料物理學和計算機算法等多個相關學科．它的目的是利用現代高速計算機，模擬材料的各種物理化學性質，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現象與性能，并對材料的結構和物性進行理論預言，從而達到設計和開發新材料的目的．材料的多尺度計算模擬方法主要有以下幾種:
(1)第一性原理計算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計算方法是目前研究微觀電子結構最主要的理論方法．第一性原理計算方法只用到普朗克常數(h)，玻爾茲曼常數(kB)，光速(c)，電子靜態質量(m0)和電子電荷電量(e)這5個基本物理變量和研究體系的基本結構．從量子力學出發，通過數值求解薛定諤方程，計算材料的物理性質．在密度泛函理論，局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)框架下的計算已廣泛應用于第一性原理的電子結構研究中，并已經取得很大的成功．結合一些能帶結構計算的方法，對于半導體和一些金屬基態性質，如晶格常數，晶體結合能，晶體力學性質都能夠給出與實驗符合得很好的結果，同時能夠比較精確地描述很多體系的電子結構(如能帶結構、電子態密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學性質(介電函數、復折射率、光吸收系數、反射光譜及光電導等)和磁性質，從微觀理論角度分析和揭示材料物理性質的起源，使實驗者主動對材料進行結構和功能的控制，以便按照需求制備新材料．
(2)分子動力學方法(MolecularDynamicsMethods)分子動力學是一種確定性方法，是按照該體系內部的內稟動力學規律來確定位形的轉變，跟蹤系統中每個粒子的個體運動，然后根據統計物理規律，給出微觀量(分子的坐標、速度)與宏觀可觀測量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關系來研究材料性能的一種方法[5]．分子動力學方法首先需要建立系統內一組分子的運動方程，通過求解所有分子的運動方程，來研究該體系與微觀量相關的基本過程．對于這種多體問題的嚴格求解，需要建立并求解體系的薛定諤方程．根據波恩－奧本海默近似，將電子的運動與原子核的運動分開來處理，電子的運動利用量子力學的方法處理，而原子核的運動則使用經典動力學方法處理．此時原子核的運動滿足經典力學規律，用牛頓定律來描述，這對于大多數材料來說是一個很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動、轉動或振動頻率γ滿足hγ＞kBT時，才需要考慮量子效應．
(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡單的理論準則基礎上(如簡單的物質與物質或者物質與環境相互作用)，采用反復隨機抽樣的手段，解決復雜系統的問題．該方法采用隨機抽樣的手法，可以模擬對象的概率與統計的問題．通過設計適當的概率模型，該方法還可以解決確定性問題，如定積分等．隨著計算機的迅速發展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應用物理、化學等領域得到廣泛的應用[6]．蒙特卡洛方法可以通過隨機抽樣的方法模擬材料構成基本粒子原子和分子的狀態，省去量子力學和分子動力學的復雜計算，可以模擬很大的體系．結合統計物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態與材料宏觀性能的關系，是研究材料性能及其影響因素的本質的重要手段．
材料專業引入計算模擬教學的探索
材料計算的目的在于理解和發現新的材料性能及其物理本質．計算已經與實驗和形式理論一樣成為材料研究的3大支柱之一．為學生將來能夠有更高的起點研究材料科學，適應新形勢下材料研究方法，培養具有寬廣材料科學基礎，掌握材料現代研究手段的“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的材料科學專業人才．我們在本科教學階段就應該有計劃的引入和加強計算模擬方法的教學．采用的教學形式可以結合實際情況，靈活的應用．近年來我們采取的教學方式主要有以下3種方式:(1)開設計算材料學類課程在2006年物理與電子信息學院材料物理與化學專業培養方案中已經確定《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》課程為專業選修課程，學時分別為36學時和54學時．《計算機在材料科學中的應用》課程偏重實踐教學，通過上機操作學習計算軟件的基本原理和使用方法．主要教學內容包括:材料學的發展現狀及計算機在材料科學與工程中的應用;材料科學研究中的數學模型;材料科學研究中常用的數值分析方法;材料科學研究中主要物理場的數值模擬;材料科學與行為工藝的計算機模擬;材料數據庫和新材料、新合金的設計;材料加工過程的計算機控制;計算機在材料檢測中的應用;材料研究科學中的數據和圖像處理;互聯網在材料科學研究中的應用等9部分內容，基本涵蓋當今計算機技術在材料科學研究中應用的各個方面．《計算物理》課程則以理論教學為主，偏重物理基本原理的介紹．主要教學內容包括:計算物理學發展的最新狀況;蒙特卡洛方法及其若干應用;有限差分方法;分子動力學方法;密度泛函理論;計算機代數;高性能計算和并行算法等8部分內容．計算材料類課程的開設注重理論和實踐并重的原則，在講解基本原理的同時加強學生動手上機實踐能力的培養，因此，經過課程的學習，學生已經初步具備利用計算機進行材料模擬的能力．部分選修計算材料類課程的同學在學習中對計算模擬產生了極大的興趣，在大四時選擇材料計算相關課題作為本科畢業論文選題．例如，08屆學生的畢業論文《ZnS摻雜Cu光學性質的第一性原理研究》和《布朗運動的蒙特卡洛模擬》，09屆學生的畢業論文《ZnO電子結構和光學性質的研究》，11屆學生的畢業論文《晶格熱容的理論計算》和《簡立方晶體結構能量分布的理論模擬》等均為材料計算和模擬相關課題，并且有多人的畢業論文被評為優秀畢業論文．個別優秀的學生讀研后繼續從事材料的計算模擬相關研究．通過幾年的教學實踐，計算材料相關課程的開設對于擴大學生的知識面，提高學生的理論分析能力有極大地幫助．(2)在材料相關的理論課程中加入計算模擬方法介紹雖然已經在材料專業開設《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》等材料計算相關的課程，但這兩門課均為專業選修課，只有選修相關課程的學生才能得到相應的計算模擬培訓，受眾面還比較窄．因此，為使更多的學生了解到材料模擬計算的相關理論和知識，在材料專業主干課的教學中也適時地加入相關的計算模擬方法的介紹，從而擴大計算模擬知識的普及面．例如，在《固體物理》課程中，當講解到能帶理論一章時，我們會在本章結束時，加入一次課，著重介紹基于第一性原理的平面波贗勢計算方法計算材料的能帶結構、電子態密度等以及第一性原理計算的常用軟件(CASTEP、VASP等)．一方面，對學生學習的理論知識加以直觀化和適度的擴展，另一方面也進一步普及第一性原理計算的相關知識．在《材料科學基礎》教學中講解到相平衡與相圖一章時，我們會在本章內容結束后介紹相圖計算近年來的發展現狀，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)計算方法、熱力學與動力學的結合、第一性原理與相圖計算方法的結合，并簡要介紹今后相圖計算可能的發展方向[7]．在晶體缺陷內容的教學中，穿插介紹利用分子動力學計算面心立方金屬空位和間隙原子點缺陷的形成能的方法．通過在課程教學中穿插入計算模擬方法的介紹，一方面也加深了學生對所學內容的理解，另一方面開闊了學生的眼界．(3)舉辦計算模擬相關的學術講座．自從2009年以來，物理與電子信息學院從事計算模擬研究的教師每學期都結合自身的科研情況舉辦面向全院學生的學術講座．例如在2011至2012學年第二學期，我們舉辦兩場學術講座，分別是《氧化鋅晶體及其摻雜的第一性原理研究》以及《可見光響應半導體光催化材料的結構和能帶設計》，教師在講座中介紹自己的科研情況，同時也使學生了解到如何把學到的計算模擬知識應用到科研實踐中去，讓學生體會到如何利用計算模擬預測材料的物理性質以及指導材料設計的研究方式，提高學生自覺學習計算模擬方法的積極性．
結束語
第4篇：量子力學基本原理的內容范文
關鍵詞：量子密碼；量子加密；測不準原理；EPR關聯；量子糾纏
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2007)03-10732-02
1 引言
傳統的加密系統，不管是對密鑰技術還是公鑰技術，其密文的安全性完全依賴于密鑰的秘密性。密鑰必須是由足夠長的隨機二進制串組成，一旦密鑰建立起來，通過密鑰編碼而成的密文就可以在公開信道上進行傳送。然而為了建立密鑰，發送方與接收方必須選擇一條安全可靠的通信信道，但由于截收者的存在，從技術上來說，真正的安全很難保證，而且密鑰的分發總是會在合法使用者無從察覺的情況下被消極監聽。
近年來，由于量子力學和密碼學的結合，誕生了量子密碼學，它可完成僅僅由傳統數學無法完成的完善保密系統。量子密碼學是在量子理論基礎上提出了一種全新的安全通信系統，它從根本上解決量子特性不可忽視，測量動作是量子力學的一個組成部分。在這些規律中，對量子密碼學起關鍵作用的是Heisenberg測不準原理，即測量量子系統時通常會對該系統產生干擾，并產生出關于該系統測量前狀態的不完整信息，因此任何對于量子信道進行監測的努力都會以某種檢測的方式干擾在此信道中傳輸的信息。
本文內容安排如下：第二部分回顧經典的密碼術，第三部分說明基于EPR糾纏對的量子加密原理和技術，第四部分介紹量子密碼術，最后給出結論。
2 經典密碼術
一般而言，加密體系有兩大類別，公鑰加密體系與私鑰加密體系。經典保密通信原理如圖1所示：
圖1經典保密通信原理圖
密碼通信是依靠密鑰、加密算法、密碼傳送、解密、解密算法的保密來保證其安全性.它的基本目的使把機密信息變成只有自己或自己授權的人才能認得的亂碼。具體操作時都要使用密碼講明文變為密文，稱為加密，密碼稱為密鑰。完成加密的規則稱為加密算法。講密文傳送到收信方稱為密碼傳送。把密文變為明文稱為解密，完成解密的規則稱為解密算法。如果使用對稱密碼算法，則K＝K’ , 如果使用公開密碼算法，則K 與K’ 不同。整個通信系統得安全性寓于密鑰之中。
公鑰加密體系基于單向函數(one way function)。即給定x，很容易計算出F (x)，但其逆運算十分困難。這里的困難是指完成計算所需的時間對于輸入的比特數而言呈指數增加。舉例而言，RSA (Rivest, Shamir, Adleman ) 即是具有代表性的公開密鑰算法，其保密性建立在分解有大素數因子的合數的基礎上。公鑰體系由于其簡單方便的特性在最近20年得以普及，現代電子商務保密信息量的95%依賴于RSA算法。但其存在以下主要缺陷。首先，人們尚無法從理論上證明算法的不可破性，盡管對于己知的算法，計算所需的時間隨輸入的比特數呈指數增加，我們只要增加密鑰的長度即可提高加密體系的安全性，但沒人能夠肯定是否存在更為先進的快速算法。其次，隨著量子計算機技術的迅速發展，以往經典計算機難以求解的問題，量子計算機可以迎刃而解。例如應用肖氏(Shor's )量子分解因式算法可以在多項式時間內輕易破解加密算法。
另一種廣泛使用的加密體系則基于公開算法和相對前者較短的私鑰。例如DES (Data Encryption Standard, 1977)使用的便是56位密鑰和相同的加密和解密算法。這種體系的安全性，同樣取決于計算能力以及竊聽者所需的計算時間。事實上，1917年由Vernam提出的“一次一密碼本”(one time pad) 是唯一被證明的完善保密系統。這種密碼需要一個與所傳消息一樣長度的密碼本，并且這一密碼本只能使用一次。然而在實際應用中，由于合法的通信雙方(記做Alice和Bob)在獲取共享密鑰之前所進行的通信的安全不能得到保證，這一加密體系未能得以廣泛應用。
現代密碼學認為，任何加密體系的加密解密算法都是可以公開的，其安全性在于密鑰的保密性。實際上，由于存在被動竊聽的可能性，如果通信雙方完全通過在經典信道上傳輸經典信息，則在雙方之間建立保密的密鑰是不可能的。然而，量子物理學的介入徹底改變了這一狀況。
3 量子加密的原理和技術
量子加密是目前科學界公認唯一能實現絕對安全的通信方式。它依賴于兩點：一是基本量子力學效應(如測不準原理,Bell 原理量子不可克隆定理)；二是量子密鑰分配協議量子密碼系統能夠保證：(1)合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應的措施；（2）使竊聽者無法破解量子密碼，無論破譯者有多么強大的計算能力。同時，量子密碼通信不是用來傳送密文或明文，而是用來建立和傳送密碼本，這個密碼本是絕對安全的。到目前為止，實現量子加密的方案主要有如下幾種：
(1)基于兩組共扼正交基的四狀態方案，其代表為BB84協議；
(2)基于兩個非正交態的二狀態方案，其代表為B92協議；
(3)基于EPR糾纏對的方案，其代表為E91協議；
(4)基于BB84協議與B92協議的4＋2協議。
在這里我們主要介紹一下基于EPR糾纏對的方案，Ekert 于1991年提出的基于EPR的量子密鑰分配協議(E91)充分利用了量子系統的糾纏特性，通過糾纏量子系統的非定域性來傳遞量子信息，取代了BB84 協議中用來傳遞量子位的量子信道，因而可以更加靈活地實現密鑰分配。此外，與BB84 不同的是，E91協議借助于Bell 不等式來驗證是否存在竊聽者，而在BB84 和B92 中，都是通過隨機校驗來實現竊聽驗證。
雖然量子密鑰分配協議的安全性與Bell不等式之間的確切關系尚不清楚，但是利用Bell不等式的確可以保證量子密鑰分配是無條件安全的。也就是說無論Eve采取多么高明的竊聽策略，采用多么精密的竊聽設備，她的竊聽行為必然影響糾纏態，進而使Bell不等式成立。
其中任意角度均表示光子的偏振方向。量子位的信息編碼規則為：
相應的測量算子為：
根據上述設置，E91密鑰分配的操作按如下步驟實施：
(1)Alice等概率的從{│ω0＞，│ω1＞，│ω2＞}中隨機選取一個糾纏態│ωj＞ ，保留第一個量子位，并把第二個量子位發送給Bob. Alice沒有必要記住│ωj＞究竟處于什么態， 只要保證三種糾纏態被等概率的選取。該過程可以在密鑰分配前任何方便的時候進行，而且還可以有Bob或者可靠的第三方執行。
(2)Alice和Bob各自獨立地測量自己的量子位，測量算子等概率地從{M0,M1,M2}中隨機選取。
(3)Alice直接記錄測量結果對應的編碼信息比特，Bob則記錄編碼信息比特的反碼。
(4)Alice和Bob在公開的經典信道公布自己所選取的測量算子。當然，Alice和Bob 都不透露自己的測量結果。
(5)Alice和Bob保留相同的測量算子所對應的信息比特作為原始密鑰(raw key)。其余的信息比特記為排異位(rejected bits)，與BB84和B92不同，排異位不再被丟棄，而是被公布以用來驗證Bell不等式是否成立，并以此判斷是否存在竊聽者。
然而根據量子力學，對于上述糾纏純態，應有β= -0.5，Alice和Bob可以利用公布的排異位分別計算β ，若Bell不等式成立，即β≥0 ，則表明糾纏態已經被破壞，原始密鑰是不可靠的; Bell不等式不成立，即 β
最后，Alice和Bob利用經典糾錯碼對密鑰進行糾錯，最后施行保密增強生成最終密鑰。
4 量子密碼術
考慮到環境噪聲和竊聽者的作用，以防止竊聽者獲得盡可能多信息從而實現高效的量子密碼傳輸通信。因此在實際通信系統中，所有量子密鑰分發協議都要完成以下四個過程：
4.1 量子傳輸
不同量子密碼協議有不同的量子傳輸方式，但它們有一個共同點:都是利用量子力學原理(如海森堡測不準原理)。在實際的通信系統中，在量子信道中Alice隨機選取單光子脈沖的光子極化態和基矢，將其發送給Bob, Bob再隨機選擇基矢進行測量，測到的比特串記為密碼本。但由于噪聲和Eve的存在而使接受信息受到影響，特別是Eve可能使用各種方法對Bob進行干擾和監聽，如量子拷貝，截取轉發等，根據測不準原理，外界的干擾必將導致量子信道中光子極化態的改變并影響Bob的測量結果，由此可以對竊聽者的行為進行檢測和判定。這也是量子密碼區別于其它密碼體制的重要特點。
4.2 篩選數據
在量子傳輸中由于噪聲，特別是Eve 的存在，將使光子態序列中光子的偏振態發生變化。另外，實際系統中，Bob 的檢測儀也不可能百分之百正確地記錄測量結果，所以，A1ice 和Bob 比較測量基后會放棄所有那些在傳送過程中沒有收到或測量失誤，或由于各種因素的影響而不合要求的測量基，然后，他們可以公開隨機的選擇一些數據進行比較，再丟棄，計算出錯誤率，若錯誤率超過一定的閾值，應考慮竊聽者的存在。A1ice和Bob放棄所有的數據并重新傳光子序列，若是可以接收的結果，則A1ice和Bob將剩下的數據保存下來，所獲得數據稱為篩選數據。假設量子傳輸中A1ice傳給Bob的量子比特(Qubit)為m bit，篩選掉m-n bit，則得到的原數據為n bit。在這個過程中可以檢測出明顯的Eve的存在。
4.3 數據糾錯
所得到的n bit的篩選數據并不能保證A1ice和Bob各自保存完全的一致性，通信雙方仍不能保證各自保存的全部數據沒被竊聽。因此要對原數據進行糾錯。人們提出了幾種方法，經研究后提出以下方法：
(1)A1ice和Bob約定好隨機的變換他們bit 串的位置來打亂錯誤的位置；
(2)將bit 串分成大小為K 的區，K的選取應使每一個區的錯誤盡可能的小；
(3)對于每一個區，A1ice和Bob計算并公開宣布了奇偶校驗結果；
(4)若相同，A1ice和Bob約定放棄該區的最后一個比持；
(5)若不同，用log(K)反復查找來定位和糾正區中的錯誤；
(6)由于奇偶校驗只能發現奇數個同時出現的錯誤，所以仍會有小部分錯誤存在，為了解決這種情況，反復以上步驟，不斷地增加區的大小。
4.4 保密增強
保密加強是為了進一步提高所得密鑰的安全性，它是一種非量子方法，其具體實現為假設Alice 發給Bob 一個隨機變量W , 如一個隨機的n bit 串，在隨機變量V 中，竊聽者Eve 獲得一個正確的隨機變量V, 設對應的比特為t
4.5 身份認證
經過以上的過程，獲得了一個對竊聽者Eve完全安全的密鑰，但他假定朋Alice和Bob都是合法的，并沒有對A1ice和Bob的身份認證。可能會出現A1ice或M是假冒的情況，因此我們在原BM4協議中加人身份認證這一過程：我們可以從量子密鑰中獲取認證密鑰而實現。將以上過程所得到的密鑰稱為原密鑰(Raw Key)rK，將其分成三個部分：rK＝Ka+Kb+K，其中Ka，Kb用于身份確認。具體過程如下：A1ice秘密地從rK中選取Ka，并發送給Bob，同時Bob秘密地從rK中選取Kb并發送給A1ice，然后A1ice和Bob分別以Kb，Ka利用單向哈希函數獲得各自的秘密密鑰Ka'，Kb'。最后A1ice和Bob利用雙鑰認證體制實現身份確認。
5 結論
量子密碼術是量子物理學和密碼學相結合的一門新興科學，它成功地解決了傳統密碼學中單靠數學無法解決的問題并引起國際上高度重視，是主要應用于量子信息領域的一個重要課題。近年來，許多國內外研究機構對量子密碼通信的研究非常活躍，這種新的密碼通信不同于經典的密碼通信，有著絕對安全的優點。
總之，隨著單光子探測等技術的不斷發展，量子密碼通信技術在全光網絡和衛星通信等領域的應用潛力會不斷挖掘并成為現實，當量子計算機成為現實時經典密碼體制將無安全可言，量子密碼術將成為保護數據安全的最佳選擇之一。因此，對量子保密通信技術以及為合法通信者間的安全通信的進一步研究將是一項非常有意義的工作。
參考文獻：
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第5篇：量子力學基本原理的內容范文
【關鍵詞】 激光原理與技術課程；教學內容；教學方法；實驗教學
【中圖分類號】G632.010 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）29-00-01
一、教學現狀
“激光原理與技術”是應用物理學本科專業的專業課，是一門理論性很強的專業基礎課。通過本課程的學習可以為學生今后從事激光技術、光通信、信息處理、紅外探測、環境檢測、激光醫療診斷和材料加工等方面的相關光學工程研究打下基礎。由于該課程物理概念抽象并且理論性強，基礎知識面廣，不易理解，感到難學，畏難情緒嚴重，學習這門課程時的興趣就不如其它普通物理課程；此外，由于學生對激光應用方面的知識了解較少，往往因缺乏感性認識，不能充分體會到該課程的重要性，導致學生在學習中沒有一個積極的態度；再次，“激光原理與技術”需要講授激光的基本原理、基本技術以及激光的應用三部分內容，知識點多，邏輯關系也不像力學、電磁學等那么明顯，再加上該課程總的學時數只有32學時，所以大部分學生在學習中會感覺到有些凌亂，理不清頭緒，最終導致不能鞏固和深化所有的知識點。基于以上問題，如何在教學中合理的處理教學內容以及采取合理的教學方法，做到重點突、詳略得當，既要讓學生掌握基本原理和基本技術，又要了解激光的具體應用是目前教學過程中急待解決的主要問題。
二、對教學內容適當刪減
《激光原理與技術》是一門理論性很強的專業基礎課，該課程涉及的基礎知識面廣，需要應用原子物理、量子力學、熱力學統計物理、光學和高等數學等課程的結論和基礎，公式繁多、推導復雜、理論抽象，具有較大的難度和深度。要在32學時內完成教學任務，就必須選擇合適的教材并且合理的安排教學內容。在教學中我們選擇的是上海理工大學陳家璧教授編寫的《激光原理及應用》（電子工業出版社）作為教材。這本教材的特點在于內容章節安排合理，知識點覆蓋面廣，理論體系較為完整，避免過多的理論公式推導和計算，而把重點放在闡明物理概念以及激光輸出特性與激光器的參數之問的關系，幫助學生了解和掌握最基本的激光原理和技術，學會如何根據不同應用范圍選擇合適的激光器。因此這本教材的內容很對工科類的學生的胃口，尤其是具有一定物理基礎的應用物理系學生來說所講授的內容比較容易掌握。我們根據教材的安排將教學內容主要分為三個大的部分：激光的基本原理包括激光的產生條件、激光器的工作原理和激光器的輸出特性；激光技術部分包括激光的選模技術、穩頻技術、激光束的光束變換，調Q、鎖模技術以及激光的內調制、外調制等技術；激光的應用部分主要包括各種常見激光器介紹和激光在不同領域內的應用。關于激光的其他方面的知識將不再安排進課堂教學，主要供學生自學。
三、教學手段多樣化
激光原理與技術內容繁多并且教材中包含大量圖片，只靠“一支粉筆一張嘴”的教學手段很難在有限的課時內完成教學任務。因此在科技發展的今天，我們必須借助現代化的多媒體教學手段。在教學中通過PPT、Flash以及小電影等多中形式，使學生獲得對激光更為直觀、感性的認識，增強課程的趣味性和直觀性。例如在激光的應用方面，我們通過小電影播放激光雕刻、汽車車身的激光焊接以及激光的醫學應用等視頻，可以很直接引起學生的興趣和好奇心，充分調動學生的積極性。在此基礎上，教師再具體介紹在不同應用背景下激光器的選擇、各項技術參數等知識，這樣可以在感性認識的基礎之上更好的掌握激光器的主要知識點。
此外，在教學中將部分教學內容以專題的形式提供給學生，學生通過自己的探索和實踐過程中掌握科學研究的方法，在研究中獲得知識。例如可以在講授諧振腔結構對激光輸出特性的影響時，在學習了開放式光腔與高斯光束、激光振蕩特性章節內容后，結合具體的激光器He―Ne氣體激光器，讓學生探索腔型結構對He―Ne氣體激光器激光輸出性能的影響和高斯光束聚焦特性的研究以及振腔設計和激光輸出特性測試等工作。通過專題研究，有效地促進了在教學活動中培養學生具有能從物理學的角度對激光有深入的理解的能力，使學生對“激光原理”的學習有了感性認識，將被動的接受變為主動的獲取，并啟發他們做一些創新性科學研究，培養本科生敢于開辟激光應用新領域的開拓精神，解決學生對激光物理知識內容的深入理解與創新思維之間的聯系。在此基礎上，還可以選拔出優秀的學生，讓他們參與到教師的科研項目和研究中，開展初步的科學研究和探索，以此提高優秀本科生的創新思維發展、理論學習和實踐相結合的能力。
四、注重實驗教學
激光原理實驗是“激光原理與技術”教學的重要組成部分，讓學生接觸真正的激光器，并在實驗中通過練習掌握調試、測試激光器的各種方法，可以幫助學生真正理解激光理論、認識和應用激光器，在教學過程中必須兩者兼顧，不可偏廢。可見激光原理實驗對于幫助學生真正掌握這門課程無疑是有重要意義。因此在教學中必須開設能夠涵蓋理論課涉及到的主要原理、技術和應用方面的基礎性實驗，如激光器諧振腔設計、調整、橫模觀察、發散角測量、縱模間隔測量（He―Ne）和半導體激光器特性（GaAs）以及半導體激光器在通訊領域內的應用等實驗。通過這些實驗的教學，提高了學生的學習興趣，進而增加了學生的學習積極性，培養了學生觀察問題、思考問題、解決問題的能力，也促進了理論教學質量的提高。在實驗條件允許的條件下，還可以開展一些設計性、研究性實驗，如研究激光與原子、分子的相互作用、激光在化學反應動力學的應用等方面的實驗。當然，這要根據學校自身條件和教師科研情況自行決定，總的目標是培養學生的創新思維和分析、解決問題的能力以及初步的科研能力。
五、結語
根據對《激光原理與技術》課程教學現狀的分析，從教學內容、教學方法和實驗教學三個方面探討了“激光原理與技術”課程改革的一些想法和體會。在教學內容上要合理刪減，突出重點，將最基本的原理和技術傳授給學生；在教學方法上要結合多媒體教學，利用生動的動畫、影視等使課程形象、生動，并且激發學生的學習興趣和學習的主動性；實驗教學是該課程的重要一環，既要加強基礎實驗教學也要開設一些設計研究型實驗，培養學生的探索精神和創新能力。
參考文獻
[1]陳家璧，彭潤玲主編.激光原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2008.
[2]周炳琨，高以智，陳倜嶸等.激光原理（第6版）[M].北京：國防工業出版社，2009
第6篇：量子力學基本原理的內容范文
二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。
在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。
然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！
把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。
在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。可以說，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。
雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。
回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。
1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。
2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。
我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的。現代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。
3）深入探索各層次間的聯系。
這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。
上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。
愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]
現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：
1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。
2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。
三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？
相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的
呢？我們來審思一下這個問題。
1）對相對論的審思
當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。
時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。現代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。
愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。
我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。
弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。
在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）
有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。
1）對量子力學的審思
從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。
現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。現在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。
1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。
2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論
第7篇：量子力學基本原理的內容范文
【關鍵詞】固體物理 Materials Studio CASTEP 計算模擬 教學方法
【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）33-0054-02
固體物理是大中專院校物理學、材料科學與工程、化學、電子學專業中重要的基礎專業課，它是物理學中內容豐富、應用廣泛的分支學科，是微電子技術、光電子學技術、能源技術、材料科學等技術學科的基礎。因此做好固體物理學科的教學工作尤為重要。同時這門課程所涉及的知識點多與物理概念及數學公式相關，內容具有一定的學習難度，不易理解。因此，在教學過程中，如果能形象生動地展開教學活動，直觀地解釋相關的物理概念、現象、過程、結構及狀態等，就能激發學生的學習興趣，更好地理解相關的知識，提高教學效率。
理論計算模擬方法已成為國際上流行的一種科學研究方法。目前，國內外越來越多的學術期刊中大量采用理論計算方法來驗證及說明實驗得出的數據結果。Materials Studio6.0、VASP、Wein2K等軟件是目前計算固體物理周期性體系比較流行的軟件，Materials Studio 軟件采用平面波贋勢基組，而VASP及Wein2k采用全電子基組。從計算精度上來說，VASP&MedeA、Wein2k的精度更高，但耗用計算資源較多，可視化不好，只有熟悉第一性原理及計算模擬的專業人員才能熟練運用，不利于本科生的教學。相反，Materials Studio 程序包通過Visualizer可視化界面整合了二十幾種計算模擬模塊，功能強大，操作簡單、直觀，因此，更易被本科生掌握，適宜于本科生的日常教學實踐。
一 Visualizer可視化模塊結合固體物理教學環節的設計
1.簡介
Materials studio材料計算模擬軟件是美國Accelrys公司為材料科學領域開發的一款科學研究軟件。用戶可通過Visualizer模塊進行一些簡單的操作來構建復雜材料分子的三維結構模型。隨后對材料分子進行的構型優化、性質預測、X射線衍射分析及量子力學方面進行計算研究。
固體物理其研究內容包括：晶體結構；晶體衍射和倒格子；晶體結合與彈性模量；聲子；自由電子費米氣；能帶；半導體晶體；磁性；光學過程與激子；介電體和鐵電體；表面與界面物理；位錯與缺欠等。Materials Studio能夠進行模型構建；彈性張量；電子光譜與介電常數的計算；靜介電常數；紅外、拉曼光譜計算；磁性相關性質計算；費米面計算及可視化；能帶及態密度的計算及圖形化；聲子譜及聲子態密度等等，固體物理學科中的很多概念及過程我們都可通過Materials Studio程序包來進行課堂演示及計算，給出形象化的解釋。
2.構建固體物理教學內容涉及的模型結構
固體物理中的很多章節，涵蓋的知識點及概念都可以利用Materials Studio軟件建模并計算，從而很好地演示出來。比如晶體結構，我們可以通過Visualizer模塊中的FileImportStructuresemiconductorsZnO功能導入程序內建的各種晶體結構，包括半導體、玻璃、金屬、金屬氧化物、礦物質、有機物、高分子、催化劑、陶瓷等常用的晶體數據結構，并三維可視化。之后我們可以在此晶體結構基礎上進行超晶胞拓展，或者根據自己的需要進行修改，引入一些位錯及缺欠；另外還可以構建催化表面、氣相吸附等，最后利用CASTEP進行計算演示。
二 CASTEP模塊在教學中的應用
CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package的縮寫）是專為固體材料科學設計的當前最高水平的量子力學軟件包之一。下面我們簡要舉例講述如何應用Materials Studio & CASTEP軟件講解固體物理教學中的相關知識和概念。
1.彈性系數張量的計算
彈性系數張量與塊體模量都是決定材料機械性質和硬度的重要指標。下面我們以ZnO做示范。操作步驟為：首先，載入Materials Studio自帶的ZnO模型，進行Ultra fine精度的幾何結構優化。在Setup選項卡中選擇：FunctionalLDA；QualityUltra fine；在選擇GeomOpt計算后，從More選項中選擇晶胞Optimize cell選項，使用默認的peseudopotential，進行幾何結構優化ZnO晶胞。之后在優化的ZnO晶胞基礎上，做TASK=Elastic Constants的計算。完成后，進行操作CASTEPAnalysis進行計算結果分析，在選項卡中選擇Elastic Constants來獲得彈性張量，得到ZnO的彈性張量計算結果。也可以采用不同的精度及泛函方法計算幾組數據，之后我們可以與文獻中的實驗值進行比較，來驗證我們計算的精度。通過整個計算過程及操作的講解，可以使學生易于理解固體物理中彈性模量的計算原理及此概念的意義。
2.總結
Materials Studiao具有強大的建模功能，并自帶很多模型數據；而CASTEP計算模塊可方便地計算出固體物理學科中所涉及的概念，在教學過程中恰當地運用此類軟件，通過直觀的操作及可視化圖形展示，激發學生學習興趣，促進其動手和理論聯系實際的能力，使課堂教學過程引人入勝。
參考文獻
第8篇：量子力學基本原理的內容范文
一、基本功的訓練永遠不可少
我們曾多次引用楊振寧先生的觀點：中美傳統教育方法的區別之一是中國教育按部就班、嚴謹認真，而美國的教育是滲透式的，允許跳躍。物理學是一門嚴謹的科學，基本概念、基本原理和基本技能等基本功的訓練，永遠是物理課程的核心，也是我國物理教學的優良傳統，舍此談不上什么科學素質教育。在我國傳統的物理教學中適當地引進滲透式的教學方法，作一定程度的跳躍，可使學生不過分地依賴教師，有利于激發他們的獨立思考和創新精神。我們贊同楊先生的看法：中美雙方教育傳統的長短是互補的，若能將二者和諧地統一起來，在教育上將是一個有意義的突破。然而，對我國物理教育傳統施行傷筋動骨的手術，必須慎重。
二、內容現代化不能只是新聞報道
21世紀科學突飛猛進，新技術層出不窮，令人目不暇接，眼花繚亂。物理教學要富有時代感，但不能流于新聞式的報道，而應講出其中的物理內涵。近代物理的理論基礎是相對論和量子力學，物理課中介紹現代科技成果時，應突出它們的近代物理原理。
三、科學教育不能“軟化”
自然科學都是嚴謹的“硬科學”，物理學尤其如此。對青少年進行硬科學教育，對他們科學素質的培養，是必不可少的。對于一個社會來說，普通國民受到扎實的硬科學教育，且不說對提高生產率和發展經濟有利，對各種迷信和的抵御能力也會大大增強。1999年8月在桂林召開的“‘99國際物理教師學術交流會”上,日本代表匯報了日本文部省（即教育部）的決定，將中學的物理、化學、生物、地學等科目合并為一門“綜合理科”課，總課時大幅度地壓縮，因而課程內容也大幅度地刪減。例如，物理課程大綱中只保留了“能量”的概念，將“功”和“功率”砍掉。會上各國代表聽了為之一震。歐洲物理學會的代表說，這種將科學教育“軟化”的趨勢在世界上有一定的普通性，其實質是使國民教育廉價化。
四、如何看“綜合”
據說“綜合”有利于培養學生的創新能力。不錯，現代的自然科學（物理學、化學、生物學、天文學、地質學、地理學）是從古希臘的自然哲學分化出來的，當前又呈現綜合起來的趨勢。當初的分化標志著認識的深化，現在的綜合標志著進一步的深化，即所謂認識的螺旋式上升。目前許多綜合性的學科，如材料科學、環境科學、分子生物學等，培養人才的一般模式，是本科仍按傳統學科分科培養，在研究生階段進行綜合。這是有道理的，否則在低層次上“綜合”，會造就出一批“萬金油”式的畢業生，他們什么都知道一點，但哪門也不精通。這樣的人在綜合性學科的攻堅戰中是很難動“真格”的。其實一門精通，才能觸類旁通。
五、要不要“破體系”
有人說：生物課過去的體系是“門、綱、目、科、屬”，現在改為“器官、細胞、蛋白質、DNA”，體系大變；而物理課的體系過去是“力、熱、電、光、原子”，現在仍是“力、熱、電、光、原子”，體系該破了。我們認為，“體系”是形式，形式應服從內容。教學改革應以課程內容的改革為核心，“體系”破不破，是教學內容改革的結果，“破體系”不能作為教學改革的目標和出發點。“”、“文化革命”時代的教訓，我們這一代人記憶猶新。
第9篇：量子力學基本原理的內容范文
關鍵詞： 高職 醫學 影像物理學 教學探討
近十幾年來，大型醫學影像設備的迅速發展，極大地提高了診斷治療水平。隨著社會對醫學影像專業人才的需要愈加迫切，國內眾多本科醫學院校都設置了醫學影像專業。而隨著我國社區醫療的發展，填報高等職業技術學院醫學影像專業的學生人數不斷增加。以湖北職業技術學院為例，影像專業學生錄取人數由每年一個班提高到兩至三個班。不論各院校側重培養高學歷醫學影像臨床診斷專業人才，還是側重培養高學歷醫學影像工程技術人才，在專業課程設置過程中，都強調了開設醫學影像物理學基礎（以下簡稱影像物理學）這門課程的重要性和必要性。有些本科院校還在臨床醫學專業開始開設影像物理學為選修課程，目的就是讓臨床醫師具備醫學影像的基礎理論知識，為將來后續專業課程――醫學影像診斷學或醫學影像學的開設提供必要的理論基礎。
1.高職醫學院校影像專業課程設置現狀
以湖北職業技術學院為例，高職醫學院校影像專業現在招收高中文科和理科學生及中職生。在課程開設上，只在大學一年級開設醫學電子學基礎這一門理工科課程，相關高等數學知識缺乏，學生的數理基礎比較薄弱。醫學影像物理學基礎是一門交叉學科，又是一門非常重要的專業基礎課。教學目的是讓學生掌握醫學成像理論的物理學基本原理、規律；了解醫學成像的物理理論知識；為深刻理解成像過程，評價圖像，以及讀識圖像、挖掘圖像蘊藏的生物信息奠定基礎。這就需要一定的高等數學、核物理學、量子物理、超聲波物理等許多知識來做鋪墊。當然更多需要成像技術的相關基礎知識。面對這些必要的知識，影像專業高職生在有限的時間、有限的學時里是完成不了的，這是事實。其實，影像物理學是伴隨影像專業的建立而誕生的一門新課程，在國內存在尚不足十年。因此，從教材到教學，各校都處于摸索前進的階段。如何讓高職生在無基礎的前提下有效學習該門課程，我將自己在幾年教學過程中的教學體會寫出來，與大家共同探討。
2.提高教師的專業素質，必須樹立專業思想
由于缺乏相關師資力量，目前各院校影像物理學的教學任務大都由物理學教研室的教師承擔。但是，物理學和影像物理學兩門課程的專業性質差別很大，前者為理科基礎課，后者為專業基礎課。從事影像物理學教學的教師必須具備一定的醫學專業知識，具備較高的專業素質，教學必須樹立專業思想，才能將物理學知識和影像學知識有機結合起來，增強學生的學習興趣，提高該課程的教學質量。因此，授課教師應加強自身專業素質，利用臨床進修的機會學習影像知識和實際技術，盡力做好教學工作。
3.教學過程中必須恰當把握知識的深度
影像物理學是先期開設影像專業院校的教學工作者在教學過程中逐步完善而建立的。它是將高等數學知識、物理學知識、成像理論，計算機技術等知識應用于超聲成像技術、X-CT成像技術、同位素成像技術、磁共振成像技術中的一門交叉學科。知識的起點很高，學生學習起來有一定的難度，在教學過程中應恰當把握教材知識的深度，講解需深入淺出，通俗易懂。比如超聲場的描述部分，涉及較多的高等數學知識，在教學過程中應注意引導學生注重理解場的分布性質、描述場的量的物理意義，等等，盡量避免學生由于數學知識少而降低對該課程的理解和學習興趣。磁共振部分，學生需要具備一定的原子核物理、量子力學知識才能準確理解核自旋的能級、躍遷等概念和現象。在教學中應注意搜集一些資料，盡量用較通俗的、經典的、宏觀假說進行解釋，增強學生對微觀世界的感性認識。
4.注意把握影像物理學原理與成像技術、影像設備學有關知識的權重關系
X-CT成像、超聲成像、同位素成像、磁共振成像每一部分都有兩項主要內容：物理基本原理和成像基本原理。在教學過程中應把主要精力放在講解物理學基本原理上，這是毫無疑問的，這也是物理專業畢業的教師最容易做到的，但學生的學習興趣往往集中在成像原理上，對涉及的成像技術、成像設備等知識更表現出濃厚興趣。雖然成像技術和成像設備在后期專業課程的實踐教學中會詳細講解，在這里我們對這部分做簡要的介紹，以收到良好的教學效果。這些年來，我校歷屆學生都表現出對影像物理的極大學習興趣。這與我們的教學方法有一定的關系。
5.注意提高學生對知識的感性認識
影像物理學各部分知識都是比較抽象的，學生普遍覺得難懂難學。因此，通過各種手段提高學生對知識的感性認識，能對學生的學習起到事半功倍的幫助作用。在教學過程中，我們將陀螺進動實驗給學生做演示，講解原子核中核子的自旋與自旋磁矩的相關知識；借助于聲波的傳播與反射知識對超聲測量實驗進行詳細講解；分配一定的學時帶領學生到附屬醫院相關科室參觀學習。邀請超聲，CT臨床診斷教師和技術教師給學生當場講解儀器的原理、操作方法，以及診斷等，使學生對課堂上學到的知識有一個感性認識，加深理解，收到了很好的效果。
6.實現教材的多層次、立體化
由于該課程屬于應用型的知識，學起來難度更大，我們進行了教材的多層次、立體化嘗試。課程是教材的基礎，教材是課程的載體，教材中要融入現代化的教學技術，實現多樣化、配套和協調化。我們的做法是：文字教材與現代多媒體手段緊密結合。
教材體系包括：（1）傳統的紙質教材《醫學影像物理學》（人民衛生出版社出版）；（2）教師授課用的獨創的電子教案，其中配以大量的自制和臨床實拍圖片和自己研發的動畫，并提出學生思考的問題；（3）輔助學生自學和研究的學習軟件，如《CT與磁共振成像原理》CAI課件（人民衛生電子音像出版社公開出版發行，被列入“十一五”國家重點電子出版物）；（4）網頁形式課件2部。初步形成了多形態、多用途、多層次的教學資源和多種以教學服務為目的的結構性配套教學出版物的集合。
總之，影像物理學是一門新課，只有不斷摸索，不斷總結經驗，逐步改進教學方法和手段，才能增強教學效果。通過幾年來的努力，一方面學生看到了現在所學的就是將來所用的，提高了學習基礎課的興趣，另一方面學生培養了學習能力，同時對后續課程“醫學影像診斷學”的學習奠定了基礎。
參考文獻：
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［2］包尚聯，唐孝威.醫學物理研究進展［J］.自然科學進展，2006，16，（1）：7-13.
