量子力學基礎原理范文
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導語：如何才能寫好一篇量子力學基礎原理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。
篇1
關鍵詞：初中語文 課程資源
中圖分類號： G632 文獻標識碼： C 文章編號：1672-1578（2012)06-0127-02
課程資源是新一輪基礎教育課程改革提出的一個重要概念。在新課程改革的背景之下，語文教學資源開發與利用的重要性不斷突顯，它不僅可以豐富語文教學內涵，增強課堂教學的趣味性，從而提高語文教學的成效性，而且有利于教師改變唯書本知識教學的傾向，打破長期以來局限于教學大綱、教學參考書的行為，引導教師走出語文教學的自我封閉，學會對其它語文教學因素的關注。因而我們迫切需要在當今的初中語文教學中，用新課程標準去理解語文，并著眼于語文課程資源的開發與利用，切實提高初中語文教學的質量。
1 初中語文課程資源的組成與種類
課程資源也稱教學資源，也即課程與教學信息的來源，或者指一切對課程和教學有用的物質和人力，是形成課程的要素來源以及實施課程的必要而直接的條件。根據不同的分類標準，課程資源可劃分為校內資源與校外資源，物質資源和非物質資源，自然資源、社會資源和人文資源等等。
1.1校內資源
一是由教師和學生組成的人力資源，這也是一切課程資源的根本；二是校內的媒體資源，諸如教學中使用的教材與補充教本，圖書館之中的各類相關書籍與雜志期刊，校園文化環境中的宣傳欄、報廊和標志物等。
1.2校外資源
初中學生很多都是走讀生的身份，他們大部分時間還是在校園之外度過的，由此，他們所生活的家庭、社會、自然界或城市是一類極其豐富的信息來源，它們涵蓋家庭環境、自然風光、文物古跡、風俗民情、社會文化等諸多資源。
1.3網絡媒體資源
以網絡技術和多媒體技術為核心的信息技術，如今已然成為初中學生的最愛，其中蘊含著的龐大信息資源既然應該為我們所重視，它們包括學生借助電腦、手機、電子書等電子產品，瀏覽的視頻、音頻、動畫、電子書等，還包括用于語文教學的專題網站、遠程教育網絡等其他形式的資源。
2 初中語文課程資源的開發與利用策略
2.1教師與學生是最重要的課程資源
教師是語文教學中最為重要的課程資源，教師本身的能動性與創造性，是課程資源開發的重中之重，教師的素質狀況決定了其他課程資源的識別范圍、開發與利用的程度以及發揮效益的水平，故而開發并用好教師資源已成為語文教學的內在要求。面對正在形成人生觀、價值觀的初中學生，初中語文教師要樹立內外兼修的形象，在塑造自己外部良好形象向學生展示個人魅力的同時，更要不斷夯實專業基礎知識，提高自己的業務水平，與時俱進更新教學理念，以期獲得學生的認可并使他們更加喜歡語文這門課程。
開發并利用學生資源，是“學生為本”思想的具體而深入的體現，也是搞活語文課堂教學的關鍵所在。一方面，通過教學設計充分發揮學生的學習主體地位，把他們身上的個體資源（如朗讀、提問、回答等）和群體資源（如分組學習、合作探究）結合起來，全方位開發、利用學生資源為課程服務，有效地推進課前的研讀和課堂展現順利進行；另一方面，學生在課堂活動中的狀態，包括他們的興趣、注意力、合作能力、發表的意見和觀點、提出的問題與爭論乃至錯誤的回答等等，都是教學過程中的生成性資源，教師要有敏銳的資源開發和利用意識，對互動教學、對話教學中生成的有價值的學生資源，挖掘出來并加以充分利用。
2.2創造性開發利用教材資源
教材是語文課程資源在課堂教學中的主要載體，但教師若對教材內容僅做簡單地復制與移植，則往往易造成課堂教學氛圍單調，學生學習熱情降低。所以，我們絕不能拘泥于教材及其內容，完全可以根據教學需要大膽調整教材順序，結合初中語文教學實際，對教材內容作適當的補充，對繁冗知識作必要的整合，創造性地活用教材本身就是一種有效的課程資源開發。如在《桃花源記》一課的講授時，可把初中學教材中所有陶淵明的作品整合在一起，做一個關于陶淵明作品的專題，讓學生全面、立體、深刻地認識陶淵明及其作品。又如在學完《紅樓夢》一文后，組織全班同學成立“紅學”讀書會，進一步拓展語文教學的廣度與深度。
2.3引導學生合理利用網絡資源
對于初中學生而言，互聯網及其中的信息所具有的誘惑力是巨大的，學生一旦沉湎于網絡則會嚴重學習甚至給社會造成危害。反之，若能引導學生對網絡加以合理利用則會充分發揮網絡資源容量大、速度快、交互性強的優勢，實現教與學的雙向交流和資源共享，使課堂教學更輕松，教學效率也更高。例如在《孔乙己》一文的教學中，可以從網上下載話劇或者電影《孔乙己》觀看，學生在視覺和聽覺的雙重沖擊下，心靈上受到了震撼，感情上產生的共鳴，從而對當時的社會、對封建科舉制度、對產生孔乙己這樣一個封建知識分子悲慘遭遇的根源有一個清晰的認識。又如，在語文課堂教學中，學生學習課文中的概念、人物或歷史背景等存在困難時，老師可以組織學生借助網絡搜索引擎或主題學習網站等網絡資源，篩選有用信息，需找正確答案，在培養學生信息綜合處理能力的同時，激發他們對語文學習的興趣和熱情。
2.4帶領學生走進熟悉的生活資源
語文學習和學生的生活緊密相連，生活為學生語文學習提供了源頭活水。初中階段是學生感性認識與思維辨別能力迅速提高的時期，再加上他們的學習壓力相對較小，因而他們的生活體驗是非常豐富多彩的。如果學生在初中語文學習時能夠將課文與實際生活和切身體驗聯系起來，那么生成資源定會更加豐富，也更有利于學生加深對文本的認識與理解。所以在日常的語文教學中，可以根據教學內容組織相關的語文實踐活動，通過調查走訪和文獻查閱等途徑，讓學生充分走進生活、融入生活、體驗生活、認識生活，此舉既可增加學生的自豪感和榮譽感，又激發他們學習語文的積極性，加深他們對課文內容的了解，最終實現了學校和社會，教育和生活的統一，使得學生的語文素養得到提高。
3 結語
初中語文教學的對象是對信息知識如饑似渴的莘莘學子，在這個信息量急劇擴增的信息時代，我們必須在教學中形成強烈的課程資源開發意識，植根于語文教學現實并遵循語文教學規律，充分挖掘各種可能的課程資源，并進行合理的組合和配置，使其相互協調、臻于完善，發揮它們在語文教學中的合力作用，為新時期的初中語文教學提供全新思路，并最終實現語文教學效益最大化的目的。
參考文獻:
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篇2
關鍵詞：問題式教學法；量子力學；教學
中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）24-0102-02
隨著高校教學改革的不斷深入，多媒體技術的普及和任課教師專業水平的提高，使得教學內容和教學手段更加豐富多樣。量子力學課程是核類專業的基礎課，它對于學習和理解核類專業主干課程，如原子核物理學、原子核物理實驗方法等具有十分重要的作用和意義。但由于其理論性強，思維方式與經典力學差異較大，量子力學現象在日常生活中比較少見。這樣就使得核類專業特別是核類工科專業的學生在學習和理解該門課程時遇到了很大的困難，也使得學生對該門課程的學習沒有積極性。因而在課堂上就經常出現這樣的一幕：只有老師在講，學生思考的少，氣氛壓抑。如何改變這一現狀呢？怎么樣來調動學生的學習積極性呢？這些都是急需解決的問題。基于此，在分析量子力學與經典力學相互聯系的基礎上，探究并實踐了由經典物理學的問題來引入量子力學學科的問題。將問題式教學法應用于量子力學的實踐教學當中。這樣既可以活躍課堂氣氛，提高學生積極性，又可以培養學生發散性思維，同時還可以鞏固學生以前學過的經典物理學的相關知識，進而能提升教學質量。
一、問題式教學法概念
問題式教學（Problem-Based Teaching）是問題式學習（Problem-Based-Learning）的發展，它鼓勵學生主動思考問題、自主尋找答案，是以問題為基礎來展開學習和教學過程的一種教學模式，通過學生合作解決真實問題來學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，并形成自主學習的能力。PBL最早起源于20世紀50年代的醫學教育，并且已經被廣泛應用于數學、會計、英語等眾多學科。
二、量子力學與經典物理的聯系及問題式教學法在量子力學課程中的應用
經典物理可以解釋天體間的相互作用、電磁波的傳播以及系統的熱力學平衡等自然現象。20世紀初，當人們發現了放射性現象后，在解釋分子原子尺度的物理現象時，經典力學往往無能為力。因此需要建立一個全新的理論，這就是量子力學。它是闡明原子核、固體等性質的基礎理論，且在化學、生物學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。在經典力學，做機械運動的物體簡化為質點，位置可以用坐標系上的坐標表示。將坐標對時間求導、再求導，得到物體運動的速度■和加速度■。■=■（t） ■=■ ■=■ ①
經典物理中，描述物體運動的規律是牛頓三大定律。描述物體t時刻的狀態用t時刻的位置矢量■，動量■。初始位置矢量、動量及所受到的力■知道，由牛頓運動定律就可以知道物體的運動狀態。量子力學是用來描述微觀粒子運動規律的一門學科。由于微觀粒子運動的隨機性，使得粒子的動量和位置不能同時確定。在實際的教學中就可以引入這樣的問題：量子力學中是怎么樣來描述粒子的狀態及運動規律呢？這就要找到與經典對應的關系。這樣就可以引入量子力學的波函數概念及其物理含義。波函數是描述微觀粒子的狀態，可以表示為如下的形式：
Ψ（x，y，z，t）=Ψ（p，r，t） ②
此時又引入一個新的問題：波函數遵循什么樣的規律呢？與經典牛頓運動定律對于的定理或者定律又是什么呢？這個時候就可以用問題式的方法來引入薛定諤方程問題。
i？攸=■=-■？犖2Ψ+U（r）Ψ ③
上式子表示粒子在相互作用勢為U（r）的勢場中運動時，描述粒子運動狀態波函數隨時間的演化所滿足的規律。同樣，像以上這樣利用問題式引入的方式來講授量子力學課程的相關內容還有很多，如態疊加原理，表象變換等。對于態疊加原理，問題的引入：經典物理有波函數的概念，有波的疊加，那量子力學中描述物體狀態的波函數是否也有疊加性，他們之間有什么異動呢？這樣就可以將學生引入到量子力學中的態疊加原理的相關內容。
三、需要重視的問題
針對目前核類專業特別是核類工科專業量子力學課程的現狀，我們除了將問題式教學法應用到教學實踐中，還要從以下的幾個方面來激起學生的興趣，提高學生學習該門課程的積極性。
首先，需要激起學生的好奇心。其次，在解答習題中將問題式教學融入其中，要做到課堂知識和課后習題的問題式教學雙覆蓋。最后，需要學生知道處理量子力學問題的一般方法，同時適當鼓勵學生。為了充分調動學生參與課程教學的積極性和主動性，必須在教學過程中把握學生對知識的掌握程度，對表現優異的學生進行表揚并登記，從心理層面激勵其更加積極參與到教學互動中。本科階段的量子力學是一門入門課程，是繼續學習物理學的基礎。只有讓學生認識到了量子力學課程的重要性，才能達到預期的教學目標。
通過經典物理與量子力學的類比對應關系，在量子力學講授相關知識時，用問題式的方式引入知識點。激發學生對該門課程的學習積極性。使用該教學方式以來，學生的學習積極性和教學質量都得到了提高，達到了教學改革的目的。
參考文獻：
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篇3
關鍵詞 變分法；量子力學；最優控制
中圖分類號：G712 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2014）02-0122-03
20世紀二三十年代，奧地利物理學家薛定諤提出一種可以進行微觀粒子體系運動行為的一波方程，被人稱之為薛定諤方程。通過進行薛定諤方程求解，可以獲得體系波函數，應用體系波函數，可以確定體系性質，此后有學者對相對論效應狄拉克方程的確定進行了研究。這些研究成果的出現，讓人們認為量子力學其普遍理論似乎已經基本完成，人類已經基本知曉了絕大部分物理學及物理定律。解決問題困難及關鍵僅在于如何將這些定律進行現實應用。狄拉克認為，隨著體系的不斷增加，薛定諤方程或狄拉克方程幾乎是不可解的。
針對這種現象，求解其方程的近似方法不斷被研究。在物理量子學領域，進行薛定諤法方程求解，其主要方法包括微擾法及變分法。束縛定態是建立于不含時間的薛定諤方程，即在能量變分原理的等價性基礎上，能量本征值方程解是通過對能量極值的求解來完成的。在進行具體問題處理的過程中，通過波函數中一些特殊變化將最普遍任意變分進行替代，通過這種方法可以獲得依賴于波函數特殊形式的一種近似解，這種解決問題的方法被稱之變分法。變分法用在解決如量子力學等物理問題領域。變分法的應用，其優勢在于運用變分法進行方程求解并不會受到限制，在保證變分函數良好的基礎上，即可實現對體系基態性質的研究。
1 變分法概述
變分法與處理數函數普通微積分表現出相對立關系。泛函是通過位置函數導數及相應位置函數積分來實現相應構造。變分法應用的最終目的在于找出更好的極值函數，通過變分法，獲得泛函最大值或最小值。歐拉-拉格朗日方程式屬于變分法最重要定理。通過變分法，可以獲得相應泛函臨界點，在處理量子力學及其他物理問題時應用優勢十分明顯。
在解決量子力學問題時，解決微擾問題最為廣泛的方法是應用微擾法及變分法。如應用微擾法進行量子力學問題的解決，其條件則為體系的哈密頓算符。可以分為及兩個部分，則有：
= +
在微擾法中，本征函數及本征值屬于已知，則很小，如在解決問題時其滿足微擾法求解問題的基本條件，則可以實現量子問題求解。然而在實際應用中，進行全體必要的矩陣元求和計算是十分困難的，其解決問題存在著一定的局限性。應用變分法則不會受到條件限制。如將體系哈密頓算符本征值由小到大進行排列，其順序如下：
E0，E1，E2，…En，… （1）
計算這些本征值對應本征函數，則有：
Ψ0，Ψ1，Ψ2，…，Ψn，… （2）
在公式中，E0代表的是基態能量，Ψ0代表的是基態波函數。為便于研究，假設與本征值En是保持對立的，本征函數Ψn組成正交歸一系，則有：
Ψn=En+Ψn （3）
在公式中，設Ψ屬于任意歸一化波函數，將公式展開后獲得：
（4）
在進行Ψ狀態描述時，其體系能量平均值則為：
（5）
通過公式整理，則可以獲得：
（6）
因E0代表的是基態能量，為此，則有E0
（7）
=E0屬于Ψ歸一條件，則有：
（8）
公式（8）不等式說明，在進行任意波函數Ψ求解時所獲得的平均值總是較之基態能量較大，在進行Ψ平均值求解時，其中最小平均值與E0最接近。當Ψ作為體系中Ψ0基態波函數時，此時基態能量E0則與平均值保持一致。由此，實現變分法基態能量及基態波函數體系求解。
2 量子力學變分原理
如下，為某個微觀體系薛定諤方程：
（9）
該薛定諤方程為變分問題歐拉微分方程，其變分問題求解則是對其能量積分進行求解，則有：
（10）
能量積分極小值為：
（11）
將體系哈密頓量設為H，則有：
（12）
在滿足歸一化條件的基礎上，進行公式整理，則有：
（13）
實踐證明，經過歐拉微積方程整理，可以獲得薛定諤方程，證明微觀體系薛定諤方程是可以讓能量積分獲得極值時的歐拉微分方程。以上公式，則為量子力學中變分原理。
3 變分法在量子力學中的應用案例
在量子物理或經典物理中，一維諧振子與很多物理現象存在較大關系，甚至可以將任何體系在穩定平衡點位置所進行的運動看作一種近似一維諧振子，如核振動、晶體結構離子及中原子振動等。本文在分析量子力學變分原理的基礎上，進行一維諧振子研究。將諧振子質量設為m，并沿x軸進行直線運動，則諧振子所受到勢能為，可以通過以下公式進行哈密頓量表示：
（14）
體系試探波函數為，按照歸一化條件，可以獲得。則有：
（15）
通過公式調整，可以獲得以積分公式：
（16）
通過計算后獲得：
（17）
并獲得體系最低能量值為：
（18）
相應函數簡化后為：
（19）
通過檢驗后發現，這種計算結果與求解結果相同，證明所選取的變分函數良好。圖1為典型a下線性諧振子波函數及位置幾率密度分布圖。
波函數能夠滿足高斯型分布，在x=0位置，存在明顯峰值，隨著a逐漸降低，其峰值降低，且峰寬度逐漸增加。從圖1中可以看出，波函數幾率密度分布狀況與波函數、分布曲線形狀基本保持一致。應用變分法所求解出的波函數幾率分布存在一定差異。由此可以看出，應用變分法解決量子力學問題時，雖然其可以簡單方便地進行體系基態性質求解，但其屬于解決問題的近似方法，其近似程度隨著參數變化發生變化。只有保證所選擇的波函數滿足邊界條件及歸一化條件，參數越多時，其結果越好。
變分法其應用的優點在于其求解過程并不受到什么限制，但其結果好壞完全是由嘗試波函數選擇來確定。為此，在應用結構變分法解決物理量子力學問題時，應保證變分法所選擇的嘗試波函數的合理性及科學性。
4 結語
當前，微擾法及變分法是處理物理量子力學問題常見的方法。微擾法求解存在一定局限性，變分法求解并不受到任何限制，變分法屬于處理函數的一種方式，與處理數的函數的普通微積分保持著相對立關系。應用變分法，可以實現泛函臨界點對應。變分法在解決物理問題中發揮著十分重要的作用，尤其是在量子力學領域。本文在概述變分法的基礎上，對量子力學變分原理進行分析，并通過一維諧振子對變分法在量子力學中的應用進行分析。通過實踐證明，變分法在處理量子力學問題方面具有較大優勢，保證嘗試波函數選擇合理性，是實現變分法效果的關鍵。
參考文獻
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篇4
與運用矩陣作為計算工具的矩形力學相比，波動力學更適合初學者，它使用比較簡單的微動語言和初等的微積分方程，是量子理論的基本應用中最常使用的形式。
關鍵詞：量子力學波動學薛定諤函數
量子力學是研究微觀粒子的運動規律的物理學分支學科，主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是近代物理學的基礎理論之一，而且在化學等有關學科和許多近代技術中也得到了廣泛的應用。①
作為量子力學的兩大形式之一，波動學在近代物理學中的地位尤為重要，它由薛定諤創立，與海森伯等人創立的矩陣力學在數學形式上是等價的，都是量子力學的基石。
在很長的歷史時間段里，人們對于經典物理學的研究從來沒有停止過，并且一直致力于建立一個相對完美的經典物理學體系，力圖囊括并解決人們已然發現的所有物理學問題。但隨著科學的發展和思想認識的進步，人們逐漸發現這種所謂“完美”的物理學體系是不存在的，光電效應、黑體輻射、線狀光譜以及固體和分子比熱容等問題都無法在已經構建的經典物理學體系中找到答案。
波動學顧名思義是根據微觀粒子的波動性建立起來的用波動方程來進行描述的微觀粒子運動的規律的理論。德布羅意于1924年提出假設――微觀粒子具有波動性，開啟了波動學研究的大門。繼而薛定諤于1926年在波動性假設的基礎上提出微觀粒子運動滿足的波動方程，并成功利用此方程解決了氫原子問題，后來在面對其他具體問題時進行更新和完善，發展出了較為完善的近似計算方法。
與運用矩陣作為計算工具的矩形力學相比，波動力學更適合初學者，它使用比較簡單的微動語言和初等的微積分方程，是量子理論的基本應用中最常使用的形式。
波動力學的主要思想是由薛定諤確立的，舊的力學理論要相當于光學中用彼此孤立的光線來處理問題，新的波動力學要相當于光學中用波動理論處理問題。從舊理論轉變到新理論的標志之一就是引入了與光的衍射現象十分類似的現象。
在微小精確的系統里，舊的理論不斷被取代，對于為什么原子的直徑與假設的波長的播出具有相近的數量級，薛定諤認為這并非巧合。薛定諤的思想大約從四個方面提出：
（1） 原子領域中電子的能量是分立的。
（2） 在一定的邊界條件下，波動方程的振動頻率只能取一系列分立的本征頻率。
（3） 哈密頓雅克比方程不僅用以描述粒子運動，也可以描述光波。
（4） 愛因斯坦和德布羅意關于波粒二象性的思想。電子可以看成一股波，其能量E和動量P可用德布羅意公式與波長和頻率聯系在一起。②
在薛定諤波動方程的基礎上，達朗貝爾給出了一維標量波動方程的一般解：u(x,t) = F(x-ct)+G(x+ct)
考慮兩個初始條件：
解：
u(x,0)=f(x)
u_{,t}(x,0)=g(x)
這樣達朗貝爾公式變成了:
u(x,t)=\\frac{f(x-ct)+f(x+ct)}+\\frac\\int_^{x+ct}g(s)ds
在經典的意義下，如果f(x)\\inC^k并且g(x)\\inC^則u(t,x)\\inC^k。
波動是自然界中極其普遍的現象。人類早期觀察較多的波動是水面波，以及由弦或膜的振動導致的機械波，這些都具有可視的形態。后來逐漸認識了一些不可目視的波動，如聲波、電磁波、光波。20世紀的研究深入到微觀層次之后，發現了物質波。波動力學的發展源遠流長，最早發端于最小作用原理，該原理可以說是“眾理之母”。當前大量波動力學研究工作涉及數學上的非線性微分方程，對其物理學意義反而有忽視的傾向。對電磁波的研究工作仍是波科學的重要方面，其基本理論尚待澄清之處甚多。波動力學的發展表明，經典電磁波方程應與量子力學波方程聯系起來研究，孤立地討論經典的場與波的時代早已結束。③
就在一代又一代科學家的努力下，波動學逐漸發展成較為全面的系統。薛定諤、德布羅意等一系列科學家參與建立了量子力學。并成功將其推動為近代物理學的基礎理論之一。其背后的科學背景如今將來依舊令人驚嘆，作為一個物理學家、文人作家等身份于一身的人，薛定諤是一個性情中人，不拘一格加浪漫情懷使得創立理論之初被很多人懷疑，甚至參加討論會議時也因其怪異打扮被招待生誤會，就是這樣一個“怪才”之人，開創了量子力學的新紀元，將量子力學壯大，運用科學與哲學思想，將波動力學推向世界。
1926年10月，薛定諤參與訪問哥本哈根，并與波爾開展了關于量子力學物理意義的大辯論，至此，波動力學的初始階段結束，不久之后，量子力學的發展邁入一個全新的階段。
波動力學在不斷完善的過程中仍有很多問題亟待解決：雖然在完全摒棄舊的體系，以新的體系取而代之的情況下，波動力學就不會存在問題，但是這一做法面臨很多困難。因為按照波動力學理論，對于粒子而言有無限條可能的軌道，其中沒有哪一條比其他軌道更加優越，使其能夠成為個別情況下的真實運行軌道。然而另一個實際情況卻是：我們確實有看到過單個粒子的軌道。至今波動力學也無法對此作出準確解釋。一切的源頭來自于粒子的不確定性。
參考文獻：
①《量子力學》第二版 曾謹嚴 科學出版社
②《論量子力學的基石――矩陣力學和波動力學》朱洪杰華中師范大學
篇5
在建立科學理論體系的過程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至為復雜的實驗、歸納和演繹工作為基礎。而且人們一般相信科學知識就是在這個基礎上產生和累積起來的。但只要這種認識活動過程是為一個協調一致的目標所固有，只要它真正屬于科學研究自我累進的進程，則不論其如何復雜，仍只是過程性的，而不從根本上規定科學的性質、程序，乃至結論。這就使我們在考察復雜的科學認識活動時，可以抽取出高于具體手段的，基本上只屬于人類心智與外在世界相聯絡的東西，即科學語言，來作為認識的中介物。
要說明科學語言何以能成為這樣的中介，需要先對科學的認識結構加以分析。
作為一種形式化理論的近現代科學，其目的是力圖摹寫客觀實在。這種摹寫的認識論前提是一個外在的、自為的客體和作為其思維對立面的內在的主體間的雙重存在。這一認識論前提在科學認識方面衍生出一個更實用的前提，就是把客體看作是一種自在的“像”或者“結構”（包括動態結構，比如動力學所概括的各種關系和過程）。
這一自在的實在具有由它的“自明性”所保證的嚴格規范性。這種自明性只在涉及存在與意識的根本關系時才可能引起懷疑。而科學是以承認這種自明性為前提的。因此科學實際就是關于具有自明性的實在的思維重構。它必須限于處理自在的實在，因為科學的嚴格規范性（主要表現為邏輯性）是由實在的自明性所保證的，任何超越實在的描述都會破壞這種描述的前提。這一點對稍后關于量子力學的討論非常重要。
上述分析表明，科學的嚴格規范性并非如有唯理論傾向的觀點所認為的那樣，是來自思維，也并非如經驗論觀點所認為的來自具體手段對經驗表象的操作，也并不象當代某些科學哲學家所認為的純粹出于主體間的共同約定。科學的最高規范是存在在客觀實在中的，是來自客體的自明性。一切具體手段只是以這種規范為目標而去企及它。
在科學認識活動中，不論是一個思維過程還是一個實驗過程，如果其中缺失了語言過程，那就什么意義都不會有。科學語言與人類思維形態固然有很大的關系，但是它們可能在一個很高的層次上有著共同的根源。就認識的高度而言，思維形態作為人類的一種意識現象，對它進行本質的追究，至少目前還不能完全放在客觀實在的背景上。因此，在科學認識的層次上，思維形態完全可以被視為相對獨立的東西。而科學語言則是明確地被置于實在自身這一背景之中的。這就使我們實際上可以把科學語言看作一種知識，它與系統的科學知識具有完全相同的確切性，即它首先是與實在自身相諧合，然后才以這種特殊性成為思維與對象之間的中介。這才能保證，既使科學語言所述說的科學是關于實在的確切圖景，又使思維活動具備與實在相聯絡的手段。
科學語言作為一種知識所具備的上述特殊性，使它成為客觀實在圖景構成的基本要素，或科學知識的“基元”。思維形態不能獨立地形成知識，但思維形態卻提供某種方式，使科學語言所包含的知識基元獲得某種特定的加成和組合，從而構成一種系統化的理論。這就是語言在認識中的中介作用。由于任何事物都必須“觀念地”存乎人的意識中，才能為人的心智所把握，所以，在這個意義上，一個認識過程就是一個運用語言的過程。
二、數學語言
數學語言常常幾乎就是科學語言的同義詞。但實際上，科學語言所指的范圍遠比數學語言的范圍大，否則就不會出現量子力學公式的解釋問題。在自然科學發生以前，數學所起的作用也還不是后世的那種對科學的敘錄。只是由于精密推理的要求所導致的語言理想化，才推進了數學的應用。但歸根究底，數學與前面說的那種合乎客觀實在的知識基元是不同的。將數學用作科學的語言，必須滿足一個條件，即數學結構應當與實在的結構相關，但這一點并不是顯然成立的。
愛因斯坦曾分析過數學的公理學本質。他說，對一條幾何學公理而言，古老的解釋是，它是自明的，是某一先驗知識的表述，而近代的解釋是，公理是思想的自由創造，它無須與經驗知識或直覺有關，而只對邏輯上的公理有效性負責。愛因斯坦因此指出，現代公理學意義上的數學，不能對實在客體作出任何斷言。如果把歐幾里德幾何作現代公理學意義上的理解，那么，要使幾何學對客體的行為作出斷言，就必須加上這樣一個命題：固體之間的可能的排列關系，就象三維歐幾里德幾何里的形體的關系一樣。〔1〕只有這樣，歐幾里德幾何學才成為對剛體行為的一種描述。
愛因斯坦的這種看法與上文對科學語言的分析是基本上相通的。它可以說明，數學為什么會一貫作為科學的抽象和敘錄工具，或者它為什么看上去似乎具有作為科學語言的“先天”合理性。
首先，作為科學的推理和記載工具的數學，實際上是從思維對實在的一些很基本的把握之上增長起來的。歐幾里得幾何學中的“點”、“直線”這樣一些概念本身就是我們以某種方式看世界的知識。之所以能用這些概念和它們之間的關系去描繪實在，是因為這些“基元”已經包含了關于實在的信息（如剛體的實際行為）。
其次，數學體系的那種嚴密性其實主要是與人類思維的屬性有關，盡管思維的嚴密性并不是一開始就注入了數學之中。如前所述，思維的嚴密性是由實在的自明性來決定的，是習得的。這就是說，數學之所以與實在的結構相關，只是因為數學的基礎確切地說來自這種結構；而數學體系的自洽性是思維的翻版，因而是與實在的自明性同源的。
由此可見，數學與自然科學的不同僅表現在對于它們的結果的可靠性（或真實性）的驗證上。也就是說，科學和數學同樣作為思維與實在相互介定的產物，都有可能成為對實在結構的某種描述或“偽述”，并且都具有由實在的自明性所規定的嚴密性。但數學基本上只為邏輯自治負責，而科學卻僅僅為描述的真實性負責。
事實正是如此。數學自身并不代表真實的世界。它要成為物理學的敘錄，就必須為物理學關于實在結構的真實信息所重組。而用于重組實在圖景的每一個單元，實際上是與物理學的基本知識相一致的。如果在幾何光學中，歐幾里德幾何學不被“光線”及其傳播行為有關的概念重組，它就只是一個純粹的形式體系，而對光線的行為“不能作出斷言”。非歐幾何在現代物理學中的應用也同樣說明了這一點。
三、物理學語言
雖然物理學是嚴格數學化的典范，但物理學語言的歷史卻比數學應用于物理學的歷史要久遠得多。
在認識的邏輯起點上，僅當認識論關系上一個外在的、恒常的（相對于主體的運動變化而言）對象被提煉和廓清時，才能保證一種僅僅與對象自身的內在規定性有關的語言描述系統成為可能。對此，人類憑著最初的直覺而有了“外部世界”、“空間”、“時間”、“質料”、“運動”等觀念。顯然，這些觀念并非來自邏輯的推導或數學計算，它是人類世代傳承的關于世界的知識的基元。
然后，需要對客觀實在進行某種方式的剝離，才能使之通過語言進入我們的觀念。一個客觀實在，比如說，一個電子，當我們說“它”的時候，既指出了它作為離散的一個點（即它本身），又指出了它身處時空中的那個屬性。而后一點很重要，因為我們正是在廣延中才把握了它的存在，即從“它”與“其它”的關系中“找”出它來。
當我們按照古希臘人（比如亞里士多德）的方式問“它為什么是它”時，我們正在試圖剝離“它”之所以為“它”的屬性。但這個屬性因其離散的本質，在時空中必為一個“奇點”，因而不能得到更多的東西。這說明，我們的語言與時空的廣延性合若符節，而對離散性，即時空中的奇點，則無法說什么。如果我們按照伽利略的方式問“它是怎樣的”時，我們正是在描繪它與廣延有關的性質，即它與其它的關系。這在時空中呈現為一種結構和過程。對此我們有足夠的手段（和語言）進行摹寫。因為我們的語言，大多來自對時空中事物的經驗。我們運用語言的主要方式，即邏輯思維，也就是時空經驗的抽象和提升。
可見，近現代物理學語言是一種關于客觀實在的時空形式及過程的語言，是一種廣延性語言。幾何學之所以在科學史上扮演著至為重要的角色，首先不在于它的嚴格的形式化，而在于它是關于實在的時空形式及過程的一個有效而簡潔的概括，在于與物理學在面對實在時有著共同的切入點。
上述討論表明了近現代物理學語言格式包含著它的基本用法和一個根深蒂固的傳統，這是由客觀實在和復雜的歷史因素所規定的。至為關鍵的是，它必須而且只是關于實在的時空形式及過程的描述。可以想象，離開了這種用法和傳統，“另外的描述”是不可能在這種語言中獲得意義的。而這正是量子力學碰到的問題。
四、量子力學的語言問題
上文說明，在描摹實在時，人類本是缺乏固有的豐富語言的。西方自古希臘以來，由于主、客體間的某種相互介定而實現了有關實在的時空形式和過程的觀念及相應的邏輯思維方式。任何一種特定的語言，隨著時代的變遷和認識的深入，某些概念的含義會發生變化，并且還會產生新的語言基元。有時，這樣的變化和增長是革命性的。但不可忽視的是，任何有革命性的新觀念首先必須在與傳統語言的關系中獲得意義，才能成為“革命性的”。在自然科學中，一種新理論不論提出多么“新”的描述，它都必須仍然是關于時空形式及過程的，才能在整體的科學語言中獲得意義。例如，相對論放棄了絕對時空、進而放棄了粒子的觀念，但代之而起的那種連續區概念仍然是時空實在性的描述并與三維空間中的經驗有著直接聯系。
量子力學的情況則不同。微觀粒子從一個態躍遷到另一個態的中間過程沒有時空形式；客體的時空形式（波或粒子）取決于實驗安排；在不觀測的情況下，其時空形式是空缺的；并且，觀測所得的客體的時空形式并不表示客體在觀測之前的狀態。這意味著，要么微觀實在并不總是具有獨立存在的時空形式，要么是人類無法從認識的角度構成關于實在的時空形式的描述。這兩種選擇都將超出現有的物理學語言本身，而使經典物理學語言在用于解釋公式和實驗結果時受到限制。
量子力學的這個語言問題是眾所周知的。波爾試圖通過互補原理和并協原理把這種限制本身上升為新觀念的基礎。他多次強調，即使古典物理學的語言是不精確的、有局限性的，我們仍然不得不使用這種語言，因為我們沒有別的語言。對科學理論的理解，意味著在客觀地有規律地發生的事情上，取得一致看法。而觀測和交流的全過程，是要用古典物理學來表達的。〔2〕
量子力學的反對者愛因斯坦同樣清楚這里的語言問題。他把玻爾等人盡力把量子力學與實驗語言溝通起來所作的種種附加解釋稱之為“綏靖哲學”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文學”〔4〕，這實際上指明了互補原理等觀念是在與時空經驗相關的科學語言之外的。愛因斯坦拒絕承認量子力學是關于實在的完備描述，所以并不以為這些附加解釋會在將來成為科學語言的新的有機內容。
薛定諤和玻姆等人從另一個角度作出的考慮，反映了他們以為玻爾、海森堡、泡利和玻恩等人的觀點回避了經典語言與實在之間的深刻矛盾，而囿于語言限制并為之作種種辯解。薛定諤說：“我只希望了解在原子內部發生了什么事情。我確實不介意您（指玻爾）選用什么語言去描述它。”〔5〕薛定諤認為，為了賦予波函數一種實在的解釋，一種全新的語言是可以考慮的。他建議將N個粒子組成的體系的波函數解釋為3N維空間中的波群，而所謂“粒子”則是干涉波的共振現象，從而徹底拋棄“粒子”的概念，使量子力學方程描述的對象具有連續的、確定的時空狀態。
固然，幾率波的解釋使得理論的數學結構不能對應于實在的時空結構，如果讓幾率成為實驗觀察中首要的東西，就會讓客觀實在在描述中成了一種“隱喻”。然而薛定諤的解釋由于與三維空間中的經驗沒有明顯的聯系，也成了另一種隱喻，仍然無法作為一種科學語言而獲得充分的意義。
玻姆的隱序觀念與薛定諤的解釋在語言問題上是相似的。他所說的“機械序”〔6〕其實就是以笛卡爾坐標為代表的關于廣延性空間的描述。這種描述由于經典物理學的某些限定而表現出明顯的局限性。玻姆認為量子力學并未對這種序作出真正的挑戰，在一定程度上指出了量子力學的保守性。他企圖建立一種“隱序物理學”，將量子解釋為多維實在的投影。他以全息攝影和其它一些思想實驗為比喻，試圖將客觀實在的物質形態、時空屬性和運動形式作全新的構造。但由于其基礎的薄弱，仍然只是導致了另一種脫離經驗的描述，也就是一種形而上學。
這里所說的“基礎”指的是，一種全新的語言涉及主客體間完全不同的相互介定。它涉及對客體的完全不同的剝離方式，也就是說，現行科學語言及其相關思維方式的整個基礎都將改變。然而，現實地說，這不是某一具有特定對象和方法的學科所能為的。
可見，試圖通過一種全新的語言來解決量子力學的語言問題是行不通的。這個問題比通常所能想象的要無可奈何得多。
五、量子力學何種程度上是“革命性”的
量子力學固然在解決微觀客體的問題方面，是迄今最成功的理論，然而這種應用上的重要性使人們有時相信，它在觀念上的革命也是成功的。其實，上述語言與實在圖景的沖突并未解決。量子力學的種種解釋無法在科學語言的基礎上必然過渡到那種非因果、非決定論觀念所暗示的宇宙圖景。這就使我們有必要對量子力學“革命性”的程度作審慎的認識。
正統的量子力學學者們都意識到應該通過發展思維的豐富性來解決面臨的困難。他們作出的重要努力的一個方面是提出了很多與經典物理學不同的新觀念，并希望這些新觀念能逐漸溶入人類的思想和語言。其中玻恩用大量的論述建議幾率的觀念應該取代嚴格因果律的概念。〔7〕測不準原理以及其中的廣義坐標、廣義動量都是為粒子而設想的，卻又不能描述粒子在時空中的行為，薛定諤認為應該放棄受限制的舊概念，而玻爾卻認為不能放棄，可以用互補原理來解決。玻爾還希望，波函數這樣的“新的不變量”將逐漸被人的直覺所把握，從而進入一般知識的范圍。〔8〕這相當于說，希望產生新的語言基元。
另一方面，海森堡等人提出，問題應該通過放棄“時空的客觀過程”這種思想來解決。〔9〕這又引起了量子力學的客觀性問題。
這些努力在很大程度上是具有保守性的。
我們試把量子力學與相對論作比較。相對論的革命性主要表現在，通過對時間和空間的相對性的分析，建立起時間、空間和運動的協變關系，從而了絕對時空、絕對同時性等舊觀念，并代之以新的時空觀。重要的是，在這里，絕對時空和絕對同時性是從理論上作為邏輯必然而排除掉的。四維時空不變量對三維空間和一維時間的性質依賴于觀察者的情形作了簡潔的概括，既不引起客觀性危機，又與人類的時空經驗有著直接關聯。相對論排除了物理學內部由于歷史和偶然因素形成的一些含混概念，并給出了更加準確明晰的時空圖景。它因此而在科學語言的范圍內進入了一般知識。
量子力學的情況則不同。它的保守性主要表現在：
第一，嚴格因果律并不是從理論的內部結構中邏輯地排除的。只是為了保護幾率波解釋，才不得不放棄嚴格因果律，這只是一種人為地避免邏輯矛盾的處理。
第二，不完全連續性、非完全決定論等觀念并沒有構成與人類的時空經驗相關聯的自洽的實在圖景。互補原理和并協原理并沒有從理論內部挽救出獨立存在于時空的客體的概念，又沒有證明這種概念是不必要的（如相對論之于“以太”那樣）。因此，量子力學的有關哲學解釋看似拋棄舊觀念，建立新觀念，實際上，卻由于這些從理論結構上說是附加的解釋超出了關于實在的描述，因而破壞了以實在的自明性為保證的描述的前提。所以它實際上對觀念的豐富和發展所作的貢獻是有限的。
第三，量子力學內在地不能過渡到關于個別客體的時空形式及過程的模型，使得它的反對者指責說這意味著位置和動量這樣的兩個性質不能同時是實在的。而為了保護客觀性，它的支持者說，粒子圖像和波動圖象并不表示客體的變化，而是表示關于對象的統計知識的變化。〔10〕這在關于實在的時空形式及過程的科學語言中，多少有不可知論的味道。
第四，人們必須習慣地設想一種新的“實在”觀念以便把充滿矛盾的經驗現象統一起來。在對客體的時空形式作抽象時，這種方法是有效的。而由于波函數對應的不是個別客體的行為，所以大多新的“實在”幾乎都是形而上學的構想。薛定諤和玻姆的多維實在、玻姆在闡釋哥本哈根學派觀點時提出的那種包含了無限潛在可能性的“第三客體”〔11〕，都屬于這種構想。玻恩也曾表示，量子力學描述的是同一實在的排斥而又互補的多個影像。〔12〕這有點象是在物理學語言中談論“混元”或“太極”一樣，很難說對觀念有積極的建設。
本文從科學語言的角度，對量子力學尤其是它的哲學基礎的保守性作出一些分析，這并不是在相對論和量子力學之間作價值上的優劣判斷。也許量子力學的真正價值恰恰在于它所碰到的困難是根本性的。
海森堡等人與新康德主義哲學家G·赫爾曼進行討論時，赫爾曼提出，在科學賴以發生的文化中，“客體”一詞之所以有意義，正在于它被實質、因果律等范疇所規定，放棄這些范疇和它們的決定作用，就是在總體上不承認經驗的可能性。〔13〕我們應該注意到，赫爾曼所使用的“經驗”一詞，實際上是人類對客觀事物的廣延性和分立性的經驗。這種經驗是科學的實在圖景成立的基礎或真實性的保證，邏輯是它的抽象和提升。
在本文的前三節已經談到，自從古希臘人力圖把日常語言理想化而創立了邏輯語言以來，西方的科學語言就一直是在實在的廣延性和分立性的介定下發展起來的。我們也許可以就此推測，對于人的認識而言，世界是廣延優勢的，但如果因此認為實在僅限于廣延性方面，卻是缺乏理由的。廣延性優勢在語言上的表現之一是幾何優勢。西方傳統中的代數學思想是代數幾何化，即借助空間想象來理解數的。不論畢達哥拉斯定理還是笛卡爾坐標都一樣。直角三角形的斜邊是直觀的，而根號2不是。我們可以用前者表明后者，而不能反過來。可是一個離散的數量本身究竟是什么呢？它是否與實在的另一方面或另一部分（非廣延的）相應？也許在微觀領域里不再是廣延優勢而量子力學的困難與此有關？
如果量子力學面臨的是實在的無限可能性向語言的有限性的挑戰，那么問題的解決就不單單是語言問題，甚至不單單是目前形態的物理學的問題。它將涉及整個認識活動的基礎。玻爾似乎是深刻地意識到這一點的。他說“要做比這些更多的事情完全是在我們目前的手段之外。”〔14〕他還有一句格言；“同一個正確的陳述相對立的必是一個錯誤的陳述；但是同一個深奧的真理相對立的則可能是另一個深奧的真理。”〔15〕
參考文獻和注釋
〔1〕〔3〕〔4〕《愛因斯坦文集》第一卷，商務印書館，1994，第137、241、304頁。
〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15〕海森堡：《原子物理學的發展和社會》，中國社會科學出版社，1985，第141、84、82、131、47、112頁。
〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意識》，載于羅嘉昌、鄭家棟主編：《場與有——中外哲學的比較與融通（一）》，東方出版社，1994年。
〔7〕玻恩：《關于因果和機遇的自然哲學》，商務印書館，1964年。
篇6
【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.
篇7
10月9日，諾貝爾物理學獎答案揭曉，來自巴黎高等師范學院塞爾日?阿羅什（Serge Haroche）教授以及美國國家標準與技術研究院的大衛?維因蘭德（David Wineland）教授共同分享了這一殊榮，他們兩人的獲獎理由是分別發明了測量和控制孤立量子系統的實驗方法。
在諾貝爾獎委員會的新聞稿中，兩位獲獎者的成就被稱為“為實現量子計算機奠定了基礎。”一時間，量子計算機也成為了業界關注的焦點。
薛定諤的貓和諾貝爾獎
對于普通人來說，量子力學是個深不可測的概念。不過，隨著最近幾年科幻題材電影電視劇的風靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞匯開始被頻頻提及，而它正是出自量子力學的相關概念。
想要了解什么是量子計算機，那么首先需要了解“薛定諤的貓”這個量子力學中的經典假設。
1935年，奧地利著名物理學家，同時也是量子力學創始人之一的薛定諤設想出這樣一個實驗：一只貓被關進一個不透明的箱子里，箱子內事先放置好一個毒氣罐，毒氣罐的開關由一個放射性原子核來控制。當原子核發生衰變時，它會釋放出一個粒子觸發毒氣罐的開關，這樣毒氣釋放，貓就會被毒死。
根據量子力學的理論，在實驗者沒有開箱進行觀測時，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態，換言之，箱子里的貓既是活的也是死的，對于普通人來說，很難理解“既生又死”這樣的狀態，但這正是量子力學研究的領域。量子力學針對的是在微觀環境下的物理現象，在這一環境中，大家中學時候學習的經典物理學中的規律會突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什么薛定諤的理想實驗中貓既能是活的也能是死的。
不過，一旦打開箱子，微觀實現就會出現“崩塌”，原子核的狀態就會確定下來，此時貓是生是死也隨之揭曉答案。
長期以來，由于不能實際觀測，量子力學僅僅停留在理論之上，而缺乏實踐的驗證。然而，今年兩位諾貝爾獎得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過精妙的實驗，使“測量和操控量子系統成為可能”，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當然，更重要的是，它也使量子計算機的實現變得不再遙不可及。
不再是空想的量子計算機
所謂量子計算機是基于量子力學基本原理實現信息處理的一項革命性計算技術。1982年，美國物理學家費曼在一次演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法，當時他發現，分析模擬量子物理世界所需要的計算能力遠遠超過了經典計算機所能達到的能力，而用實驗室中一個可控的量子系統來模擬和計算另外一個人們感興趣的量子系統會非常高效，量子計算機的概念也應運而生。
量子計算機與經典計算機不同之處在于，對于經典計算機來說，其基本的數據單位就是一個比特，相對應的一個比特不是0就是1，而對于量子計算機來說，一個比特可以同時表示0和1，這就意味著兩個比特就能表示00、01、10、11四種狀態。這樣，只要有300個量子比特，其承載的數據就能是2的300次方，這將超過整個宇宙的原子數量總和。簡而言之，量子計算機的運算能力將是目前經典計算機所無法比擬的。
前面的表述未免抽象，舉一個形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密150位的密碼，如果想要解密一個1000位的密碼，那么需要調用目前全球的計算資源才有可能實現。但是從理論上講，一臺量子計算機在幾個小時內就能解決這一問題。在量子計算機面前，目前世界上最復雜的密碼也會變得不堪一擊，這意味著互聯網上將不再有秘密可言，人類需要重新設立一套與現在完全不同的信息加密系統。
量子計算機的用處當然不只是破譯密碼，在大數據分析的時代，對計算機運算能力的要求正變得愈來愈高，從語義識別到人工智能，都需要倚仗計算機強大的運算能力才能完成，這也讓業界對于量子計算機的誕生充滿了期待。
不過，雖然理論上300個量子比特就能賦予計算機難以想象的運算能力，但現實與想象畢竟還存在不小的差距。根據清華大學交叉信息研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬個量子比特才能超越經典計算機的計算能力，“因為我們需要對計算過程進行糾錯，所以需要很多個物理比特才能獲得一個可容錯的邏輯比特。估計需要大概一千個邏輯比特運行Shor算法來超越經典計算機的計算能力，那么物理比特至少要高一個量級，甚至可能要高兩個量級”。尹章琦所從事的正是關于量子信息與量子光學的理論與實驗研究。
商業化的未來
在學界還在探討量子計算機可行性的時候，產業界已經迫不及待開始了實踐。早在2001年，IBM就曾經成功實現利用7個量子比特完成量子計算中的素因子分解法。
2007年，加拿大的D-Wave公司就了號稱全球第一臺商用量子計算機――采用16位量子比特處理器的Orion（獵戶座）。不過，Orion后迅速被業界潑了一盆冷水，業內人士稱，Orion并不是真正意義上的量子計算機，只是具備了一些量子計算的特性。
去年，D-Wave卷土出來，了全新的產品――D-Wave One，這一次它的處理器達到了128量子比特，比前代產品大大提升，一臺售價高達1000萬美元。但是，由于D-Wave對核心技術三緘其口，學術界無法得知關于其產品的更多信息，質疑之聲再起，因為目前能夠實現10量子比特已經是相當了不起的成就。
不過，即便質疑不斷，D-Wave還是成功拿到了第一張訂單，外國媒體報道，美國知名的軍備制造商洛克希德?馬丁已經購買了D-Wave的產品并且將其用在一些復雜的項目上，比如F-35戰斗機軟件錯誤的自動檢測。
不僅如此，D-Wave還在今年10月得到了來自貝索斯以及美國中情局下屬投資機構In-Q-Tel總計3000萬美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見，隨著現實世界的不斷互聯網化，他的野心自然是通過深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量數據創造出更大的商業價值，而量子計算機正是實現這一切的基礎。
在D-Wave大出風頭的同時，老牌巨頭IBM也不甘落后，今年2月，IBM宣布在量子計算領域再次取得重大進展。新的技術使得科學家可以在初步計算中減少數據錯誤率，同時在量子比特中保持量子機械屬性的完整性。
篇8
多年以前，高科技最牛的美國就已不把電子計算機列為高科技產品了。
但巨高性能計算機仍是信息時代的高科技標志物件之一。2012年諾貝爾物理學獎發給了法國人塞爾日·阿羅什和美國人大衛·維恩蘭德，這兩位科學家的研究成果為新一代超級量子計算機的誕生提供了可能性。
惡搞一下：法國人浪漫，而簡稱美國人為美人，那么，浪漫人美人=？
文藝范兒的信息
不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達了。其實，“信息”最初是相當文藝范兒的，而不是20世紀中期才開始熱門起來的科技詞匯。
一般認為，中文的“信息”一詞出自南唐詩人李中《暮春懷故人》：“夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺。”—— “美眉音信消息全無啊，夢里也夢不到你，我獨自上樓倚欄，望眼欲穿望到長路盡頭也不見你。”這么拙劣地意譯，也讓人感覺到深深的思念。
其實，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩人杜牧《寄遠》里就有“信息”了：“塞外音書無信息，道旁車馬起塵埃。”還有比小杜更早的，唐朝詩人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來無信息，可謂井瓶沉。”
宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過“信息”這個詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當年安樂的故鄉，心理上把信息的價格定成了真正的天價：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉關新信息。”——千年前的唐宋中國，其高科技雖是世界第一，但信息技術還是跟現在沒法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。
在地球的西方呢？雖然香農1948年就劃時代地把信息引為數學研究的對象，賦予其新的科學的涵義；至1956年，“人工智能”術語也出現了。可最早討論數據、信息、知識與智慧之間關系的，卻是得過諾貝爾文學獎的大詩人艾略特（T. S. Eliot；錢鐘書故意譯為“愛利惡德”）。他在1934年的詩歌“The Rock”中寫道：
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？
我們迷失于生活中的生命在哪里？
我們迷失于知識中的智慧在哪里？
我們迷失于信息中的知識在哪里？
我們迷失于數據中的信息在哪里？
盡管第四句是好事者后加的，但詩人還是直指本質地提出了信息暴炸時代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數據中？
量子計算機和量子信息技術，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒在數據的海洋中的途徑、工具和可能。
量子與量子計算機
量子理論是現代物理學的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎。客觀世界有物質、能量兩種存在形式，物質和能量可以互相轉換（見愛因斯坦的質能方程），量子理論就是從研究極度微觀領域物質的能量入手而建立起來的。
我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現象和規則。經典物理學理論中的能量是連續變化的，可取任意值，但科學家們發現微觀世界中的很多物理現象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時提出：像原子是一切物質的構成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發射能量是一份一份地進行的。這是量子物理理論的誕生。
1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質波”概念，即一切物質粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學，薛定諤建立了量子波動力學，量子理論進入了量子力學階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學和波動力學之間的數學轉換，對量子力學理論進行了系統的總結，成功地將相對論和量子力學兩大理論體系結合起來，使量子理論進入量子場論階段。
“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數量的某事物”。現代物理學中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的基本單位叫做量子；或者說，一個物理量如果有不可連續分割的最小的基本單位，則這個物理量（所有的有形性質）是“可量子化的”，或者說其物理量的數值會是特定的數值而非任意值。例如，在（休息狀態）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩定和一般問題。
雖然量子理論與我們日常經驗感覺的世界大不一樣，但量子力學已經在真實世界應用。激光器工作的原理，實際上就是激發一個特定量子散發能量。現代社會要處理大量數據和信息，需要計算的機器（計算機）。量子力學的突破，使瓦格納等于1930年發現半導體同時有導體和絕緣體的性質，后來才有了用于電子計算機的同時作為電子信號放大器和轉換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個尖端芯片可集聚數十億個微處理器。
隨著計算機科技的發展，發現能耗導致發熱而影響芯片集成度，限制了計算速度；能耗源于計算過程中的不可逆操作，但計算機都可找到對應的可逆計算機且不影響運算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學中則可用一個幺正變換來表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學的計算設備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學的信息處理”。1980年代量子計算機的理論變得很熱鬧。費曼發現模擬量子現象時，數據量大至無法用電子計算機計算，在1982年提出用量子系統實現通用計算以減少運算時間；杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。1994年，數學家彼得·秀爾提出量子質因子分解算法，因其可破解現行銀行和網絡應用中的加密，許多人開始研究實際的量子計算機。
在物理上，傳統的電子計算機可以被描述為對輸入信號串行按一定算法進行變換的機器，其算法由機器內部半導體集成邏輯電路來實現，其輸入態和輸出態都是傳統信號（輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態），存儲數據的每個單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個。而量子計算機靠控制原子或小分子的狀態，用量子算法運算數據，輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因為量子態有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個本質特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個“0”或兩個“1”，即可同時存儲4個二進制數（00、01、10、11），實現量子并行計算（量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種傳統計算，所有傳統計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計算機的輸出結果），從而呈指數級地提高了運算能力——一臺未來的量子計算機3分鐘就能搞定當今世界上所有電子計算機合起來100萬年才能處理完的數據。用量子力學語言說，傳統計算機是沒有用到量子力學中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計算機。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構成）的存儲器，可能存儲2的250次方個二進制數，比人類已知宇宙中的全部原子數還多。而且，集成芯片制造業很快將步入16納米的工藝，而量子效應將嚴重影響芯片的設計和生產，又因傳統技術的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計算。
量子世界的死貓活貓與粒子控制
喜好科技的文藝青年可能看過美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關控制，電子開關由一個獨立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動開關，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構想的這個實驗，被引為解釋量子世界的經典。而量子理論認為，單個原子的狀態其實不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現為一種概率；對應到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠也不知道貓的死活，它永遠處于非死非活的疊加態。
宏觀態的確定性，其實是億萬微觀粒子、無數種概率的宏觀統計結果。微觀粒子通常表現為兩種截然不同的狀態糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態，只要稍一揭開箱蓋，疊加態立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態變成宏觀的確定態。用實驗研究量子，首先要捕獲單個的量子。即若不分離出單個粒子，則粒子神秘的量子性質便會消失。科學家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態，又能實際觀測它的實驗方法，他們只能在頭腦中進行思想實驗，而無法實際驗證其預言。
而阿羅什和維恩蘭德的研究，發明了在保持個體粒子的量子力學屬性的情況下對其進行觀測和操控的方法，則可實證地說出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級量子計算機帶來了更大可能，因為量子計算機中最基礎的部分——得到1個量子比特已獲成功。
光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見光或其他電磁波，原子構成物質。他們研究光與物質間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來捕捉、控制以及測量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對零度（約-273℃）。一個光子進入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過發射原子穿過阱，控制并測量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營造出一個電場囚籠，粒子像是被裝進碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測工具，從而得到光子的數據。維因蘭德向碗中發射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數據。
2007年以來，加拿大、美國、德國和中國的科學家都說自己研制出了某種級別的量子計算機，但到今天卻仍無一個投入實用。光鐘更接近現實，因為可操控單個量子，就能按意愿調控量子的振蕩（相當于鐘擺）頻率，越高越精；目前實驗的光鐘，若從宇宙產生起開始計時，至今只誤差5秒。光鐘可使衛星定位和計算太空船的位置更精確……
神話般的量子信息技術
科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀公園》、《失去的世界》等）在科幻小說《時間線》中，曾文藝化地描述量子計算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲洞”、“量子運輸”、“量子糾纏態”、“電子的32個量子態”等讓常人倍感高深的說法。其中一些如今正在證實或變現。
如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時就很可能是另外一種結局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統大都采用單項數學函數的方式，應用了因數分解等數學原理，例如目前網絡上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計算的并行性，能輕松破解以大數因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現有密碼體系。可說量子這種技術在現代軍事上的意義不亞于核彈。但同時，量子信息技術也將發展出一種理論上永遠無法破譯的密碼——量子密碼。
保密通信分為加密、接收、解密三個過程，密鑰的保密和不被破解至為關鍵。量子密碼采用量子態作為密鑰，是不可復制的，至少在理論上是無破譯的可能。量子通信是用量子態的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數學計算，而是由微觀粒子所遵循的物理規律來保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據海森堡的測不準原理，任何測量都無法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態（有共同來源的兩個粒子存在著糾纏關系，似有“心靈感應”，無論距離多遠，一個粒子的狀態發生變化，另一個粒子也發生變化，速度遠遠超過光速，一旦受擾即不再糾纏。愛因斯坦稱這種發生機理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會擾亂傳送密鑰的量子狀態，從而留下痕跡。
篇9
學科、專業名稱（代碼〉 研究方向
預計招
生人數
考試科目
備注
070101基礎數學
共
01.非線性偏微分方程
68
人
①101思想政治理論②201
英語一③616數學分析 ④801高等代數
02^多復分析
同上
070104應用數學
01.數學物理方程
①101思想政治理論②201 英語一③616數學分析 ④801高等代數
01數據分析與統計計算
同上
03^非線性泛函分析
同上
070201理論物理
01.原子分子物理理論
①101思想政治理論②201 英語一③601高等數學（甲 ④811量子力學
070203原子與分子物理
01.冷原子物理與應用
①101思想政治理論②201 英語一③601高等數學（甲
或617普通物理（甲)或
619物理化學（甲)④811童
子力學
02丨原子分子超快過程
同上
03^囚禁離子與精密譜
同上
070207光學
01.量子光學與原子光學
①101思想政治理論②201 英語一③601高等數學（甲 ^或617普通物理（甲）
④811量子力學或817光學
070208無線電物理
01.原子頻率標準原理與技
①101思想政治理論②201
術
英語一③601高等數學（甲 ^或617普通物理（甲）
④811量子力學或817光學 或856電子線路或859信號 與系統
01磁共振理論與實驗方法
同上
070302分析化學
01.生物波譜分析
①101思想政治理論②201 英語一③610分子生物學 或611生物化學（甲)或618 普通化學（甲)或619物理 化學（甲)④819無機化學 或820有機化學或821分析 化學或847生理學
02^影像分析
同上
03^儀器分析
同上
070304物理化學
01.催化與結構化學
①101思想政治理論②201 英語一③601高等數學（甲 ^或611生物化學（甲)或
617普通物理（甲)或619物
理化學（甲)④819無機化
學或820有機化學或821分
析化學或852細胞生物學
02^生物物理化學
同上
01理論和計算化學
同上
085208電子與通信工程
01.無線電與通信工程
①101思想政治理論②201 英語一③302數學二④811 量子力學或817光學或856 電子線路或859信號與系 統
02丨原子頻標與通信工程
同上
03丨光電子與通信工程
同上
085238生物工程
01.生物儀器工程
①101思想政治理論②201 英語一③338生物化學 ④819無機化學或820有機 化學或821分析化學或847 生理學
02^蛋白質工程
同上
03^生物代謝工程
同上
01生物醫用材料
篇10
Physics of Nanostructured
Solid State Devices
2012，551p
Hardcover
ISBN9781461411406
隨著現代科技的進步，人類科技已進入納米時代，應用于光子學、電子學等的納米結構固體器件正以飛速發展的態勢引起人們越來越濃的研究興趣。當器件尺寸接近甚至小于電子的特征自由程時，量子現象開始占據統治地位，一些固體器件展現了新穎的特性。對于這些特性背后的物理原理和概念，本書進行了細致深入的分析。
本書共分為9章：1.穩態的“漂移擴散模型”在固體中的電子傳輸。本章從介紹基本的漂移擴散模型開始，引入有效的漂移擴散方程用來計算穩態的運輸下固體器件中載體濃度和電流密度。2.討論了更復雜的基于電荷傳輸模型的玻耳茲曼的輸運方程（BTE）。本章從基本原理出發，推導廣義力矩方程中存在的電荷傳輸局域和非局域的影響。3.回顧了量子力學中的基本概念、算符以及一些定義，介紹了量子阱、量子線和量子點，以及隨時間變化的擾動理論等。本章目的是為納米結構的固態器件提供必不可少的理論知識和必備的量子理論基礎。4.基于時間無關微擾理論中，計算能帶結構的方法。能帶結構在納米固體器件中，特別是光器件，起著至關重要的作用。本章討論了4個不同的能帶結構的計算方法：近自由電子法、正交平面波（OPW）擴展方法、緊約束近似（TBA）和波矢動量理論。5.在傳輸機制中時間有關的微擾理論的應用。6.電子- 光子相互作用及其對固體器件性能的影響，介紹了光學中的一些概念，如自發輻射、受激發射等。7.在磁場中的電子的行為，介紹了狄拉克方程和泡利方程、薛定諤方程，以及量子霍爾效應（FQHE）。8.一些通常的量子輸運方程。9.基于第8章原理而開發研制的一些實際的量子器件。
作者Supriyo Bandyopadhyay 在全美三個大學教授電子學理論、固體物理的研究生課程長達25年，具有非常豐富的教學研究經驗。本書依據作者的教學材料所編撰。一旦讀者們能夠把握并熟悉掌握書中提出的概念，他們將能夠很容易地處理更加困難和專業的研究論題。
本書適合電子學和物理學專業背景的本科畢業生及一年級的研究生，讀者應對固態物理、量子力學有一定的了解。本書可使讀者對電子學和應用物理學中的重要概念有更深入的理解和認識。
楊盈瑩，助理研究員
（中國科學院半導體研究所）
