量子力学基础入门ppt课件

为了说明将我们的宏观世界间思想实验 移动到微观量子世界可能产生的荒谬的 结果，薛定谔描述了一个关于猫的思想 实验：
薛定谔的猫被放在一个与周围环境完
全隔离的箱子内。这个箱子内有一瓶致 命的氰化物，还有一些处于发射状态的 放射性原子衰变。放射性衰变遵循量子 力学定律，因而它处于发射和未发射的 叠加状态。因此，猫处于活着和死了的 叠加状态。现在，如果你窥视箱子内部， 你等于杀死了猫，因为量子叠加态对环 境作用非常敏感，观察猫的瞬间，猫的 “世界线”会“塌缩”到出现死或者活 两种结果中的一种。在薛定谔看来，这 个思想实验导致了一个荒谬的结论。它 在说明他应该向出现的量子道歉。
量子操纵可以通过势阱中的光子演示。阿罗什运用特殊调制的原子，叫做Rydberg 原 子，完成控制和测量空腔内微波光子的任务。
Rydberg原子穿越空腔并离开，留下光子，但之间的相互作用使原子的量子相位发生 改变，就像一阵波。当Rydberg原子离开空腔时，相位改变能测量得到，从而暗示空腔中 光子的存在或逃逸。
在阿罗什的空腔中，不同相位的微波光子 被同时放置在像猫一样的叠加态中，像同时有 很多顺时针或逆时针旋转的秒表。空腔用 Rydberg原子探测。结果出现了另一个难以理 解的称为纠缠态的量子效应。纠缠也被薛定谔 描述过，可以发生在两个或多个量子之间，他 们彼此没有直接接触，却可以读取或影响对方 的 属 性 。 微 波 场 中 量 子 的 纠 缠 态 和 Rydberg 原 子的运动让阿罗什映射生活和死亡的猫一样的 状态，进而一步一步，经历了从量子叠加态到 被完全定义的经典物理态的过渡。
利用相似的方法，阿罗什和他的团队可以数空腔内的光子。光子不容易数，任何和外 界接触就会破坏。借助这个方法，阿罗什和他的团队设计后期方案一步一步实现单个量子 状态的测量。
量子力学悖论
量子力学描绘了一个肉眼无 法观测的微观世界，很多与我们 的期望和在经典物理中的经验相 反。
量子世界本身具有不确定性。 例如叠加态，一个量子可以有多 重形态。我们通常不会认为一块 大理石同时是“这样”也是“那 样”，除非是一块量子大理石。 叠加态的大理石只能确切地告诉 我们大理石是每一种形态的概率。
塞尔日·阿罗什1944年9月11日出生于摩洛哥卡萨
布兰卡，目前居住于巴黎。1971年在法国皮埃 尔与玛丽·居里大学，即巴黎第六大学取得博士 学位。现任法国巴黎高等师范学院教授和法兰西 学院教授，兼任量子物理系主任。他还是法国物 理学会、欧洲物理学会和美国物理学会的会员， 被认为是腔量子电动力学的实验奠基者。曾获洪 堡奖、阿尔伯特·迈克尔逊勋章、查尔斯·哈德·汤 斯奖、法国国家科学研究中心金奖等诸多奖项。 其主要研究领域为通过实验观测量子脱散（又称 量子退相干），即量子系统状态间相互干涉的性 质会随时间逐步丧失。脱散现象可对量子信息科 学形成两方面的影响：一是涉及量子计算领域， 另一方面则与量子通信相关。
在势阱中控制单个光子 塞尔日-阿罗什和他的研究小组在巴黎的实验室里，微波光子在相距3厘米的镜片之间
反弹。镜片用超导材料制作，被冷却到刚刚超过绝对零度。这是世界最闪耀的超导镜片， 单个的光子在它们之间的空腔反弹超过十分之一秒的时间，直到它丢失或被吸收。这意味 着光子能够穿越40000千米的长度，相当于环绕地球一周。
2012年的两位物理学奖获得者能够映射到当外 界环境参与时量子猫的状态。他们设计了创新 实验，详细说明观测这一行为实际上如何导致 量子状态的崩溃并失去其叠加特性的。阿罗什 和 维因兰德并没有用猫，而是将势阱中的离子
放入薛定谔假设的叠加态中。这些量子物体尽 管宏观上没有那样的形状，但相对于量子尺 度仍然足够大。
第二章 背景知识 —量子力学
2012年诺贝尔物理学奖
10月9日下午，2012年诺贝尔物理学奖揭晓。 瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会将奖项授予给了量子光学领域的两位科学 家——法国物理学家塞尔日·阿罗什与美国物理学家戴维·瓦恩兰，以奖励他们 “提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子系统成为可能”。
诺奖官方网站称，塞尔日·阿罗什与戴维·瓦恩兰两人分别发明 并发展出的方法，让科学界得以在不影响粒子量子力学性质 的情况下，对非常脆弱的单个粒子进行测量与操控。他们的 方式，在此前一度被认为是不可能做到的。
戴维·瓦恩兰1944年2月24日出生于美国 威斯康星州密尔沃基。1970年在美国哈 佛大学取得博士学位。现任美国国家标 准技术研究所研究员和组长，美国科罗 拉多大学波德分校教授。他还是美国物 理学会、美国光学学会会员，并于1992 年入选美国国家科学院。曾获得阿瑟·肖 洛奖（激光科学）、美国国家科学奖章 （物理学）、赫伯特·沃尔特奖、本杰 明·富兰克林奖章（物理学）等。他的主 要工作包括离子阱的激光冷却，以及利 用囚禁的离子进行量子计算等，因此被 认为是离子阱量子计算的实验奠基者。
单个物质粒子包括光子，经典力学不适 用，粒子表现出量子性。然而长久以来， 单个粒子不能从脱离周围环境直接观测 到，科学家只能通过思想实验验证它奇 异的表现。
他们的发明开辟了量子物理学的新时代；他们成功地观测到非常脆弱 的量子态，在不破坏单个粒子的前提下直接观察它们的特性；他们的 工作为制造新型超高速基于量子物理的计算机迈出了第一步。也可以 用来制造极精准时钟，用于未来的时间标准，比现有的铯原子钟精确 百倍。
在势阱中控制单个离子 在科罗拉多州博尔德市，大卫-维因兰德维因兰德的实验室内，带电原子或
离子被置于电场内的势阱中。该实验在真空和低温条件下进行，使粒子远离热 和辐射干扰。
维因兰德实验的秘诀是使用激光脉冲。他用激光压制离子在势阱中的热运 动，使离子停留在最低能量状态，从而观测势阱中离子的量子现象。一个细致 调节好的激光束可以使离子进入叠加态，该形态使一个离子同时存在于两种不 同状态。例如，一个离子可以同时处于两种能量值。它开始处于较低能量的状 态，激光的作用仅仅是向高能量状态轻轻推它，能够使它停留在两种状态的叠 加中，进入任何一种状态有相等的可能性。这样可以研究离子的量子叠加状态。