量子力学!,量子力学的应用有哪些?

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量子力学的应用有哪些?

量子力学的应用 在许多现代技术装备中,量子物理学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置,都关键地依靠了量子力学的原理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明,最后为现代的电子工业铺平了道路。在核武器的发明过程中,量子力学的概念也起了一个关键的作用。   在上述这些发明创造中,量子力学的概念和数学描述,往往很少直接起了一个作用,而是固体物理学、化学、材料科学或者核物理学的概念和规则,起了主要作用,但是,在所有这些学科中,量子力学均是其基础,这些学科的基本理论,全部是建立在量子力学之上的。   以下仅能列举出一些最显著的量子力学的应用,而且,这些列出的例子,肯定也非常不完全。实际上,在现代的技术中,量子力学无处不在。  原子物理和化学   任何物质的化学特性,均是由其原子和分子的电子结构所决定的。通过解析包括了所有相关的原子核和电子的多粒子薛定谔方程,可以计算出该原子或分子的电子结构。在实践中,人们认识到,要计算这样的方程实在太复杂,而且在许多情况下,只要使用简化的模型和规则,就足以确定物质的化学特性了。在建立这样的简化的模型中,量子力学起了一个非常重要的作用。   一个在化学中非常常用的模型是原子轨道。在这个模型中,分子的电子的多粒子状态,通过将每个原子的电子单粒子状态加到一起形成。这个模型包含着许多不同的近似(比如忽略电子之间的排斥力、电子运动与原子核运动脱离等等),但是它可以近似地、准确地描写原子的能级。除比较简单的计算过程外,这个模型还可以直觉地给出电子排布以及轨道的图像描述。   通过原子轨道,人们可以使用非常简单的原则(洪德定则)来区分电子排布。化学稳定性的规则(八隅律、幻数)也很容易从这个量子力学模型中推导出来。   通过将数个原子轨道加在一起,可以将这个模型扩展为分子轨道。由于分子一般不是球对称的,因此这个计算要比原子轨道要复杂得多。理论化学中的分支,量子化学和计算机化学,专门使用近似的薛定谔方程,来计算复杂的分子的结构及其化学特性的学科。  原子核物理学   原子核物理学是研究原子核性质的物理学分支。它主要有三大领域:研究各类次原子粒子与它们之间的关系、分类与分析原子核的结构、带动相应的核子技术进展。  固体物理学   以上这些例子,可以使人想象出固体物理有多么多样性。事实上,凝聚态物理学是物理学中最大的分支,而所有凝聚态物理学中的现象,从微观角度上,都只有通过量子力学,才能正确地被解释。使用经典物理,顶多只能从表面上和现象上,提出一部分的解释。

量子力学的作用?

目前处于第三次产业变革,在很大程度上来讲都和量子力学紧密相连。例如物理检验相对论,这种技术又可用到GPS和导航方面,“所以其实在使用GPS时,我们不仅用到量子力学的技术,甚至把相对论和广义相对论的技术都用到了相关现实应用中”。

那么量子力学到底会给人们带来何等好处?

潘建伟称,从各个量子力学基础上根据观测数据,会发现宇宙可能来自于一个大爆炸的起点,大爆炸过程中,中子的碰撞会产生重金属,有了重金属才可能有了几十亿年前生命的出现,“所以说除了带来信息技术的革命外,量子力学已经能够初步回答宇宙和人类的起源问题”。

对于量子方面计算成果,潘建伟称,2012年,首次证明量子计算可以进行。到了2017年五六月份,首次成功实现了一台可编程的多光子量子计算原型机,首次超越了早前的计算机。此外也实现了十个超导比特的量子芯片。

对于未来,潘建伟提出了三个重点:第一,希望通过五到十年的努力,能够构成和地面的光纤网络,最后形成一个广域量子通讯网络。第二,发展新一代高效视频传输技术,有了这种技术可以反过来检验量子力学。第三,三到五年里,可以实现一百个量子比特的相关操纵。(韩大鹏

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