量子理论在自然科学中的扩展和对社会科学的影响

 刚刚过去的20世纪可以说是物理学中量子理论对人类文化及人类社会产生空前影响的世纪。具体表现是,量子力学首先在物理学的其他领域产生革命性影响,又扩展到了化学、生物学等领域,进而又影响了哲学社会科学,影响人们的思想和认知观念。量子观念刚刚诞生就对黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等问题的解决显示出了独特能力。1928年,那时奇妙的微观世界才刚刚展示它的底蕴,人们只知道两个粒子(质子和电子),但量子理论却非常成功地解答了一连串的物理之谜,使人们终于正确地掌握了氢原子和氢分子的形成,隧道效应也开始帮助人们了解放射性核的α衰变。     

谈谈纠缠态

 在20世纪科学发展过程中,以量子力学为核心的量子物理无疑是最深刻、最有科学成就的科学理论之一。然而对量子物理的基本原理和概念的理解仍然存在一些问题。纠缠态概念的提出与进一步研究却为从理论上和实验上解决这些问题提供了一把极为重要的钥匙。也把关于量子力学问题的争论从思辨领域上升到了实验研究确证的领域。爱因斯坦提出了关于物理实在的定义,“要是对于一个体系没有任何干扰,我们能够确定地预测(即几率等于1)一个物理量的值,那末对应于这一物理量必定存在着一个物理实在的元素。”该定义与经典物理学是基本一致的。     

真空不空

在物理学中,真空是一个非常古老的概念。一方面,相对论的诞生摒弃了经典物理学中的真空中充满以太的概念,另一方面,量子力学的建立,又赋予了真空非常丰富的物理内容。作者将综述在相对论量子力学、量子场论以及量子信息学的视角下,所揭示的真空的各种结构和特性。不难发现,真空的量子理论,在现代物理学诸多领域中占有非常重要、甚至是根本性的地位;而且对于真空本质的进一步深入研究,将有可能带来量子物理学新的革命性的发展。     

中国量子场论研究的初期

量子力学是微观物理的基本理论。它的建立是物理学中划时代的成就。1925年Heisenberg和1926年Schrodinger的工作奠定了量子力学的基础。这个理论开始时被应用于原子的能级。在这类工作中电子满足量子力学,电磁场则仍是经典的。这样的理论虽然很好地给出了氢原子的能级公式,但是它不能反映光的量子性。人们立刻认识到,它不能计算光电效应和原子的自发辐射这类包含光子的消灭和产生的问题。因此量子力学的先驱们很快就着手研究场的量子理论。这导致量子场论的建立。     

推动人类文明与进步的物理学：量子理论（一）

量子理论是关于微观客体的理论。它基于物质的波粒二象性。在量子力学的基础上建立了原子物理理论、原子核理论和凝聚态物理理论。它统一解释了原子和分子的各种光谱，统一解释了元素周期表，统一解释了各种分子键，统一解释了各种物性、现象，它推动了物理，化学甚至生物学的统一进程。但是它不能处理粒子的产生、湮没等现象。     

普朗克的第二次量子假设

1900年12月14日,德国理论物理学家马克思·普朗克在德国物理学会上公布了他的第一次量子假设,这一假设的提出大大改变了物理学的进程,人们习惯地把这一天称之为量子概念的诞生纪念日;而在1911年2月3日,普朗克又一次提出了量子假设,我们把它称之为第二次量子假设.量子假设使物理学发生了一场深刻革命,这是众所周知的,但许多人对普朗克的第一次量子假设做了大量研究,而对普朗克为什么提出第二次量子假设却很少有人问津,并存在一些误解,认为普朗克提出第二次量子假设的行动是一种退却行动,在量子问题上普朗克一直持保守态度.对此我不敢苟同,并…     

本科量子物理实验课程探索

近20年,国际量子科技取得重大进展,在未来科技发展中占据重要地位.因此,在物理专业本科实验教学中设置量子物理实验,让学生深入理解微观量子物理基本原理,掌握一定的量子前沿技术非常必要.华东师范大学物理学专业自主开发量子物理本科实验教学仪器和虚拟仿真实验,在物理学专业拔尖班开设量子物理实验,取得了优异的成果.本文详细介绍了华东师范大学量子物理实验课程设置以及实施过程,分析开展相关本科量子物理实验的可能性及其普及性,为全国高校开设量子物理实验课程提供参考.     

经典干涉与量子干涉

 若将1609年伽利略使用望远镜观察月球作为以观察和实验为基础的现代物理学的起点,近400年来,科学技术获得了巨大的发展,经典物理学对宏观世界给出了几乎完美的描述,同时,由于科学技术的发展和人类认识水平的不断提高,经典物理的知识体系已远远不能满足人们认识世界的需要,随人们认识世界、改造世界的经验积累,20世纪物理学取得了两个划时代的发展--创立了相对论和量子力学,并使之分别成为认识高速、微观领域的利器。     

量子通信

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科。文章综述了量子通信领域的研究进展，既包括人们所熟知的量子隐形传态、密集编码和量子密码学，也包括刚刚兴起但却有巨大潜力的量子通信复杂度和远程量子通信等领域。文章介绍了量子通信的基本理论框架，同时也涉及了这个领域最新的实验研究的进展。     

量子力学创建过程中的假说与真理

在物理学的发展过程中,当一些新发现或新实验结果不能用已有理论自圆其说时,假说便被有洞察力,有创新精神的科学家大胆提出,而当这一假说获得足够的实验支持后,假说便成为真理,至此,一种新的理论诞生．１９世纪末,２０世纪初,以普朗克的量子假说引发的一系列假说,成为物理学理论的一次革命,谱写了一部创建量子力学的壮丽史诗．１　普朗克的量子假说量子力学是从经典理论运用于解决黑体辐射现象的失败中产生的．所谓黑体：是指能吸收全部外来辐射而毫无反射的理想热辐射体．根据经典物理学理论导出的公式都不能很好地说明黑体辐射…     

Graphene-like physics in optical lattices

Graphene has attracted enormous attention over the past years in condensed matter physics. The most interesting feature of graphene is that its low-energy excitations are relativistic Dirac fermions. Such feature is the origin of many topological properties in graphene-like physics. On the other hand, ultracold quantum gas trapped in an optical lattice has become a unique setting for quantum simulation of condensed matter physics. Here, we mainly review our recent work on quantum simulation of graphene-like physics with ultracold atoms trapped in a honeycomb or square optical lattice, including the simulation of Dirac fermions and quantum Hall effect with and without Landau levels. We also present the related experimental advances.     

量子开系统理论及其应用

量子物理是当代科学发展的基石,多次引发高技术革命.它与信息科学结合,产生了交叉学科——量子信息,为突破计算机芯片的尺度极限提供了全新的解决思路.自1987年起,文章作者及其合作者对量子开系统理论、量子退相干及其相关的量子物理基本问题进行了系统的探索,契合了最近10年量子信息研究的快速发展.文章首先结合上世纪70年代末彭桓武先生关于量子开系统(阻尼谐振子的量子化)的重要研究工作,介绍了量子开系统的基本概念及其研究的科学意义,同时简略介绍了文章作者及其合作者在量子开系统理论及其在量子信息应用方面的系列研究工作.     

From magnetically doped topological insulator to the quantum anomalous Hall effect

Quantum Hall effect （QHE）, as a class of quantum phenomena that occur in macroscopic scale, is one of the most important topics in condensed matter physics. It has long been expected that QHE may occur without Landau levels so that neither external magnetic field nor high sample mobility is required for its study and application, Such a QHE free of Landau levels, can appear in topological insulators （TIs） with ferromagnetism as the quantized version of the anomalous Hall effect, i.e., quantum anomalous Hall （QAH） effect. Here we review our recent work on experimental realization of the QAH effect in magnetically doped TIs. With molecular beam epitaxy, we prepare thin films of Cr-doped （Bi,Sb）2Te3 TIs with well- controlled chemical potential and long-range ferromagnetic order that can survive the insulating phase. In such thin films, we eventually observed the quantization of the Hall resistance at h/e2 at zero field, accompanied by a considerable drop in the longitudinal resistance. Under a strong magnetic field, the longitudinal resistance vanishes, whereas the Hall resistance remains at the quantized value. The realization of the QAH effect provides a foundation for many other novel quantum phenomena predicted in TIs, and opens a route to practical applications of quantum Hall physics in low-power-consumption electronics.     

趋向统一发展的团簇科学

团簇科学在发展过程中，从原子核物理、凝聚态物理和量子化学等引入许多概念和方法，构成团簇研究的中心议题，逐渐形成一门介于原子分子物理和凝聚态物理之间的交叉学科．文章就团簇结构和性质研究的某些最新进展进行了评述，并与原子核和量子点等的性质进行了比较．     

Noisy intermediate-scale quantum computers

Quantum computers have made extraordinary progress over the past decade, and significant milestones have been achieved along the path of pursuing universal fault-tolerant quantum computers. Quantum advantage, the tipping point heralding the quantum era, has been accomplished along with several waves of breakthroughs. Quantum hardware has become more integrated and architectural compared to its toddler days. The controlling precision of various physical systems is pushed beyond the fault-tolerant threshold. Meanwhile, quantum computation research has established a new norm by embracing industrialization and commercialization. The joint power of governments, private investors, and tech companies has significantly shaped a new vibrant environment that accelerates the development of this field, now at the beginning of the noisy intermediate-scale quantum era. Here, we first discuss the progress achieved in the field of quantum computation by reviewing the most important algorithms and advances in the most promising technical routes, and then summarizing the next-stage challenges. Furthermore, we illustrate our confidence that solid foundations have been built for the fault-tolerant quantum computer and our optimism that the emergence of quantum killer applications essential for human society shall happen in the future.     

新型超导量子比特及量子物理问题的研究

近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.     

量子博弈论及其应用

介绍了量子博弈理论及与经典博弈理论的关系，指出了量子博弈理论的优越性，及对现实物理世界的意义。     

Continuous variable quantum key distribution

Quantum key distribution enables unconditionally secure key distribution between two legitimate users.The information-theoretic security is guaranteed by the fundamental laws of quantum physics.Initially,the quantum key distribution protocol was proposed based on the qubits.Later on,it was found that quantum continuous variables can also be exploited for this target.The continuous variable quantum key distribution can build upon standard telecommunication technology and exhibits a higher secret key rate per pulse at a relatively short distance due to the possibility of encoding more than 1 bit per pulse.In this article,we review the current status of the continuous variable quantum key distribution research,including its basic principle,experimental implementations,security and future directions;the experimental progress in this field made by our group is also presented.     

Quantum metrology

The statistical error is ineluctable in any measurement. Quantum techniques, especially with the development of quantum information, can help us squeeze the statistical error and enhance the precision of measurement. In a quantum system, there are some quantum parameters, such as the quantum state, quantum operator, and quantum dimension, which have no classical counterparts. So quantum metrology deals with not only the traditional parameters, but also the quantum parameters. Quantum metrology includes two important parts： measuring the physical parameters with a precision beating the classical physics limit and measuring the quantum parameters precisely. In this review, we will introduce how quantum characters （e.g., squeezed state and quantum entanglement） yield a higher precision, what the research areas are scientists most interesting in, and what the development status of quantum metrology and its perspectives are.     

On quantum vs. classical probability

Quantum theory shares with classical probability theory many important properties. I show that this common core regards at least the following six areas, and I provide details on each of these: the logic of propositions, symmetry, probabilities, composition of systems, state preparation and reductionism. The essential distinction between classical and quantum theory, on the other hand, is shown to be joint decidability versus smoothness; for the latter in particular I supply ample explanation and motivation. Finally, I argue that beyond quantum theory there are no other generalisations of classical probability theory that are relevant to physics.