广义量子干涉原理及对偶量子计算机

我们综述最近提出的广义量子干涉原理及其在量子计算中的应用.广义量子干涉原理是对狄拉克单光子干涉原理的具体化和多光子推广,不但对像原子这样的紧致的量子力学体系适用,而且适用于几个独立的光子这样的松散量子体系.利用广义量子干涉原理,许多引起争议的问题都可以得到合理的解释,例如两个以上的单光子的干涉等问题.从广义量子干涉原理来看双光子或者多光子的干涉就是双光子和双光子自身的干涉,多光子和多光子自身的干涉.广义量子干涉原理可以利用多组分量子力学体系的广义Feynman积分表示,可以定量地计算.基于这个原理我们提出了一种新的计算机,波粒二象计算机,又称为对偶计算机.在原理上对偶计算机超越了经典的计算机和现有的量子计算机.在对偶计算机中,计算机的波函数被分成若干个子波并使其通过不同的路径,在这些路径上进行不同的量子计算门操作,而后这些子波重新合并产生干涉从而给出计算结果.除了量子计算机具有的量子平行性外,对偶计算机还具有对偶平行性.形象地说,对偶计算机是一台通过多狭缝的运动着的量子计算机,在不同的狭缝进行不同的量子操作,实现对偶平行性.目前已经建立起严格的对偶量子计算机的数学理论,为今后的进一步发展打下了基础.本文着重从物理的角度去综述广义量子干涉原理和对偶计算机.现在的研究已经证明,一台d狭缝的n比特的对偶计算机等同与一个n比特+一个d比特(qudit)的普通量子计算机,证明了对偶计算机具有比量子计算机更强大的能力.这样,我们可以使用一台具有n+log<,2>d个比特的普通量子计算机去模拟一个d狭缝的n比特对偶计算机,省去了研制运动量子计算机的巨大的技术上的障碍.我们把这种量子计算机的运行模式称为对偶计算模式,或简称为对偶模式.利用这一联系反过来可以帮助我们理解广义量子干涉原理,因为在量子计算机中一切计算都是普通的量子力学所允许的量子操作,因此广义量子干涉原理就是普通的量子力学体系所允许的原理,而这个原理只是是在多体量子力学体系中才会表现出来.对偶计算机是一种新式的计算机,里面有许多问题期待研究和发展,同时也充满了机会.在对偶计算机中,除了幺正操作外.还可以允许非幺正操作,几乎包括我们可以想到的任何操作,我们称之为对偶门操作或者广义量子门操作.目前这已经引起了数学家的注意,并给出了广义量子门操作的一些数学性质.此外,利用量子计算机和对偶计算机的联系,可以将许多经典计算机的算法移植到量子计算机中,经过改造成为量子算法.由于对偶计算机中的演化是非幺正的,对偶量子计算机将可能在开放量子力学的体系的研究中起到重要的作用.     

势垒贯穿的传输矩阵计算方法

对于微观体系的描述需要用量子力学知识,其中量子隧道贯穿是量子力学教学与研究中的一个比较重要的现象。本文介绍一种可以计算任意势垒下穿透几率的方法传输矩阵法,并且基于描述重离子熔合反应的Bass势垒,探讨了量子隧道效应以及共振现象,同时与传统的WKB方法及熔合耦合道方法进行了比较。这些研究对于弄清极端垒下重离子熔合机制、重核的α-衰变及原子核裂变具有非常重要的参考价值,而且对于提高《量子力学》教学质量、培养学生学习兴趣与科研能力也很有帮助。     

爱因斯坦对量子理论发展的重要影响

结合20世纪量子力学发展的特殊历史背景,从早期的量子论到现行量子力学理论体系的形成和完善过程出发,讨论了爱因斯坦在量子力学方面的重要工作,指出他在量子理论发展的不同时期都发挥了重要作用,对量子力学理论的研究产生了重要而又深远的影响,极大地促进了量子力学的发展.     

半圆和四分之一圆二维弹子球的量子谱分析

采用近来提出的量子谱函数,我们把闭合轨道理论应用到半圆和四分之一圆弹子球系统,这种量子谱函数的傅利叶变换包含了连接任意两点的许多经典轨道的信息.计算表明量子谱的傅立叶变换和经典轨道的长度符合的很好.从这两个体系可以看出半经典理论为经典和量子力学提供了很好的桥梁作用.     

量子:过去与现在

 量子概念代表了人类认识微观世界的核心观念，不仅说明了微观实物粒子存在的基本形式，而且描述了波与场所具有的粒子性特征。以量子力学为核心的现代量子理论，完整地描述了微观世界的量子行为。时至今日，虽然在量子力学基础方面，量子力学的含义还没有定论，但量子力学已成为现代科学的重要基石，导致了激光、半导体和核能技术的产生，深刻地影响了当代人类社会的生产力。     

几何量子计算和拓扑量子计算——整体性量子现象的新应用

本文概述介绍量子计算的最新进展:几何量子计算和拓扑量子计算,是初步入门的引论性质。作者从量子力学的整体性现象这一观点出发,阐述作为整体现象的量子力学几何相位(亚贝尔和非亚贝尔几何相位),量子体系的拓扑不变性质等的新应用,为先前一本著作[1]所阐述观点的新发展的补充。     

量子力学若干基本问题研究的新进展

首先回顾了量子力学诠释的各种研究的思想起源.以量子测量问题为核心,通过介绍和分析最近5年完成的相关实验（如用腔QED展示的量子退相干过程实验和超冷原子which-way实验等）,系统地评述了量子力学若干基本问题研究（包括宏观物体相干性,量子测量的冯*诺伊曼链问题）的新进展,并阐明了其作用与意义.指出了量子力学基本问题的探讨已经走出纯哲学思辨的范畴,开始了大规模的实验检验,而且其研究结果对信息科学有重要的潜在应用.通过基本观念的正确阐释,对量子测量理解方面的某些误解（如超光速现象）给予一定程度的澄清.最后,通过介绍霍夫特(G.′tHooft)最近在量子力学方面的工作,展望了量子力学今后的可能发展.     

量子物理学百年回顾

简述了量子物理学诞生的背景。它的诞生,打开了人们认识微观物质世界运动规律的大门。物质属性及其微观结构问题,只有在量子物理的基础上才在原则上得以解决．量子力学提供了所有现代科学的基础支柱。在过去一百年中,量子物理不仅对于说明众多自然现象取得了无与伦比的成功,它还引发了大量的技术应用。由于量子物理学的基本概念与人们日常生活经验如此不同,诞生伊始至今,对于量子力学原理的诠释存在持续不断的争论。量子理论以前所未有的深度改变了人们的世界观。     

几何量子计算和拓扑量子计算——整体性量子现象的新应用

本文概述介绍量子计算的最新进展:几何量子计算和拓扑量子计算,是初步入门的引论性质.作者从量子力学的整体性现象这一观点出发,阐述作为整体现象的量子力学几何相位(亚贝尔和非亚贝尔几何相位),量子体系的拓扑不变性质等的新应用,为先前一本著作[1]所阐述观点的新发展的补充.     

超导电性的量子特征

大量实验事实及量子力学理论已证明微观粒子的运动会表现出一系列量子化特征．因此,过去人们通常认为量子效应是微观粒子所独有的．在本文中,我们通过超导体的一些奇特现象,论述了超导电性的量子特征;阐明在一定条件下由大量微观粒子组成的宏观物体也具有量子化效应,宏观可测量也可以是量子化的,这种宏观量子效应仍可用量子力学理论来研究．     

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。     

奇特的量子效应——量子纠缠

 量子力学从1925年诞生以来,经过大量的实验检验和理论发展,肯定了它的正确性。量子力学与信息技术的结合也是必然的。当今,信息科学在推动社会文明进步和提高人类生活质量方面发挥着越来越重要的作用。     

包含在连续谱量子体系中的决定论性

当一连续谱量子体系具有某一确定能量时,通常的量子力学用单个连续定态来描写它的性质,所得到的任何力学量的期待值都将为零或无穷大。本文以数学定理的形式指出该体系具有一类新的决定论的、物理内容明显的结果。经典力学结果是这些结果的经典极限,通常的量子力学期待值作为一种统计结果而包含在本文结果之内。 关键词：     

新工科背景下量子力学教学内容优化研究

量子力学是描述微观粒子运动规律的理论，在工科专业教学体系中起着基础性、先导性的作用。然而，当前工科专业的量子力学课程存在学时数少、学生数学知识储备不足的问题，给教学带来了巨大的挑战。为了解决上述问题，本文在新工科建设的背景下，对量子力学教学内容的优化开展了深入的探索研究。在多年教学实践基础上，根据立德树人的教育根本任务、量子力学课程特点以及我校微电子科学与工程专业教学情况，对量子力学教学内容给出了具体优化措施，并取得了较好的教学效果。     

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。     

广义量子干涉原理及对偶量子计算机

我们综述最近提出的广义量子干涉原理及其在量子计算中的应用。广义量子干涉原理是对狄拉克单光子干涉原理的具体化和多光子推广,不但对像原子这样的紧致的量子力学体系适用,而且适用于几个独立的光子这样的松散量子体系。利用广义量子干涉原理,许多引起争议的问题都可以得到合理的解释,例如两个以上的单光子的干涉等问题。从广义量子干涉原理来看双光子或者多光子的干涉就是双光子和双光子自身的干涉,多光子和多光子自身的干涉。广义量子干涉原理可以利用多组分量子力学体系的广义Feynman积分表示,可以定量地计算。基于这个原理我们提出了一种新的计算机,波粒二象计算机,又称为对偶计算机。在原理上对偶计算机超越了经典的计算机和现有的量子计算机。在对偶计算机中,计算机的波函数被分成若干个子波并使其通过不同的路径,在这些路径上进行不同的量子计算门操作,而后这些子波重新合并产生干涉从而给出计算结果。除了量子计算机具有的量子平行性外,对偶计算机还具有对偶平行性。形象地说,对偶计算机是一台通过多狭缝的运动着的量子计算机,在不同的狭缝进行不同的量子操作,实现对偶平行性。目前已经建立起严格的对偶量子计算机的数学理论,为今后的进一步发展打下了基础。本文着重从物理的角度去综述广义量子干涉原理和对偶计算机。现在的研究已经证明,一台d狭缝的n比特的对偶计算机等同与一个n比特+一个d比特(qudit)的普通量子计算机,证明了对偶计算机具有比量子计算机更强大的能力。这样,我们可以使用一台具有n+log2d个比特的普通量子计算机去模拟一个d狭缝的n比特对偶计算机,省去了研制运动量子计算机的巨大的技术上的障碍。我们把这种量子计算机的运行模式称为对偶计算模式,或简称为对偶模式。利用这一联系反过来可以帮助我们理解广义量子干涉原理,因为在量子计算机中一切计算都是普通的量子力学所允许的量子操作,因此广义量子干涉原理就是普通的量子力学体系所允许的原理,而这个原理只是是在多体量子力学体系中才会表现出来。对偶计算机是一种新式的计算机,里面有许多问题期待研究和发展,同时也充满了机会。在对偶计算机中,除了幺正操作外,还可以允许非幺正操作,几乎包括我们可以想到的任何操作,我们称之为对偶门操作或者广义量子门操作。目前这已经引起了数学家的注意,并给出了广义量子门操作的一些数学性质。此外,利用量子计算机和对偶计算机的联系,可以将许多经典计算机的算法移植到量子计算机中,经过改造成为量子算法。由于对偶计算机中的演化是非幺正的,对偶量子计算机将可能在开放量子力学的体系的研究中起到重要的作用。     

矩形弹子球中的量子波包分析(英文)

利用波包分析量子力学体系的动力学行为在研究经典和量子的对应关系方面越来越成为一个非常重要的方法.利用高斯波包分析方法,我们计算了矩形弹子球体系的自关联函数,自关联函数的峰和经典周期轨道的周期符合的很好,这表明经典周期轨道的周期可以通过含时的量子波包方法产生.我们还讨论了矩形弹子球的波包回归和波包的部分回归,计算结果表明在每一个回归时间,波包出现精确的回归.对于动量为零的波包,初始位置在弹子球内部的特殊对称点处,出现一些时间比较短的附加的回归.     

冷原子穿越激光束的量子隧穿时间

原子通过激光冷却技术能够被制备在低温状态，这时冷原子云会展现出量子力学的波动性.研究了一束冷原子入射到一个蓝失谐的激光束上所表现出的量子力学隧穿效应.蓝失谐的激光束相对于冷原子而言等效于一个量子力学势垒.根据二能级模型，在理论上分析了具有内部结构的原子矢量物质波穿过激光束的量子力学反射与透射，特别是对原子穿越激光束所需的时间——量子隧穿时间进行了详细的研究.量子力学波动性使得冷原子穿越一个激光束时明显地展现出与经典粒子(热原子)不同的结果. 关键词： 冷原子 原子光学 量子隧穿     

光学体系宏观-微观纠缠及其在量子密钥分配中的应用

宏观-微观纠缠最早起源于“薛定谔的猫”思想实验, 是指在宏观体系与微观体系之间建立量子纠缠. 实现宏观-微观纠缠可以利用多种物理体系来完成, 本文重点介绍了在光学体系中制备和检验宏观-微观纠缠的发展过程. 从最初的受激辐射单光子量子克隆到光学参量放大, 再到相空间的位移操作, 实验上制备宏观-微观纠缠的方法取得了长足的进步. 利用非线性光学参量放大过程制备的宏观-微观纠缠的光子数可以达到10⁴量级, 人眼已经可以观察到, 因此使用人眼作为探测器来检验宏观-微观纠缠的实验开始出现. 但随后人们意识到, 粗精度的光子数探测器, 例如人眼, 无法严格判定宏观-微观纠缠的存在. 为了解决这个难题, 提出了一种巧妙的方法, 即在制备宏-微观纠缠后, 利用局域操作过程将宏观态再变为微观态, 通过判定微观纠缠存在的方法来判定宏微观纠缠的存在. 之后相空间的位移操作方法将宏观态的粒子数提高到10⁸, 并且实现了纠缠的严格检验. 利用光机械实现宏观-微观纠缠的方案也被提出. 由于量子密钥分配中纠缠是必要条件, 而宏观-微观纠缠态光子数较多这一优势可能会对量子密钥分配的传输距离有所提高. 本文介绍了利用相位纠缠的相干态来进行量子秘钥分配的方案, 探讨了利用宏观-微观纠缠实现量子密钥分配的可能性.     

浅析量子混沌教学

介绍了量子力学中量子混沌教学的重要内容和特点,这对帮助学生理解量子力学理论是非常重要的,同时也有利于培养学生的创新能力.