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量子理论的应用与发展前景

2019-10-14来源:婉清说旅游

量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律,为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。

量子理论的应用与发展前景

19世纪末20世纪初,物理学处于新旧交替的时期。生产的发展和技术的提高,导致了物理实验上一系列重大发现,使当时的经典物理理论大厦越发牢固,欣欣向荣,而唯一不协调的只是物理学天空上小小的"两朵乌云"。但是正是这两朵乌云却揭开了物理学革命的序幕:一朵乌云下降生了量子论,紧接着从另一朵乌云下降生了相对论。量子论和相对论的诞生,使整个物理学面貌为之一新。

在现代科技的影响下现代的我们一般认为科技是无顶峰的。而科技的魅力则正在于可以永远的追寻下去,直到探索的意义的尽头。尽管目前看来的科技理论中已无重大突破,当然了现代科技理论已然到达了一个瓶颈期。然而可曾想过咋过去的几百年内影响了我们所有人生活的现代科技就曾经出现过巨大的瓶颈期。也使得当时的科学家们认为科技已经没有多大的发展空间了,使得科学家丧气的呢。

在19世纪末,经典物理学理论已经发展到相当完备的阶段,几个主要部门--力学,热力学和分子运动论,电磁学以及光学,都已经建立了完整的理论体系,在应用上也取得了巨大成果,其主要标志是:物体的机械运动在其速度远小于光速的情况下,严格遵守牛顿力学的规律;电磁现象总结为麦克斯韦方程组;光现象有光的波动理论,最后也归结为麦克斯韦方程组;热现象有热力学和统计物理的理论。

在当时看来,物理学的发展似乎已达到了巅峰,于是,多数物理学家认为物理学的重要定律均已找到,伟大的发现不会再有了,理论已相当完善了,以后的工作无非是在提高实验精度和理论细节上作些补充和修正,使常数测得更精确而已。英国著名物理学家开尔文在一篇瞻望20世纪物理学的文章中,就曾谈到:"在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。"

然而,正当物理学界沉浸在满足的欢乐之中的时候,从实验上陆续出现了一系列重大发现,如固体比热、黑体辐射、光电效应、原子结构……

量子理论的应用与发展前景

这些新现象都涉及物质内部的微观过程,用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力。特别是关于黑体辐射的实验规律,运用经典理论得出的瑞利-金斯公式,虽然在低频部分与实验结果符合得比较好,但是随着频率的增加,辐射能量单调地增加,在高频部分趋于无限大,即在紫色一端发散。这一情况被埃伦菲斯特称为"紫外灾难"。对迈克尔逊-莫雷实验所得出的"零结果"更是令人费解,实验结果表明,根本不存在"以太漂移"。这引起了物理学家的震惊,反映出经典物理学面临着严峻的挑战。

这些新的物理现象,打破了沉闷的空气,把人们的注意力引向更深入,更广阔的天地。这一系列新发现,跟经典物理学的理论体系产生了尖锐的矛盾,暴露了经典物理理论中的隐患,指出了经典物理学的局限。物理学只有从观念上,从基本假设上以及从理论体系上来一番彻底的变革,才能适应新的形势。

而随着爱因斯坦这位伟大的科学家的不屈不挠的奋力向前的精神使得物理科技理论向前迈出了一个质的飞跃。这是科技史上的一大步。现代生活生产中已经几乎离不开量子理论了。量子理论正在影响着我们每一个人。

量子理论的应用技术

量子理论的应用与发展前景

 微型电脑的芯片上有一个东西,这个东西小到要用显微镜才能看见,却拥有电脑的计算能力,而且可以通过光和声音移动,这就是量子技术。量子技术领域目前存在量子通信和量子计算两个极具发展前景的子领域。

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信主要基于量子纠缠态的理论,使用量子隐形传态(传输)的方式实现信息传递。根据实验验证,具有纠缠态的两个粒子无论相距多远,只要一个发生变化,另外一个也会瞬间发生变化,利用这个特性便可实现光量子通信。

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态,从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数,而量子计算机中的2位量子位寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加,对于n个量子比特而言,量子信息可以处于2种可能状态的叠加,配合量子力学演化的并行性,可以展现比传统计算机更快的处理速度。

目前量子通信领域理论和实现方法已取得突破性进展,我国在理论和实践上均走在世界前列。我国政府和相关管理部门对发展自主量子科学技术十分重视,为量子通信技术基础和工程化研究提供了有力的政策和财力支持。以上为我们加快实用化量子通信技术研究,占领信息技术前沿领域制高点,实现通信装备的跨越发展提供了千载难逢的历史机遇。

短期来看,国内量子通信市场规模在100-130亿元左右;长期来看,市场规模将超过千亿,前景十分广阔。目前,量子通信运用较为成熟的领域为金融、国防、政务。在金融领域,工行于2015年2月成功应用量子通信技术实现了北京分行电子档案信息在同城间的加密传输,成为量子通信在国内银行业首次成功应用的标志。预计到2020年,国内量子通信市场规模达到210亿元。

 量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性,不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,而且逐渐走进人们的日常生活。未来,有望建立广域严格安全通信专网,在广域通信密钥生成与分发系统的支撑下,在广域网范围内,任意两用户之间可以实现量子密钥逐比特加密通信,从而构成具有严格安全性能的广域通信网络。

量子计算将使当前计算能力实现指数级的提升,量子位数越多,功能越强大。“RSA”是目前最有影响力的公钥加密算法,它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击。对于密级较高的1024位二进制RSA密码,用当前最强大的计算机进行破解,需要300万年的时间,如果未来能研发出1024量子比特的量子计算机,则只需几天的时间就可以破解。

而量子理论的应用价值便是轻巧的,高效率的,这项科技的发展足以使得笨重的电子设备变得轻巧化即便如此也可以在效率上,高升化的。这便是量子的魅力所在。量子应用技术是微观化的新技术,目前的量子理论技术仍然有待于提升的。所以在将来我们势必可以得到试用更多更新颖,更便捷高速的量子设备。

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