淺析量子物理及其在量子通訊中的應(yīng)用研究

吳宸宇

摘 要：量子物理是現(xiàn)代物理科學(xué)的重要組成部分，在其理論基礎(chǔ)上發(fā)展的電子通訊、半導(dǎo)體、激光和功能材料和逐步改善著人們的現(xiàn)實(shí)生活，探討量子物理理論及其重要應(yīng)用具有重要意義。文章從量子物理概念及其發(fā)展史出發(fā)，重點(diǎn)分析了量子物理與經(jīng)典物理的異同點(diǎn)，最后對(duì)量子物理在量子通訊領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了剖析與解讀，望對(duì)量子物理理解起到啟發(fā)作用。

關(guān)鍵詞：量子物理;經(jīng)典物理;量子通訊;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0033-02

0 引言

2018年8月16日墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)在空間科學(xué)和量子通信領(lǐng)域的巨大突破。量子物理的發(fā)現(xiàn)是近現(xiàn)代物理科學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志，也是物質(zhì)觀上的革命。量子物理的發(fā)展推動(dòng)了技術(shù)革命的前進(jìn)，其在量子通訊等重要方面的應(yīng)用對(duì)國(guó)家發(fā)展以及人民的日常生活具有重大現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，文章分析討論了量子物理的概念、發(fā)展史、量子物理與經(jīng)典物理的異同點(diǎn)以及其在信息通訊重要應(yīng)用研究，希望能夠進(jìn)一步揭示量子物理的神秘面紗。

1 量子物理概念及其發(fā)展史

量子物理是研究分子、原子等基本粒子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律吧的基本理論，和相對(duì)論共同構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，是對(duì)經(jīng)典物理的補(bǔ)充與突破[1-2]。量子物理主要包括兩方面，一是基于原子層次物質(zhì)理論的量子力學(xué)，二是描述粒子間相互作用的量子場(chǎng)論[3]。十九世紀(jì)末物理空間甚至整個(gè)科學(xué)空間中存在兩朵烏云：麥克爾遜-莫雷試驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難，其中黑體輻射推動(dòng)了量子物理的誕生。

黑體輻射是指物體完全吸收輻射而不反射的現(xiàn)象。19世紀(jì)末維恩根據(jù)熱力學(xué)理論推導(dǎo)出熱輻射公式，但與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：該公式與實(shí)驗(yàn)只有在高頻區(qū)域比較符合，在低頻區(qū)域顯著不一致。隨后，瑞利和金斯完全根據(jù)經(jīng)典物理理論也推導(dǎo)出了熱力學(xué)輻射公式，但與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：該公式與實(shí)驗(yàn)只有在低頻區(qū)域比較符合，在高頻區(qū)域顯著不一致，而且隨著頻率的增加，能量密度也會(huì)顯著增加，甚至?xí)黾拥綗o(wú)窮大，也就是所謂的“紫外災(zāi)難”[4]。量子物理起源于黑體輻射，普朗克提出能量不是連續(xù)的，而是離散的，基于此提出量子假說(shuō)。1905年愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)和光電效應(yīng)論證了普朗克量子假說(shuō)的觀點(diǎn)。不過(guò)當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦光量子假說(shuō)遭到物理學(xué)界的否定，密立根、康普頓以及弗蘭克、赫茲等應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了光量子假說(shuō)的成立和能量子公式的普遍性。隨后，盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)提出原子模型德布羅意于1924年在他的博士畢業(yè)論文中指出電子也有波特性，并提出物質(zhì)波的概念，德布羅意是把愛(ài)因斯坦關(guān)于光子的波粒二象性推廣到所有的粒子，他認(rèn)為愛(ài)因斯坦的公式不僅適用于光子，而且也適用于電子[5-6]。戴維遜和湯姆遜分別完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波粒二象性，以此也證實(shí)了德布羅意物質(zhì)波假設(shè)的正確性。隨后，海森堡和薛定諤在此基礎(chǔ)上分別提出了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)，量子物理經(jīng)典理論也就此創(chuàng)立，而且在科學(xué)領(lǐng)域中不斷進(jìn)行發(fā)展[7]。

2 量子物理與經(jīng)典物理的異同點(diǎn)

量子物理和經(jīng)典物理存在重要區(qū)別，研究?jī)烧咧g的異同點(diǎn)對(duì)于深入理解量子物理理論具有重要作用。在研究對(duì)象方面，經(jīng)典物理是研究宏觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，量子物理是研究微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，經(jīng)典物理的研究對(duì)象是宏觀物質(zhì)，而量子物理的研究對(duì)象是微觀粒子，宏觀物質(zhì)是由微觀粒子組成。在邏輯辯證關(guān)系方面，量子物理是在經(jīng)典物理基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，經(jīng)典物理為量子物理奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。在使用范圍方面，量子物理與經(jīng)典物理的使用范圍是根據(jù)是否產(chǎn)生量子效應(yīng)來(lái)決定的，宏觀物質(zhì)只有粒子性，而微觀粒子具有波粒二象性。在描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，量子物理既要描述物質(zhì)的波動(dòng)性，又要描述物質(zhì)的粒子性。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述方面，量子物理運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由波函數(shù)進(jìn)行描述的，但波函數(shù)并不是實(shí)驗(yàn)可直接觀測(cè)的，其描述采用的是概率統(tǒng)計(jì)的方法。經(jīng)典物理對(duì)狀態(tài)量具有嚴(yán)格、確定的表達(dá)形式，比如描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的狀態(tài)量為坐標(biāo)和動(dòng)量，且初始狀態(tài)確定后，質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量。而量子物理中微觀粒子的狀態(tài)量不是唯一確定的，其狀態(tài)量是一種概率表述[8]。

3 量子物理在電子通訊中的應(yīng)用

量子物理的發(fā)現(xiàn)對(duì)國(guó)家發(fā)展以及人民生活改善具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前在信息處理、存儲(chǔ)、顯示和傳輸?shù)确矫?，更具體的包括精密儀器測(cè)量、電子光學(xué)器件設(shè)計(jì)等，都是在量子物理理論與技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的[9]。下面就量子物理在量子通訊領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行分析與討論。

量子通訊的發(fā)展推動(dòng)了國(guó)防建設(shè)，改善了人民生活水平，我國(guó)在量子通訊領(lǐng)域目前已走到世界前列。我國(guó)首個(gè)基于量子通訊的電話(huà)設(shè)備于2007年在北京建設(shè)成功，隨后于2014年進(jìn)一步完成了北京至上海的量子通訊線(xiàn)路建設(shè)，引領(lǐng)者國(guó)際量子通訊的發(fā)展[10]。其基本原理是應(yīng)用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息加密和信息傳遞的現(xiàn)代化新型通訊方式。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明：具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子只要一個(gè)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化。量子通訊中重要內(nèi)容是量子保密通信，獨(dú)特的加密方式具有高效性、不可復(fù)制性和安全性，在通訊過(guò)程中當(dāng)兩人使用的通訊設(shè)備完全一樣時(shí)，測(cè)量結(jié)果才會(huì)一致，當(dāng)有外來(lái)干擾，比如竊聽(tīng)者竊取信息時(shí)，就會(huì)擾亂原有的測(cè)量結(jié)果，從而探測(cè)出竊聽(tīng)者，已達(dá)到信息安全、信息保密的良好效果[11-13]。量子通訊是應(yīng)用量子力學(xué)機(jī)制處理信息系統(tǒng)問(wèn)題的一種技術(shù)手段，也是基于粒子的量子行為效應(yīng)的一種信息技術(shù)改革，其發(fā)展必將隨著量子物理理論的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)得到更高層洗的推動(dòng)。

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