量子科技公開課

前 言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1
第一部分 歷史的回響
第一講 動魄驚心——量子力學(xué)哪里難懂．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3
“量子力學(xué)量力學(xué)”“遇事不決，量子力學(xué)”式的調(diào)侃讓普羅大眾對“量子”自動加上了魔幻濾鏡。非物理專業(yè)的人士應(yīng)該如何切入這個話題才不至于云里霧里？愛因斯坦稱作“鬼魅”的現(xiàn)象到底是什么？我們能否為量子力學(xué)祛魅？
一、粒子的雙縫實(shí)驗(yàn) 4
二、鬼魅的超距作用 8
三、悖論性在哪里 11
四、量子技術(shù)不是納米技術(shù) 14
第二講 撥云見日——量子登上歷史舞臺．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 17
新統(tǒng)一的德意志帝國雄心勃勃，決心在人工照明行業(yè)的國際競爭中獲得壓倒性優(yōu)勢，導(dǎo)致了量子的誕生。普朗克為解決黑體輻射的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不相符的問題，提出了量子的概念；愛因斯坦提出光量子理論，完美地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象；玻爾的量子化原理結(jié)構(gòu)理論成功解釋了原子的穩(wěn)定性和氫原子的光譜結(jié)構(gòu)；而德布羅意王子則進(jìn)一步指出物質(zhì)具有波和粒子的二相性。量子物理就此登上舞臺。
一、黑體輻射 19
二、愛因斯坦的光量子 27
三、玻爾的原子 32
四、德布羅意的波粒二相性 39
第三講 群星璀璨——物理學(xué)史上最靚群體．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 47
量子物理大廈建立的過程中，天才的小伙子們功勛卓著。泡利提出電子自旋的概念解釋了磁場中氫原子譜線的四重或多重分裂，海森堡和薛定諤相繼建立了矩陣量子力學(xué)和波動量子力學(xué)，波恩的概率波解釋意味著量子世界遵循的是概率論而不是決定論，狄拉克給出了一套數(shù)學(xué)形式優(yōu)美的量子理論，并發(fā)現(xiàn)了不確定原理，至此，量子物理學(xué)的大廈——量子力學(xué)得以建立。
一、泡利和海森堡 48
二、薛定諤、狄拉克和波恩 57
三、后來的佼佼者 62
第二部分 探微的螺旋
第四講 分身千千萬——量子世界有何神奇．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 69
量子性質(zhì)十分神奇，無論是疊加態(tài)還是糾纏態(tài)都徹底顛覆了我們在宏觀世界中習(xí)慣了的認(rèn)知，也使我們對量子世界的觀察和操控充滿了不確定性。量子性質(zhì)也非常脆弱，對一個量子態(tài)的制備、操控和觀察，每一步都是對人類知識和技術(shù)的挑戰(zhàn)。
一、量子態(tài)的疊加性 70
二、量子糾纏與EPR 佯謬 73
三、量子測量與測不準(zhǔn)原理 77
四、脆弱的量子特性 79
第五講 私語萬里遠(yuǎn)——走向?qū)嵱玫牧孔有畔⒓夹g(shù)．．．．．．．．．．．．． 83
量子通信的絕對安全性來源于糾纏態(tài)作為通信信道。但量子態(tài)無法在實(shí)驗(yàn)室以外長時間保持，怎么辦？當(dāng)前廣為人知的量子通信網(wǎng)絡(luò)或技術(shù)并非基于糾纏態(tài)，而是基于單光子，這是怎么做到的？
一、量子比特與量子邏輯門 84
二、由量子態(tài)的直接傳送到非直接傳送 87
三、量子密鑰分發(fā)與走向?qū)嵱玫牧孔油ㄐ?90
第六講 毫發(fā)分億兆——驅(qū)動科學(xué)進(jìn)步的精密測量．．．．．．．．．．．．． 95
更好的測量手段能讓我們看到前人從未看到的地方?，F(xiàn)代科學(xué)的誕生一直是和精密測量的藝術(shù)緊密聯(lián)系在一起。但精密測量的極限在哪里？引入了量子元素的精密測量可能做到絕對精準(zhǔn)無誤嗎？
一、基本物理量計量基準(zhǔn)的量子化 96
二、精密測量的極限在哪里 99
三、測量技術(shù)的未來——量子傳感 102
第七講 百秒頂億年——量子計算機(jī)的制造．．．．．．．．．．．．．．．．．． 105
量子計算機(jī)代表的是一項(xiàng)顛覆性的未來技術(shù)，不僅會改變長期統(tǒng)治人類計算方式的圖靈模式，而且會提升人類對量子世界的認(rèn)知水平。研制量子計算機(jī)既是顯示一個國家高科技實(shí)力的科技問題，也是關(guān)系到一個國家信息安全的政治問題。
一、量子計算機(jī)簡史 106
二、量子算法為何有強(qiáng)大的功能 113
三、量子模擬——小型的量子計算 115
四、如何造出量子計算機(jī) 118
第三部分 未來的征戰(zhàn)
第八講 難易天塹——經(jīng)典與量子計算復(fù)雜性．．．．．．．．．．．．．．．． 127
什么是難，什么是易？隨著人類智力活動探索的不斷發(fā)展，人們從數(shù)學(xué)上給出了什么是計算以及難和易的嚴(yán)格的模型和定義。這就是可計算性和計算復(fù)雜性理論研究的內(nèi)容。由此，大量的重要的理論和實(shí)際問題的難易刻畫被充分研究。這也部分揭示了人類智能之謎及其局限。
一、人類智力創(chuàng)造的輝煌 128
二、圖靈機(jī)——什么是計算 135
三、量子計算——新的天地 145
四、難和易——人類智能的界限 154
第九講 “量子霸權(quán)”——量子計算機(jī)能否碾壓一切．．．．．．．． 157
理論上，目前還沒有能夠證明量子計算機(jī)比經(jīng)典計算機(jī)快（指數(shù)倍）。同時適用規(guī)模的量子計算機(jī)目前還難以實(shí)現(xiàn)。人們退而求其次，先設(shè)計實(shí)驗(yàn)演示量子超越性。目前所做的量子超越性實(shí)驗(yàn)的結(jié)論理論界還在進(jìn)一步討論中。量子計算的超越性究竟是唾手可得還是水中月？
一、名稱之爭——量子霸權(quán)還是量子超越性 158
二、量子超越性提出的背景 159
三、量子超越性實(shí)驗(yàn) 162
四、唾手可得還是水中月 174
后記．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 177