導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

多年以前，高科技最牛的美國就已不把電子計(jì)算機(jī)列為高科技產(chǎn)品了。

但巨高性能計(jì)算機(jī)仍是信息時(shí)代的高科技標(biāo)志物件之一。2012年諾貝爾物理學(xué)獎發(fā)給了法國人塞爾日·阿羅什和美國人大衛(wèi)·維恩蘭德，這兩位科學(xué)家的研究成果為新一代超級量子計(jì)算機(jī)的誕生提供了可能性。

惡搞一下：法國人浪漫，而簡稱美國人為美人，那么，浪漫人美人=？

文藝范兒的信息

不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達(dá)了。其實(shí)，“信息”最初是相當(dāng)文藝范兒的，而不是20世紀(jì)中期才開始熱門起來的科技詞匯。

一般認(rèn)為，中文的“信息”一詞出自南唐詩人李中《暮春懷故人》：“夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺?！薄?“美眉音信消息全無啊，夢里也夢不到你，我獨(dú)自上樓倚欄，望眼欲穿望到長路盡頭也不見你?！边@么拙劣地意譯，也讓人感覺到深深的思念。

其實(shí)，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩人杜牧《寄遠(yuǎn)》里就有“信息”了：“塞外音書無信息，道旁車馬起塵埃?！边€有比小杜更早的，唐朝詩人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來無信息，可謂井瓶沉?！?/p>

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過“信息”這個(gè)詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當(dāng)年安樂的故鄉(xiāng)，心理上把信息的價(jià)格定成了真正的天價(jià)：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉(xiāng)關(guān)新信息?！薄昵暗奶扑沃袊涓呖萍茧m是世界第一，但信息技術(shù)還是跟現(xiàn)在沒法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。

在地球的西方呢？雖然香農(nóng)1948年就劃時(shí)代地把信息引為數(shù)學(xué)研究的對象，賦予其新的科學(xué)的涵義；至1956年，“人工智能”術(shù)語也出現(xiàn)了。可最早討論數(shù)據(jù)、信息、知識與智慧之間關(guān)系的，卻是得過諾貝爾文學(xué)獎的大詩人艾略特（T. S. Eliot；錢鐘書故意譯為“愛利惡德”）。他在1934年的詩歌“The Rock”中寫道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我們迷失于生活中的生命在哪里？

我們迷失于知識中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識在哪里？

我們迷失于數(shù)據(jù)中的信息在哪里？

盡管第四句是好事者后加的，但詩人還是直指本質(zhì)地提出了信息暴炸時(shí)代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數(shù)據(jù)中？

量子計(jì)算機(jī)和量子信息技術(shù)，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒在數(shù)據(jù)的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計(jì)算機(jī)

量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎(chǔ)?？陀^世界有物質(zhì)、能量兩種存在形式，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)換（見愛因斯坦的質(zhì)能方程），量子理論就是從研究極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)的能量入手而建立起來的。

我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現(xiàn)象和規(guī)則。經(jīng)典物理學(xué)理論中的能量是連續(xù)變化的，可取任意值，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微觀世界中的很多物理現(xiàn)象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時(shí)提出：像原子是一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是一份一份地進(jìn)行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質(zhì)波”概念，即一切物質(zhì)粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學(xué)，薛定諤建立了量子波動力學(xué)，量子理論進(jìn)入了量子力學(xué)階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動力學(xué)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，成功地將相對論和量子力學(xué)兩大理論體系結(jié)合起來，使量子理論進(jìn)入量子場論階段。

“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數(shù)量的某事物”?，F(xiàn)代物理學(xué)中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行的，而不是連續(xù)的，這個(gè)最小的基本單位叫做量子；或者說，一個(gè)物理量如果有不可連續(xù)分割的最小的基本單位，則這個(gè)物理量（所有的有形性質(zhì)）是“可量子化的”，或者說其物理量的數(shù)值會是特定的數(shù)值而非任意值。例如，在（休息狀態(tài)）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩(wěn)定和一般問題。

雖然量子理論與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)感覺的世界大不一樣，但量子力學(xué)已經(jīng)在真實(shí)世界應(yīng)用。激光器工作的原理，實(shí)際上就是激發(fā)一個(gè)特定量子散發(fā)能量。現(xiàn)代社會要處理大量數(shù)據(jù)和信息，需要計(jì)算的機(jī)器（計(jì)算機(jī)）。量子力學(xué)的突破，使瓦格納等于1930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體同時(shí)有導(dǎo)體和絕緣體的性質(zhì)，后來才有了用于電子計(jì)算機(jī)的同時(shí)作為電子信號放大器和轉(zhuǎn)換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個(gè)尖端芯片可集聚數(shù)十億個(gè)微處理器。

隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)能耗導(dǎo)致發(fā)熱而影響芯片集成度，限制了計(jì)算速度；能耗源于計(jì)算過程中的不可逆操作，但計(jì)算機(jī)都可找到對應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)且不影響運(yùn)算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學(xué)中則可用一個(gè)幺正變換來表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學(xué)的信息處理”。1980年代量子計(jì)算機(jī)的理論變得很熱鬧。費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，數(shù)據(jù)量大至無法用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，在1982年提出用量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算以減少運(yùn)算時(shí)間；杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。1994年，數(shù)學(xué)家彼得·秀爾提出量子質(zhì)因子分解算法，因其可破解現(xiàn)行銀行和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的加密，許多人開始研究實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)。

在物理上，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)可以被描述為對輸入信號串行按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由機(jī)器內(nèi)部半導(dǎo)體集成邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是傳統(tǒng)信號（輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)），存儲數(shù)據(jù)的每個(gè)單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時(shí)間僅能存儲4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)。而量子計(jì)算機(jī)靠控制原子或小分子的狀態(tài)，用量子算法運(yùn)算數(shù)據(jù)，輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因?yàn)榱孔討B(tài)有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個(gè)本質(zhì)特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個(gè)“0”或兩個(gè)“1”，即可同時(shí)存儲4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11），實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算（量子計(jì)算機(jī)對每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種傳統(tǒng)計(jì)算，所有傳統(tǒng)計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果），從而呈指數(shù)級地提高了運(yùn)算能力——一臺未來的量子計(jì)算機(jī)3分鐘就能搞定當(dāng)今世界上所有電子計(jì)算機(jī)合起來100萬年才能處理完的數(shù)據(jù)。用量子力學(xué)語言說，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是沒有用到量子力學(xué)中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計(jì)算機(jī)。從理論上講，一個(gè)250量子比特（由250個(gè)原子構(gòu)成）的存儲器，可能存儲2的250次方個(gè)二進(jìn)制數(shù)，比人類已知宇宙中的全部原子數(shù)還多。而且，集成芯片制造業(yè)很快將步入16納米的工藝，而量子效應(yīng)將嚴(yán)重影響芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，又因傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計(jì)算。

量子世界的死貓活貓與粒子控制

喜好科技的文藝青年可能看過美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關(guān)在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由一個(gè)獨(dú)立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動開關(guān)，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構(gòu)想的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，被引為解釋量子世界的經(jīng)典。而量子理論認(rèn)為，單個(gè)原子的狀態(tài)其實(shí)不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對應(yīng)到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠(yuǎn)也不知道貓的死活，它永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)。

宏觀態(tài)的確定性，其實(shí)是億萬微觀粒子、無數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。微觀粒子通常表現(xiàn)為兩種截然不同的狀態(tài)糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態(tài)，只要稍一揭開箱蓋，疊加態(tài)立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態(tài)變成宏觀的確定態(tài)。用實(shí)驗(yàn)研究量子，首先要捕獲單個(gè)的量子。即若不分離出單個(gè)粒子，則粒子神秘的量子性質(zhì)便會消失。科學(xué)家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態(tài)，又能實(shí)際觀測它的實(shí)驗(yàn)方法，他們只能在頭腦中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，而無法實(shí)際驗(yàn)證其預(yù)言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發(fā)明了在保持個(gè)體粒子的量子力學(xué)屬性的情況下對其進(jìn)行觀測和操控的方法，則可實(shí)證地說出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級量子計(jì)算機(jī)帶來了更大可能，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)的部分——得到1個(gè)量子比特已獲成功。

光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見光或其他電磁波，原子構(gòu)成物質(zhì)。他們研究光與物質(zhì)間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來捕捉、控制以及測量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對零度（約-273℃）。一個(gè)光子進(jìn)入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過發(fā)射原子穿過阱，控制并測量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營造出一個(gè)電場囚籠，粒子像是被裝進(jìn)碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個(gè)最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個(gè)光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測工具，從而得到光子的數(shù)據(jù)。維因蘭德向碗中發(fā)射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數(shù)據(jù)。

2007年以來，加拿大、美國、德國和中國的科學(xué)家都說自己研制出了某種級別的量子計(jì)算機(jī)，但到今天卻仍無一個(gè)投入實(shí)用。光鐘更接近現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榭刹倏貑蝹€(gè)量子，就能按意愿調(diào)控量子的振蕩（相當(dāng)于鐘擺）頻率，越高越精；目前實(shí)驗(yàn)的光鐘，若從宇宙產(chǎn)生起開始計(jì)時(shí)，至今只誤差5秒。光鐘可使衛(wèi)星定位和計(jì)算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術(shù)

科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀(jì)公園》、《失去的世界》等）在科幻小說《時(shí)間線》中，曾文藝化地描述量子計(jì)算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲洞”、“量子運(yùn)輸”、“量子糾纏態(tài)”、“電子的32個(gè)量子態(tài)”等讓常人倍感高深的說法。其中一些如今正在證實(shí)或變現(xiàn)。

如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時(shí)就很可能是另外一種結(jié)局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統(tǒng)大都采用單項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解等數(shù)學(xué)原理，例如目前網(wǎng)絡(luò)上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計(jì)算的并行性，能輕松破解以大數(shù)因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現(xiàn)有密碼體系。可說量子這種技術(shù)在現(xiàn)代軍事上的意義不亞于核彈。但同時(shí)，量子信息技術(shù)也將發(fā)展出一種理論上永遠(yuǎn)無法破譯的密碼——量子密碼。

保密通信分為加密、接收、解密三個(gè)過程，密鑰的保密和不被破解至為關(guān)鍵。量子密碼采用量子態(tài)作為密鑰，是不可復(fù)制的，至少在理論上是無破譯的可能。量子通信是用量子態(tài)的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數(shù)學(xué)計(jì)算，而是由微觀粒子所遵循的物理規(guī)律來保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據(jù)海森堡的測不準(zhǔn)原理，任何測量都無法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態(tài)（有共同來源的兩個(gè)粒子存在著糾纏關(guān)系，似有“心靈感應(yīng)”，無論距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子也發(fā)生變化，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速，一旦受擾即不再糾纏。愛因斯坦稱這種發(fā)生機(jī)理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會擾亂傳送密鑰的量子狀態(tài)，從而留下痕跡。

篇2

楹我豢盼佬塹姆⑸洌引發(fā)了這么大關(guān)注？這要從其魔法般的特性說起。

大約一百多年前，我們生活在一個(gè)很“經(jīng)典”的宇宙里，一切都合乎常情，沒有什么奇怪表現(xiàn)。隨后，量子理論出現(xiàn)了。

突然間，事物的表現(xiàn)不再總是合乎一個(gè)理性的人的料想了。在微觀尺度上，一個(gè)粒子可以同時(shí)處于兩個(gè)地方，甚至可以同時(shí)向兩個(gè)不同的方向運(yùn)動。而且粒子之間可以互相糾纏―通過某種方式即時(shí)地遠(yuǎn)程感知、影響對方。

起源于1900年的普朗克量子力學(xué)，描述了這些看似魔法的物理現(xiàn)象。這套理論不斷獲得實(shí)驗(yàn)支持，在一百多年里催生了許多重大發(fā)明――原子彈、激光、晶體管、核磁共振等，改變了世界面貌。

量子信息技術(shù)是量子力學(xué)的最新發(fā)展。其中，用這一技術(shù)有望打造“不可攔截”的密鑰，讓通信高度保密。而未來的量子計(jì)算機(jī)，可能會比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快億萬倍。這些特性看似魔法，未來卻會成為尋常事。

中國此次發(fā)射量子衛(wèi)星的主要任務(wù)是，執(zhí)行星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這都是量子信息技術(shù)的最前沿研究，自然舉世矚目。

但是，要讓看似魔法的效果真正實(shí)現(xiàn)，還需要長期艱苦卓絕的努力。因?yàn)?，搞基礎(chǔ)科學(xué)研究，需要耐得住寂寞、甘坐冷板凳以及長期的積累。

量子、引力波等許多看似枯燥無味或高深難懂的基礎(chǔ)研究，之所以吸引全球各主要國家持之以恒地研究投入，正在于它們都有著引發(fā)魔法般巨變的前景。量子力學(xué)已經(jīng)引發(fā)了社會巨變。例如，電磁波的發(fā)現(xiàn)最終使人類有了無線電通信和手機(jī)，在狹義相對論中質(zhì)能關(guān)系理論的指導(dǎo)下，科學(xué)家最終制造出了原子彈、氫彈和核反應(yīng)堆，衛(wèi)星定位等技術(shù)也借助了狹義相對論的知識?；A(chǔ)科學(xué)研究可以帶給人類什么？它帶給人類無窮的可能。前沿基礎(chǔ)研究，探索的是“魔法”的奧秘，必將帶來社會進(jìn)步。

在今年引力波發(fā)現(xiàn)后，美國麻省理工學(xué)院校長拉斐爾?賴夫的公開信中的一段話發(fā)人深省：“基礎(chǔ)科學(xué)研究往往是艱苦的、嚴(yán)謹(jǐn)且緩慢的，但不要忘記，它又是震撼性的、革命性的和具有催化作用的。如果沒有基礎(chǔ)科學(xué)，最好的設(shè)想就無法得到改進(jìn)，‘創(chuàng)新’也只能是修修補(bǔ)補(bǔ)。只有基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步，社會才能進(jìn)步?！?/p>

篇3

2015年度國家自然科學(xué)一等獎

2016年1月8日，潘建偉院士、彭承志教授、陳宇翱教授、陸朝陽教授、陳增兵教授組成的5人團(tuán)隊(duì)獲得了2015年度國家自然科學(xué)一等獎，并在人民大會堂接受頒獎。5位老師均來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，他們是該獎項(xiàng)歷史上最年輕的獲獎團(tuán)隊(duì)，其中潘建偉、彭承志、陳增兵3位老師為70后，而陳宇翱和陸朝陽兩位老師為80后。

國家自然科學(xué)一等獎是中國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎項(xiàng)，很多耳熟能詳?shù)睦弦惠吙茖W(xué)家都名列其中。但是因2014年獲獎的“透明計(jì)算”存在較大爭議，2015年急需一個(gè)眾望所歸的團(tuán)隊(duì)來重新樹立該獎項(xiàng)的聲譽(yù)。恰好2015年初潘院士團(tuán)隊(duì)作為最大熱門參加了該獎項(xiàng)的評選，并最終毫無懸念地獲獎。

這次潘建偉院士團(tuán)隊(duì)獲獎的項(xiàng)目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”?！岸喙庾蛹m纏”顧名思義就是讓多個(gè)光子產(chǎn)生糾纏，這是利用光子做量子比特傳送和量子計(jì)算的必要前提;而“干涉”就是實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)多光子糾纏的手段。潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在量子通信和量子計(jì)算等多個(gè)方向上都取得了世界領(lǐng)先的科研成果，“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”就作為其核心研究內(nèi)容之一，貫穿始終。

潘建偉院士的團(tuán)隊(duì)是世界上量子信息研究的領(lǐng)軍者之一，在量子通信領(lǐng)域更是世界最強(qiáng)。與以往的歷屆國家自然科學(xué)一等獎相比，潘建偉團(tuán)隊(duì)在頂級論文數(shù)量和國際影響力上都更為出類拔萃。截止到2015年，該團(tuán)隊(duì)成果3次入選美國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大事件”，2次入選英國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”。2015年年末更是被物理世界網(wǎng)站（Physics world）評選為“2015年世界物理學(xué)十大進(jìn)展”第一名，這在中國物理學(xué)界史無前例。

量子糾纏

介紹“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”，首先需要介紹一下什么是量子糾纏。量子力學(xué)中最神秘的就是疊加態(tài)，而量子糾纏就是多粒子的一種疊加態(tài)。以雙粒子為例，一個(gè)粒子A可以處于某個(gè)物理量的疊加態(tài)，同時(shí)另一個(gè)粒子B也可以處于疊加態(tài)，當(dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生糾纏，就會形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)，即糾纏態(tài)：無論兩個(gè)粒子相隔多遠(yuǎn)，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時(shí)，B粒子一定處于1態(tài);反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時(shí)，B粒子一定處于0態(tài)。

隨著量子信息學(xué)的誕生，量子糾纏已經(jīng)不僅僅是一個(gè)基礎(chǔ)研究，它已經(jīng)成為量子信息科技的核心：例如，利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態(tài)，可以完成一次性操作多個(gè)量子比特的量子計(jì)算。讓更多的粒子糾纏起來是量子信息科技不斷追尋的目標(biāo)。

多光子糾纏和干涉度量學(xué)

“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”就是通過干涉度量的方法實(shí)現(xiàn)多光子的量子糾纏。如果這種把雙光子干涉產(chǎn)生糾纏的方法層層累加，擴(kuò)展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。針對量子信息處理尤其是光量子計(jì)算的需求，糾纏的光子數(shù)自然是越多越好。但是隨著產(chǎn)生糾纏的光子數(shù)越多，干涉和測量的系統(tǒng)也就越復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)難度也就越大。

潘建偉團(tuán)隊(duì)從2004年開始，通過在國際上原創(chuàng)的多光子干涉和測量技術(shù)，一直保持著糾纏光子數(shù)的世界紀(jì)錄。2004年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了5光子糾纏，2007年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了6光子糾纏，2012年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了8光子糾纏，并且保持該紀(jì)錄至今。

每增加一個(gè)糾纏光子，光學(xué)干涉系統(tǒng)就要復(fù)雜一倍，糾纏產(chǎn)生的難度會隨著光子數(shù)呈指數(shù)上升。這個(gè)8光子糾纏光路就像“潘神的迷宮”一樣復(fù)雜，精巧，困難重重，但又引人入勝。

量子計(jì)算的應(yīng)用

1. 量子疊加態(tài)的計(jì)算魅力。在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)在確定的時(shí)刻僅有確定的一個(gè)狀態(tài)。量子力學(xué)則不同，物質(zhì)會同時(shí)處于不同的量子態(tài)上。因?yàn)樘幱诏B加態(tài)，這就意味著，量子計(jì)算一次運(yùn)算就可以處理210=1024個(gè)數(shù)（從0到1023被同時(shí)處理一遍）。以此類推，量子計(jì)算的速度與量子比特?cái)?shù)是2的指數(shù)增長關(guān)系。一個(gè)64位的量子計(jì)算機(jī)一次運(yùn)算就可以同時(shí)處理264=18446744073709551616個(gè)數(shù)。如果單次運(yùn)算速度達(dá)到目前民用電腦CPU的級別（1GHz），那么這個(gè)64位量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度將是世界上最快的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。

量子力學(xué)疊加態(tài)賦予了量子計(jì)算機(jī)真正意義上的“并行計(jì)算”，而不像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)需求強(qiáng)烈的今天，量子計(jì)算機(jī)越來越獲得互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。

2. 肖爾算法――RSA加密技術(shù)的終結(jié)者。1985年，牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維?德意志提出了量子圖靈機(jī)模型的概念。隨后貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得?肖爾于1995年提出了量子計(jì)算的第一個(gè)解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法。

我們今天在互聯(lián)網(wǎng)上輸入的各種密碼，都會用到RSA算法加密。這種技術(shù)用一個(gè)很大的數(shù)的兩個(gè)質(zhì)數(shù)因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個(gè)數(shù)很大，用目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度算出它的質(zhì)數(shù)因子幾乎是不可能的任務(wù)。但利用量子計(jì)算的并行性，肖爾算法可以在很短的時(shí)間內(nèi)通過遍歷算法來獲得質(zhì)數(shù)因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術(shù)不堪一擊。

量子計(jì)算機(jī)會終結(jié)任何依靠計(jì)算復(fù)雜度的加密技術(shù)，但這不意味著從此我們會失去信息安全的保護(hù)。量子計(jì)算的孿生兄弟――量子通信，會從根本上解決信息傳輸?shù)陌踩[患。

3. 格羅弗算法――未來的搜索引擎。肖爾算法提出一年后的1996年，同在貝爾實(shí)驗(yàn)室的洛夫?格羅弗提出了格羅弗算法，即通過量子計(jì)算的并行能力，同時(shí)給整個(gè)數(shù)據(jù)庫做變換，用最快的步驟顯示出需要的數(shù)據(jù)。

量子計(jì)算的格羅弗搜索算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)搜索速度，這也是互聯(lián)網(wǎng)巨頭們對量子計(jì)算最大的關(guān)注點(diǎn)之一。量子信息時(shí)代的搜索引擎將植根于格羅弗算法，讓我們更快捷地獲取信息。

4. 量子計(jì)算機(jī)與人工智能。英國物理學(xué)家羅杰?彭羅斯把依靠經(jīng)典計(jì)算機(jī)的人工智能稱為“皇帝新腦”（即像皇帝的新衣一樣）。他認(rèn)為人腦不會像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣以確定的方式處理信息，但量子測量會賦予人腦隨機(jī)性，同時(shí)量子疊加態(tài)還會賦予人腦全局觀（一個(gè)一個(gè)像素處理的經(jīng)典計(jì)算做不到全局觀）。因此彭羅斯等人認(rèn)為，人腦可能是一臺量子計(jì)算機(jī)。也許量子計(jì)算機(jī)的研究能在某個(gè)量子和經(jīng)典的交匯點(diǎn)上給出答案，解答人類意識和智慧的起源。那樣，量子計(jì)算機(jī)就會成為實(shí)現(xiàn)真正的人工智能的關(guān)鍵。

篇4

量子密碼應(yīng)運(yùn)而生

量子計(jì)算的原理與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用的原理有很大不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用單路串行操作，而量子計(jì)算機(jī)采用多路并行操作，它們運(yùn)算速度的差異就如同萬只飛鳥同時(shí)升上天空與萬只蝸牛排隊(duì)過獨(dú)木橋的區(qū)別。

20世紀(jì)70年代，英國和美國最早開始對量子計(jì)算的研究。近年來，量子計(jì)算的理論和實(shí)踐都相繼取得重大進(jìn)展，產(chǎn)生了多種新的量子算法，研制了多種量子計(jì)算機(jī)原型。

科學(xué)家預(yù)測，未來10～20年將研制成功103～104量子比特的大型量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算能力可以在幾分鐘內(nèi)破譯現(xiàn)有任何采用非對稱密鑰系統(tǒng)生成的密碼。

面對量子計(jì)算未來可能隨時(shí)“秒殺”傳統(tǒng)密碼的危險(xiǎn)，科學(xué)家致力于尋找不基于數(shù)學(xué)問題，能有效抵抗量子計(jì)算攻擊的新型密碼體制。解鈴還須系鈴人，同樣基于量子信息技術(shù)的量子密碼應(yīng)運(yùn)而生，成為對抗量子計(jì)算的“神器”。

又一個(gè)可能的“技術(shù)差”

二戰(zhàn)中，英國破譯德軍ENGMA密碼，獲知其即將轟炸考文垂市，但為保守德軍密碼已被破譯的秘密，英國斷然犧牲考文垂這個(gè)重要工業(yè)城市，不發(fā)出防空警報(bào)任由德軍轟炸；美軍在中途島海戰(zhàn)的勝利，以及擊落山本五十六座機(jī)等影響戰(zhàn)爭進(jìn)程的重大事件，與其成功破譯日軍“紫密”有直接關(guān)系。一些專家們甚至估計(jì)，盟軍在密碼破譯上的成功至少使二戰(zhàn)縮短了8年。

當(dāng)前，戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)已成為連接人與武器、武器與武器的技術(shù)紐帶，構(gòu)成了信息化軍隊(duì)的神經(jīng)中樞。偵察預(yù)警、指揮協(xié)同、武器控制、后勤保障等作戰(zhàn)活動均離不開網(wǎng)絡(luò)的支持。安全可靠的戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)是保證自身作戰(zhàn)體系穩(wěn)定，在體系對抗中謀取勝勢的重要前提，而戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)的安全又十分依賴于網(wǎng)絡(luò)通信密碼提供的“安全屏障”。

一個(gè)國家的軍隊(duì)一旦率先實(shí)現(xiàn)量子密碼和量子計(jì)算的武器化，并在戰(zhàn)爭中投入使用，將與對手形成巨大的“技術(shù)差”，在保持自身網(wǎng)絡(luò)通信絕對安全的同時(shí)，可隨時(shí)破譯對方網(wǎng)絡(luò)通信密碼，洞悉對手的一舉一動，從而占據(jù)絕對信息優(yōu)勢，甚至可以直接癱瘓和控制對方網(wǎng)絡(luò)，由此將置作戰(zhàn)對手于極為被動的不利地位，戰(zhàn)局可能出現(xiàn)“一邊倒”的情況。

以超常措施推進(jìn)軍事應(yīng)用

意大利軍事家杜黑指出：“勝利只向那些能預(yù)見戰(zhàn)爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發(fā)生才去適應(yīng)的人微笑?！泵鎸α孔有畔⒓夹g(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，只有未雨綢繆，盡早規(guī)劃，提前部署，才能在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)先機(jī)和主動，避免對手利用技術(shù)突然性陷我于被動。

目前，量子密碼已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示性研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用。發(fā)達(dá)國家軍隊(duì)已把量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。例如，美國防高級研究計(jì)劃局專門制定“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”、研發(fā)量子芯片的“微型曼哈頓”計(jì)劃等。美國正加速推進(jìn)量子信息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，美國白宮和五角大樓已安裝量子通信系統(tǒng)并已投入使用。英、法、德、日等國軍隊(duì)也相繼制定實(shí)施一系列發(fā)展量子信息技術(shù)的計(jì)劃。

篇5

【關(guān)鍵詞】極坐標(biāo)；橢圓坐標(biāo)；薛定諤方程；基態(tài)能量；概率密度

1.引言

量子物理在許多近代技術(shù)中得到了廣泛地應(yīng)用，并作為大學(xué)物理中的重要組成部分被廣大學(xué)者深入研究[1-2]。薛定諤方程的求解是量子力學(xué)中的重要問題，對于復(fù)雜的問題可借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行求解。薛定諤方程中的能量算符與矢量微分算符[3]密切相關(guān)。

本文討論的是二維約束的情況，即量子線模型。實(shí)際模型是結(jié)構(gòu)，為量子線材料，x為的摻雜比例，本文中取x=0.3，GaN為勢壘材料。在量子線的界面上，這兩種材料的邊界可以是各種形狀的，如圓形、橢圓形、三角形、T形[4]等。前人曾對橢圓模型的物理問題進(jìn)行了研究[5-6]。我們研究了極坐標(biāo)系和橢圓坐標(biāo)系下薛定諤方程的表達(dá)式及圓形和橢圓形勢阱中薛定諤方程的解，得出了電子的基態(tài)能量及概率密度的變化規(guī)律。

2.圓形勢阱中薛定諤方程的解

2.1 直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的坐標(biāo)變換

直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)之間的關(guān)系式為[7]：

（1）

二維直角坐標(biāo)系下，拉普拉斯的算符為：

（2）

2.2 極坐標(biāo)系下二維薛定諤方程的解

在InxGa1-xN/GaN圓形截面量子線中，電子滿足的薛定諤方程為：

（3）

其中，為電子的有效質(zhì)量，在InxGa1-xN材料中，x=0.15時(shí)，；在GaN材料中，。電子受到的約束勢：

其中R0為量子線的半徑：

1Ry*=25.581meV，1a0*=28.17

通過求解薛定諤方程（14）可得出電子的基態(tài)能量和波函數(shù)。

圖1為電子在圓形邊界約束勢下的基態(tài)能量，從圖中可知，薛定諤方程的本征值隨著截面半徑的增大而減小，原因是電子受到的勢壘約束作用隨著量子線截面半徑的增大而減弱，電子受到較弱的勢壘約束，會導(dǎo)致電子的基態(tài)能量（本征值）減小。

3.橢圓形勢阱中薛定諤方程的解

3.1 極坐標(biāo)與橢圓坐標(biāo)的坐標(biāo)變換

直角坐標(biāo)與橢圓坐標(biāo)之間的關(guān)系為[8]：

則：

（4）

（5）

3.2 橢圓坐標(biāo)系下二維薛定諤方程的解

在InxGa1-xN/GaN圓形截面量子線中，電子滿足的薛定諤方程為：

（6）

摻雜情況和電子的有效質(zhì)量與圓形截面量子線中的取值相同，電子受到的約束勢：

1Ry*=25.581meV，1a0*=28.17

通過求解電子滿足的薛定諤方程方程式（17），可得出電子的本征值和本征矢。由本征矢可以求出電子的概率密度。電子的基態(tài)能量和概率密度分布分別如圖2和圖3所示。

圖2為橢圓形量子線中截面積等于4002時(shí)，電子的基態(tài)能量隨著橢圓截面的半長軸與半短軸之比a/b的變化，在我們選用的坐標(biāo)系中，橢圓的長軸在x軸上，短軸在y軸上，所以y方向的勢壘約束大于x方向的勢壘約束，由圖可知，電子的基態(tài)能量隨著a/b的增大而增大。這是因?yàn)榻孛娣e不變時(shí)，較大a/b對應(yīng)著較大的半長軸a和較小的半短軸b，當(dāng)a/b增大時(shí)，x方向的約束在減小，y方向的約束在增大，較大的a/b對應(yīng)著較大的基態(tài)能量是由于y方向的約束起主要作用，圖中的曲線呈上升趨勢。圖3為橢圓的半長軸與半短軸之比a/b=4時(shí)，截面積等于4002的橢圓形量子線中電子的概率密度分布。通過數(shù)值求解橢圓形邊界約束勢作用下的二維薛定諤方程，可得出本征矢，然后求出概率密度||2。

4.結(jié)束語

本文將理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合，不僅計(jì)算了極坐標(biāo)系和橢圓坐標(biāo)系下二維薛定諤方程的表達(dá)式，而且通過計(jì)算機(jī)模擬功能研究了不同二維約束作用下薛定諤方程的解，并對其規(guī)律進(jìn)行了合理地解釋。另外，本文對低維半導(dǎo)體器件的制作提供了理論依據(jù)。因此，本文具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

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篇6

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動；宏觀與微觀；自旋；量子力學(xué)描述1 在高速轉(zhuǎn)動的世界中生活

“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。如果你對朋友說我們無時(shí)無刻不處在一個(gè)高速轉(zhuǎn)動的世界中，有的朋友會對此產(chǎn)生疑問。

首先說，我們住在地球上，日復(fù)一日、年復(fù)一年地跟著地球以每小時(shí)1674公里的速度（赤道附近）繞地球自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動著，這比最快的汽車速度還要快十倍以上。算起來差不多一晝夜轉(zhuǎn)40，073公里，就恰好是詩人說的“坐地日行八萬里”！地球還要繞太陽一年轉(zhuǎn)一大圈，這一圈是九億多公里，每小時(shí)差不多要跑十萬零八千公里。現(xiàn)代的小學(xué)生都知道，每天的日出日落可以說明地球在自轉(zhuǎn)。

但如果不是偉大的科學(xué)家哥白尼等人的貢獻(xiàn)，這種日出日落也曾長期被解釋為太陽繞地球轉(zhuǎn)動。在看不見太陽的陰天和夜間，怎么知道我們和地球在一起轉(zhuǎn)動？聰明的人們曾設(shè)計(jì)了各種物理實(shí)驗(yàn)來觀察和證明地球自轉(zhuǎn)。

例如，在一座精心設(shè)計(jì)的完全垂直于地面高塔頂上，在風(fēng)平浪靜的天氣，從塔頂沿塔的東西墻面中線垂直落下一個(gè)很重的鉛球。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉛球落地時(shí)總不落在塔基的正中，球落點(diǎn)總要和塔基中心線向東偏一點(diǎn)（例如，200米高的塔，大概偏移為5厘米），使人覺得像比薩鐵塔那樣不垂直于地面，是塔建斜了嗎？不是。這是因?yàn)樗偷厍蛞黄鹪谟晌飨驏|轉(zhuǎn)動，塔尖離過地心的轉(zhuǎn)軸的距離比地面離轉(zhuǎn)軸的距離更大，因此塔尖（以及放在塔尖的鉛球）繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的線速度比地面轉(zhuǎn)動的線速度大。當(dāng)鉛球脫手下落時(shí)，除了受地心引力垂直下落外，還要帶著這一點(diǎn)線速度的差別，總要向東偏一點(diǎn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)比較直觀地證明了地球在自轉(zhuǎn)。另外的試驗(yàn)，像大學(xué)物理都要講的、并在許多天文館展出的傅科擺，也能很形象地說明地球的自轉(zhuǎn)。

我們在高速轉(zhuǎn)動的地球上會受到多種力的作用，你可能首先會想到，因?yàn)殡S地球高速轉(zhuǎn)動，可能會受到慣性離心力作用。我們在夏天能穩(wěn)坐在樹蔭下的沙發(fā)椅上乘涼，說明圓周運(yùn)動產(chǎn)生的慣性離心力和地球?qū)ξ覀兊奈暗孛鎸ξ覀兊姆醋饔昧ハ嗥胶狻?/p>

因此，我們既沒有離心力將我們向外拋的感覺，也感覺不到地球的向心力將我們向里吸。除此以外，如果我們在高速轉(zhuǎn)動的世界中運(yùn)動，還會受到一種特有的力，這種力叫做科利奧里力。

在北半球，從西向東運(yùn)動的物體會受到一個(gè)向運(yùn)動方向右側(cè)偏轉(zhuǎn)的力，這就使從西向東流的河流右岸（順著河流流動方向觀察）會受到更嚴(yán)重的沖刷。一水盆裝滿水，若在盆底開一個(gè)口，水迅速往外泄漏時(shí)，會在水面上產(chǎn)生一個(gè)漩渦，而且在南半球和北半球漩渦旋轉(zhuǎn)方向不一樣，這也是由于科利奧里力的作用，水從不同方向流向開口處，流向不同受到的科氏力的方向也就不同，這樣就會形成漩渦。

其實(shí)，我們前面舉的從塔頂?shù)粝裸U球向東偏移的例子，也可理解為鉛球在塔尖和在地面的轉(zhuǎn)動角動量（見下文）發(fā)生了變化，只有鉛球受到一個(gè)力矩的作用才能發(fā)生這樣的變化，這個(gè)力矩正是由西向東的科利奧里力提供的。

一個(gè)物體繞某一點(diǎn)或一個(gè)軸作圓周運(yùn)動，它具有動量和動量矩，通常也將動量矩叫做角動量。物體繞著過自身的軸轉(zhuǎn)動，就稱它具有的角動量為自旋角動量，常常簡稱為自旋。

本文中我們將反復(fù)地和自旋打交道。物體運(yùn)動的角動量可以規(guī)定為一個(gè)向量（矢量），它的大小由轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動慣量（與之對比，作直線運(yùn)動物體有慣性，也可叫做慣量）及轉(zhuǎn)動速度決定。如果用右手伸開，四個(gè)手指微微順著轉(zhuǎn)動方向彎曲，那么，大姆指所指的方向就是角動量矢量的方向。角動量的大小和方向都不會輕易改變，只有受到一定的外力矩時(shí)才會改變。沒有外力矩作用時(shí)角動量是不變的，這就叫角動量守恒。

輪船在大海中長期航行時(shí)怎么知道它自身的位置呢？怎么對他導(dǎo)航呢？用什么做參照物呢？若是晴朗的夜空還可以靠特定的一組星星（比如北斗星）的方位來確定航行方向。但看不見星空的天氣或潛入水下的潛艇就毫無辦法了。長期使用的辦法是陀螺導(dǎo)航儀，它就是依靠高速旋轉(zhuǎn)的陀螺在船只航行過程中始終保持角動量方向不變，由它來確定輪船前進(jìn)的方向。

2 離經(jīng)叛道的微觀粒子

著名球星邁克爾.喬丹能夠以很高的成功率將對方擲出的籃球阻斷，因?yàn)樗ｎD力學(xué)“學(xué)得好”，只要他準(zhǔn)確知道籃球此時(shí)此刻的位置和速度（包括方向），就可以知道下一秒鐘籃球應(yīng)在什么位置，準(zhǔn)時(shí)地跳到那個(gè)位置就可以抓個(gè)正著。將籃球換成足球、壘球或換成更小的乒乓球，它們還是有同樣的運(yùn)動規(guī)律，都服從牛頓力學(xué)的規(guī)律。

如果我們將球不斷地小下去，會發(fā)生什么變化呢？會不會出現(xiàn)哲學(xué)家說的量變到質(zhì)變呢？著名哲學(xué)家黑格爾舉過一個(gè)著名的例子說，給一頭毛驢背上的袋子內(nèi)添加谷子。一粒一粒的加上去，開始很長一段時(shí)間，毛驢都不會感到有多大變化。不斷的加下去，袋子越來越重。當(dāng)加到某一粒谷子時(shí)，毛驢終將承受不住而被壓倒了，這就是從量變到了質(zhì)變。

當(dāng)我們將球做得只有一個(gè)小分子（或者所有比分子還小的粒子，這種粒子我們統(tǒng)稱為微觀粒子）那么大時(shí)，奇跡就發(fā)生了。我們?nèi)绻_定分子某時(shí)某刻的準(zhǔn)確位置，就完全不知道它的動量（速度）。這不是因?yàn)槲覀兪軠y量技術(shù)的限制，而是從原理上就根本無法測量。

反過來如果準(zhǔn)確的知道了分子的動量，就完全不知道它在什么地方。即不能同時(shí)準(zhǔn)確知道微觀粒子的位置和動量。這時(shí)，比喬丹高明十倍的運(yùn)動員，以及十分聰明的科學(xué)工作者，也難以抓到一個(gè)具體的微觀粒子了。

我們都知道光是一種波，它能像水波一樣發(fā)生干涉、衍射等波動現(xiàn)象。我們看見的肥皂泡或水面漂浮的油膜呈五顏六色，這就是光波干涉的結(jié)果。我們又知道光會產(chǎn)生光電效應(yīng)。即便很弱的光，只要波長夠短（紫光比紅光波長更短），就能從金屬表面打出一個(gè)一個(gè)的電子。常見的光電管，就是光照產(chǎn)生電流的一種元件。

因此，愛因斯坦1905年提出光波是由一個(gè)一個(gè)的粒子（光量子）組成的。這是一個(gè)劃時(shí)代的推斷。這一推斷解決了20世紀(jì)初物理學(xué)存在的一個(gè)重大疑難問題。因而愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。

既然光可以又是粒子又是波，其他微觀粒子呢？法國科學(xué)家德.布洛意1924年提出所有微觀粒子都既是粒子又是波，即都有所謂的波和粒子二象性。這種波和一般的水波、聲波一樣，也會產(chǎn)生干涉和衍射等波動現(xiàn)象。但又不完全一樣，我們所見到的水波、聲波是由大量水分子或空氣分子組成的，由這些分子位移或密度變化產(chǎn)生的波。干涉、衍射也是在大量分子存在的情況下產(chǎn)生的。

而德?布洛意波是和每一個(gè)微觀粒子相聯(lián)系的特殊的波。例如讓一束電子束通過兩條很窄的縫照到熒光屏上，會在熒光屏上看到像光波干涉那樣的明暗相間的干涉條紋，這是由于電子的波動性產(chǎn)生的。但是，更奇怪的是，當(dāng)電子束流弱到電子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫時(shí)，仍可得到熒光屏上的干涉條紋（只要記錄時(shí)間夠長），也就是說每個(gè)電子自己和自己干涉，這就不同于宏觀波的干涉了。

一個(gè)壘球質(zhì)量若為m，運(yùn)動速度為v，我們就知道這個(gè)壘球的動能為mv2/2。壘球放在離地面高度為h的地方，具有勢能（或叫位能）mgh，這里g為地球?qū)厩虻奈Ξa(chǎn)生的重力加速度。動能和位能之和就是小球的總能量。速度v或高度h隨意變化一點(diǎn)點(diǎn)，總能量也就變化一點(diǎn)點(diǎn)。這個(gè)一點(diǎn)點(diǎn)可以是任意小的。因此我們就說宏觀的小球的能量是可以連續(xù)變化的。微觀粒子也有動能、位能及總能量，但和宏觀的小球不同，這些微觀粒子的能量在一定條件下（例如束縛在原子中的電子），是不能連續(xù)變化的，它們只能在一些特定的軌道（這里我們是借用宏觀物體經(jīng)典運(yùn)動的術(shù)語，并非嚴(yán)格意義上的軌道）上運(yùn)動，每一條軌道對應(yīng)一特定的能量。

有一個(gè)與能量相關(guān)的很小的常量h（h=6.626×10-34焦耳?秒，是一個(gè)很小的量，稱為普朗克常數(shù)），例如，光波的頻率若為ν，則每個(gè)光子的能量就為hν。用h作單位來度量這些微觀粒子的能量，能量值只能為某些特定數(shù)值，不能取任意值。因此我們說微觀粒子的能量是量子化的。牛頓力學(xué)可以完全描寫宏觀物體的運(yùn)動，與之對應(yīng)的，需要一個(gè)全新的學(xué)科――量子力學(xué)來描寫微觀粒子的運(yùn)動。

3 微觀粒子的高速轉(zhuǎn)動

微觀粒子既然有波--粒二象性，是否仍有高速轉(zhuǎn)動呢？這種轉(zhuǎn)動和宏觀物體的轉(zhuǎn)動有什么不同特點(diǎn)呢？事實(shí)上，整個(gè)世界都有其微觀結(jié)構(gòu)：組成各種物質(zhì)的基元是各種性質(zhì)不同的分子。

水由水分子組成，食鹽由氯化鈉分子組成，分子又是由若干個(gè)同種或不同種的原子組成。例如，水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成，氧分子則由完全相同的兩個(gè)氧原子組成。每個(gè)原子則由一個(gè)原子核和繞原子核運(yùn)動的一個(gè)或多個(gè)電子組成，電子運(yùn)動“軌道”（這里還是借用宏觀物體經(jīng)典運(yùn)動的術(shù)語）的尺度決定原子的尺度。原子核的直徑大概比原子的直徑小一萬倍，但它的質(zhì)量卻比外面那些電子質(zhì)量的總和大上千倍。

原子核又是由幾個(gè)到幾百個(gè)質(zhì)子和中子組成。這些質(zhì)子和中子又可統(tǒng)稱為核子。一個(gè)原子核中的這些核子除繞著它們共同的質(zhì)心做振動與轉(zhuǎn)動運(yùn)動外，每個(gè)核子自身還做自轉(zhuǎn)運(yùn)動，即每個(gè)核子都有自旋。質(zhì)子、中子和電子都具有較長的壽命。高速運(yùn)動的質(zhì)子、中子或電子具有很高的能量，這些高能量粒子在相互碰撞時(shí)，還會產(chǎn)生許多新的短壽命的微觀粒子。質(zhì)子和中子以及這些碰撞產(chǎn)生的短壽命粒子又是由更小的單元――夸克組成的。從分子到夸克，構(gòu)成微觀世界的這些粒子統(tǒng)稱為微觀粒子。

這些微觀粒子是否也會高速旋轉(zhuǎn)呢？從分子到夸克，雖然大小相差7～8個(gè)數(shù)量級，但是都在做高速轉(zhuǎn)動運(yùn)動。分子中的原子繞他們的質(zhì)量中心作振動和轉(zhuǎn)動運(yùn)動。原子和分子中的電子繞核心作軌道轉(zhuǎn)動運(yùn)動。電子本身還做自轉(zhuǎn)運(yùn)動。原子核中的核子也圍繞所有核子共同的質(zhì)心作振動與轉(zhuǎn)動運(yùn)動。組成各種粒子的夸克也作“軌道”運(yùn)動。除了作“軌道”運(yùn)動外，所有這些微觀粒子也都在做自轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此和每一個(gè)微觀粒子相連的都有一個(gè)做軌道運(yùn)動的角動量，簡稱軌道角動量，和一個(gè)自旋角動量，簡稱為自旋。

一個(gè)宏觀的小球若圍繞一中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動，小球質(zhì)量若為m，線速度為v，離轉(zhuǎn)動中心的距離為r，則小球轉(zhuǎn)動的角動量為rmv。因?yàn)関和r都是可以連續(xù)變化的，所以宏觀小球的角動量也是可以連續(xù)變化的。和能量不能連續(xù)變化一樣，微觀粒子轉(zhuǎn)動的角動量也是不能連續(xù)變化的，即角動量的大小也是量子化的。

所有粒子都有自旋（有的粒子自旋為零），自旋角動量的大小也是量子化的，不能取任意值?？梢杂靡粋€(gè)數(shù)值J來標(biāo)記轉(zhuǎn)動角動量的大小，這個(gè)數(shù)值稱為軌道角動量量子數(shù)，它只能為一些特定的數(shù)值（整數(shù)或半整數(shù)），轉(zhuǎn)動角動量=√J（J+1）h，這里h=h/2π是為了計(jì)算方便引入的。同理用另一個(gè)數(shù)S來標(biāo)記自旋角動量的大小，它也只能取1/2，1，3/2…等一些特定的數(shù)值，自旋角動量=√S（S+1） h。

有的粒子自旋可以相當(dāng)快，例如，原子核在發(fā)生碰撞（核反應(yīng)）過程中，自旋角動量量子數(shù)可以達(dá)到65以上，原子核差不多每秒要轉(zhuǎn)1022轉(zhuǎn)。不過原子核的半徑只有幾費(fèi)米（1費(fèi)米=10-15米），如果按剛體轉(zhuǎn)動估算，可以算出原子核的表面的轉(zhuǎn)速可達(dá)到光速的1/10左右。

電子的自旋量子數(shù)為1/2，即自旋角動量為√3/4h。從經(jīng)典電磁輻射估計(jì)的電子的經(jīng)典半徑為2.8x10-15米。電子的質(zhì)量已知道為0.51MeV/C2（由愛因斯坦的相對論，質(zhì)量m總是通過E=mc2和能量聯(lián)系在一起的）。假定電子是電荷和密度均勻分布在半徑為2.8x10-15米的小球內(nèi)，要達(dá)到√3/4h這樣的自旋角動量，則電子表面的轉(zhuǎn)動線速度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速。這是與物理學(xué)的基本原理（相對論認(rèn)為任何物體的運(yùn)動速度不能超過真空中的光速）相違背的。

實(shí)際上，當(dāng)代最新測量表明，精確到10-16m時(shí)還測不出電子的大小，也就是說電子即便有半徑，也是小于10-16m的。比經(jīng)典估計(jì)的半徑更小，要達(dá)到那樣大的自旋角動量，就要轉(zhuǎn)得更快。因此電子的自旋角動量到底是怎么來的呢？至今還是一個(gè)謎。通常解釋說微觀粒子具有內(nèi)稟自旋（也就是固有的自旋），科學(xué)發(fā)展到現(xiàn)階段，還不能回答內(nèi)稟自旋是怎么來的。

角動量不僅有大小，而且還有方向，因此角動量是一個(gè)矢量。宏觀物體繞一個(gè)固定軸轉(zhuǎn)動，角動量的方向就是沿這個(gè)定軸并與轉(zhuǎn)動方構(gòu)成右手螺旋。宏觀轉(zhuǎn)動的角動量方向可以隨意選擇，例如玩具陀螺，他的轉(zhuǎn)軸可以垂直于地面，也可以和地面有一個(gè)小于90°的夾角這個(gè)夾角是可以連續(xù)變化的。和宏觀轉(zhuǎn)動不同，微觀粒子轉(zhuǎn)動的角動量方向也是不能任意選擇，只能朝向一些特定的方向，即角動量的方向也是量子化的。

例如選定一個(gè)特定的方向作為我們考慮問題的參考方向（通常這個(gè)方向可以選電場方向、磁場方向或粒子運(yùn)動方向，將選定了的方向稱為量子化軸），電子自旋角動量的方向就只能與選定的量子化軸平行或反平行。當(dāng)然，如果是別的粒子，自旋是1或更大，自旋可取的方向更多一些，但也是有限的幾個(gè)方向。自旋為S的粒子，可取2S+1個(gè)方向。

小磁鐵構(gòu)成的世界：與每一種轉(zhuǎn)動角動量（動量矩）相聯(lián)系的都有一個(gè)磁矩，磁矩的大小是和角動量大小成正比的，而其方向則是和角動量的方向相同或相反的。這樣的一個(gè)磁矩就像一個(gè)具有南北極的小磁鐵。對于帶電粒子的轉(zhuǎn)動，這個(gè)磁矩可以理解為由于帶電粒子所帶電荷的轉(zhuǎn)動形成的電流產(chǎn)生的磁矩。但是，中子完全不帶電，中子的自旋運(yùn)動也有與之相聯(lián)系的磁矩，這種磁矩是怎么產(chǎn)生的，又是一個(gè)令人費(fèi)解的問題。這種磁矩稱為“反常磁矩”，來自于中子和另一種微觀粒子π介子的強(qiáng)相互作用。大量的微觀粒子自旋朝同一方向排列叫順排，順排是形成磁鐵及其他磁性材料的物理基礎(chǔ)。

4 自旋的杠桿作用

宏觀的高速轉(zhuǎn)動能推動科學(xué)和社會進(jìn)步。微觀粒子很小，其轉(zhuǎn)動影響是否也是微小的呢？中國的乒乓外交用小球推動大球，推動世界進(jìn)步。和乒乓外交一樣，微觀粒子的自旋能量雖小，確也是推動科學(xué)與世界進(jìn)步的一個(gè)巨大的杠桿。從生活到科學(xué)的豐富多彩的世界中，到處都可以看到微觀粒子轉(zhuǎn)動及自旋的影響。

你到立體電影院去看立體電影時(shí)（一些家庭也有立體電視了），能夠看到電影中的籃球向你頭上直飛而來，你會不由自主地伸手去阻擋這個(gè)虛擬的籃球………。你想到過這也和自旋有關(guān)嗎？

構(gòu)成極弱的光線的光子數(shù)也有成萬上億個(gè)，這些光子都有自旋。這些光子自旋方向排列方式不同，就可以構(gòu)成不同性質(zhì)的偏振光（線偏振、左旋圓偏振、右旋圓偏振、橢圓偏振等等）。立體電影就是利用了偏振光才能獲得的虛幻感覺。

人以左右眼看同樣的對象，兩眼所見角度不同，在視網(wǎng)膜上形成的像并不完全相同，這兩個(gè)像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體視覺。立體電影拍攝時(shí)以兩臺攝影機(jī)仿照人眼睛的視角同時(shí)拍攝。在放映時(shí)亦以兩臺投影機(jī)同步放映至同一面銀幕上，以供左右眼觀看。

放映立體電影時(shí)，兩臺投影機(jī)以一定方式放置，并將兩個(gè)畫面點(diǎn)對點(diǎn)完全一致地、同步地投射在同一個(gè)銀幕內(nèi)。在每臺投影機(jī)的鏡頭前都必須加一片偏光鏡，一臺是橫向偏振片，一臺是縱向偏振片。這樣銀幕就將不同的偏振光反射到觀眾的眼睛里。觀眾觀看電影時(shí)亦要戴上偏振光眼鏡，左右鏡片的偏振方向必須與投影機(jī)搭配，如此左右眼就可以各自過濾掉不合偏振方向的畫面，只看到相應(yīng)的偏振光圖象，即左眼只能看到左機(jī)放映的畫面，右眼只能看到右機(jī)放映的畫面。這些畫面經(jīng)過大腦綜合后，就產(chǎn)生了立體視覺。

5 核磁共振掃描

你想檢查腦部或身體其它部位是否有腫瘤或其他病變嗎？你可作CT檢查，它是靠身體器官不同部位密度不同，從而對X射線的吸收不同來成像的。這種成像是用多束準(zhǔn)直得很細(xì)的X射線束對身體內(nèi)的某一薄層掃描，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，先對這一薄層成像。然后再一層一層的做，從而得到身體某一部位（或全身）的三維圖像，所以叫做計(jì)算機(jī)斷層掃描（即CT ， computerized tomography）。

但有時(shí)密度很高的骨頭可能擋住有腫瘤的部位（例如腦部），使CT掃描受到影響。這時(shí)，最好的辦法是到醫(yī)院去做一個(gè)核磁共振掃描。核磁共振（即NMR，nuclear magnetic resonance，現(xiàn)在也叫MR）就是利用原子核的自旋來成像的儀器。

原子核（例如身體中的水分子中的氫原子核）有自旋，也就是一個(gè)個(gè)的小磁鐵（磁矩）。加一個(gè)外磁場，原子核的小磁矩就會在外磁場中轉(zhuǎn)動方向。原子核將其磁矩的北極轉(zhuǎn)向外磁場的南極，南極轉(zhuǎn)向外磁場的北極。這是整個(gè)系統(tǒng)最穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是能量最低的狀態(tài)（稱為基態(tài)）。如果再外加一個(gè)高頻電流，這個(gè)高頻電流會發(fā)射電磁波。發(fā)出的電磁波的能量也是一份一份的，也是量子化的。這種量子和光量子一樣，與電磁波頻率成正比，每個(gè)量子的能量為hν，這里ν為電磁波的頻率。如果調(diào)節(jié)電磁波的頻率，使這樣一份能量的大小正好和要測的原子核在磁場中從基態(tài)到較高的能量狀態(tài)（稱作激發(fā)態(tài)）的能量差相同。對于氫原子核，因?yàn)樗淖孕秊?/2，所以，它在磁場中只有兩個(gè)取向，對應(yīng)兩種能量狀態(tài)，所以又將基態(tài)稱為下能級，將激發(fā)態(tài)稱為上能級。如電磁波的量子能量，和上下能級的能量差相同時(shí)，高頻電磁場發(fā)出的能量就會被原子核吸收，這種吸收稱為共振吸收。

這種調(diào)節(jié)高頻電流頻率的方法稱為掃頻法。另一方面，所加直流磁場強(qiáng)度不同，即使對同一種原子核下能級和上能級的能量差也不同，它們吸收電磁波的頻率也不同，這種依靠調(diào)節(jié)直流磁場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)共振吸收的方法稱為掃場法。

多數(shù)醫(yī)院用的核磁共振儀都是采用掃場法。固定高頻線圈的頻率，而用梯度線圈提供的有一定空間分布的直流磁場，來實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域的共振吸收。原子核吸收高頻電磁波后，到達(dá)上能級，不斷吸收電磁波，上能級就會飽和，所以上能級還要通過不斷地釋放能量使其回到下能級，共振吸收才能持續(xù)進(jìn)行。從上能級釋放能量回到下能級的過程叫做弛豫，弛豫快慢與原子核所處的環(huán)境（例如晶格結(jié)構(gòu)）及兩個(gè)相鄰原子核之間的自旋耦合有關(guān)，分別用兩個(gè)參數(shù)T1和T2來標(biāo)記這兩種弛豫過程。高頻電磁波被人體各部位吸收后，檢測其釋放的能量強(qiáng)度、頻率及T1、T2等，結(jié)合梯度場的空間編碼，就可知道氫原子核的密度分布及其在人體內(nèi)的狀態(tài)的分布情況（也就對應(yīng)水分布）。

現(xiàn)已對生物組織的病變與其水含量的分布關(guān)系做過廣泛的研究，病變會使組織內(nèi)的水含量分布發(fā)生變化，從而可通過水分布的變化找出病變的部位。

不同原子核共振吸收的頻率是不同的。由不同頻率的高頻電磁波也可研究人體其他種類的原子核在人體內(nèi)的分布情況。目前，除氫原子核外，對其他原子核的研究尚在試驗(yàn)中，還未達(dá)到臨床應(yīng)用階段。

6 自旋與量子計(jì)算

由于量子力學(xué)的推動，產(chǎn)生了當(dāng)代的電子技術(shù)，有了功能無比強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)及當(dāng)代的通訊技術(shù)。而且這些技術(shù)正在日新月異地發(fā)展著。例如計(jì)算機(jī)用的芯片速度差不多每十八個(gè)月要提高一倍，這就是有名的摩爾定律。這些高新技術(shù)是否會沿著這條路無限制地發(fā)展下去？

科學(xué)對當(dāng)代技術(shù)的發(fā)展提出了警告：此路不通！提醒人們，再沿這個(gè)方向發(fā)展下去，前面有不可逾越的障礙。計(jì)算機(jī)是以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的，集成電路是將成千上萬個(gè)晶體管做在同一塊硅片上，通過硅晶片內(nèi)部連接成為完整線路。要想提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，這些晶體管就要越做越小。小到一定程度，又會發(fā)生量變到質(zhì)變，晶體管就不能工作了。因?yàn)樗龅搅肆孔恿W(xué)設(shè)置的障礙。

這又要從微觀粒子的特性說起。一個(gè)人如果只能跳一米五高，修一圈三米高的圍墻就可以將他長期困死在圍墻內(nèi)。春秋戰(zhàn)國時(shí)英明一世的齊桓公晚年，奸臣們?yōu)榱藠Z權(quán)就用這個(gè)辦法在王宮周圍筑高墻將國王圍困而死的。微觀粒子就不一樣了，一個(gè)能量只有2eV（微觀物理中，常將一個(gè)電子在電場中經(jīng)過1V的電壓所獲得的能量作為能量的一個(gè)基本單位，即一電子伏――1eV）的電子，筑一圈4eV高的圍墻是否就能將電子長期圍在里面呢？不行了，微觀粒子有二象性，它也就有了穿墻的本事，量子力學(xué)中叫做位壘穿透。

在圍墻外也有一定的幾率能發(fā)現(xiàn)電子。而且圍墻越薄、越低，電子穿過圍墻的幾率就越大。集成電路中，為了保證各晶體管能獨(dú)立工作，不互相干擾，也要修一個(gè)這樣的圍欄（或叫隔離位壘）。當(dāng)晶體管越做越小時(shí)，這種位壘就會越來越小，越來越薄，最后電子就能隨意穿越位壘，使集成電路完全不能正常工作。這就使集成電路的發(fā)展遇到了不可逾越的量子屏障。

為了越過這個(gè)屏障，近年來提出了多種發(fā)展計(jì)算機(jī)和通訊的辦法。其中量子計(jì)算和量子通訊最受關(guān)注。在量子計(jì)算的各種設(shè)計(jì)方法中，目前核磁共振方法發(fā)展最快。核磁共振方法可以利用一些大分子中的某種原子核（例如氫原子核）的自旋的方向來作為量子計(jì)算的基本單元――量子位。量子位等價(jià)于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制的位，但有目前計(jì)算機(jī)所不具備的特殊功能。雖然量子計(jì)算和量子通訊要達(dá)到實(shí)用階段，還有很長的路要走，但無論如何它使人們看到了希望。我們也看到，自旋在這條發(fā)展路上起了至關(guān)重要的作用。

7 自旋電子學(xué)

從人類發(fā)明了電以后，中學(xué)生都知道，導(dǎo)電都是靠電荷在導(dǎo)體、或半導(dǎo)體或液體中運(yùn)動（相位的運(yùn)動）來完成的。即依靠電荷的流動來導(dǎo)電，來傳遞信號。

近年來正在醞釀著電子學(xué)的一場革命――自旋電子學(xué)的出現(xiàn)。假定有兩束等量的電子流動，一束從右向左流，一束從左向右流。從傳統(tǒng)的電流的概念來衡量，導(dǎo)體中沒有凈電流。但如果向左流的一束電子全部自旋向上，而向右流的一束電子全部自旋向下。我們知道正電荷向左流等價(jià)于負(fù)電荷向右流。同理自旋向上向左流的電子等價(jià)于自旋向下向右流的電子。

篇7

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；新教學(xué)體系；研究與實(shí)踐

中圖分類號：G6420

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002－0845(2007)06－0074－02

收稿日期：2007-01-05

作者簡介：胡波(1963-)，男，山東高青人，教授，博士研究生，從事物理課程與教學(xué)論及高等教育研究。

一、新教學(xué)體系構(gòu)建的原則

1．堅(jiān)持知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展和綜合提高的原則

新的教學(xué)體系應(yīng)以對學(xué)生知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化為基礎(chǔ)，全面實(shí)施文化傳承與創(chuàng)造相結(jié)合，人文精神與科學(xué)素養(yǎng)相結(jié)合，通識教育與專業(yè)教育相結(jié)合的原則，鼓勵學(xué)生跨專業(yè)、跨學(xué)科選課，努力改善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在道德素質(zhì)、文化素質(zhì)、業(yè)務(wù)素質(zhì)和身心素質(zhì)等方面得到協(xié)調(diào)發(fā)展。

2．實(shí)施寬口徑與專門化教育相結(jié)合的原則

為了適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)的高速增長和全球經(jīng)濟(jì)的一體化趨勢，必須在著眼于學(xué)生的適應(yīng)性和競爭能力上下功夫，按大類構(gòu)筑基礎(chǔ)平臺，建設(shè)面向?qū)W科平臺的基礎(chǔ)課程體系，淡化專業(yè)，擴(kuò)寬口徑，加強(qiáng)基礎(chǔ)，注重綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，構(gòu)建通識教育基礎(chǔ)上的寬口徑專業(yè)教育培養(yǎng)模式。同時(shí)為了培養(yǎng)能夠快速適應(yīng)工作要求的專門化人才，必須考慮面向市場設(shè)置專業(yè)課程。

3.優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)與體系的原則

以“改革、調(diào)整、整合、創(chuàng)新”原有的課程資源為基礎(chǔ)，以知識的系統(tǒng)性，教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性與先進(jìn)性，學(xué)科知識體系之間內(nèi)在的邏輯性，教學(xué)方法的適應(yīng)性與高效性有機(jī)結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，科學(xué)合理地確定課程結(jié)構(gòu)、體系、內(nèi)容、教學(xué)時(shí)數(shù)和教學(xué)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)課程的結(jié)構(gòu)與選擇，廣度與深度，基礎(chǔ)與專業(yè)的高度統(tǒng)一。

4.堅(jiān)持“以人為本”的教育理念下的因材施教的原則

新教學(xué)體系應(yīng)全面貫徹“以人為本”的教育思想，考慮學(xué)生在基礎(chǔ)、興趣、特長、能力等方面的差異對教學(xué)的不同要求，設(shè)置和擴(kuò)大專業(yè)方向及選修課比例，壓縮總學(xué)時(shí)，減少必修學(xué)分和課內(nèi)學(xué)時(shí)。精選必修課程，增加選修學(xué)分，開設(shè)能力學(xué)分。擴(kuò)大選修課程數(shù)量，設(shè)置副修及雙學(xué)位課程。增加研究型、討論型、課題型和自主學(xué)習(xí)型等課程，增加教學(xué)計(jì)劃的“柔性”，減少“剛性”，鼓勵學(xué)生在全面發(fā)展的同時(shí)能夠自我設(shè)計(jì)、自我組建知識結(jié)構(gòu)。

5.突出創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力培養(yǎng)的原則

以地方性大學(xué)辦學(xué)定位和服務(wù)面向?yàn)橹改?，從培養(yǎng)創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的目標(biāo)出發(fā)，構(gòu)建新的實(shí)踐教學(xué)體系。一是實(shí)踐教學(xué)的全程化，即大學(xué)一年級為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練階段，二年級為專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練階段，三年級為綜合能力訓(xùn)練階段，四年級為專題設(shè)計(jì)訓(xùn)練階段。二是實(shí)踐教學(xué)的工程化，即在實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練中適時(shí)地將工程和技術(shù)開發(fā)滲透到實(shí)驗(yàn)中去。三是實(shí)踐教學(xué)的多樣化，即設(shè)計(jì)課內(nèi)外緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)學(xué)研一體化的校內(nèi)外研究基地。四是實(shí)踐教學(xué)的層次化，即構(gòu)建由易到難、由簡到繁、由淺入深的各種實(shí)踐教學(xué)活動。

6.切實(shí)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)、英語教學(xué)，重視綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)的原則

完善計(jì)算機(jī)文化、計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用三個(gè)層次的教學(xué)體系，在電路基礎(chǔ)、普通物理、電磁學(xué)和量子力學(xué)等近十門課程中引入計(jì)算機(jī)方法、計(jì)算機(jī)模擬與仿真、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等，切實(shí)提高學(xué)生綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)的水平和能力。同時(shí)強(qiáng)化學(xué)生英語聽、說、讀、寫綜合能力的培養(yǎng)，實(shí)行雙語教學(xué)，加強(qiáng)英語教學(xué)與實(shí)踐，保證計(jì)算機(jī)教育及英語學(xué)習(xí)四年不斷線。

二、新教學(xué)體系的主要內(nèi)容

按照前期趨同，后期分化的集約型、開放型的課程體系的原則，前兩年按物理學(xué)一級學(xué)科打通培養(yǎng)設(shè)置課程，主要安排全校性公共必修課、通選課和學(xué)科基礎(chǔ)課。三年級起，根據(jù)學(xué)科和社會發(fā)展對人才需求的新要求，在充分尊重學(xué)生個(gè)性差異的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生自主地、科學(xué)合理地選擇專業(yè)方向并據(jù)此構(gòu)建自身的知識結(jié)構(gòu)體系。

按照平臺―模塊―課組三級指標(biāo)體系設(shè)置模塊化課程。一級指標(biāo)中設(shè)五個(gè)平臺課程體系：通識教育平臺、學(xué)科基礎(chǔ)平臺、專業(yè)主干平臺、選修平臺及實(shí)踐教學(xué)平臺。二級指標(biāo)(五個(gè)平臺課程體系下)中設(shè)七個(gè)模塊化課程：公共必修課程模塊、通選課程模塊、學(xué)科基礎(chǔ)模塊、專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊、專業(yè)主干課程模塊、實(shí)踐教學(xué)課程模塊和任意選修課程模塊等。三級指標(biāo)(任意選修課程模塊下)中設(shè)四個(gè)課程組：三個(gè)專業(yè)方向課程組和一個(gè)任意選修課程組。

1.通識教育平臺課程

通識教育平臺下設(shè)兩個(gè)模塊：公共必修模塊和全校通選模塊。公共必修模塊包括思想道德修養(yǎng)、計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)、形勢與政策等課程，必修41學(xué)分。全校通選課包括文化藝術(shù)類、語言文學(xué)類、經(jīng)貿(mào)管理類、應(yīng)用技能類和教育歷史類等課程，其中，藝術(shù)體育類課程中選修1學(xué)分，其它每類課程中至少選修2學(xué)分，共修12學(xué)分。

2.學(xué)科基礎(chǔ)平臺課程

學(xué)科平臺課程包括高等數(shù)學(xué)、普通物理及其實(shí)驗(yàn)、電路分析及實(shí)驗(yàn)、電子技術(shù)基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)等，共修43學(xué)分。

3.專業(yè)主干平臺課程

專業(yè)主干課程包括量子力學(xué)(I)、電動力學(xué)、理論力學(xué)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理(I)和固體物理等，共修22學(xué)分。

4.選修課平臺課程

選修平臺課程主要包括三個(gè)專業(yè)方向選修模塊和一組選修課程。三個(gè)專業(yè)方向分別為師范方向、電氣自動化方向和電子信息方向，每一個(gè)專業(yè)方向中含有四門該專業(yè)的主干課程，三選一，修滿12學(xué)分。任意選修課程設(shè)有量子力學(xué)(II)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理(II)、計(jì)算物理、嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用、電子工藝與CAD、自動控制原理等二十余門課程，學(xué)生可以根據(jù)輔修、雙學(xué)位、考研及就業(yè)等情況任意選擇，至少選修8學(xué)分。

5.實(shí)踐教學(xué)平臺課程

實(shí)踐教學(xué)平臺課程包括生產(chǎn)勞動、社會實(shí)踐、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新活動等，共修23學(xué)分。對在全國及省各種競賽中取得優(yōu)異成績者、在各類雜志發(fā)表文章者、取得各種發(fā)明專利者或在科研項(xiàng)目中獨(dú)立承擔(dān)部分工作者，均給予該課程的學(xué)分和成績。

三、新教學(xué)體系實(shí)施的保障措施

1．切實(shí)加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)

實(shí)施“人才強(qiáng)系工程”，強(qiáng)化骨干教師隊(duì)伍建設(shè)，逐步建設(shè)并形成一支結(jié)構(gòu)合理、人員穩(wěn)定、學(xué)術(shù)水平高、教學(xué)效果好的教師梯隊(duì)。聘請3―5名國內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)的教授主講專業(yè)課程，選派具有豐富經(jīng)驗(yàn)的教授、副教授擔(dān)任基礎(chǔ)課及專業(yè)課首席教師，制定系級教學(xué)名師培養(yǎng)計(jì)劃，遴選5～8名青年骨干教師進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)以提升教學(xué)科研水平。

2．加強(qiáng)精品課程、教材的建設(shè)與選用

本著“選優(yōu)用優(yōu)”的原則，優(yōu)先選用國家級重點(diǎn)教材、精品課程、“面向21世紀(jì)課程教材”、省部級以上優(yōu)秀教材與國外優(yōu)秀原版教材，對發(fā)展迅速和應(yīng)用性強(qiáng)的課程，要在不斷更新教材內(nèi)容的同時(shí)積極開發(fā)新教材。力爭70％以上的專業(yè)課使用近3年出版的教材，鼓勵建設(shè)一體化設(shè)計(jì)、多種媒體有機(jī)結(jié)合的立體化教材，每學(xué)期至少有一門課程開展雙語教學(xué)。

3.大力進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、手段及方法的改革

培養(yǎng)方案、目標(biāo)的調(diào)整與實(shí)現(xiàn)，必須要落實(shí)到教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法的改革上。我們提出了“夯實(shí)基礎(chǔ)，加強(qiáng)現(xiàn)代；拓展知識，開闊眼界；因材施教，優(yōu)生優(yōu)教；國際模式，先進(jìn)理念：網(wǎng)絡(luò)輔助，師生互動；名師參與，科教結(jié)合；文理滲透，有機(jī)結(jié)合；原版教材，英語授課”的明確要求，切實(shí)加強(qiáng)教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)涵建設(shè)。教師要用現(xiàn)代的觀點(diǎn)來審視和組織好學(xué)科前沿與基礎(chǔ)內(nèi)容的銜接、基本物理內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用的銜接，要處理好接受式學(xué)習(xí)與探究式學(xué)習(xí)、知識傳授與能力培養(yǎng)、傳統(tǒng)教學(xué)手段與現(xiàn)代教學(xué)手段的關(guān)系，要積極采用課內(nèi)講授、課外實(shí)踐和課題研究三結(jié)合的課時(shí)結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)效果。

4.加強(qiáng)校內(nèi)外產(chǎn)學(xué)研一體化實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)

實(shí)踐教學(xué)的環(huán)境、條件和基地建設(shè)是落實(shí)復(fù)合型應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的基本保證。根據(jù)專業(yè)建設(shè)的需求，一要積極建設(shè)“校內(nèi)研究型”、“校外實(shí)習(xí)型”、“產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合型”等多層次、多元化實(shí)踐教學(xué)體系，二要充分利用國內(nèi)外資源，不斷拓展校際之間、校企之間、高校與科研院所之間的合作，加強(qiáng)多種形式的實(shí)踐教學(xué)基地和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。

篇8

關(guān)鍵詞：X射線；半導(dǎo)體；原子能；激光；藍(lán)光LED；科技創(chuàng)新；大學(xué)物理

1引言

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用以及最一般的運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)[1-3]，其內(nèi)容廣博、精深，研究方法多樣、巧妙，被視為一切自然科學(xué)的基礎(chǔ).縱觀物理學(xué)發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)：其蘊(yùn)含的科學(xué)思維和科學(xué)方法能夠有效促進(jìn)學(xué)生能力的培養(yǎng)和知識的形成，同時(shí)，其每一次新的發(fā)現(xiàn)都會帶動人類社會的科技創(chuàng)新和科技發(fā)展.正因如此，大學(xué)物理成為了高等學(xué)校理、工科專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程.按照教育部頒發(fā)的相關(guān)文件要求[4-5]，大學(xué)物理課程最低學(xué)時(shí)數(shù)為126學(xué)時(shí)，其中理科、師范類非物理專業(yè)不少于144學(xué)時(shí)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)最低學(xué)時(shí)數(shù)為54學(xué)時(shí)，其中工科、師范類非物理專業(yè)不少于64學(xué)時(shí).然而調(diào)查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒有嚴(yán)格按照教育部頒發(fā)的課程基本要求開設(shè)大學(xué)物理及其實(shí)驗(yàn)課程.他們往往打著“寬口徑、應(yīng)用型”的晃子，大幅壓縮大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)，如今，大學(xué)物理及其實(shí)驗(yàn)課程的總學(xué)時(shí)數(shù)實(shí)際僅為32-96學(xué)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于教育部要求的最低標(biāo)準(zhǔn)（180學(xué)時(shí)）.試問這么少的課時(shí)怎么講豐富、深奧的大學(xué)物理？怎么能夠真正發(fā)揮出大學(xué)物理的作用？于是有的院、系要求只講力學(xué)，有的要求只講熱學(xué)，有的則要求只講電磁學(xué)，…面對這種情況，大學(xué)物理的授課教師在無奈狀態(tài)下講授大學(xué)物理.從《大學(xué)物理課程報(bào)告論壇》上獲悉，這不是個(gè)別學(xué)校的做法，在全國具有普遍性.殊不知，力、熱、光、電磁、原子是一個(gè)完整的體系，相互聯(lián)系，缺一不可.這種以消減教學(xué)內(nèi)容為代價(jià)，解決課時(shí)不足的做法，就如同削足適履，是對教育規(guī)律不尊重，是管理者思想意識落后的一種體現(xiàn).本文且不論述物理學(xué)是理工科必修的一門基礎(chǔ)課，只論及物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉這一命題，以期提高教育管理者對大學(xué)物理課程重要性的認(rèn)識.

2物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉

且不說力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，以蒸汽機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第一次工業(yè)革命，歐洲實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；且不說庫倫、法拉第、楞次、安培、麥克斯韋等創(chuàng)立的電磁學(xué)的發(fā)展，以電動機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第二次工業(yè)革命，歐美實(shí)現(xiàn)了電氣化.這兩次工業(yè)革命沒有發(fā)生在中國，使中國近代落后了.本文著重論述近代物理學(xué)的發(fā)展對科學(xué)技術(shù)的巨大推動作用，從而得出結(jié)論：物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.1895年，威廉•倫琴（WilhelmR魻ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線，這種射線在電場、磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穿透能力很強(qiáng)，由于當(dāng)時(shí)不知道它是什么，故取名X射線.直到1912年，勞厄（MaxvonLaue）用晶體中的點(diǎn)陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長為10-10m的數(shù)量級[6].倫琴獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎，他發(fā)現(xiàn)的X射線開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，利用X光機(jī)探測骨骼的病變，胸腔X光片診斷肺部病變，腹腔X光片檢測腸道梗塞.CT成像也是利用X射線成像，CT成像既可以提供二維（2D）橫切面又可以提供三維（3D）立體表現(xiàn)圖像，它可以清楚地展示被檢測部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確確定病變位置.當(dāng)今，各醫(yī)院都設(shè)置放射科，X射線在醫(yī)學(xué)上得到充分利用.X射線的發(fā)現(xiàn)不僅對醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀(jì)許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn).1913-1914年，威廉•享利•布拉格（willianHenrgBragg）和威廉•勞侖斯•布拉格（WillianLawrenceBragg）提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ（k=1,2,3…）式中d為晶格常數(shù)，α為入射光與晶面夾角，λ為X射線波長.布拉格父子提出使用X射線衍射研究晶體原子、分子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)立了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析這一學(xué)科，布拉格父子獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎.當(dāng)今，X射線衍射儀不僅在物理學(xué)研究，而且在化學(xué)、生物、地質(zhì)、礦產(chǎn)、材料等學(xué)科得到廣泛應(yīng)用，所有從事自然科學(xué)研究的科研院所和大多數(shù)高等學(xué)校都有X射線衍射儀，它是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的必備儀器.1907年，威廉•湯姆孫（W•Thomson）發(fā)現(xiàn)電子，電子質(zhì)量me=9.11×10-31kg，電子荷電e=-1.602×10-19C.電子的荷電性引發(fā)了20世紀(jì)產(chǎn)生革命.1947年，美國的巴丁、布萊頓和肖克利研究半導(dǎo)體材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ge晶體具有放大作用，發(fā)明了晶體三極管，很快取代電子管，隨后晶體管電路不斷向微型化發(fā)展.1958年，美國的工程師基爾比制成第一批集成電路.1971年，英特爾公司的霍夫把計(jì)算機(jī)的中央處理器的全部功能集成在一塊芯片上，制成世界上第一個(gè)微處理器.80年代末，芯片上集成的元件數(shù)已突破1000萬大關(guān).微電子技術(shù)改變了人類生活，微電子技術(shù)稱雄20世紀(jì)，進(jìn)入21世紀(jì)微電子產(chǎn)業(yè)仍繼續(xù)稱雄.到各個(gè)工業(yè)區(qū)看看，發(fā)現(xiàn)電子廠比比皆是，這真是小小電子轉(zhuǎn)動了整個(gè)地球?。‰娮硬粌H具有荷電性，還具有荷磁性.

1925年，烏倫貝克—哥德斯密脫（Uhlenbeck-Goudsmit）提出自旋假說，每個(gè)電子都具有自旋角動量S軋，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個(gè)數(shù)值，Sz=±h2；電子具有荷磁性，每個(gè)電子的磁矩為MSz=芎μB(μB為玻爾磁子）[7].電子的荷磁性沉睡了半個(gè)多世紀(jì)，直到1988年阿貝爾•費(fèi)爾（AlberFert）和彼得•格林貝格爾（PeterGrünberg）發(fā)現(xiàn)在Fe/Cr多層膜中，材料的電阻率受材料磁化狀態(tài)的變化呈顯著改變，其機(jī)理是相臨鐵磁層間通過非磁性Cr產(chǎn)生反鐵磁耦合，不加磁場時(shí)電阻率大，當(dāng)外加磁場時(shí)，相鄰鐵磁層的磁矩方向排列一致，對電子的散射弱，電阻率小.利用磁性控制電子的輸運(yùn)，提出巨磁電阻效應(yīng)（giantmagnetoresistance,GMR），磁電阻MR定義MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)為零場下的電阻率，ρ(H)為加場下的電阻率[8].GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起科技界強(qiáng)烈關(guān)注，1994年IBM公司依據(jù)巨磁電阻效應(yīng)原理，研制出“新型讀出磁頭”，此前的磁頭是用錳鐵磁體，磁電阻MR只有1%-2%，而新型讀出磁頭的MR約50%，將磁盤記錄密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型讀出磁頭的MR才出現(xiàn)筆記本電腦、MP3等，GMR效應(yīng)在磁傳感器、數(shù)控機(jī)庫、非接觸開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器等方面得到廣泛應(yīng)用.阿爾貝?費(fèi)爾和彼得?格林貝格爾獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎.1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到MR高達(dá)105%，稱為龐磁電阻（Colossalmagnetoresistance,CMR），鈣鈦礦氧化物中有如此高的磁電阻，在磁傳感、磁存儲、自旋晶體管、磁制冷等方面有著誘人的應(yīng)用前景，引起凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)科研人員的極大關(guān)注[10-12].然而，CMR效應(yīng)還沒有得到實(shí)際應(yīng)用，原因是要實(shí)現(xiàn)大的MR需要特斯拉量級的外磁場，問題出在CMR產(chǎn)生的物理機(jī)制還沒有真正弄清楚.1905年，愛因斯坦提出[13]：“就一個(gè)粒子來說，如果由于自身內(nèi)部的過程使它的能量減小了，它的靜質(zhì)量也將相應(yīng)地減小.”提出著名的質(zhì)能關(guān)系式E=m莓C2式中m.表示經(jīng)過反應(yīng)后粒子的總靜質(zhì)量的減小，E表示核反應(yīng)釋放的能量.愛因斯坦又提出實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)的途徑：“用那些所含能量是高度可變的物體（比如用鐳鹽）來驗(yàn)證這個(gè)理論，不是不可能成功的.”按照愛因斯坦的這一重大物理學(xué)理論，1938年物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)重原子核裂變.核裂變首先被用于戰(zhàn)爭，1945年8月6日和9日，美國對日本的廣島和長崎各投下一顆原子彈，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布無條件投降.后來原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奧布寧斯克原子能發(fā)電站投入運(yùn)行.2009年，美國有104座核電站，核電站發(fā)電量占本國發(fā)電總量的20%，法國有59臺機(jī)組，占80%；日本有55座核電站，占30%.截至2015年4月，我國運(yùn)行的核電站有23座，在建核電站有26座，產(chǎn)能為21.4千兆瓦，核電站發(fā)電量占我國發(fā)電總量不足3%，所以我國提出大力發(fā)展核電，制定了到2020年核電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到58千兆瓦的目標(biāo).核能的利用，一方面減少了化石能源的消耗，從而減少了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體———二氧化碳的排放，另一方面有力地解決能源危機(jī).利用海水中的氘和氚發(fā)生核聚變可以產(chǎn)生巨大能量，受控核聚變正在研究中，若受控核聚變研究成功將為人類提供取之不盡用之不竭的能量.那時(shí)，能源危機(jī)徹底解除.

20世紀(jì)最杰出的成果是計(jì)算機(jī)，物理學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ).從1946年計(jì)算機(jī)問世以來，經(jīng)歷了第一至第五代，計(jì)算機(jī)硬件中的電子元件隨著物理學(xué)的進(jìn)步，依次經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路；主存儲器用的是磁性材料，隨著物理學(xué)的進(jìn)步，磁性材料的性能越來越高，計(jì)算機(jī)的硬盤越來越小.近日在第十六屆全國磁學(xué)和磁性材料會議（2015年10月21—25日）上獲悉，中科院強(qiáng)磁場中心、中科院物理所等，正在對斯格明子（skyrmions）進(jìn)行攻關(guān),斯格明子具有拓?fù)浼{米磁結(jié)構(gòu)，將來的筆記本電腦的硬盤只有花生大小，ipod平板電腦的硬盤縮小到米粒大小.量子力學(xué)催生出隧道二極管，量子力學(xué)指導(dǎo)著研究電子器件大小的極限，光學(xué)纖維的發(fā)明為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)通道.

1916年，愛因斯坦提出光受激輻射原理，時(shí)隔44年，哥倫比亞大學(xué)的希奧多•梅曼（TheodoreMaiman）于1960制成第一臺激光器[14].由于激光具有單色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特點(diǎn)，在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、通訊、金屬微加工，軍事等方面得到廣泛應(yīng)用.激光在其他方面的應(yīng)用暫不展開論述，只談?wù)劶す饧庸ぜ夹g(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用.激光加工技術(shù)對材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、微加工等，激光加工技術(shù)具有突出特點(diǎn)：不接觸加工工件，對工件無污染；光點(diǎn)小，能量集中；激光束容易聚焦、導(dǎo)向，便于自動化控制；安全可靠，不會對材料造成機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力；切割面光滑、無毛刺；切割面細(xì)小，割縫一般在0.1-0.2mm；適合大件產(chǎn)品的加工等.在汽車、飛機(jī)、微電子、鋼鐵等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用.2014年，僅我國激光加工產(chǎn)業(yè)總收入約270億人民幣，其中激光加工設(shè)備銷售額達(dá)215億人民幣.

2014年，諾貝爾物理學(xué)獎授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科學(xué)家，是因?yàn)樗麄儼l(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管（LED），幫助人們以更節(jié)能的方式獲得白光光源.他們的突出貢獻(xiàn)在于，在三基色紅、綠、藍(lán)中，紅光LED和綠光LED早已發(fā)明，但制造藍(lán)光LED長期以來是個(gè)難題，他們?nèi)擞?0世紀(jì)90年明了藍(lán)光LED，這樣三基色LED全被找到了，制造出來的LED燈用于照明使消費(fèi)者感到舒適.這種LED燈耗能很低，耗能不到普通燈泡的1/20，全世界發(fā)的電40%用于照明，若把普通燈泡都換成LED燈，全世界每個(gè)節(jié)省的電能數(shù)字驚人！物理學(xué)研究給人類帶來不可估量的益處.2010年，英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•諾沃肖洛夫（Kon-stantinNovoselov），因發(fā)明石墨烯材料，獲得諾貝爾物理學(xué)獎.目前，集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時(shí)，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管.此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好.因此，石墨烯被普遍認(rèn)為會最終替代硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命[14].2012年，法國科學(xué)家沙吉•哈羅徹(SergeHaroche)與美國科學(xué)家大衛(wèi)•溫蘭德(DavidJ.win-land)，在“突破性的試驗(yàn)方法使得測量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能”.他們的突破性的方法，使得這一領(lǐng)域的研究朝著基于量子物理學(xué)而建造一種新型超快計(jì)算機(jī)邁出了第一步[16].

2013年，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測到量子反?；魻栃?yīng).早在2010年，我國理論物理學(xué)家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系，薛其坤等在這一理論指導(dǎo)下開展實(shí)驗(yàn)研究，從實(shí)驗(yàn)上首次觀測到量子反?；魻栃?yīng).我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題.這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗.而量子霍爾效應(yīng)則可以對電子的運(yùn)動制定一個(gè)規(guī)則，電子自旋向上的在一個(gè)跑道上，自旋向下的在另一個(gè)跑道上，猶如在高速公路上，它們在各自的跑道上“一往無前”地前進(jìn)，不產(chǎn)生電子相互碰撞，不會產(chǎn)生熱能損耗.通過密度集成，將來計(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級計(jì)算機(jī)有望做成現(xiàn)在的iPad那么大.因此，這一科研成果的應(yīng)用前景十分廣闊[17].物理學(xué)的每一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)、重大發(fā)明，都會開辟一塊新天地，帶來產(chǎn)業(yè)革命，推動社會進(jìn)步，創(chuàng)造巨大物質(zhì)財(cái)富.縱觀科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史，可以看出物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.

3結(jié)語

論述了X射線，電子、半導(dǎo)體、原子能、激光、藍(lán)光LED等的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明對人類進(jìn)步的巨大推動作用，自然得出結(jié)論，物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.打開國門看一看，美國的著名大學(xué)非常注重大學(xué)物理，加州理工大學(xué)所有一、二年級的公共物理課程總學(xué)時(shí)為540，英、法、德也在400-500學(xué)時(shí)[18].國內(nèi)高校只有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理課程做到了與國際接軌，以他們的數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)為例，大一開設(shè)：力學(xué)與熱學(xué)80學(xué)時(shí)，大學(xué)物理—基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)54學(xué)時(shí)；大二開設(shè)：電磁學(xué)80學(xué)時(shí)，光學(xué)與原子物理80學(xué)時(shí)，大學(xué)物理—綜合實(shí)驗(yàn)54學(xué)時(shí)；大三開設(shè)：理論力學(xué)60學(xué)時(shí)，大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)總計(jì)408學(xué)時(shí).在大力倡導(dǎo)全民創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新的今天，高等學(xué)校理所應(yīng)當(dāng)重視物理學(xué)教學(xué).各高校的理工科要按照教育部高等學(xué)校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會頒發(fā)的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程/實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本要求》給足大學(xué)物理課程及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課時(shí).

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〔5〕教育部高等學(xué)校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會.非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求[J].物理與工程，2006,16（4）：1-3.

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〔7〕張怪慈.量子力學(xué)簡明教授[M].北京：人民教育出版社，1979.182-183.

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1.基本概念介紹

為了便于厘清量子通信技術(shù)的相關(guān)概念，本文基于量子行業(yè)曲線linkindustryDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2022.11.002可替代度影響力行業(yè)關(guān)聯(lián)度技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)概念內(nèi)在的聯(lián)系，下面著重對量子、量子通信、量子密鑰分發(fā)以及量子保密通信的概念分別予以闡述。

1.1量子

普朗克提出了光輻射的能量是非連續(xù)的，而是一份一份的，對于頻率為ν的電磁波，這一份能量為hν，其中，h為普朗克常數(shù)。這一份能量就是電磁波在頻率ν下的最小能量。隨著頻率的不同，這個(gè)最小能量也不同，普朗克稱這個(gè)最小能量為“量子”（Quantum）。愛因斯坦看到了普朗克的量子假說后，更進(jìn)一步地認(rèn)為，電磁波本質(zhì)上就是由一份一份的能量組成的，他稱為光量子，也就是光子（Photon）。

1.2量子通信

20世紀(jì)90年代以后，隨著對量子等微觀粒子的不斷調(diào)控，當(dāng)人們將基于經(jīng)典物理學(xué)描述過程的信息傳輸變換成基于量子力學(xué)描述和操控的過程時(shí)，便催生出了一種新的通信方式：量子通信。量子通信不應(yīng)該簡單地從字面意思理解為通過量子來通信，真正的“量子通信”的含義應(yīng)是利用量子態(tài)作為信息載體來進(jìn)行信息交互的通信技術(shù)。現(xiàn)階段，量子通信的一種典型應(yīng)用是量子密鑰分發(fā)（QuantumKeyDistribution，QKD），量子密鑰分發(fā)可用來實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息的安全傳輸。

1.3量子密鑰分發(fā)

量子密鑰分發(fā)作為量子通信的典型應(yīng)用之一，是最先實(shí)用化起來的量子信息技術(shù)?，F(xiàn)有實(shí)際的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)主要采用的是由IBM的C.H.Bennett和G.Brassard在1984提出的BB84協(xié)議，其與經(jīng)典密碼體制不同，量子密鑰分發(fā)是基于量子力學(xué)的基本原理，能夠保證密鑰的安全性，這種安全性在學(xué)術(shù)界稱為“信息理論安全”或者“無條件安全”，是經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明的。因此，量子密鑰分發(fā)能夠在空間上分隔的用戶之間以信息理論安全的方式共享密鑰。1.4量子保密通信量子密鑰分發(fā)可以通過對量子態(tài)的傳輸和測量，為經(jīng)典數(shù)字通信建立牢不可破的量子密鑰，為經(jīng)典信息的加密服務(wù)提供安全性保證，因此，可以將QKD技術(shù)作為密鑰分發(fā)功能組件，結(jié)合適當(dāng)?shù)拿荑€管理、安全的密碼算法和協(xié)議而形成的加密通信安全解決方案定義為量子保密通信。目前，以量子密鑰分發(fā)為核心的量子保密通信已是量子通信領(lǐng)域的主要發(fā)展方向?；谇懊娴慕榻B，我們可以清晰地理出量子密鑰分發(fā)、量子通信和量子保密通信的層次關(guān)系，如圖1所示。

2.專利技術(shù)布局分析

近年來，國內(nèi)外對量子通信技術(shù)日益重視，紛紛加大對相關(guān)技術(shù)的研發(fā)力度，圖2、圖3、圖4、圖8、圖9分別展示的全球/中國量子通信行業(yè)規(guī)模以及量子通信技術(shù)的專利申請量和專利申請人態(tài)勢的持續(xù)增長均可見一斑。我們通過對國際專利分類體系（IPC）和聯(lián)合專利分類體系（CPC）中的與量子通信相關(guān)的分類號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出與量子通信技術(shù)相關(guān)的分類號主要集中在H04L9、H04B10。其中H04L9主要描述的是量子密碼相關(guān)的密碼、密鑰的產(chǎn)生、共享或更新，H04B10主要描述的是量子通信的傳輸系統(tǒng)。通過對H04L9下的專利統(tǒng)計(jì)分析，將其技術(shù)分支劃分為量子密鑰分發(fā)、量子秘密共享、量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信、量子簽名、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。通過對H04B10下的專利統(tǒng)計(jì)分析，將其技術(shù)分支劃分為信號生成、信號探測、信號調(diào)制。通過對上述技術(shù)分支進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不難看出量子密鑰分發(fā)、量子簽名和信號探測三個(gè)技術(shù)分支的相關(guān)專利申請居前，從側(cè)面也說明這三個(gè)技術(shù)分支是目前量子通信技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和關(guān)注所在。下面選取了量子通信技術(shù)中的量子密鑰分發(fā)和信號探測兩個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)分支來著重了解一下。

2.1關(guān)鍵技術(shù)之密鑰分發(fā)

通過對量子密鑰分發(fā)技術(shù)的專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由圖6可知在全球和中國該關(guān)鍵技術(shù)近年來保持增長態(tài)勢。聚焦到該細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的專利分析后，發(fā)現(xiàn)目前針對該技術(shù)分支的研究的關(guān)注焦點(diǎn)主要集中在：（1）離散變量量子密鑰分發(fā)DV-QKD的改進(jìn)。如CN213879845U中采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一種三用戶TF-QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對現(xiàn)有的只是兩用戶的量子通信TF-QKD協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)；（2）連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)CV-QKD的改進(jìn)。如CN107682144A中優(yōu)化現(xiàn)有的信息調(diào)制技術(shù)，改進(jìn)數(shù)據(jù)后處理流程，提高后處理的數(shù)據(jù)處理速度，提高CV-QKD系統(tǒng)的密鑰率。在DV-QKD技術(shù)方面，尤其是雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議（Twin-FieldQuantumKeyDistribution，TF-QKD）的提出使得整個(gè)QKD傳輸系統(tǒng)的性能，尤其是數(shù)據(jù)傳輸能力，得到了顯著提高，而CV-QKD技術(shù)在成本和集成度方面優(yōu)勢明顯。基于目前CV-QKD技術(shù)和DV-QKD技術(shù)在安全傳輸距離方面存在的差異，以及兩者由于固有的特點(diǎn)在應(yīng)用場景上的不同側(cè)重，使得兩者可以形成很好的互補(bǔ)關(guān)系，從而具備了構(gòu)建商業(yè)化系統(tǒng)的條件。當(dāng)前國內(nèi)在DV-QKD方面的研究機(jī)構(gòu)主要有國盾量子、九州量子、國騰量子、華南師范大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、安徽問天量子科技；在CV-QKD方面的研究機(jī)構(gòu)主要有循態(tài)量子、華為、烽火通信、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)。

2.2關(guān)鍵技術(shù)之信號探測

通過對信號探測技術(shù)的專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由圖7可知在全球和中國該關(guān)鍵技術(shù)近年來同樣保持增長態(tài)勢。聚焦到該細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的專利分析后，發(fā)現(xiàn)目前針對該技術(shù)分支研究的關(guān)注焦點(diǎn)主要集中在：（1）探測效率的改進(jìn)。如CN112929170A中引入本地本振強(qiáng)光，避免接收機(jī)的探測效率變低，提高系統(tǒng)的成碼率。（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)。如CN107196758A中提供一種單光子探測方法，通過對同步信號進(jìn)行相位切換和分段延時(shí)掃描的方式達(dá)到單光子信號的正周期延時(shí)，降低系統(tǒng)的冗余度。目前，單光子探測技術(shù)是量子通信系統(tǒng)中接收端探測微弱量子信號的主流技術(shù)，其中的超導(dǎo)納米線單光子探測（superconductingnanowiresinglephotondetector，SNSPD）技術(shù)具備低暗計(jì)數(shù)、高量子探測效率等優(yōu)異特性，成為量子通信系統(tǒng)信號接收端重點(diǎn)關(guān)注對象。2021年7月5日，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本arXiv上公開了113個(gè)光子的量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)“九章2.0”，在實(shí)現(xiàn)“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解的同時(shí)，其中的一項(xiàng)核心技術(shù)SNSPD，使得平均系統(tǒng)探測效率達(dá)到了83%。

2.3量子通信技術(shù)的創(chuàng)新主體情況

從全球范圍的量子通信技術(shù)專利布局情況來看，目前國內(nèi)走在前列的創(chuàng)新主體有：九州量子、神州量子、安徽問天、國盾量子、如般量子、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、華南師范大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院、阿里巴巴。國外的創(chuàng)新主體主要分布在美國、歐洲、日本、韓國，包括：日本的東芝公司、日本電信電話株式會社、三菱株式會社、日本電氣株式會社，美國的MagiQ技術(shù)公司、惠普、谷歌，芬蘭的諾基亞，英國電信集團(tuán)，韓國電子通信研究院、韓國科學(xué)技術(shù)院。

3.未來發(fā)展展望

篇10

膠體是日常生活中常見的一種軟物質(zhì)，指的是一種不連續(xù)介質(zhì)分散在另外一種連續(xù)介質(zhì)中的均勻混合物，分散質(zhì)可以是固體，液體，也可以是氣體，其長度尺寸一般介于10nm至10μm之間。根據(jù)分散質(zhì)的不同，膠體主要可以分為懸浮液、乳狀液、泡沫、氣溶膠等。膠體涉及我們生活的方方面面，比如墨水，護(hù)手霜，冰淇淋等都屬于膠體范疇。正因如此，對膠體的研究就顯得很有意義。雖然在量子現(xiàn)象中研究范德瓦爾斯力這樣的參量很重要，但是在膠體體系的尺度上，量子力學(xué)效應(yīng)可以忽略，所以可以把膠體體系看作經(jīng)典體系來進(jìn)行研究。同時(shí)，由于膠體中分散質(zhì)的尺寸足夠小，體系的熱力學(xué)漲落就不可忽略。比如在膠體懸浮液中，固體粒子和溶劑分子之間的隨機(jī)相互碰撞形成的布朗運(yùn)動，這是在實(shí)驗(yàn)上很容易觀察到的一個(gè)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，人們就可通過膠體體系來研究物質(zhì)的相變。在六七十年代，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，膠體懸浮液在結(jié)構(gòu)上和原子體系有諸多相似之處，這直接導(dǎo)致了在接下來的幾十年里，人們廣泛采用膠體作為模型去研究液體和晶體。比如在1982年，Lindsay和Chaikin通過將兩種不同尺寸的帶電膠體粒子混合在一起后，觀察到了體系呈現(xiàn)出無序的結(jié)構(gòu)和有限的剛度的玻璃態(tài)行為[1]。在隨后的1986年和1987年，Pusey和Megen在對不帶電的高濃度膠體體系的研究中，也觀察到了硬球膠體的玻璃化轉(zhuǎn)變。

2膠體模型的玻璃化轉(zhuǎn)變

對于膠體懸浮液來說，體系是由固體顆粒分散在液體中所形成的。體系的關(guān)鍵參數(shù)則是堆積分?jǐn)?shù)φ，其定義為固體顆粒所占整個(gè)空間的比例。當(dāng)堆積分?jǐn)?shù)很低時(shí)，體系中粒子能夠自由擴(kuò)散，體系呈現(xiàn)液態(tài)；隨著堆積分?jǐn)?shù)的增加，當(dāng)φ接近于玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)φg時(shí)，體系的粘度將會急劇變大；當(dāng)堆積分?jǐn)?shù)達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)之后，體系表現(xiàn)出與傳統(tǒng)分子或聚合物玻璃體系相類似的行為。由于膠體粒子具有相對較大的尺寸，因此人們可以通過各種設(shè)備與技術(shù)來研究它，而這在分子原子尺度上，是比較難以實(shí)現(xiàn)的。很多情況下，膠體微球就可以被看作一種簡單的硬球。早在八十年代中期，Pusey和vanMegen就開始在實(shí)驗(yàn)上利用膠體體系來研究硬球體系的相圖[2]。這一研究之所以如此重要，主要是因?yàn)橐韵略颍毫Ｗ娱g的相互作用比較單一，且易于描述；粒子間的簡單相互作用可以和諸多體系進(jìn)行對比，并且在計(jì)算機(jī)模擬上較容易實(shí)現(xiàn)；可以通過顯微鏡，光散射，流變等一系列技術(shù)來研究。Pusey和Megen曾采用PMMA微球來研究玻璃化轉(zhuǎn)變，為了防止粒子間因范德瓦爾斯力而發(fā)生聚集，他們在粒子表面覆蓋了一層約10nm的聚12羥基硬脂酸[3]。正是由于這些硬質(zhì)的涂覆層，粒子可以被看作硬球，因?yàn)楫?dāng)粒子非?？拷鼤r(shí)，粒子間發(fā)生相互作用的是涂覆層。這些粒子在有機(jī)溶劑中非常穩(wěn)定，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)上也比較容易進(jìn)行調(diào)整，比如染色后的粒子，就可以在攝熒光顯微鏡下觀察。

3動力學(xué)不均勻性

對于玻璃而言，體系中某些區(qū)域的動力學(xué)可能比另一些區(qū)域更快些，而這些區(qū)域在空間上也會比較緊湊，人們稱這種現(xiàn)象為動力學(xué)不均勻性，也就是說系統(tǒng)中不同區(qū)域的弛豫速率是不同的。在這些系統(tǒng)中，弛豫的時(shí)間尺度和空間尺度相互耦合，也就是說較長的弛豫時(shí)間一般對應(yīng)這較大的粒子團(tuán)簇。在體系快要發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，粒子可能需要“相互協(xié)同”才能重排，所以通常用協(xié)同運(yùn)動來描述動力學(xué)不均勻性。動力學(xué)不均勻的現(xiàn)象也與牢籠受限和牢籠重排之間存在一定的關(guān)系。在短時(shí)間內(nèi)，粒子做布朗運(yùn)動，但是這種運(yùn)動卻因?yàn)榱Ｗ优c周圍粒子發(fā)生碰撞而受到限制。一個(gè)粒子的近鄰粒子限制了該粒子，同時(shí)該粒子也是構(gòu)成了包圍其周圍粒子籠子的一部分。在較長的時(shí)間尺度上來看，這些“籠子”就可能發(fā)生塌陷，體系也就隨之發(fā)生了重排。實(shí)驗(yàn)上所觀察到的空間動力學(xué)不均勻性，與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果之間也存在高度的吻合。在玻璃化轉(zhuǎn)變過程中，人們很容易觀察到協(xié)同運(yùn)動區(qū)域增大，但這和弛豫時(shí)間不斷增大之間的關(guān)系還并不得而知。直觀上講，如果越來越多的粒子需要同時(shí)以協(xié)同的方式運(yùn)動，這種粒子間的關(guān)聯(lián)運(yùn)動就可能是導(dǎo)致擴(kuò)散時(shí)間的延長的直接原因。從這個(gè)角度講，或許動力學(xué)不均勻性和玻璃化轉(zhuǎn)變之間就連在了一起，也就可以說正是動力學(xué)不均勻性導(dǎo)致了玻璃化轉(zhuǎn)變。Cooper等人利用模擬的手段，模擬出一個(gè)能夠發(fā)生重排的體系，為了得到結(jié)論，他們重復(fù)運(yùn)行了具有相同初始構(gòu)型的體系。他們將初始構(gòu)型經(jīng)過分子動力學(xué)平衡，并且隨機(jī)的賦予粒子初始速度。即使這樣，他們發(fā)現(xiàn)動力學(xué)不均勻性和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性也很弱[4]。正由于有模擬結(jié)果作為支撐，所以利用膠體體系研究動力學(xué)不均勻性的方向性顯得更強(qiáng)。模擬的結(jié)果能夠指導(dǎo)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，更能夠使得實(shí)驗(yàn)上存在困難或難以實(shí)現(xiàn)的研究得以開展。Kob等人也通過計(jì)算機(jī)模擬，研究了一種新穎的隨機(jī)pinning體系，他們隨機(jī)的選擇一部分粒子，把這些粒子固定住以對體系進(jìn)行限制。這樣就可以通過對該受限體系中運(yùn)動粒子的研究，來探究玻璃體系中的動力學(xué)不均勻性了。他們發(fā)現(xiàn)隨著pinning粒子比例的增加，體系的協(xié)同性就會減弱，這正是由于pinning粒子破壞了體系的協(xié)同重排區(qū)域所導(dǎo)致的。原本一個(gè)粒子的運(yùn)動狀態(tài)能夠影響到周圍的粒子，并傳遞下去，但是當(dāng)有了pinning粒子之后，這種能量的傳遞被阻礙了，體系的協(xié)同性遭也就隨之遭到了破壞[5]。

4結(jié)語