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量子理论及技术的发展【摘要】本文简述了在量子力学的发展过程中所带动的激光、半导体、扫描隧道显微镜、量子信息等技术的形成及影响，并借此强调了基础理论对于技术发明的重要性。【关键词】量子力学激光半导体扫描隧道显微镜量子信息回顾科技史，以量子论、相对论为代表的近代物理学掀起了以能源、材料、信息为代表的现代技术革命，其中量子理论在形成中便带动了相关技术群的出现并促进了自身研究的深入和拓展。一、从“光量子假说”到激光技术１９００年，德国物理学家普朗克为了解决有关热辐射现象的“黑体辐射”难题，提出了“普朗克假设”，其“能量子”概念的提出标志着量子力学的诞生。随后，爱因斯坦于１９０５年提出了“光量子假说”以解释“光电效应”，使人们对能量量子化的认识更深入了一步的认识。１９１６年，爱因斯坦指出辐射有两种形式：自发辐射和受激辐射，从而为激光器的发明奠定了理论基础。激光器在技术上的最终实现得益于二战后对与雷达相关的微波的深人研究。其中标志性的工作有：１９３３年拉登伯格观测到了负色散现象；１９３９年法布里坎特指出辐射放大的必要条件是实现粒子数反转；１９４６年布洛赫观察到了粒子数反转的信号；１９５１年珀塞尔第一次在实验中实现了粒子数反转并观察到了受激辐射；１９５１年汤斯首次提出实现微波放大的可能性；１９５４年汤斯等人成功地制成了世界上第一台“辐射的受激发射微波放大”的装置（简称脉塞Ｍａｓｅｒ）；１９５８年汤斯和肖洛论证了把微波激射技术扩展到论的又一重大课题。在量子力学建立前，特鲁特于１９００提出了经典的金属自由电子气体模型，定性的解释了金属的电导和热导行为，但得到的定量比热关系在低温时与实验偏离较大。１９０７年爱因斯坦应用了量子假说，所得结果得到了能斯特的实验验证和大力宣传，使量子论开始被人们认识，从而打开了迅速发展的局面。从１９１３年玻尔提出半经典的量子论原子模型到１９２８年狄拉克发表电子的相对红外区和可见光区的可能性。最终，美国休斯研究所的梅曼于１９６０年成功制造并运转了第一台激光器——红宝石脉冲激光器，同年１２月贾万研制出第一台气体激光器——氦氖激光器。这两种激光器的相继问世引起了全世界科技界研究激光的热潮，各种激光器陆续出现。其中有可获得大功率脉冲的钕激光器，连续输出大功率的二氧化碳激光器，可在室温下工作的小型半导体激光器，从化学反应获得能量的化学激光器，光谱线很宽的可以连续改变激光输出波长的染料激光器。后来，还出现了自由电子激光器、准分子激光器、离子激光器等等。激光的波长范围已扩展到从红外到紫外以至ｘ射线的所有波段，激光的应用更涉及到从日常生活到高新科技各个领域．如工业上的激光切割、焊接、打孔、表面改性、测距、大气污染分析；生物上的激光育种、水产养殖、品种改良、生命活细胞的全息照相；医疗上的激光外科手术、诊断；军事上的激光制导炸弹、强激光武器；此外，激光还应用于通信、光盘、分离同位素、激光核聚变等许多方面。激光技术是以量子理论为主的现代物理学和现代技术相结合孕育出来的一门科学技术，它的发展历史不仅充分显示出物理科学理论对技术发明的预见性，而且它本身又作为现代科学技术家族中的一个优等生，大大促进和推动着现代物理学和现代科学技术的发展。二、从“费米统计”到半导体技术继黑体辐射和光电效应之后，固体比热的研究是量子论的又一重大课题。在量子力学建立前，特鲁特于１９００提出了经典的金属自由电子气体模型，定性的解释了金属的电导和热导行为，但得到的定量比热关系在低温时与实验偏离较大。１９０７年爱因斯坦应用了量子假说，所得结果得到了能斯特的实验验证和大力宣传，使量子论开始被人们认识，从而打开了迅速发展的局面。从１９１３年玻尔提出半经典的量子论原子模型到１９２８年狄拉克发表电子的相对论方程，短短几年内，量子力学的基础和数学框架就被确立了起来。这为进一步解决了固体物理中的基本问题准备了条件，也为人类了解物质的微观结构奠定了基础。１９２６年，狄拉克在薛定谔的多体波函数启示下，开始研究全同粒子系统，他发现，如果描述全同粒子的多体波函数是对称的，这些粒子将服从玻色一爱因斯坦统计；如果这一波函数是反对称的，这些粒子将服从费米一狄拉克统计，并证明了在波函数反对称条件下，新的统计是量子力学的必然结果。１９２８年索未菲首先将费米一狄拉克统计用于电子气体，发展出了量子的金属自由电子气体模型。在此模型基础上，普朗克于１９２８年在应用量子力学研究金属导电问题时，提出固体能带论的基本思想，第一次科学地阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体。随后，英国物理学家威尔逊于１９３１年据导电机理，将半导体分为“本征半导体”与“杂质半导体”，并提出半导体所有变化多端的性质和广泛的应用价值，都是由杂质导电机理决定的。１９３９年肖特基、莫特和达维多夫，建立了解释金属一半导体接触整流作用的扩散理论。这样，在量子理论的基础上发展起来的能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。技术上，贝尔实验室的固体物理研究组于１９４７年终于成功发明了晶体管；１９５８年第一块集成电路研制成功；１９６４年中规模电路研制成功并于１９７３年开始进入工业化生产阶段，踟年代则进人了超大规模集成电路时代。集成电路发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的。以集成电路为核心的微电子技术渗透到现代通信、信息技术、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用。三、从“势垒隧穿”到扫描隧道显微镜技术量子力学不仅为了解物质结构奠定了理论基础，还开发了探测物质结构的重要技术手段。经典物理中，粒子不能越过能量大于它的势垒而进入到另一个区域。但在量子力学中，即使粒子能量小于势垒高度，粒子在垒区、甚至在垒后的波函数也都不为零，这就是说，粒子有一定的率处于势垒内。甚至还有一定的概率能穿透势垒而进入垒后区域，好像在势垒中有一个“隧道”能使少量粒子穿过而进入垒后，所以人们就形象地称之为隧道效应。１９８１年，ＩＢＭ公司苏黎世实验室的两位科学家宾尼希和罗雷尔利用电子的隧道效应制成了扫描隧道显微镜（ＳＴＭ，ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）。其原理是，若将两块平行放置的相同导体平板电极用一非常薄的绝缘层隔开，并在两极之间施一直流电压，则在绝缘导区域将形成一势垒，负电极中的电子可以穿过绝缘层的势垒到达正电极，形成隧穿电流，据量子力学知识，这种情形下隧道电流密度随绝缘层厚度呈指数关系变化，因此ＳＴＭ具有高精度。ＳＴＭ发明以后，相继诞生了一系列在工作模式、组成结构及主要性能与ＳＴＭ相似的显微仪器，构成了一个不断发展的“扫描探针显微镜”家族，用来获取有关表面结构的各方面信息。这其中有１９８６年宾尼希等人在ＳＴＭ的基础上发明的原子力显微镜，克服了ＳＴＭ只能用于导体、半导体的不足；扫描噪声显微镜，不仅可用于观测表面形貌，还提供了一种控制隧道间隙的新方法，可用于热电子电压等测量；扫描隧道电位仪，由反馈系统利用交流电压控制隧道间隙的恒定，可用来测量纳米尺度的电位变化；弹道电子发射显微镜，利用的样品是金属一半导体构成的肖特基势导电结，是目前唯一能够在纳米尺度上无损伤探测表面和界面结构的先进分析仪器；此外，还有用光代替探针的近场扫描光学显微镜、光子扫描隧道显微镜等。扫描探针显微术的诞生，使人类能够实时地观测原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质，大大缩短了宏观世界和微观世界的距离，对表面科学、材料科学、生物科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值，特别是它能够实施的对单个原子的操作和控制技术直接推动了纳米科技的飞速发展。四、从“态叠加原理”到量子信息技术量子理论的一个特点是，在其基本理论体系建成并经广泛地成功应用后，围绕它基本概念和原理的理解及物理图像的争论也一直在进行着。量子力学是用波函数（量子态）来描述量子客体的状态。按照量子力学的态叠加原理，量子体系既可以处于一系列的稳定状态（定态），也可以处于它们的叠加态中。如果测量处于叠加态粒子的某种属性（如能量），得到的是叠加态中所有可能的能量值中的某一个值，此值出现的几率大小取决于波函数的平方。对此，爱因斯坦等人设计了“ＥＰＲ佯谬”来反对量子力学所描述的真实世界的非定域性；薛定谔设想了“薛定谔猫案”来怀疑宏观世界的量子效应。当前，旷日持久的争论已从思辨性讨论转向实证性研究。玻色一爱因斯坦凝聚实验、贝尔不等式违背实验、路径实验的完成已从技术上支持了量子力学的正确性，不仅逐渐澄清了对量子力学理论本身相关问题的认识，还开拓了量子力学新的应用领域。当电子信息技术受芯片上集成晶体管极限数目的限制而不能继续发展时，信息科学与量子力学结合而产生出量子信息学便成为必然。量子信息学的出发点是用量子态表示信息，有关信息的问题都必须采用量子力学来处理：信息的演变遵从薛定谔方程，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理（计算）是量子态的幺正变换，信息的提取便是对量子系统实行量子测量。量子信息的单元称为量子比特，它是两个逻辑态的叠加态，可以用实验中任何两态的量子系统来制备，如光子的正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式等。信息一旦量子化，便服从量子力学的特性，主要有：量子态的叠加性、量子相干性、量子纠缠性、量子不可克隆定理以及量子不确定性原理等。量子特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限。量子信息学主要包括量子通信、量子密码术、量子计算机等几个方面。量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典的还是量子的而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者可用于量子隐形传送和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送，在以前，这只是一种幻想。１９９３年ＩＢＭ公司的本内特等人提出了利用经典和量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。１９９７年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与他人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。后来，潘建伟等人又发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案，原则上解决了远距离量子通信中的根本问题。通过量子隐形传送可以完成大容量信息的传输，亦可以实现原则上不可破译的量子保密通信。量子密码术并不用于传输密文，而是用于建立、传输密码本。根据量子力学的不确定性原理及量子不可克隆定理，任何窃听者的存在都会被发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全，由此解决了传统密码学中单靠数学无法解决的问题。其最早思想由美国哥伦比亚大学的ＷｉｅＳｎｅｒ在１９６９年提出。理论上，已有ＢＢ８４协议、Ｅ９１协议、Ｂ９２协议三大主流方案旧１；技术上，保密通信的距离由开始的几十厘米，到现在的几十公里，传播媒介包括自由空间和光纤，显示出巨大的应用潜力。量子计算机的概念源于２０世纪６０年代至７０年代科学家们为了解决计算机中的能耗问题对可逆计算机进行的研究。量子计算机利用了量子相干性，进行的是量子并行计算和量子模拟计算。在技术上实现量子计算必须解决三个方面的问题：一是量子算法，它是提高运算速度的关键，目前已研究成功的有Ｓｈｏｒ的量子并行算法、Ｇｒｏｖｅｒ的量子搜寻算法等；二是量子编码，它是克服消相干的有效办法，目前已有量子纠错、量子避错和量子防错三种不同原理；三是实现量子计算的物理体系（即多