量子科技公開課

前 言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1
第一部分 歷史的回響
第一講 動(dòng)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(duì)“量子”自動(dòng)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(gè)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(tái)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 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(jìng)爭(zhēng)中獲得壓倒性優(yōu)勢(shì)，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(tái)。
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(chǎng)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(dòng)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?cè)诤暧^世界中習(xí)慣了的認(rèn)知，也使我們對(duì)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(duì)一個(gè)量子態(tài)的制備、操控和觀察，每一步都是對(duì)人類知識(shí)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(cè)量與測(cè)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(duì)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(shí)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(dòng)科學(xué)進(jìn)步的精密測(cè)量．．．．．．．．．．．．． 95
更好的測(cè)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(cè)量的藝術(shù)緊密聯(lián)系在一起。但精密測(cè)量的極限在哪里？引入了量子元素的精密測(cè)量可能做到絕對(duì)精準(zhǔn)無誤嗎？
一、基本物理量計(jì)量基準(zhǔn)的量子化 96
二、精密測(cè)量的極限在哪里 99
三、測(cè)量技術(shù)的未來——量子傳感 102
第七講 百秒頂億年——量子計(jì)算機(jī)的制造．．．．．．．．．．．．．．．．．． 105
量子計(jì)算機(jī)代表的是一項(xiàng)顛覆性的未來技術(shù)，不僅會(huì)改變長期統(tǒng)治人類計(jì)算方式的圖靈模式，而且會(huì)提升人類對(duì)量子世界的認(rèn)知水平。研制量子計(jì)算機(jī)既是顯示一個(gè)國家高科技實(shí)力的科技問題，也是關(guān)系到一個(gè)國家信息安全的政治問題。
一、量子計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)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(jì)算 115
四、如何造出量子計(jì)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(jì)算復(fù)雜性．．．．．．．．．．．．．．．． 127
什么是難，什么是易？隨著人類智力活動(dòng)探索的不斷發(fā)展，人們從數(shù)學(xué)上給出了什么是計(jì)算以及難和易的嚴(yán)格的模型和定義。這就是可計(jì)算性和計(jì)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(jì)算 135
三、量子計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快（指數(shù)倍）。同時(shí)適用規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)目前還難以實(shí)現(xiàn)。人們退而求其次，先設(shè)計(jì)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(jì)算的超越性究竟是唾手可得還是水中月？
一、名稱之爭(zhēng)——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