量子密碼學(xué)理論基礎(chǔ)[教育類(lèi)別]

1、1 培訓(xùn)類(lèi) 19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)處于新舊交替的時(shí)期。生產(chǎn) 的發(fā)展和技術(shù)的提高，導(dǎo)致了物理實(shí)驗(yàn)上一系列重大發(fā) 現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的經(jīng)典物理理論大廈越發(fā)牢固，欣欣向榮， 而唯一不協(xié)調(diào)的只是物理學(xué)天空上小小的兩朵烏云。 但是正是這兩朵烏云卻揭開(kāi)了物理學(xué)革命的序幕：一朵 烏云下降生了量子論，緊接著從另一朵烏云下降生了相 對(duì)論。量子論和相對(duì)論的誕生，使整個(gè)物理學(xué)面貌為之 一新。 2 培訓(xùn)類(lèi) 量子論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基 石之一。量子論給我們提供了 新的關(guān)于自然界的表述方法和 思考方法。量子論揭示了微觀 物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子 物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理 學(xué)和粒子物理學(xué)奠定了理論基 礎(chǔ)。它能很好地解釋原

2、子結(jié)構(gòu)、 原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素 的性質(zhì)、光的吸收與輻射等。 3 培訓(xùn)類(lèi) 20世紀(jì)初,新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不斷發(fā)現(xiàn),經(jīng)典物理學(xué)在解 釋一些現(xiàn)象時(shí)出現(xiàn)了困難,其中表現(xiàn)最為明顯和突出 的是以下三個(gè)問(wèn)題: 黑體輻射問(wèn)題; 光電效應(yīng)問(wèn)題; 原子穩(wěn)定性和原子光譜. 4 培訓(xùn)類(lèi) 什么是黑體？在任何條件下，對(duì)任何波長(zhǎng)的外來(lái)輻 射完全吸收而無(wú)任何反射的物體，即吸收比為1的 物體。 1900年,才華橫溢而又保守謹(jǐn)慎的德國(guó)物理學(xué)家普 朗克(MaxPlanck,1858-1947)為解決黑體輻射問(wèn)題, 大膽地提出了一個(gè)革命性的思想:電磁振蕩只能以 量子的形式發(fā)生,量子的能量E和頻率 u之間有一 確定的關(guān)系:E=h u

3、h為一自然的基本常數(shù). 普朗克假定:黑體以h u為能量單位不連續(xù)地發(fā)射和 吸收頻率為u的輻射,而不是象經(jīng)典理論所要求的那 樣可以連續(xù)地發(fā)射和吸收能量。 5 培訓(xùn)類(lèi) 如果一個(gè)物體能全部吸收投射在如果一個(gè)物體能全部吸收投射在 它上面的輻射而無(wú)反射，這種物它上面的輻射而無(wú)反射，這種物 體稱(chēng)為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。體稱(chēng)為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。 0 1 2 3 4 5 60 1 2 3 4 5 6 (m)(m) 1700K K 1500K K 1300K K 1100K K )(TM B 黑體：吸收和輻射都最大黑體：吸收和輻射都最大 黑洞：只吸收不輻射，黑洞：只吸收不輻射， 電磁波為黑洞所束縛，電磁波為黑洞

4、所束縛， 無(wú)法逃逸出來(lái)。無(wú)法逃逸出來(lái)。 6 培訓(xùn)類(lèi) 普朗克的新思想是與經(jīng)典理論相違背的, 它沖破了經(jīng)典物理傳統(tǒng)觀念對(duì)人們的長(zhǎng) 期束縛,這就為人們建立新的概念,探索 新的理論開(kāi)拓了一條新路.在這個(gè)假設(shè) 的啟發(fā)下,許多微觀現(xiàn)象得到了正確的 解釋,并在此基礎(chǔ)上建立起一個(gè)比較完 整的,并成為近代物理學(xué)重要支柱之一 的量子理論體系。 7 培訓(xùn)類(lèi) 實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 )T(M B 維恩維恩 瑞利瑞利-金斯金斯 紫紫 外外 災(zāi)災(zāi) 難難 0 123 456789)m( T C B eC)T(M 2 5 1 TC)T(M B 4 3 8 培訓(xùn)類(lèi) h h普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)sJh 34 1063. 6 由此普朗克得到了

5、由此普朗克得到了黑體輻射公式黑體輻射公式，成功的解釋了黑體輻射，成功的解釋了黑體輻射 1 1 2 52 kT hc B e hc)T(M c c 光速光速 k k 玻爾茲曼恒量玻爾茲曼恒量 (1)(1)黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波，電磁波， 并和周?chē)碾姶艌?chǎng)交換能量。并和周?chē)碾姶艌?chǎng)交換能量。 (2) (2) 這些諧振子能量不能連續(xù)變化，只能取一些分立值，這些諧振子能量不能連續(xù)變化，只能取一些分立值， 是最小能量是最小能量 的整數(shù)倍的整數(shù)倍, ,這個(gè)最小能量稱(chēng)為能量子。這個(gè)最小能量稱(chēng)為能量子。 h 9 培訓(xùn)類(lèi) 光子以光子以 頻率頻率v v入

6、射入射 光電效應(yīng) 愛(ài)因斯坦方程 的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 光電效應(yīng) 光照射到金屬表 面時(shí)，有電子從金屬表面逸 出的現(xiàn)象。 光電子 逸出的電子。 光電子由K飛向A，回路中形 成光電流。 OO OO OO OO A K G V R 10 培訓(xùn)類(lèi) 愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 方程方程 Amvh m 2 2 1 光是以光速光是以光速 c c 運(yùn)動(dòng)的微粒流，稱(chēng)為光量子（光子）運(yùn)動(dòng)的微粒流，稱(chēng)為光量子（光子） 光子的能量光子的能量：金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子能量金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子能量h h 以后，以后， 一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功A A ，一部分

7、，一部分 轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能。轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能。 11 培訓(xùn)類(lèi) 微觀粒子的空間位置要由概率波來(lái)描述，概率波只能給出微觀粒子的空間位置要由概率波來(lái)描述，概率波只能給出 粒子在各處出現(xiàn)的概率。任意時(shí)刻不具有確定的位置和確粒子在各處出現(xiàn)的概率。任意時(shí)刻不具有確定的位置和確 定的動(dòng)量。定的動(dòng)量。 電子束電子束 x x 縫縫 a 2 X X方向電子的位置不準(zhǔn)確量為：方向電子的位置不準(zhǔn)確量為： ax 12 培訓(xùn)類(lèi) sinxksin x pp X X方向的分動(dòng)量方向的分動(dòng)量p px x的測(cè)不準(zhǔn)量為：的測(cè)不準(zhǔn)量為： kpx h p x pxkp x p y p p 電子束電子束 x x 縫縫 a 2 ax

8、x pxkhh 相關(guān)公式：dsin= n 其中d為為兩狹縫之間 的間距,為衍射角度， n為光柵級(jí)數(shù)，為波 長(zhǎng)。 13 培訓(xùn)類(lèi) 經(jīng)嚴(yán)格證明此式應(yīng)為：經(jīng)嚴(yán)格證明此式應(yīng)為： hxpx 2 xpx 這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式 2 yp y 2 zpz 2 h 普朗克常數(shù)稱(chēng)為約化普朗克常數(shù)或 14 培訓(xùn)類(lèi) 什么是薛定諤的貓?處于所謂“疊加態(tài)”的微觀粒子之狀態(tài)是不確 定的，例如：電子可以幾乎同時(shí)位于幾個(gè)不同的地點(diǎn)，直到被觀察測(cè)量 （觀測(cè)）時(shí)，才在某處出現(xiàn)。這種事如果發(fā)生在宏觀世界的日常生活中， 就好比：我在家中何處是不確定的，你看我一眼，我就突然現(xiàn)身于某處 客廳、餐廳、廚

9、房、書(shū)房或臥室都有可能，而在你看我之前，我像云霧 般隱身在家中，穿墻透壁到處游蕩。薛定諤的貓”佯謬巧妙地把微觀放射 源和宏觀的貓聯(lián)系起來(lái)，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態(tài)。是薛定諤試 圖證明量子力學(xué)在宏觀條件下的不完備性而提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn). 15 培訓(xùn)類(lèi) 把一只貓放進(jìn)一個(gè)不透明的盒子里，然后把這個(gè)盒子連接 到一個(gè)包含一個(gè)放射性原子核和一個(gè)裝有有毒氣體的容器的實(shí)驗(yàn)裝 置。設(shè)想這個(gè)放射性原子核在一個(gè)小時(shí)內(nèi)有50%的可能性發(fā)生衰變。 如果發(fā)生衰變，它將會(huì)發(fā)射出一個(gè)粒子，而發(fā)射出的這個(gè)粒子將會(huì) 觸發(fā)這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，打開(kāi)裝有毒氣的容器，從而殺死這只貓。根據(jù) 量子力學(xué)，未進(jìn)行觀察時(shí)，這個(gè)原子核處于已衰變和未衰變的疊加 態(tài)，但是，如果在一個(gè)小時(shí)后把盒子打開(kāi)，實(shí)驗(yàn)者只能看到“衰變 的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況。 這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的巧妙之處，在于通過(guò)“檢測(cè)器原子毒 藥瓶”這條因果鏈，