量子密碼學理論基礎課件

量子理論基礎量子密碼學理論基礎量子密碼學的誕生19世紀末20世紀初，物理學處于新舊交替的時期。生產(chǎn)的發(fā)展和技術的提高，導致了物理實驗上一系列重大發(fā)現(xiàn)，使當時的經(jīng)典物理理論大廈越發(fā)牢固，欣欣向榮，而唯一不協(xié)調的只是物理學天空上小小的"兩朵烏云"。但是正是這兩朵烏云卻揭開了物理學革命的序幕：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論。量子論和相對論的誕生，使整個物理學面貌為之一新。量子密碼學理論基礎量子理論的簡介量子論是現(xiàn)代物理學的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關于自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質世界的基本規(guī)律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎。它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規(guī)律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射等。量子密碼學理論基礎舊量子理論的建立20世紀初,新的實驗事實不斷發(fā)現(xiàn),經(jīng)典物理學在解釋一些現(xiàn)象時出現(xiàn)了困難,其中表現(xiàn)最為明顯和突出的是以下三個問題:黑體輻射問題;光電效應問題;原子穩(wěn)定性和原子光譜.量子密碼學理論基礎黑體輻射什么是黑體？在任何條件下，對任何波長的外來輻射完全吸收而無任何反射的物體，即吸收比為1的物體。1900年,才華橫溢而又保守謹慎的德國物理學家普朗克(MaxPlanck,1858-1947)為解決黑體輻射問題,大膽地提出了一個革命性的思想: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之間有一確定的關系:[E=hu]h為一自然的基本常數(shù).普朗克假定:黑體以hu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。量子密碼學理論基礎為了定量描述某物體在一定溫度下發(fā)出的能量隨波長的分布，引入“色輻射本領”(也叫單色輻出度)的概念。波長為λ的單色輻射本領是指單位時間內從物體的單位面積上發(fā)出的波長在λ附近單位波長間隔所輻射的能量．通常用Mλ(T)表示。6如果一個物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。0123456(μm)1700K1500K1300K1100K黑體：吸收和輻射都最大黑洞：只吸收不輻射，電磁波為黑洞所束縛，無法逃逸出來。量子密碼學理論基礎普朗克的量子假設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)觀念對人們的長期束縛,這就為人們建立新的概念,探索新的理論開拓了一條新路.在這個假設的啟發(fā)下,許多微觀現(xiàn)象得到了正確的解釋,并在此基礎上建立起一個比較完整的,并成為近代物理學重要支柱之一的量子理論體系。量子密碼學理論基礎8實驗值維恩瑞利--金斯紫外災難普朗克的量子假設量子密碼學理論基礎9h—普朗克常數(shù)由此普朗克得到了黑體輻射公式，成功的解釋了黑體輻射c

——光速k

——玻爾茲曼恒量(1)黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波，并和周圍的電磁場交換能量。(2)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

的整數(shù)倍,這個最小能量稱為能量子。普朗克的量子假說量子密碼學理論基礎光子以頻率v入射光的量子性光電效應愛因斯坦方程的實驗規(guī)律光電效應光照射到金屬表面時，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。OOOOOOOO量子密碼學理論基礎愛因斯坦光子假說愛因斯坦光電效應方程光是以光速c運動的微粒流，稱為光量子（光子）光子的能量：金屬中的自由電子吸收一個光子能量h

以后，一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功A

，一部分轉化為光電子的動能。量子密碼學理論基礎測不準關系微觀粒子的空間位置要由概率波來描述，概率波只能給出粒子在各處出現(xiàn)的概率。任意時刻不具有確定的位置和確定的動量。電子束x縫屏幕X方向電子的位置不準確量為：量子密碼學理論基礎13

X方向的分動量px的測不準量為：電子束x縫屏幕相關公式：d·sinθ=n·λ其中d為為兩狹縫之間的間距,θ為衍射角度，n為光柵級數(shù)，λ為波長。量子密碼學理論基礎14經(jīng)嚴格證明此式應為：這就是著名的海森伯測不準關系式量子密碼學理論基礎趣味實驗——薛定諤的貓

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：電子可以幾乎同時位于幾個不同的地點，直到被觀察測量（觀測）時，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、廚房、書房或臥室都有可能，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，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在宏觀條件下的不完備性而提出的一個思想實驗.量子密碼學理論基礎

把一只貓放進一個不透明的盒子里，然后把這個盒子連接到一個包含一個放射性原子核和一個裝有有毒氣體的容器的實驗裝置。設想這個放射性原子核在一個小時內有50%的可能性發(fā)生衰變。如果發(fā)生衰變，它將會發(fā)射出一個粒子，而發(fā)射出的這個粒子將會觸發(fā)這個實驗裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這只貓。根據(jù)量子力學，未進行觀察時，這個原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，但是，如果在一個小時后把盒子打開，實驗者只能看到“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。

這個理想實驗的巧妙之處，在于通過“檢測器－原子－毒藥瓶”這條因果鏈，似乎將鈾原子的“衰變－未衰變疊加態(tài)”與貓的“死－活疊加態(tài)”聯(lián)系在一起，使量子力學的微觀不確定性變?yōu)楹暧^不確定性；微觀的混