公基備考：通往微觀世界的一扇窗——量子力學(xué)

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      經(jīng)過多年攻關(guān)，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)，為發(fā)展可擴(kuò)展的量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表了這一成果，并稱其是“量子通信領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹，量子隱形傳態(tài)，是一種全新的通信方式，類似于科幻電影中的星際穿越。它能借助量子糾纏這一特性，將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身，是遠(yuǎn)距離量子通信和分布式量子計(jì)算的核心功能單元。

量子力學(xué)和相對(duì)論不僅是物理學(xué)的突破，也是人類思想的巨大飛躍，它們使人類的宇宙觀和自然觀發(fā)生了深刻的變化，堪稱20世紀(jì)最偉大的科學(xué)革命。由于量子力學(xué)在科技的發(fā)展史上具有極其重要的地位，因而成為事業(yè)單位考試中經(jīng)常涉及的考點(diǎn)。接下來，小編就給大家具體介紹一下量子、量子力學(xué)、量子通信等相關(guān)概念和理論。

考點(diǎn)1：量子

量子是現(xiàn)代物理的重要概念。最早是由德國(guó)物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出的。一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。在物理學(xué)中常用到量子的概念，指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體。通俗地說，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。

自從普朗克提出量子這一概念以來，經(jīng)愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世紀(jì)的前半期，初步建立了完整的量子力學(xué)理論。絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)視為理解和描述自然的基本理論。這同以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學(xué)。

考點(diǎn)2：量子力學(xué)

量子力學(xué)為物理學(xué)理論，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論。它與相對(duì)論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。許多物理學(xué)理論和科學(xué)如原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)以及其它相關(guān)的學(xué)科都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)所進(jìn)行的。量子力學(xué)不僅是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學(xué)等學(xué)科和許多近代技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

考點(diǎn)3：量子通信

一、概念

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没�發(fā)展。

二、分類

根據(jù)應(yīng)用途徑，量子通信可分為：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。按其所傳輸?shù)男畔��?nèi)容分為是經(jīng)典通信和量子通信而分為兩類。前者主要傳輸量子密鑰，后者則可用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。

三、特點(diǎn)

量子通信具有很多特點(diǎn)，其中與傳統(tǒng)的通信方式相較，量子通信最大的優(yōu)勢(shì)就是絕對(duì)安全和高效率性，首先傳統(tǒng)通信方式在安全性方面就有很多缺陷，量子通信會(huì)將信息進(jìn)行加密傳輸，在這個(gè)過程中密鑰不是一定的，充滿隨機(jī)性，即使被相關(guān)人員截獲，也不容易獲取真實(shí)信息，另外量子通信還有較強(qiáng)的抗干擾能力、很好的隱蔽性能、較低的噪音比需要以及廣泛應(yīng)用的可能性。

量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對(duì)安全特性，不但在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活。

四、量子通信衛(wèi)星

量子通信衛(wèi)星就是通過衛(wèi)星，連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，形成天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。它具有保密性超強(qiáng)(目前理論上不能破解)、量子傳態(tài)等特點(diǎn)，是世界通信發(fā)展的方向。

2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。這將使我國(guó)在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。

首顆量子通信衛(wèi)星以我國(guó)古代科學(xué)家墨子的名字來命名。墨子最早提出過光線沿直線傳播的觀點(diǎn)，進(jìn)行了小孔成像實(shí)驗(yàn)。用他的名字命名以紀(jì)念他在早期物理光學(xué)方面的成就。

墨子最早通過小孔成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光是直線傳播的，第一次對(duì)光直線傳播進(jìn)行了科學(xué)解釋——這在光學(xué)中是非常重要的一條原理，為量子通信的發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。墨子還提出了某種意義上的粒子論。光量子學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星以中國(guó)科學(xué)家先賢墨子來命名，體現(xiàn)了中國(guó)的文化自信。

試題練習(xí)：

1. ( )的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認(rèn)識(shí)自然實(shí)現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。

A. 量子力學(xué)B. 相對(duì)論

C. 電磁理論D. 原子核物理學(xué)

【答案】A

【解析】量子力學(xué)在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認(rèn)識(shí)自然實(shí)現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。本題選擇A項(xiàng)。

2. 現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱為相對(duì)論和( )

A. 經(jīng)典力學(xué)B. 量子理論

C. 光學(xué)理論D. 天體物理學(xué)

【答案】B

【解析】量子力學(xué)與相對(duì)論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。許多物理學(xué)理論以及其它相關(guān)的學(xué)科都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。本題選擇B項(xiàng)。

3.( )是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支科學(xué)。

A. 熱力學(xué)B. 電磁理論學(xué)

C. 量子力學(xué)D. 相對(duì)論學(xué)

【答案】C

【解析】量子力學(xué)是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論。本題選擇C項(xiàng)。

4. 隨著( )發(fā)射任務(wù)的圓滿成功，人類將首次完成衛(wèi)星和地面之間的量子通信。

A. 脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星B. 神州十一號(hào)載人飛船

C. “墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星D. 天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室

【答案】C

【解析】2016年8月16日，由我國(guó)科學(xué)家自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。

5. 2016年8月16日，我國(guó)成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，這標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)研究又邁出重要一步。這顆衛(wèi)星被命名為莫子號(hào)是因?yàn)? )

A. 墨子闡述了謙愛的思想

B. 墨子闡述了非攻的思想

C. 墨子提出了日心說

D. 墨子發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播

【解析】D

【答案】墨子最早提出光線沿直線傳播的觀點(diǎn)，進(jìn)行了小孔成像實(shí)驗(yàn)。用他的名字命名以紀(jì)念他在早期物理光學(xué)方面的成就。本題選擇D項(xiàng)。

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