量子物理是什么？ 纽约州立大学石溪分校 张哲东

The eternal mystery of the world is its comprehensibility --- A. Einstein

If quantum mechanics hasn’t profoundly sh- ocked you, you haven’t understood it yet ! --- N. Bohr 如果你不觉得量子力学深深地让你感到迷惑，那你就是还没有懂得它！ ----尼尔斯 玻尔

量子力学是一门研究微观粒子诸如原子分子运动规律的学科，建立于20世纪头30年 那么它只是象牙塔中的理论吗？答案是否定的！ 尽管这门学科描绘了一幅很抽象的图像，但它仍然极大地推动了现代高新技术的发展 没有量子力学的发展，就没有今天的高新技术！

纳米级的大规模集成电路

半导体芯片

超导技术 磁悬浮列车 超导是典型的宏观量子现象！！

核磁共振成像

半导体：同时可以呈现导电和绝缘的性质 量子力学给予解释 超导现象的机制：量子力学效应 凝聚态物理学

生命系统的量子效应 近年来，一些生命系统，如叶绿素分子-反应中心的能量传输，需要量子力学才能理解！ 实验发现：绿色植物，细菌以及藻类在捕获光能的过程中呈现出非常高的效率 -- >95% 非常令人吃惊，不可思议的事实!!

生命系统的量子效应

历史的渊源

1900年，开尔文勋爵乐观地向世人宣布: 经典物理学的大厦已经竣工，唯独天空中还飘着两朵乌云 两朵乌云引发了20世纪物理学最疾风骤雨的变革 相对论 量子力学

的确，经典物理学已经给予了宏观世界完整而优美的描述 牛顿力学 电磁理论 机械运动规律 电磁过程的规律 热力学：热现象的能量转变规律

何为黑体？

原子分立光谱线 能量量子化

为了解释这些实验，物理学家发现量子化的观念是必须引入的 经典物理 + 量子化条件 不自洽的结论 直到1925年，Hensenberg 跳出经典物理框架给出第一个自洽的量子力学形式

矩阵力学 波动力学 海森堡 薛定谔 狄拉克

两种理论实质是等价的 哥本哈根诠释： 1.微观粒子规律是概率性的 2.观测会导致系统量子态的塌缩

波粒二象性 光的干涉 电子 https://www.youtube.com/watch?v=Iuv6hY6zsd0 (4:29)

薛定谔的猫 确定乎？不确定乎？

那只该死的猫，让物理学家头疼了好些年 Steven Hawking:“When I hear of Schro- dinger cat, I reach for my gun” 史蒂芬 霍金:“当我听到这只猫时，我就想拿枪打死它”！

20世纪60年代，Bohm提出了隐变量理论，反对哥本哈根诠释。进而产生了著名的贝尔不等式 不幸的是，近几年的实验否定了贝尔不等式，进而证明局域隐变量不存在 贝尔不等式

然而薛定谔他们当年提出的观念近些年开始在另外方面逆袭了！！ 量子纠缠（Quantum Entanglement） 量子信息，量子计算，量子存储

到了1930年左右，人们已经成功得到了粒子和电磁场的量子力学描述 量子电动力学(Quantum Electrodynamics) 这是阿贝尔量子规范场论的形式 大功告成乎？

什么是费曼图 一切理论允许的物理 过程都真实地发生 我们看见的是这些过程 叠加效果 路径积分的思想

答案又是否定的。。。 高阶微扰发散困难

重整化方法扣除发散 理论和实验 达到了小数 点后11位符 合！！！

重整化方法扣除发散 Feynman,Schwinger,Tomonaga分享1965年度的诺贝尔物理学奖

二战后的理论物理 高能物理 凝聚态物理 原子分子物理

原子分子物理：少量甚至单个原子或分子的性质 凝聚态物理：大量粒子的集体量子行为

经过20世纪前30年的发展，人们已经了解单个微观粒子的量子行为，但是把大量粒子放在一起，那么量子力学又会给出什么样的行为呢？

量子信息与量子计算机

20世纪90年代，薛定谔的猫的观念开始逆袭？！因而导致量子信息的产生 逆袭原因： 量子纠缠的重要性 30年代时，人们觉得量子纠缠不靠谱。但到了世纪之交，人们逐渐意识到这种纠缠是基础的量子特性，没有经典世界的对应

什么是量子纠缠 量子力学中有一种特殊的状态，在此状态下，即使物体之间没有相互作用，改变个体的运动仍会瞬间影响另一个体的运动 电子自旋：

什么是量子纠缠

什么是量子纠缠 这种超距关联反映出量子力学的非局域性，这是一种纯粹的量子效应

量子信息 信息论中以一个两态系统作为信息单元。量子信息里，信息单元可以用电子或原子核自旋实现 量子信息： 叠加态 经典信息： 非叠加态

量子信息 由于纠缠的存在，量子系统携带的信息量远大于经典系统

量子信息 量子信息的优势： 1.信息存储量远大于经典系统 2.可以做长距离高保密通讯

量子信息 破解密码需要对系统进行测量 一旦做了测量，波包塌缩会导致纠缠损坏，因此不能获得完整的信息

量子信息

量子计算 量子编码： 经典编码：

量子计算 N个量子比特 2^N 数码 N个经典比特 N个数码 量子计算机运算速度大大高于现在的计算机

量子计算 大整数的因数分解 量子计算机 经典计算机 𝑒 𝑁

量子计算

量子通信进展 2009年中国科大的潘建伟团队在合肥成功建立城域量子通信网络，距离超过16km

量子通信进展 今年7月中国将发射量子卫星实现广域量子通信网络，距离达到2000公里

量子通信进展 将刷新通信领域的三观 绝对保密，海量数据，高效传输，不可克隆

环境退相干 大规模的量子计算实现很困难 因为量子比特周围存在噪音 退相干(decoherence)

环境退相干

环境退相干 退相干会导致量子叠加态退回到经典的状态 量子计算与量子通信失败！ 环境噪音总是存在的

环境退相干 如何克服退相干？ 1.降低环境的温度（成本过高） 2.无消相干子空间（适用范围窄） 3.新的信息载体

生命系统的量子效应

生物系统复杂度一般都非常高，而且生物体都会存在于复杂的环境中

传统观点认为生命系统的研究中没有量子力学效应 近年来这种观点受到了挑战和质疑！实验发现，叶绿素分子中的激子存在长时间的量子相干性！

生命体难道也逆袭了？？! 为什么分子在如此之潮湿温热的环境中还会呈现出非常长的量子相干性？ This is still an open question now 电子--声子的相互作用扮演重要角色！

激子会和材料分子的振动模相互作用 最新研究表明：这种激子-振动模的相互作用会大幅削弱环境噪音对激子的影响，因此量子相干性会长时间存活

一旦真正揭示出生命体分子的长时间量子相干的机制，那么人们就有可能制备出类似的人工分子来进行量子计算。这对量子计算和量子信息将产生深远的影响

量子霍尔效应与拓扑绝缘体

20世纪80年代开始，二维空间中的多电子系统显现出许多全新的现象。这是所有当时的理论物理学家从未预料到的 1876年霍尔 首先观测到 这种现象

20世纪80年代开始，二维空间中的多电子系统显现出许多全新的现象。这是所有当时的理论物理学家从未预料到的 1.整数量子霍尔效应(1980) 2.分数量子霍尔效应(1982) 3.量子自旋霍尔效应(2007)

1876年霍尔首先观测到这种现象

1980年，冯 克利青在处于强磁场中的硅金属氧化物中观测到整数量子霍尔效应

磁场中电子运动的量子力学描述 1930年，朗道从理论上指出在一定的规范下，磁场中电子的二维运动可以用量子力学中的简谐振子描述。相应的能量被称为朗道能级

IQHE的理论解释 朗道能级的填充 改变磁场强度， 填充朗道能级的 数目变化，因此 电阻出现阶梯状

1982年，崔琦在处于弱磁场中的砷化镓材料中观测到了分数量子霍尔效应

研究表明：电子之间的库仑相互作用是理解FQHE的关键 Laughlin猜出了基态波函数，成功解释了v=1/3填充数 分数量子霍尔效应实质上是一种拓扑态，分数电荷。给出了全新的量子态：系统边界导电，内部绝缘---拓扑绝缘体

拓扑绝缘体 IQHE和FQHE实质上已经显现出了拓扑绝缘体的特征：内部绝缘而表面导电 边界电流具有无耗散，手征性特点，而且决定于系统拓扑空间的性质 超低损耗的量子器件

拓扑绝缘体 然而，IQHE和FQHE都需要十分强大的磁场。能否规避这个条件而产生同样的量子态呢？ 可以！量子自旋霍尔效应 关键点：自旋-轨道耦合，产生有效的磁场 强大的应用前景

拓扑绝缘体 若自旋密度均匀，则总电流为零，但总自旋流不为零 可以在电路中观测到自旋流

量子自旋霍尔效应由宾州大学的Kane教授以及斯坦福大学的张首晟教授分别于2005和2006年做了独立的理论预言 2007年，德国的实验组在HgTe/CdTe中证实了张首晟的预言

随着电子元件的尺寸越来越小，摩尔定律即将面临终结的命运。人们需要研制基于量子力学理论的器件，但是电子的运动总会造成宏观的热损耗。如何有效减少电路的热损耗成为人们首要解决的问题。而拓扑量子态的完美性质使得实现这个梦想成为可能

谢谢

超流与超导 当粒子之间存在相互作用时，量子力学理论会给出新奇的超流或者超导行为

超流与超导 超流体：He4液体流动时没有摩擦力，也就是说可以持续流动！ 超导体：低温下导体电阻消失，也就是说此时用电器不会有热损耗！！ 光辉的应用前景

超流与超导 量子液体为什么会呈现出这么神秘的行为？

超导的理论解释 1.唯象理论 朗道-金兹堡理论(1950) 2. 微观理论 BCS理论(1957)

唯象理论 朗道-金兹堡理论 自发对称性破缺

对称性自发破缺

唯象理论 朗道-金兹堡理论实质上指出了超导相变时系统对称性降低了，因而可以产生一个序参量来描述这种转变过程 在这里序参量就是超导电荷密度 朗道因此荣获1962年度诺贝尔物理学奖

唯象理论 在其它系统中，比如磁铁-非磁相变，序参量是自发磁化强度 这种对称破缺思想影响非常深远，后来在粒子物理中发扬光大，成为理解粒子质量来源的重要基石—希格斯机制 因此这项研究获得2008年诺贝尔物理学奖

BCS微观理论 从左到右：J.Bardeen,L.Cooper,J.Schrieffer

BCS微观理论 电阻的起因： 实际固体的晶格都不是理想周期的，因为晶格的热振动，位错等都会破坏周期结构 电子的运动受到阻碍

BCS微观理论 固体的结构是什么？ 理想的固体内部形成周期性的晶格结构，电子在所产生的周期势场中运动

BCS微观理论 量子力学的Bloch定理： 电子在周期势场里是延展到所有晶格的波 良好的导电性

BCS微观理论 整齐的队列：个人容易走动 拥挤不堪：个人几乎无法前进一步

BCS微观理论 当温度降低到某临界值以下时，晶格振动还会阻碍电子的运动吗？ BCS理论告诉我们：不会，而且电子与晶格的相互作用是产生超导的原因！ 晶格振动瞬间逆袭了？？

BCS微观理论 Cooper对：晶格振动使得两个电子之间形成一种有效的吸引力。此时电子对参与导电，而非单个电子

BCS微观理论 步调一致的运动

BCS微观理论 BCS理论非常成功地解释了包括零电阻，迈斯纳效应以及同位素效应的所有超导现象 三人荣获1972年度的 诺贝尔物理学奖

BCS微观理论 迈斯纳效应：超导体的抗磁性

BCS微观理论 BCS理论的缺陷： 1.对于1986年发现的高温超导现象无能为力 2.不能解释第二类超导体的磁涡旋效应

超导的应用 1.无损耗输电；2.磁悬浮列车；3.量子计算