量子力學(xué)的基本原理
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量子力學(xué)的基本原理范文第1篇
本書是基于作者們在巴基斯坦和沙特阿拉伯等國家多所大學(xué)中講授量子力學(xué)課程的講義基礎(chǔ)上寫成的。第1版于1999年出版。為了展現(xiàn)當(dāng)代量子力學(xué)日益擴(kuò)展的應(yīng)用的最新發(fā)展，第2版增添了全新的3章，它們分別為雙態(tài)問題、量子計(jì)算和1+2維狄拉克方程對于石墨烯的應(yīng)用。這些問題是當(dāng)前許多實(shí)驗(yàn)和理論工作都極為關(guān)注的典型問題。此外，還有一些章節(jié)做了較大改動(dòng)，有的擴(kuò)大了篇幅和添加了新的內(nèi)容，有的經(jīng)過了改寫變得更簡單和更清晰。各章的習(xí)題也均有不同程度的擴(kuò)充。
全書內(nèi)容分為21章：1.經(jīng)典概念的崩潰； 2.量子力學(xué)概念；3.量子力學(xué)的基本假設(shè)； 4.量子力學(xué)中一些問題的求解； 5.簡諧振子；6.角動(dòng)量；7.中心對稱場中的運(yùn)動(dòng)；8.碰撞理論；9.算符； 10.海森伯運(yùn)動(dòng)方程、不變性原理和路徑積分； 11.角動(dòng)量和自旋；12.時(shí)間無關(guān)微擾理論；13.時(shí)間相關(guān)微擾理論；14.統(tǒng)計(jì)與不相容原理； 15.雙態(tài)系統(tǒng)；16.量子計(jì)算； 17.電磁場誘導(dǎo)的微擾； 18.形式散射理論； 19.S-矩陣和不變性原理； 20.相對論量子力學(xué)：狄拉克方程；21.1+2維狄拉克方程：對石墨烯的應(yīng)用。
本書作者注重教學(xué)需要，敘述簡明，推導(dǎo)詳盡，書中給出了許多詳解例題，易懂、易理解和接受，是一部很好的教材。這本書對于數(shù)理學(xué)科的大學(xué)生、研究生和教師都有很好的應(yīng)用價(jià)值。
量子力學(xué)的基本原理范文第2篇
【關(guān)鍵詞】課程體系 教學(xué)內(nèi)容 優(yōu)化研究
【中圖分類號】O43；O56 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）08-0181-02
光學(xué)與原子物理學(xué)是物理類專業(yè)的重要的基礎(chǔ)課，其前與力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)課程相銜接，其后承載著理論物理以及專業(yè)方向課程。由于這兩門課程在課程設(shè)置中具體的位置，再考慮課程本身的學(xué)術(shù)特色，這兩門課程的教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力和理論應(yīng)用能力的培養(yǎng)有其特殊的作用。工科院校有注重實(shí)踐、技術(shù)培養(yǎng)的傳統(tǒng)及其較完備的設(shè)施，客觀上為這兩門課程的能力培養(yǎng)提供了條件。我們要充分認(rèn)識工科院校的這種客觀優(yōu)勢和課程的學(xué)術(shù)特色，優(yōu)化課程體系和教學(xué)內(nèi)容，將課程的學(xué)術(shù)特色、學(xué)校的客觀優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為能力培養(yǎng)的特色和優(yōu)勢。
一、光學(xué)的課程體系及教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)
光學(xué)既是一門重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，又是一門應(yīng)用性十分活躍、交叉滲透極其廣泛的物理課程。“在長期的發(fā)展過程中，光學(xué)形成了一套行之有效的特殊方法和儀器設(shè)備”【1】，即數(shù)理解析與幾何圖形相結(jié)合的理論研究方法、精密測量的設(shè)計(jì)與應(yīng)用特征。光學(xué)的這種學(xué)術(shù)特色對學(xué)生素質(zhì)能力的培養(yǎng)有其獨(dú)到之處。因此，通過對光學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，突出課程的理論研究方法及其實(shí)踐性、滲透性【2】，有利于培養(yǎng)學(xué)生的交叉綜合性分析能力和依據(jù)理論的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、精密檢測能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維意識。
1.課程體系的架構(gòu)
以折射率和位相為核心概念，以費(fèi)馬原理和惠更斯-菲涅爾原理為基本原理，按照幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)的順序，研究光的傳播特性（波動(dòng)性）及其粒子性，展示其數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的理論研究方法，突出課程在工程技術(shù)中的應(yīng)用以及與現(xiàn)代光學(xué)的滲透【1，3】。
體系框圖：
2.教學(xué)內(nèi)容的組織思路
以體現(xiàn)課程體系為原則，按48課時(shí)選取并組織、安排教學(xué)內(nèi)容思路如下【1，2】。
第一章 緒論：突出光學(xué)與其他學(xué)科的交叉滲透與應(yīng)用。（2學(xué)時(shí)）
第二章 幾何光學(xué)：以費(fèi)馬原理為基礎(chǔ)，以常見的光學(xué)儀器（單球面、薄透鏡、放大鏡等）成像為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)思。（10學(xué)時(shí)）
第三章 光的干涉：以波的相干疊加為理論基礎(chǔ)，以等傾和等厚干涉為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出相干理論在精密測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。（12學(xué)時(shí)）
第四章 光的衍射：以惠更斯-菲涅爾原理為基礎(chǔ)，以菲涅爾衍射、夫瑯和費(fèi)衍射、光柵衍射為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出其分光特性在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。（10學(xué)時(shí)）
第五章 光的偏振：以光的偏振理論為基礎(chǔ)，以偏振器件為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、注重向磁至旋光及磁光盤滲透。（10學(xué)時(shí)）
第六章 量子光學(xué)：以光的量子論為基礎(chǔ)，以光的輻射和激光為載體，注重向量子光學(xué)以及非線性光學(xué)滲透。（4學(xué)時(shí)） 二、原子物理學(xué)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)
原子物理學(xué)是用近似的、不完整的量子力學(xué)理論和方法研究原子的運(yùn)動(dòng)及其構(gòu)成的課程。其學(xué)術(shù)特色是完全以實(shí)驗(yàn)（觀察）事實(shí)為依據(jù)建立或選取理論模型，對問題做出恰當(dāng)?shù)慕忉尅Ｔ撜n程研究對象抽象，理論的系統(tǒng)性、完整性不強(qiáng)。但原子物理學(xué)是基礎(chǔ)物理課程中蘊(yùn)含了創(chuàng)新性思維最多的課程，其研究手段和方法為其它相關(guān)領(lǐng)域所通用【4】。因此，通過原子物理課程的教學(xué)，主要是培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)研究客體進(jìn)行理論建模的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新理論框架、簡化理論處理、取舍運(yùn)算結(jié)果的意識和水平。
1.課程體系的架構(gòu)
以光譜和德布羅意波為核心概念，采用近似的量子力學(xué)方法（經(jīng)典理論+量子力學(xué)）研究原子（氫原子、堿金屬、多電子原子、外場中的原子）與原子核的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，展示課程的理論創(chuàng)新特色以及在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工程實(shí)踐中的多層次應(yīng)用。
體系框圖：
2.教學(xué)內(nèi)容的組織思路
以體現(xiàn)課程體系為原則，按48課時(shí)選取并組織教學(xué)內(nèi)容，思路如下。
序論：突出課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題。（2學(xué)時(shí)）
第一章 原子的結(jié)構(gòu)：以α粒子散射實(shí)驗(yàn)和原子核式結(jié)構(gòu)為載體，突出盧瑟福散射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用。（5學(xué)時(shí)）
第二章 量子力學(xué)基礎(chǔ)：以三個(gè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依托量子力學(xué)的基本原理，突出理論創(chuàng)新的特色、思路和方法。（8學(xué)時(shí)）
第三章 氫原子：以半經(jīng)典半量子論為理論基礎(chǔ)，以氫原子為載體，突出理論建模以及光譜分析在科學(xué)研究、工程實(shí)踐中的應(yīng)用。（8學(xué)時(shí)）
第四章 堿金屬原子：以電子的軌道貫穿、極化理論為基礎(chǔ)，以堿金屬原子為載體，展示理論修正方法以及光譜分析在科學(xué)研究和精密檢測中的應(yīng)用。（8學(xué)時(shí)）
第五章 多電子原子：以泡利不相容原理及Hunt定則為理論基礎(chǔ)，以多電子原子為載體，突出量子規(guī)律以及光譜分析在科學(xué)研究中的應(yīng)用。（6學(xué)時(shí)）
第六章 外場中的原子：以磁場和原子的相互作用為基礎(chǔ)，以Zeeman效應(yīng)為載體，展示磁效應(yīng)在材料磁性，磁共振技術(shù)中的應(yīng)用。（5學(xué)時(shí)）
第七章 原子核物理學(xué)：以核結(jié)合能為基礎(chǔ)，以核裂變和聚變?yōu)檩d體，突出原子能、核技術(shù)的利用以及放射線的探測、防護(hù)。（6學(xué)時(shí)）
參考文獻(xiàn)：
[1]趙凱華.新概念物理教程——光學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004：6
[2]吳壽煜，吳大煒.試論21世紀(jì)物理專業(yè)《光學(xué)》之教學(xué)改革[J].黑龍江高教研究，2004（6）：101-103
量子力學(xué)的基本原理范文第3篇
10月9日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)答案揭曉，來自巴黎高等師范學(xué)院塞爾日?阿羅什（Serge Haroche）教授以及美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的大衛(wèi)?維因蘭德（David Wineland）教授共同分享了這一殊榮，他們兩人的獲獎(jiǎng)理由是分別發(fā)明了測量和控制孤立量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。
在諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的新聞稿中，兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩某删捅环Q為“為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。”一時(shí)間，量子計(jì)算機(jī)也成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
薛定諤的貓和諾貝爾獎(jiǎng)
對于普通人來說，量子力學(xué)是個(gè)深不可測的概念。不過，隨著最近幾年科幻題材電影電視劇的風(fēng)靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞匯開始被頻頻提及，而它正是出自量子力學(xué)的相關(guān)概念。
想要了解什么是量子計(jì)算機(jī)，那么首先需要了解“薛定諤的貓”這個(gè)量子力學(xué)中的經(jīng)典假設(shè)。
1935年，奧地利著名物理學(xué)家，同時(shí)也是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的薛定諤設(shè)想出這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：一只貓被關(guān)進(jìn)一個(gè)不透明的箱子里，箱子內(nèi)事先放置好一個(gè)毒氣罐，毒氣罐的開關(guān)由一個(gè)放射性原子核來控制。當(dāng)原子核發(fā)生衰變時(shí)，它會(huì)釋放出一個(gè)粒子觸發(fā)毒氣罐的開關(guān)，這樣毒氣釋放，貓就會(huì)被毒死。
根據(jù)量子力學(xué)的理論，在實(shí)驗(yàn)者沒有開箱進(jìn)行觀測時(shí)，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態(tài)，換言之，箱子里的貓既是活的也是死的，對于普通人來說，很難理解“既生又死”這樣的狀態(tài)，但這正是量子力學(xué)研究的領(lǐng)域。量子力學(xué)針對的是在微觀環(huán)境下的物理現(xiàn)象，在這一環(huán)境中，大家中學(xué)時(shí)候?qū)W習(xí)的經(jīng)典物理學(xué)中的規(guī)律會(huì)突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什么薛定諤的理想實(shí)驗(yàn)中貓既能是活的也能是死的。
不過，一旦打開箱子，微觀實(shí)現(xiàn)就會(huì)出現(xiàn)“崩塌”，原子核的狀態(tài)就會(huì)確定下來，此時(shí)貓是生是死也隨之揭曉答案。
長期以來，由于不能實(shí)際觀測，量子力學(xué)僅僅停留在理論之上，而缺乏實(shí)踐的驗(yàn)證。然而，今年兩位諾貝爾獎(jiǎng)得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過精妙的實(shí)驗(yàn)，使“測量和操控量子系統(tǒng)成為可能”，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當(dāng)然，更重要的是，它也使量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)變得不再遙不可及。
不再是空想的量子計(jì)算機(jī)
所謂量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)信息處理的一項(xiàng)革命性計(jì)算技術(shù)。1982年，美國物理學(xué)家費(fèi)曼在一次演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的想法，當(dāng)時(shí)他發(fā)現(xiàn)，分析模擬量子物理世界所需要的計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的能力，而用實(shí)驗(yàn)室中一個(gè)可控的量子系統(tǒng)來模擬和計(jì)算另外一個(gè)人們感興趣的量子系統(tǒng)會(huì)非常高效，量子計(jì)算機(jī)的概念也應(yīng)運(yùn)而生。
量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同之處在于，對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說，其基本的數(shù)據(jù)單位就是一個(gè)比特，相對應(yīng)的一個(gè)比特不是0就是1，而對于量子計(jì)算機(jī)來說，一個(gè)比特可以同時(shí)表示0和1，這就意味著兩個(gè)比特就能表示00、01、10、11四種狀態(tài)。這樣，只要有300個(gè)量子比特，其承載的數(shù)據(jù)就能是2的300次方，這將超過整個(gè)宇宙的原子數(shù)量總和。簡而言之，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將是目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無法比擬的。
前面的表述未免抽象，舉一個(gè)形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密150位的密碼，如果想要解密一個(gè)1000位的密碼，那么需要調(diào)用目前全球的計(jì)算資源才有可能實(shí)現(xiàn)。但是從理論上講，一臺量子計(jì)算機(jī)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能解決這一問題。在量子計(jì)算機(jī)面前，目前世界上最復(fù)雜的密碼也會(huì)變得不堪一擊，這意味著互聯(lián)網(wǎng)上將不再有秘密可言，人類需要重新設(shè)立一套與現(xiàn)在完全不同的信息加密系統(tǒng)。
量子計(jì)算機(jī)的用處當(dāng)然不只是破譯密碼，在大數(shù)據(jù)分析的時(shí)代，對計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的要求正變得愈來愈高，從語義識別到人工智能，都需要倚仗計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力才能完成，這也讓業(yè)界對于量子計(jì)算機(jī)的誕生充滿了期待。
不過，雖然理論上300個(gè)量子比特就能賦予計(jì)算機(jī)難以想象的運(yùn)算能力，但現(xiàn)實(shí)與想象畢竟還存在不小的差距。根據(jù)清華大學(xué)交叉信息研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬個(gè)量子比特才能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，“因?yàn)槲覀冃枰獙τ?jì)算過程進(jìn)行糾錯(cuò)，所以需要很多個(gè)物理比特才能獲得一個(gè)可容錯(cuò)的邏輯比特。估計(jì)需要大概一千個(gè)邏輯比特運(yùn)行Shor算法來超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，那么物理比特至少要高一個(gè)量級，甚至可能要高兩個(gè)量級”。尹章琦所從事的正是關(guān)于量子信息與量子光學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。
商業(yè)化的未來
在學(xué)界還在探討量子計(jì)算機(jī)可行性的時(shí)候，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)迫不及待開始了實(shí)踐。早在2001年，IBM就曾經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)利用7個(gè)量子比特完成量子計(jì)算中的素因子分解法。
2007年，加拿大的D-Wave公司就了號稱全球第一臺商用量子計(jì)算機(jī)――采用16位量子比特處理器的Orion（獵戶座）。不過，Orion后迅速被業(yè)界潑了一盆冷水，業(yè)內(nèi)人士稱，Orion并不是真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，只是具備了一些量子計(jì)算的特性。
去年，D-Wave卷土出來，了全新的產(chǎn)品――D-Wave One，這一次它的處理器達(dá)到了128量子比特，比前代產(chǎn)品大大提升，一臺售價(jià)高達(dá)1000萬美元。但是，由于D-Wave對核心技術(shù)三緘其口，學(xué)術(shù)界無法得知關(guān)于其產(chǎn)品的更多信息，質(zhì)疑之聲再起，因?yàn)槟壳澳軌驅(qū)崿F(xiàn)10量子比特已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成就。
不過，即便質(zhì)疑不斷，D-Wave還是成功拿到了第一張訂單，外國媒體報(bào)道，美國知名的軍備制造商洛克希德?馬丁已經(jīng)購買了D-Wave的產(chǎn)品并且將其用在一些復(fù)雜的項(xiàng)目上，比如F-35戰(zhàn)斗機(jī)軟件錯(cuò)誤的自動(dòng)檢測。
不僅如此，D-Wave還在今年10月得到了來自貝索斯以及美國中情局下屬投資機(jī)構(gòu)In-Q-Tel總計(jì)3000萬美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見，隨著現(xiàn)實(shí)世界的不斷互聯(lián)網(wǎng)化，他的野心自然是通過深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量數(shù)據(jù)創(chuàng)造出更大的商業(yè)價(jià)值，而量子計(jì)算機(jī)正是實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)。
在D-Wave大出風(fēng)頭的同時(shí)，老牌巨頭IBM也不甘落后，今年2月，IBM宣布在量子計(jì)算領(lǐng)域再次取得重大進(jìn)展。新的技術(shù)使得科學(xué)家可以在初步計(jì)算中減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率，同時(shí)在量子比特中保持量子機(jī)械屬性的完整性。
量子力學(xué)的基本原理范文第4篇
關(guān)鍵詞：量子比特；量子力學(xué)；量子相干性；并行運(yùn)算
0 引言
自1946年第一臺電子計(jì)算機(jī)誕生至今，共經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模集成電路四個(gè)時(shí)代。計(jì)算機(jī)科學(xué)日新月異，但其性能卻始終滿足不了人類日益增長的信息處理需求，且存在不可逾越的“兩個(gè)極限”。
其一，隨著傳統(tǒng)硅芯片集成度的提高，芯片內(nèi)部晶體管數(shù)與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小(如現(xiàn)在的英特爾雙核處理器采用最新45納米制造工藝，在143平方毫米內(nèi)集成2.91億晶體管)。根據(jù)摩爾定律估算，20年后制造工藝將達(dá)到幾個(gè)原子級大小，甚至更小，從而導(dǎo)致芯片內(nèi)部微觀粒子性越來越弱，相反其波動(dòng)性逐漸顯著，傳統(tǒng)宏觀物理學(xué)定律因此不再適用，而遵循的是微觀世界煥然一新的量子力學(xué)定理。也就是說，20年后傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將達(dá)到它的“物理極限”。
其二，集成度的提高所帶來耗能與散熱的問題反過來制約著芯片集成度的規(guī)模，傳統(tǒng)硅芯片集成度的停滯不前將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)發(fā)展的“性能極限”。如何解決其發(fā)熱問題?研究表明，芯片耗能產(chǎn)生于計(jì)算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串?dāng)?shù)據(jù)的異或操作而最終結(jié)果卻只有一列數(shù)據(jù)的輸出，這過程是不可逆的，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號必然會(huì)產(chǎn)生熱量。倘若輸出時(shí)處理器能保留一串無用序列，即把不可逆轉(zhuǎn)換為可逆過程，則能從根本上解決芯片耗能問題。利用量子力學(xué)里的玄正變換把不可逆轉(zhuǎn)為可逆過程，從而引發(fā)了對量子計(jì)算的研究。
1 量子計(jì)算的基本原理
1.1 傳統(tǒng)計(jì)算的存儲(chǔ)方式
首先回顧傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作原理。傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)采用比特作為信息存儲(chǔ)單位。從物理學(xué)角度，比特是兩態(tài)系統(tǒng)，它可保持其中一種可識別狀態(tài)，即“1”或者“()”。對于“1”和“0”，可利用電流的通斷或電平的高低兩種方法表示，然后可通過與非門兩種邏輯電路的組合實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除和邏輯運(yùn)算。如把0～0個(gè)數(shù)相加，先輸入“00”，處理后輸入“01”，兩者相“與”再輸入下個(gè)數(shù)“10”，以此類推直至處理完第n個(gè)數(shù)，即輸入一次，運(yùn)算一次，n次輸入，n次運(yùn)算。這種串行處理方式不可避免地制約著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速率，數(shù)據(jù)越多影響越深，單次運(yùn)算的時(shí)間累積足可達(dá)到驚人的數(shù)字。例如在1994年共1600個(gè)工作站歷時(shí)8月才完成對129位(迄今最大長度)因式的分解。倘若分解位數(shù)多達(dá)1000位，據(jù)估算，即使目前最快的計(jì)算機(jī)也需耗費(fèi)1025年。而遵循量子力學(xué)定理的新一代計(jì)算機(jī)利用超高速并行運(yùn)算只需幾秒即可得出結(jié)果。現(xiàn)在讓我們打開量子計(jì)算的潘多拉魔盒，走進(jìn)奇妙神秘的量子世界。
1.2 量子計(jì)算的存儲(chǔ)方式
量子計(jì)算的信息存儲(chǔ)單位是量子比特，其兩態(tài)的表示常用以下兩種方式：
(1)利用電子自旋方向。如向左自轉(zhuǎn)狀態(tài)代表“1”，向右自轉(zhuǎn)狀態(tài)代表“0”。電子的自轉(zhuǎn)方向可通過電磁波照射加以控制。
(2)利用原子的不同能級。原子有基態(tài)和激發(fā)態(tài)兩種能級，規(guī)定原子基態(tài)時(shí)為“0”，激發(fā)態(tài)時(shí)為“1”。其具體狀態(tài)可通過辨別原子光譜或核磁共振技術(shù)辨別。
量子計(jì)算在處理0～n個(gè)數(shù)相加時(shí)，采用的是并行處理方式將“00”、“01”、“10”、“11”等n個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)輸入處理器，并在最后做一次運(yùn)算得出結(jié)果。無論有多少數(shù)據(jù)，量子計(jì)算都是同時(shí)輸入，運(yùn)算一次，從而避免了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輸入一次運(yùn)算一次的耗時(shí)過程。當(dāng)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，這種并行處理方式的速率足以讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)望塵莫及。
1.3 量子疊加態(tài)
量子計(jì)算為何能實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算呢?根本原因在于量子比特具有“疊加狀態(tài)”的性質(zhì)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每個(gè)比特只能取一種可識別的狀態(tài)“0”或“1”，而量子比特不僅可以取“0”或“1”，還可同時(shí)取“0”和“1”，即其疊加態(tài)。以此類推，n位傳統(tǒng)比特僅能代表2n中的某一態(tài)，而n位量子比特卻能同時(shí)表示2n個(gè)疊加態(tài)，這正是量子世界神奇之處。運(yùn)算時(shí)量子計(jì)算只須對這2n個(gè)量子疊加態(tài)處理一次，這就意味著一次同時(shí)處理了2n個(gè)量子比特(同樣的操作傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需處理2n次，因此理論上量子計(jì)算工作速率可提高2n倍)，從而實(shí)現(xiàn)了并行運(yùn)算。
量子疊加態(tài)恐怕讀者一時(shí)難以接受，即使當(dāng)年聰明絕頂?shù)膼垡蛩固挂差H有微詞。但微觀世界到底有別于我們所處的宏觀世界，存在著既令人驚訝又不得不承認(rèn)的事實(shí)，并取得了多方面驗(yàn)證。以下用量子力學(xué)描述量子疊加態(tài)。
現(xiàn)有兩比特存儲(chǔ)單元，經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能存儲(chǔ)00，01，10，11四位二進(jìn)制數(shù)，但同一時(shí)刻只能存儲(chǔ)其中某一位。而量子比特除了能表示“0”或“1”兩態(tài)，還可同時(shí)表示“0”和“1”的疊加態(tài)，量子力學(xué)記為：
lφ〉＝al1〉＋blO〉
其中ab分別表示原子處于兩態(tài)的幾率，a＝0時(shí)只有“0”態(tài)，b＝0時(shí)只有“1”態(tài)，ab都不為0時(shí)既可表示“0”，又可表示“1”。因此，兩位量子比特可同時(shí)表示4種狀態(tài)，即在同一時(shí)刻可存儲(chǔ)4個(gè)數(shù)，量子力學(xué)記為：
1.4 量子相干性
量子計(jì)算除可并行運(yùn)算外，還能快速高效地并行運(yùn)算，這就用到了量子的另外一個(gè)特性――量子相干性。
量子相干性是指量子之間的特殊聯(lián)系，利用它可從一個(gè)或多個(gè)量子狀態(tài)推出其它量子態(tài)。譬如兩電子發(fā)生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉(zhuǎn)的，那么根據(jù)動(dòng)量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉(zhuǎn)。這兩電子間所存在的這種聯(lián)系就是量子相干性。
可以把量子相干性應(yīng)用于存儲(chǔ)當(dāng)中。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協(xié)同運(yùn)行的同一整體，對其中某一比特的處理就會(huì)影響到其它比特的運(yùn)行狀態(tài)，正所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。量子計(jì)算之所以能快速高效地運(yùn)算緣歸于此。然而令人遺憾的是量子相干性很難保持，在外部環(huán)境影響下很容易丟失相干性從而導(dǎo)致運(yùn)算錯(cuò)誤。雖然采用量子糾錯(cuò)碼技術(shù)可避免出錯(cuò)，但其也只是發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達(dá)高效量子計(jì)算時(shí)代還有一段漫長曲折之路。
2 對傳統(tǒng)密碼學(xué)的沖擊
密碼通信源遠(yuǎn)流長。早在2500年前，密碼就已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭與外交之中，當(dāng)今的文學(xué)作品也多有涉獵，如漢帝賜董承的衣帶詔，文人墨客的藏頭詩，金庸筆下的蠟丸信等。隨著歷史的發(fā)展，密碼和秘密通訊備受關(guān)注，密碼學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。防與攻是一個(gè)永恒的活題，當(dāng)科學(xué)家們?nèi)缁鹑巛钡匮芯扛鞣N加密之策時(shí)，破譯之道也得以迅速發(fā)展。
傳統(tǒng)理論認(rèn)為，大數(shù)的因式分解是數(shù)學(xué)界的一道難題，至今也無有效的解決方案和算法。這一點(diǎn)在密碼學(xué)有重要應(yīng)用，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，銀行和金融系統(tǒng)的RSA加密系統(tǒng)就是基于因式難分解而開發(fā)出來的。然而，在理論上包括RSA在內(nèi)的任何加密算法都不是天衣無縫的，利用窮舉法可一一破解，只要衡量破解與所耗費(fèi)的人力物力和時(shí)間相比是否合理。如上文提到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需耗費(fèi)1025年才能對1000位整數(shù)進(jìn)行因式分解，從時(shí)間意義上講，RSA加密算法是安全的。但是，精通高速并行運(yùn)算的量子計(jì)算一旦問世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統(tǒng)密碼學(xué)將受到前所未有的巨大沖擊。但正所謂有矛必有盾，相信屆時(shí)一套更為安全成熟的量子加密體系終會(huì)醞釀而出。
3 近期研究成果
目前量子計(jì)算的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，許多科學(xué)家都以極大熱忱追尋量子計(jì)算的夢想，實(shí)現(xiàn)方案雖不少，但以現(xiàn)在的科技水平和實(shí)驗(yàn)條件要找到一種合適的載體存儲(chǔ)量子比特，并操縱和觀測其微觀量子態(tài)實(shí)在是太困難了，各界科學(xué)家歷時(shí)多年才略有所獲。
(1)1994年物理學(xué)家尼爾和艾薩克子利用丙胺酸制出一臺最為基本的量子計(jì)算機(jī)，雖然只能做一些像1＋1＝2這樣簡單的運(yùn)算，但對量子計(jì)算的研究具有里程碑的意義。
(2)2000年8月IBM用5個(gè)原子作為處理和存儲(chǔ)器制造出當(dāng)時(shí)最為先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)，并以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法匹敵的速度完成對密碼學(xué)中周期函數(shù)的計(jì)算。
(3)2000年日本日立公司成功開發(fā)出“單電子晶體管”量子元件，它可以控制單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)，且具有體積小，功耗低的特點(diǎn)(比目前功耗最小的晶體管約低1000倍)。
(4)2001年IBM公司阿曼頓實(shí)驗(yàn)室利用核磁共振技術(shù)建構(gòu)出7位量子比特計(jì)算機(jī)，其實(shí)現(xiàn)思想是用離子兩個(gè)自轉(zhuǎn)狀態(tài)作為一個(gè)量子比特，用微波脈沖作為地址。但此法還不能存儲(chǔ)15位以上的量子單元。
(5)2003年5月《Nature》雜志發(fā)表了克服量子相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對克服退相干，實(shí)現(xiàn)量子加密、糾錯(cuò)和傳輸在理論上起到指導(dǎo)作用，從此量子通信振奮人心。
(6)2004年9月，NTT物性科學(xué)研究所試制出新一代存儲(chǔ)量子比特的新載體――“超導(dǎo)磁束量子位”。它可通過微波照射大幅度提高對量子比特自由度的控制，其量子態(tài)也相對容易保持。
量子力學(xué)的基本原理范文第5篇
Reform and Practice of Quantum Mechanics Hybrid Teaching Mode Based on SPOC
LIU Rong HOU Hong-lu DONG Wei LIU Wang-yun HUI Ying-xue
（College of Optoelectronic Engineering， Xi’an University of Technology， Xi’an 710021， China）
【Abstract】With the rapid worldwide rise of open online courses and learning platforms， a hybrid teaching model based on SPOC for small-scale specific learning groups has emerged as a powerful means of truly embodying the concept of “student-centered” education. Based on the training goal of electronic science and technology in our university and the characteristics of quantum mechanics course， this paper explores the reform of teaching mode from “traditional teaching” to “SPOC-based hybrid teaching”， studies the reform of teaching mode based on students， SPOC quantum mechanics course hybrid teaching methods， to further improve the effectiveness and quality of classroom teaching to provide an important guarantee.
【Key words】SPOC； Quantum Mechanics； Electronic Science and Technology； Teaching Mode
1 SPOC的產(chǎn)生
追溯國內(nèi)外在線課程的發(fā)展，從1989年美國鳳凰城大學(xué)最先推行在線學(xué)位計(jì)劃，成為美國第一批被認(rèn)可的提供網(wǎng)絡(luò)學(xué)位教育的學(xué)校開始，直至2001年美國麻省理工學(xué)院OCW（Open Course Ware）項(xiàng)目啟動(dòng)，再到2008年MOOC（Massive Open Online Course）概念首次提出[1]，并在全球范圍內(nèi)以迅猛之勢推廣應(yīng)用，稱為現(xiàn)代教育改革的新興產(chǎn)物。為了順應(yīng)新世紀(jì)的兩大發(fā)展趨勢，即全球化和信息化，中國高等教育也迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。2011年教育部出臺了《教育部關(guān)于國家精品開放課程建設(shè)的實(shí)施意見》（教高[2011]8號）、《精品資源共享課建設(shè)工作實(shí)施辦法》（教高廳[2012]2號）文件，全面啟動(dòng)精品視頻公開課和精品資源共享課建設(shè)。2014年“中國大學(xué)MOOC”平臺全面運(yùn)營。國內(nèi)在線開放課程平臺日趨成熟，有效支持在線開放課程的建設(shè)與運(yùn)行。大規(guī)模在線開放課程等新型在線開放課程和學(xué)習(xí)平臺在世界范圍迅速興起，不僅拓展了教學(xué)時(shí)空，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源共享，為學(xué)習(xí)者提供終身學(xué)習(xí)條件，而且增強(qiáng)了教學(xué)吸引力，激發(fā)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性和自主性。然而，MOOC缺乏教師的深度參與，脫離實(shí)體學(xué)校的小班教學(xué)，難以完全取代傳統(tǒng)的課堂教學(xué)。與此同時(shí)，一種將MOOC資源服務(wù)于校園內(nèi)學(xué)習(xí)者的在線教育形式――SPOC（Small Private Online Course）應(yīng)運(yùn)而生。SPOC是一種將MOOC資源用于小規(guī)模、特定學(xué)習(xí)者的教學(xué)解決方案，賦予學(xué)生更完整、有針對性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。采用混合式教學(xué)模式，既發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，又能體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)過程主體的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性，真正體現(xiàn)“以學(xué)生為核心”的教育理念[2]。
致力于建設(shè)面向工科專業(yè)學(xué)生的量子力學(xué)在線開放課程，結(jié)合我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，以及量子力學(xué)課程特點(diǎn)，立足于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積?O性和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，以“微課程”為載體，實(shí)現(xiàn)從“傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式”向“SPOC教學(xué)模式”轉(zhuǎn)變，研究和構(gòu)建以學(xué)生為核心的基于SPOC的量子力學(xué)課程教學(xué)模式，采取線上視頻教學(xué)和線下課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合的混合式教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)改善課堂教學(xué)效果及質(zhì)量的目標(biāo)。
2 SPOC教學(xué)模式設(shè)計(jì)
SPOC是線上和線下相結(jié)合，采用校內(nèi)教師的在線資源與校外相關(guān)MOOC資源相結(jié)合，通過線上教學(xué)視頻、教學(xué)課間、在線作業(yè)、測驗(yàn)等教學(xué)資源，讓學(xué)生先自行在線學(xué)習(xí)，然后在課堂上進(jìn)行面對面的討論、答疑、實(shí)驗(yàn)等，最后進(jìn)行線下期末考試環(huán)節(jié)，至此，整個(gè)課程完成。SPOC的核心是教學(xué)流程變革所帶來的知識傳授的提前和知識內(nèi)化的優(yōu)化[3]。SPOC的教學(xué)模式全過程一般由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：問題導(dǎo)入環(huán)節(jié)、線上學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和互動(dòng)跟蹤環(huán)節(jié)。具體細(xì)化過程還包括：微視頻制作與上傳、設(shè)置任務(wù)單、提供資料庫、組織線上視頻學(xué)習(xí)、開展在線討論、線下互動(dòng)教學(xué)、跟蹤監(jiān)測等流程，SPOC教學(xué)模式設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
在具體實(shí)踐中，結(jié)合量子力學(xué)的課程特點(diǎn)，做到以下幾方面：
（1）基于SPOC的量子力學(xué)課程建設(shè)采用以知識點(diǎn)碎片化視頻（10分鐘左右）與交互式練習(xí)為基本教學(xué)方式的知識點(diǎn)組織模式和學(xué)習(xí)模式，采取線上視頻教學(xué)和線下課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合的混合式教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的“翻轉(zhuǎn)”。
（2）基于SPOC的量子力學(xué)課程建設(shè)預(yù)期形成6-8小時(shí)的在線視頻課程，分為10周進(jìn)行授課，每周授課時(shí)數(shù)為4節(jié)，每節(jié)10分鐘左右（即為一個(gè)視頻課程單元）。此外，還包含6-8小時(shí)的線下教師面授課程，分3-4周進(jìn)行授課，每周授課時(shí)數(shù)為2節(jié)，每節(jié)50分鐘.在線視頻兼顧“快、高效、有趣”的特點(diǎn)。
（3）構(gòu)建以知識點(diǎn)為單元的視頻課程模塊單元。結(jié)合量子力學(xué)的課程與內(nèi)容特點(diǎn)，分解知識單元，構(gòu)建以知識點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的知識架構(gòu)。通過課程知識點(diǎn)的拆解、遴選和重組形成涵蓋課程基本知識點(diǎn)、基本概念、基本原理、前沿專題和熱點(diǎn)問題的課程體系課程內(nèi)容。
（4）配備教學(xué)大綱、教案或演示文稿、重點(diǎn)難點(diǎn)、作業(yè)、試題庫、參考資料、資源庫等完整的課程支撐資源庫。
（5）基于學(xué)情分析，預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)、設(shè)置單元作業(yè)、在線討論、在線考試等線上教學(xué)任務(wù)和線下教室討論、交流、答疑等教學(xué)活動(dòng)，以幫助學(xué)習(xí)者有效進(jìn)行學(xué)習(xí)并實(shí)現(xiàn)課程制定的目標(biāo)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)每周會(huì)引領(lǐng)4個(gè)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，漸進(jìn)式的推進(jìn)，配以豐富的案例與實(shí)操貼士，大家可以選擇適合的時(shí)間來學(xué)習(xí)、交流與練習(xí)。
（6）考核方式：視頻學(xué)習(xí)完成度+課內(nèi)表現(xiàn)+期末考試成績。
3 SPOC教學(xué)實(shí)踐
SPOC采用線上視頻教學(xué)和線下課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合的混合式教學(xué)方法，以學(xué)生為核心，將學(xué)習(xí)置于復(fù)雜的有意義的問題情境中，通過視頻觀看和互動(dòng)討論，激勵(lì)學(xué)生積極探索隱含于問題背后的科學(xué)知識，實(shí)現(xiàn)知識體系的建構(gòu)和轉(zhuǎn)化，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容展開討論、反思，教師則以提問的方式推進(jìn)這一過程，最終使學(xué)生在一個(gè)螺旋式上升的良性循環(huán)過程中理解知識，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的不斷延續(xù)，以促進(jìn)學(xué)生解決問題、自主學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，以及創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的提高，實(shí)現(xiàn)改善課堂教學(xué)效果及質(zhì)量的目標(biāo)。
與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，基于SPOC的混合式教學(xué)模式中，教師與學(xué)生的角色和任務(wù)發(fā)生巨大改變。教師從傳統(tǒng)課堂中的知識傳授者變成了學(xué)習(xí)的促進(jìn)者和指導(dǎo)者，這意味著教師不再是知識交互和應(yīng)用的中心，而是學(xué)生應(yīng)用知識到真實(shí)情景的推動(dòng)者。
教師的主要任務(wù)是：
（1）創(chuàng)設(shè)問題情境、呈現(xiàn)問題。提出問題是SPOC的起點(diǎn)和焦點(diǎn)。布朗、科林斯等學(xué)者認(rèn)為，認(rèn)知是以情境為基礎(chǔ)的，發(fā)生在認(rèn)知過程中的活動(dòng)是學(xué)習(xí)的組成部分之一，通過創(chuàng)設(shè)問題情境可吸引學(xué)習(xí)者。問題的產(chǎn)生可以是學(xué)生自己在生活中發(fā)現(xiàn)的有意義、需要解決的實(shí)際問題，也可以是在教師的幫助指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的問題，還可以是教師根據(jù)實(shí)際生活問題、學(xué)生認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)內(nèi)容等相關(guān)方面提出的問題。
（2）提供豐富的教學(xué)資源。教學(xué)資源是實(shí)施SPOC的根本保障。教師可以利用網(wǎng)絡(luò)課程為學(xué)生解決問題提供多種媒體形式和豐富的教學(xué)資源。
（3）對學(xué)習(xí)成果提出要求，給學(xué)生提供一個(gè)明確的目標(biāo)和必須達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。
（4）部分教學(xué)內(nèi)容、難點(diǎn)問題講授。
（5）答疑，論壇主持，實(shí)驗(yàn)，考試組織等。
學(xué)生的主要任務(wù)是：
（1）通過觀看視頻（任意時(shí)間）自主學(xué)習(xí)；
（2）在線完成作業(yè)和測試；
（3）線上論壇討論并相互回答問題；
（4）參與課堂討論和組間辯論。
例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時(shí)，有學(xué)生認(rèn)為波函數(shù)是經(jīng)典物理學(xué)的波，也有學(xué)生認(rèn)為波函數(shù)由全部粒子組成。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，可以通過線上視頻學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)資源共享，再組織在線討論，最后線下教學(xué)互動(dòng)和老師疑難解答，對各小組討論和辯論的觀點(diǎn)進(jìn)行評述和指正，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對一些不易理解的量子概念和原理的深入理解[4-6]。
4 SPOC教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題
（1）明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和內(nèi)容。通常任課教師以整門課程為一個(gè)體系進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，但是這個(gè)體系過于龐大，學(xué)生往往看這個(gè)體系如“盲人摸象”，很難完整理解，甚至使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，很難“留住”學(xué)生參與線上學(xué)習(xí)。所以，建議在設(shè)計(jì)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)以周為單位，定期視頻學(xué)習(xí)任務(wù)書，該任務(wù)書一定是具體的、可量化的，使學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)明確本周的學(xué)習(xí)目標(biāo)和內(nèi)容。
（2）教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與教學(xué)環(huán)節(jié)的組織安排。基于SPOC的混合式教學(xué)不等同于傳統(tǒng)教學(xué)+在線學(xué)習(xí)，需要詳細(xì)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，例如哪些內(nèi)容適合學(xué)生在線學(xué)習(xí)？哪些內(nèi)容需要課堂講授？設(shè)計(jì)哪些討論主題既緊密結(jié)合課程知識點(diǎn)又能夠激發(fā)學(xué)生的“好奇心”，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力？等等。此外，還需要細(xì)化各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的組織安排，確保各環(huán)節(jié)能夠有機(jī)結(jié)合。
