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中国科学院理论物理研究所
爱因斯坦的量子世界
孙昌璞
中国科学院理论物理研究所
http://power.itp.ac.cn/~suncp/quantum.htm
中国科学院理论物理研究所
1.量子物理的先驱 2.量子革命的“保守”派
2.突破玻尔“边界”, 走向宏观量子世界
3.爱因斯坦与未来技术: 量子信息与原子激光
5.爱因斯坦与未来物理学: 量子力学与广义相对论的统一
继往开来、与时俱进的继往开来、与时俱进的
爱因斯坦爱因斯坦
中国科学院理论物理研究所
量子力学
相对论
原子、分子
凝聚态
原子核
量子场论
天体、宇宙起源
激光、光纤
晶体管、集成电路
核能、放射性
规范场、标准模型
超导
大统一
信息
能源
光、电磁场
超(对称)弦??量子引力?
黑洞
现代物理现代物理: : 爱因斯坦无处不在爱因斯坦无处不在
现代科学的两大支柱：
中国科学院理论物理研究所
量子物理的先驱
爱因斯坦的光量子理论和光电效应
中国科学院理论物理研究所
量子
“革命”的前奏
19世纪走向“统一”的经典物理学
“苹果落地”
“月亮环地球运动”
“电”
“磁”
牛顿定律万有引力
“热，功”
“分子运动”
麦克斯韦
经典电动力学
统计热力学
经典物理学
中国科学院理论物理研究所
量子理论诞生的思想脉络
普朗克：光具有量子性爱因斯坦：光电效应
卢瑟福：原子有核模型玻尔：原子光谱于量子跃迁
德布罗意：物质波
索墨菲推广绝热过程
薛定谔波动力学
海森堡等人矩阵力学
量子力学
中国科学院理论物理研究所
爱因斯坦：光和原子电子一样
也具有粒子性，光就是以光速C 运动着的粒子流，他把这种粒
子叫光量子。同普朗克的能量
子一样，每个光量子的能量也
是E＝hν，根据相对论的质能
关系式，每个光子的动量为p＝ E/c＝h/λ
从黑体辐射到光电效应
德布罗意：物质波
中国科学院理论物理研究所
爱因斯坦的光量子假说发展了普朗克所开创的量子
理论。普朗克的理论还是坚持电磁波在本质上是连
续的，只是当它们与器壁振子发生能量交换时电磁
能量才显示出量子性。爱因斯坦对旧理论不是采取
改良的态度，光的本质。他放弃普朗克量子假说的
不彻底性，把量子性从辐射的引伸到光的本身，认
为光本身也是不连续的。爱因斯坦的光量子假说恢
复了光的粒子性，使人们终于认清了光的波粒双重
性格，而且在它的启发下，发现了德布罗意物质
波，使人们认清了微观世界的波粒二象性，为后来
量子力学的建立奠定了基础。
光电效应的意义
从电动门到火星探测器
中国科学院理论物理研究所
德.布罗易物质波
ν ＝ E/h
λ＝h/ p
中国科学院理论物理研究所
( ) ( )txtxdtd ,Hψ,ψi =
波动力学
薛定谔方程
量子力学
量子物理的一次 “盲人摸象”
波函数
( ) 2|ψ x, t |
=发现粒子的几率密度
中国科学院理论物理研究所
从卢瑟福-玻尔原子有核模型到量子力学
中国科学院理论物理研究所
与波动力学等价的矩阵力学
, mn mnP Q⎡ ⎤⎢ ⎥→ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦
x x ..
矩阵 x x ..
.. .. ..[ ], 0Q P ≠
•对具有波动性的微观粒子而言, 坐标
Q 和动量 P 不再是 实验上可观测物理量, 经典轨道的概念不再成立
•可观测的光谱现象必须和两个“轨道”有关, 必须用两个指标描述力学量
－量子力学的海森堡形式
中国科学院理论物理研究所
承上启下的第五次Solvay 会议(1927)
Quantum Theory –
“Quantum Wave
Mechanics”
-
takes flight
“Electrons and photons”
中国科学院理论物理研究所
量子力学的世界图景
中国科学院理论物理研究所
空气:运动着的分子
Atomic constituents
光
经典物理学:
中国科学院理论物理研究所
=
=
声音增大
无声=
听到“波的干涉”
中国科学院理论物理研究所
激光
Electromagnetic waves
看到“波的干涉”
中国科学院理论物理研究所
中国科学院理论物理研究所
粒子束
粒子探测器
粒子的双缝实验
中国科学院理论物理研究所
粒子束
中国科学院理论物理研究所
单粒子探测
粒子束
中国科学院理论物理研究所
粒子束
？
中国科学院理论物理研究所
HitachiCarnal, Mlynek
1991
实际粒子的双缝实验
电子 原子
中国科学院理论物理研究所
“click”
Intensity pattern shows upAfter many particles detected
物质波的量子相干叠加
10 10 CC +=ψ
中国科学院理论物理研究所
位置
速度
粒子由坐标和速度两个物理量表征
经典理论
中国科学院理论物理研究所
量子理论:
粒子也是一种波动
中国科学院理论物理研究所
位置
位置
不知道粒子在哪里, 却能精确计算速度
精确知道粒子在哪里,但不知速度为何?
中国科学院理论物理研究所
海森堡不确定关系:
X PΔ Δ ∼
动量不确定位置不确定
普朗克常量
中国科学院理论物理研究所
奇妙的波函数: 爱因斯坦“光子球”
一个光年
中国科学院理论物理研究所
为什么与狭义相对论没有矛盾?
对定域在A 的粒子测量 动量，塌缩到平面
波|K>
上，只可以以一定的概 率，在与A 类空的B发现
粒子.
不存在通常意义下的超 光速和因果关系破坏。目
前对一些误称为“超光速” 的现象的认识模糊均在于
此.
中国科学院理论物理研究所
爱因斯坦:量子革命的“保守”派:
Vs
尼尔斯.玻尔
玻尔-爱因斯坦关于量子力学基础的争论
中国科学院理论物理研究所
量子测量: 哥本哈根解释
中子干涉: 一旦通过测量发现中子是沿着哪条路 路径到达
屏上，干涉条纹将不复存在。
中国科学院理论物理研究所
量子力学的互补性原理 complementarity
物质具有波粒二象性(光具有粒子性，粒子具有波动性), 但在同一个实验中二者不能同时出现
海森堡不确定关系导致 动量不可控制的扰动
P / XΔ Δ∼粒子性: 动量、坐标
波动性: 弥散于整个空间
XΔ
中国科学院理论物理研究所
爱因斯坦
-玻尔的争论 是发展量子力学的重要推动力
尽管量子力学的数学结构严谨，在
解释一系列实验现象上取得了完全
成功，但是从它诞生的时刻开始，
对它的物理解释和理解就存在不同
的意见和争论。一批为量子力学的
发展作出过重要贡献的物理学家，
如爱因斯坦、薛定格等始终怀疑量
子力学，认为它不是最终的理论，
而另一批物理学家以玻尔、海森堡
为首则持完全相反的意见。
中国科学院理论物理研究所
争论的焦点
•
争论的焦点在于波函数的解释，它是不是 物理的实在？
•
如何理解Born提出的波函数的统计解释？
•
量子力学能否对物理事件的状态和运动过 程作完整的描述？
•
量子力学是最终的物理理论还是阶段性的 现象性理论？
中国科学院理论物理研究所
爱因斯坦质疑哥本
哈根解释的理想实验:
现实的当代实验
Nature, 395,33(1998)
不可控动量扰动不是退相干的唯一原因不可控动量扰动不是退相干的唯一原因
中国科学院理论物理研究所
虽然迄今为止的实验证明了量子力学的 正确，没有达到爱因斯坦的目的，但是 沿着这个方向的研究取得了意料之外的 新进展，如玻色-爱因斯坦凝聚.和信息
科学相结合开辟了量子力学应用的新领 域，如量子密码、远程量子信息传递、 量子计算等。
爱因斯坦质疑带来 的“意外收获”
中国科学院理论物理研究所
EPR 佯谬
•
为了说明量子力学的不完备性，1935 年Albert Einstein, Boris Podolsky, and Nathan Rosen 提出
EPR 佯谬。
在彼此纠缠而空间分开的两个量子态之间，会出 现非局域的相互作用或超光速的信息传递?
中国科学院理论物理研究所
双粒子的相干性－量子纠缠
(quantum Entanglement)
时否存在“超光速”通讯？
否！
=⏐Bell ⟩
中国科学院理论物理研究所
量子离物传态
(Teleportation)
Bob⏐? ⟩
Alice⏐ψ ⟩= α ⏐0 ⟩+ β⏐1 ⟩
⏐Bell ⟩
基本原理
经典通道
PRL 70, 1895 (1993)
中国科学院理论物理研究所
量子通讯演示：Teleportation
中国科学院理论物理研究所
量子信息
计算机科学 信息论
密码学
量子力学
以量子力学基本原理为基础、充分利
用量子相干性的独特性质（如量子并
行、量子纠缠和量子不可克隆）、探
索以全新的方式进行计算、存储、编
码和传输信息的可能性
什么是量子信息？
中国科学院理论物理研究所
为什么需要量子信息？
ψMore 定律: 18个月
CPU速度加倍
量子计算：计算机历史发展的必然
中国科学院理论物理研究所
什么是量子信息？
0 or 1 量子态 0 1
经典比特 二
能级系统量子比特
|e
|g
中国科学院理论物理研究所
原子：一个基本的量子比特
激发态
原子核
电子State |0> State |1>
基态
State |0> + |1>
2 π 脉冲
π 脉冲
中国科学院理论物理研究所
10 10 CC +=ψ
量子纠缠:Entanglement 量子并行:
预言: 一个 2,000 量子计算机 =一个宇宙尺寸的传统计算机
奇妙的量子相干叠加及其威力
中国科学院理论物理研究所
1 2 0 1 1 0| | l l l ln a a a a a a− − − −= ≡ ⊗ ⊗ ⊗
↑>⊗↓>⊗↑>>=
×+×+×=
|||5|
2120215 210
数据的量子态的表示
任何一个十进制数存在唯一的二进制表示:
l 1 l 2 1 0N [a a ...a a ], (0,1)ja− −= ∈
中国科学院理论物理研究所
用Qubit 表示十进制数对Qubit幺正变换进行
基本操作
测量Qubit读出结果
类比: 经典计算中的逻辑门基本操作
A B AND OR XOR NOT B
0 0 0 0 0 0
0 1 0 1 1 0
1 0 0 1 1 1
1 1 1 0 0 0
量子计算：
中国科学院理论物理研究所
Cd+Cadmium quantum bits
物理实现:囚禁离子量子计算
|0⟩ |1⟩
therehere 10 +=Ψ
here there
~40nm~40nm
中国科学院理论物理研究所
量子计算的原理与威力
计算复杂性比较
Classical QuantumFactoring
Elliptic Curve Discrete Logarithms
( )nnOe3/23/1 log ( ) ( )nOenO log∈
( )nOe ( ) ( )nOenO log∈
n 比特输入
2,000 个比特量子计算机 =宇宙尺寸的传统计算机
400位数字的 素因子分解:经典计算机：十亿年, 步数：量子计算机：~一 步数
( ) kns n e=( ) ( )s n P n=
中国科学院理论物理研究所
经典物理和量子物理的疆界(?)
中国科学院理论物理研究所
宏观物体是否存在量子相干性？
1.常规情况下不存在，宏 观物体的物质波长小
于物体的尺度或……2. 极端情况下存在，如
果有办法使组元个体 运动协调一致
hmv
λ =
10v mλ μ∼
碳60大分子干涉实验
中国科学院理论物理研究所
薛定谔猫佯谬
Erwin Schroedinger 也提出了
Schroedinger 猫 的假想试验。将猫和放射源放入密室中，一旦放出 射线，猫将死去。猫和放射源是一整体，放射源处 于衰变和未衰变态的叠加，因而猫也处于死亡与活 着状态的叠加。这和日常经验相矛盾
中国科学院理论物理研究所
薛定谔猫佯谬的可能解
外部环境或内部自由度导致相干性破坏
中国科学院理论物理研究所
玻色-爱因斯坦凝聚(1924)
d− d超流
S. Bose
1∝D MTλ ∼原子间距
热运动的
物质波波长
中国科学院理论物理研究所
玻色-爱因斯坦凝聚的机制
Dλ
aHigh temperature (T>Tc):
Low temperature (T<Tc): D aλ ∼
a
Dλ
相干重叠
形成整体:
宏观原子
D aλ
中国科学院理论物理研究所
超低温世界
热运动速度 物质波波长
温度广州
Air liquifies
Triton
0
-460
100
-269
200
-99
300
+81
Absolute zero –
all motion stops
Record
low (Antartica)
北京的冬天
Outer space (3K)
绝对温度(Kelvin)
Fahrenheit (degrees)
温度
300 K 300m/s 1x10-5
300 μK 30cm/s 0.01300 nK 1cm/s 1
1nK=0.000 000 001 K
virusE-coli
micronsRb
中国科学院理论物理研究所
多普勒激光冷却
Rb
Acceleration 100 000 g’s!!!!
中国科学院理论物理研究所
Magnets
Lasers
中国科学院理论物理研究所
玻色-爱因斯坦凝聚的实现 (1995)
中国科学院理论物理研究所
激光原理爱因斯坦,1917
从CD到武器激光无所不在
中国科学院理论物理研究所
相干物质波(BEC)的相干输出 原子“激光”
实现波长极段短的“可控光源”
中国科学院理论物理研究所
•不断的发展
•巨大的应用潜力
量子力学
量子计算
半经典物理
量子信息
量子密码
量子通讯
宏观量子态
高温超导
波色爱因斯坦凝聚
相干原子
纳米材料\结构
量子点\线
未来技术中的“爱因斯坦幽灵”
原子能、激光、半导体、CT、核磁共振
中国科学院理论物理研究所
量子物理的未来
中国科学院理论物理研究所
黑洞与量子信息损失
从有序到无序的非酉过程
时空背景与物质场的
量子纠缠?
时空背景(引力)量子化
相对论与量子力学的结合
中国科学院理论物理研究所
永远的爱因斯坦
中国科学院理论物理研究所
““海阔天空海阔天空””－孙昌璞之科普网站
http://power.itp.ac.cn/~suncp/quantum.htm
中国科学院理论物理研究所
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