淺析量子物理及其在量子通訊中的應用研究

吳宸宇

摘 要：量子物理是現代物理科學的重要組成部分，在其理論基礎上發展的電子通訊、半導體、激光和功能材料和逐步改善著人們的現實生活，探討量子物理理論及其重要應用具有重要意義。文章從量子物理概念及其發展史出發，重點分析了量子物理與經典物理的異同點，最后對量子物理在量子通訊領域的應用進行了剖析與解讀，望對量子物理理解起到啟發作用。

關鍵詞：量子物理;經典物理;量子通訊;應用

中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0033-02

0 引言

2018年8月16日墨子號量子科學實驗衛星成功發射，標志著我國在空間科學和量子通信領域的巨大突破。量子物理的發現是近現代物理科學發展的重要標志，也是物質觀上的革命。量子物理的發展推動了技術革命的前進，其在量子通訊等重要方面的應用對國家發展以及人民的日常生活具有重大現實意義。基于此，文章分析討論了量子物理的概念、發展史、量子物理與經典物理的異同點以及其在信息通訊重要應用研究，希望能夠進一步揭示量子物理的神秘面紗。

1 量子物理概念及其發展史

量子物理是研究分子、原子等基本粒子結構和性質以及運動規律吧的基本理論，和相對論共同構成現代物理學的基礎理論，是對經典物理的補充與突破[1-2]。量子物理主要包括兩方面，一是基于原子層次物質理論的量子力學，二是描述粒子間相互作用的量子場論[3]。十九世紀末物理空間甚至整個科學空間中存在兩朵烏云：麥克爾遜-莫雷試驗結果和黑體輻射的紫外災難，其中黑體輻射推動了量子物理的誕生。

黑體輻射是指物體完全吸收輻射而不反射的現象。19世紀末維恩根據熱力學理論推導出熱輻射公式，但與試驗結果對比發現：該公式與實驗只有在高頻區域比較符合，在低頻區域顯著不一致。隨后，瑞利和金斯完全根據經典物理理論也推導出了熱力學輻射公式，但與試驗結果對比發現：該公式與實驗只有在低頻區域比較符合，在高頻區域顯著不一致，而且隨著頻率的增加，能量密度也會顯著增加，甚至會增加到無窮大，也就是所謂的“紫外災難”[4]。量子物理起源于黑體輻射，普朗克提出能量不是連續的，而是離散的，基于此提出量子假說。1905年愛因斯坦的光子假說和光電效應論證了普朗克量子假說的觀點。不過當時愛因斯坦光量子假說遭到物理學界的否定，密立根、康普頓以及弗蘭克、赫茲等應用實驗方法證實了光量子假說的成立和能量子公式的普遍性。隨后，盧瑟福根據粒子散射實驗提出原子模型德布羅意于1924年在他的博士畢業論文中指出電子也有波特性，并提出物質波的概念，德布羅意是把愛因斯坦關于光子的波粒二象性推廣到所有的粒子，他認為愛因斯坦的公式不僅適用于光子，而且也適用于電子[5-6]。戴維遜和湯姆遜分別完成了電子衍射實驗，證實了電子的波粒二象性，以此也證實了德布羅意物質波假設的正確性。隨后，海森堡和薛定諤在此基礎上分別提出了矩陣力學和波動力學，量子物理經典理論也就此創立，而且在科學領域中不斷進行發展[7]。

2 量子物理與經典物理的異同點

量子物理和經典物理存在重要區別，研究兩者之間的異同點對于深入理解量子物理理論具有重要作用。在研究對象方面，經典物理是研究宏觀物質運動規律的科學，量子物理是研究微觀物質運動的科學，經典物理的研究對象是宏觀物質，而量子物理的研究對象是微觀粒子，宏觀物質是由微觀粒子組成。在邏輯辯證關系方面，量子物理是在經典物理基礎上發展而來，經典物理為量子物理奠定了堅實的數學理論基礎。在使用范圍方面，量子物理與經典物理的使用范圍是根據是否產生量子效應來決定的，宏觀物質只有粒子性，而微觀粒子具有波粒二象性。在描述物質運動時，量子物理既要描述物質的波動性，又要描述物質的粒子性。在運動狀態描述方面，量子物理運動狀態是由波函數進行描述的，但波函數并不是實驗可直接觀測的，其描述采用的是概率統計的方法。經典物理對狀態量具有嚴格、確定的表達形式，比如描述質點運動狀態的狀態量為坐標和動量，且初始狀態確定后，質點在任意時刻具有確定的坐標和動量。而量子物理中微觀粒子的狀態量不是唯一確定的，其狀態量是一種概率表述[8]。

3 量子物理在電子通訊中的應用

量子物理的發現對國家發展以及人民生活改善具有重要現實意義。目前在信息處理、存儲、顯示和傳輸等方面，更具體的包括精密儀器測量、電子光學器件設計等，都是在量子物理理論與技術上發展起來的[9]。下面就量子物理在量子通訊領域應用進行分析與討論。

量子通訊的發展推動了國防建設，改善了人民生活水平，我國在量子通訊領域目前已走到世界前列。我國首個基于量子通訊的電話設備于2007年在北京建設成功，隨后于2014年進一步完成了北京至上海的量子通訊線路建設，引領者國際量子通訊的發展[10]。其基本原理是應用量子糾纏效應進行信息加密和信息傳遞的現代化新型通訊方式。實驗和理論結果表明：具有糾纏態的兩個粒子只要一個發生變化，另一個也會瞬間發生變化。量子通訊中重要內容是量子保密通信，獨特的加密方式具有高效性、不可復制性和安全性，在通訊過程中當兩人使用的通訊設備完全一樣時，測量結果才會一致，當有外來干擾，比如竊聽者竊取信息時，就會擾亂原有的測量結果，從而探測出竊聽者，已達到信息安全、信息保密的良好效果[11-13]。量子通訊是應用量子力學機制處理信息系統問題的一種技術手段，也是基于粒子的量子行為效應的一種信息技術改革，其發展必將隨著量子物理理論的進一步認識得到更高層洗的推動。

參考文獻

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