信息论——基础理论与应用（第5版）课件 【ch13】量子信息学科简介.pdfVIP

高等学校电子信息类精品教材 第十三章 量子信息科学简介 信息论——基础理论与应用 》》》 01 量子力学 的基本概念 》》 一、量子力学的基本概念 01离散多址接入信道 量子力学是描述微观世界结构、运动和变化规律的物理科学。 在经典物理学中粒子与波是两类不同的实体粒子与波是两种不同的运动形式——都具有 绝对时间、绝对空间和确定论。经典粒子有确定的质量、电荷等性质，能在确定时刻确定其 空间的位置、动量等，符合经典力学的运动规律。而经典波可以用频率、波长、振幅和振动 方向等性质来描述。每个波都是独立地保持原有的性质进行传播。如果几个波在空间相遇， 它们就会相干叠加，是振幅相加而不是强度相加。所以，在经典物理学中波是波，而粒子是 粒子。 一、量子力学的基本概念 01离散多址接入信道 在量子力学理论中，却有大量物理实验证实，一切微观粒子(如电子、中子、质子、原子 和分子等)都具有波动性。所以量子力学理论认为，微观世界中一切微观客体都具有波粒二象 性。也就是说微观粒子既是粒子也是波，即使是单个微观粒子也具有波动性。微观客体是粒 子和波动二重性矛盾的统一体。同时，又有大量物理实验证实光不仅是电磁波，而且还是粒 子，它即是波也是粒子(称为光子)也是有波粒二象性。我们必须注意的是，描述微观客体时 所提及的波不再是经典概念的“波”粒子也不是经典概念的“粒子”。也就是说，微观客体 就是微观客体它在一定条件下表现出为“波动性在另一定条件下表现出为粒子性”。波 动性和粒子性是微观客体的双重属性，即微观客体具有波动性又具有粒子性。 一、量子力学的基本概念 01离散多址接入信道 由光电效应可以推断，光能不是连续的。频率为v的电磁辐射不仅在辐射和吸收时以一 份一份的能量E(量化的能量即称能量子)的不连续形式出现而且以这种能量量子形式在空间以 光速c传输。就是说微观世界里能量的传递不是连续的，而是量子化的，是以量子化的能量 单位传递的。这种最小的能量单位被称为能量子，简称量子。所以，量子是不可分的最小能 量单位，是最基本的。微观客体的某些物理量的变化就是以最小单位呈跳跃式进行的，而不是 连续的。 因此，人们把量子化的光称为光量子或光子。光量子就是光的最小能量单位。光就是以 这个微小单位的能量量子形式存在和传播的。单个光量子的能量E是与频率v成正比即 E=hv (13.1) 其比例系数h是普朗克常数，h=6.626×10-34J·s(焦耳·秒)。 一、量子力学的基本概念 01离散多址接入信道 由相对论的动量和能量的关系得，光量子具有的动量P P=E/c=hv/c=hλ (13.2) 上式中入就是波长。 式(13.1)和式(13.2)表示的正是波动性和粒子性的统一关系。这两关系式说明微观客体 的粒子性是由能量和动量来刻画，其波动性又由电磁波的频率和波长来表示，而这两组物理 量都通过一个比例因子普朗克常数联系了起来。所以，正是这两个关系式，反映了微观粒子 的波动性和粒子性的统一。 一、量子力学的基本概念 02波函数和量子态 比例系数),也称为概率密度。 在经典物理学中也有波函数ψ,其 (1)波函数ψ是可测的，有直接的物理意义： (2)波函数ψ和cψ(c为比例系数)是不同的。 但在量子物理学中描述实物粒子的波的波函数有： (1)ψ是不可测的无直接物理意义；只有2才可测，具有物理意义。 (2)ψ和cψ(c是常数)是描述相同的概率分布。 为此，可以看出4(r,t)不是对实体粒子物理量的波动描述，它不代表物理实体仅是一个概 率波。 一、量子力学的基本概念