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顛覆:迎接第二次量子革命(簡體書)
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商品簡介

目次

書摘/試閱

眾所周知,人類即將跨入量子技術新時代。量子信息是如何發展起來的?能為我們的生活帶來哪些新技術?年輕一代如何迎接第二次量子革命?諸多疑問,都能在本《顛覆:迎接第二次量子革命》找到答案。
  《顛覆:迎接第二次量子革命》沿著量子理論發展的脈絡,從“量子論”的誕生講到兩場世紀大爭論,闡釋了第二次量子革命的內涵和前景,介紹了量子計算等新技術的發展,通俗講述了量子力學的基本知識,生動展示了量子信息技術的魅力,是難得一見的走進量子世界的導引書。《顛覆:迎接第二次量子革命》融科學性、知識性和趣味性於一體,有助於社會大眾了解量子世界從基礎到前沿的全貌,更是大學生學習入門的重要讀物。
目錄
總序(楊玉良)/ i
序言(楊國楨)/ v
前言(郭光燦)/ vii
第一章“量子”究竟是什麼/ 1
一、“量子理論”的誕生 3
二、“波動-粒子”二象性——光子的雙縫干涉 19
三、描述量子世界的“量子語言”——量子態 27
第二章愛因斯坦的“幽靈”/ 33
一、愛因斯坦與玻爾的爭論 35
二、 EPR佯謬 48
三、 EPR思想實驗的響應與影響 54
四、愛因斯坦與玻爾爭論的焦點與實質 62
五、“幽靈”可否用來實現超光速通信 68
第三章神奇的量子非局域性/ 73
一、貝爾定理與非局域性 75
二、量子糾纏 90
三、量子隱形傳態 96
四、量子技術能否將人瞬間轉移 103
第四章薛定諤貓究竟是怎麼死亡的/ 107
一、薛定諤貓佯謬 109
二、哥本哈根學派:量子測量導致波包塌縮是“貓”的死因 121
三、環境消相干導致薛定諤貓的死亡嗎 127
四、薛定諤貓的自然死亡 135
第五章第二次量子革命/ 141
一、第二次量子革命是什麼 143
二、量子力學與廣義相對論的融合問題 158
三、傳統量子力學向何處發展 165
四、萬物源於真空 176
第六章量子計算——顛覆性的新技術/ 183
一、從摩爾定律的終結到量子計算的誕生 185
二、量子計算機的工作原理 187
三、量子編碼 192
四、量子算法 198
五、量子計算的物理實現 206
六、量子計算的發展現狀與前景 219
七、量子計算機帶來的顛覆性影響 226
第七章量子密碼果真絕對安全嗎/ 233
一、傳統密碼技術面臨的挑戰 235
二、量子密碼的誕生 250
三、實用的量子密碼 260
四、量子密碼的發展 262
五、量子技術時代的信息安全 268
第八章量子模擬中的有趣量子現象/ 273
一、量子模擬的原理 275
二、量子麥克斯韋妖 277
三、馬約拉納零模 282
四、拓撲物相 288
第九章量子優盤/ 295
一、量子存儲器:概念及應用 297
二、固態量子存儲器 303
三、實現量子優盤 312
四、總結與展望 321
主要參考文獻/ 325
第一章 『量子』究竟是什麼
  簡而言之,我所做的事情可以說不過是孤注一擲的一招。
  ——馬克斯 普朗克
  一、“量子理論”的誕生
  (一)經典物理的巔峰時刻
  人類在長期探索大自然奧秘的歷程中,逐漸將變幻莫測的自然現象在物理層面上歸納為三個不同的門類——力學、熱力學和電磁學,並致力於尋找它們各自的運動規律。
  1687年,艾薩克 牛頓(Isaac Newton)在《自然哲學的數學原理》一書中提出了力學的牛頓三定律和萬有引力定律,並建立了統一的力學體系。隨後的100多年,經過萊昂哈德 歐拉(Leonhard Euler)、讓 勒朗 達朗貝爾(Jean le Rond d’Alembert)、約瑟夫 拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)和皮埃爾-西蒙 拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)等人的進一步努力,利用數學中的變分方法和*小作用量原理,他們建立了與牛頓力學等價的歐拉-拉格朗日方程。*終由威廉 盧云 哈密頓(William Rowan Hamilton)於1834年提出了哈密頓原理以及正則方程,完成了分析力學的全部理論,實現了牛頓力學理論的*後一次飛躍。到19世紀末,理論力學已經是一個非常完善的學科,在很多領域都實現了精確的計算。特別值得提到的是,1843年英國的約翰 柯西 亞當斯(John Couch Adams)利用力學理論,通過對天王星軌道偏離的計算,精確地預言了海王星的軌跡,並*終於1846年9月23日被天文觀測所證實。這個成就標志著力學理論達到了前所未有的高度:上至宇宙中的各種天體,下至地面上的小小顆粒,都可以通過牛頓力學來了解它的運動。
  在19世紀末,人們已經基本認識到熱力學的三大定律。約西亞 威拉德 吉布斯(Josiah Willard Gibbs)在詹姆斯 克拉克 麥克斯韋(James Clerk Maxwell)和路德維希 玻爾茲曼(Ludwig Edward Boltzmann)思想的基礎上,明確地形成了系綜這個熱力學基本概念,並創立了系綜的統計方法。系綜統計方法的建立,將熱學的唯象理論與分子運動論兩個基本的研究方向整合到一個有機的研究體系中。
  自1785年查理-奧古斯丁 德庫侖(Charles-Augustin de Coulomb)發現庫侖定律、開創定量研究電學現象以來,經過漢斯 克裡斯蒂安 奧斯特(Hans Christian .ersted)、讓 巴蒂斯特 畢奧(Jean-Baptiste Biot)、菲利克斯 薩伐爾(Felix Savart)、安德烈 瑪麗 安培(Andre-Marie Ampère)、約翰 卡爾 弗裡德裡希 高斯(Johann Carl Friedrich Gauss)、邁克爾 法拉第(Michael Faraday)等人的努力,*終由麥克斯韋在1873年的《電磁通論》(A Treatise on Electricity and Magnetism)中建立了優美的麥克斯韋方程。即使以現在的觀點來看,麥克斯韋方程依然是科學的美的光輝典範;它的優美、簡潔、對稱、深刻,折服和激勵了一代又一代的物理學家。玻爾茲曼在看到麥克斯韋方程後也不由得驚呼:難道這是上帝寫的嗎?人們甚至認為,麥克斯韋方程是人類有史以來*優美的公式。麥克斯韋方程不僅成功地預言了電磁波的存在,而且進一步指出光是一種電磁波,從而實現了電磁學與光學的統一。電磁波的預言,被海因裡希 魯道夫 赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)1887年的實驗所證實(我們後面會提到,赫茲的實驗還發現了光電效應),開啟了人類的無線通信時代。
  至19世紀末,經典物理的三大支柱——經典力學、經典電動力學以及經典熱力學和統計力學都已經完整地建立起來了。這三個理論自身已經經受住各種實驗檢驗,並廣泛地應用於各自領域。更為重要的是,這三大支柱之間也是自洽的、相互融合的,一起形成了一個包括力、熱、光、電、聲的宏偉而完整的物理學體系。這個體系本身嚴謹而優美,蘊含了豐富、深刻、明晰的物理學概念。19世紀末是經典物理的“黃金時代”,科學從來沒有像那時那麼強大過:人們利用已知的理論,幾乎可以解釋已知的一切物理現象。連*偉大的物理學家都認為已經看到了上帝的底牌,找到了所有的基本物理原理,物理學已經到了盡善盡美的盡頭。在這樣的情況下,我們能做的就是對這座理論大廈的修修補補,而且只能在一些細節上做些補充(如更加精確地測量一些物理參數)。物理學家們甚至發出了“物理學的未來只有在小數點第六位以後尋找了”的感慨。然而事實真的如此嗎?
  (二)物理學的兩朵“烏云”
  1900年4月27日,頑固而保守的開爾文勛爵(Lord Kelvin),在倫敦的英國皇家研究所做了題為“在熱和光動力理論上空的19世紀的烏云”的報告a。他在這個報告中開宗明義地指出:“動力學理論斷言熱和光都是運動的方式,現在,這種理論的優美性和明晰性被兩朵‘烏云’遮蔽得黯然失色了。第一朵‘烏云’是隨著光的波動理論而出現的。奧古斯丁-讓 菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)和托馬斯 楊(Thomas Young)都研究過光的波動理論,這個理論包含有這樣一個未解的問題:地球如何能夠在本質上是光以太的彈性固體中運動?而第二朵‘烏云’是麥克斯韋和玻爾茲曼關於能量均分的學說。”在20世紀之初,憂心忡忡的開爾文勛爵和一片歡呼的整個物理學界形成鮮明的對比。
  開爾文勛爵說的第一朵“烏云”與失敗的邁克爾孫-莫雷實驗相關。
  在經典物理和經典時空觀中,時間和空間都是絕對的。在這個絕對時空觀中,需要引入一個絕對靜止的參考系,人們稱之為以太。任何物體相對於以太的運動,都是絕對運動。邁克爾孫-莫雷實驗的初衷是測量以太相對於地球的運動速度。麥克斯韋的電磁波理論提供了一個高精度的測量以太相對地球的運動速度的方法。按麥克斯韋1879年提出的測量方法,光線分別在平行和垂直於地球運動方向上做等距的往返傳播,如果以太理論正確的話,平行於地球方向所花的時間將會略大於垂直方向的時間。
  阿爾伯特 亞伯拉罕 邁克爾孫(Albert Abraham Michelson)出生於歐洲,四歲時隨父母移民美國。1880~1881年,邁克爾孫就在亥姆霍茲的實驗室中設計並組裝了麥克斯韋建議的檢驗地球和以太的相對運動的干涉儀。1885年,邁克爾孫又和愛德華 威廉 莫雷(Edward Williams Morley)合作,以更高的精度重復了1881年的實驗。邁克爾孫的實驗結果清晰地表明:兩束光根本就沒有表現出任何的時間差。這是當時整個物理學界*精密的實驗。邁克爾孫也由於其在精密光學儀器、光譜學、計量理論研究方面所取得的成果,獲得了1907年的諾貝爾物理學獎,也是第一位獲此殊榮的美國公民。
  雖然邁克爾孫的實驗表明了以太理論的失敗,但人們當時還沒有意識到問題的嚴重性,普遍認為可以通過修訂現有的以太理論來解決這個問題。即使是開爾文勛爵本人,當時也是這麼認為的。當然,後來隨著對這個問題的深入研究,人們逐漸認識到以太理論的不可救藥,放棄了以太理論和絕對運動的概念,並*終由阿爾伯特 愛因斯坦(Albert Einstein)在1905年創造了相對論。
  (三)黑體輻射:背景、問題、經典曲線
  開爾文勛爵提到的第二朵“烏云”是能量均分問題,更確切地說是黑體輻射問題。“黑體輻射”的概念是德國海德堡大學的物理學家古斯塔夫 羅伯特 基爾霍夫(Gustav Robert Kirchho.)a在1859年為了簡化分析提出來的。他所說的黑體是指對光能進行完美吸收的物體,按照他的想法,一個完美吸收的物體是沒有任何輻射的,因而看起來就應該是黑的。那麼,黑體應該長什麼樣呢?基爾霍夫把在一個面上開了一個細微的小孔的空盒子近似成一個黑體:無論是何種波段的光,也不管它從哪個方向通過小孔進入這個盒子,都會在盒子的各個面之間來回地反射,直到被完全吸收為止。基爾霍夫的研究表明,黑體輻射的分布與黑體的材料、黑體的幾何尺寸等都沒有關係,它只與兩個參數有關——黑體的溫度以及輻射的波長。盡管基爾霍夫的研究結果很明確,但在他所處的時代,人們還沒有能力做出真正的黑體來驗證它。

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