浅析量子物理及其在量子通讯中的应用研究

吴宸宇

摘 要：量子物理是现代物理科学的重要组成部分，在其理论基础上发展的电子通讯、半导体、激光和功能材料和逐步改善着人们的现实生活，探讨量子物理理论及其重要应用具有重要意义。文章从量子物理概念及其发展史出发，重点分析了量子物理与经典物理的异同点，最后对量子物理在量子通讯领域的应用进行了剖析与解读，望对量子物理理解起到启发作用。

关键词：量子物理;经典物理;量子通讯;应用

中图分类号：O413.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0033-02

0 引言

2018年8月16日墨子号量子科学实验卫星成功发射，标志着我国在空间科学和量子通信领域的巨大突破。量子物理的发现是近现代物理科学发展的重要标志，也是物质观上的革命。量子物理的发展推动了技术革命的前进，其在量子通讯等重要方面的应用对国家发展以及人民的日常生活具有重大现实意义。基于此，文章分析讨论了量子物理的概念、发展史、量子物理与经典物理的异同点以及其在信息通讯重要应用研究，希望能够进一步揭示量子物理的神秘面纱。

1 量子物理概念及其发展史

量子物理是研究分子、原子等基本粒子结构和性质以及运动规律吧的基本理论，和相对论共同构成现代物理学的基础理论，是对经典物理的补充与突破[1-2]。量子物理主要包括两方面，一是基于原子层次物质理论的量子力学，二是描述粒子间相互作用的量子场论[3]。十九世纪末物理空间甚至整个科学空间中存在两朵乌云：麦克尔逊-莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难，其中黑体辐射推动了量子物理的诞生。

黑体辐射是指物体完全吸收辐射而不反射的现象。19世纪末维恩根据热力学理论推导出热辐射公式，但与试验结果对比发现：该公式与实验只有在高频区域比较符合，在低频区域显著不一致。随后，瑞利和金斯完全根据经典物理理论也推导出了热力学辐射公式，但与试验结果对比发现：该公式与实验只有在低频区域比较符合，在高频区域显著不一致，而且随着频率的增加，能量密度也会显著增加，甚至会增加到无穷大，也就是所谓的“紫外灾难”[4]。量子物理起源于黑体辐射，普朗克提出能量不是连续的，而是离散的，基于此提出量子假说。1905年爱因斯坦的光子假说和光电效应论证了普朗克量子假说的观点。不过当时爱因斯坦光量子假说遭到物理学界的否定，密立根、康普顿以及弗兰克、赫兹等应用实验方法证实了光量子假说的成立和能量子公式的普遍性。随后，卢瑟福根据粒子散射实验提出原子模型德布罗意于1924年在他的博士毕业论文中指出电子也有波特性，并提出物质波的概念，德布罗意是把爱因斯坦关于光子的波粒二象性推广到所有的粒子，他认为爱因斯坦的公式不仅适用于光子，而且也适用于电子[5-6]。戴维逊和汤姆逊分别完成了电子衍射实验，证实了电子的波粒二象性，以此也证实了德布罗意物质波假设的正确性。随后，海森堡和薛定谔在此基础上分别提出了矩阵力学和波动力学，量子物理经典理论也就此创立，而且在科学领域中不断进行发展[7]。

2 量子物理与经典物理的异同点

量子物理和经典物理存在重要区别，研究两者之间的异同点对于深入理解量子物理理论具有重要作用。在研究对象方面，经典物理是研究宏观物质运动规律的科学，量子物理是研究微观物质运动的科学，经典物理的研究对象是宏观物质，而量子物理的研究对象是微观粒子，宏观物质是由微观粒子组成。在逻辑辩证关系方面，量子物理是在经典物理基础上发展而来，经典物理为量子物理奠定了坚实的数学理论基础。在使用范围方面，量子物理与经典物理的使用范围是根据是否产生量子效应来决定的，宏观物质只有粒子性，而微观粒子具有波粒二象性。在描述物质运动时，量子物理既要描述物质的波动性，又要描述物质的粒子性。在运动状态描述方面，量子物理运动状态是由波函数进行描述的，但波函数并不是实验可直接观测的，其描述采用的是概率统计的方法。经典物理对状态量具有严格、确定的表达形式，比如描述质点运动状态的状态量为坐标和动量，且初始状态确定后，质点在任意时刻具有确定的坐标和动量。而量子物理中微观粒子的状态量不是唯一确定的，其状态量是一种概率表述[8]。

3 量子物理在电子通讯中的应用

量子物理的发现对国家发展以及人民生活改善具有重要现实意义。目前在信息处理、存储、显示和传输等方面，更具体的包括精密仪器测量、电子光学器件设计等，都是在量子物理理论与技术上发展起来的[9]。下面就量子物理在量子通讯领域应用进行分析与讨论。

量子通讯的发展推动了国防建设，改善了人民生活水平，我国在量子通讯领域目前已走到世界前列。我国首个基于量子通讯的电话设备于2007年在北京建设成功，随后于2014年进一步完成了北京至上海的量子通讯线路建设，引领者国际量子通讯的发展[10]。其基本原理是应用量子纠缠效应进行信息加密和信息传递的现代化新型通讯方式。实验和理论结果表明：具有纠缠态的两个粒子只要一个发生变化，另一个也会瞬间发生变化。量子通讯中重要内容是量子保密通信，独特的加密方式具有高效性、不可复制性和安全性，在通讯过程中当两人使用的通讯设备完全一样时，测量结果才会一致，当有外来干扰，比如窃听者窃取信息时，就会扰乱原有的测量结果，从而探测出窃听者，已达到信息安全、信息保密的良好效果[11-13]。量子通讯是应用量子力学机制处理信息系统问题的一种技术手段，也是基于粒子的量子行为效应的一种信息技术改革，其发展必将随着量子物理理论的进一步认识得到更高层洗的推动。

参考文献

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