量子力學應用的案例
沒有人真正理解量子力學，但量子力學是確定的理論！
也許我上面提到的這些問題都只是語言的問題，跟量子力學本身無關。一些現代哲學觀點認為，最“哲學”的問題都是跟我們所運用的語言相關的問題，因為我們是人。
很多導師常用這種觀點來教育那些抱怨量子力學的研究生們：閉上嘴，只管算。
所以不要想著去試圖建立一個可以隔絕所有環境的系統。那是不可能的。就像我們好多人說，我們要到太空里去。其實我們就在太空中。
以上就是關于量子力學本質的一些論述。希望可以不止幫助大家理解量子力學，更幫助大家理解生命，理解生活。遇到你們，是我的緣分。在沒有遇到之前，緣分只是可能，在遇到之后，緣分就是確定的。
矩陣力學和波動力學，揭示量子力學的物質基礎和作用原理
1925年，他們和海森堡一起完成了將新量子論改寫為矩陣的工作，即今天我們所說的量子力學的第一套數學形式：矩陣力學。
從矩陣力學的建立過程可以看到，事實經驗在其中起到了最關鍵的作用。普朗克的能量量子和愛因斯坦的光量子都是為了解釋實驗中出現的反常現象而被迫創造出的新概念；玻爾理論的成功更直接得益于氫原子光譜的經驗證據的支持；而海森堡則干脆聲稱其理論只針對實驗中的可觀測量。相反，在這條路徑中，物理理論圖景的發展卻一直遠遠滯后，甚至可以說從始至終就是模糊不清的。普朗克的能量量子概念就連他自己也覺得難以理解；玻爾自始至終也無法說清原子核外電子按固定軌道分布的原因及其躍遷機制；至于海森堡，甚至以“摒棄形而上學假設”為旗幟，要求把討論嚴格限制在可觀測量上。
波動力學：尋求理論上的統一
與矩陣力學相對的另一條研究路線是波動力學。波動力學的最初線索來自于物理學家們試圖為奇異而紛亂的量子現象找到一個統一而可理解的理論解釋的努力。
前文提到，玻爾的量子化原子模型因為可以完美地解釋氫原子光譜的成因，因而被認為是成功的。但是更進一步地追問：核外電子為什么只能待在那幾條特定的軌道上？這些特定軌道的半徑又為什么會取這樣的一些特定值？玻爾一直無法回答，直到1923年法國學者德·布羅意給出了解釋。
德·布羅意的靈感來自于愛因斯坦。當年愛因斯坦提出光量子理論后即遭到了一個詰問：光究竟是波還是粒子？對此，愛因斯坦本人的回答是：光既是波，也是粒子，這二者并非互不相融；未來，我們必將得到一個類似于現有波動理論和微粒理論的融合體的新的輻射理論。這就是著名的波粒二象性假說。而德·布羅意由此聯想到，如果一直被認為是波動的光同時也具有粒子性，那么一直被認為是微粒的物質粒子，會不會也具有某種波動性呢？德·布羅意假設，對于每一個微觀粒子，比如電子，都存在一個與之相對應的波，并稱之為“物質波”。
展開 誰有法國德布羅意研究所關于量子力學的流體力學表象的文章
誰有法國德布羅意研究所關于量子力學的流體力學表象的文章
很多文章都提到量子力學的流體力學表象，但是都沒有講清楚方程是個啥樣子，
尤其是科大沈XX那本書，盡是些白話文，求深入一點的書籍和文章
另外，也求關于量子力學系綜和熱力學系綜理論之間聯系的文章
你的大腦使用量子力學嗎？
大腦使用量子力學嗎？
從某種程度上說，大腦肯定在使用量子力學，因為大腦是由原子組成的，而原子是遵循量子力學的。不過，那些怪異的量子效應——可以同時出現在兩個地方，可以跨越距離瞬時彼此影響等等——是否可以用來解釋意識、記憶等大腦的認知活動呢？事實上，這是一個非常有爭議的問題。
許多人否認量子力學在其中發揮作用，主要的理由來自奧卡姆剃刀原理。奧卡姆剃刀原理指的是最簡單的解釋通常是最好的解釋。當前，科學家不使用量子力學就可以很好地解釋大腦如何工作，并認為大腦的認知活動都可以用神經元的相互作用來解釋。
不過在1989年，英國牛津大學的數學家、物理學家羅杰·彭羅斯卻認為，經典理論模型是無法解釋大腦如何產生思想和意識的，要想解釋清楚，就必須使用量子理論模型。彭羅斯的觀點一下吸引了許多人從量子的角度來分析大腦。之后，一些科學家發現了能把量子力學帶入到神經科學的切入點。
科學家發現微管——一種構成神經元支撐結構的管形蛋白質——可以利用量子力學效應。具體地說，微管可以同時處在兩種不同形狀之中，這種狀態叫做“疊加態”。一般的分子一次只能處在一種形狀之中，信息含量只是一個比特，而這種疊加態使得微管能存儲更多的信息，它所存儲的信息含量被稱為一個量子比特。
如果把量子糾纏加入進來，還會把事情變得更加不可思議。量子糾纏會使得兩個量子系統即使不相連也可以瞬時影響，這使得信息處理極為高效。于是，如果我們能基于疊加態和量子糾纏來建造一臺量子計算機，那么這種計算機就可以同時進行多次計算，并把所有的計算結果綜合起來。所以量子計算機比普通的計算機速度更快，效率更高。于是，彭羅斯認為，大腦可能就類似于一種量子計算機。
脆弱的量子態
盡管許多人開始很認同彭羅斯的觀點，但是漏洞很快就開始浮現出來。最根本的問題是，量子態在大腦里似乎很難維持很長的時間。
展開 
量子力學的哲學困境 | “九”答不可
量子力學有個“不確定性”原理，這是自然規律設置的，關于測量精度的上限，與測量儀器無關，大體含義是，如果你測量一個系統，就必然會干擾這個系統，從而造成測量結果的“不準確”，”亦即當你觀測它時，它的狀態就被改變從而造成觀測結果的不準確。一切都是“觀測結果”。
在科學史上，還沒有任何一個理論比量子力學帶來的哲學困惑更基本，也沒有任何一個理論像量子力學那樣，從其誕生之日起一直到有了驚人應用前景的今天，還伴隨著激烈的哲學爭論。
壹
相對于人類而言，樸素的實在論是與人的日常生活相符合的很自然的態度，就像動物的本能一樣。但是在科學中，科學家通常與超出日常生活之外的現象打交道，需要借助特定的抽象理論才能達到對所觀察到的現象的說明。是理論拯救了現象，而不是從現象中歸納出理論。這樣，客觀性問題就變的復雜起來，現象背后是否存在一個不依賴于觀察者的客觀世界，就成為一個無法逃避的問題。
量子力學誕生前，科學家有兩個共同的基本信念：
一是相信自然現象的發生都是有原因的，有規律可循的。相同的實驗條件必然得到相同的實驗結果，既決定論的因果性觀念；
一是相信科學理論都是對現象背后的客觀世界的規律的解釋，科學的目標在于掌握規律，作出預言。
然而，量子力學一開始就從根本意義上對這兩種信念提出了挑戰。正如波恩所說“從我們的量子力學的觀點來看，在任何一個個別的情形里，都沒有一個量能夠用來確定碰撞的結果；不過迄今為止我們在實驗上也沒有理由相信，原子會具有某種內部特性，能夠要求碰撞有一個確定的結果......我自己傾向于在原子世界里放棄決定論。但是這是一個哲學問題，只靠物理學的論證是不能決定的。”
如果物理學家完全接受量子力學波函數的概率解釋，那么就意味著降低了科學的預言能力，“而是像算命先生一樣，只能說一些模棱兩可的話，從而使科學變成一項追求不確定性的一項事業。”
展開 深度學習在量子力學水平上模擬物質的能力
盡管科學家已經為此付出了數十年的努力，也曾取得過一些重大的進展，但至今為止，想要準確地模擬電子的量子力學行為，仍然是一個艱巨的挑戰。
現在，在一篇新發表于《科學》雜志上的論文中，DeepMind研究團隊介紹了一個新的神經網絡——DM21，能夠通過預測分子內電子的分布來了解分子的特征。它可以比現有技術更準確地計算一些分子的性質。
理論上說，材料和分子的結構完全由量子力學決定。在近一個世紀以前，物理學家埃爾溫·薛定諤 （Erwin Schr?dinger）提出了著名的薛定諤方程，描述了量子力學粒子的行為。但是，想要將這個方程應用于分子中的電子，是非常困難的。因為所有的電子都會相互作用，這就使得基于薛定諤方程來計算分子結構或分子軌道變得異常困難，它似乎需要我們能夠追蹤每個電子的位置。這樣一項工作，即使是對于只有少量電子的情況，也是一項噩夢般復雜的任務。
一次重大的進展出現在上世紀60年代。當時，理論物理學家皮埃爾·奧昂貝格（Pierre Hohenberg）和沃爾特·科恩（Walter Kohn）意識到，并沒有必要對每個電子的行為都進行單獨追蹤，只要知道任意電子在每個位置的概率，即電子密度，就足以精確計算所有的相互作用了。
在證明了這一點后，科恩發展出了密度泛函理論（density functional theory，DFT），它能夠幫助我們對分子中的電子分布進行精確近似。雖然DFT在本質上涉及到一定程度的近似，但它是唯一一種可用于研究物質在微觀水平上如何以及為何以某種方式表現的實用方法。因此自60年代開始，DFT便成了所有科學領域中應用最廣泛的技術之一。科恩也因此獲得了1998年的諾貝爾化學獎。
然而，這種技術有其明顯的局限性。
展開 科學家發現重化學元素 能夠突破量子力學理論！
佛羅里達州立大學的研究人員發現，量子力學的理論并不足以解釋元素周期表一些稀有重元素。相反，另一個著名的科學理論——愛因斯坦的相對論，能夠解釋元素周期表最后一些元素的性質。
該研究發表在《Journal of the American Chemical Society》雜志上。
量子力學本質上是能夠解釋分子的基本規則和完全解釋元素周期表上大部分的元素的化學性質。但是，佛羅里達州立大學化學教授homas Albrecht-Schmitt發現，這些規則就元素周期表那些不太知名的重元素而言會被愛因斯坦的相對論推翻。
homas Albrecht-Schmitt教授
“這就像是在另一個宇宙，因為這是你在日常元素看不到的化學”Albrecht-Schmitt說。
這項研究花了三年多完成，涉及元素周期表的元素锫，Bk。佛羅里達州立大學和總部在佛羅里達州立大學的國家高磁場實驗室24個研究者參與該實驗，Albrecht-Schmit制造的锫化合物表現出不尋常的化學性質。
他們沒有遵循量子力學的正常規則。
具體來說，锫原子周圍的電子沒有像較輕的元素如氧、鋅或銀那樣安排自己的組織方式。通常情況下，科學家們期望看到電子都面向同一個方向排列。就像鐵充當磁鐵一樣。
然而，這些簡單的規則不適用于元素锫及后面元素，因為有一些電子與科學家們預測的排列相反。
Albrecht-Schmitt和他的團隊意識到愛因斯坦的相對論實際上可以解釋他們在锫化合物所看到的。根據相對論，運動越快，質量越重。因為這些重原子的原子核是高度帶電的，電子接近光速運動。這使他們變得比正常重，適用于電子行為的典型規則開始打破。
Albrecht-Schmit說t當他和他的團隊開始觀察到該過程這是“令人興奮的”。
展開 Mathematica實例——利用Mathematica演示量子力學中的波包演化
1背景介紹
在量子力學中，一個粒子對應一個在時空中演化的波函數，與經典力學中僅僅具有質量、位置、速度等屬性的點粒子有很大不同。這種"波粒二象性"常常給初學者帶來理解上的困難。我們利用Mathematica軟件對一維情形下的幾個經典量子力學問題進行了數值模擬，包括高斯波包在自由空間的傳播和擴散、遇到剛性邊界時的反射、遇到勢壘或勢阱時的反射和透射，以及在諧振子勢場中的準經典振動。Mathematica具有強大的符號和數值計算功能，以及簡單易用的Manipulate控件，這使得我們可以快速實現代碼并方便地演示結果。我們將展示量子波包在不同勢場中隨時間的演化，這有助于對量子力學的物理圖像和基本概念的理解，也為更進一步的探索提供啟發。
2物理模型和模擬設定
一維空間中，單粒子波函數的動力學由薛定諤方程
描述。在給定空間勢場和初始波函數后，波函數的后續演化就完全確定了。為了方便，這里我們取“自然單位”，將方程中的物理常量和取為1。這樣，方程變成 ，取最簡單的一階歐拉格式，可以寫出差分方程
，當時間步長足夠小，差分方程的迭代就可以近似給出薛定諤方程的解。其中，對空間的二階偏導也要用差分格式
來代替。公式(2)(3)就是數值模擬用到的核心方程。
在模擬中，我們使用高斯波包作為初始波函數。一個歸一化的高斯波包可以寫成
。容易看出，的概率密度是以為中心，以為方差的高斯分布。實際上，其動量表象波函數也具有對稱的形式，概率密度|是以為中心，以為方差的高斯分布。因此，高斯波包具有明確的物理意義，我們可以把它大致想成一個具有坐標，動量的“準經典”粒子，只是其坐標和動量的分布有一定的彌散，體現了量子力學中的不確定原理。
展開 深度學習在量子力學水平上模擬物質的能力（轉載）
盡管科學家已經為此付出了數十年的努力，也曾取得過一些重大的進展，但至今為止，想要準確地模擬電子的量子力學行為，仍然是一個艱巨的挑戰。
現在，在一篇新發表于《科學》雜志上的論文中，DeepMind研究團隊介紹了一個新的神經網絡——DM21，能夠通過預測分子內電子的分布來了解分子的特征。它可以比現有技術更準確地計算一些分子的性質。
理論上說，材料和分子的結構完全由量子力學決定。在近一個世紀以前，物理學家埃爾溫·薛定諤 （Erwin Schr?dinger）提出了著名的薛定諤方程，描述了量子力學粒子的行為。但是，想要將這個方程應用于分子中的電子，是非常困難的。因為所有的電子都會相互作用，這就使得基于薛定諤方程來計算分子結構或分子軌道變得異常困難，它似乎需要我們能夠追蹤每個電子的位置。這樣一項工作，即使是對于只有少量電子的情況，也是一項噩夢般復雜的任務。
一次重大的進展出現在上世紀60年代。當時，理論物理學家皮埃爾·奧昂貝格（Pierre Hohenberg）和沃爾特·科恩（Walter Kohn）意識到，并沒有必要對每個電子的行為都進行單獨追蹤，只要知道任意電子在每個位置的概率，即電子密度，就足以精確計算所有的相互作用了。
在證明了這一點后，科恩發展出了密度泛函理論（density functional theory，DFT），它能夠幫助我們對分子中的電子分布進行精確近似。雖然DFT在本質上涉及到一定程度的近似，但它是唯一一種可用于研究物質在微觀水平上如何以及為何以某種方式表現的實用方法。因此自60年代開始，DFT便成了所有科學領域中應用最廣泛的技術之一。科恩也因此獲得了1998年的諾貝爾化學獎。
然而，這種技術有其明顯的局限性。
展開 使用 COMSOL 模擬量子力學中的隧穿現象
在經典力學中，當粒子攜帶的能量不足以克服勢壘時，粒子是無法穿過勢壘的。但是在量子力學中，電荷等微觀粒子卻能夠穿越大于其自身攜帶總能量的勢壘層，這就是量子隧穿效應。我們可以使用 COMSOL? 軟件的“半導體模塊”中提供的 WKB 隧穿模型來以及異質結和肖特基等邊界條件，描述量子隧穿的相關現象。在下文中，我們將通過基準模型演示其用法。
Wentzel-Kramers-Brillouin 近似
根據 K.Yang、J.R.East 和 G.I. Haddad 的參考文獻（Ref. 1），若采用 Wentzel-Kramers-Brillouin（WKB）近似假設，隧穿電流會向熱離子電流增加一個分數因子 。對于在電場線上從點 1 跨越到點 2 的勢壘，分數因子 的推導公式為：
(1)
其中 為元電荷， 是玻爾茲曼常數， 是絕對溫度， 是普朗克常數， 是有效質量， 是電子的導帶邊（）以及空穴的價帶邊（）的負數。
內積分）沿電場線的點 1 到點 2 進行，而外積分沿能量軸進行。外積分的上限由 給出（ 在勢壘內的最大值），下限由
給出，其中 和 直接取自勢壘的基值。請注意，應該取兩個基值的最大值而非最小值。
WKB 隧穿模型
為了使用 WKB 近似模擬隧穿效應，首先需要設置邊界條件，此步驟涉及添加隧穿產生的額外電流密度。針對異質結，選擇熱電子發射；針對金屬接觸，選擇理想肖特基。選定上述（非默認）選項之后，新建的額外電流貢獻 欄將立即顯示在界面中，我們即可為電子和空穴分別指定額外電流貢獻。默認情況下，不需要添加額外電流。我們還可以在內置的 WKB 隧穿模型和用戶定義選項間進行選擇。請參考下方示例截圖。
選擇熱電子發射以添加額外電流貢獻。
展開 開箱后既死又活，或使量子力學自相矛盾
但無論最終結果如何，新的思想實驗在探索量子力學的適用范圍提供了新的角度。正如作者在文中所說，這表明量子力學無法外推到復雜系統，或至少不是以直接的方式進行外推。
量子保密通信應用與技術探討
源自： 信息通信技術與政策 作者：程明 張成良 唐建軍
量子密鑰在線與離線結合分發模式的應用范圍不再局限于QKD網絡的覆蓋和能力，使得量子保密通信的應用場景得到較大拓展。
摘要
近年來,基于量子密鑰分發的量子保密通信在應用方面進行了新的嘗試和拓展。基于量子密鑰分發在傳輸距離和密鑰成碼率方面的研究進展和局限,提出了基于量子密鑰分發的量子保密通信可分為量子密鑰在線分發和量子密鑰在線與離線結合分發兩種模式;并基于兩種模式的優劣勢,提出兩種模式的典型應用場景;最后對量子密鑰分發在技術、設備、組網、網絡能力提供等方面面臨的問題進行了分析,并提出了一些解決思路。量子保密通信的應用也與傳統加密通信業務、系統和網絡的發展緊密相關,需要產業鏈共同積極推動。
關鍵詞： 量子保密通信; 量子密鑰分發; 應用
0 引言
量子通信是以量子態為信息載體,通過量子態的傳送實現量子信息或經典信息傳送的技術。量子通信包括多種協議和應用,如量子密鑰分發(Quantum Key Distribution,QKD)、量子隱形傳態、量子安全直接通信、量子秘密共享、量子數字簽名等。其中,QKD是通信雙方通過傳送量子態實現共同生成一組隨機數(可以作為對稱密鑰)的方法,是目前實用化和工程化程度最高的量子通信技術。QKD不能直接實現經典信息的傳送,只能通過協議實現隨機數的生成分發,這一過程在理論協議層面具備信息論安全性。遠程分發的生成隨機數主要作為對稱密鑰,結合現代密碼體系進行使用。
量子保密通信不等于量子通信,也不是量子通信的子集。量子保密通信是基于量子通信,利用量子不可分割、量子態不可ke隆和量子糾纏等特性保護秘密消息,進而保證信息傳送安全的通信方法。比較典型的量子保密通信實現方案是結合QKD和對稱密碼技術的加密通信,這是目前試點部署和示范應用最多的方案,也是業內研討和標準化推進的重點方向。
展開 量子點在生物分析及醫學診斷中的研究與應用
量子點（quantumdots，QDs）是近年來發展起來的一種優異的新型熒光納米材料，在生物分析及醫學診斷研究中得到了廣泛應用，并取得了一系列重要研究成果。本文簡介了過去10年中量子點的合成和表面功能性修飾的發展，并重點介紹其在病原體檢測、生物芯片、生物分子相互作用、生物傳感器、基因沉默、細胞成像、靶向藥物傳輸、光動力學治療和植物學研究等領域的研究現狀。同時，對量子點的應用前景及研究方向進行了評述和展望
量子點在生物分析及醫學診斷中的研究與應用.pdf
JCMSuite應用-利用微柱和量子點產生單光子源
這個例子的靈感來自Gregersen等人[1]，其中將量子點放置在微柱中以產生單光子源。但是，我們簡化了問題，以便3D計算可以在筆記本電腦上流暢地運行：
微腔的幾何形狀
下圖顯示了放置在腔中心的x、y和z極化偶極子的場強。
x、y和z極化偶極子的場強
遠場數據是微柱上方或下方無限遠半球上的電磁場。作為歸一化，由Farfield后期處理返回的遠場數據指的是距離原點為1m的半球。Farfield的輸出在2D極坐標中產生這些場。JCMSuite可視化了極盤上的遠場：
極坐標中x、y和z極化偶極子的(空氣中)上部遠場
極坐標中x、y和z極化偶極子的(空氣中)下部遠場
Parameter Scan
[1]N. Gregersen, T. R. Nielsen, et al., Quality factors of nonideal micro pillars, APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 011116 (2007)
展開 JCMSuite應用：利用微柱和量子點產生單光子源
這個例子的靈感來自Gregersen等人[1]，其中將量子點放置在微柱中以產生單光子源。但是，我們簡化了問題，以便3D計算可以在筆記本電腦上流暢地運行：
微腔的幾何形狀
下圖顯示了放置在腔中心的x、y和z極化偶極子的場強。
x、y和z極化偶極子的場強
遠場數據是微柱上方或下方無限遠半球上的電磁場。作為歸一化，由Farfield后期處理返回的遠場數據指的是距離原點為1m的半球。Farfield的輸出在2D極坐標中產生這些場。JCMSuite可視化了極盤上的遠場：
極坐標中x、y和z極化偶極子的(空氣中)上部遠場
極坐標中x、y和z極化偶極子的(空氣中)下部遠場
Parameter Scan
[1]N.Gregersen, T. R. Nielsen, et al., Quality factors of nonideal micro pillars, APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 011116 (2007)
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