7 从科学的发展轨迹 看科学家的伟大贡献 学习量子力学读书笔记 心得 体会 （之七）
作者： 读书人 陶臻
量子理论的重要应用与量子力学的创立和发展密切相关。量子力学的应用包括宇宙學、量子通讯、量子化学、量子光学、量子计算、超导磁体、发光二极管、激光器、晶体管和半导体如微处理器等。这些都会深刻地影响人们的生活，很有必要了解量子力学的创立过程。
2006年北京林业大学理学院张祥雪程艳霞范秀华刘家冈等对量子力学的创立作了很好的归纳和总结。其内容记载了从早期量子论诞生前后,到量子力学创立和量子力学的最新进展的重要科学事件的年代、有关科学家工作的内容和意义。作为读书笔记，我补充了1994年以后的部分内容。
回顾20世纪的前30年,相对论主要是爱因斯坦一个人完成的。而量子力学则是由一群生气勃勃的年青人共同完成的。
量子力学的创立和发展年谱
1859基尔霍夫黑体辐射规律
1871门捷列夫化学元素周期表
1879斯特藩发现斯特藩-玻尔兹曼定律
1884玻尔兹曼导出斯特藩-玻尔兹曼定律
1885巴耳末氢原子光谱线公式
1887赫兹光电效应
1893维恩维恩位移定律
1895维恩和陆末小孔空腔黑体模型
1896贝克勒尔放射线、塞曼塞曼效应、维恩维恩公式
1899卢瑟福发现铀的α和β放射线、汤姆孙发现电子
1900瑞利瑞利公式
1900普朗克能量子和普朗克黑体辐射公式量子物理诞生之日、威纳德发现γ射线
1905爱因斯坦光量子46物理与工程V ol.17No.42007续表年份科学家内容意义
1907爱因斯坦量子比热理论
1911第一次索尔维会议、昂纳斯发现超导电性、卢瑟福核原子模型
1912德拜固体比热量子理论
1913玻尔氢原子理论、斯塔克斯塔克效应
1917爱因斯坦受激辐射,光量子具有动量
1922斯特恩和盖拉赫斯特恩和盖拉赫实验证明了电子绕核运动角动量量子化
1923德布罗意物质波
1924康普顿X射线散射实验证明光量子具有动量、玻色和爱因斯坦(分别)玻色-爱因斯坦统计
1925泡利泡利不相容原理解释了元素周期表的壳层电子结构、海森堡矩阵力学矩阵力学诞生、玻恩与约旦矩阵力学、狄拉克Q数、乌伦贝克和古德斯密特电子自旋半整数量子数
1926玻恩波函数的统计解释、费米发现自旋与统计的关系、狄拉克引进费米-狄拉克统计、薛定谔薛定谔方程波动力学诞生、玻恩、约旦和海森堡矩阵力学、薛定谔矩阵力学与波动力学等价统一的量子力学诞生、克莱因和戈登相对论波动方程、威格纳将群论引进量子力学
1927维也纳会议29名科学家，其中17人获诺贝尔奖---DW
1927海特勒和伦敦氢分子的量子理论量子化学的开端、戴维孙和革末(分别)电子衍射实验证明电子波动性、汤姆孙电子衍射实验证明电子波动性、约当表象理论、狄拉克表象理论、海森堡不确定关系、玻尔互补原理、第五次索尔维会议
1928狄拉克电子的相对论波动方程导出电子自旋和提出反粒子相对论量子力学的开端、布洛赫固体周期势中的自由传播电子固体物理开端
1930狄拉克电子空穴、狄拉克量子力学的一般数学形式,包括矩阵力学和波动力学、第六次索尔维会议1931狄拉克建议正电子的存在1931泡令化学共振键
1932查德威克发现中子、海森堡同位旋,原子核的核子模型、安德森证实正电子存在、威格纳在量子力学中引进时间反演不变性
1933费米β衰变理论(包括了泡利建议的中微子)第一个弱相互作用理论、卢斯卡第一台电子显微镜12000倍1935朗道铁磁理论
1935爱因斯坦、波多尔斯基和罗森EPR佯谬、薛定谔“薛定谔猫”假想实验
1944薛定谔生物遗传信息储存于非周期性晶体量子生物学的开端
1964贝尔贝尔不等式
1982阿斯佩克等实验验证贝尔定律证明量子力学统计解释的正确性1982沃特尔斯和祖瑞克量子不可克隆定理
1993本纳特量子隐形传态开创量子通信乃至量子信息之先河
1994舒尔量子并行算法1997格罗伐量子搜寻算法
1997潘建伟团队实现高维度电子体系的隐形传态
2006潘建伟团队实现两光子复合系统的量子隐性传态
2013美国科学家利用光子的量子特性研发量子雷达
2015潘建伟团队实现单光子多自由度的隐形传态
2011加拿大出售第一台量子计算机
2016年8月16日中国成功地发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号
2016中国墨子号量子科学实验卫星---新华网
2022Anton Zeilinger、Alain Aspect and John F.Clauser 利用量子纠缠实验检验贝尔不等式共同获得2022诺贝尔物理奖
近年来谷歌、IBM、微软等在计算机上取得一些突破性进展
2023谷歌量子计算机突破比世界最快的超级计算机快47年、袁之良团队首创开放式新架构实现615公里光纤量子通信
这些研究成果离不开科学家生活的时代，离不开科学家的聪明才智和进取精神，同样，富有哲理的思维和工作方法也是很重要的。理论物理和实验物理学都是发明创造所必需的，因此,科学家在想入非非的同时，在利用物理模型解决实际问题时,一定要将所得结果进行分析、比较,并加以修正,使其更符合客观实际。看来，物理模型的建立和发展是检验科学设想的重要的手段。正如美国诺贝尔物理学奖获得者“夸克之父”盖尔曼所说：“在我们的工作中，我们总是处于进退两难的窘境之中。我们可能会不够抽象,并错失了重要的物理学;我们也可能过于抽象,结果把我们模型中假想的目标变成了吞噬我们的真实的怪物。”在物理学研究中,如何建立和正确使用物理模型仍是值得我们研究的一项重要课题。
从量子力学建立的全过程，可以归纳出几个共同特点：
年轻时代是激情燃烧，充满创造性思维的最好时候;
是一个互相学习、讨论、互相激发的力争上游的过程;
是一个继承和发展研究课题，验证新理论的过程;
是一个理论和实验统一、结合、促进的过程;
是一个物理与数学相结合的过程。
一个新学科的建立和发展过程,既有科学家的灵感，也有机遇和偶然,更有下苦功夫，认识客观事物本质的必然。
量子退相干
“量子退相干”是量子力学的基本理论。从这个理论的认识过程，就可以看出科学家的智慧和钻研精神。
量子力學里，开放量子系統的量子相干性会因為与外在环境发生量子糾缠而隨著时間逐漸喪失，這效应称為量子退相干（英語：Quantum Decoherence），又稱為量子去相干。量子退相干是量子系統與環境因量子糾纏而產生的後果。由於量子相干性而產生的干涉現象會因為量子退相干而變得消失無蹤。量子退相干促使系統的量子行為變遷成為經典行為，這過程稱為「量子至經典變遷」（quantum-to-classical transition）。德國物理學者漢斯·澤賀最先於1970年提出量子退相干的概念。自1980年以來，量子退相干已经成为热门研究话题。
作为一个基本理论，量子力学原则上，应该适用于任何大小的物理系统，也就是说不仅限于微观系统，那么，它应该提供一个过渡到宏观經典物理的方法。量子现象的存在提出了一个问题，即怎样从量子力学的观点，解释宏观系统的經典现象。尤其无法直接看出的是，量子力学中的量子疊加，在宏观世界怎樣呈現出來。1954年，爱因斯坦在给马克斯·玻恩的信中，就提出了怎样从量子力学的角度，来解释宏观世界的物理現象的问题，他指出仅仅量子力学现象太“小”无法解释这个问题。这个问题的另一个例子是由薛定谔提出的薛定谔猫的思想实验。
後來，物理學者领会到，上述的思想实验，实际而言并不合乎現實，因为它们忽略了不可避免地与周围环境的相互作用，量子系統會因為這相互作用與環境關聯在一起。處於疊加態的量子系統非常容易受周围环境的影响，而且隨著時間流逝，這量子系統會與環境永無休止地越加深入糾纏，這現象稱為「馮紐曼無窮鏈」（Von Neumann's infinite chain）。在疊加態裏，幾個相关的量子態疊加在一起，彼此相干。量子退相干是一種過程，而相干性質就是表示於這約化密度矩陣的非對角元素，所以，疊加態的相干性質會快速消失，無法再被探測到，從而呈現出經典的統計性質。雖然量子系統的疊加態不再具有相干性質，整個量子系統與環境共同組成的聯合態仍舊具有相干性質。
量子通信中的量子叠加和量子纠缠
量子叠加和量子纠缠是量子力学的核心问题之一。下面，以空气分子的叠加态和分子尺度上的量子纠缠和光的叠加和纠缠特征为例，来讨论两组通信中的叠加和纠缠的关系，同时了解科学家的思维和探索过程。
空气分子的这种现象，证明即便比原子还大很多的物资，只要不被其他粒子干扰（相当于测量坍塌效应），依旧出现叠加现象。
但是在现实中，比分子再大一点的物质必然会遭受其它粒子的干扰，所以分子尺度以上的物质，叠加态就会因为被干扰(测量)全部消失掉。
量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理来实现量子通信。沟通与复制是传输信息的重要设备。我们知道一个光子就是一个波包。这个波包的很多性质都是叠加的，如果你想要复制这个光子状态，就得把这个光子一分为二。但是光子是量子，是不可分的，所以一分为二行不通。
可以考虑用测量这个光子的信息，然后再根据这些信息重新还原一个相同的光子。但问题是由于坍塌效应，一旦测量就会造成光子的原本的叠加态消失。所以你永远无法得到这个光子原本的叠加状态。这就是单光子无法克隆的性质。
传统的电磁通信，是发射频率高低不同的大量光子，光子频率的高低代表就是0和1。所以窃听者可以在光子传递的过程中偷走少部分光子，通过这些光子的频率的高低就可以解读出通信的内容。
而量子通信是利用单光子不可克隆原理进行量子密钥分发，在理论上可以做到信息的绝对安全。
窃听者要窃听电磁波通信，要么偷走光子，要么测量光子。而单个光子一旦被偷走，就是外力干扰，就会立刻会被发现，就会立即停止发送信息。
如果窃听者不透光子，只是窃听，就会引发测量坍塌效应，也会被发现。
其实信息被窃听并不可怕，可怕的是不仅窃听，而且还窃取内容。而量子通信最大的贡献就是得知通信过程是否被窃听，而不只是阻止窃听行为。虽然窃听者可以通过持续窃听行为阻断信息发送，但是我们可以更换其它的通道传送。及使其它通道被继续窃听，导致传送中断，还可以用物理手段对付窃听者。
目前，中国的量子通信技术走在了世界的前面！