公基備考：通往微觀世界的一扇窗——量子力學

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      經(jīng)過多年攻關(guān)，中國科技大學潘建偉團隊在國際上首次成功實現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)，為發(fā)展可擴展的量子計算和量子網(wǎng)絡技術(shù)奠定了基礎。國際學術(shù)期刊《物理評論快報》發(fā)表了這一成果，并稱其是“量子通信領域的一個里程碑”。

中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學教授潘建偉介紹，量子隱形傳態(tài)，是一種全新的通信方式，類似于科幻電影中的星際穿越。它能借助量子糾纏這一特性，將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠地點，而不用傳送物質(zhì)本身，是遠距離量子通信和分布式量子計算的核心功能單元。

量子力學和相對論不僅是物理學的突破，也是人類思想的巨大飛躍，它們使人類的宇宙觀和自然觀發(fā)生了深刻的變化，堪稱20世紀最偉大的科學革命。由于量子力學在科技的發(fā)展史上具有極其重要的地位，因而成為事業(yè)單位考試中經(jīng)常涉及的考點。接下來，小編就給大家具體介紹一下量子、量子力學、量子通信等相關(guān)概念和理論。

考點1：量子

量子是現(xiàn)代物理的重要概念。最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當數(shù)量的某物質(zhì)”。在物理學中常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。通俗地說，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。

自從普朗克提出量子這一概念以來，經(jīng)愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世紀的前半期，初步建立了完整的量子力學理論。絕大多數(shù)物理學家將量子力學視為理解和描述自然的基本理論。這同以牛頓力學為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學。

考點2：量子力學

量子力學為物理學理論，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎理論。它與相對論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學的理論基礎，是現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱。許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關(guān)的學科都是以量子力學為基礎所進行的。量子力學不僅是現(xiàn)代物理學的基礎理論之一，而且在化學等學科和許多近代技術(shù)中得到廣泛應用。

考點3：量子通信

一、概念

量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領域。近來這門學科已逐步從理論走向?qū)嶒灒�并向�(qū)嵱没�發(fā)展。

二、分類

根據(jù)應用途徑，量子通信可分為：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。按其所傳輸?shù)男畔��?nèi)容分為是經(jīng)典通信和量子通信而分為兩類。前者主要傳輸量子密鑰，后者則可用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。

三、特點

量子通信具有很多特點，其中與傳統(tǒng)的通信方式相較，量子通信最大的優(yōu)勢就是絕對安全和高效率性，首先傳統(tǒng)通信方式在安全性方面就有很多缺陷，量子通信會將信息進行加密傳輸，在這個過程中密鑰不是一定的，充滿隨機性，即使被相關(guān)人員截獲，也不容易獲取真實信息，另外量子通信還有較強的抗干擾能力、很好的隱蔽性能、較低的噪音比需要以及廣泛應用的可能性。

量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。

四、量子通信衛(wèi)星

量子通信衛(wèi)星就是通過衛(wèi)星，連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡，形成天地一體化的量子通信網(wǎng)絡，是利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。它具有保密性超強(目前理論上不能破解)、量子傳態(tài)等特點，是世界通信發(fā)展的方向。

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。這將使我國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

首顆量子通信衛(wèi)星以我國古代科學家墨子的名字來命名。墨子最早提出過光線沿直線傳播的觀點，進行了小孔成像實驗。用他的名字命名以紀念他在早期物理光學方面的成就。

墨子最早通過小孔成像實驗發(fā)現(xiàn)了光是直線傳播的，第一次對光直線傳播進行了科學解釋——這在光學中是非常重要的一條原理，為量子通信的發(fā)展打下了一定的基礎。墨子還提出了某種意義上的粒子論。光量子學實驗衛(wèi)星以中國科學家先賢墨子來命名，體現(xiàn)了中國的文化自信。

試題練習：

1. ( )的產(chǎn)生和發(fā)展標志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。

A. 量子力學B. 相對論

C. 電磁理論D. 原子核物理學

【答案】A

【解析】量子力學在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。量子力學的產(chǎn)生和發(fā)展標志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。本題選擇A項。

2. 現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱為相對論和( )

A. 經(jīng)典力學B. 量子理論

C. 光學理論D. 天體物理學

【答案】B

【解析】量子力學與相對論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學的理論基礎，是現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱。許多物理學理論以及其它相關(guān)的學科都是以量子力學為基礎進行的。本題選擇B項。

3.( )是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學分支科學。

A. 熱力學B. 電磁理論學

C. 量子力學D. 相對論學

【答案】C

【解析】量子力學是研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎理論。本題選擇C項。

4. 隨著( )發(fā)射任務的圓滿成功，人類將首次完成衛(wèi)星和地面之間的量子通信。

A. 脈沖星試驗衛(wèi)星B. 神州十一號載人飛船

C. “墨子號”實驗衛(wèi)星D. 天宮二號空間實驗室

【答案】C

【解析】2016年8月16日，由我國科學家自主研制的世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。

5. 2016年8月16日，我國成功發(fā)射世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，這標志著我國空間科學研究又邁出重要一步。這顆衛(wèi)星被命名為莫子號是因為( )

A. 墨子闡述了謙愛的思想

B. 墨子闡述了非攻的思想

C. 墨子提出了日心說

D. 墨子發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播

【解析】D

【答案】墨子最早提出光線沿直線傳播的觀點，進行了小孔成像實驗。用他的名字命名以紀念他在早期物理光學方面的成就。本題選擇D項。

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