淺談量子學(xué)的應(yīng)用

羅海源

蘭州市第二十七中學(xué) 甘肅蘭州 730000

量子學(xué)作為一個(gè)新興概念，在日常生活中的應(yīng)用廣泛。但是量子學(xué)作為一門復(fù)雜的物理學(xué)分支，其對(duì)普通百姓而言還是較為晦澀難懂的。實(shí)際上，量子學(xué)在我們的周圍非常常見，只是因?yàn)槠渫ǔＷ鳛槭挛飪?nèi)部的原理而被忽略。由于量子學(xué)在我們的生活中十分常見，因此我們有必要對(duì)其進(jìn)行介紹和推廣，拓展大眾視野，提升大眾的總體素質(zhì)水平，進(jìn)而提高整個(gè)社會(huì)的文化水準(zhǔn)。量子力學(xué)在現(xiàn)代科技中最具代表性的還是在信息傳遞方面的應(yīng)用，本文也主要從這一方面對(duì)其進(jìn)行了介紹。

1 量子學(xué)的介紹

要想理解量子學(xué)就必須從其發(fā)展說起。量子學(xué)的建立源于科學(xué)家對(duì)于微觀世界的深入了解。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道物質(zhì)的組成是到原子和中子層面，但是在這一層面上物質(zhì)如何進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的我們以前并不清楚。后來經(jīng)過幾代科學(xué)家的探索，我們得知微觀世界的原子等元素層面的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)可以用量子學(xué)來解釋[1]。例如說：原子的運(yùn)動(dòng)。與宏觀世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性不同，原子的運(yùn)動(dòng)并不是連續(xù)的。也就是說，原子的運(yùn)動(dòng)是從一個(gè)能量級(jí)到另一個(gè)能量級(jí)的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式也需要外來的能量作用來推動(dòng)，與宏觀世界的車子等運(yùn)動(dòng)方式不同，原子的運(yùn)動(dòng)需要特定大小的能量來驅(qū)動(dòng)，超過或少于這大小的能量都不能夠使原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，而宏觀世界的物質(zhì)驅(qū)動(dòng)只需要超過特定的能量值就可以。但是量子學(xué)并不是與宏觀世界相脫節(jié)的。雖然量子存在于微觀世界，但是宏觀世界的所有物質(zhì)都是由微觀世界的物質(zhì)所組成的，也就是說，量子組成了我們生活的宏觀世界。那么，量子的階梯式運(yùn)動(dòng)方式又是怎樣與宏觀世界物質(zhì)的傳送帶方式整合到一體的呢？首先，我們都知道正負(fù)電荷的存在，當(dāng)相等數(shù)量的正電荷和負(fù)電荷同時(shí)存在時(shí)，整體的電荷就會(huì)相抵消，最終物質(zhì)呈現(xiàn)零電荷。在量子學(xué)中也是，量子學(xué)中所有的微觀粒子在運(yùn)動(dòng)時(shí)均具有自己的特點(diǎn)，單獨(dú)分析一個(gè)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)是可描述的。但是當(dāng)成千上萬個(gè)微觀粒子在統(tǒng)一的空間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)方向的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)都有。我們可以這樣考慮，某個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)方向，總會(huì)有另外一個(gè)粒子與它的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而使這兩個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)方向相抵消，同理也可以解釋其它粒子的運(yùn)動(dòng)方向。在這樣一個(gè)確定的空間內(nèi)，所有粒子的運(yùn)動(dòng)就都被抵消了，所以物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)具有統(tǒng)一性，能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀世界的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即我們眼中所看到的運(yùn)動(dòng)方向。量子學(xué)的微觀粒子運(yùn)動(dòng)有其自己的特性，不是人類的普通外力可以輕易改變的，同樣，一旦人為因素作用于這一粒子，使其微觀粒子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，那么其產(chǎn)生的能量也是巨大的，這也是現(xiàn)代新能源研發(fā)的重點(diǎn)。

2 量子學(xué)在科技信息中的應(yīng)用

2.1 量子學(xué)在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)步，電子學(xué)元件的性能需求已經(jīng)超過了現(xiàn)有物質(zhì)材料的承載能力。例如計(jì)算機(jī)芯片，有研究顯示，計(jì)算機(jī)組成的核心——芯片的數(shù)目和性能每半年到一年就能夠進(jìn)步一到兩倍，但是隨著芯片等元件的體積和空間分布越來越小，元器件的可縮小范圍也越來越受限。因此研究人員必須要從新的角度尋求突破，而量子學(xué)就能夠很好地解決這個(gè)問題。量子作為現(xiàn)代最認(rèn)可的物理量存在的最小單位，其能夠進(jìn)一步地壓縮元件的體積，同時(shí)提升元件的承載能力。量子學(xué)理論在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，能夠使研究人員建立一種比超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和儲(chǔ)存容量還要大的量子計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)不僅能夠極大地縮小計(jì)算機(jī)的體積，提升計(jì)算機(jī)的性能，還能夠?qū)崿F(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)便攜可帶的目標(biāo)[2]。

2.2 量子學(xué)在通信中的應(yīng)用

量子學(xué)在通信中的應(yīng)用可以簡稱為量子通信?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很發(fā)達(dá)，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞速度也在呈幾何倍數(shù)的增加，但是現(xiàn)有傳輸材料的限制使得網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣群茈y有極大空間的提升。在這一方面要想有進(jìn)一步的提高，就需要建立起量子通信網(wǎng)絡(luò)。量子通信網(wǎng)絡(luò)的具體建設(shè)還在研究當(dāng)中，目前較為認(rèn)可的可行理論是量子糾纏學(xué)說，即通過量子之間的能量或運(yùn)動(dòng)層級(jí)之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。這與量子計(jì)算機(jī)是相對(duì)應(yīng)的。量子通信與量子計(jì)算機(jī)的協(xié)同配合能夠?qū)崿F(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)傳遞速度的極大提升，使人們?cè)诩矣糜?jì)算機(jī)上就能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)的傳輸和即時(shí)應(yīng)用，能夠提高人們?nèi)粘５墓ぷ餍省?/p>

2.3 量子學(xué)在保密通信中的應(yīng)用

由于量子作為一種微觀粒子的能量形態(tài)具有階梯式的能量層級(jí)，因此與傳統(tǒng)的通信保密協(xié)議相比，其在密鑰的建設(shè)中具有更大的加工空間以及更好的安全性。量子保密能夠?qū)崿F(xiàn)在公開網(wǎng)絡(luò)中信息或者數(shù)據(jù)的加密傳輸，即在真正意義上地實(shí)現(xiàn)用戶的信息安全。用戶的信息安全是當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題，而量子密碼在用戶網(wǎng)絡(luò)被侵入時(shí)，可通過極簡單的校驗(yàn)步驟得知侵入的位置及對(duì)侵入者進(jìn)行定位，從而對(duì)侵入的位置進(jìn)行反饋，得到信息安全的保障。這種量子密碼能夠真正地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無條件安全。目前科學(xué)家在這一領(lǐng)域已經(jīng)具有了一定的研究成果，但是要想實(shí)現(xiàn)量子密碼的普及仍有很多的工作要做[3]。

3 結(jié)語

量子學(xué)在現(xiàn)代社會(huì)中具有非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在科技通信中擁有具有代表性的應(yīng)用，例如量子計(jì)算機(jī)、量子通信、量子密碼技術(shù)等，雖然這些量子學(xué)應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)已有一定的成果，但是距離量子學(xué)相關(guān)技術(shù)的普及還有很長的路要走。另外，量子學(xué)在航空航天等其它領(lǐng)域也具有非常廣泛的應(yīng)用，因此我們有理由相信量子學(xué)在未來會(huì)有更大的發(fā)展空間。