量子計算概念
前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇量子計算概念范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發(fā)現(xiàn)更多的寫作思路和靈感。
量子計算概念范文第1篇
量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。
（來源：文章屋網(wǎng) ）
量子計算概念范文第2篇
乍看,題目好象哲學的。不屑哲學,只談物理。
大量研究表明,目前為止的實驗已經(jīng)給出物質(zhì)世界準確信息,物理學重要任務之一就在于找出這信息并揭示其內(nèi)在規(guī)律。遺憾的是,目前為止的理論(無例外)均未能如此。然而國內(nèi)外學界卻一致認為理論物理大廈框架——《量子力學》已經(jīng)建成,剩下只是裝修和美化了。
但經(jīng)本文研究表明,《量子力學》對一些基本物理學問題的實質(zhì)并不清楚,往往似是而非。然而《量子力學》卻娓娓動聽、夸夸其談,實則以其昏昏使人昭昭!請看事實:
1.1 關于“量子化”根源問題。
微觀世界“量子化”已被證實,人們已經(jīng)公認。但接踵而來的就是“量子化”根源問題,又機制怎樣?這本是物理學根本任務之一。已有的理論包括愛因斯坦、玻爾、量子力學都未能回答。然而量子力學家們卻置這本職任務于不顧,翩翩起舞與數(shù)學喧賓奪主、相互玩弄!
就是說,《量子力學》是在未有弄清量子化根源前提下侈談“量子”的“科學”。其結果只能使原子結構憑空量子化,量子化則成為無源之水,無本之木。這就是目前物理科學之現(xiàn)狀!
可有人,例如一位量子力學教授辯論時說:“量子化是電子自身固有屬性,陰極射線中的電子能量也是量子化的”。
雖然,這量子力學家利用了“微小量子”數(shù)學“極限”概念進行詭辯,顯得很聰明,但卻誤了人類物理學前程!
不可否認的事實是:陰極射線中的電子、X射線韌致輻射電子、高能加速器中電子或其它自由電子能量都連續(xù)可變,決不表現(xiàn)量子化!這無疑表明量子化不是電子自身固有屬性。那末,原子結構中能量量子化必有其它原因。顯然這是基本物理學問題,作為理論物理又是非弄清不可的問題。其它科學例如數(shù)學,由于任務不同尚可不必關心量子化根源問題。然,作為理論物理決不可以!本文如下將準確具體討論量子化根源問題以及物質(zhì)世界又怎樣量子化的,并給出8位數(shù)字有效精度與實驗完全相符的計算結果。 1.2 理論與實踐關系問題
既然憑空將電子能量量子化,就難免臆造之嫌,所以《量子力學》就下意識往實驗上靠――“符合”試驗。然而,既下意識就難免拙劣,請看事實:
世界著名理論物理第六冊——《量子力學》(文獻 [1]) 中著:“量子力學,可建立于數(shù)個基本假定上,大體上這些基本假定分屬兩大項……,兩項的假定便構成一量子力學完整系統(tǒng)”。
這明確表明,量子力學就是建立在基本假定上的(種種猜測)。“科學學”研究還表明:任何建立在基本假定上的東西都不可能是科學!然而量子力學家們卻娓娓動聽說:“量子力學是建立在實驗基礎上的科學”。這不是彌天大謊么?!
文獻 [1] 在建立對易關系:
pq -qp = (?/i)E ――――――――― (1)
時說:“這是一基本假定”。并告誡人們:“不可懂”!就是說(1)式不能用任何數(shù)學——物理方法導出,即:不否認這是一種猜測。然而,(1)式就是昭著世界的“波動方程”的基礎,也就是量子力學的理論基礎。
所以確切地說,量子力學就是建立在基本假定上的種種猜測。這分明表現(xiàn)的是量子力學家們主觀意識!
研究表明,量子力學所謂實驗基礎,首先在于德布羅意“物質(zhì)波”理論。認真研究表明,物質(zhì)波究竟是什么?德布羅意本人未有弄清,后人至今仍未弄清,又怎能說“建立在實驗基礎上”呢?!
研究表明,量子力學的實際過程是:德布羅意對自然現(xiàn)象進行一次連他自己也弄不清的抽象(猜測)(以下證明),提出“物質(zhì)波”概念。量子力學對這不清的概念又進行一次抽象(猜測)(以下證明),提出“波函數(shù)”(Ψ)概念,并且通過一種算符將其作用到一個基本假定即(1)式上,便鑄成了著名的“波動方程” ——量子力學的理論基礎:
(h2/2m)2Ψ + (E-V)Ψ = 0 ――――― (2)
由于量子力學憑空引進“波函數(shù)Ψ”,實際上就賦予了電子神奇性質(zhì)。正是這種神奇性質(zhì)使得量子力學具備了非凡詭辯能力。
1.3 量子力學詭辯倫理
1.3.1 關于理論基礎詭辯
以上及以下討論都證明,量子力學是,由于缺乏了解,錯誤地估計了試驗(以下嚴格證明),用了錯誤的基本假定(不能由任何合理方法導出)而形成的,錯誤理論。然而量子力學家們卻口口聲聲:“量子力學是建立在實驗基礎上地科學”。這分明是在詭辯,再加上社會意識,量子力學又具備了狡辯能力。 1.3.2 關于物質(zhì)波的狡辯
對于“物質(zhì)波”概念,量子力學 [1] 應用了三個基本假定:其一假定“對易關系”即(1)式,由此構成量子力學骨架;其二假定“測不準原理”,由此編造了電子“幾率云”圖像;其三假定“波粒互補原理”,這種原理本身就是一種詭辯,因為“波粒二象性”問題目前仍屬困難不解的世界性難題。于是量子力學精心泡制出“波函數(shù)Ψ”并強加給電子。經(jīng)如此之假定,電子便具備了神奇性質(zhì)——量子力學家們的主觀意識。
然而“波函數(shù)”的物理意義究竟是什么?量子力學家們著實應向人們交代清楚,遺憾的是任何學家都未能如愿。實際上對波函數(shù)Ψ的真實物理意義,量子力學家們也只是:你知、我知、天知、地知,凡人不可知。這分明是狡辯理論!
如果需要,量子力學(文獻 [1])首先拿出:
2πa=n ―――――――――――――― (3)
很明顯式中 2πa是粒子中心軌跡。于是說,物質(zhì)波是粒子軌跡波動。此說極易征服初學者,但此說問題也易敗露。量子力學立即改變說法,言(3) 式系近代物理概念,對此不能用經(jīng)典概念理解。于是又出現(xiàn):
1.3.3 關于“經(jīng)典”與“近代”狡辯
量子力學經(jīng)常炫耀是近代科學理論,已經(jīng)超脫經(jīng)典,又不時貶低經(jīng)典理論。
然而,以下討論完全證明:量子力學除了主觀臆造因素外,完全沒有離開經(jīng)典物理一步,也未超出經(jīng)典物理一點,就連波函數(shù) Ψ 的表達式(無例外)也完全是經(jīng)典數(shù)學和經(jīng)典力學關系式,并且以下用不可否認的事實——量子力學所犯經(jīng)典錯誤,表明量子力學連經(jīng)典理論也不通。所以,量子力學所謂超脫經(jīng)典,正在于一些基本假定連同主觀臆造。在此種意義上說,量子力學不僅超脫經(jīng)典,而且也超脫科學! 1.3.4 量子力學方法論狡辯
確切說,量子力學不能給波函數(shù) Ψ 做出完整的真實物理學定義,但在理論中卻輪番使用: ①波函數(shù) Ψ 表示粒子中心軌跡波動;②波函數(shù) Ψ 表示粒子出現(xiàn)幾率;③波函數(shù) Ψ 表示彌撒物質(zhì)波包三種概念。有了三種概念,又可各取所需,自然一切物理問題都“迎刃而解”了。
然而,量子力學同時又“有權”輪番否定這三種概念。但卻不是自我否定,而是另一種需要——否定其它理論,其中包括真理。要指出的是,量子力學輪番使用三種概念,又輪番否定這三種概念,并不是在同一時間同一地點進行的。因為應用一種概念的同時又否定這種概念,這是賣矛又賣盾的故事,連兒童都知道是蠢事。顯然量子力學家比兒童高明得多,這叫認識方法狡辯。
似這樣,在哲學面前,用“建立在實驗基礎上”量子力學可以蒙混過關;其它科學由于研究任務不同,不會關心“量子化”根源,又由“領地”限制也無權過問波函數(shù)的真實意義;量子力學又可各取所需輪番應用和輪番否定①、②、③三種概念。于是,量子力學便以狡辯贏得了世界理論權威!
1.4 關于“符合”試驗問題
以下將證明,量子力學所謂符合實驗,實際上系對實驗的猜測。量子力學很善于做貌似合理實則謬誤的猜測(以下揭示),并美其名曰“符合”試驗。其實,對實驗的真實物理過程并不清楚,又何談相符呢?請看事實:
基于玻爾理論的成功,量子力學作兩項重要推廣。 心理學原因,人們對這種推廣又愿意接受。然而卻出現(xiàn)本質(zhì)性原則錯誤,請看:
1.4.1 量子力學推廣(一)
由于氫原子的試驗電離能與玻爾理論真實能級相近,于是量子力學推廣為:
試驗電離能 = 原子真實能級 ―――――――――― (4)
將該式推廣到多電子原子中顯然很省力氣,但這是嚴重錯誤。請看氦原子事實:
試驗(文獻[1])測得氦原子兩個電離能,這里分別用 E1,E2 表示為:
E1= 1.80(Rhc) = 24.58(ev) ―――――――― (5)
E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――――― (6)
量子力學[1]認為這就是氦原子的兩個真實能級。
若用 E玻 表示類氫氦離子基態(tài)能玻爾理論值,則
E玻 = 54.42(ev) ――――――――――――― (7)
顯然下式成立:
E2 = E1+ E玻 ―――――――――――――― (8)
該式明確表明 E2 不是氦原子的真實能級,因為其中包含有 E1 ,即第一電離能。
那么,實驗值 E2 即(8)式表示什么物理內(nèi)容呢?
研究表明:要使氦原子第二電子電離,儀器必先付出能量 E1=24.58(ev) 先使第一電子電離,這好比代價,氦原子于是變成類氫氦離子,其基態(tài)能為 E玻=54.42(ev)。要使它電離,儀器必須再付出與 E玻 相等的能量,才能使第2電子電離。那么儀器付出總能量必為 E2=E1+E玻,這就是氦原子電離實驗真實過程,由此不難結論:
1.4.2 據(jù)電離實驗本文結論
電離實驗結論一:氫原子及類氫氦離子玻爾理論值正確。
電離實驗結論二:目前電離能實驗值 ≠ 原子真實能級。
電離實驗結論三:所有元素最低能級皆為其類氫離子能級,不存在比這更低的能級。 然而量子力學(文獻[1]、[3])卻競相用“微擾法”、“變分法”乃至用修正核電荷方法逼近計算這氦原子的“能級”E2 :
E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――― (9)
量子計算概念范文第3篇
一、未來的計算機技術將向超高速、超小型、平行處理、智能化的方向發(fā)展
超高速計算機將采用平行處理技術，使計算機系統(tǒng)同時執(zhí)行多條指令或同時對多個數(shù)據(jù)進行處理，這是改進計算機結構、提高計算機運行速度的關鍵技術。
同時計算機將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考與判斷能力及一定的自然語言能力。除了提供自然的輸入手段（如語音輸入、手寫輸入）外，讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺的各種交互設備已經(jīng)出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術是這一領域發(fā)展的集中體現(xiàn)。傳統(tǒng)的磁存儲、光盤存儲容量繼續(xù)攀升，新的海量存儲技術趨于成熟，新型的存儲器每立方厘米存儲容量可達10TB（以一本書30萬字計，它可存儲約1500萬本書）。信息的永久存儲也將成為現(xiàn)實，千年存儲器正在研制中，這樣的存儲器可以抗干擾、抗高溫、防震、防水、防腐蝕。如是，今日的大量文獻可以原汁原味保存、并流芳百世。
二、新型計算機系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)
硅芯片技術的高速發(fā)展同時也意味著硅技術越來越近其物理極限，為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計算機，計算機從體系結構的變革到器件與技術革命都要產(chǎn)生一次量的乃至質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等將會在21世紀走進我們的生活，遍布各個領域。
三、量子計算機與光子計算機的產(chǎn)生
量子計算機是基于量子效應基礎上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。
量子計算機中數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前個人計算機的PentiumⅢ晶片快10億倍。目前正在開發(fā)中的量子計算機有3種類型：核磁共振（NMR）量子計算機、硅基半導體量子計算機、離子阱量子計算機。預計2030年將普及量子計算機。
光子計算機即全光數(shù)字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。超高速電子計算機只能在低溫下工作，而光計算機在室溫下即可開展工作。光計算機還具有與人腦相似的容錯性。
目前，世界上第一臺光計算機已由歐共體的英國、法國、比利時、德國、意大利的70多名科學家研制成功，其運算速度比電子計算機快1000倍。科學家們預計，光計算機的進一步研制將成為21世紀高科技課題之一。
四、生物計算機
生物計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學介質(zhì)的相互作用過程。計算機的轉換開關由酶來充當，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結構中極其明顯地表示出來。
20世紀70年代，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸（DNA）處于不同狀態(tài)時可以代表信息的有或無。DNA分子中的遺傳密碼相當于存儲的數(shù)據(jù)，DNA分子間通過生化反應，從一種基因代瑪轉變?yōu)榱硪环N基因代碼。反應前的基因代碼相當于輸入數(shù)據(jù)，反應后的基因代碼相當于輸出數(shù)據(jù)。如果能控制這一反應過程，那么就可以制作成功DNA計算機。
蛋白質(zhì)分子比硅晶片上電子元件要小得多，彼此相距甚近，生物計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。DNA分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液，可存儲1萬億億的二進制數(shù)據(jù)。DNA計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以生物計算機既有自我修復的功能，又可直接與生物活體相聯(lián)。預計10～20年后，DNA計算機將進入實用階段。
五、互聯(lián)網(wǎng)絡繼續(xù)蔓延與提升
今天人們談到計算機必然地和網(wǎng)絡聯(lián)系起來，一方面孤立的未加入網(wǎng)絡的計算機越來越難以見到，另一方面計算機的概念也被網(wǎng)絡所擴展。二十世紀九十年代興起的Internet在過去如火如荼地發(fā)展，其影響之廣、普及之快是前所未有的。從沒有一種技術能像Internet一樣，劇烈地改變著我們的學習、生活和習慣方式。全世界幾乎所有國家都有計算機網(wǎng)絡直接或間接地與Internet相連，使之成為一個全球范圍的計算機互聯(lián)網(wǎng)絡。人們可以通過Internet與世界各地的其它用戶自由地進行通信，可從Internet中獲得各種信息。
人們已充分領略到網(wǎng)絡的魅力，Internet大大縮小了時空界限，通過網(wǎng)絡人們可以共享計算機硬件資源、軟件資源和信息資源。“網(wǎng)絡就是計算機”的概念被事實一再證明，被世人逐步接受。
六、移動計算技術與系統(tǒng)
隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展和廣泛應用、無線移動通信技術的成熟以及計算機處理能力的不斷提高，新的業(yè)務和應用不斷涌現(xiàn)。移動計算正是為提高工作效率和隨時能夠交換和處理信息所提出，業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。
移動計算包括三個要素：通信、計算和移動。這三個方面既相互獨立又相互聯(lián)系。移動計算概念提出之前，人們對它們的研究已經(jīng)很長時間了，移動計算是第一次把它們結合起來進行研究。它們可以相互轉化，例如，通信系統(tǒng)的容量可以通過計算處理（信源壓縮，信道編碼，緩存，預取）得到提高。
面向全球網(wǎng)絡化應用的各類新型微機和信息終端產(chǎn)品將成為主要產(chǎn)品。便攜計算機、數(shù)字基因計算機、移動手機和終端產(chǎn)品，以及各種手持式個人信息終端產(chǎn)品，將把移動計算與數(shù)字通信融合為一體，手機將被嵌入高性能芯片和軟件，依據(jù)標準的無限通信協(xié)議（如藍牙）上網(wǎng)，觀看電視、收聽廣播。在Internet上成長起來的新一代自然不會把汽車僅作為代步工具，汽車將向用戶提供上網(wǎng)、辦公、家庭娛樂等功能，成為車輪上的信息平臺。
我們有理由相信，計算機在人類生活中的影響，將會越來越大，而由此會帶給我們?nèi)碌纳铙w驗，將會有怎樣的驚喜和全新體驗呢？讓我們拭目以待。
參考文獻：
[1]唐宇. 計算機網(wǎng)絡新技術概述[J]. 信息技術. 2007（07）
[2]孫亞民. 計算機網(wǎng)絡和技術[J]. 水電廠自動化. 1999（01）
[3]曹元大. 計算機網(wǎng)絡技術的近期發(fā)展[J]. 北京理工大學學報. 1998（06）
量子計算概念范文第4篇
關鍵詞：量子力學；數(shù)值計算；諧振子
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）32-0278-02
一、引言
量子力學是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學分支學科，與相對論一起構成了現(xiàn)代物理學的理論基礎[1]。對于高等院校物理專業(yè)的學生，量子力學在基礎課程中占有核心地位。通過學習量子力學，可進一步將學生對客觀物質(zhì)世界的感性認識提升到理性認識。因此，對于高校量子力學教師而言，形象、生動的課堂教學不僅能激發(fā)學生的學習興趣，而且還能完善和拓展學生的物理專業(yè)知識，從而提高學生的思維水平和培養(yǎng)他們的科研能力。
對于大部分初學者，除了難以理解量子力學中一些與常理相悖的知識外，煩瑣的數(shù)學推導使很多同學對量子力學望而生畏。如果高校教師繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的解析推演、口述筆寫的教學方式，將加大學生學習量子力學的難度。此外，量子力學的授課內(nèi)容大部分屬于理論知識，受條件的限制，許多高校無法為學生開設實驗課程，這使得學生對抽象的量子力學現(xiàn)象缺乏客觀認識。隨著計算機的不斷發(fā)展，很多教師將一些數(shù)值計算引入到了量子力學教學中，不僅有效地規(guī)避了煩瑣的數(shù)學解析推演，而且也能作為量子力學授課的理想實驗平臺，為學生形象地展示量子力學中的一些抽象且難以理解的量子現(xiàn)象和概念[2，3]。因此，為了降低學生學習量子力學的難度，提高學生對量子力學的學習興趣，應鼓勵高校教師將計算機及數(shù)值計算搬進量子力學的教學課堂。本文將通過具體的一些量子力學實例來說明數(shù)值計算應用于量子力學教學過程中的優(yōu)勢。
二、數(shù)值計算在量子力學教學中的應用實例
我們將以一維勢場中單個粒子的定態(tài)及含時演化為例來說明數(shù)值計算在量子力學教學中的應用。為了簡單，我們以Matlab軟件作為數(shù)值計算的平臺。
例1：一維定態(tài)薛定諤方程的數(shù)值計算
在量子力學中，描述單個粒子在一維勢場V（x）中運動的定態(tài)薛定諤方程如下：
- +Vxψx=Eψx （1）
這里我們假設m=？攸=1。原則上，通過從定態(tài)薛定諤方程中求解出波函數(shù)ψ（x），我們可以知道該粒子在勢場V（x）中運動的所有信息。然而，方程（1）是否存在解析解，在很大程度上依賴于勢場V（x）的具體形式。對于較為簡單的勢場，例如大家熟知的無限深勢阱及諧振子勢阱，很容易解析求解方程（1）。相反，如果勢場V（x）的形式比較復雜，如周期勢或雙勢阱，則必須借助于數(shù)值計算。因此，當學生學會利用數(shù)值計算求解無限深勢阱或諧振子勢阱中的定態(tài)薛定諤方程時，則很容易舉一反三的將其推廣至較為復雜的勢場，從而避免了煩瑣的數(shù)學問題。
以下是基于Maltab軟件并利用虛時演化方法所編寫的計算定態(tài)薛定諤方程的程序：
clearall
N=100；x=linspace（-6，6，N+1）；dx=x（2）-x（1）；dt=0.001；dxdt=dt/dx^2；
V=0.5*x.^2；%諧振子勢函數(shù)
temp=1+dxdt+dt*V；
psi=rand（1，N+1）；%初始波函數(shù)
psi=psi/sqrt（sum（abs（psi）.^2）*dx）；%歸一化波函數(shù)
psi1=psi；
for k=1：10000000
%---------迭代法求解三對角方程---------
psi2=zeros（1，N+1）；
for m=1：100000000
for j=2：N
psi2（j）=（psi（j）+0.5*dxdt*（psi1（j+1）+psi1（j-1）））/temp（j）；
end
emax=max（abs（psi2-psi1））；psi1=psi2；
ifemax
break
end
end
psi1=psi1/sqrt（sum（abs（psi1）.^2*dx））；emax=max（abs（psi-psi1））；psi=psi1；
ifemax
break
end
end
作為例子，我們利用上述程序分別計算出諧振子和雙勢阱中的基態(tài)解。程圖1（a）中展示了諧振子的基態(tài)解，從中可以看出，數(shù)值計算的結果和精確解一致。對于V （x）= x +ae 的雙勢阱（這里a為勢壘高度，b為勢壘寬度），由于波函數(shù)滿足相同的邊界條件ψ（x±∞）=0，則只需要將上述程序中的諧振子換成V （x）即可，其基態(tài)波函數(shù)展示在圖1（b）中。從圖1（b）中可以看出，隨著勢壘高度的增加，粒子穿過勢壘的幾率越來越低。由此可見，利用數(shù)值計算能形象地描述粒子在雙勢阱中的勢壘貫穿效應，這降低了學生對該現(xiàn)象的理解難度，同時提高了教師的授課效率。
例2：一維含時薛定諤方程的數(shù)值計算
在量子力學中，描述單個粒子在一維勢場V（x）中運動的含時薛定諤方程如下：
i =- +V（x）ψ（x，t） （2）
該方程為二階偏微分方程，對于一般形式的外勢V（x）很難嚴格求解該方程。因此，我們借助時間劈裂傅立葉譜方法進行數(shù)值求解，其Matlab程序代碼如下：
clearall
N=200；L=20；dx=L/N；x=（-N/2：N/2-1）*dx；
K=2*pi/L；k=fftshift（-N/2：N/2-1）*K；
V=0.5*3*x.^2；
psi=exp（-（x-2）.^2）；psi=psi/sqrt（sum（abs（psi）.^2）*dx）；%歸一化初始波函數(shù)
t=linspace（0，10，1001）；dt=t（2）-t（1）；F=exp（-i*0.5*dt*k.^2/2）；
for j=1：length（t）；
%---------時間劈裂譜方法求解---------
psi=ifft（F.*fft（psi））；
psi=exp（-i*V*dt）.*psi；
psi=ifft（F.*fft（psi））；
U（j，：）=psi；
end
作為例子，我們分別選取了諧振子勢阱的基態(tài)波函數(shù)和非基態(tài)波函數(shù)作為時間演化的初始值。從圖2中可以看到，當初始值為基態(tài)波函數(shù)時，波包的構型并不會隨著時間的演化而發(fā)生形變，這說明粒子處于動力學穩(wěn)定的狀態(tài)。相反，當我們將初始波函數(shù)的波包中心稍作挪動，則隨著時間的演化，波包將在勢阱中做周期性振蕩。我們可以讓學生利用數(shù)值程序證明波包振蕩周期等于諧振子的頻率。此外，如果我們將初始波函數(shù)改為諧振子的激發(fā)態(tài)，并在初始時刻加上一個較小的擾動項，則可利用時間演化程序證明激發(fā)態(tài)在外界的一定擾動下而變得動力學不穩(wěn)定。因此，數(shù)值程序為我們提供了驗證理論結果的理想實驗平臺，有利于學生對抽象物理概念的理解。
三、結語
基于Matlab軟件，我們以量子力學中的定態(tài)和含時薛定諤方程為例來說明數(shù)值計算應用于量子力學教學過程中的優(yōu)勢。數(shù)值計算不僅有效避免了煩瑣的數(shù)學公式推導，而且也可當作理想的實驗平臺來形象地展示量子力學中一些抽象的物理現(xiàn)象。高校教師借助于數(shù)值計算能拓展學生的物理專業(yè)知識，提高他們對量子力學的學習興趣，培養(yǎng)他們利用數(shù)值計算做一些簡單的科學研究。
參考文獻：
[1]曾謹言.量子力學卷I[M].第五版.北京：科學出版社，2014.
量子計算概念范文第5篇
關鍵詞：量子力學；教學改革；物理思想
作者簡介：王永強（1980-），男，山西河曲人，鄭州輕工業(yè)學院技術物理系，講師。（河南?鄭州?450002）
基金項目：本文系鄭州輕工業(yè)學院第九批教學改革項目“《量子力學》課程體系與教學內(nèi)容的綜合改革和實踐”資助的研究成果。
中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）20-0070-02
“量子力學”是20世紀物理學對科學研究和人類文明進步的兩大標志性貢獻之一，已經(jīng)成為物理學專業(yè)及部分工科專業(yè)最重要的基礎課程之一，是學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎。通過這門課程的學習，學生能熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識及科學素養(yǎng)亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學”本身是一門非常抽象的課程，眾多學生談“量子”色變，教學效果可想而知。如何激發(fā)學生學習本課程的熱情，充分調(diào)動學生的積極性和主動性，提高量子力學的教學水平和教學質(zhì)量，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經(jīng)驗的基礎上，結合鄭州輕工業(yè)學院（以下簡稱“我校”）教學實際，在“量子力學”的教學內(nèi)容和教學方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。
一、“量子力學”教學內(nèi)容的改革
量子力學理論與學生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關聯(lián)，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關內(nèi)容得出的。因此，在“量子力學”教學中，一方面需要學生摒棄在經(jīng)典物理學習中形成的固有觀念和認識，另一方面在學習某些基本概念和基本理論時又要求學生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數(shù)學推導之中，導致學習興趣缺失。針對以上教學中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者對“量子力學”課程的教學內(nèi)容作了一些有益的調(diào)整。
1.理清脈絡，強化知識背景
從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發(fā)展脈絡進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識及科學素養(yǎng)。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內(nèi)容時，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設之前就已經(jīng)出現(xiàn)了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關于原子光譜的實驗數(shù)據(jù)也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應運而生。在用量子力學求解氫原子定態(tài)波函數(shù)時，還可以通過定態(tài)波函數(shù)的概率分布圖，向學生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現(xiàn)幾率比較大的區(qū)域。通過這樣講述，學生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學中的概念混為一談。
2.重在物理思想，壓縮數(shù)學推導
在物理學研究中，數(shù)學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數(shù)學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學推導的內(nèi)容，在教學中刻意忽略具體數(shù)學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數(shù)學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現(xiàn)成結論的應用上。這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。
二、教學方法改革
傳統(tǒng)的“填鴨式”教學法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學生在教學活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學生學習的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學生創(chuàng)新能力及科學思維的培養(yǎng)。而且，“量子力學”這門課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學習積極性必然受挫，學習效果自然大打折扣。為了提高學生學習興趣，激發(fā)其學習的積極性，培養(yǎng)其科學探索精神及創(chuàng)新能力，筆者在教學方法上進行了一些有益的探索。
1.發(fā)揮學生主體作用
除卻必要的教學內(nèi)容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動時間。教師通過創(chuàng)設問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內(nèi)容，使學生對已學內(nèi)容進行復習、總結、辨析，以加深理解；或者針對未講授內(nèi)容，激發(fā)學生學習新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態(tài)問題后就可引導學生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現(xiàn)出什么樣的行為”），[1]這樣學生就會積極地預習下節(jié)內(nèi)容；或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網(wǎng)絡資源等尋求解決，培養(yǎng)學生的科學探索精神。此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關的題目進行討論、調(diào)研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學生的自主學習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。
2.注重構建物理圖像
在實際教學中著重注意物理圖像的構建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數(shù)的統(tǒng)計解釋；[2]借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學生更易接受和理解態(tài)疊加原理；借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區(qū)別，但借助這些學生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構建能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。
三、教學手段和考核方式改革
1.課程教學采用多種先進的教學方式
如安排小組討論課，對難于理解的概念和規(guī)律進行討論。先是各小組內(nèi)討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學生認為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學生認為是經(jīng)典物理學的波。這些問題的討論激發(fā)了學生的求知欲望，從而進一步激發(fā)了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內(nèi)外專家開展系列量子力學講座等都是不錯的方式。
2.堅持研究型教學方式[3]
把課程教學和科研相結合，在教學過程中針對教學內(nèi)容，吸取科研中的研究成果，通過結合最新的科研動態(tài)，向學生講授在相關領域的應用以培養(yǎng)學生學習興趣。在量子力學誕生后，作為現(xiàn)代物理學的兩大支柱之一的現(xiàn)代物理學的每一個分支及相關的邊緣學科都離不開量子力學這個基礎，量子理論與其他學科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學為基礎；量子力學在通信和納米技術中的應用；量子理論在生物學中的應用；量子力學與正在研究的量子計算機的關系等，在教學中適當?shù)卮┎暹@些知識，擴大學生的知識面，消除學生對量子力學的片面認識，提高學生學習興趣和主動性。
3.利用量子力學課程將人文教育與專業(yè)教學相結合
量子力學從誕生到發(fā)展的物理學史所包含的創(chuàng)新思維是迄今為止哪一門學科都難以比擬的。在19世紀末至20世紀初，經(jīng)典物理學晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應、原子光譜等物理現(xiàn)象的實驗結果嚴重沖擊經(jīng)典物理學理論，讓經(jīng)典物理學陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學家普朗克創(chuàng)造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續(xù)的（普朗克假設），而且在物質(zhì)相互作用中也是不連續(xù)的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經(jīng)驗光譜公式。泡利突破玻爾半經(jīng)典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經(jīng)典理論分庭抗禮。[4]和學生一起重溫量子力學史的發(fā)展之路，在教學過程中展現(xiàn)量子力學數(shù)學形式之美，使學生在科學海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創(chuàng)新精神。
4.考試方式改革
在本課程的教學中采用了教考分離，通過小考題的形式復習章節(jié)內(nèi)容，根據(jù)學生的實際水平適當輔導答疑，注重學生對量子力學基礎知識理解的考核。對于評價系統(tǒng)的建立，其中平時成績（包括作業(yè)、討論、綜合表現(xiàn)等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學生的學習，收到了較好的效果，受到學生的歡迎。
四、結論
通過近年來的改革嘗試，我校的“量子力學”教學水平穩(wěn)步提高，加速了專業(yè)建設。2009年，我校“量子力學”被評為校級精品課程，教學改革成果初現(xiàn)。然而，關于這門課程的教學仍存在不少問題，如教學手段單一、與生產(chǎn)實踐結合不夠緊密等等，這些都需要教師在今后教學中進一步改進。
參考文獻：
[1]周世勛.量子力學教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]呂增建.從量子力學的建立看類比思維的創(chuàng)新作用[J].力學與實踐,
2009,(4).
