量子力学的定义

　　量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。

　　量子力学是描述微观体系运动规律的科学。量子力学的基本原理是由许多科学家，如薛定谔、海森堡、波恩以及狄拉克等人经过大量的工作总结出来的。量子力学包含5个重要的假设，从这些重要的基本假设出发可以推导出重要的基本原理。简而言之，量子力学的基本理论有：

　　1、波函数和微观粒子的状态。

　　2、物理量和算符。

　　3、本征态、本征值和薛定谔方程。

　　4、态叠加原理。

　　5、Pauli原理。

　　量子力学的来源

　　量子力学的发展革命性地改变了人们对物质的结构以及其相互作用的认识。量子力学得以解释许多现象和预言新的、无法直接想象出来的现象，这些现象后来也被非常精确的实验证明。除通过广义相对论描写的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写(量子场论)。

　　量子力学并没有支持自由意志，只是于微观世界物质具有概率波等存在不确定性，不过其依然具有稳定的客观规律，不以人的意志为转移，否认宿命论。第一，这种微观尺度上的随机性和通常意义下的宏观尺度之间仍然有着难以逾越的距离;第二，这种随机性是否不可约简难以证明，事物是由各自独立演化所组合的多样性整体，偶然性与必然性存在辩证关系。自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题，对这个鸿沟起决定作用的就是普朗克常数，统计学中的许多随机事件的例子，严格说来实为决定性的。

　　在量子力学中，一个物理体系的状态由波函数表示，波函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。对应于代表该量的算符对其波函数的作用;波函数的模平方代表作为其变量的物理量出现的概率密度。

　　量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。

　　量子力学三大基本原则：

　　① 态叠加原理：在未观察之前，量子处于叠加态，只有在观察之后，量子的态才被确定下来，且在所有可能的态中，确定下来的态是随机的。

　　② 测不准原理：量子的位置和速度不可能同时测准，这是波尔受海森堡的启发总结出来的。人为什么能看到观察结果，本质上是因为被观察物质反射了光子到我们的视网膜上成像。光子也是量子，一旦测准了被观察物质的位置，它的运动轨迹就会发生改变，即观察行为干扰了物质的运动。

　　③ 观察者原理。

　　量子(quantum)是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。

　　量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”，它最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。

　　后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。

　　自从普朗克提出量子这一概念以来，经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世纪的前半期，初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论。

　　量子力学的应用

　　量子力学在固体物理上的应用

　　量子力学是描述微观粒子运动规律的理论。海森伯和布洛赫最先把量子力学应用于固体物理。这里主要介绍布洛赫的固体能带理论。

　　我们知道导体易导电，半导体在一定的条件下才导电，绝缘体不导电。这些问题很长时间里人们无法解决。而能带理论很好的解释了其中的缘由。一个完全填满电子的能带是满带，由于能带处于均匀分布填满的状态，所以满带电子不导电。未满带电子的分布不再对称，因而会出现一定的宏观电流，所以不满带中的电子才导电。那么，导体的能带中一定有不满的带，绝缘体的能带中就只有满带和空带。半导体的能带结构与绝缘体没有本质区别，只是分割价带和导带的禁带宽度较小。接近绝对零度时，半导体导电性接近于绝缘体，但如果达到一定的温度就会导电。

　　能带理论用量子力学的方法阐明了电子在晶格中的运动规律和固体的导电原因等。它是量子力学在固体物理上的比较成功的重要的应用。

　　量子力学在信息学上的应用

　　量子力学自创立以来已取得巨大的成功。量子力学不仅解释了原子、原子核的结构、固体结构、元素周期表和化学键、超导电性和半导体的性质等，而且促成了现代微电子技术的创立，使人类进入了信息时代，促成了激光技术、新能源、新材料科学的出现。量子力学的概念和原理至今仍使人困惑，像量子态的纠缠性，非定域性等。这些原理开始被人类利用在信息科学中。

　　量子计算机

　　信息科学研究的是信息的产生、加工、存储与处理及对信息传输的有效性、可靠性等。而重要的环节是芯片，不断提高芯片的集成度是计算机乃至信息科学的核心。但计算机芯片的逻辑运算过程是个不可逆的操作，将影响芯片的集成度。目前人们认为量子计算机是最具发展前景的。

　　量子力学和计算机看似毫无关系，但他们的结合却产生了一门也许从根本上影响人类未来发展的新兴学科——量子计算机。

　　1985年，D.Deutsch根据量子力学的基本原理和特性，系统的研究了量子计算机的一般模型。他提出了量子图灵机的概念，描述量子计算机的结构，定义了量子网络的表述方法，且预言量子计算机的高效性能。1994年，P.Shor发现了一种量子算法，这个算法能成千上万倍的提高大数分解的速度。1996年，Grover又发现了量子搜索法，它是利用一种迭代算法，在设想的量子计算机上实现未加整理的数据库中搜索目标数据。利用这种算法，比经典计算机的搜索要快很多。

　　到目前为止。还没有一台量子计算机的出现。怎样实现量子计算机，人们提出了不少的方案，但对微观量子态的操作实在太困难了。但总体来讲，实现量子计算，已经不存在理论上的困难。也许在不远的将来，量子计算机一定会成为现实，这中间还会有一段艰难而曲折的道路。

　　量子通信

　　量子力学中的纠缠性与非定域性可以保障量子通信中的绝对安全的密码系统，保证量子信息的隐形传态。利用量子态编码和携带信息，进行加工、处理、传输和提取信息就是量子通信过程。整个过程要遵循量子力学原理。

　　经典信息中的信息单元是比特，在物理学上比特就是两态系统，它可以制备为两个可以识别的状态。在数字电路中，晶体管不是在截止状态就是在饱和导通状态，我们把截止状态记作1.饱和导通状态记作0.这两个状态便构成一个比特。在量子信息中的信息单元是量子比特，它是两个量子态|0)和|1)的叠加。其中|0)和|1)代表一个粒子的两种可能的状态。

　　量子力学的应用是非常广泛的。像量子力学在医学、生物、化学、光学、信息科学等学科上的应用，导致很多交叉性学科发展并日趋成熟。正是这些学科的发展，导致社会经济大幅度提升。从而，量子力学为社会带来福音。