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陈徐宗主讲才斋讲堂第156讲:从量子物理到量子技术

量子力学诞生的前一百年里,原子弹、核磁共振、全球卫星定位等重要发明纷纷涌现,史称第一次量子革命。而近年,以量子信息技术为代表的第二次量子革命也已是山雨欲来风满楼。2018年4月26日晚,北京大学量子电子学研究所所长、北京大学新型原子钟中心主任陈徐宗教授做客“才斋讲堂”,用丰富的案例回顾了从量子物理到量子技术史诗般的研究进程,围绕量子技术的来源、应用以及发展三个方面进行了生动形象的阐述。

陈徐宗主讲才斋讲堂第156讲:从量子物理到量子技术

 

一条物理规律从蒙昧走向清晰,既是研究者的偶然发现,也有它的时代必然,对于自然的无尽敬畏与求索,是知识开拓者认识事物所遵循的基本逻辑。两个世纪前的夫琅和费通过自制的分光计发现了太阳光谱中的574条黑线,开创了非连续性的先河;经过一个世纪实验与理论的积淀,二十世纪初的物理学家突破宏观低速的生活图景,一条腿跨进微观的原子,一条腿进入浩淼的宇宙;1990年,普朗克将他在辐射理论研究中的发现公之于众:ε=hν,这标志着量子学说的正式诞生。

再后来的德布罗意在他的博士论文中讨论了波粒二象性的崭新设想,海森伯、薛定谔也纷纷为量子力学添砖加瓦,“薛定谔的猫”理论至今仍为人津津乐道。简单来说,量子可以解释为“离散变化的最小单元”,具有分立性、叠加性、随机性的特点。作为二十世纪的两大革命性科学理论之一,量子力学对人类的世界观造成了巨大的震撼。

科学界之外的人往往不了解量子力学的科学研究和实际应用发展,亦对现今各类科技产品中的“量子成分”认知甚少。通过丰富的历史资料,陈徐宗教授带领大家回顾了一段“惊心动魄”的发展历程。在第二次世界大战的时代背景下,量子力学被顺理成章的应用于军事领域:因发明分子束磁共振技术而获诺贝尔物理学奖的拉比于1940年加入了MIT的辐射实验室,5年内就成功研制出了一百多种不同类型的雷达系统,紧接着由奥本海默主持的曼哈顿工程则成为了原子弹的摇篮。辐射实验室经过几代科学家的传承,在量子物理和量子技术领域的学术研究处于全球的绝对领先地位。

令人惊喜的是,雷达工程还推动了原子钟与核磁共振的发明,并孵育了激光技术。作为原子钟研究领域的专家,陈徐宗教授以概念和应用相结合的形式,为大家详细地介绍了其背后的演变过程以及实用价值,譬如目前普遍使用的导航系统就离不开原子钟的校准,而这背后的原理,正是量子世界区别于经典理论体系之处:电子不连续的能量态。

陈徐宗主讲才斋讲堂第156讲:从量子物理到量子技术

 

至今为止,量子技术中基于原子及光子的研究已衍化出了多种超高精密仪器,除了原子钟,还有高精度陀螺、磁强计和原子干涉仪应用于精密导航;量子成像、量子计算、量子通信等技术用于信息传递。陈徐宗教授详尽的综述满足了同学们对于量子应用的所有想象,摘掉面纱的量子科学焕发着蓬勃的生命力。

  面对同学们的热情反响,陈徐宗教授语重心长地总结道:为学无他,争千秋勿争一日。量子技术是一个急速发展的领域,基础研究的积累是量子技术发展的基础;量子技术也是未来先进国防的重要保障,高端人才的培养是关键。我国在量子技术的研究中已经有相当的积累,未来一定会取得更加辉煌的成绩。

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