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2021-05-01推動第五次工業革命的量子資訊 617 期

Author 作者 張晏瑞、張慶瑞
量子物理發展至今,科學家利用其特性改變了人們的科技生活。而量子資訊就是奠基在這個了解「物質在微觀尺度中所遵循的規律」的物理理論。而這一切都要從黑體輻射(black-body radiation)實驗講起。

「黑體」(black body)是一個理想化的概念,電磁波照射於黑體都會被百分之百吸收,當黑體達熱平衡後會輻射出電磁波。科學家先從古典統計力學出發,而解釋黑體輻射頻譜分布的瑞利—金斯定律(Rayleigh-Jean's law),其結果在低頻符合實驗上的測量,但在高頻則相差甚大。而維恩位移定律(Wien's displacement law)則在短波範圍內和實驗數據相當符合,但在長波範圍內又有偏差。

1900年,德國物理學家普朗克(Max Planck)從黑體輻射實驗觀察,引入「能量量子化」的參數概念,發表黑體輻射定律,則在全波段範圍內都和實驗結果符合。1905年,愛因斯坦將此概念應用於解釋金屬的光電效應原理,提出了「光量子」的概念解釋光電效應,並認為光具有波動性與粒子性。

之後丹麥物理學家波耳(Niels Bohr)更提出角動量量子化,精確地解釋了氫原子的不連續光譜。1924年,法國物學家德布羅意(Louis Victor de Broglie)在其博士學位論文中提出了物質波(matter wave)的概念,認為電子也具有波的性質,之後的戴維森—革末實驗(Davisson-Germer experiment)成功以低速電子入射於鎳晶體,取得電子的繞射圖樣證明了物質的波動性質,確認了「波粒二象性」。


1925年後發展出兩種描述量子現象的數學工具,分別是德國物理學家海森堡(Werner Heisenberg)和波恩(Max Born)提出的「矩陣力學」(matrix mechanics),以及奧地利物理學家薛丁格(Erwin Schödinger)利用「波動力學」(wave mechanics),提出「薛丁格方程式」(Schrödinger equation)。之後英國物理學家狄拉克(Paul Dirac)提出了著名的狄拉克方程式(Dirac equation),發展出量子力學的基本數學架構。這些新穎的量子力學的原理,徹底改變人們對於自然世界的觀點。

量子革命

隨著量子科學的發展,科學家更能掌握微觀尺度中依循的規則,也能從微觀的理解解釋固體材料的宏觀物理性質,進而發展出固態物理學。從氫原子能階到更複雜的原子軌域,再拓展到多原子有週期性排列的晶體結構,並整合量子力學、統計物理、電動力學為理論基礎,應用薛丁格方程式描述固體物質的電子態,發展出能帶(energy band)的概念,預測了半導體的存在,成功解釋導體、絕緣體、半導體的區別,並為電晶體的製造提供了基石。世界上第一部電腦是用真空管組成,通過真空管放大電子信號,由於真空管製作困難、體積大、耗能高且使用壽命短,使當時電腦無法普及。隨著對半導體材料的研究漸深,1947年貝爾實驗室三位科學家蕭克利(William Shockley)、巴丁(John Bardeen)、布拉頓(Walter Brattain)發明電晶體,之後以電晶體為主的技術便開始急速發展,也拉開了第一次量子科技革命的序幕。……【更多內容請閱讀科學月刊第617期】