现代量子材料：开启未来科技之门-起源和发展

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现代量子材料：开启未来科技之门-起源和发展 （DOI: 10.3389/fmats.2024.1343005）

1. 量子化的起源

• 1900年：马克斯·普朗克提出了量子化的概念，认为黑体辐射的能量是量子化的，即能量只能以离散的“量子”形式发射。普朗克的公式为：
  Bν​(T)=c22hν3​ehν/kT−11​其中，h 是普朗克常数，ν 是频率，c 是光速，k 是玻尔兹曼常数。这一发现标志着量子力学的诞生，普朗克因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
• 1905年：阿尔伯特·爱因斯坦解释了光电效应，提出光由离散的量子组成，每个量子的能量为 E=hν。这一理论为量子力学的发展奠定了基础，爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
• 1913年：尼尔斯·玻尔提出了原子模型，认为电子在原子中只能存在于离散的轨道上，并且电子在这些轨道之间跃迁时会发射或吸收特定频率的光子。玻尔的模型成功解释了氢原子的光谱线，他因此获得了1922年的诺贝尔物理学奖。
  

2. 量子力学的进一步发展

• 1923年：路易·德布罗意提出了物质波理论，认为微观粒子具有波粒二象性。这一理论为后续的量子力学发展提供了重要基础，德布罗意因此获得了1929年的诺贝尔物理学奖。
• 1925年：维尔纳·海森堡、马克斯·玻恩和帕斯夸尔·约旦提出了矩阵力学，这是量子力学的第一个完整表述形式。海森堡因此获得了1932年的诺贝尔物理学奖。
• 1926年：埃尔温·薛定谔提出了波动力学，建立了薛定谔方程，描述了量子粒子的波动行为。薛定谔因此获得了1933年的诺贝尔物理学奖。
• 1927年：保罗·狄拉克将相对论引入量子力学，提出了狄拉克方程，预言了电子的自旋和反物质的存在。狄拉克因此获得了1933年的诺贝尔物理学奖。
  

3. 量子力学的哥本哈根诠释

• 1927年：玻尔及其同事们提出了哥本哈根诠释，认为量子系统的性质只有在测量时才确定，并且量子系统的行为是不可预测的。这一诠释至今仍是量子力学的主流解释。
  

4. 量子力学的实验验证

• 1923年：罗伯特·密立根通过实验验证了爱因斯坦的光电效应理论，并准确测量了电子的电荷。密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。
• 1925年：沃尔夫冈·泡利提出了泡利不相容原理，指出在同一原子中，没有两个电子可以具有完全相同的量子数。泡利因此获得了1945年的诺贝尔物理学奖。
  

5. 量子力学的进一步发展

• 1928年：乔治·伽莫夫提出了量子隧道效应，解释了α衰变现象。这一理论为理解放射性衰变提供了重要基础。
• 1932年：沃尔夫冈·泡利提出了中微子假设，解释了β衰变过程中能量守恒的问题。泡利因此获得了1945年的诺贝尔物理学奖。
  

6. 量子力学的完善

• 1935年：爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出了EPR悖论，质疑量子力学的完备性。这一悖论引发了关于量子纠缠和量子非局域性的深入讨论。
• 1935年：埃尔温·薛定谔提出了“薛定谔猫”思想实验，进一步探讨了量子力学的非直观特性，如量子叠加和量子纠缠。
  

第二次量子革命的关键事件与贡献1. 量子纠缠与量子信息理论

• 1935年：爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出了EPR悖论，质疑量子力学的完备性。这一悖论引发了关于量子纠缠和量子非局域性的深入讨论。
• 1935年：埃尔温·薛定谔提出了“量子纠缠”（Verschränkung）的概念，描述了两个或多个粒子之间的强关联。
• 1964年：约翰·贝尔提出了贝尔不等式，通过实验验证了量子力学的非局域性，证明了量子纠缠的存在。贝尔的工作为量子信息理论奠定了基础。
• 1980年：保罗·贝尼奥夫提出了量子图灵机的概念，为量子计算提供了理论基础。
• 1982年：理查德·费曼提出了量子计算的概念，认为量子计算机能够更有效地模拟量子系统。
• 1985年：大卫·德意志提出了量子图灵机的数学模型，并提出了量子算法的概念。
  

2. 量子计算的早期发展

• 1992年：德意志和约萨提出了第一个量子算法，展示了量子计算在某些问题上相对于经典计算的指数加速。
• 1993年：查尔斯·本内特等人首次提出了量子隐形传态的概念，实现了量子信息的远距离传输。
• 1994年：彼得·肖尔提出了量子因数分解算法，能够在多项式时间内分解大整数，这一算法展示了量子计算在密码学领域的巨大潜力。
• 1996年：洛夫·格罗弗提出了量子搜索算法，能够在平方根时间内搜索数据库，进一步展示了量子计算的优势。
  

3. 量子计算的实验验证

• 1998年：研究人员首次在核磁共振（NMR）系统中实现了德意志-约萨算法。
• 2000年：研究人员在NMR系统中实现了5量子比特和7量子比特的量子计算机。
• 2001年：IBM和斯坦福大学的研究人员首次实现了肖尔算法，成功分解了数字15。
• 2009年：研究人员在硅光子芯片上实现了肖尔算法。
• 2016年：研究人员在离子阱量子计算机上高效实现了肖尔算法。
  

4. 量子计算的商业化与技术突破

• 2007年：D-Wave Systems推出了第一台商用量子退火机，拥有128个量子比特。
• 2011年：D-Wave Systems开始向美国**机构、组织和非**组织销售其量子退火机。
• 2017年：IBM推出了第一台50量子比特的量子计算机，并在2019年推出了53量子比特的量子计算机。
• 2020年：中国科学家利用光子量子计算机“九章”实现了量子优越性。
• 2021年：IBM推出了127量子比特的“鹰”处理器。
• 2022年：IBM推出了433量子比特的“奥斯普雷”处理器。
  

5. 量子通信与量子加密

• 2004年：研究人员首次实现了五光子纠缠。
• 2007年：中国科学家在量子通信领域取得了重要突破，实现了从地面到卫星的量子隐形传态。
• 2017年：IBM推出了第一台商用量子计算机，能够维持90微秒的量子相干时间。
• 2019年：IBM宣布其量子计算机的量子比特数达到53个。
• 2020年：中国科学家利用“九章”实现了100万亿倍于传统超级计算机的计算速度。
• 2021年：IBM推出了127量子比特的“鹰”处理器。
• 2022年：IBM推出了433量子比特的“奥斯普雷”处理器。
  

6. 量子计算的未来展望

• 2023年：IBM计划推出1121量子比特的“**”处理器。
• 2024年：IBM计划推出1386量子比特的“火烈鸟”处理器。
• 2025年：IBM计划推出4158量子比特的“笑翠鸟”处理器。
• 2027年：IBM计划推出超过15000量子比特的处理器。