2、量子计算：从基础实验到技术发展的全面解析

量子计算：从基础实验到技术发展的全面解析

1. 量子物理的奠基实验

1.1 光电效应

1905 年，爱因斯坦对光电效应进行了正式阐述，这标志着量子物理学的开端。而在 1887 年，海因里希·赫兹就通过实验首次发现了光电效应，他用光照金属表面，观察到电子从表面发射出来。为解释这一现象，爱因斯坦提出光表现为被称为光子的局部量子。光子具有线性动量和能量，这些是粒子的特征属性。单个电子从金属中释放，是因为它与单个光子碰撞，光子将其能量转移给了电子。后续用不同金属进行的实验验证了这一现象，也表明经典的波粒区分并不正确。

1.2 玻尔原子模型

1911 年，尼尔斯·玻尔利用能量束（量子）的概念，纠正了经典物理学在解释原子结构上的错误，并为观察到的氢吸收和发射光谱提供了原因。他假设电子在围绕原子核的稳定轨道上旋转而不辐射能量，这些轨道可以编号，并且对能容纳的电子数量有限制。例如，最内层轨道可容纳 2 个电子，第二层 8 个，第三层 18 个，依此类推。关键在于，电子只能通过吸收或发射特定频率的光在轨道之间跃迁。对于单个电子，合适频率的光子是其跃迁到更高能级所必需的；同样，当电子跃迁回较低能级时，会发射相同频率的光子。这种特定频率光子的吸收和发射决定了金属呈现的颜色等。

1.3 双缝实验

1924 年，法国物理学家路易·德布罗意提出，与有质量物体对应的动量概念，也适用于无质量的光或光子。同样，像电子这样的粒子也有与之相关的波长，这就是波粒二象性的概念。1927 年，戴维森和革末在贝尔实验室进行的电子衍射实验表明，经典上被认为是粒子的物体也能表现出波的特性。当波遇到狭缝或障碍物时，会发生弯曲并产生独特的衍射图案，在特定角度有相