�淺談量子力學

李柏翰 (師大附中)

leepohan@gmail.com

10 June, 2022， @師大附中

Lorenz Lab

PRL 75, 4714, 1995

1. 黑體輻射是?Planck石破天驚的猜測
2. 近代物理發展
3. 如何看到單一光子
4. Shor algorithm
5. QC Qiskit 練習
6. 看看優秀前輩的說法

大綱

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(1)黑體輻射是?

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• 馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858年4月23日-1947年10月4 日)，德國物理學家。

​

• 1900年其所發現能量量子化成功解釋黑體輻射，打開量子世界的大門，因發現能量量子化而對原子量子力學作出重要貢獻，普朗克的量子論成為近代物理的鑰匙。

​

• 普朗克因而榮獲1918年諾貝爾物理學獎。 [1]

1666年，牛頓利用三稜鏡解析出光譜

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西元1666年，英國物理學家牛頓（Sir Isaac Newton，1642～1727）成功以三稜鏡分解太陽光，將陽光折射後分開成紅、橙、黃、綠、藍、紫色依序排列的光帶，牛頓稱之為「光譜」（Spectrum），這個光譜是一個連續性的色帶分布， 如果在光帶展開後利用凸透鏡匯聚性質將其「光譜」再會合起來，則又會再次變回白光，

1814年，光譜的秘密: 夫朗和斐譜線

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德國物理學家Joseph von Fraunhofer (1787-1826)，在1814-1815年左右，發現太陽光中在可見光範圍內的出現暗線，夫朗和斐線(https://zh.wikipedia.org/wiki/夫朗和斐譜線)

1885年Balmer 出場，猜出氫光譜譜線公式

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氫原子光譜

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(a)氫原子發出來的光看起來像這樣，看起來紅色的。

(b)

• 氫原子光譜分佈圖，其中除了光譜線之外，請大家注意其他光線較弱的分佈，不只四條線，以及各光譜線的強度分布。
• 因為光譜線的光強度大小藏著近代量子力學最深層的奧秘。
• 這也是波耳1913年提出了所謂的波耳氫原子模型之後，所一直無法面對的不可承受之痛，甚至最後導致宣判波耳氫原子模型的死刑原因之一。

氫原子光譜與n關係

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1884年 ，Stephan-Boltzmann law

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(a)有一金屬盒(Lx×Ly×Lz)，內部挖空為空腔，右側挖一小孔，模擬黑體輻射，金屬盒內部充滿電磁波反射形成駐波的狀況，考慮一個有入射角度θ的入射電磁波撞擊一小塊面積A。

(b) 利用半球形座標分析電磁波能量流密度撞擊A反射後，對小塊面積A所產生光壓P，半球形座標是示意圖，仍在金屬盒內之中。

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Boltzmann利用熱力學第二定律

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圖1-5-6

步驟(1)等溫膨脹，體積Va 🡺Vb，

步驟(2)絕熱膨脹，體積Vb 🡺 Vc，

步驟(3)等溫壓縮，體積Vc 🡺 Vd，

步驟(4) 絕熱壓縮，體積Vd 🡺 Va。

熱力學第二定律卡諾循環

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圖1-5-7 (a)卡諾循環壓力對體積變化圖，(b) 熱力學第二定律卡諾循環，作功與熱流的關係

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得到 Stephan-Boltzmann law

1895年， Wien-Displacement law

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1895年，Wien 更進一步得到Wien-Displacement law，如前所述

​

​

λmax•T =constant (1-4-3)

​

• 利用空腔內電磁波駐波理論，加上粒子輻射頻率遵守分子的 Boltzmann分子速度分佈公式出發。
• 分析黑體輻射經驗公式所得，而且輻射跟材質本身無關，
• 大科學家們的推想，結合實驗的經驗公式，半實驗半理論推導而得。

1900年。Rayleigh-Jeans: 很生氣，要由理論出發

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由系綜的公式，因此得到單個振子的平均輻射能 <ε>，< >為平均意思，這公式(1-4-6)就是Rayleigh-Jeans law，然而得到的平均輻射能 <ε>=k_BT，

​

紫外光災難

Density of states in K-space

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圖1-5-8 (a) 有一金屬盒(L1×L2×L3)，內部挖空成為空腔，右側挖一小孔，用來模擬黑體輻射，金屬盒內部充滿電磁波反射而形成駐波，穩定

考慮電磁波有左旋及右旋兩種偏極化

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圖1-5-8 (a) 有一金屬盒(L1×L2×L3)，內部挖空成為空腔，右側挖一小孔，用來模擬黑體輻射，金屬盒內部充滿電磁波反射而形成駐波，穩定。

Planck猜想

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靈光乍現 量子論誕生

必須要改成能量不連續的能量包

(Rayleigh-Jeans law)

(Planck)

Planck 黑體輻射強度

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Planck

Planck黑體輻射能量分佈

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(2)近代物理發展

​

先來說說1902年 Nobel prize story

​

光譜線 + (strong or weak)磁場

​

自然科學研究之道理

In a theory which has given results like these, there must certainly be a great deal of truth.

Hendrik Lorentz, a Dutch physicist, 1902年諾貝爾物理學獎被授予，亨德里克·安東·洛倫茲和彼得·塞曼，以表彰他們在研究磁性對輻射現象的影響方面所做的傑出貢獻。

H. A. Lorentz

回到1900年……

🡺問出一個好問題

鈉燈

http://1.bp.blogspot.com/-q9x2r6hHE88/T8XtLuB_2yI/AAAAAAAAAfQ/OVa8b5jz39U/s1600/newton-prism.jpg

http://palomarskies.blogspot.tw/2009/05/why-astronomers-love-low-pressure.html

光譜線

牛頓

光譜… M1:量測問題，

1. 「光柵」的分光效果遠比三稜鏡好(M2:分析方法改良，取代三稜鏡)

​

• 不同的元素發出的光都有自己特定的、離散的頻率(M3:可重複性，M4:理論原理)

​

• 光譜可作為各元素的｢指紋」(M4:理論原理)

​

• 19世紀的人不能確定光譜的成因

氫的原子光譜挺有規律性…🡺M3:可重複性

http://www1.assumption.edu/users/bniece/spectra/lightsources.html

瑞士人巴耳末(J.J. Balmer)在1885年從 4 條譜線玩出一個公式…🡺猜猜看

http://www.learner.org/courses/physics/unit/text.html?unit=5&secNum=4

氫原子發出來的光看起來像這樣…M1:量測問題

​

http://www1.assumption.edu/users/bniece/spectra/AtomicSpectra.html

帶電粒子發出頻率較低的光

帶電粒子發出頻率較高的光

問題是：原子內有什麼帶電粒子？有多少顆？ 如何分佈？…

光譜的成因也許是像這樣…🡺 M4:理論原理

🡺M5:模擬方法

YY Chen 提供

鈉燈

http://palomarskies.blogspot.tw/2009/05/why-astronomers-love-low-pressure.html

光譜線

著名的D線

荷蘭人季曼 (P. Zeeman) 於1896年發現：對發光物加了「強」磁場之後…🡺M1:量測問題

​

589.0 nm

589.6 nm

譜線變寬了

季曼報告完兩天後，荷蘭人勞侖茲 (H. Lorentz) 提出理論解說！🡺M4:理論原理

​

1902年諾貝爾物理學獎

物質內原來有帶電粒子在振動發出光譜線:

加了磁場之後，帶電粒子速度有些受到影響:

B

B

B

頻率不變

頻率變慢

頻率變快

YY Chen 提供

所以光譜線變寬是因為光譜線已經分裂成兩條或三條，只是解析度不夠，分辨不出來！🡺 M1:量測問題

​

分辨不出鈉，改用鎘竟然就成功了！

​

🡺 M1:量測問題

🡺 M3:可重複性

​

季曼加油啊！…

此理論和實驗可以用來決定出帶電粒子的「荷質比」：e/m！

當時實驗顯示 e/m 和元素無關，但卻比當時已知的各種離子大上一兩千倍！

各種物質似乎都含有這種很輕的「電子」 ，電子幾乎是呼之欲出了！

鈉光譜主要明亮雙峰（稱為鈉D線），從能級圖可以看出，這些線是從3p到3s躍遷發射。

通過施加外部磁場（塞曼效應）進一步出現鈉雙峰，可以看到分裂為總角動量J的z分量的每個可能值產生能階差。

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/sodzee.html

The real story of Sodium D Line

在普朗克打開量子之門5年之後，愛因斯坦登場了

Albert Einstein

1879-1955

愛因斯坦以普朗克的研究為基礎，

用統計力學法則推論出令人驚奇的結果

光(輻射)是由一顆顆點狀的光量子(light quantum， 也稱光子photon)

假設光的頻率為f，其每顆光量子的能量E就是hf

即 E = nhf

對照普朗克的公式 E = nhf

愛因斯坦的結論即是n應該解讀為光量子的個數

光量子

我先繼續說明愛因斯坦如何以他的假設對原本就已為人所知的「光電效應」做一些分析，而得到某些奇特的定量預測，

這些預測可以用來檢驗光量子假設是否成立

光電效應 

• 什麼是光電效應？陰極在光的照射下(特別是紫外光)，會更容易放出帶負電的粒子，形成電流，稱為光電流。

​

​

• 光的頻率低於某一臨界值時，不論光有多強，也不會產生光電流，這個臨界值稱為截止頻率，截止頻率隨金屬板的種類而異。
• 光照到金屬表面，光電流就立刻產生。
• 古典物理(光是波)無法解釋此現象
• 1900年，雷納發現的改變光的強度對截止電壓沒有影響

​

光電效應的二個重要實驗（第一個）

• 第一個實驗：1900 雷納 (Lenard,1862-1947)發現改變光的強度對截止電壓沒有影響，截止電壓 V_stop： K_max=eV_stop
• 1902年，雷納提出觸發假說，1905得諾貝爾獎。

​

​

光電效應

光的頻率越高，打出來的電子的動能越大

光的強度越大，打出來的數目越多

​

這些性質完全無法從古典電磁波理論去理解！

• 由於紅光(子)照射而出現的電子所帶的動能較低
• 紅光頻率較低

• 由於藍光(子)照射而出現的電子所帶的動能較高
• 藍光頻率較高

愛因斯坦光電效應解釋

光電效應的二個重要實驗（第二個）

• 第二個實驗：1916，密立根(Millikan,1868-1953, 美)
• 1904~1916 密立根(Millikan,1868-1953, 美)歷經了十多年，終於在1916年發表實驗證實愛因斯坦的光量子理論和光電方程，並由此測得普朗克常數，1923得諾貝爾獎。
• 截止電壓 V_stop： K_max=eV_stop
• 截止頻率 f₀

​

​

​

功函數

密立坎(Robert Millikan,1868-1953)在1914年以實驗證實了

他原本並不相信的愛因斯坦的預測

雖然密立坎證實了愛因斯坦對於光電效應的預測，也還因此獲得諾貝爾獎，但是密立坎在其諾貝爾演講中還是說「愛因斯坦光電方程式的來源—點狀光量子的觀念—離確立還遠得很」

密立坎說: 確立還遠得很

其實不僅密立坎，甚至普朗克也不接受愛因斯坦的光量子說

1929年普朗克將第一屆Planck Medal頒給愛因斯坦

兩位一流的科學福爾摩斯

• 普朗克與密立坎所在意的仍是波與粒子水火不容這回事

​

• 他們無從想像光如果是由一顆顆的粒子所組成的，干涉現象怎麼可能發生

波與粒子水火不容?

Buzz

Question: 如何用角動量量子化來解氫原子能階?

波耳（Niels Henrik David Bohr, 1885-1962）

波耳氫原子模型

波耳的氫原子模型基本上和拉塞福的原子模型相同，但是波耳引入了以下的兩個假設成功的解釋了氫原子和類氫離子(只有一個電子的離子如He⁺、Li²⁺)的原子光譜。

Ⅰ. 第一基本假設(角動量量子化)

Ⅱ. 第二基本假設(頻率假定)

b. 氫原子半徑

電子受核之庫侖力即電子作圓周運動之向心力

角動量量子化

c. 氫原子能階

原子的能階和n的平方成反比，和原子核電量平方成正比

H原子能階

...

基�態

一�激

二�激

三�激

...

...

...

巴耳末系光譜

波耳原子模型的缺點

波耳原子模型只能說明氫原子與類氫離子的光譜，不能說明多電子原子或離子的光譜

https://www.newton.com.tw/wiki/弗蘭克—赫茲實驗

1914年法蘭克-赫茲 實驗

1914，法蘭克 赫茲實驗

法蘭克－赫茲實驗

法蘭克–赫茲實驗是証明原子能階存在的實驗，此方法雖然比不上用光譜分析準確，但確是直接以實驗方法證明原子能階的存在。

a. 實驗裝置

加速電壓

柵極電壓

測量到達P的電流

b. I – V圖

如右圖作電流對加速電壓的圖可看到當加速電壓在4.9V、9.8V、14.7V時電流會突然下降

c. 分析

4.9

9.8

14.7

b. 以電子激發

只要入射電子的能量大於等於能階能量差時便可激發電子，而激發電子後所剩能量便由入射電子帶走。另外當入射電子的能量大於游離能時，電子也會被游離

c. 加熱激發

加熱原子利用熱擾動亦可使電子激發。

9. 激發原子的方式

a. 以光激發

當光子的能量恰等於能階能量差時才會被原子吸收。但如果光子的能量大於游離能時，電子便會被游離(光電效應)

http://science4everyone.net/MediaWiki/index.php?title=%E9%9B%BB%E5%AD%90%E8%BB%8C%E5%9F%9F%E5%8B%9E%E4%BD%9C

​

(1)測試能階

(2)測試電子軌域

(3)測試角動量空間

量子化

Question 如何設計角動量空間量子化實驗?

1. 譬如說要挑哪一種原子來實驗阿?
2. 要抽真空嗎?
3. 玻璃耐高溫嗎?
4. 需要強磁鐵嗎?
5. 需要空間不對稱的強磁鐵嗎?
6. 強磁鐵需要到0.1 Tesla以上?
7. 需要對於粒子敏感的感光玻璃盤子嗎?
8. 需要會抽雪茄的人嗎?
9. 尤其是要會抽雜牌雪茄的人?

10. 還要會處理熱原子蒸發技術的人?
11. 有充分的想像力嗎?
12. 能堅持到底嗎?
13. 能勇於創新嗎?
14. 能勇敢在經濟破產的年代勇於募資嗎?
15. 要找一個原子沒有角動量L的外層電子，只能有一個外層s軌域電子的原子嗎?

如何設計實驗測試角動量空間量子化

1922年

N

Exp1: SG(Z)up，N個🡺 SG(Z) up ?

Exp2: SG(Z)實驗Z分裂後，如果再測量SG(X)， up會有幾個原子?

Exp2: SG(Z)up，N個🡺 再SG(X) up ?

Buzz

Exp2 Ans: SG(Z) 🡺 SG(X)，up= N/2

Exp3: SG(Z)🡺SG(X) 🡺 SG(Z) up or dn ?

Exp3 Ans: SG(Z)🡺SG(X) 🡺 SG(Z) up or dn = N/4

1922年 康普頓散射 (Compton Scattering)

康普頓 (1892-1962)

1922年實驗

康卜吞效應

康卜吞在1923年以X射線照射碳原子，結果偵測到被擊出的電子與原有波長的X射線外，竟偵測到更長波長的X射線這是古典物理所無法解釋的

1. 實驗裝置

-

注意和光電效應不同，康卜吞效應探測的是光

2. 實驗結果

a. 散射X光中有兩種波長

隨著散射角變大，波長變化亦變大，當散射角為180°時，波長變化最大為0.048埃

c. 理論分析

將光看為粒子和自由電子作彈性碰撞

1924年德布羅意物質波

光具有粒子和波動的二象性那物質是否也具有波動性呢？德布羅意假設物質也具有波動性，並稱之為物質波。

法國人德布羅意（Louis de Broglie, 1892-1987 )

1. 物質波波長

h為蒲朗克常數、p為物質動量

不考慮相對論下

2. 物質波頻率

m

3. 德布羅依物質波和愛因斯坦量子說之比較

愛因斯坦量子說是假設電磁波具有物質特性的動量和能量。德布羅依物質波則是說，具有動量和能量的粒子，其上附有頻率為f波長為λ的物質波。

電子的物質波波長

光子的波長

注意兩者波長的計算方式不同

4. 物質波和波耳的假設

a. 圓形軌道

由物質波的理論可發現，電子是因在圓軌道上產生了駐波，因而不會輻射出電磁波

兩固定端的直線駐波

圓駐波條件和波耳的假設

各軌道上駐波

b. 直線來回振盪

基態

一激

二激

三激

.�.�.

5. 電子繞射實驗

達維森─革末之實驗

實驗裝置如右圖，將電子經電位差V加速後，射到鎳晶體上，電子束被反射後由探測器測量在不同角度的電子流強度

54eV

布拉格角

布拉格

物質波公式

X光透射鋁箔的繞射圖樣

電子束透射鋁箔的繞射圖樣

G.P.湯姆森之實驗

仿照芬．勞厄之實驗，以單一能量之電子束（100 eV）射透　金屬薄膜　，在金箔背後之屏上形成繞射條紋，證實了物質波之存在。

光與粒子的二象性

• 為什麼我們有時測到光的波動性有時測到光的粒子性呢？若我們考慮3M Hz的無線電波時，則每個光子的能量約為1.24*10^-8ev，對實驗而言約需同時接收10¹⁰個光子，才得以產生足夠強的訊號，同時接收如此多的光子感覺起來就如同連續的波動般抵達，我們便不容易察覺光的粒子性。

​

• 當光的頻率增加時，則光所對應的波長越短，如此我們便很難偵測到光的波動性，如X光無法藉由光柵來產生繞射條紋，而要藉由原子的晶格繞射才能發現X射線的波動性，而其在康卜吞效應中又顯示出強烈的粒子性。當頻率更大的γ射線時，其顯現強烈的粒子性，我們更難觀察其波動性，如果要觀察其波動性，經常需要以間接的方式來證實。

​

• 而粒子亦然，若一個質量為1*10^-9公斤的塵埃和一電子均被加速到6*10⁶ m/s，則電子的物質波波長為1.2埃，而塵埃為3.7*10^-11埃，因此我們可以用晶格來觀察電子的波動性，但無法觀察塵埃的波動性，如此塵埃所表現出來的便是粒子性遠大於波動性。

測不準原理

海林伯在觀察雲霧室中電子的軌跡時，發現電子所顯示的軌跡很粗，似乎電子的位置有一些不確定性。因此海森伯想像了一此實驗後提出，若我們要測一物理量時，物體位置的誤差範圍和動量的誤差範圍有關：ΔpΔx > h，也就是當我們測量一物體時，若我們準確的測到其位置，則我們測到其動量誤差範圍便會很大，反之亦然。

互補原理

互補原理是由波耳所提出的，和測不準原理相似，當我們在測量物質的波動性和粒子性時，若波的性質比較明顯時，粒子的性質較不明顯，反之粒子的性質較明顯時，波的性質便較不明顯，至於我們所測得的是波動性還是粒子性就要看我們在哪種環境下以何種方法去測量它。

電子：J. J. Thomson

波性：C. J. Davisson, L. Germer, G. P. Thomson

能階：光譜

自旋：Stern-Gerlach實驗

回顧粒子性與波動性

電子的雙狹縫干涉實驗 (圖片取自《費曼物理學講義》第三卷)

費曼的「想像實驗」：量子力學的核心現象(奧祕)

電子像子彈一樣一顆顆射出來

2012

Figure 3 from Controlled double-slit electron diffraction

​

Roger Bach et al 2013 New J. Phys. 15 033018 doi:10.1088/1367-2630/15/3/033018

電(光)子與自己干涉？

95

2022/6/10

我們所熟悉波動微分方程

2022/6/10

Fig.1: x-t，V-t，V-x 相圖

96

2022/6/10

傳統波動方程無法描述

斯特恩－革拉赫實驗了!

​

要改成新的方程式

97

2022/6/10

海森堡來了: 1925年 創立矩陣力學

​

圖源:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%B4%E5%B0%94%E7%BA%B3%C2%

B7%E6%B5%B7%E6%A3%AE%E5%A0%A1

維爾納·海森堡

測不準原理

圖源:https://www.easyatm.com.tw/wiki/%E6%B5%B7%E

6%A3%AE%E5%A0%A1%E4%B8%8D%E7%A2%BA%E5%AE

%9A%E6%80%A7%E5%8E%9F%E7%90%86

98

2022/6/10

​

Schrodinger equations

(free-particle)

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887年－1961)

薛丁格來了: 虛數 ｉ來了

所有物理公式改成 operator

量子力學只能🡺 量測 🡺 知道結果

薛丁格對於量子力學的

立場與愛因斯坦類似

在(Part IV)中

出版日期：

1/27/1926 (PartI) 3/13/1926 (Part II)

4/6/1926 (Part III)

9/5/1926 (Part IV)

薛丁格方程式觀點: 變數分離法

薛丁格方程式: 變數分離

無限深 位能井 薛丁格解 ， V= ∞

位能 V= 0

波包擴散

量子公設

〈量子公設五〉

〈量子公設一〉

〈量子公設三〉

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Quantum mechanics review

薛丁格三維氫原子解

(n, l, m) = (1, 0, 0)

薛丁格三維氫原子解

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Quantum mechanics review

(n, l, m) = (2, 0, 0)

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(n, l, m) = (2, 1, 1)

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(n, l, m) = (2, 1, 0)

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(n, l, m) = (2, 1, -1)

109

2022/6/10

薛丁格的貓🡺都要測量

在打開箱子前，貓活著與死亡的機率都是50%可以說是一隻又死又活的貓

​

打開箱子後，會觀察到活貓或死貓，而不是同時是活&死的狀態

圖源: MIT6_007S11_lec39 ppt

(4) 如何看到單一光子

2012 量子捕獲。 Serge Haroche 和 David Wineland 獲得 2012 年諾貝爾物理學獎。PRL, 75, 4714, 1995

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2012 Nobel Prize: How Do We See Light?

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https://www.youtube.com/watch?v=2dRr-fnPCwM

• 為了讓我們看到某物，它要麼需要直接發光（如太陽或燈泡燈絲或螢火蟲）。
• 要麼讓光子從它反射並進入我們的眼睛。但是我們如何看待光本身呢？

​

• 你不能從光中反射光（就像你不能把水裡的波浪或漣漪相互反射——它們只是穿過）

​

• 另外，如果你以正常的日常方式看一個光子，這意味著你的眼睛、相機或光電探測器會吸收它——然後它就消失了。毀壞。

2012 Nobel Prize: How Do We See Light?

Lorenz Lab

https://www.youtube.com/watch?v=2dRr-fnPCwM

• 這就像如果您想測試一座橋在倒下之前可以支撐多少重量……。
• 一旦您完成了測量，您就擁有了您想要的資訊，但您不再擁有一座橋。
• 所以為了看到光明，我們需要使用無損檢測。

2012 Nobel Prize: How Do We See Light?

Lorenz Lab

https://www.youtube.com/watch?v=2dRr-fnPCwM

• 這就像如果您想測試一座橋在倒下之前可以支撐多少重量……。
• 一旦您完成了測量，您就擁有了您想要的資訊，但您不再擁有一座橋。
• 所以為了看到光明，我們需要使用無損檢測。

為了看到光子，我們需要使用無損檢測

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https://www.youtube.com/watch?v=2dRr-fnPCwM

• 做到這一點的一種方法是製作一個超級黑暗、超級冷的盒子，並用一個非常閃亮的鏡子覆蓋裡面——這面鏡子反射性非常好，光的光子在被吸收之前來回反射超過十億次。

​

• 在那段時間裡，他們將行進相當於繞地球一圈的距離。這個盒子也是如此寒冷和黑暗，只是偶爾裡面甚至還有光子。

​

• 如果有的話，我們如何在不破壞它的情況下分辨它？

單一光子

Lorenz Lab

這個盒子也是如此寒冷和黑暗，只是偶爾裡面甚至還有光子。

​

如果有的話，我們如何在不破壞它的情況下分辨它？

https://www.youtube.com/watch?v=2dRr-fnPCwM

Lorenz Lab

好吧，我們通過盒子發送一個原子，一個處於兩種不同原子狀態疊加的原子。

​

就像薛定諤的貓一樣。

https://www.youtube.com/watch?v=2dRr-fnPCwM

發送一個Be原子，含有2個狀態 entangle

發送一個Be原子，含有2個狀態 entangle

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• 如果鏡盒內沒有光子，那麼當原子從另一側出來時，我們很可能將其測量為處於某種狀態——我們稱之為死。

​

• 但是，如果那裡有一個光子，我們小心地讓原子通過，這樣它就不會真正摧毀光子，原子-光子的相互作用就會改變機率—所以現在我們看到那個原子是活著的，

​

https://www.youtube.com/watch?v=2dRr-fnPCwM

Lorenz Lab

• 這是一個壓倒性的機會。通過幾個原子後，

​

• 它們主要處於活動狀態，那麼我們知道盒子裡有一個光子。

​

• 如果他們死了：沒有光子。

發送3個Be原子，含有2個狀態 entangle

活的

死的

Lorenz Lab

發送原子，操縱光子，使用薛丁格貓

• 一旦我們知道那裡有一個光子，我們就可以使用這種貓測量技術來測量和操縱關於光子的其他事情。

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• 我們可以看到它在被吸收之前來回反彈多長時間，檢查它是否在疊加，

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• 甚至強迫它變成像薛定諤貓本身一樣的疊加

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• 所以，我們不僅可以看到光，我們現在還可以使用薛定諤貓；量子捕獲。

Demonstration of a Fundamental Quantum Logic Gate

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PRL 75 4714, 1995

Exptl. Ctrl-X

Lorenz Lab

PRL 75, 4714, 1995

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2022/6/10

量子當計算機？

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2022/6/10

因古典計算非１即０，

以上的疊加態、直積態和糾纏態

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只存在於量子計算！

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2022/6/10

量子電腦強大在哪

0,1,0,1

傳統電腦

量子電腦

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位元：古典計算vs.量子計算

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2022/6/10

量子位元的不同表示法

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qubit邏輯閘

(7)看看優秀前輩的說法: 台積電退休副總 蔡能賢(NS，North South 先生)，怎麼說

[MIT到台積電-實務到研究領域的探索] 杉林溪森林夜讀 2020 0228

NS 對年輕人重要講話note:

(一) 對未來學子的要求能力:

(1)溝通能力 (2)寫作能力 (3)英文能力 (4)通識能力。

(二) 何謂學生: 學習生存 。

(三) 學生所要面對未來的體認。

(1)需要廣義的能力 。

(2)一定會遇到必將死亡的DNA(歷史經濟衰亡)，所以必讀歷史。

(3)15分鐘要能夠條理表達自己。

(4)學生在面對未來挑戰時，如果一時無法下決定科系，不仿以基礎科學為主，因為在未來東西還未出現之前，熟悉物理數學的科學必能夠用原理去理解新事物，消化吸收，將會比較有效率。

(5)如果要選第二外語，首推日文，因為跟日本人溝通時語文方面較為困難，看到現下與日本交流好時機突然出現，深覺機會是留給有想法有準備的人。

(四)一旦遇到看不清，無法思索的問題時，只能用物理方法來解決問題，單位能量訊息流S。

S = Message/(t x E) ， t 為時間，E 為Energy

舉例1: 郵件寄信 S1= 100字/(2天x 100 j) ; email S2= 100字/(1 秒 x 1 j)， S2 > S1，email 必然為潮流。

舉例2: 台灣大哥大用衛星轉通S1，蜂巢式基地台小而美之戰S2，S2 > S1，事後果然。

(五) NS 最討厭的人 :

(1) 做了commitment，卻不準時完成。

(2) 不進步的人。

(六) NS 心法:

(1)要能觀察出別人的 "痛點"，才有辦法溝通。

(2) 以 "運動" 排除心煩。

(3) 一個全方面領導人，是能夠看到事物底層，用最溫和態度，堅強的毅力帶領大家改變時局，然而我們幾十年來培養出無數工程師，真正的領導人物，甚少。

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(4) 台積電以顧客為尊，在2010年左右，客戶要求低耗能模組，NS當時不解，但仍全力完成，那知卻是手機起飛的轉身訊號，所以台積電有了暖身，轉身較為容易，相反的大公司成功之後，想要硬轉型，卻戀棧獲利部位，反而轉不過身來而導致衰敗之相，如富士軟片，intel等。

(5)NS的MIT博士指導教授，每次早上9:00會議，總是拉著NS 7:00到會場等，因為機會是留給有準備的人，大家都忙，要如何準確的有效交流，需要學習，因為早到，也許多聊上幾句，喝杯咖啡，事情就有接點。

(6)張忠謀先生歷史造詣極深，可以瞬間推出嘉慶二年，此項經驗值值得好好學習。

(7)NS 每週花2000元聽取一些重要的新知學習，像是一些領導能力培養仍可能靠聽講學習而得，這些課程都很多，大量聽之，我認為百家論壇也不錯。

(8)掌聲留給老闆或長官，未來才有機會向上爬，但這對於剛出社會年輕人，此事難如登天，這或許也是成功者如此之少的原因。

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(9) 問了X人跳巢的事件看法，第一手資料，25年前，X人說"每個人心中都有一個價錢"，因而了解到一些底層想法。

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（10）2012年NS組成11人單車車隊，花了半年橫跨半個地球1萬8000公里旅程的壯舉，從北京到巴黎單車行 蔡能賢學會放手，出書。

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關於人物史，我個人經驗推薦胡雪巖傳記，德川家康傳記，豐臣秀吉傳記，當然還有織田信長。

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杉林溪潺潺流水聲，成功之人，必有成功之理，與大家分享之。

歲次己亥 巴斯隨筆

演講過程中，學生大量提問，NS都深深思考後才整體回答，精要達義，詞意精準，且會後要求大家反饋，變成大家都有說話，雙向交流，達到賓主盡歡，實在是很強大，痛點這個名詞，也蠻傳神的。

NS說每個人都有痛點，要用力找，這是人性，沒辦法。

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https://goto307.com.tw/spot/ins.php?index_m_id=12&index_id=32

Lorenz Lab 學員與大學合作研究

2020年2月6日，帶學生廖胤菘，沈禾謙來屏東大學參加物理年會發表nano-waveguide 論文研究，這篇論文研究是在張勝雄教授實驗室完成的，感謝張教授對學生研究的指導，會議中遇到孫允武教授，合影留念！

去日本開會認識逢甲大學翁于晴教授，共同指導陳柏翰同學，陳同學努力研究生產data，我負責第一原理計算，XRD分析

陳柏翰特殊選材，清大材料正取: 參賽記錄連結

• 2018 Morsensor無線感測積木創意應用設計競賽 銅牌獎
• 107學年度 師大附中校內科展化學科 特優
• 107學年度 中科實中校內科展初賽 優等
• 參加2019全國創意教具設計競賽決賽
• 107學年度 台中市中小學科展化學科 佳作
• 參加107學年度青年培育計畫 複審
• 2019高瞻專題成果聯合發表會 金牌獎
• 參加2019 全國物理教育聯合會議壁報論文競賽 參賽
• 第十八屆 旺宏科學獎 佳作(P-N 型複合光觸媒之光電催化特性探討)
• 2019中獎計畫 一等獎 (氧化銅與氧化鎢光觸媒之電化學性質探討)
• 中科2018年FIRST FRC季後賽 聯盟冠軍獎
• 參加2018第十九屆全國經典總會考
• 台北市107學年度學生音樂比賽木琴獨奏 南區優等第一
• 107學年度全國學生音樂比賽 優等

https://www.nthu.edu.tw/hotNews/content/1003

廖胤菘：物理高手論文登上SCI期刊，國立師大附中高三生廖胤菘以物理專長獲本校拾穗計畫錄取。他從高一暑假就跟著李柏翰老師一起到中原大學張勝雄教授的實驗室做研究，兩年來完成太陽能電池合成與奈米電漿子波導實驗，已有兩篇學術論文成功刊上SCI國際期刊。

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2021 清華特殊選才放榜

2022 材料計算論文

2019 材料計算論文

2018 高熵合金儲氫材料論文

2017 高熵合金材料論文

2017 拓樸絕緣體材料計算論文

2017 磁性材料計算論文，指導學生

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Reference:

1. https://www.eecis.udel.edu/~saunders/courses/.../quantumComputers.ppt
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_information
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Shor%27s_algorithm

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Thanks for your attention

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