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诺贝尔物理学奖专题:量子纠缠 基于波粒二象性与波动方程的微观世界粒子超距作用探究【大学组】

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2024-01-27

  开始日期: 2024-04-27

  课时安排: 7周在线小组科研学习+5周不限时论文指导学习

  适合人群

  适合年级 (Grade): 大学生及以上

  适合专业 (Major): 适用于物理学、量子物理、理论物理专业的学生;学生需要具备大学物理、偏微分方程、波函数基础

  导师介绍

  Mark

  麻省理工学院 (MIT)终身教授

Mark

  Mark导师现任麻省理工学院(MIT)物理系终身教授、理论天体物理学家 Professor Mark is a theoretical astrophysicist and a tenured professor of physics at the Massachusetts Institute of Technology

  曾获素有“诺贝尔风向标”美誉的美国斯隆研究奖(Sloan Research Fellowship)、布切特宇宙学奖(BCP);连续2次获得全球最大的综合性学术网站”Web of Science”高引用量研究员“称号。他也是迄今为止最权威的星系形成模拟系统——揭示计划(Illustrate Program)的主要设计者之一。Sloan Research Fellowship and Buchter Cosmology Prize (BCP) in the United States, which are known as the "Nobel vane"; He has been awarded the title of "Highly Cited Researcher" by Web of Science, the world's largest comprehensive academic website, for two consecutive times. He was also one of the main architects of the most authoritative simulation of galaxy formation to date, the Program Illustrate.

  国际天文和天体物理界最具声望的博士后Hubble Fellow科研基金、哈佛-史密松(ITC)天体物理中心博士后研究基金、哈佛大学-美国国家航空航天局(NASA)科研基金;The most prestigious postdoctoral research Foundation in international astronomy and astrophysics, the Postdoctoral Research Foundation of Harvard-Smithsonian (ITC) Center for Astrophysics, and the research Foundation of Harvard-National Aeronautics and Space Administration (NASA);

  在校主要讲授天体物理、量子物理、粒子物理、电动力学等多个课程。主要研究兴趣包括星系结构和形成、暗物质物理和大规模流体动力学模拟。The school mainly teaches astrophysics, quantum physics, particle physics, electrodynamics and other courses. Major research interests include galaxy structure and formation, dark matter physics, and large-scale fluid dynamics simulations.

  任职学校

  麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology),简称麻省理工、MIT,在2022年QS世界大学排名中位列第一、2019年QS发布的世界大学就业能力排名,麻省理工学院位居第一,雇主声誉和校友成就两个指标都获得第一。麻省理工学院位于美国马萨诸塞州波士顿都市区剑桥市,主校区依查尔斯河而建,是世界著名私立研究型大学。截止2019年,麻省理工共走出了21位计算机界最高奖图灵奖得主 ,93位诺贝尔奖得主,8位数学界最高奖菲尔兹奖。

  项目背景

  量子论与相对论并称现代物理学的两大基石。作为现代科学前沿、“研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支”,量子物理以微观粒子波粒二相性为根基,围绕不确定性原理、互补原理、薛定谔方程展开,经由普朗克、爱因斯坦、珀尔、薛定谔、海森伯、泡利等科学史上熠熠生辉的物理学巨擘们的反复争论与论证(1927年第五届索尔维会议召开,主要围绕新旧量子力学展开探讨,参会21名学者中有17位诺贝尔奖得主,极大推动了量子力学的发展),最终提供了一种观察、描述、阐释自然和宇宙的全新方法。在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子缠结或量子纠缠(quantum entanglement)。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。时至今日,量子物理已经成为现代科学的基石,在诸多产业实现落地。量子计算机、量子通信、核磁共振,“从分子生物到化学材料,从原子到核能,从计算机到天文学…现代工业体系70%与量子力学与量子纠缠有关。发达国家有超过1/3的国内生产总值与量子力学有关。”项目将聚焦量子物理这一前沿科学领域。

  项目介绍

  本项目内容从物理学经典光电效应实验开始,探究量子物理的诞生、发展和应用,通过项目对量子物理经典理论形成系统性整体认识。内容设置两个模块的经典物理实验,涉及双缝干涉实现、光电效应实验、黑体辐射实验、量子纠缠等,当经典力学无法诠释微观粒子的时候,我们沿着122年前普朗克发现能量量子化的脚印,从每一个实验和每一步推理中学习量子力学是如何诞生的。另两个模块主要讲授波函数和薛定谔方程、以及”薛定谔的猫“所描述的量子叠加态。Starting from the experiment of classical photoelectric effect in physics, this project explores the birth, development and application of quantum physics, and forms a systematic and overall understanding of classical theories of quantum physics through the project. The content sets up two modules of classical physics experiments, involving the realization of double-slit interference, photoelectric effect experiment, black body radiation experiment, etc. When the classical mechanics could not interpret the microscopic particles, we followed the footprints of Planck's discovery of energy quantization 122 years ago, and learned how quantum mechanics was born from every experiment and every step of reasoning. The other two modules focus on wave functions and the Schrodinger equation, as well as the quantum superposition states described by "Schrodinger's Cat."

  在结束时提交项目报告,进行成果展示。 个性化研究课题参考: 含有双光子和双模耦合的量子比特和振子系统的理论研究、非厄米量子系统中非经典效应的增强与保护研究、开放量子系统的特性分析及其状态保持控制 Students will submit a project report at the end of this project to demonstrate their results. Suggested Research Fields: Theoretical study of qubits and oscillator systems with two-photon and two-mode coupling Research on the Enhancement and Protection of Non-classical Effects in Non-Hermitian Quantum Systems Characteristic Analysis of Open Quantum System and State Preservation Control

  项目大纲

  经典量子物理实验1:光电效应、康普顿效应 Classical quantum physics experiment 1: Photoelectric effect, Compton effect

  经典量子物理实验2:黑体辐射实验、普朗克定律、双缝干涉实验、海森堡不确定性原理 Classical quantum physics experiment 2: Black body radiation experiment, Planck's Law, Double slit interference experiment, Heisenberg uncertainty Principle

  波函数、量子力学中量子态的数学描述、希尔伯特空间、厄米算符 Wave functions, mathematical description of quantum states in quantum mechanics, Hilbert Spaces, Hermitian operators

  薛定谔方程,描述量子行为的二阶偏微分方程 The Schrodinger equation, second order partial differential equation describing quantum behavior

  项目回顾与成果展示 Program Review and Presentation

  论文辅导 Project Deliverables Tutoring

  项目收获

  7周在线小组科研学习+5周不限时论文指导学习 共125课时

  项目报告

  优秀学员获主导师Reference Letter

  EI/CPCI/Scopus/ProQuest/Crossref/EBSCO或同等级别索引国际会议全文投递与发表指导(可用于申请)

  结业证书

  成绩单

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