量子器件中的时间问题与隐失场的物理性质研究

量子力学中的时间问题和隐失场的物理性质问题，是两个重要而又相互关联的基础理论问题，前者涉及到如何理解和控制量子器件的极限运行速度，后者涉及如何利用隐失波的物理特性进行纳米技术的加工制造和设计新功能的量子器件。同时，可以利用隐失场的传播实验来研究纳米结构中的隧穿时间问题，而利用现有隧穿时间理论反过来揭示隐失场的超光速特性。然而由于时间在量子力学中只是一个参数，微观过程中的时间不存在一个现成的理论计算模型，这使得量子力学中的时间问题从一开始就是一个难题；另一方面，隐失场的传播(即光子隧穿)又属于纯粹的量子力学效应，不存在经典的速度概念，这使得如何定义它的传播速度成为是一个难题。由于这种原因，尽管无论是隧穿时间理论的预言，还是隐失场的实验结果，都表明隐失场具有超光速这一特性，近年来有些人对这种结论提出异议。考虑到研究量子力学中的时间问题和隐失场的物理性质，既有理论价值又有实用价值，因此本文专门针对量子力学中的时间问题和电磁截止波导内的隐失场性质(主要是超光速性)展开研究。主要内容有以下几个方面：1．给出在量子力学中构造时间算符和计算时间的量子力学平均的一般法则；把自由到达时间理论由传统的非相对论情形推广到相对论情形；通过传统力学的对偶理论建立时间算符的形式理论；在二次量子化的意义上研究相对论量子理论中的时空位置算符问题。2．用外插相位时间理论证明虚宗量的Bessel波存在超光速行为；建立光子隧穿的替代理论，在二次量子化的基础上严格论证了隐失波的超光速行为；利用量子Lorentz变换进一步论证了粒子的超光速运行的可能性，得到的结果与量子场论方法相符。其中给出了光子的一次量子化理论，建立了波导内光子的相对论量子力学方程，这些研究对于光子的空间局域性理论研究有着重要意义。3．利用镜像法给出了电磁波导的等价描述，给出了截止波导内隐失场的近场描述，并且由此定性地给出了隐失场的虚光子和相变观点；给出了利用隐失场操纵电子自旋的相对论自旋电子学；利用光子隧穿导致能级分裂的现象，为量子计算和量子信息技术提供一种量子位的可能实现途径。