量子计算的作用精选(十四篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的14篇量子计算的作用，期待它们能激发您的灵感。

篇1

计算机网络 多媒体 教学课件

随着计算机网络技术的普及，使利用计算机技术制作多媒体教学课件如虎添翼。计算机网络技术包含了流媒体技术、WEB技术、FTP共享技术、磁盘阵列存储技术、云计算技术等与多媒体课件制作有关的内容，这些技术如果被充分利用，老师制作多媒体课件的技术水平可以得到更大的提高，制作的多媒体课件质量也具有较高的水准。下面分步叙述如何综合利用计算机网络技术制作多媒体课件。

一、多媒体数据库的建立

媒体是信息的载体，多媒体是指多种媒体，如数字、文本、图形、图像和声音的有机集成，而不是简单的组合。其中数字、字符等称为格式化数据；文本、图形、图像、声音、视频等称为非格式化数据，非格式化数据具有数据量大、处理复杂等特点。多媒体数据库实现对格式化和非格式化的多媒体数据的存储、管理和查询。由于多媒体数据库对数字、字符、文字、图形、图像、语音处理和影视处理与数据库的独立性、安全性等优点的结合，使得多媒体数据库的应用前景十分广泛。多媒体数据库在建立中应包含如下几个重要数据库：

1.图片数据库。图片数据库重点存放与教学相关的图片、图形、照片等资料。这些数据应该分门别类，按照图片格式、数据大小、存放日期等进行存放，经过多年的逐步积累，形成一个门类齐全、范围广泛、格式众多、具有一定规模的图片数据库。教学多媒体课件常用的图片格式一般有BMP、JPEG、GIF等。有些多媒体课件制作软件会对图片格式有统一要求，选用多媒体课件制作软件时要注意使用图片格式转换软件进行转换。另外，存放的图片应该使用图片处理软件进行调整和整理后再存放，以确保图像质量。

2.视频数据库。视频数据库重点存放与教学相关的数字视频、动画等影像资料。这些资料既有完整的电影、电视或动画视频，也应该有以镜头、场景和视频片段为资料的视频。在多媒体课件中可以根据教学需要随意选用。视频数据库利用视频处理技术进行视频格式转换和调整整理再进行存放，并建立目录索引，使丰富的视频数据库具有方便的检索功能。因视频文件在保存中需要较大的空间，所以建立较高规格的磁盘阵列是很好的选择。又因视频文件在传输中需要较大的带宽才能保证视频在播放时流畅，不出现停顿和卡住的情况，所以我们需要采用的存储系统体系结构以保证最低的数据传输速度。计算机网络主干传输带宽应不小于1000M，到计算机用户桌面带宽不应小于100M。不管被访问的视频图像有多大，也不管访问的用户数量有多大，视频图像的发送系统要求存储数据量大且有足够的带宽传输，必须保证最基本的传输速度，以保证传输的视频图像有较高的质量。教学多媒体课件常用的视频图像格式一般有AVI、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、RM、RMVB、MKV等格式。这些格式据有画面规格大小、清晰度高低、是否适合视频编辑软件使用等不同特点。为了确保教学多媒体课件采用视频的清晰度和色彩还原真实，建议尽量使用AVI、MPEG-2、MPEG-4、RMVB和MKV等格式。

3.音频数据库。在音频数据库中，如何存放才能对音频数据方便分析、检索，是音频数据库成功实现的关键，传统的数据存放和处理方式是无法满足这些要求的。在多媒体课件制作中调用的音频资料主要包括解说、朗诵、配乐、主题音乐、背景音乐、片头片尾音乐和各种效果声音等。

4.文字数据库。文字数据库一般包括各种书籍里的文字以及相关和参考书目的文字，以便在制作多媒体课件时选用。常用的文字格式包括DOC、TXT、WPS等。这些较容易掌握，在这里不做赘述。

二、FTP服务的使用

很多学校在建设自己的校园计算机局域网时，都购买了FTP服务器，建立了适合自己学校教学、科研和行政管理等共享使用的FTP服务。在FTP服务器上可以建立以教学系部、教研室或个人的存储专区，放置各种多媒体素材和制成的多媒体课件。FTP服务器的建立对老师们制作和存储，以及共享自己的多媒体教学课件提供了极大的方便。

1.素材的积累。老师们可以随时随地把自己平时搜集到的、购买的，以及自己制作的各种素材存放到FTP服务器上自己的文件夹内。系部或教研室也可以建立自己的素材库。老师们在联网的计算机上可以随时调用各种素材，使制作多媒体课件的素材选取范围有较大的空间，扩展多媒体课件的多样性，增强其艺术感，使内容更加丰富多彩，从而进一步提高了广大教师们多媒体课件的制作水平。

2.群策群力，使多媒体课件制作具有较高水平。老师们也可以随时下载和观看FTP服务器上其他教师制作的多媒体课件的成品或半成品，及时提出自己的见解和修改意见；或是直接进行修改另取相近名称保存，供制作教师参考。这样可使教师们在制作多媒体课件时广泛听取其他教师的意见和建议，相互借鉴，取长补短，群策群力；相比之下，要比单个教师单打独斗制作的多媒体课件的质量和水平好得多。

3.多媒体课件的共享。老师们在上课时可以直接调用存储在FTP服务器上的多媒体课件直接上课，免去了忘记携带优盘，或因优盘品牌各异、型号各异，或因感染病毒造成计算机无法读取优盘的烦恼。另外上课时还可以调用其他教师制作的多媒体课件，或链接的相关网页进行参考。

三、教学平台服务的开展

随着社会对教育的认识程度越来越高，计算机网络教学平台的发展也越来越快，由过去单一的以教师为中心进行课堂授课，发展到现在的高度综合性、形式多样化、内容范围广、适合学生自主学习的教学模式。很多学校在建设校园计算机局域网的同时，一般都会购买教学平台服务器，建立适合本学校进行教学的教学平台服务。同时会号召和发动老师们在教学平台服务器上建设和完善各门课程完整的授课和评测体系，明显提高了学校的教学水平和教学效果。

1.分平台的建立。在教学平台服务体系中各系部或教研室建立自己的二级教学平台，在二级教学平台进行课程目录、课程级别、教师类别等项目设置。让老师们按照教学平台的使用规则建设和完善自己所授课程的全部内容以及参考资料，以方便学生的自主学习。

2.课程的分级分类。授课课程一般分为精品课程栏目和校内一般授课课程栏目。授课课程按照国家级、省级和校级精品课程的类别，从上到下按序设置目录；校内一般授课课程按建设的先后分类设置目录，以方便学生选择学习。

篇2

关键词:量子力学 量子计算机

中图分类号:TP39 文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 02-106-01

1量子力学对计算机技术发展的影响

自1646年第一台电子计算机问世以来,其芯片发展速度日益加快。按照芯片的摩尔定律 ,其集成度在不久的将来有望达到原子分子量级。在享受计算机飞速发展带来的种种便利的同时,我们也不得不面临一个瓶颈问题,即根据量子力学理论,在芯片发展到微观集成的时候,量子效应会影响甚至完全破坏芯片功能。因此,量子力学对计算机技术发展具有决定性作用。

1.1量子力学简介

量子力学是近代自然科学的最重要的成就之一. 在量子力学的世界里,一个量子微观体系的状态是由一个波函数来描述的,而非由粒子的位置和动量描述,这就是它与经典力学最根本的区别。

1.2量子力学与量子计算机

量子力学的海森堡测不准原理决定了粒子的位置和动量是不能同时确定的()。当计算机芯片的密度很大时(即很小)将导致很大,电子不再被束缚,产生量子干涉效应,而这种干涉效应会完全破坏芯片的功能。为了克服量子力学对计算机发展的限制,计算机的发展方向必然和量子力学相结合,这样不仅可以越过量子力学的障碍,而且可以开辟新的方向。

量子计算机就是以量子力学原理直接进行计算的计算机.保罗•贝尼奥夫在1981年第一次提出了制造量子计算机的理论。量子计算机的存储和读写头都以量子态存在的,这意味着存储符号可以是0、1以及它们的叠加。

2量子计算机的优点

近年来的种种试验表明,量子计算机的计算和分析能力都超越了经典计算机。它具有如此优越的性质正在于它的存储读取方式量子化。对量子计算机的原理分析可知,以下两个个特性是令量子计算机优越性的根源所在。

2.1存储量大、速度高

经典计算机由0或1的二进制数据位存储数据,而量子计算机可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位,即量子位。不同于经典计算机的在0与1之间必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加态。

因此,量子计算机的n个量子位可以同时存储2n个数据,远高于经典计算机的单个存储能力; 另一方面量子计算机可以同时进行多个读取和计算,远优于经典计算机的单次计算能力。量子计算机的存储读取特性使其具有存储量大、读取计算速度高的优点。

2.2可以实现量子平行态

由量子力学原理可知,如果体系的波函数不能是构成该体系的粒子的波函数的乘积,则该体系的状态就处在一个纠缠态,即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。而量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制,这使两个处在纠缠态的粒子而言,不管它们离开有多么遥远,对其中一个粒子进行作用,必然会同时影响到另外一个粒子.正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应, 使得量子计算机可以利用纠缠机制,实现量子平行算法,从而可以大大减少操作次数。

3量子计算机发展现状和未来趋势

3.1量子计算机实现的技术障碍

到目前为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机,它的实现还有许多技术上的问题。

量子计算机的优越性主要体现在量子迭加态的关联效应. 然而,环境对迭加态的影响以及迭加态之间的相互作用会使这种关联效应减弱甚至丧失,即量子力学去相干效应.因此应尽量减少环境对量子态的作用。同时,万一由于相干效应引入了错误信息,必需能及时改正,这需要进一步的研究和实验。

另一方面,量子态不能复制,使得不能把经典计算机中很完善的纠错方法直接移植到量子计算机中来.由于量子计算机在计算过程中不能对量子态测量, 因为这种测量会改变量子态, 而且这种改变是不可恢复的,因此在纠错方面存在很多问题。

3.2量子计算机的现状

由于上述两种原因,现在还无法确定未来的量子计算机究竟是什么样的, 目前科学家门提出了几种方案.

第一种方案是核磁共振计算机. 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 两种状态,重点在于实现自旋状态的控制非操作,优点在于尽可能保证了量子态和环境的较好隔离。

第二种方案是离子阱计算机. 其原理是将一系列自旋为1/2 的冷离子被禁锢在线性量子势阱里, 组成一个相对稳定的绝热系统,重点在于由激光来实现自旋翻转的控制非操作其优点在于极度减弱了去相干效应, 而且很容易在任意离子之间实现n 位量子门。

第三种方案是硅基半导体量子计算机. 其原理是在高纯度硅中掺杂自旋为1/2的离子实现存储信息的量子位,重点在于用绝缘物质实现量子态的隔绝,其优点在于可以利用现代高效的半导体技术。

此外还有线性光学方案, 腔量子动力学方案等.

3.3量子计算机的未来

随着现代科学技术的发展,量子计算机也会逐渐走向现实研制和现实运用。量子计算机不但于未来的计算机产业的发展紧密相关,更重要的是它与国家的保密、电子银行、军事和通讯等重要领域密切相关。实现量子计算机是21 世纪科学技术的最重要的目标之一。

参考文献:

[1]胡连荣. 速度惊人的量子计算机[J].知识就是力量

[2]付刚.“量子计算机”解密[N].中安在线-安徽日报

[3]谭华海.量子计算机研究的最新进展[J].教育部科技发展中心内刊.

篇3

关键词：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能计算

【分类号】：TM743

1.概述

量子计算是计算机科学与量子力学相结合的产物，根据Moore定律可知：当计算机的存储单元达到原子层次时，显著地量子效应将会严重影响计算机性能，计算机科学的进一步发展需要借助新的原理和方法【1】，量子计算为这一问题的解决提供了一个可能的途径。

根据量子计算原理设计的量子计算机是实现量子计算的最好体现。量子计算机是利用微观粒子状态来进行存储和处理信息的计算工具【2】。其基本原理是通过物理手段制备可操作的量子态，并利用量子态的叠加性、纠缠性和相干性等量子力学的特性进行信息的运算、保存和处理操作，从本质上改变了传统的计算理念。

量子通信是量子理论与信息理论的交叉学科，是指利用量子的纠缠态实现信息传递的通讯方式。量子的纠缠态是指：相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象。量子通信主要包括两类：用于量子密钥的传输，和用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。与传统的通信技术相比，量子通信具有容量大，传输距离远和保密性强的特点。

2.量子计算基础

2.1 量子位

计算机要处理数据，必须把数据表示成计算机能够识别的形式。与经典计算机不同，量子计算机用量子位来存储信息，量子位的状态既可以是0态或1态，也可以是0态和1态的任意线性叠加状态。一个n位的量子寄存器可以处于 个基态的相干叠加态 中，即可以同时存储 种状态。因此，对量子寄存器的一次操作就相当于对经典计算机的 次操作，也就是量子的并行性。

2.2.量子逻辑门

对量子位的态进行变换，可以实现某些逻辑功能。变化所起到的作用相当于逻辑门的作用。因此，提出了“量子逻辑门”【3】的概念，为：在一定时间间隔内，实现逻辑变换的量子装置。

量子逻辑门在量子计算中是一系列的酉变换，将酉矩阵作为算符的变换被成为酉变换。量子位的态 是希尔伯特空间（Hilbert空间）的单位向量，实现酉变换后希尔伯特空间，在希尔伯特空间内仍为单位向量。【4】

3.量子算法

量子算法的核心就是利用量子计算机的特性加速求解的速度，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。目前大致五类优于已知传统算法的量子算法：基于傅里叶变换的量子算法，以Grover为代表的量子搜素算法，模拟量子力学体系性质的量子仿真算法，“相对黑盒”指数加速的量子算法和相位估计量子算法。

3.1基于傅里叶变换的量子算法

Shor于1994年提出大数质因子分解量子算法，而大数质因子分解问题广泛应用在RSA公开密钥加密算法之中，该问题至今仍属于NP难度问题。但是Shor算法可以在量子计算的条件下，在多项式时间内很有效地解决该问题。这对RSA的安全性有着巨大的挑战。

Shor算法的基本思想是：利用数论相关知识，通过量子并行特点，获得所有的函数值；再随机选择比自变量小且互质的自然数，得到相关函数的叠加态；最后进行量子傅里叶变换得最后结果。构造如下函数：

就目前而言，该算法已经相对成熟，对其进行优化的空间不大。目前研究者的改进工作主要是：通过对同余式函数中与N互质的自然数选择的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其实现，对量子密码学和量子通信的发展有着极重要的价值。[7]

3.2以Grover为代表的量子搜素算法

3.2.1 Grover算法

Grover算法属于基于黑箱的搜索算法，其基本思想为：在考虑含有 个数据库的搜索问题，其中搜索的解恰好有 个，将数据库中的每个元素进行量化后，存储在 个量子位中， 与 满足关系式 。【8】将搜索问题表示成从0到 的整数 ，其中函数 定义为：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 。【12】

具体算法如下：

（1）初始化。应用Oracle算子 ，检验搜索元素是否是求解的实际问题中需要搜索的解。

（2）进行Grover迭代。将结果进行阿达马门（Hadamard门）变换。

（3）结果进行 运算。

（4）结果进行阿达马门变换。【12】

4. 量子智能计算

自Shor算法和Grover算法提出后，越来越多的研究员投身于量子计算方法的计算处理方面，同时智能计算向来是算法研究的热门领域，研究表明，二者的结合可以取得很大的突破，即利用量子并行计算可以很好的弥补智能算法中的某些不足。

目前已有的量子智能计算研究主要包括：量子人工神经网络，量子进化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神经网络算法和量子进化算法已经成为目前学术研究领域的热点，并且取得了相当不错的成绩，下面将以量子进化算法为例。

量子进化算法是进化算法与量子计算的理论结合的产物，该算法利用量子比特的叠加性和相干性，用量子比特标记染色体，使得一个染色体可以携带大数量的信息。同时通过量子门的旋转角度表示染色体的更新操作，提高计算的全局搜索能力。

目前量子进化算法已经应用于许多领域，例如：工程问题、信息系统、神经网络优化等。同时，伴随着量子算法的理论和应用的进一步发展，量子进化算法等量子智能算法有着更大的发展前景和空间。

参考文献

1.王书浩，龙桂鲁.大数据与量子计算

2.张毅，卢凯，高颖慧.量子算法与量子衍生算法

3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558

4.吴楠，宋方敏。量子计算与量子计算机

5.苏晓琴，郭光灿。量子通信与量子计算。量子电子学报，2004，21（6）：706-718

6. White T.Hadoop： The Defintive Guide，California：O’Reilly Media，Inc.2009：12-14

7.王蕴，黄德才，俞攸红.量子计算及量子算法研究进展.

8.孙吉贵，何雨果.量子搜索算法.软件学报，2003，14（3）：334-344

9.龙桂鲁.量子计算算法介绍

10.解光军，范海秋，操礼程.一种量子神经计算网络模型

篇4

[关键词]量子；特性；意识；应用

中图分类号：O413.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0298-01

一、量子的基本知识

1、量子

我们在物理学中提到“量子”时，实际上指的是微观世界的一种行为倾向，也就是可观测的物理量都在不连续地变化。？比如，我们说一个“光量子”，是因为单个光量子的能量是光能变化的最小单位，光的能量是以单个光量子的能量为单位一份一份地变化的。对于量子的种种特性，连不少科学家都为之迷惑，对于我们普通人来说自然更加高深。今天我就试着走近它，来发现她“幽灵”般的的魅力。

2、量子的特性

量子的奇妙之处首先在于它的奇妙特性――量子叠加和量子纠缠。

量子叠加就是说量子有多个可能状态的叠加态，只有在被观测或测量时，才会随机地呈现出某种确定的状态，因此，对物质的测量意味着扰动，会改变被测量物质的状态。好比孙悟空的分身术， 孙悟空可能同时出现在几个地方，他的各个分身就像是他的叠加态。在日常生活中，我们不可能在不同的地方同时出现，但在量子世界里它却可以同时出现在多个不同的地方。”

而所谓的量子纠缠，则意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎，不管两个人的距离有多远，当哥哥的状态发生变化时，弟弟的状态也跟着发生一样的变化。“如果这两个光量子呈纠缠态的话，哪怕是千公里量级或者更远的距离，还是会出现遥远的点之间的诡异互动，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。科学家就可以利用这种效应将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。量子纠缠的广泛应用将会改变我们的生活，真正地突破时空的局限，交通、物流也就不再会有时间与空间的阻碍了。我国发射的“墨子号”量子卫星昭示着我国在量子通信领域已处于世界领先的地位。

二、意识是量子力学现象

人们的意识一直都没有搞清楚，用经典物理学的电学、磁学及力学方法去测量意识是测量不出来的，科学家们现在已经开始认识到了意识是种量子力学的现象，意识的念头像量子力学的测量。为什么这么说呢？比如我们面前出现了一座房子，这时有两种可能的状态：一个没有任何心思的人会看房非房，他的意识处于自由的状态，没看到房子是石头的还是木头的，他根本就不动念头。意识也是这样，如果你看到这座房子，一下子动念头了，动念头实质上就是作了测量。

客观世界是一系列复杂念头造成的。有一本非常著名的书叫《皇帝新脑》， 就是研究意识，他认为计算机仅仅是逻辑运算，不会产生直觉，直觉只能是量子系统才能够产生，意识是种量子力学现象，意识的念头像量子力学的测量。而人的大脑有直觉，也就是说人的意识不仅存在于大脑之中，也存在于宇宙之中，量子纠缠告诉我们，一定有个地方存在着人的意识。

三、量子技术的应用

科学家认为，量子纠缠是一种 “神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。实际上，量子纠缠还有很多奇妙的应用，可以在许多领域中突破传统技术的极限。量子技术已经成为一个新兴的、快速发展中的技术领域。这其中，量子通信、量子计算、量子成像、量子生物学是目前的方向。

1、量子通信

量子通信就是通过把量子物理与信息技术相结合，利用量子调控技术，确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度。 广义地说，量子通信是指把量子态从一个地方传送到另一个地方，它的内容包含量子隐形传态，量子纠缠交换和量子密钥分配。狭义地说，实际上只是指量子密钥分配或者基于量子密钥分配的密码通信，解决了以往用微电子技术为基础的计算机信息技术极易遭遇泄密的问题。

2、量子计算

量子计算是量子物理学向我们展示的又一种强大的能力，源自于对真实物理系统的模拟。模拟多粒子系统的行为时，当需要模拟的粒子数目很多时，一个足够精确的模拟所需的运算时间则变得相当漫长。而如果用量子系统所构成的量子计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从此量子计算机的概念诞生。

3、量子成像

量子成像是从利用量子纠缠原理开始发展起来的一种新的成像技术，有一种比较奇妙的现象称之为“鬼成像”。比如将纠缠的双光子分别输入两个不同的光学系统中，在其中一个系统里放入待成像的物体，通过双光子关联测量，在另一个光学系统中能再现物体的空间分布信息。即与经典光学成像只能在同一光路中得到物体的像不同，鬼成像可以在另一条并未放置物体的光路上再现该物体的成像。

4、量子生物学

量子生物学是利用量子力学的概念、原理及方法来研究生命物质和生命过程的学科。薛定谔在《生命是什么》一书中对这一观点进行了详尽的阐述，提出遗传物质是一种有机分子，遗传性状以“密码”形式通过染色体而传递等设想。这些设想由脱氧核糖核酸双螺旋结构模型而得到极大的发展，从而奠定了分子生物学的基础。分子的相互作用必然涉及其电子的行为，而能够精确描述电子行为的手段就是量子力学。因此量子生物学是分子生物学深入发展的必然趋势，是量子力学与分子生物学发展到一定阶段之后相互结合的产物。

爱因斯坦相对论指出：相互作用的传播速度不会大于光速，可是对于分开很远距离的两个处于纠缠态中的粒子，当对一个粒子进行测量时，另一个粒子的状态受到关联关系已经发生了变化，这种传输的理论速度可以远远超过光速。这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。量子纠缠是量子物理学里最稀奇古怪的东西，即使脑洞大开我们还是很难领会它，另外从常识角度来看，量子理论描述的自然界很荒谬，许多解释还涉及到哲学问题。但另一方面，量子物理学有很广泛的应用，它的发展可能带来行业面貌的改变，所涉及的范围从量子计算机到人工智能，无所不含，这也正是我们深入学习、研究量子物理的动力所在啊！

参考文献

[1] 薛定谔，生命是什么.

[2] 舒娜，量子纠缠技术与量子通信.

[3] 尼古拉.吉桑著，周荣庭译，跨越时空的骰子.

[4] 中国科普博览.

[5] 科普中国.

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（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

[10]SatoruK,MikioW,ShinighiK.ElectrochimicaActa1998,43(21-22):3127

[11]麻明友,何则强,熊利芝等.量子化学原理在锂离子电池研究中的应用.吉首大学学报,2006,27(3):97.

篇6

关键词：计算机网络；改进量子进化算法；路由选择

当今社会是一个数据化时代，计算机网络技术已经应用到社会的各个领域。对于在已知网络的各个节点的通信需求下，怎样选择计算机通信网链路的高效路由，这一受到多个条件约束的杂乱非线性规划问题，在传统的数学理论中尚未得到有效的解决方法。面对这个问题，传统的算法都存在一定的局限性，计算也比较复杂，在很多条件限制下都难以发挥其作用，无法给出满意的解决方案。本文主要是对改进量子进化算法在计算机网络路由选择上的应用进行探究。

一、计算机网络路由选择意义

传统的计算机网络路由的选择方式主要有爬山法、梯度法、模拟退算法以及列表寻优法，但其都具有很大程度上的局限性，受到的限制条件也比较多，不能有效地发挥其作用。网络路由选择的定义主要有：在已有的计算机网络拓扑和网链路通信容量以及各个节点需求的情况下，对各节点的网络路由进行确定，以最大限度缩小互联网的时延性。这种路由选择方式，可在选择过程中采取一些简化工作，假设网络通信节点的数据包完好无缺，不受通信容量影响，报文长度则以实际指数分布为基准，来进行路由选择。

二、计算机网络路由选择中改进量子进化算法的应用

（一）量子进化算法的概述及算法流程

量子进化算法是由量子计算和进化算法结合而来，其运算方式为，在确定量子矢量的情况下，用量子算法的比特编码来表示染色体，并以旋转门和量子非门来进行染色体的更新，据此让目标得到最优解答。

在进行计算中，可以采用矩形阵表示量子染色体，设其长度为m

量子进化算法流程主要有以下几个步骤：

首先，将种群Q（t）初始化，设t=0，并测量种群中的每个个体，得到种群的状态P（t）；其次，对P（t）的适应度进行评估，将最佳个体状态和适应值进行记录；最后，采用

While非结束状态do，

begin

1、t=t+1；

2、对种群进行测量Q（t-1），其状态为P（t）；

3、进行P（t）的适应度评估；

4、对Q（t）采用量子门进行更新换代，记录后代种群Q（t+1）；

5、对每个个体的最佳状态以及适应值进行记录。

End

End

（二）旋转角的优化调整

（三）函数调整优化

采用租户优化的办法可以知道各基因间的相关性不大，基于这一特点对量子位进行定义：

表1 优化方案

分析表1的内容可以知道，这种旋转方案能够让搜索结构逐渐走向最优化，收敛速度也得到提高，在此表中只列出了第一象限内的 ，其他象限内的 情况可由此进行推断。

（四）仿真测试

以仿真实验的方式对以上的分析进行检验，与传统的量子进化算法为比较对象，证明改进量子进化算法在计算机网络路由的选择性能存在优越性。仿真实验的结果如图1；

图1 改进算法和传统算法的对比

根据此图能够看到，改进量子进化算法在寻优性和收敛性上明显优于传统的量子进化算法，在计算机网络路由选择的应用中，改进量子进化算法的综合性能也比传统的量子进化算法优秀。

结束语

计算机网络路由选择的改进量子进化算法，是在传统的量子进化算法的基础上进行改进的，通过仿真测试可以知道，经过改进的量子进化算法在寻优搜索和收敛速度上存在一定优势，很好的解决了互联网计算机路由在选择上面临的约束条件多、杂乱非线性规划等问题，很大程度上为互联网通信网链路的最佳路由选择提供了帮助。

参考文献

[1]宋明红，俞华锋，陈海燕.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用研究[J].科技通报，2014（01）：170-173.

[2]赵荣香.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用探究[J].科技传播，2014（24）：148+152.

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[关键词]高效 复杂 绝对安全

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0295-01

人类的实践活动产生需求，并在具备了一定的技术条件后，就有新的计算机产生。虽然计算机技术取得了非常巨大的进步，但随着人类实践活动的不断拓展，对计算机技术也在不断提出新的需求。现在得到广泛应用的电子计算机提高性能的一个重要途径，就是不断提高集成电路芯片的集成度。但是，受到芯片散热，器件工艺技术及制造成本等因素的制约，芯片集成度的持续提高将会遇到很大的困难，进而影响到计算机速度新的突破。因此量子计算机的研究和探索成为了当今计算机技术发展的一个重要趋势。

基于量子理论的量子计算机，遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机源于对可逆计算机的研究。量子计算机应用的量子比特，可以同时处在多个状态，而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。Qubit，是通过囚禁原子技术，降低原子温度让原子保持量子形态。量子的最大特点是其包罗万象，可以根据用户所提取信息而定。这种设置从根本上提升了计算机的运行速度。量子计算机可同时处理0及1以上，只需3个Byte（字节）便可处理1600万项任务，理论上，现时最快的超级计算机需要花10亿年处理那极端复杂的排程运算，量子计算机只1分钟即可完成。

原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。对量子来说，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算。

一、关于量子计算机在信息传输安全的问题

量子计算机对信息传输的帮助。“就是绝对的安全。”用量子加密通信就能保证绝对的安全！在光缆传输信息的时候，由单个光子作为信息的载体，携带所需的信息。因此从光子角度看。

尝试窃听信息

窃听信息首先就意味着光子被截获，接收方将无法获得信息。按照目前的科技水平，光子的捕获是可行的，但并不能达到窃听信息的目的。

2012年诺贝尔物理学奖得主阿罗什已经发现一种超高Q值的腔体，能够将光子存储在镜子之间，时间超过0.1秒。这就意味着人们对信息的截获，而且并不影响接收端的接受，因为网络信息的传输本身就存在延迟的问题，而且0.1秒人们的感官一般是感觉不到这种细微的差别的。同时这个代价是巨大的，只有著名的学术机构才可能拥有这套设备，并且在上万次的实验中才有可能成功一次。而且将光量子储存在腔体之后，就可以无破坏地对相同的场进行重复测量，将场投影到具有确定光子数数目的状态上（即Fock态），同时可以观察腔体获得或丢失单个光子时引发的光量子跃迁。因此这种信息的捕获和解读并不会影响下文中所提到的光子状态的改变.但是这里又会出现另一个问题，一个光子所携带的信息是有限的，若想同时捕获两个光子的概率为10^（-34），而且捕获一个光子所需的时间为10^（-11）秒。因此，若想捕获由量子计算机传输的全部信息，对于现在的人类来说是完全不可能的，正如潘建伟院士所说，这就是完全的加密。

二、尝试克隆信息

尝试克隆信息则意味着单个光子的状态改变，接收方一样会发现问题。根据海森堡不确定性原理，量子的不可分割和量子的不可克隆，决定了在绝大多数情况下窃听必然被发现（除了上文中提到的特殊情况）。在此基础上，量子密钥分发“一次一密，完全随机”，就保证了加密内容不可破译，也就是理论上的绝对安全。但是还有另一种极为特殊的情况，“除非改变熵增不可减这一宇宙法则被改变，这种逆过程在目前人类所处的三维空间世界里还无法想象，毕竟，多维平行世界目前还无法体验。就如牛顿经典力学适用于低速宏观世界，在高速微观世界就得用爱因斯坦相对论和量子理论一样。至少在目前人类已经感知的世界中，绝对的安全就出现了。

关于量子隐形传态和量子计算。

利用量子纠缠技术，借助卫星网络、光纤网络等信道，传输量子态携带的量子信息。量子态就可以在一个地方消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间出现。这就可以极大的加快现在的信息传输速度。根据海森堡的不确定性关系，量子本身是可以同时存在于两个地方的。一般情况来说量子波是可以瞬间展开充满宇宙的。

数据是不会丢失的。如果用光子作为信息的载体，就很有可能面临信息的丢失。但是这一点目前可以结合伦纳德・欧拉的最小作用量原理，粒子的运行轨迹是使得此路线上的任何两点之间的作用总是尽可能小。同时加上海森堡的不确定性原理，ΔPΔX～h当量子想要跃迁到更远的地方时，由于量子干涉的规模也会变大，所以量子本身只会运动很小的距离（这是在极大概率下发生的） 。例如，在一个0.0009m2的空间中，让1微克的物体完全移动出去大概需要10^21秒。这个数值是宇宙年龄的1000倍，因此数据的丢失是几乎不会发生的，光子可以几乎按照人们预先设计好的路线，完成信息的传输，因此量子计算机的实现，对信息的传输是绝对安全的。

关于量子通信的实际应用

在量子通信的实际应用中，我们则需要保证终端的安全，身份的安全，传输途径的安全，以及相关软件和云应用环境的安全，因此理论上的绝对安全在实际应用中会受到这样那样的条件限制。

2015年12月11日，谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展：在两次测试中D-Wave2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。

这项突破性的成果打破了业内对于量子计算机真伪的存疑。这次，谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。

由于量子形态的不稳定，量子计算机只是在理论层面可行，加上能够用运用量子计算的算法有限相对编程也较传统计算机难度更大，因此并不具备可行性。这次的2X系统，采用了1152Qubit的架构，对比之前的系统，研发团队重点从提升量子的运行速度转移到保持量子稳定性以提升性能上。

即便克服了量子稳定性的问题，量子计算机在实际落地推广方面会遇到一些实质问题，如何在实验上实现对微观量子态的操纵。已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。也许我们需要一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。但摩尔定律的失效，对半导体行业和量子计算机的发展无疑又产生了一个更大的障碍。研究量子计算机的目的绝不是要用它来取代现有的计算机，而是为了在某些方面满足人类对实践活动的需要。随着科技的发展，量子计算机将变成可能。

参考文献

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关键词：量子比特；量子力学；量子相干性；并行运算

0　引言

自1946年第一台电子计算机诞生至今，共经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路四个时代。计算机科学日新月异，但其性能却始终满足不了人类日益增长的信息处理需求，且存在不可逾越的“两个极限”。

其一，随着传统硅芯片集成度的提高，芯片内部晶体管数与日俱增，相反其尺寸却越缩越小(如现在的英特尔双核处理器采用最新45纳米制造工艺，在143平方毫米内集成2.91亿晶体管)。根据摩尔定律估算，20年后制造工艺将达到几个原子级大小，甚至更小，从而导致芯片内部微观粒子性越来越弱，相反其波动性逐渐显著，传统宏观物理学定律因此不再适用，而遵循的是微观世界焕然一新的量子力学定理。也就是说，20年后传统计算机将达到它的“物理极限”。

其二，集成度的提高所带来耗能与散热的问题反过来制约着芯片集成度的规模，传统硅芯片集成度的停滞不前将导致计算机发展的“性能极限”。如何解决其发热问题?研究表明，芯片耗能产生于计算过程中的不可逆过程。如处理器对输入两串数据的异或操作而最终结果却只有一列数据的输出，这过程是不可逆的，根据能量守恒定律，消失的数据信号必然会产生热量。倘若输出时处理器能保留一串无用序列，即把不可逆转换为可逆过程，则能从根本上解决芯片耗能问题。利用量子力学里的玄正变换把不可逆转为可逆过程，从而引发了对量子计算的研究。

1　量子计算的基本原理

1.1　传统计算的存储方式

首先回顾传统计算机的工作原理。传统电子计算机采用比特作为信息存储单位。从物理学角度，比特是两态系统，它可保持其中一种可识别状态，即“1”或者“()”。对于“1”和“0”，可利用电流的通断或电平的高低两种方法表示，然后可通过与非门两种逻辑电路的组合实现加、减、乘、除和逻辑运算。如把0～0个数相加，先输入“00”，处理后输入“01”，两者相“与”再输入下个数“10”，以此类推直至处理完第n个数，即输入一次，运算一次，n次输入，n次运算。这种串行处理方式不可避免地制约着传统计算机的运算速率，数据越多影响越深，单次运算的时间累积足可达到惊人的数字。例如在1994年共1600个工作站历时8月才完成对129位(迄今最大长度)因式的分解。倘若分解位数多达1000位，据估算，即使目前最快的计算机也需耗费1025年。而遵循量子力学定理的新一代计算机利用超高速并行运算只需几秒即可得出结果。现在让我们打开量子计算的潘多拉魔盒，走进奇妙神秘的量子世界。

1.2　量子计算的存储方式

量子计算的信息存储单位是量子比特，其两态的表示常用以下两种方式：

(1)利用电子自旋方向。如向左自转状态代表“1”，向右自转状态代表“0”。电子的自转方向可通过电磁波照射加以控制。

(2)利用原子的不同能级。原子有基态和激发态两种能级，规定原子基态时为“0”，激发态时为“1”。其具体状态可通过辨别原子光谱或核磁共振技术辨别。

量子计算在处理0～n个数相加时，采用的是并行处理方式将“00”、“01”、“10”、“11”等n个数据同时输入处理器，并在最后做一次运算得出结果。无论有多少数据，量子计算都是同时输入，运算一次，从而避免了传统计算机输入一次运算一次的耗时过程。当对海量数据进行处理时，这种并行处理方式的速率足以让传统计算机望尘莫及。

1.3　量子叠加态

量子计算为何能实现并行运算呢?根本原因在于量子比特具有“叠加状态”的性质。传统计算机每个比特只能取一种可识别的状态“0”或“1”，而量子比特不仅可以取“0”或“1”，还可同时取“0”和“1”，即其叠加态。以此类推，n位传统比特仅能代表2n中的某一态，而n位量子比特却能同时表示2n个叠加态，这正是量子世界神奇之处。运算时量子计算只须对这2n个量子叠加态处理一次，这就意味着一次同时处理了2n个量子比特(同样的操作传统计算机需处理2n次，因此理论上量子计算工作速率可提高2n倍)，从而实现了并行运算。

量子叠加态恐怕读者一时难以接受，即使当年聪明绝顶的爱因斯坦也颇有微词。但微观世界到底有别于我们所处的宏观世界，存在着既令人惊讶又不得不承认的事实，并取得了多方面验证。以下用量子力学描述量子叠加态。

现有两比特存储单元，经典计算机只能存储00，01，10，11四位二进制数，但同一时刻只能存储其中某一位。而量子比特除了能表示“0”或“1”两态，还可同时表示“0”和“1”的叠加态，量子力学记为：

lφ〉＝al1〉＋blO〉

其中ab分别表示原子处于两态的几率，a＝0时只有“0”态，b＝0时只有“1”态，ab都不为0时既可表示“0”，又可表示“1”。因此，两位量子比特可同时表示4种状态，即在同一时刻可存储4个数，量子力学记为：

1.4　量子相干性

量子计算除可并行运算外，还能快速高效地并行运算，这就用到了量子的另外一个特性――量子相干性。

量子相干性是指量子之间的特殊联系，利用它可从一个或多个量子状态推出其它量子态。譬如两电子发生正向碰撞，若观测到其中一电子是向左自转的，那么根据动量和能量守恒定律，另外一电子必是向右自转。这两电子间所存在的这种联系就是量子相干性。

可以把量子相干性应用于存储当中。若某串量子比特是彼此相干的，则可把此串量子比特视为协同运行的同一整体，对其中某一比特的处理就会影响到其它比特的运行状态，正所谓牵一发而动全身。量子计算之所以能快速高效地运算缘归于此。然而令人遗憾的是量子相干性很难保持，在外部环境影响下很容易丢失相干性从而导致运算错误。虽然采用量子纠错码技术可避免出错，但其也只是发现和纠正错误，却不能从根本上杜绝量子相干性的丢失。因此，到达高效量子计算时代还有一段漫长曲折之路。

2　对传统密码学的冲击

密码通信源远流长。早在2500年前，密码就已广泛应用于战争与外交之中，当今的文学作品也多有涉猎，如汉帝赐董承的衣带诏，文人墨客的藏头诗，金庸笔下的蜡丸信等。随着历史的发展，密码和秘密通讯备受关注，密码学也应运而生。防与攻是一个永恒的活题，当科学家们如火如荼地研究各种加密之策时，破译之道也得以迅速发展。

传统理论认为，大数的因式分解是数学界的一道难题，至今也无有效的解决方案和算法。这一点在密码学有重要应用，现在广泛应用于互联网，银行和金融系统的RSA加密系统就是基于因式难分解而开发出来的。然而，在理论上包括RSA在内的任何加密算法都不是天衣无缝的，利用穷举法可一一破解，只要衡量破解与所耗费的人力物力和时间相比是否合理。如上文提到传统计算机需耗费1025年才能对1000位整数进行因式分解，从时间意义上讲，RSA加密算法是安全的。但是，精通高速并行运算的量子计算一旦问世，萦绕人类很久的因式分解难题迎刃而解，传统密码学将受到前所未有的巨大冲击。但正所谓有矛必有盾，相信届时一套更为安全成熟的量子加密体系终会酝酿而出。

3　近期研究成果

目前量子计算的研究仍处于实验阶段，许多科学家都以极大热忱追寻量子计算的梦想，实现方案虽不少，但以现在的科技水平和实验条件要找到一种合适的载体存储量子比特，并操纵和观测其微观量子态实在是太困难了，各界科学家历时多年才略有所获。

(1)1994年物理学家尼尔和艾萨克子利用丙胺酸制出一台最为基本的量子计算机，虽然只能做一些像1＋1＝2这样简单的运算，但对量子计算的研究具有里程碑的意义。

(2)2000年8月IBM用5个原子作为处理和存储器制造出当时最为先进的量子计算机，并以传统计算机无法匹敌的速度完成对密码学中周期函数的计算。

(3)2000年日本日立公司成功开发出“单电子晶体管”量子元件，它可以控制单个电子的运动，且具有体积小，功耗低的特点(比目前功耗最小的晶体管约低1000倍)。

(4)2001年IBM公司阿曼顿实验室利用核磁共振技术建构出7位量子比特计算机，其实现思想是用离子两个自转状态作为一个量子比特，用微波脉冲作为地址。但此法还不能存储15位以上的量子单元。

(5)2003年5月《Nature》杂志发表了克服量子相关性的实验结果，对克服退相干，实现量子加密、纠错和传输在理论上起到指导作用，从此量子通信振奋人心。

(6)2004年9月，NTT物性科学研究所试制出新一代存储量子比特的新载体――“超导磁束量子位”。它可通过微波照射大幅度提高对量子比特自由度的控制，其量子态也相对容易保持。

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自1982年理查德·费曼（Richard Feynman）提出“量子计算机”的概念之后，人们对它颇为关注，众多研究机构更是试图借此开辟计算机时代的新纪元。但是，任凭人们千呼万唤、前赴后继，都没能够彻底揭开量子计算机的面纱。那么，量子计算机到底发展到了什么样的阶段？遇到了什么障碍？此次诺贝尔奖会对量子计算机的研发起到什么推动作用？量子计算机一旦面世，随之而来的会是什么？

量子计算机是大势所趋

所谓量子计算机，简单来说就是利用量子携带信息、存储数据，遵循量子算法进行高速的数学和逻辑运算的物理设备。我们熟知的传统计算机的“心脏”依赖的是硅芯片，但是一个芯片的面积总是有限的。

硅晶体管作为在芯片上传输信息、处理信息的微型开关，每年都在缩小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸缩小（现已达到纳米级）将限制性能的提升。所以，对晶体管进行传统的尺寸的扩展和收缩操作，不能再产生行业已经习惯的更低功耗、更低成本、更高速度的处理器的效果。虽然英特尔的22纳米处理器已经面世，还计划于2013年推出14纳米处理器，对于10nm、7nm以及5nm的制程研发路线图也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的负10次方米以下，就会明显出现量子特性，所以大部分物理学家坚持认为，摩尔定律不可能无限维持。

为了突破这道瓶颈，

IBM一直致力于研发碳纳米管芯片，其研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管，从而能够获得比硅质器件更快的运行速度。IBM声称这一成果有望让摩尔定律在下一个十年中继续生效。但是，如何获得高纯度的碳、如何实现完美的制造工艺又是不可避免的问题。

因为量子计算机是利用量子携带信息的，所以，传统计算机面临的挑战恰恰是量子计算机的优势所在。量子计算机中的每个数据由不同粒子的量子状态决定，根据量子力学原理，粒子的量子状态是不同量子状态的叠加。所以，量子计算机计算时采用的量子比特在同一时间内能够呈现出多种状态——既可以是1也可以是0，传统计算机在运算中采用的传统比特在特定时间内只能代表一个状态——1或者0。这就是量子计算机与传统计算机最大的不同之处。由于量子叠加状态的不确定性，量子计算可以同时进行大量运算，它的潜在应用包括搜索由非结构化信息构成的数据库，进行任务最优化和解决此前无法解答的数学问题。所以，量子计算机是大势所趋。

实现方案众多

量子计算机以其独特的运算逻辑和强大的运算性能吸引了无数研究机构和科学家对其进行研究，也相继取得了一些成果。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，所以研制量子计算机，关键在于成功操控单个量子。相信大家一定对“薛定谔的猫”这一理论并不陌生，关在密闭笼子里的猫，由于量子状态的不确定性，人们永远不知道它是活着还是死亡。所以，处于宏观世界的我们如何才能够有效操控微观世界的粒子，是极大的难题。从理论上讲，量子计算机有几十种体系，从实验上也有十几种实现方法。

阿罗什带领他的团队利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子辐射光子的操作；瓦恩兰的团队则利用可结合激光冷却技术，在离子阱中实现了单个离子的囚禁；IBM的托马斯·沃森研究中心组建了一支庞大的研究团队，依赖耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校过去几年在量子计算领域取得的进展，意欲基于微电子制造技术实现量子计算；美国普林斯顿大学物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大学圣巴巴拉分校的科学家利用电子的自旋特性，寻找到了操控电子的方法；利用声波和超导材料，也可以实现量子计算机的拓展；总部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的铌金属（元素符号Nb，一种类似于银，柔软的、可延展的金属）材料，在低温下呈超导态，其中的电流有顺时针、逆时针以及顺逆同时存在的混合状态，而这正可以用来实现量子计算。

众多方法中，最值得一提的便是阿罗什和瓦恩兰的做法。阿罗什构造了一个腔，把单个光子囚禁在光腔里，实现量子的操控，再往腔里放入单个原子，使原子和光子相互作用，通过腔的损耗来调控它们的状态。瓦恩兰捕获离子的方法，是用一系列电极营造出一个电场囚笼，离子如被装进碗里的玻璃球，而后，用激光将离子冷却，最终，最冷的一个离子安静地待在碗底。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而且单个粒子在实验过程中还能保持量子的物理性质。

中国科学院院士郭光灿这样评价阿罗什和瓦恩兰的成就：量子计算这个领域已经取得了飞速发展，现在的技术已经超过当初的技术，但是起点是他们。我们现在关注的不是单个离子，而是多个离子的纠缠，比如两个腔怎么连在一起，这是将来要做的，此外，还会有各种各样的腔，比如光学腔、物体腔和超导腔等。现在做量子计算机，实际上就是做芯片，把很多离子纠缠在一起，分到各个区里面，如果这一步能实现，量子计算机有希望在这方面实现实质性突破。

过程艰难 但前景乐观

自“量子计算机”的概念提出到现在的30年间，科学家们纷纷涉足，不管是在理论方面，还是实践方面，都取得了一些不可忽视的成就。

近几年来，量子计算机的领域更是全面开花，量子计算机不再是人们“只闻其名，不见其形”的概念型产品。英国布里斯托尔大学等机构以奥布赖恩为领导的研究人员更是在新一期美国《科学》杂志上宣布，成功研发出一种可用于量子计算的硅芯片。奥布赖恩表示，利用这种芯片技术，10年内可能就会研制出超越传统计算机的量子计算机。

想要研制出实用的量子计算机，需要面临科学技术方面的多重挑战，其中最主要的两大障碍就是：如何让粒子长时间保持量子状态，即保持相干性；如何让尽量多的粒子实现共同计算，即实现量子纠缠。阿罗什和瓦恩兰给出的实验方法均成功地打破了这些障碍，实现了基础性的突破。近几年来，研究人员以他们的研究成果为出发点，不断探索，取得了快速进展，可谓前景乐观。

需要注意的是，量子计算机的出现会将网络安全置于非常危险的境地，给现有的社会和经济体系以及国防带来潜在威胁。目前大部分的网络保密是使用“RSA公开码”的密码技术。想要破译这种密码，就要对大数分解质因子，这是极其困难的。按照现有的理论计算，分解一个400位数的质因子，用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。然而，量子计算机能够借助其强大的运算功能瞬间完成密码破译，这严重动摇了RSA公共码的安全性。

目前，量子计算机给人们的印象不过类似于一个玩具，娱乐价值似乎更高一些，但是在不久的将来，它一定能够引领计算机世界的潮流。

相关链接

量子计算机发展简史

1982年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）提出“量子计算机”的概念。

1985年，英国牛津大学的D. Deutsch进一步阐述了量子计算机的概念，并且证明了量子计算机比经典图灵计算机具有更强大的功能。

1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）证明量子计算机能够完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。

2005年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，它基本符合了量子力学的全部本质特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。

2009年，世界第一台通用编程量子计算机在美国国家标准技术研究院诞生。

2010年1月，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。

2010年3月，德国于利希研究中心发表公报：该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。

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【关键词】 计算机发展方向；微型化计算能力；新型计算机智能

计算机在最近的几十年发展突飞猛进，是在众多行业中发展最快的高新领域之一。上世纪九十年代的人还难以预料今天计算机会如此强大，而今天的我们所预见的未来的计算机又将有几分准确性呢。不管未来的计算机是什么样的，根据现在的研究以及人们的需要来看，有几个特点可能会在较近的未来实现。计算机将会更加微型化，计算能力还会更加强大，而随着计算机与诸多领域的相互渗透，新型计算机也会应运而生。此外，计算机的智能化也是人们研究的热点话题。

美国计算机市场在2009年第四季度打破记录，共售出了2070万台计算机，比2008年同期上升了24%。继2009年上半年全球个人电脑市场发展遭遇重重限制之后，下半年全球经济进一步复苏，加上个人电脑打出大幅折扣，使全球个人电脑市场出现反弹。全球个人电脑市场2009年全年增长率为2.9%。实际上，全球范围内计算机销量都出现了一致性的增长，这自然受益于计算机售价的整体下调。2009年第四季度，全球计算机市场销量较2008年同期增长了15.2%。计算机销量的增长直接让很多与计算机市场相关的厂商获得了巨大利益，比如Intel、微软和惠普。同时上网本的大受欢迎和Windows 7的都刺激了计算机市场的增长。

日益更新的计算机，未来将会是什么样子？

1 量子计算机

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表小开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1也可以既存储0又存储1。因此，一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前计算机的PcntiumIII晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核白旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。量子编码采用纠错、避错和防错等。预计2030年有可能普及量子计算机。

2 光计算机

光计算机是用光子代替半导体芯片中的电子，以光互连来代替导线制成数字计算机。与电的特性相比光具有无法比拟的各种优点：光计算机是“光”导计算机，光在光介质中以许多个波长不同或波长相同而振动方向不同的光波传输，不存在寄生电阻、电容、电感和电子相互作用问题，光器件有无电位差，因此光计算机的信息在传输中畸变或失真小，可在同一条狭窄的通道中传输数量大得难以置信的数据。

3 化学、生物计算机

在运行机理上，化学计算机以化学制品中的微观碳分子作信息载体，来实现信息的传输与存储。DNA分子在酶的作用下可以从某基因代码通过生物化学反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果，利用这一过程可以制成新型的生物计算机。生物计算机最大的优点是生物芯片的蛋白质具有生物活性，能够跟人体的组织结合在一起，特别是可以和人的大脑和神经系统有机的连接，使人机接口自然吻合，免除了繁琐的人机对话，这样，生物计算机就可以听人指挥，成为人脑的外延或扩充部分，还能够从人体的细胞中吸收营养来补充能量，不要任何外界的能源，由于生物计算机的蛋白质分子具有自我组合的能力，从而使生物计算机具有自调节能力、自修复能力和自再生能力，更易于模拟人类大脑的功能。现今科学家已研制出了许多生物计算机的主要部件—生物芯片。

4 神经网络计算机

人脑总体运行速度相当于每妙1000万亿次的电脑功能，可把生物大脑神经网络看做一个大规模并行处理的、紧密耦合的、能自行重组的计算网络。从大脑工作的模型中抽取计算机设计模型，用许多处理机模仿人脑的神经元机构，将信息存储在神经元之间的联络中，并采用大量的并行分布式网络就构成了神经网络计算机。

结束语：

关于计算机未来的发展趋势，不同的人有不同的看法，不同的人也会从不同的方面去探讨，但无论如何，出发点都是为了能够更好地帮助人学习、工作、计算、娱乐等等为了更能方便人的生活，更好地完成更加艰巨复杂的任务。所以，计算机会基于这些进行不断地改造与创新，当一种技术或基本架构遭遇瓶颈时，新的技术就会诞生，这就是计算机不断改进和创新的动力。对于上文的诸多方面，很多已经即将或是快要实现，而有一些则距离现实还有很大距离，甚至有些研究会是失败的，但这完全不能阻挡计算机的发展，也不会阻止与计算机有关的新技术的产生。

参考文献：

[1]蔡芝蔚.计算机技术发展研究[J].电脑与电信，2008（02）.

[2]张洁.未来计算机与计算机技术发展展望[J].广东科技，2006（10）.

[3]何文瑶.应用计算机技术发展态势分析[J].科技创业月刊，2007（05）.

篇11

论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

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[关键词] 网络支付 信息安全 量子计算 量子密码

目前电子商务日益普及,电子货币、电子支票、信用卡等综合网络支付手段已经得到普遍使用。在网络支付中,隐私信息需要防止被窃取或盗用。同时,订货和付款等信息被竞争对手获悉或篡改还可能丧失商机等。因此在网络支付中信息均有加密要求。

一、量子计算

随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也在降低。若能对任意极大整数快速做质数分解，就可破解目前普遍采用的RSA密码系统。但是以传统已知最快的方法对整数做质数分解，其复杂度是此整数位数的指数函数。正是如此巨额的计算复杂度保障了密码系统的安全。

不过随着量子计算机的出现,计算达到超高速水平。其潜在计算速度远远高于传统的电子计算机，如一台具有5000个左右量子位(qubit)的量子计算机可以在30秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的问题。量子位可代表了一个0或1,也可代表二者的结合,或是0和1之间的一种状态。根据量子力学的基本原理,一个量子可同时有两种状态,即一个量子可同时表示0和1。因此采用L个量子可一次同时对2L个数据进行处理,从而一步完成海量计算。

这种对计算问题的描述方法大大降低了计算复杂性，因此建立在这种能力上的量子计算机的运算能力是传统计算机所无法相比的。例如一台只有几千量子比特的相对较小量子计算机就能破译现存用来保证网上银行和信用卡交易信息安全的所有公用密钥密码系统。因此，量子计算机会对现在的密码系统造成极大威胁。不过，量子力学同时也提供了一个检测信息交换是否安全的办法，即量子密码技术。

二、量子密码技术的原理

从数学上讲只要掌握了恰当的方法任何密码都可破译。此外，由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹，用户无法察觉，就会继续使用同地址、密码来存储传输重要信息，从而造成更大损失。然而量子理论将会完全改变这一切。

自上世纪90年代以来科学家开始了量子密码的研究。因为采用量子密码技术加密的数据不可破译，一旦有人非法获取这些信息,使用者就会立即知道并采取措施。无论多么聪明的窃听者在破译密码时都会留下痕迹。更惊叹的是量子密码甚至能在被窃听的同时自动改变。毫无疑问这是一种真正安全、不可窃听破译的密码。

以往密码学的理论基础是数学，而量子密码学的理论基础是量子力学，利用物理学原理来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理”中所包含的一个特性，即当有人对量子系统进行偷窥时，同时也会破坏这个系统。在量子物理学中有一个“海森堡测不准原理”,如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化，那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子,照亮粒子的光(即便仅一个光子)的行为都会使之改变路线,从而无法发现该粒子的实际位置。从这个原理也可知，对光子来讲只有对光子实施干扰才能“看见”光子。因此对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系,通讯会被中断,这实际上就是一种不同于传统需要加密解密的加密技术。在传统加密交换中两个通讯对象必须事先拥有共同信息――密钥，包含需要加密、解密的算法数据信息。而先于信息传输的密钥交换正是传统加密协议的弱点。另外,还有“单量子不可复制定理”。它是上述原理的推论,指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的,因为要复制单个量子就必须先做测量,而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理,即使量子密码不幸被电脑黑客获取,也会因测量过程中对量子状态的改变使得黑客只能得到一些毫无意义的数据。

量子密码就是利用量子状态作为信息加密、解密的密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠。它是一种量子力学现象，指不论两个粒子间距离有多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子。因此当使用一个特殊晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子后，即使相距遥远它们也是相互联结的。只要测量出其中一个被纠缠光子的属性，就容易推断出其他光子的属性。而且由这些光子产生的密码只有通过特定发送器、吸收器才能阅读。同时由于这些光子间的“神秘远距离活动”独一无二，只要有人要非法破译这些密码，就会不可避免地扰乱光子的性质。而且异动的光子会像警铃一样显示出入侵者的踪迹，再高明的黑客对这种加密技术也将一筹莫展。

三、量子密码技术在网络支付中的发展与应用

由于量子密码技术具有极好的市场前景和科学价值，故成为近年来国际学术界的一个前沿研究热点，欧洲、北美和日本都进行了大量的研究。在一些前沿领域量子密码技术非常被看好，许多针对性的应用实验正在进行。例如美国的BBN多种技术公司正在试验将量子密码引进因特网，并抓紧研究名为“开关”的设施，使用户可在因特网的大量加密量子流中接收属于自己的密码信息。应用在电子商务中，这种设施就可以确保在进行网络支付时用户密码等各重要信息的安全。

2007年3月国际上首个量子密码通信网络由我国科学家郭光灿在北京测试运行成功。这是迄今为止国际公开报道的惟一无中转、可同时任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。2007年4月日本的研究小组利用商业光纤线路成功完成了量子密码传输的验证实验，据悉此研究小组还计划在2010年将这种量子密码传输技术投入使用，为金融机构和政府机关提供服务。

随着量子密码技术的发展，在不久的将来它将在网络支付的信息保护方面得到广泛应用，例如获取安全密钥、对数据加密、信息隐藏、信息身份认证等。相信未来量子密码技术将在确保电子支付安全中发挥至关重要的作用。

参考文献:

[1]王阿川宋辞等:一种更加安全的密码技术――量子密码[J].中国安全科学学报,2007,17(1):107～110

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[关键词]氮气-空穴（N-V）中心；量子

中图分类号：TP313 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0291-02

量子信息和经典信息的基本原理是不相同的。以量子非克隆原理为例[1]，该原理表明，能够对不明确的纯态进行精确的拷贝的装置，该装置是不存在的。这个原理的初始文献[1]显示该量子非克隆原理是量子态叠加原理的结论。这个原理有重大影响的文献[2]显示存在一个通用型量子克隆机，该量子克隆机具有多进程的量子克隆特征。自从文献[2]首先提出这种通用型的量子克隆机，Milmanetal[3]也提出这么一个原理，它是在QED空腔系统中的通用型量子克隆机的克隆原理。在这个原理中实现通用型量子克隆机的重要障碍的是消相干。为了克服消相干这个难题，Zouetal[4]已提出通过一个空腔辅助碰撞的方案，用于实现通用型QED中的量子克隆机。最近几年，在研究量子克隆方面，已提出许多不同的方案，如：概率量子克隆[4]，从属态克隆[5]，协变相位量子克隆[5]，通过空腔辅助相互作用通用型量子克隆[6]，等。在本文中，我们利用一个新的复合固态量子系统证明了单向量子计算的基本操作。此系统包含个氮气-空穴（N-V）中心与个超导传输共振子（TLR）相耦合，它们共同连接于一个约瑟夫森结（CBJJ）超导量子比特。通过交换虚光子，在N-V中心和CBJJ之间产生了有效的相互作用哈密顿量。

1.物理模型

图1：个NV-TLR对与一个CBJJ耦合的复合量子系统示意图，其中为耦合电容，为结电容，为偏置电流，为临界电流。每个TLR中的黑点代表一个N-V中心，个N-V中心显示了一维的线性结构。

2.CBJJ-TLR大失谐哈密顿量相互作用

装置原理图如图1所示，该系统有四个N-V中心耦合而成的四个TLRs，并且它们的电容耦合成一个共同的CBJJ。其中任何一个TLR的哈密顿量可以写成（）[9]

（1）

其中，是湮灭算符，频率，和是TLR的电感和电容。

图2 倾斜的洗衣板势能级结构图。

此CBJJ能够被模拟成在此洗衣板势中移动的粒子。通过调节偏置电流，此CBJJ能够被构建成一个三能级量子系统。

如图2所示，如果我们假设的能级为零点，那么，频率分别其中是等离子体振荡频率，同时，量子流为，连接电容为，偏流电流为，临界电流为。我们假设每一个TLR的模是跃迁耦合，但其他跃迁耦合都不存在。使用旋转波近似，可以使得频率和频率相匹配，这时，第个TLR和CBJJ之间的哈密顿量可以写成：

（2）

其中，是耦合系数，分别是CBJJ和第个TLR的频率，是跃迁失谐。使用标准量子光学技术，在大失谐条件下，即，第个TLR和CBJJ之间的哈密顿量可以写成[11，12]

（3）

3.N-V中心-TLR谐振相互作用

图3：第个N-V中心能级结构图，其中为此N-V中心和TLR之间的耦合强度。

由图3所示，N-V中心基态和第一激发态都是电子旋转三态（）。在该系统中，我们将设定三个基本态中的量子比特分别为：和，这时第个N-V中心的哈密顿量可以写成：

（4）

其中我们使用旋转波近似，使得和相匹配。这时，第个N-V-TLR对相互作用的哈密顿量可以写成：

（5）

其中，和.我们使用为第个N-V-TLR强耦合，第个N-V中心跃迁频率和第个TLR频率之间的失谐为。当第个TLR的频率是第个N-V中心的谐振时，即，.

那么第个N-V-TLR对相互作用的哈密顿量就可以写成如下形式：

（6）

4.量子克隆机的实现

根据文献[2]，我们首先简单回顾一下通用型量子克隆机其转换过程。如果定义量子比特基矢为，通用型量子克隆机执行幺正变换：

（7）

其中，箭矢左边的第一个态矢表示输入量子比特，表示空白拷贝的初始态和任何可能的辅助量子比特。在箭头右手边，前两个态矢是量子克隆的过程，，第三个态矢表示辅助的两个可能的正交态。

现在，我们给出系统中作用在通用型量子克隆机。为了实现我们的方案，首先介绍该系统中两量子比特控制相位门，并且该控制相位门将用于实现通用型量子克隆机。假设CBJJ量子比特是控制量子比特，那么，N-V中心量子比特就是目标量子比特。实现需要如下三个步骤：

第一步：让第个N-V中心和第个TLR在哈密顿量（5）作用下，经过相互作用时间。不失一般性，我们认为所以的N-V中心-TLR强谐振耦合都是相同，即，。以致于经过交换，那么，表示为第个TLR的单光子态。

第二步：调整TLRs（1，2，3，4）的参数，使得每一个N-V中心和其一一对应的TLR不耦合，只需运用方程（3）就可以满足调整CBJJ和TLRs（1，2，3，4）的参数的条件。经过相互作用时间之后，可以实现的相互交换。

第三步：调整CBJJ的参数，使得它与每一个TLR都不耦合。这样就可以在相互作用时间内调整TLRs（1，2，3，4）的参数，使得每一个N-V中心与其一一对应的TLR产生谐振，可以实现的相互交换。

这些态经过三次转换，在最终演化中，辅助量子比特让第个TLR与其它量子比特不产生耦合。因此，我们在系统里得到了通用型量子克隆机。

5.实验的可行性分析

文献[2]对通用型量子克隆机的性质进了讨论。因为理想通用型量子克隆机，其保真度为。由文献[3]知道，在真实的系统中，其保真度应该比0：92更为精确的值。在这些方案中，所有的CBJJ-N-V相互作用和经典脉冲将导致错误。如果考虑删除和制备操作，那么整个操作步骤就是10。因此，如果脉冲的保真度比更好，这个才是合适的必需的精确度。这个值比文献[3]（）要小很多，这样就可以大大降低脉冲对实验设备上的难度。

因此，我们首先要讨论方案在实验上的可行性，在方案中的方法可以在不同条件下实现通用型量子克隆机。

结论

总而言之，这是一个作用于优化通用型量子克隆机的新颖方案。固态量子比特较好单独从环境中抑制消相干的操作是较容易的。另外，操作步骤很少，而且辅助的量子比特不但可以使量子克隆较容易而且可以降低系统对实验设备的难度。最后，由于操作时间短，N-V中心、TLRs和CBJJ的消相干时间很长，我们的方案可以在目前现有的实验条件下得到实现。

参考文献

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基金项目

本文系湖南省研究生创新项目（No.CX2013B221）和国家自然科学基金项目（No.11174100）、（No.1127506）的研究成果之一。

作者简介

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2012年诺贝尔物理学奖结果正式揭晓。10月9日，瑞典皇家科学院宣布，将2012年诺贝尔物理学奖分别授予法国物理学家塞尔日·阿罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰，以表彰他们在量子物理学方面的卓越研究。

这两位物理学家用突破性的实验方法，使单个粒子动态系统可被测量和操作。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而实验中还能保持单个粒子的量子物理性质，这一物理学研究的突破在之前是不可想象的。

通过巧妙的实验方法，阿罗什和瓦恩兰的研究团队都成功地测量和控制了非常脆弱的量子态，这些新的实验方法使他们能够检测、控制和计算粒子。

单个粒子极难俘获

在基本粒子所处微观层面上，单个粒子一方面难以与周围环境分离，另一方面是一旦与周围环境相互作用，随即失去量子特性；另外，如果两个粒子相互作用，即使两者分离，互动作用会继续存在。瑞典皇家科学院也认为，单个粒子很难从周围环境中隔离观测，一旦它们与外界发生交互，通常会失去神秘的量子性质，从而无法观测到量子物理学中很多奇特现象。

相当长一段时期内，量子物理学理论所预言的诸多神奇现象，难以在实验室环境下直接“实地”观测和验证，只存在于研究人员的“思维实验”中。

评委会认定，两位诺贝尔获奖者“开启量子物理学实验新时代的大门，显示不必损毁量子粒子个体，就可以直接观测它们”。

两位获奖者的实验方法有很多相似之处，瓦恩兰困住带电原子或离子，通过光或光子来控制和测量它们；而阿罗什却让原子通过一个陷阱，从而控制和测量被困光子和光的粒子。

微观与宏观世界有何不同

物理世界分成宏观和微观两个层面，宏观是人眼能见到，能够操纵的现实世界，而微观层面则由极小无比的量子构成，在微观世界中的量子，有着宏观世界无法想象的特性。

对此，物理学界有一个很著名的说法：“薛定谔的猫”，是关于量子理论的一个理想实验的体论。其中，猫相当于微观世界里的量子，可以同时存在于两个不同的状态中，如“死”与“活”，只有进入宏观世界时，这种状态才会被打破。

在量子世界中，量子可以同时处于A地和B地，但在宏观世界中，一个人无法同时存在于左边的屋子和右边的屋子里。

目前，获奖的物理学家就在挑战这种极限，试图在微观和宏观之间挂钩，物理学家们的想法是，把微观的系统尽可能做大，先控制一个离子的叠加状态，然后控制几个，再几十个，希望有朝一日，能够足够大到进入宏观层面。

如何在微观世界“捕粒子”

法国与美国的这两位科学家一同得奖，是因为他们有一个共同性，即能够操纵微观世界里的单个量子。戴维·瓦恩兰所做的工作，是用激光冷却带电的离子，令其处于温度极低的状态，能量也降到最低，这样，原先能量和状态极其不稳定的离子就被“囚禁”了，然后就可以用激光操纵这些单个离子的内部状态。

戴维·瓦恩兰做的系统称为“离子井”，就好像把离子陷在井里一样，目前他在这项研究取得的成果，处于世界最高水平。

而获奖的法国科学家塞尔日·阿罗什则采用了另一种方式，即微波为主，激光为辅的方式来操纵单个原子的量子状态，其系统被称为“微波枪”。

阿罗什与瓦恩兰的研究成果能够检测、控制和计算粒子。以前，粒子被测量和操作只有理论上能够办到。毕竟单个粒子很难从周围环境中隔离观测，一旦它们与外界发生交互，通常会失去神秘的量子性质，使得量子物理学中很多奇特现象无法观测到。

两位获奖者通过实验，能够直接观察单个粒子却不对其产生破坏，开辟了量子物理学实验领域的新时代。

量子光学研究向应用发展

量子光学领域自上世纪80年代之后开始迅速发展。塞尔日·阿罗什和戴维·瓦恩兰两位获奖者在这一领域均研究多年，两位获奖者首次让这个领域的研究向应用层面发展，让新一代的超级量子计算机的诞生有了初步的可能。

科学界认为，下一代计算机将是建立在量子层面的，它将比传统的计算机数据容量更大，数据处理速度更快。未来的量子计算机，将彻底改变我们的日常生活，实现对当今的经典计算机“史无前例的超越”。

这些研究也在极端精准的光子钟领域有着重大贡献。光子钟是世界上最精准的钟，比目前的最精准的铯原子钟还要精确好几百倍。这种精密测量技术将对未来的“时间”概念提出新的标准。

这些研究成果还将在航空航天、GPS导航和军事国防等领域产生深远影响。现今，我国的量子光学在某些方面处于世界领先水平，如实现了量子层面较远距离的“瞬间转移”，但采用的技术总体上还较为简单，不过有些大学已经开始引入“离子井”这样复杂高尖端的系统。（摘编自《新京报》）

档案：

塞尔日·阿罗什是法国人，现居巴黎，1944年9月11日出生于摩洛哥，1971年他从法国第六大学获得博士学位，现为法兰西学院教授兼量子物理学会主席，同时他也是法国、欧洲和美国物理学会会员。阿罗什的获奖，使法国获得诺贝尔奖的科学家达到了55人。阿罗什主要研究领域是量子光学和量子信息科学。

戴维·瓦恩兰是美国物理学家，1944年出生于美国密尔沃基。1970年，他从哈佛大学获得博士学位。现供职于美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学波尔得分校。瓦恩兰现为美国国家标准与技术研究院离子储存组组长。