緒論：寫作既是個(gè)人情感的抒發(fā)，也是對(duì)學(xué)術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的11篇量子計(jì)算的作用范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

篇（1）

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）20-0313-02

一個(gè)量子計(jì)算機(jī)通常比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有超過(guò)指數(shù)數(shù)量級(jí)的運(yùn)算速率，例如量子計(jì)算機(jī)能夠有效地進(jìn)行大整數(shù)因子分解和數(shù)據(jù)搜索。一個(gè)以測(cè)量為基礎(chǔ)的量子計(jì)算即為單向量子計(jì)算 [1-4]。單向量子計(jì)算需要量子比特初始處于高度糾纏的團(tuán)簇態(tài)，并且要對(duì)相應(yīng)的量子比特實(shí)施單量子比特測(cè)量。之所以被稱為單向量子計(jì)算機(jī)是由于團(tuán)簇態(tài)中的糾纏經(jīng)過(guò)單量子比特測(cè)量被破壞了，因而此團(tuán)簇態(tài)在單向量子計(jì)算中僅僅能夠被使用一次，所以團(tuán)簇態(tài)的制備在實(shí)現(xiàn)單向量子計(jì)算方面起著十分重要的作用。在本文中，我們利用一個(gè)新的復(fù)合固態(tài)量子系統(tǒng)證明了單向量子計(jì)算的基本操作。此系統(tǒng)包含N 個(gè)氮?dú)?空穴（N-V）中心與N 個(gè)超導(dǎo)傳輸共振子（TLR），相耦合，它們共同連接于一個(gè)約瑟夫森結(jié)（CBJJ）超導(dǎo)量子比特。通過(guò)交換虛光子，在N-V中心和CBJJ之間產(chǎn)生了有效的相互作用哈密頓量。

1.物理模型及相互作用哈密頓

圖1： N個(gè)NV-TLR對(duì)與一個(gè)CBJJ耦合的復(fù)合量子系統(tǒng)示意圖，其中Cc為耦合電容，CJ為結(jié)電容，Ib為偏置電流，Ic為臨界電流。每個(gè)TLR中的黑點(diǎn)代表一個(gè)N-V中心，N 個(gè)N-V中心顯示了一維的線性結(jié)構(gòu)。

2.單向量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

2.1 制備N 量子比特線性團(tuán)簇態(tài)

假設(shè)CBJJ和N個(gè)N-V中心初始時(shí)刻和N個(gè)TLR處于解耦合狀態(tài)，并且它們初始處于一個(gè)直積態(tài)：

結(jié)論

我們提出了一個(gè)基于N 個(gè)N-V 中心和一個(gè)通用型CBJJ間接耦合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)單向量子計(jì)算的方案，該方案是一個(gè)十分有潛力的方案。為了實(shí)現(xiàn)單向量子計(jì)算，我們首先制備了N -V量子比特線性團(tuán)簇態(tài)；接著，利用已經(jīng)制備好的4量子比特線性證明了我們的系統(tǒng)能夠?qū)嵤┝孔佑?jì)算的基本操作：?jiǎn)瘟孔颖忍匦D(zhuǎn)門；最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的可行性分析，在該的系統(tǒng)中，CBJJ 和N-V中心的快捷操作以及較長(zhǎng)相干時(shí)間為制備團(tuán)簇態(tài)提供了可能性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

趙宇靖（1984―），女，在讀博士，主要研究方向?yàn)榱孔有畔⒑土孔佑?jì)算。

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兩種方式

現(xiàn)在，全球在遠(yuǎn)距離通信方面最先進(jìn)的科技是用于可見光的量子信息的瞬間傳輸。量子信息以（quantumbits）量子比特為單位計(jì)或是qubits，這些可以通過(guò)光一瞬間分散的特性表現(xiàn)，比如它的兩級(jí)狀態(tài)，或是以電磁波的連續(xù)狀態(tài)形容，比如微波電場(chǎng)的密度和強(qiáng)度。瞬間傳輸信息，需要發(fā)送和接收雙方都擁有一對(duì)糾纏的量子系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)送者改變系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，接收者系統(tǒng)會(huì)同樣受到影響。

兩極化量子比特在距離方面的表現(xiàn)最好，其最高紀(jì)錄能達(dá)到143公里。不過(guò)目前，僅有50%的量子比特能夠瞬間傳輸。實(shí)際上，瞬間傳輸需要傳送方進(jìn)行名為“鈴流檢測(cè)“的操作。操作中，兩個(gè)量子的兩極被充分相連形成四種可能性組合。簡(jiǎn)單的光學(xué)和光電探測(cè)器能夠最多分辨兩種。

長(zhǎng)距離的傳輸也會(huì)帶來(lái)進(jìn)一步的技術(shù)難題，比如對(duì)大氣亂流和地面活動(dòng)的彌補(bǔ)。所以，需要利用一些先進(jìn)科技同步傳輸?shù)膬啥?，比如使用原子鐘。現(xiàn)代經(jīng)典的通訊更加依賴于衛(wèi)星技術(shù)。

持續(xù)變量的體系衡量所有鈴流檢測(cè)的結(jié)果更加容易，只用簡(jiǎn)單的線性光學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)的光電探測(cè)器即可進(jìn)行。這樣的系統(tǒng)能夠同時(shí)傳送許多量子比特，因此在高速量子通訊中更加青睞使用這樣的系統(tǒng)。

我們需要找到一種方式能夠綜合分散變量（長(zhǎng)距離傳輸）與持續(xù)變量（快速確定的傳輸）中最好的特性。有實(shí)驗(yàn)表明，將分散量子比特與持續(xù)變量糾纏粒子的結(jié)合，就能夠完整瞬間傳輸量子信息。我們需要進(jìn)一步研究擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)中的距離，并整合其他量子技術(shù)類型，比如用于移動(dòng)通訊儲(chǔ)存的量子存儲(chǔ)器?；旌霞夹g(shù)的研究需要在不同領(lǐng)域、不同團(tuán)隊(duì)之間展開更廣泛的合作與交流。

量子網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)全球分布的量子計(jì)算機(jī)或量子網(wǎng)絡(luò)，其中最大的阻礙之一就是網(wǎng)絡(luò)之間糾纏的節(jié)點(diǎn)。所謂量子比特（量子位）能夠在任意兩個(gè)量子之間瞬間移動(dòng)，并且依靠本地量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

理想狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，在任意一雙量子間糾纏，或是創(chuàng)造出一個(gè)巨大多重糾纏的“團(tuán)簇”，向所有的節(jié)點(diǎn)散布。團(tuán)簇狀態(tài)就是連接實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的數(shù)以千計(jì)的節(jié)點(diǎn)。而最大的挑戰(zhàn)就是證明它們?nèi)绾卧陂L(zhǎng)距離之間展開，就如同怎樣在各節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)量子態(tài)一樣，以及如何利用量子節(jié)點(diǎn)不斷地更新它們。

在近乎完美的精確和大容量下，量子存儲(chǔ)器需要將電磁輻射轉(zhuǎn)化為物理變化?！白赞D(zhuǎn)集合”代表了一種量子存儲(chǔ)器。超冷原子氣體包括了100萬(wàn)原子的銣元素，它能夠?qū)蝹€(gè)的光量子轉(zhuǎn)化為稱為自轉(zhuǎn)波的集合原子。儲(chǔ)存時(shí)間接近100毫秒，需要在全球之間發(fā)送光信號(hào)。

量子網(wǎng)絡(luò)需要存儲(chǔ)器存入量子信息，保護(hù)信息免受不需要的交互作用的影響。因此，量子計(jì)算需要通過(guò)這樣存儲(chǔ)器的技術(shù)支持以及通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的量子糾纏分布。

超導(dǎo)量子比特是以物理數(shù)量定義的，比如電感器的流量或電容器的電荷，通過(guò)釋放或吸收微波光量子，與量子處理器之間相互作用。為達(dá)到固體量子存儲(chǔ)的成功集合，量子信息的可逆的存儲(chǔ)和檢索將成為可能。這需要微波光量子與固態(tài)量子存儲(chǔ)器原子自轉(zhuǎn)之間有效的交接，與處理器相連接。如果成功，這項(xiàng)混合技術(shù)將是最有希望擴(kuò)大成為大型分布式的量子計(jì)算機(jī)的設(shè)備。

另一方面，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算做了極大的擴(kuò)充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計(jì)算可看做是一類特殊的量子計(jì)算。量子網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一個(gè)疊加分量進(jìn)行變換，所有這些變換同時(shí)完成，并按一定的概率幅疊加起來(lái)，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱作量子并行計(jì)算。

未來(lái)的發(fā)展

為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，量子瞬間傳輸科技需要發(fā)展以下三方面：

第一，在分散變量與連續(xù)變量之間進(jìn)行更多的理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究。這樣可以綜合目前各種不同的研究方法，進(jìn)行整合深入發(fā)掘最佳的成果。繼續(xù)進(jìn)行兩極化量子比特的衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，利用自由空間或光纖進(jìn)行跨越城市之間的信息互通的連續(xù)變量的瞬間傳輸。

篇（3）

1 引言

量子算法解決問(wèn)題的概念最早由舒爾在上世紀(jì)末引入，因其在計(jì)算復(fù)雜性理論革命性的成果，量子計(jì)算受到歡迎，但在當(dāng)時(shí)認(rèn)為實(shí)際建造一個(gè)量子計(jì)算機(jī)是不可能的，隨后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了量子糾錯(cuò)等理論，希望通過(guò)這些理論實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。文章主要討論量子信息處理與超導(dǎo)量子比特物理實(shí)現(xiàn)，就少數(shù)重要方面討論猜測(cè)量子計(jì)算未來(lái)方向。

2 量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的七個(gè)階段

開發(fā)一個(gè)量子計(jì)算機(jī)涉及幾個(gè)重疊且互相連接的階段，首先必須能控制量子系統(tǒng)的量子比特的有足夠的長(zhǎng)的退相干時(shí)間供系統(tǒng)去操作和讀出，在第二階段，小量子算法可以在邏輯量子比特上進(jìn)行，作為一個(gè)實(shí)用的量子計(jì)算，這前兩個(gè)階段中，必須滿足下面的五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[1]：

（1）可規(guī)?；暮芎脙赡芗?jí)系統(tǒng)（量子比特）；

（2）量子比特具有良好的制備初態(tài)的能力；

（3）與量子邏輯門操作的時(shí)間相比，量子比特具有相對(duì)較長(zhǎng)的退相干時(shí)間。

（4）量子比特能夠用來(lái)建造通用量子邏輯門；

（5）具有對(duì)量子比特進(jìn)行測(cè)量的能力。

從上面的標(biāo)準(zhǔn)可以看出，量子比特的相干性是非常重要的。如果量子比特的相干性受到破壞，量子計(jì)算就會(huì)變成經(jīng)典計(jì)算。第三階段以后要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)量子糾錯(cuò)，在第三階段，實(shí)現(xiàn)量子非破壞測(cè)量和控制，量子非破壞測(cè)量可以利用奇偶校驗(yàn)糾正一些錯(cuò)誤。第四個(gè)階段實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的邏輯量子比特記憶，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)器，量子糾錯(cuò)的實(shí)施，使得系統(tǒng)的相干性比任何組件的相干時(shí)間都長(zhǎng)，通過(guò)量子糾錯(cuò)存儲(chǔ)的邏輯量子比特的退相干時(shí)間大大超過(guò)單個(gè)量子比特退相干時(shí)間，但這個(gè)目標(biāo)還未在任何實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。最后的兩個(gè)階段是多邏輯量子比特算法和容錯(cuò)型量子計(jì)算，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子信息處理，有能力在一個(gè)具有主動(dòng)糾錯(cuò)機(jī)制邏輯量子比特做所有單量子比特操作，并且能夠執(zhí)行多個(gè)邏輯門之間的操作。量子信息處理的七個(gè)階段發(fā)展。每個(gè)進(jìn)步需要掌握前面的階段，但每個(gè)也代表了一個(gè)持續(xù)的任務(wù)，必須協(xié)同別的階段。第三階段中的超導(dǎo)量子比特是唯一固態(tài)量子計(jì)算實(shí)施，目的是實(shí)現(xiàn)第四階段，這個(gè)也是目前研究的重要的環(huán)節(jié)。下面我們就介紹下超導(dǎo)電路。

3 超導(dǎo)電路哈密頓量設(shè)計(jì)

超導(dǎo)電路（圖1）基于LC振蕩器，超導(dǎo)量子比特的操作是基于兩個(gè)成熟的現(xiàn)象：超導(dǎo)性和約瑟夫森效應(yīng)。超導(dǎo)量子比特可以描述為一個(gè)電感為約瑟夫森結(jié)，電容C和一個(gè)電感L組成的并聯(lián)電路。電路中電子流的集體運(yùn)動(dòng)的為通過(guò)電感的通量Φ，相當(dāng)于在彈簧機(jī)械振蕩器質(zhì)心位置。不同于純LC諧振電路的，約瑟夫森結(jié)把電路變成一個(gè)真正的人工原子，可以選擇性的從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)作一個(gè)量子比特。約瑟夫森結(jié)和電感并聯(lián)，甚至可以取代電感，幾個(gè)作為人工原子非線性振蕩器組成的量子比特耦合振蕩腔時(shí)，可以獲得多量子比特與多腔相互作用系統(tǒng)的有效哈密頓量[2]的形式為

哈密頓量中指標(biāo)為j表示非諧振模式的量子比特耦合指標(biāo)m表示諧振腔，符號(hào)a，b和ω分別代表振幅和頻率，在適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)作用下，系統(tǒng)可以執(zhí)行任意的量子操作，操作速度取決于非線性影響因素和，通常單量子門操作時(shí)間為5到50ns和二量子比特糾纏控制在50到500ns，忽略了腔的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)的影響。適當(dāng)設(shè)計(jì)的電路，盡量的減少由于量子比特周圍電介質(zhì)的影響而引起的損耗，同時(shí)減少能量的輻射到其他電路環(huán)境，使得量子比特相干時(shí)間為100μs，這使得相干時(shí)間內(nèi)成百上千操作成為可能。

4 目前主要的問(wèn)題

目前實(shí)驗(yàn)規(guī)模相對(duì)較小，只有少數(shù)量子比特相互作用，且所有的系統(tǒng)都會(huì)在糾纏情況下發(fā)生耗散，影響系統(tǒng)的相干性，要實(shí)現(xiàn)下一階段量子信息處理，需要通過(guò)糾錯(cuò)增加相干時(shí)間，因?yàn)橹挥性诒３至孔佑洃洜顟B(tài)的情況下，才能進(jìn)行后來(lái)的算法計(jì)算，這要求建立新的系統(tǒng)，并且計(jì)算時(shí)通過(guò)利用連續(xù)測(cè)量和實(shí)時(shí)反饋進(jìn)行量子糾錯(cuò)進(jìn)而保存量子信息。

使用當(dāng)前的方法來(lái)糾錯(cuò)，會(huì)大幅增加計(jì)算復(fù)雜性，一個(gè)比特信息往往需要幾十個(gè)甚至成千上萬(wàn)的物理量子比特實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)的功能，這個(gè)對(duì)于控制和設(shè)計(jì)哈密頓量是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此外，根據(jù)五個(gè)基本原理，在各個(gè)階段都需要其他的硬件增加，以求得能夠向下一個(gè)階段實(shí)現(xiàn)，但發(fā)展到一個(gè)階段并不是簡(jiǎn)單的大規(guī)模生產(chǎn)相同類型的電路和量子比特的問(wèn)題。

目前制造含有大量單元晶片在實(shí)際中并不困難，畢竟超導(dǎo)量子比特最大的優(yōu)點(diǎn)是目前制作晶片的技術(shù)非常的成熟。盡管如此，設(shè)計(jì)構(gòu)建和操作一個(gè)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)對(duì)于半導(dǎo)體集成電路或超導(dǎo)電子學(xué)提出了實(shí)質(zhì)性的挑戰(zhàn)，由于電路元件之間的相互作用可能會(huì)導(dǎo)致加熱或抵消，不同部件之間的相互干擾會(huì)引發(fā)問(wèn)題，引發(fā)比特錯(cuò)誤或電路故障。

還有我們必須知道怎么設(shè)計(jì)多量子比特和控制系統(tǒng)的哈密頓量，這個(gè)超出當(dāng)前的能力，描述一個(gè)系統(tǒng)糾纏的哈密頓量時(shí)，需要測(cè)量的數(shù)據(jù)指數(shù)級(jí)增大，將來(lái)必須設(shè)計(jì)構(gòu)建和操作超過(guò)幾十個(gè)自由度系統(tǒng)，這樣的話，量子計(jì)算的力量，經(jīng)典情況下不能被模擬出來(lái)，這也許表明大型量子處理器應(yīng)該由可以單獨(dú)測(cè)試和表征小模塊構(gòu)成。

5 量子計(jì)算的未來(lái)設(shè)計(jì)

可能要花多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電路完善，未來(lái)發(fā)展中，量子糾錯(cuò)理論可能大大改良電路復(fù)雜度和性能限制，理論上是存在幾種不同的方法，但在實(shí)際中仍然相對(duì)不成熟。

首先是量子糾錯(cuò)編碼模型，信息編碼寄存在糾纏物理量子比特中，假設(shè)發(fā)生錯(cuò)誤，通過(guò)收集量子比特的信息，監(jiān)測(cè)特定量子比特的集體屬性，然后在信息發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞之前，通過(guò)特殊的門撤銷之前的錯(cuò)誤。

另一種方法是表面代碼模型，大量相同的物理量子比特被連接在矩形網(wǎng)格中，通過(guò)特定的四個(gè)相鄰的量子比特之間的聯(lián)系，可以快速進(jìn)行量子非破壞測(cè)量，防止整個(gè)網(wǎng)格發(fā)生錯(cuò)誤。這個(gè)方法的吸引力在于只需要數(shù)量很少的不同類型的元素，一旦這個(gè)基本單元是成功的，后續(xù)的發(fā)展階段可能只是通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)，而且容錯(cuò)率較高，即使在當(dāng)前的容錯(cuò)水平也能達(dá)到百分之幾。

第三個(gè)方法是嵌套模塊模型，這里最基本的單元是邏輯記憶量子比特組成的寄存器，這個(gè)寄存器能夠在進(jìn)行存儲(chǔ)量子信息的同時(shí)并進(jìn)行量子糾錯(cuò)，另外寄存器中存在一些額外的量子比特為可以與內(nèi)存其他模塊通訊。通過(guò)量子比特的通信的糾纏，可以分發(fā)糾纏，最終在模塊間執(zhí)行通用計(jì)算。在這里，操作之間的通信部分允許有相對(duì)較高的錯(cuò)誤率。

其他方法可能包括量子科學(xué)那些與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)根本不同的一些方法，上面描述的方案都是基于“量子比特寄存器模型”，需要在構(gòu)建較大的能夠容納很多二能級(jí)系統(tǒng)的希爾伯特空間，但在原子物理領(lǐng)域非計(jì)算態(tài)的利用已經(jīng)超出二能級(jí)的水平，被用來(lái)作為一個(gè)三比特門超導(dǎo)電路的捷徑，在現(xiàn)有不引入新的錯(cuò)誤的情況下，多能級(jí)非線性振蕩器的使用能夠取代多量子比特方程，這提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

6 結(jié)語(yǔ)

超導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)量子信息處理已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，同時(shí)量子糾錯(cuò)不在僅僅限制在理論上，復(fù)雜的量子系統(tǒng)真正進(jìn)入一個(gè)未知的領(lǐng)域，但即使這個(gè)階段成功，未來(lái)依然會(huì)有很多的挑戰(zhàn)，經(jīng)過(guò)不斷的探索，實(shí)用的量子信息處理未來(lái)可能成為現(xiàn)實(shí)。

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量子概要

如果將磁場(chǎng)中的原子自旋視為一個(gè)量子，這個(gè)原子在同一時(shí)刻的狀態(tài)是自旋軸向上和自旋軸向下同時(shí)存在的總和，即自旋軸向上的同時(shí)也自旋軸向下（量子疊加）。雖然目前物理學(xué)還無(wú)法解釋其中的原因，但理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)都是如此。

在量子世界，不管兩個(gè)有共同來(lái)源的粒子距離多么遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化立即就能影響到另外一個(gè)粒子，是為量子相干。譬如兩電子發(fā)生正向碰撞，若其中一電子是向左自轉(zhuǎn)的，那么另外一電子必是向右自轉(zhuǎn)。一旦量子系統(tǒng)與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，會(huì)導(dǎo)至量子相干性的衰減，即消相干或退相干（即薛定諤貓）。

任何對(duì)量子狀態(tài)的測(cè)量都會(huì)發(fā)生退相干。這是一個(gè)困擾物理學(xué)界的難題。法國(guó)物理學(xué)家阿羅什和美國(guó)物理學(xué)家維因蘭以其獨(dú)立發(fā)明的方法，在不退相干的情況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子狀態(tài)的測(cè)量，從而獲得2012年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

量子計(jì)算

在磁場(chǎng)下，如果原子自旋軸向上為“0”，自旋軸向下為“1”，那么量子比特（qubit，昆比特）在同一時(shí)刻可代表2個(gè)狀態(tài)：“0”和“1”。 一個(gè)量子比特有兩個(gè)狀態(tài)，N個(gè)量子比特就能存入2N個(gè)二進(jìn)制數(shù)。維因蘭稱：“通常，有N個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)可以同時(shí)對(duì)2N個(gè)數(shù)值進(jìn)行操作。300個(gè)量子比特所能存儲(chǔ)的數(shù)值就會(huì)比宇宙中的粒子總數(shù)還要多?！?/p>

假設(shè)磁場(chǎng)中的一串原子，各自有初始的自旋狀態(tài)；一束激光照射過(guò)來(lái)，激光束會(huì)改變一些原子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果能測(cè)量激光束進(jìn)入前后的差異，就能完成量子“計(jì)算”。 阿羅什和維因蘭的成就在于攻克退相干難題，使量子測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)。其成就的意義正如瑞典皇家科學(xué)院所說(shuō)，“他們的突破性方法向著建造基于量子物理的新型超快計(jì)算機(jī)邁出了關(guān)鍵一步”。

量子計(jì)算機(jī)

篇（5）

2量子點(diǎn)和雙邊腔的相互作用

將一個(gè)單電子的量子點(diǎn)嵌入光學(xué)微腔中,用抽運(yùn)光對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激發(fā)可以產(chǎn)生帶負(fù)電的激子X(jué)−,這個(gè)激子是由兩個(gè)電子的自旋和一個(gè)空穴的自旋共同組成的.根據(jù)泡利不相容原理,X−的躍遷由過(guò)剩電子的自旋態(tài)控制.這樣會(huì)導(dǎo)致兩種圓偏振光經(jīng)過(guò)量子點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)的透射和反射呈現(xiàn)不同的性質(zhì),透射和反射系數(shù)也會(huì)有不同的相位和振幅.雙邊腔是指光學(xué)諧振腔的兩端都可以作為光子的輸出端,量子點(diǎn)被嵌在腔的中心.在雙邊腔系統(tǒng)中,光子的自旋是沿著腔的軸方向(z軸)的.根據(jù)光子自旋的不同,量子點(diǎn)-腔系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生兩種典型的躍遷.根據(jù)選擇定則,當(dāng)過(guò)剩電子處于自旋向上的|⟩態(tài),只有|L⟩態(tài)的左旋圓偏振光子被吸收,激子處于|⇑⟩態(tài).如果過(guò)剩電子處于自旋向下的|⟩態(tài),只有右旋圓偏振光子被吸收,激子處于|⇓⟩態(tài).其中,|⇑⟩和|⇓⟩分別代表重穴自旋態(tài)|+3/2⟩和|−3/2⟩.如圖1所示,雙邊光學(xué)腔有兩個(gè)輸出端口.

3光子偏振態(tài)的糾纏濃縮

下面介紹偏振態(tài)糾纏濃縮的原理.假設(shè)兩個(gè)距離很遠(yuǎn)的光子處于較低的糾纏態(tài):可以看到,根據(jù)兩個(gè)量子點(diǎn)自旋態(tài)和輔助光子偏振態(tài)的測(cè)量結(jié)果,可以通過(guò)相應(yīng)的單光子操作使光子A和B處于最大糾纏態(tài)(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2.現(xiàn)在,測(cè)量?jī)蓚€(gè)量子點(diǎn)的自旋態(tài)和輔助光子的偏振態(tài),如果得到|R⟩1|⟩s1|⟩s2,|R⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩2|⟩s1|⟩s2,|L⟩2|⟩s1|⟩s2,|R⟩2|⟩s1|⟩s2,或者|R⟩2|⟩s1|⟩s2,則光子A和B都處于(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2,即最大糾纏態(tài).如果得到其他測(cè)量結(jié)果,則光子A和B都處于(|R⟩A|R⟩B−|L⟩A|L⟩B)/√2,這也是最大糾纏態(tài),并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單的單光子操作變成(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2.所以在理想情況下,得到最大偏振糾纏態(tài)的概率為P=4|γ|2|α+β|2/8+4|δ|2|α+β|2/8+4|γ|2|α−β|2/8+4|δ|2|α−β|2/8=1,本文的方案是確定性的.通道噪聲并不會(huì)影響方案的成功概率,但是影響在通道1或者通道2測(cè)量得到輔助光子的概率。

4討論

以上成功概率是在理想條件下計(jì)算的,沒(méi)有考慮量子點(diǎn)-腔系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度以及腔的泄漏對(duì)方案的影響.如果將耦合強(qiáng)度和腔泄漏率考慮進(jìn)來(lái),則需要計(jì)算系統(tǒng)量子態(tài)的保真度F=|⟨Ψf|Ψ⟩|2.這里,|Ψf⟩是包含外部環(huán)境影響時(shí)系統(tǒng)的最終態(tài),而|Ψ⟩是理想條件下的最終態(tài).本文以|R⟩1|⟩s1|⟩s2的測(cè)量結(jié)果為例,來(lái)說(shuō)明不同的因素對(duì)糾纏濃縮的保真度的影響.

篇（6）

只是模擬設(shè)備

在“D-波”中是用一個(gè)個(gè)超導(dǎo)線路來(lái)模擬量子或原子自旋，系統(tǒng)必須冷卻到接近絕對(duì)零度。自旋有“上”自旋、“下”自旋和“上下疊加”自旋。在“D-波”線路中，用電流方向來(lái)模擬自旋。

“D-波”是否真的在用量子效應(yīng)運(yùn)行？蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)理論物理學(xué)院教授馬提亞?特羅亞和南加州大學(xué)洛杉磯分校的同事一起，對(duì)那里的量子系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試，研究小組得出的結(jié)論是不能一概而論：一方面，他們證明了“D-波”確實(shí)是利用量子效應(yīng)運(yùn)行的；而另一方面，研究人員也說(shuō)：“‘D-波’只是一個(gè)模擬設(shè)備，一臺(tái)用于解決最優(yōu)化問(wèn)題的樣機(jī)。對(duì)它更準(zhǔn)確的描述是，一臺(tái)可編程的量子模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)?！碧亓_亞說(shuō)：“毫無(wú)疑問(wèn)‘D-波’不是一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)?！?/p>

量子效應(yīng)持續(xù)極短

為了對(duì)“D-波”進(jìn)行測(cè)試，研究人員寫了數(shù)千個(gè)復(fù)雜性不等的問(wèn)題，把每個(gè)問(wèn)題在3個(gè)系統(tǒng)上各運(yùn)行了一千次。一個(gè)系統(tǒng)是“D-波”，另兩個(gè)是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的最優(yōu)化問(wèn)題模擬程序：一個(gè)考慮量子效應(yīng)，另一個(gè)不考慮。對(duì)于每個(gè)任務(wù)，研究人員記錄下各系統(tǒng)給出正確答案的頻率。結(jié)果“D-波”的表現(xiàn)和考慮了量子效應(yīng)的模擬程序相同，而有別于沒(méi)考慮量子效應(yīng)的模擬程序。

面對(duì)這樣的結(jié)果，研究人員也感到吃驚，因?yàn)椤癉-波”的量子相干持續(xù)時(shí)間極為短暫，只有幾十億分之一秒，而通常要解決一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題需要的時(shí)間是這一時(shí)間的500倍。大部分專家認(rèn)為，“D-波”的量子效應(yīng)簡(jiǎn)直不能發(fā)揮任何作用。不過(guò)特羅亞解釋說(shuō)，“讓量子效應(yīng)在所有時(shí)間都保持相干也是沒(méi)有必要的”。

速度不比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快

篇（7）

我們所看到的宏觀世界，來(lái)自于億萬(wàn)個(gè)粒子的相互作用，但深入到微觀世界，粒子所呈現(xiàn)的更多是量子特性。遺憾的是，我們一直以來(lái)只能從理論上預(yù)測(cè)粒子的量子行為，從它們的外在表現(xiàn)來(lái)驗(yàn)證理論的正確性，從來(lái)沒(méi)有真實(shí)的看到單個(gè)粒子的狀態(tài)。量子力學(xué)的奠基人之一薛定諤曾解釋道，根據(jù)量子原理，箱子打開前，箱中之貓“既死又活”，必須打開箱子看一眼貓是死是活才能確定。

那么這兩位“魔術(shù)師”是怎樣抓住“薛定諤的貓”呢？我們可以把阿羅什的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單化來(lái)理解。如果你按照日常的方法去“看”一個(gè)光子，這意味著你的眼睛或者相機(jī)或者光感受器會(huì)把光子吸收掉，這個(gè)光子就沒(méi)了，被摧毀了。

所以，為了“看見”光，我們必須使用非破壞性的測(cè)試。一種測(cè)試方法是設(shè)一個(gè)真空、零下272攝氏度的盒子，盒子內(nèi)壁鋪滿超級(jí)反光的鏡子——反光度好到能讓一個(gè)光子來(lái)回反彈高達(dá)十億次之久才會(huì)被吸收，在這段時(shí)間里，它旅行的距離等同于繞地球一圈。

篇（8）

但巨高性能計(jì)算機(jī)仍是信息時(shí)代的高科技標(biāo)志物件之一。2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)給了法國(guó)人塞爾日·阿羅什和美國(guó)人大衛(wèi)·維恩蘭德，這兩位科學(xué)家的研究成果為新一代超級(jí)量子計(jì)算機(jī)的誕生提供了可能性。

惡搞一下：法國(guó)人浪漫，而簡(jiǎn)稱美國(guó)人為美人，那么，浪漫人美人=？

文藝范兒的信息

不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達(dá)了。其實(shí)，“信息”最初是相當(dāng)文藝范兒的，而不是20世紀(jì)中期才開始熱門起來(lái)的科技詞匯。

一般認(rèn)為，中文的“信息”一詞出自南唐詩(shī)人李中《暮春懷故人》：“夢(mèng)斷美人沉信息，目穿長(zhǎng)路倚樓臺(tái)?！薄?“美眉音信消息全無(wú)啊，夢(mèng)里也夢(mèng)不到你，我獨(dú)自上樓倚欄，望眼欲穿望到長(zhǎng)路盡頭也不見你?！边@么拙劣地意譯，也讓人感覺(jué)到深深的思念。

其實(shí)，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩(shī)人杜牧《寄遠(yuǎn)》里就有“信息”了：“塞外音書無(wú)信息，道旁車馬起塵埃?！边€有比小杜更早的，唐朝詩(shī)人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來(lái)無(wú)信息，可謂井瓶沉?！?/p>

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過(guò)“信息”這個(gè)詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當(dāng)年安樂(lè)的故鄉(xiāng)，心理上把信息的價(jià)格定成了真正的天價(jià)：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉(xiāng)關(guān)新信息?！薄昵暗奶扑沃袊?guó)，其高科技雖是世界第一，但信息技術(shù)還是跟現(xiàn)在沒(méi)法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來(lái)傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。

在地球的西方呢？雖然香農(nóng)1948年就劃時(shí)代地把信息引為數(shù)學(xué)研究的對(duì)象，賦予其新的科學(xué)的涵義；至1956年，“人工智能”術(shù)語(yǔ)也出現(xiàn)了?？勺钤缬懻摂?shù)據(jù)、信息、知識(shí)與智慧之間關(guān)系的，卻是得過(guò)諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)的大詩(shī)人艾略特（T. S. Eliot；錢鐘書故意譯為“愛(ài)利惡德”）。他在1934年的詩(shī)歌“The Rock”中寫道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我們迷失于生活中的生命在哪里？

我們迷失于知識(shí)中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識(shí)在哪里？

我們迷失于數(shù)據(jù)中的信息在哪里？

盡管第四句是好事者后加的，但詩(shī)人還是直指本質(zhì)地提出了信息暴炸時(shí)代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數(shù)據(jù)中？

量子計(jì)算機(jī)和量子信息技術(shù)，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒(méi)在數(shù)據(jù)的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計(jì)算機(jī)

量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎(chǔ)。客觀世界有物質(zhì)、能量?jī)煞N存在形式，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)換（見愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程），量子理論就是從研究極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)的能量入手而建立起來(lái)的。

我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現(xiàn)象和規(guī)則。經(jīng)典物理學(xué)理論中的能量是連續(xù)變化的，可取任意值，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微觀世界中的很多物理現(xiàn)象無(wú)法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時(shí)提出：像原子是一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是一份一份地進(jìn)行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質(zhì)波”概念，即一切物質(zhì)粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學(xué)，薛定諤建立了量子波動(dòng)力學(xué)，量子理論進(jìn)入了量子力學(xué)階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對(duì)量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，成功地將相對(duì)論和量子力學(xué)兩大理論體系結(jié)合起來(lái)，使量子理論進(jìn)入量子場(chǎng)論階段。

“量子”詞源拉丁語(yǔ)quantum，意為“某數(shù)量的某事物”?，F(xiàn)代物理學(xué)中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行的，而不是連續(xù)的，這個(gè)最小的基本單位叫做量子；或者說(shuō)，一個(gè)物理量如果有不可連續(xù)分割的最小的基本單位，則這個(gè)物理量（所有的有形性質(zhì)）是“可量子化的”，或者說(shuō)其物理量的數(shù)值會(huì)是特定的數(shù)值而非任意值。例如，在（休息狀態(tài)）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩(wěn)定和一般問(wèn)題。

雖然量子理論與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)感覺(jué)的世界大不一樣，但量子力學(xué)已經(jīng)在真實(shí)世界應(yīng)用。激光器工作的原理，實(shí)際上就是激發(fā)一個(gè)特定量子散發(fā)能量?，F(xiàn)代社會(huì)要處理大量數(shù)據(jù)和信息，需要計(jì)算的機(jī)器（計(jì)算機(jī)）。量子力學(xué)的突破，使瓦格納等于1930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體同時(shí)有導(dǎo)體和絕緣體的性質(zhì)，后來(lái)才有了用于電子計(jì)算機(jī)的同時(shí)作為電子信號(hào)放大器和轉(zhuǎn)換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個(gè)尖端芯片可集聚數(shù)十億個(gè)微處理器。

隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)能耗導(dǎo)致發(fā)熱而影響芯片集成度，限制了計(jì)算速度；能耗源于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作，但計(jì)算機(jī)都可找到對(duì)應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)且不影響運(yùn)算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學(xué)中則可用一個(gè)幺正變換來(lái)表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學(xué)的信息處理”。1980年代量子計(jì)算機(jī)的理論變得很熱鬧。費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，數(shù)據(jù)量大至無(wú)法用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，在1982年提出用量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算以減少運(yùn)算時(shí)間；杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。1994年，數(shù)學(xué)家彼得·秀爾提出量子質(zhì)因子分解算法，因其可破解現(xiàn)行銀行和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的加密，許多人開始研究實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)。

在物理上，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)串行按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由機(jī)器內(nèi)部半導(dǎo)體集成邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是傳統(tǒng)信號(hào)（輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)），存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的每個(gè)單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)。而量子計(jì)算機(jī)靠控制原子或小分子的狀態(tài)，用量子算法運(yùn)算數(shù)據(jù)，輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因?yàn)榱孔討B(tài)有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個(gè)本質(zhì)特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個(gè)“0”或兩個(gè)“1”，即可同時(shí)存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11），實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算（量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種傳統(tǒng)計(jì)算，所有傳統(tǒng)計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果），從而呈指數(shù)級(jí)地提高了運(yùn)算能力——一臺(tái)未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)3分鐘就能搞定當(dāng)今世界上所有電子計(jì)算機(jī)合起來(lái)100萬(wàn)年才能處理完的數(shù)據(jù)。用量子力學(xué)語(yǔ)言說(shuō)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是沒(méi)有用到量子力學(xué)中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計(jì)算機(jī)。從理論上講，一個(gè)250量子比特（由250個(gè)原子構(gòu)成）的存儲(chǔ)器，可能存儲(chǔ)2的250次方個(gè)二進(jìn)制數(shù)，比人類已知宇宙中的全部原子數(shù)還多。而且，集成芯片制造業(yè)很快將步入16納米的工藝，而量子效應(yīng)將嚴(yán)重影響芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，又因傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計(jì)算。

量子世界的死貓活貓與粒子控制

喜好科技的文藝青年可能看過(guò)美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關(guān)在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由一個(gè)獨(dú)立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動(dòng)開關(guān)，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構(gòu)想的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，被引為解釋量子世界的經(jīng)典。而量子理論認(rèn)為，單個(gè)原子的狀態(tài)其實(shí)不是非此即彼，或說(shuō)箱里的原子既衰變又沒(méi)有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對(duì)應(yīng)到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠(yuǎn)也不知道貓的死活，它永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)。

宏觀態(tài)的確定性，其實(shí)是億萬(wàn)微觀粒子、無(wú)數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。微觀粒子通常表現(xiàn)為兩種截然不同的狀態(tài)糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態(tài)，只要稍一揭開箱蓋，疊加態(tài)立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態(tài)變成宏觀的確定態(tài)。用實(shí)驗(yàn)研究量子，首先要捕獲單個(gè)的量子。即若不分離出單個(gè)粒子，則粒子神秘的量子性質(zhì)便會(huì)消失?？茖W(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)頭疼的是，未找到既不破壞量子態(tài)，又能實(shí)際觀測(cè)它的實(shí)驗(yàn)方法，他們只能在頭腦中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，而無(wú)法實(shí)際驗(yàn)證其預(yù)言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發(fā)明了在保持個(gè)體粒子的量子力學(xué)屬性的情況下對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)和操控的方法，則可實(shí)證地說(shuō)出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級(jí)量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)了更大可能，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)的部分——得到1個(gè)量子比特已獲成功。

光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見光或其他電磁波，原子構(gòu)成物質(zhì)。他們研究光與物質(zhì)間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來(lái)捕捉、控制以及測(cè)量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對(duì)零度（約-273℃）。一個(gè)光子進(jìn)入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過(guò)發(fā)射原子穿過(guò)阱，控制并測(cè)量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營(yíng)造出一個(gè)電場(chǎng)囚籠，粒子像是被裝進(jìn)碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個(gè)最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個(gè)光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測(cè)工具，從而得到光子的數(shù)據(jù)。維因蘭德向碗中發(fā)射激光，通過(guò)觀測(cè)光譜線而得到碗底粒子的數(shù)據(jù)。

2007年以來(lái)，加拿大、美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)的科學(xué)家都說(shuō)自己研制出了某種級(jí)別的量子計(jì)算機(jī)，但到今天卻仍無(wú)一個(gè)投入實(shí)用。光鐘更接近現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榭刹倏貑蝹€(gè)量子，就能按意愿調(diào)控量子的振蕩（相當(dāng)于鐘擺）頻率，越高越精；目前實(shí)驗(yàn)的光鐘，若從宇宙產(chǎn)生起開始計(jì)時(shí)，至今只誤差5秒。光鐘可使衛(wèi)星定位和計(jì)算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術(shù)

科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀(jì)公園》、《失去的世界》等）在科幻小說(shuō)《時(shí)間線》中，曾文藝化地描述量子計(jì)算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲洞”、“量子運(yùn)輸”、“量子糾纏態(tài)”、“電子的32個(gè)量子態(tài)”等讓常人倍感高深的說(shuō)法。其中一些如今正在證實(shí)或變現(xiàn)。

如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時(shí)就很可能是另外一種結(jié)局，今天也不會(huì)有的問(wèn)題了。目前世界的密碼系統(tǒng)大都采用單項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解等數(shù)學(xué)原理，例如目前網(wǎng)絡(luò)上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計(jì)算的并行性，能輕松破解以大數(shù)因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現(xiàn)有密碼體系?？烧f(shuō)量子這種技術(shù)在現(xiàn)代軍事上的意義不亞于核彈。但同時(shí)，量子信息技術(shù)也將發(fā)展出一種理論上永遠(yuǎn)無(wú)法破譯的密碼——量子密碼。

篇（9）

人類正被數(shù)據(jù)淹沒(méi)，卻饑渴于知識(shí)。面臨浩瀚無(wú)際而被污染的數(shù)據(jù)，人們呼喚從數(shù)據(jù)中來(lái)一個(gè)去粗取精、去偽存真的技術(shù)。而數(shù)據(jù)挖掘就是從大量數(shù)據(jù)中識(shí)別出有效的、新穎的、潛在有用的，以及最終可理解的知識(shí)和模式的高級(jí)操作過(guò)程，所以數(shù)據(jù)挖掘也可以說(shuō)是一個(gè)模式識(shí)別的過(guò)程，因此模式識(shí)別領(lǐng)域的許多技術(shù)經(jīng)過(guò)一定的改進(jìn)便可以在數(shù)據(jù)挖掘中起重要的作用。計(jì)算智能(Computational Intelligence-CI)方法是傳統(tǒng)人工智能(Artificial Intelligence，AI)的擴(kuò)展，它是模式識(shí)別技術(shù)發(fā)展的新階段[1]。

科學(xué)家預(yù)言：“21世紀(jì)，人類將從經(jīng)典信息時(shí)代跨越到量子信息時(shí)代”。創(chuàng)立了一個(gè)世紀(jì)的量子力學(xué)隨著20世紀(jì)90年代與信息科學(xué)交叉融合誕生的量子信息學(xué)，已成為量子信息時(shí)代來(lái)臨的重要標(biāo)志[2]。量子計(jì)算智能導(dǎo)論作為信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能信息處理、人工智能等相關(guān)專業(yè)的研究生專業(yè)課程，已經(jīng)在越來(lái)越多的高等學(xué)校開設(shè)。

由于量子計(jì)算智能是一門跨越包括物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子機(jī)械、通訊、生理學(xué)、進(jìn)化理論和心理學(xué)等學(xué)科在內(nèi)的深?yuàn)W科學(xué)，因此量子計(jì)算智能導(dǎo)論的教學(xué)內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)的安排目前仍處在探索階段，尤其作為研究生課程如何使得學(xué)生在掌握深?yuàn)W理論的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，將理論轉(zhuǎn)化為技術(shù)與工具，從而提高動(dòng)手能力，這是每個(gè)研究生專業(yè)課任課老師的核心探索所在，因此就要求老師在授業(yè)解惑的同時(shí)關(guān)注前沿，以該學(xué)科的前沿領(lǐng)域?yàn)榻虒W(xué)指引，進(jìn)而更好的培養(yǎng)研究生主動(dòng)探索知識(shí)的能力。

1教材選擇

一本好的教材為教學(xué)起到了畫龍點(diǎn)睛的作用，因此教材的選擇即是老師對(duì)教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法的選擇。我們選擇教材，期望該教材由淺入深、深入淺出、可讀性好，具有系統(tǒng)性、交叉性、前沿性等特點(diǎn)。由于量子計(jì)算智能導(dǎo)論為全校研究生的專業(yè)課程，而量子計(jì)算智能是一門多學(xué)科交叉的綜合型學(xué)科，因此我們要考慮到來(lái)自學(xué)校不同專業(yè)背景，以及在物理，數(shù)學(xué)，工程優(yōu)化和進(jìn)化理論基礎(chǔ)有限的兩難困境，所以首先選擇了一本關(guān)于量子計(jì)算的英文原版書作為教材之一，Michael Nielsen等人所著的《Quantum Computation and Quantum Information》[3]，2003年高等教育出版社出版，該書全面介紹了量子計(jì)算與量子信息學(xué)領(lǐng)域的主要思想與技術(shù)。到目前為止，該領(lǐng)域的高速進(jìn)展與學(xué)科交叉的特性使得初學(xué)者感到困惑而不易對(duì)其主要技術(shù)與結(jié)論有綜合性的認(rèn)識(shí)，而該書特色在于對(duì)量子機(jī)制和計(jì)算機(jī)科學(xué)給予了指導(dǎo)性介紹，使得那些沒(méi)有物理學(xué)或計(jì)算機(jī)科學(xué)背景的學(xué)生對(duì)此也易于接受，為學(xué)生提供了詳實(shí)的關(guān)于量子計(jì)算的物理原理和基本概念；另外考慮到這門課程面向研究生，無(wú)論將來(lái)他們是直接就業(yè)還是繼續(xù)深造，都要注重實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，要能夠?qū)⒆约核鶎W(xué)的書本知識(shí)轉(zhuǎn)化為技術(shù)和工具，去解決實(shí)際的工程和科研問(wèn)題，因此我們還選擇了另外一門書，由李士勇教授所著的《量子計(jì)算與量子優(yōu)化算法》[4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社于2009年出版，該書著重講解了量子優(yōu)化算法，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了新的思路，并啟發(fā)大家在量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有走出實(shí)驗(yàn)室的今天，如何利用現(xiàn)有的數(shù)字式計(jì)算機(jī)構(gòu)造具有量子特性的快速算法。當(dāng)然考慮到全校研究生的專業(yè)知識(shí)背景不同，我們也推薦了中南大學(xué)蔡自興教授等編著，2004年由清華大學(xué)出版社出版的《人工智能及其應(yīng)用：研究生用書(第三版)》[5]，該書是蔡自興為主講教授的國(guó)家精品課程人工智能的配套教材，該本書中系統(tǒng)全面的講解了高級(jí)知識(shí)推理、分布式人工智能與艾真體、計(jì)算智能、進(jìn)化計(jì)算、群智能優(yōu)化、自然計(jì)算、免疫計(jì)算以及知識(shí)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘等近年的熱點(diǎn)智能方法，從而輔助學(xué)生了解人工智能，以及人工智能如何發(fā)展到計(jì)算智能，使得學(xué)生全面認(rèn)識(shí)學(xué)科的發(fā)展和傳承性，為今后學(xué)習(xí)量子計(jì)算智能打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2教學(xué)內(nèi)容

本課程從量子計(jì)算的基本概念和原理出發(fā)，重點(diǎn)講解量子計(jì)算基礎(chǔ)和基本的量子算法；并從量子優(yōu)化算法拓展開來(lái)。該門課程我們安排了46學(xué)時(shí)，具體安排如下：第1章，量子力學(xué)基礎(chǔ)(2學(xué)時(shí))；第2章，量子計(jì)算基礎(chǔ)(4學(xué)時(shí))；第3章，基本量子算法(4學(xué)時(shí))；第4章，Grover量子搜索算法的改進(jìn)(4學(xué)時(shí))；第5章，量子遺傳算法(8學(xué)時(shí))；第6章，量子群智能優(yōu)化算法(8學(xué)時(shí))；第7章，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與算法(8學(xué)時(shí))；第8章，量子遺傳算法在模糊神經(jīng)控制中的應(yīng)用(8學(xué)時(shí))。

3教學(xué)方法

3.1理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法

量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門多學(xué)科交叉的綜合型學(xué)科。選課的同學(xué)來(lái)自全校，各個(gè)的專業(yè)背景不同，但是大家的共同需求是一樣的，就是從課程中掌握一種用于解決實(shí)際問(wèn)題的工程技術(shù)，但是工程技術(shù)的掌握也需要理論的支撐，因此我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中總結(jié)出了一套方法，具體做法是將教學(xué)內(nèi)容劃分為：理論型和實(shí)踐型。

理論型教學(xué)指的是發(fā)展完善的量子計(jì)算基本原理和方法。其內(nèi)容包括：量子位、量子線路、量子Fourier 變換、量子搜索算法和量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)等。而其中量子位、量子線路以及量子算法都是以量子相對(duì)論為基礎(chǔ)的，這也是量子計(jì)算的本質(zhì)原理，而較之我們熟悉的數(shù)字式計(jì)算機(jī)和計(jì)算方式有著本質(zhì)的區(qū)別。我們?cè)诮虒W(xué)中由淺入深，通過(guò)PPT授課，采取理論與實(shí)例相結(jié)合的講授方式。下面給出了一個(gè)我們?cè)诮虒W(xué)中的實(shí)例：將量子計(jì)算問(wèn)題形象化。具體內(nèi)容如下。

讓我們想象一下下面這個(gè)問(wèn)題。我們要找一條穿過(guò)復(fù)雜迷宮的路。每次我們沿著一條路走，很快就會(huì)碰到新的岔路。即使知道出去的路，還是容易迷路。換句話說(shuō)，有一個(gè)著名的走迷宮算法就是右手法則――順著右手邊的墻走，直到出去(包括繞過(guò)絕路)。這條路也許并不很短，但是至少您不會(huì)反復(fù)走相同的過(guò)道。以計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)表述，這條規(guī)則也可以稱作遞歸樹下行。現(xiàn)在讓我們想象另外一種解決方案。站在迷宮入口，釋放足夠數(shù)量的著色氣體，以同時(shí)充滿迷宮的每條過(guò)道。讓一位合作者站在出口處。當(dāng)她看到一縷著色氣體出來(lái)時(shí)，就向那些氣體粒子詢問(wèn)它們走過(guò)的路徑。她詢問(wèn)的第一個(gè)粒子走過(guò)的路徑最有可能是穿過(guò)迷宮的所有可能路徑中最短的一條。當(dāng)然，氣體顆粒絕不會(huì)給我們講述它們的旅行。但是 量子算法以一種同我們的方案非常類似的方式運(yùn)作。即，量子算法先把整個(gè)問(wèn)題空間填滿，然后只需費(fèi)心去問(wèn)問(wèn)正確的解決方案(把所有的絕路排除在答案空間以外)。這樣以來(lái)，一個(gè)枯燥晦澀的量子算法就被很形象的解釋，因此增強(qiáng)了學(xué)生的記憶也加深了理解，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)踐型教學(xué)指的是正在發(fā)展中的量子計(jì)算智能方法的熱點(diǎn)問(wèn)題。其內(nèi)容包括：量子遺傳算法，混沌量子免疫算法，量子蟻群算法，量子粒子群算法，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與算法，和這些算法在實(shí)際工程優(yōu)化中的應(yīng)用。這部分內(nèi)容屬于本學(xué)科的前沿，但也是熱點(diǎn)問(wèn)題，因此這部分我們?cè)诮虒W(xué)中忽略理論推導(dǎo)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實(shí)際操作，在PPT課件中增加仿真實(shí)例的講解；并在課下布置相應(yīng)的上機(jī)操作習(xí)題，配合上機(jī)實(shí)踐課程，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)也引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注這些前沿，從而培養(yǎng)他們的科研素養(yǎng)。

為了體現(xiàn)該門課的教學(xué)特點(diǎn)，我們?cè)诳己朔绞缴?，采取考試與報(bào)告相結(jié)合的方式，其中理論部分我們采取閉卷考試，占總考評(píng)分?jǐn)?shù)的40%；實(shí)踐部分采取上機(jī)技術(shù)報(bào)告考核，內(nèi)容為上機(jī)實(shí)踐課程布置的大作業(yè)，給出詳實(shí)的算法流程圖和仿真結(jié)果與分析，占總考評(píng)分?jǐn)?shù)的40%；出勤率占總考評(píng)分?jǐn)?shù)的20%。

3.2科研素養(yǎng)的培養(yǎng)與實(shí)踐能力的提高

科研素養(yǎng)的最核心部分，就是一個(gè)人對(duì)待科研情感態(tài)度和價(jià)值觀，科研素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅使學(xué)生獲得知識(shí)和技能，更重要的是使其獲得科學(xué)思想、科學(xué)精神和科學(xué)方法的熏陶和培養(yǎng)。正如溫總理說(shuō)的那樣：“教是為了不教，學(xué)是為了會(huì)學(xué)”，當(dāng)學(xué)生將課本內(nèi)容遺忘后，遺留下來(lái)的東西即是他們所具備的科研素養(yǎng)。因此，在教學(xué)中，我們的宗旨也是提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的學(xué)科，該學(xué)科的發(fā)展日新月異，在信息處理領(lǐng)域的關(guān)注度也越來(lái)越高。在教學(xué)實(shí)踐中，我們采用了上機(jī)實(shí)踐和技術(shù)報(bào)告相結(jié)合的教學(xué)方式。掌握各種量子計(jì)算智能方法的原理和流程是這門課程教學(xué)的首要任務(wù)，因此學(xué)生結(jié)合各自研究方向?qū)崿F(xiàn)量子智能算法在實(shí)際科研任務(wù)中的優(yōu)化問(wèn)題求解。在上機(jī)實(shí)踐中，學(xué)生不僅要掌握該智能算法的流程而且重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)

自己科研任務(wù)的建模，學(xué)會(huì)系統(tǒng)分析問(wèn)題，建立合理的數(shù)學(xué)模型，并給出理論分析。上機(jī)實(shí)踐驗(yàn)收中，我們不但考察其結(jié)果展示，更增加了上機(jī)實(shí)踐的技術(shù)報(bào)告，用來(lái)分析模型建立的合理性，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)待科研問(wèn)題的分析素養(yǎng)和建模素養(yǎng)。在技術(shù)報(bào)告中，我們要求學(xué)生給出幾種可供參考的建模模型，并分析各自的優(yōu)勢(shì)，和選擇這一解決方案的依據(jù)。由于量子計(jì)算智能導(dǎo)論是面向研究生開設(shè)的課程，在教學(xué)中，我們更佳關(guān)注其分析問(wèn)題的能力，和解決問(wèn)題的合理性的思考能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

4結(jié)語(yǔ)

把教學(xué)當(dāng)做一門藝術(shù)，是我們作為高校老師畢生追求的目標(biāo)，如何做到重點(diǎn)講透，難點(diǎn)講通，要點(diǎn)講清，這也是我們多年教學(xué)中一直關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)。我們?cè)诮虒W(xué)中反對(duì)“灌輸式”，強(qiáng)調(diào)“啟發(fā)式”，以實(shí)際應(yīng)用先導(dǎo)教學(xué)是非?？扇〉模彩盏搅肆己玫男Ч?。量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門綜合型交叉學(xué)科，且面向研究生開設(shè)，因此在教學(xué)實(shí)踐中，我們十分重視學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。通過(guò)上機(jī)實(shí)踐和技術(shù)報(bào)告的形式引導(dǎo)學(xué)生積極動(dòng)手，積極思考。希望這些教學(xué)中的點(diǎn)滴供同行們交流探討。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 田新華. 跟蹤國(guó)際學(xué)術(shù)前沿迎接量子信息時(shí)代:《量子計(jì)算與量子優(yōu)化算法》評(píng)介[J]. 科技導(dǎo)報(bào),2010,28(6):122.

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[4] 李士勇,李盼池. 量子計(jì)算與量子優(yōu)化算法[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[5] 蔡自興,徐光v. 人工智能及其應(yīng)用:研究生用書[M]. 3版. 北京:清華大學(xué)出版社,2004.

Exploration on Introduction to Quantum Computational Intelligence

LI Yangyang, SHANG Ronghua, JIAO Licheng

篇（10）

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過(guò)化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計(jì)算方法在近幾十年來(lái)取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級(jí)問(wèn)題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對(duì)量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看蟆⒐ぷ麟妷焊?、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對(duì)摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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篇（11）

目前電子商務(wù)日益普及,電子貨幣、電子支票、信用卡等綜合網(wǎng)絡(luò)支付手段已經(jīng)得到普遍使用。在網(wǎng)絡(luò)支付中,隱私信息需要防止被竊取或盜用。同時(shí),訂貨和付款等信息被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手獲悉或篡改還可能喪失商機(jī)等。因此在網(wǎng)絡(luò)支付中信息均有加密要求。

一、量子計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，破譯數(shù)學(xué)密碼的難度也在降低。若能對(duì)任意極大整數(shù)快速做質(zhì)數(shù)分解，就可破解目前普遍采用的RSA密碼系統(tǒng)。但是以傳統(tǒng)已知最快的方法對(duì)整數(shù)做質(zhì)數(shù)分解，其復(fù)雜度是此整數(shù)位數(shù)的指數(shù)函數(shù)。正是如此巨額的計(jì)算復(fù)雜度保障了密碼系統(tǒng)的安全。

不過(guò)隨著量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),計(jì)算達(dá)到超高速水平。其潛在計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，如一臺(tái)具有5000個(gè)左右量子位(qubit)的量子計(jì)算機(jī)可以在30秒內(nèi)解決傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要100億年才能解決的問(wèn)題。量子位可代表了一個(gè)0或1,也可代表二者的結(jié)合,或是0和1之間的一種狀態(tài)。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理,一個(gè)量子可同時(shí)有兩種狀態(tài),即一個(gè)量子可同時(shí)表示0和1。因此采用L個(gè)量子可一次同時(shí)對(duì)2L個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而一步完成海量計(jì)算。

這種對(duì)計(jì)算問(wèn)題的描述方法大大降低了計(jì)算復(fù)雜性，因此建立在這種能力上的量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所無(wú)法相比的。例如一臺(tái)只有幾千量子比特的相對(duì)較小量子計(jì)算機(jī)就能破譯現(xiàn)存用來(lái)保證網(wǎng)上銀行和信用卡交易信息安全的所有公用密鑰密碼系統(tǒng)。因此，量子計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)現(xiàn)在的密碼系統(tǒng)造成極大威脅。不過(guò)，量子力學(xué)同時(shí)也提供了一個(gè)檢測(cè)信息交換是否安全的辦法，即量子密碼技術(shù)。

二、量子密碼技術(shù)的原理

從數(shù)學(xué)上講只要掌握了恰當(dāng)?shù)姆椒ㄈ魏蚊艽a都可破譯。此外，由于密碼在被竊聽、破解時(shí)不會(huì)留下任何痕跡，用戶無(wú)法察覺(jué)，就會(huì)繼續(xù)使用同地址、密碼來(lái)存儲(chǔ)傳輸重要信息，從而造成更大損失。然而量子理論將會(huì)完全改變這一切。

自上世紀(jì)90年代以來(lái)科學(xué)家開始了量子密碼的研究。因?yàn)椴捎昧孔用艽a技術(shù)加密的數(shù)據(jù)不可破譯，一旦有人非法獲取這些信息,使用者就會(huì)立即知道并采取措施。無(wú)論多么聰明的竊聽者在破譯密碼時(shí)都會(huì)留下痕跡。更驚嘆的是量子密碼甚至能在被竊聽的同時(shí)自動(dòng)改變。毫無(wú)疑問(wèn)這是一種真正安全、不可竊聽破譯的密碼。

以往密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)，而量子密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)，利用物理學(xué)原理來(lái)保護(hù)信息。其原理是“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”中所包含的一個(gè)特性，即當(dāng)有人對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行偷窺時(shí)，同時(shí)也會(huì)破壞這個(gè)系統(tǒng)。在量子物理學(xué)中有一個(gè)“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”,如果人們開始準(zhǔn)確了解到基本粒子動(dòng)量的變化，那么也就開始喪失對(duì)該粒子位置變化的認(rèn)識(shí)。所以如果使用光去觀察基本粒子,照亮粒子的光(即便僅一個(gè)光子)的行為都會(huì)使之改變路線,從而無(wú)法發(fā)現(xiàn)該粒子的實(shí)際位置。從這個(gè)原理也可知，對(duì)光子來(lái)講只有對(duì)光子實(shí)施干擾才能“看見”光子。因此對(duì)輸運(yùn)光子線路的竊聽會(huì)破壞原通訊線路之間的相互關(guān)系,通訊會(huì)被中斷,這實(shí)際上就是一種不同于傳統(tǒng)需要加密解密的加密技術(shù)。在傳統(tǒng)加密交換中兩個(gè)通訊對(duì)象必須事先擁有共同信息——密鑰，包含需要加密、解密的算法數(shù)據(jù)信息。而先于信息傳輸?shù)拿荑€交換正是傳統(tǒng)加密協(xié)議的弱點(diǎn)。另外,還有“單量子不可復(fù)制定理”。它是上述原理的推論,指在不知道量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個(gè)量子是不可能的,因?yàn)橐獜?fù)制單個(gè)量子就必須先做測(cè)量,而測(cè)量必然會(huì)改變量子狀態(tài)。根據(jù)這兩個(gè)原理,即使量子密碼不幸被電腦黑客獲取,也會(huì)因測(cè)量過(guò)程中對(duì)量子狀態(tài)的改變使得黑客只能得到一些毫無(wú)意義的數(shù)據(jù)。

量子密碼就是利用量子狀態(tài)作為信息加密、解密的密鑰，其原理就是被愛(ài)因斯坦稱為“神秘遠(yuǎn)距離活動(dòng)”的量子糾纏。它是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，指不論兩個(gè)粒子間距離有多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化都會(huì)影響另一個(gè)粒子。因此當(dāng)使用一個(gè)特殊晶體將一個(gè)光子割裂成一對(duì)糾纏的光子后，即使相距遙遠(yuǎn)它們也是相互聯(lián)結(jié)的。只要測(cè)量出其中一個(gè)被糾纏光子的屬性，就容易推斷出其他光子的屬性。而且由這些光子產(chǎn)生的密碼只有通過(guò)特定發(fā)送器、吸收器才能閱讀。同時(shí)由于這些光子間的“神秘遠(yuǎn)距離活動(dòng)”獨(dú)一無(wú)二，只要有人要非法破譯這些密碼，就會(huì)不可避免地?cái)_亂光子的性質(zhì)。而且異動(dòng)的光子會(huì)像警鈴一樣顯示出入侵者的蹤跡，再高明的黑客對(duì)這種加密技術(shù)也將一籌莫展。

三、量子密碼技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)支付中的發(fā)展與應(yīng)用

由于量子密碼技術(shù)具有極好的市場(chǎng)前景和科學(xué)價(jià)值，故成為近年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界的一個(gè)前沿研究熱點(diǎn)，歐洲、北美和日本都進(jìn)行了大量的研究。在一些前沿領(lǐng)域量子密碼技術(shù)非常被看好，許多針對(duì)性的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。例如美國(guó)的BBN多種技術(shù)公司正在試驗(yàn)將量子密碼引進(jìn)因特網(wǎng)，并抓緊研究名為“開關(guān)”的設(shè)施，使用戶可在因特網(wǎng)的大量加密量子流中接收屬于自己的密碼信息。應(yīng)用在電子商務(wù)中，這種設(shè)施就可以確保在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)支付時(shí)用戶密碼等各重要信息的安全。

2007年3月國(guó)際上首個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)由我國(guó)科學(xué)家郭光燦在北京測(cè)試運(yùn)行成功。這是迄今為止國(guó)際公開報(bào)道的惟一無(wú)中轉(zhuǎn)、可同時(shí)任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著量子保密通信技術(shù)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向網(wǎng)絡(luò)化邁出了關(guān)鍵一步。2007年4月日本的研究小組利用商業(yè)光纖線路成功完成了量子密碼傳輸?shù)尿?yàn)證實(shí)驗(yàn)，據(jù)悉此研究小組還計(jì)劃在2010年將這種量子密碼傳輸技術(shù)投入使用，為金融機(jī)構(gòu)和政府機(jī)關(guān)提供服務(wù)。

隨著量子密碼技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來(lái)它將在網(wǎng)絡(luò)支付的信息保護(hù)方面得到廣泛應(yīng)用，例如獲取安全密鑰、對(duì)數(shù)據(jù)加密、信息隱藏、信息身份認(rèn)證等。相信未來(lái)量子密碼技術(shù)將在確保電子支付安全中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn):