序言：作為思想的載體和知識(shí)的探索者，寫作是一種獨(dú)特的藝術(shù)，我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備了不同風(fēng)格的5篇量子計(jì)算的作用，期待它們能激發(fā)您的靈感。

篇1

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 多媒體 教學(xué)課件

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，使利用計(jì)算機(jī)技術(shù)制作多媒體教學(xué)課件如虎添翼。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包含了流媒體技術(shù)、WEB技術(shù)、FTP共享技術(shù)、磁盤陣列存儲(chǔ)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等與多媒體課件制作有關(guān)的內(nèi)容，這些技術(shù)如果被充分利用，老師制作多媒體課件的技術(shù)水平可以得到更大的提高，制作的多媒體課件質(zhì)量也具有較高的水準(zhǔn)。下面分步敘述如何綜合利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)制作多媒體課件。

一、多媒體數(shù)據(jù)庫的建立

媒體是信息的載體，多媒體是指多種媒體，如數(shù)字、文本、圖形、圖像和聲音的有機(jī)集成，而不是簡單的組合。其中數(shù)字、字符等稱為格式化數(shù)據(jù)；文本、圖形、圖像、聲音、視頻等稱為非格式化數(shù)據(jù)，非格式化數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜等特點(diǎn)。多媒體數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)格式化和非格式化的多媒體數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和查詢。由于多媒體數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)字、字符、文字、圖形、圖像、語音處理和影視處理與數(shù)據(jù)庫的獨(dú)立性、安全性等優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，使得多媒體數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用前景十分廣泛。多媒體數(shù)據(jù)庫在建立中應(yīng)包含如下幾個(gè)重要數(shù)據(jù)庫：

1.圖片數(shù)據(jù)庫。圖片數(shù)據(jù)庫重點(diǎn)存放與教學(xué)相關(guān)的圖片、圖形、照片等資料。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該分門別類，按照?qǐng)D片格式、數(shù)據(jù)大小、存放日期等進(jìn)行存放，經(jīng)過多年的逐步積累，形成一個(gè)門類齊全、范圍廣泛、格式眾多、具有一定規(guī)模的圖片數(shù)據(jù)庫。教學(xué)多媒體課件常用的圖片格式一般有BMP、JPEG、GIF等。有些多媒體課件制作軟件會(huì)對(duì)圖片格式有統(tǒng)一要求，選用多媒體課件制作軟件時(shí)要注意使用圖片格式轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外，存放的圖片應(yīng)該使用圖片處理軟件進(jìn)行調(diào)整和整理后再存放，以確保圖像質(zhì)量。

2.視頻數(shù)據(jù)庫。視頻數(shù)據(jù)庫重點(diǎn)存放與教學(xué)相關(guān)的數(shù)字視頻、動(dòng)畫等影像資料。這些資料既有完整的電影、電視或動(dòng)畫視頻，也應(yīng)該有以鏡頭、場景和視頻片段為資料的視頻。在多媒體課件中可以根據(jù)教學(xué)需要隨意選用。視頻數(shù)據(jù)庫利用視頻處理技術(shù)進(jìn)行視頻格式轉(zhuǎn)換和調(diào)整整理再進(jìn)行存放，并建立目錄索引，使豐富的視頻數(shù)據(jù)庫具有方便的檢索功能。因視頻文件在保存中需要較大的空間，所以建立較高規(guī)格的磁盤陣列是很好的選擇。又因視頻文件在傳輸中需要較大的帶寬才能保證視頻在播放時(shí)流暢，不出現(xiàn)停頓和卡住的情況，所以我們需要采用的存儲(chǔ)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)以保證最低的數(shù)據(jù)傳輸速度。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主干傳輸帶寬應(yīng)不小于1000M，到計(jì)算機(jī)用戶桌面帶寬不應(yīng)小于100M。不管被訪問的視頻圖像有多大，也不管訪問的用戶數(shù)量有多大，視頻圖像的發(fā)送系統(tǒng)要求存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大且有足夠的帶寬傳輸，必須保證最基本的傳輸速度，以保證傳輸?shù)囊曨l圖像有較高的質(zhì)量。教學(xué)多媒體課件常用的視頻圖像格式一般有AVI、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、RM、RMVB、MKV等格式。這些格式據(jù)有畫面規(guī)格大小、清晰度高低、是否適合視頻編輯軟件使用等不同特點(diǎn)。為了確保教學(xué)多媒體課件采用視頻的清晰度和色彩還原真實(shí)，建議盡量使用AVI、MPEG-2、MPEG-4、RMVB和MKV等格式。

3.音頻數(shù)據(jù)庫。在音頻數(shù)據(jù)庫中，如何存放才能對(duì)音頻數(shù)據(jù)方便分析、檢索，是音頻數(shù)據(jù)庫成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存放和處理方式是無法滿足這些要求的。在多媒體課件制作中調(diào)用的音頻資料主要包括解說、朗誦、配樂、主題音樂、背景音樂、片頭片尾音樂和各種效果聲音等。

4.文字?jǐn)?shù)據(jù)庫。文字?jǐn)?shù)據(jù)庫一般包括各種書籍里的文字以及相關(guān)和參考書目的文字，以便在制作多媒體課件時(shí)選用。常用的文字格式包括DOC、TXT、WPS等。這些較容易掌握，在這里不做贅述。

二、FTP服務(wù)的使用

很多學(xué)校在建設(shè)自己的校園計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)時(shí)，都購買了FTP服務(wù)器，建立了適合自己學(xué)校教學(xué)、科研和行政管理等共享使用的FTP服務(wù)。在FTP服務(wù)器上可以建立以教學(xué)系部、教研室或個(gè)人的存儲(chǔ)專區(qū)，放置各種多媒體素材和制成的多媒體課件。FTP服務(wù)器的建立對(duì)老師們制作和存儲(chǔ)，以及共享自己的多媒體教學(xué)課件提供了極大的方便。

1.素材的積累。老師們可以隨時(shí)隨地把自己平時(shí)搜集到的、購買的，以及自己制作的各種素材存放到FTP服務(wù)器上自己的文件夾內(nèi)。系部或教研室也可以建立自己的素材庫。老師們?cè)诼?lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上可以隨時(shí)調(diào)用各種素材，使制作多媒體課件的素材選取范圍有較大的空間，擴(kuò)展多媒體課件的多樣性，增強(qiáng)其藝術(shù)感，使內(nèi)容更加豐富多彩，從而進(jìn)一步提高了廣大教師們多媒體課件的制作水平。

2.群策群力，使多媒體課件制作具有較高水平。老師們也可以隨時(shí)下載和觀看FTP服務(wù)器上其他教師制作的多媒體課件的成品或半成品，及時(shí)提出自己的見解和修改意見；或是直接進(jìn)行修改另取相近名稱保存，供制作教師參考。這樣可使教師們?cè)谥谱鞫嗝襟w課件時(shí)廣泛聽取其他教師的意見和建議，相互借鑒，取長補(bǔ)短，群策群力；相比之下，要比單個(gè)教師單打獨(dú)斗制作的多媒體課件的質(zhì)量和水平好得多。

3.多媒體課件的共享。老師們?cè)谏险n時(shí)可以直接調(diào)用存儲(chǔ)在FTP服務(wù)器上的多媒體課件直接上課，免去了忘記攜帶優(yōu)盤，或因優(yōu)盤品牌各異、型號(hào)各異，或因感染病毒造成計(jì)算機(jī)無法讀取優(yōu)盤的煩惱。另外上課時(shí)還可以調(diào)用其他教師制作的多媒體課件，或鏈接的相關(guān)網(wǎng)頁進(jìn)行參考。

三、教學(xué)平臺(tái)服務(wù)的開展

隨著社會(huì)對(duì)教育的認(rèn)識(shí)程度越來越高，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的發(fā)展也越來越快，由過去單一的以教師為中心進(jìn)行課堂授課，發(fā)展到現(xiàn)在的高度綜合性、形式多樣化、內(nèi)容范圍廣、適合學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。很多學(xué)校在建設(shè)校園計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的同時(shí)，一般都會(huì)購買教學(xué)平臺(tái)服務(wù)器，建立適合本學(xué)校進(jìn)行教學(xué)的教學(xué)平臺(tái)服務(wù)。同時(shí)會(huì)號(hào)召和發(fā)動(dòng)老師們?cè)诮虒W(xué)平臺(tái)服務(wù)器上建設(shè)和完善各門課程完整的授課和評(píng)測體系，明顯提高了學(xué)校的教學(xué)水平和教學(xué)效果。

1.分平臺(tái)的建立。在教學(xué)平臺(tái)服務(wù)體系中各系部或教研室建立自己的二級(jí)教學(xué)平臺(tái)，在二級(jí)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行課程目錄、課程級(jí)別、教師類別等項(xiàng)目設(shè)置。讓老師們按照教學(xué)平臺(tái)的使用規(guī)則建設(shè)和完善自己所授課程的全部內(nèi)容以及參考資料，以方便學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

2.課程的分級(jí)分類。授課課程一般分為精品課程欄目和校內(nèi)一般授課課程欄目。授課課程按照國家級(jí)、省級(jí)和校級(jí)精品課程的類別，從上到下按序設(shè)置目錄；校內(nèi)一般授課課程按建設(shè)的先后分類設(shè)置目錄，以方便學(xué)生選擇學(xué)習(xí)。

篇2

關(guān)鍵詞:量子力學(xué) 量子計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào):TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-3973 (2010) 02-106-01

1量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的影響

自1646年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世以來,其芯片發(fā)展速度日益加快。按照芯片的摩爾定律 ,其集成度在不久的將來有望達(dá)到原子分子量級(jí)。在享受計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展帶來的種種便利的同時(shí),我們也不得不面臨一個(gè)瓶頸問題,即根據(jù)量子力學(xué)理論,在芯片發(fā)展到微觀集成的時(shí)候,量子效應(yīng)會(huì)影響甚至完全破壞芯片功能。因此,量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展具有決定性作用。

1.1量子力學(xué)簡介

量子力學(xué)是近代自然科學(xué)的最重要的成就之一. 在量子力學(xué)的世界里,一個(gè)量子微觀體系的狀態(tài)是由一個(gè)波函數(shù)來描述的,而非由粒子的位置和動(dòng)量描述,這就是它與經(jīng)典力學(xué)最根本的區(qū)別。

1.2量子力學(xué)與量子計(jì)算機(jī)

量子力學(xué)的海森堡測不準(zhǔn)原理決定了粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)確定的()。當(dāng)計(jì)算機(jī)芯片的密度很大時(shí)(即很小)將導(dǎo)致很大,電子不再被束縛,產(chǎn)生量子干涉效應(yīng),而這種干涉效應(yīng)會(huì)完全破壞芯片的功能。為了克服量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展的限制,計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向必然和量子力學(xué)相結(jié)合,這樣不僅可以越過量子力學(xué)的障礙,而且可以開辟新的方向。

量子計(jì)算機(jī)就是以量子力學(xué)原理直接進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī).保羅•貝尼奧夫在1981年第一次提出了制造量子計(jì)算機(jī)的理論。量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和讀寫頭都以量子態(tài)存在的,這意味著存儲(chǔ)符號(hào)可以是0、1以及它們的疊加。

2量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

近年來的種種試驗(yàn)表明,量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算和分析能力都超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)。它具有如此優(yōu)越的性質(zhì)正在于它的存儲(chǔ)讀取方式量子化。對(duì)量子計(jì)算機(jī)的原理分析可知,以下兩個(gè)個(gè)特性是令量子計(jì)算機(jī)優(yōu)越性的根源所在。

2.1存儲(chǔ)量大、速度高

經(jīng)典計(jì)算機(jī)由0或1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位存儲(chǔ)數(shù)據(jù),而量子計(jì)算機(jī)可以用自旋或者二能級(jí)態(tài)構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)位,即量子位。不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的在0與1之間必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加態(tài)。

因此,量子計(jì)算機(jī)的n個(gè)量子位可以同時(shí)存儲(chǔ)2n個(gè)數(shù)據(jù),遠(yuǎn)高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單個(gè)存儲(chǔ)能力; 另一方面量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)讀取和計(jì)算,遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單次計(jì)算能力。量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)讀取特性使其具有存儲(chǔ)量大、讀取計(jì)算速度高的優(yōu)點(diǎn)。

2.2可以實(shí)現(xiàn)量子平行態(tài)

由量子力學(xué)原理可知,如果體系的波函數(shù)不能是構(gòu)成該體系的粒子的波函數(shù)的乘積,則該體系的狀態(tài)就處在一個(gè)糾纏態(tài),即體系的粒子的狀態(tài)是相互糾纏在一起的。而量子糾纏態(tài)之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)不受任何局域性假設(shè)限制,這使兩個(gè)處在糾纏態(tài)的粒子而言,不管它們離開有多么遙遠(yuǎn),對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行作用,必然會(huì)同時(shí)影響到另外一個(gè)粒子.正是由于量子糾纏態(tài)之間的神奇的關(guān)聯(lián)效應(yīng), 使得量子計(jì)算機(jī)可以利用糾纏機(jī)制,實(shí)現(xiàn)量子平行算法,從而可以大大減少操作次數(shù)。

3量子計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢

3.1量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)障礙

到目前為止,世界上還沒有真正意義上的量子計(jì)算機(jī),它的實(shí)現(xiàn)還有許多技術(shù)上的問題。

量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在量子迭加態(tài)的關(guān)聯(lián)效應(yīng). 然而,環(huán)境對(duì)迭加態(tài)的影響以及迭加態(tài)之間的相互作用會(huì)使這種關(guān)聯(lián)效應(yīng)減弱甚至喪失,即量子力學(xué)去相干效應(yīng).因此應(yīng)盡量減少環(huán)境對(duì)量子態(tài)的作用。同時(shí),萬一由于相干效應(yīng)引入了錯(cuò)誤信息,必需能及時(shí)改正,這需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。

另一方面,量子態(tài)不能復(fù)制,使得不能把經(jīng)典計(jì)算機(jī)中很完善的糾錯(cuò)方法直接移植到量子計(jì)算機(jī)中來.由于量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算過程中不能對(duì)量子態(tài)測量, 因?yàn)檫@種測量會(huì)改變量子態(tài), 而且這種改變是不可恢復(fù)的,因此在糾錯(cuò)方面存在很多問題。

3.2量子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀

由于上述兩種原因,現(xiàn)在還無法確定未來的量子計(jì)算機(jī)究竟是什么樣的, 目前科學(xué)家門提出了幾種方案.

第一種方案是核磁共振計(jì)算機(jī). 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 兩種狀態(tài),重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)自旋狀態(tài)的控制非操作,優(yōu)點(diǎn)在于盡可能保證了量子態(tài)和環(huán)境的較好隔離。

第二種方案是離子阱計(jì)算機(jī). 其原理是將一系列自旋為1/2 的冷離子被禁錮在線性量子勢阱里, 組成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的絕熱系統(tǒng),重點(diǎn)在于由激光來實(shí)現(xiàn)自旋翻轉(zhuǎn)的控制非操作其優(yōu)點(diǎn)在于極度減弱了去相干效應(yīng), 而且很容易在任意離子之間實(shí)現(xiàn)n 位量子門。

第三種方案是硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī). 其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)信息的量子位,重點(diǎn)在于用絕緣物質(zhì)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的隔絕,其優(yōu)點(diǎn)在于可以利用現(xiàn)代高效的半導(dǎo)體技術(shù)。

此外還有線性光學(xué)方案, 腔量子動(dòng)力學(xué)方案等.

3.3量子計(jì)算機(jī)的未來

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,量子計(jì)算機(jī)也會(huì)逐漸走向現(xiàn)實(shí)研制和現(xiàn)實(shí)運(yùn)用。量子計(jì)算機(jī)不但于未來的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān),更重要的是它與國家的保密、電子銀行、軍事和通訊等重要領(lǐng)域密切相關(guān)。實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)是21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的最重要的目標(biāo)之一。

參考文獻(xiàn):

[1]胡連榮. 速度驚人的量子計(jì)算機(jī)[J].知識(shí)就是力量

[2]付剛.“量子計(jì)算機(jī)”解密[N].中安在線-安徽日?qǐng)?bào)

[3]譚華海.量子計(jì)算機(jī)研究的最新進(jìn)展[J].教育部科技發(fā)展中心內(nèi)刊.

篇3

關(guān)鍵詞：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能計(jì)算

【分類號(hào)】：TM743

1.概述

量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)與量子力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，根據(jù)Moore定律可知：當(dāng)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元達(dá)到原子層次時(shí)，顯著地量子效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算機(jī)性能，計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展需要借助新的原理和方法【1】，量子計(jì)算為這一問題的解決提供了一個(gè)可能的途徑。

根據(jù)量子計(jì)算原理設(shè)計(jì)的量子計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的最好體現(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)是利用微觀粒子狀態(tài)來進(jìn)行存儲(chǔ)和處理信息的計(jì)算工具【2】。其基本原理是通過物理手段制備可操作的量子態(tài)，并利用量子態(tài)的疊加性、糾纏性和相干性等量子力學(xué)的特性進(jìn)行信息的運(yùn)算、保存和處理操作，從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的計(jì)算理念。

量子通信是量子理論與信息理論的交叉學(xué)科，是指利用量子的糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)信息傳遞的通訊方式。量子的糾纏態(tài)是指：相互糾纏的兩個(gè)粒子無論被分離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子狀態(tài)的變化都會(huì)立即使得另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。量子通信主要包括兩類：用于量子密鑰的傳輸，和用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，量子通信具有容量大，傳輸距離遠(yuǎn)和保密性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.量子計(jì)算基礎(chǔ)

2.1 量子位

計(jì)算機(jī)要處理數(shù)據(jù)，必須把數(shù)據(jù)表示成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的形式。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)用量子位來存儲(chǔ)信息，量子位的狀態(tài)既可以是0態(tài)或1態(tài)，也可以是0態(tài)和1態(tài)的任意線性疊加狀態(tài)。一個(gè)n位的量子寄存器可以處于 個(gè)基態(tài)的相干疊加態(tài) 中，即可以同時(shí)存儲(chǔ) 種狀態(tài)。因此，對(duì)量子寄存器的一次操作就相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的 次操作，也就是量子的并行性。

2.2.量子邏輯門

對(duì)量子位的態(tài)進(jìn)行變換，可以實(shí)現(xiàn)某些邏輯功能。變化所起到的作用相當(dāng)于邏輯門的作用。因此，提出了“量子邏輯門”【3】的概念，為：在一定時(shí)間間隔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)邏輯變換的量子裝置。

量子邏輯門在量子計(jì)算中是一系列的酉變換，將酉矩陣作為算符的變換被成為酉變換。量子位的態(tài) 是希爾伯特空間（Hilbert空間）的單位向量，實(shí)現(xiàn)酉變換后希爾伯特空間，在希爾伯特空間內(nèi)仍為單位向量。【4】

3.量子算法

量子算法的核心就是利用量子計(jì)算機(jī)的特性加速求解的速度，可以達(dá)到經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可比擬的運(yùn)算速度和信息處理功能。目前大致五類優(yōu)于已知傳統(tǒng)算法的量子算法：基于傅里葉變換的量子算法，以Grover為代表的量子搜素算法，模擬量子力學(xué)體系性質(zhì)的量子仿真算法，“相對(duì)黑盒”指數(shù)加速的量子算法和相位估計(jì)量子算法。

3.1基于傅里葉變換的量子算法

Shor于1994年提出大數(shù)質(zhì)因子分解量子算法，而大數(shù)質(zhì)因子分解問題廣泛應(yīng)用在RSA公開密鑰加密算法之中，該問題至今仍屬于NP難度問題。但是Shor算法可以在量子計(jì)算的條件下，在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)很有效地解決該問題。這對(duì)RSA的安全性有著巨大的挑戰(zhàn)。

Shor算法的基本思想是：利用數(shù)論相關(guān)知識(shí)，通過量子并行特點(diǎn)，獲得所有的函數(shù)值；再隨機(jī)選擇比自變量小且互質(zhì)的自然數(shù)，得到相關(guān)函數(shù)的疊加態(tài)；最后進(jìn)行量子傅里葉變換得最后結(jié)果。構(gòu)造如下函數(shù)：

就目前而言，該算法已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的空間不大。目前研究者的改進(jìn)工作主要是：通過對(duì)同余式函數(shù)中與N互質(zhì)的自然數(shù)選擇的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其實(shí)現(xiàn)，對(duì)量子密碼學(xué)和量子通信的發(fā)展有著極重要的價(jià)值。[7]

3.2以Grover為代表的量子搜素算法

3.2.1 Grover算法

Grover算法屬于基于黑箱的搜索算法，其基本思想為：在考慮含有 個(gè)數(shù)據(jù)庫的搜索問題，其中搜索的解恰好有 個(gè)，將數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)元素進(jìn)行量化后，存儲(chǔ)在 個(gè)量子位中， 與 滿足關(guān)系式 。【8】將搜索問題表示成從0到 的整數(shù) ，其中函數(shù) 定義為：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 。【12】

具體算法如下：

（1）初始化。應(yīng)用Oracle算子 ，檢驗(yàn)搜索元素是否是求解的實(shí)際問題中需要搜索的解。

（2）進(jìn)行Grover迭代。將結(jié)果進(jìn)行阿達(dá)馬門（Hadamard門）變換。

（3）結(jié)果進(jìn)行 運(yùn)算。

（4）結(jié)果進(jìn)行阿達(dá)馬門變換。【12】

4. 量子智能計(jì)算

自Shor算法和Grover算法提出后，越來越多的研究員投身于量子計(jì)算方法的計(jì)算處理方面，同時(shí)智能計(jì)算向來是算法研究的熱門領(lǐng)域，研究表明，二者的結(jié)合可以取得很大的突破，即利用量子并行計(jì)算可以很好的彌補(bǔ)智能算法中的某些不足。

目前已有的量子智能計(jì)算研究主要包括：量子人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，量子進(jìn)化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和量子進(jìn)化算法已經(jīng)成為目前學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，并且取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成績，下面將以量子進(jìn)化算法為例。

量子進(jìn)化算法是進(jìn)化算法與量子計(jì)算的理論結(jié)合的產(chǎn)物，該算法利用量子比特的疊加性和相干性，用量子比特標(biāo)記染色體，使得一個(gè)染色體可以攜帶大數(shù)量的信息。同時(shí)通過量子門的旋轉(zhuǎn)角度表示染色體的更新操作，提高計(jì)算的全局搜索能力。

目前量子進(jìn)化算法已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如：工程問題、信息系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。同時(shí)，伴隨著量子算法的理論和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，量子進(jìn)化算法等量子智能算法有著更大的發(fā)展前景和空間。

參考文獻(xiàn)

1.王書浩，龍桂魯.大數(shù)據(jù)與量子計(jì)算

2.張毅，盧凱，高穎慧.量子算法與量子衍生算法

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

4.吳楠，宋方敏。量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)

5.蘇曉琴，郭光燦。量子通信與量子計(jì)算。量子電子學(xué)報(bào)，2004，21（6）：706-718

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

7.王蘊(yùn)，黃德才，俞攸紅.量子計(jì)算及量子算法研究進(jìn)展.

8.孫吉貴，何雨果.量子搜索算法.軟件學(xué)報(bào)，2003，14（3）：334-344

9.龍桂魯.量子計(jì)算算法介紹

10.解光軍，范海秋，操禮程.一種量子神經(jīng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型

篇4

[關(guān)鍵詞]量子；特性；意識(shí)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）25-0298-01

一、量子的基本知識(shí)

1、量子

我們?cè)谖锢韺W(xué)中提到“量子”時(shí)，實(shí)際上指的是微觀世界的一種行為傾向，也就是可觀測的物理量都在不連續(xù)地變化。？比如，我們說一個(gè)“光量子”，是因?yàn)閱蝹€(gè)光量子的能量是光能變化的最小單位，光的能量是以單個(gè)光量子的能量為單位一份一份地變化的。對(duì)于量子的種種特性，連不少科學(xué)家都為之迷惑，對(duì)于我們普通人來說自然更加高深。今天我就試著走近它，來發(fā)現(xiàn)她“幽靈”般的的魅力。

2、量子的特性

量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性――量子疊加和量子糾纏。

量子疊加就是說量子有多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測或測量時(shí)，才會(huì)隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對(duì)物質(zhì)的測量意味著擾動(dòng)，會(huì)改變被測量物質(zhì)的狀態(tài)。好比孫悟空的分身術(shù)， 孫悟空可能同時(shí)出現(xiàn)在幾個(gè)地方，他的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。在日常生活中，我們不可能在不同的地方同時(shí)出現(xiàn)，但在量子世界里它卻可以同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)不同的地方。”

而所謂的量子糾纏，則意味著兩個(gè)糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩個(gè)人的距離有多遠(yuǎn)，當(dāng)哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化。“如果這兩個(gè)光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級(jí)或者更遠(yuǎn)的距離，還是會(huì)出現(xiàn)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學(xué)家就可以利用這種效應(yīng)將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。量子糾纏的廣泛應(yīng)用將會(huì)改變我們的生活，真正地突破時(shí)空的局限，交通、物流也就不再會(huì)有時(shí)間與空間的阻礙了。我國發(fā)射的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星昭示著我國在量子通信領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先的地位。

二、意識(shí)是量子力學(xué)現(xiàn)象

人們的意識(shí)一直都沒有搞清楚，用經(jīng)典物理學(xué)的電學(xué)、磁學(xué)及力學(xué)方法去測量意識(shí)是測量不出來的，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到了意識(shí)是種量子力學(xué)的現(xiàn)象，意識(shí)的念頭像量子力學(xué)的測量。為什么這么說呢？比如我們面前出現(xiàn)了一座房子，這時(shí)有兩種可能的狀態(tài)：一個(gè)沒有任何心思的人會(huì)看房非房，他的意識(shí)處于自由的狀態(tài)，沒看到房子是石頭的還是木頭的，他根本就不動(dòng)念頭。意識(shí)也是這樣，如果你看到這座房子，一下子動(dòng)念頭了，動(dòng)念頭實(shí)質(zhì)上就是作了測量。

客觀世界是一系列復(fù)雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》， 就是研究意識(shí)，他認(rèn)為計(jì)算機(jī)僅僅是邏輯運(yùn)算，不會(huì)產(chǎn)生直覺，直覺只能是量子系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生，意識(shí)是種量子力學(xué)現(xiàn)象，意識(shí)的念頭像量子力學(xué)的測量。而人的大腦有直覺，也就是說人的意識(shí)不僅存在于大腦之中，也存在于宇宙之中，量子糾纏告訴我們，一定有個(gè)地方存在著人的意識(shí)。

三、量子技術(shù)的應(yīng)用

科學(xué)家認(rèn)為，量子糾纏是一種 “神奇的力量”，可成為具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實(shí)際上，量子糾纏還有很多奇妙的應(yīng)用，可以在許多領(lǐng)域中突破傳統(tǒng)技術(shù)的極限。量子技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)新興的、快速發(fā)展中的技術(shù)領(lǐng)域。這其中，量子通信、量子計(jì)算、量子成像、量子生物學(xué)是目前的方向。

1、量子通信

量子通信就是通過把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測量精度。 廣義地說，量子通信是指把量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)，量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說，實(shí)際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信，解決了以往用微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)極易遭遇泄密的問題。

2、量子計(jì)算

量子計(jì)算是量子物理學(xué)向我們展示的又一種強(qiáng)大的能力，源自于對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)的模擬。模擬多粒子系統(tǒng)的行為時(shí)，當(dāng)需要模擬的粒子數(shù)目很多時(shí)，一個(gè)足夠精確的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間則變得相當(dāng)漫長。而如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，從此量子計(jì)算機(jī)的概念誕生。

3、量子成像

量子成像是從利用量子糾纏原理開始發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)，有一種比較奇妙的現(xiàn)象稱之為“鬼成像”。比如將糾纏的雙光子分別輸入兩個(gè)不同的光學(xué)系統(tǒng)中，在其中一個(gè)系統(tǒng)里放入待成像的物體，通過雙光子關(guān)聯(lián)測量，在另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中能再現(xiàn)物體的空間分布信息。即與經(jīng)典光學(xué)成像只能在同一光路中得到物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的成像。

4、量子生物學(xué)

量子生物學(xué)是利用量子力學(xué)的概念、原理及方法來研究生命物質(zhì)和生命過程的學(xué)科。薛定諤在《生命是什么》一書中對(duì)這一觀點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的闡述，提出遺傳物質(zhì)是一種有機(jī)分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設(shè)想。這些設(shè)想由脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)模型而得到極大的發(fā)展，從而奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。分子的相互作用必然涉及其電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學(xué)。因此量子生物學(xué)是分子生物學(xué)深入發(fā)展的必然趨勢，是量子力學(xué)與分子生物學(xué)發(fā)展到一定階段之后相互結(jié)合的產(chǎn)物。

愛因斯坦相對(duì)論指出：相互作用的傳播速度不會(huì)大于光速，可是對(duì)于分開很遠(yuǎn)距離的兩個(gè)處于糾纏態(tài)中的粒子，當(dāng)對(duì)一個(gè)粒子進(jìn)行測量時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)受到關(guān)聯(lián)關(guān)系已經(jīng)發(fā)生了變化，這種傳輸?shù)睦碚撍俣瓤梢赃h(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速。這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動(dòng)性”。量子糾纏是量子物理學(xué)里最稀奇古怪的東西，即使腦洞大開我們還是很難領(lǐng)會(huì)它，另外從常識(shí)角度來看，量子理論描述的自然界很荒謬，許多解釋還涉及到哲學(xué)問題。但另一方面，量子物理學(xué)有很廣泛的應(yīng)用，它的發(fā)展可能帶來行業(yè)面貌的改變，所涉及的范圍從量子計(jì)算機(jī)到人工智能，無所不含，這也正是我們深入學(xué)習(xí)、研究量子物理的動(dòng)力所在啊！

參考文獻(xiàn)

[1] 薛定諤，生命是什么.

[2] 舒娜，量子糾纏技術(shù)與量子通信.

[3] 尼古拉.吉桑著，周榮庭譯，跨越時(shí)空的骰子.

[4] 中國科普博覽.

[5] 科普中國.

篇5

（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，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

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(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，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)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過計(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ぷ麟妷焊摺⒀h(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(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，電池的工作過程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。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。毫無疑問，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，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。可以預(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程新.[學(xué)位論文].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學(xué)報(bào),1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學(xué)學(xué)報(bào),1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),1994,8(2):1

[6]閔新民.化學(xué)學(xué)報(bào),1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)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,何則強(qiáng),熊利芝等.量子化學(xué)原理在鋰離子電池研究中的應(yīng)用.吉首大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(3):97.