量子計算的特點范例6篇

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量子計算的特點

量子計算的特點范文1

關鍵詞:計算機網絡;改進量子進化算法;路由選擇

當今社會是一個數據化時代,計算機網絡技術已經應用到社會的各個領域。對于在已知網絡的各個節點的通信需求下,怎樣選擇計算機通信網鏈路的高效路由,這一受到多個條件約束的雜亂非線性規劃問題,在傳統的數學理論中尚未得到有效的解決方法。面對這個問題,傳統的算法都存在一定的局限性,計算也比較復雜,在很多條件限制下都難以發揮其作用,無法給出滿意的解決方案。本文主要是對改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇上的應用進行探究。

一、計算機網絡路由選擇意義

傳統的計算機網絡路由的選擇方式主要有爬山法、梯度法、模擬退算法以及列表尋優法,但其都具有很大程度上的局限性,受到的限制條件也比較多,不能有效地發揮其作用。網絡路由選擇的定義主要有:在已有的計算機網絡拓撲和網鏈路通信容量以及各個節點需求的情況下,對各節點的網絡路由進行確定,以最大限度縮小互聯網的時延性。這種路由選擇方式,可在選擇過程中采取一些簡化工作,假設網絡通信節點的數據包完好無缺,不受通信容量影響,報文長度則以實際指數分布為基準,來進行路由選擇。

二、計算機網絡路由選擇中改進量子進化算法的應用

(一)量子進化算法的概述及算法流程

量子進化算法是由量子計算和進化算法結合而來,其運算方式為,在確定量子矢量的情況下,用量子算法的比特編碼來表示染色體,并以旋轉門和量子非門來進行染色體的更新,據此讓目標得到最優解答。

在進行計算中,可以采用矩形陣表示量子染色體,設其長度為m

量子進化算法流程主要有以下幾個步驟:

首先,將種群Q(t)初始化,設t=0,并測量種群中的每個個體,得到種群的狀態P(t);其次,對P(t)的適應度進行評估,將最佳個體狀態和適應值進行記錄;最后,采用

While非結束狀態do,

begin

1、t=t+1;

2、對種群進行測量Q(t-1),其狀態為P(t);

3、進行P(t)的適應度評估;

4、對Q(t)采用量子門進行更新換代,記錄后代種群Q(t+1);

5、對每個個體的最佳狀態以及適應值進行記錄。

End

End

(二)旋轉角的優化調整

(三)函數調整優化

采用租戶優化的辦法可以知道各基因間的相關性不大,基于這一特點對量子位進行定義:

表1 優化方案

分析表1的內容可以知道,這種旋轉方案能夠讓搜索結構逐漸走向最優化,收斂速度也得到提高,在此表中只列出了第一象限內的 ,其他象限內的 情況可由此進行推斷。

(四)仿真測試

以仿真實驗的方式對以上的分析進行檢驗,與傳統的量子進化算法為比較對象,證明改進量子進化算法在計算機網絡路由的選擇性能存在優越性。仿真實驗的結果如圖1;

圖1 改進算法和傳統算法的對比

根據此圖能夠看到,改進量子進化算法在尋優性和收斂性上明顯優于傳統的量子進化算法,在計算機網絡路由選擇的應用中,改進量子進化算法的綜合性能也比傳統的量子進化算法優秀。

結束語

計算機網絡路由選擇的改進量子進化算法,是在傳統的量子進化算法的基礎上進行改進的,通過仿真測試可以知道,經過改進的量子進化算法在尋優搜索和收斂速度上存在一定優勢,很好的解決了互聯網計算機路由在選擇上面臨的約束條件多、雜亂非線性規劃等問題,很大程度上為互聯網通信網鏈路的最佳路由選擇提供了幫助。

參考文獻

[1]宋明紅,俞華鋒,陳海燕.改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇中的應用研究[J].科技通報,2014(01):170-173.

[2]趙榮香.改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇中的應用探究[J].科技傳播,2014(24):148+152.

量子計算的特點范文2

潘建偉在現場宣布,在光學體系,研究團隊在去年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上,利用高品質量子點單光子源構建了世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機。

在超導體系,研究團隊打破了之前由谷歌、NASA(美國國家航空航天局)和UCSB(加州大學圣塔芭芭拉分校)公開報道的9個超導量子比特的操縱,實現了目前世界上最大數目(10個)超導量子比特的糾纏,并在超導量子處理器上實現了快速求解線性方程組的量子算法。

系列成果已發表在國際權威學術期刊《自然光子學》,即將發表在《物理評論快報》上。

傳統電子計算機要算15萬年的難題,量子計算機只需1秒

1981年,美國物理學家費曼指出,由于量子系統具有天然的并行處理能力,用它所實現的計算機很可能會遠遠超越經典計算機。1994年,麻省理工學院的Peter?Shor教授提出分解大質因數的高效量子算法,量子計算引發了世界各國的強烈興趣。

“由于量子比特是0和1的疊加態,在原理上具有超快的并行算和模擬能力,計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長。這一特點使得量子計算可為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案?!迸私▊フf,“比如,300位10進制那么長數,用我們目前萬億次的傳統電子計算機拿來算的話,大概需要算15萬年。但如果能夠造出一臺量子計算機,它計算的頻率也是萬億次的話,只需要1秒鐘就可以算完。從這個角度上講,量子的并行計算能力是非常強大的?!?/p>

此外,一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機,對特定問題的處理能力可超過超級計算機。

那哪些算特定問題呢?

朱曉波說:“比如說大數字分解,這個是用于現在加密的一個標準的算法。那么你如果能解一個大數字分解,就能解密現在很多的加密算法。如果很多加密算法都失效了,國家金融安全、軍事安全等都會受到嚴重影響。還有,量子計算機做到一定規模之后,很有可能實現大數據的快速搜索,以后在解決搜索問題的時候就具有巨大的優勢?!?/p>

據專家介紹,根據各物理體系內在優勢及其在實現多粒子相干操縱和糾纏方面的發展現狀和潛力,目前,國際學術界在基于光子、超冷原子和超導線路體系的量子計算技術發展上總體較為領先。

研究仍處早期,我國計劃在年底實現大約20個光量子比特的操縱

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的核心資源,一直是國際角逐的焦點。在光子體系,潘建偉團隊在多光子糾纏領域始終保持著國際領先水平,并于2016年底把紀錄刷新至十光子糾纏。在此基礎上,團隊此次利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源,通過電控可編程的光量子線路,構建了針對多光子“玻色取樣”任務的光量子計算原型機。

潘建偉說:“實驗測試表明,該原型機的‘玻色取樣’速度不僅比國際同行類似的之前所有實驗加快至少2.4萬倍,同時,通過和經典算法比較,也比人類歷史上第一臺電子管計算機(ENIAC)和第一臺晶體管計算機(TRADIC)運行速度快10~100倍?!?/p>

這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機,為最終實現超越經典超級計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為“量子稱霸”的目標奠定了堅實的基礎。

“量子計算領域有幾個大家共同努力的指標性節點:第一,展示超越首臺電子計算機的計算能力;第二,展示超越商用CPU的計算能力;第三,展示超越超級計算機的計算能力。我們實現的只是其中的第一步,也是一小步,但是是重要的一步?!迸私▊フf。

“朝著這個目標,我們研究團隊將計劃在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱,將接近目前最好的商用CPU?!标懗栒f。

但由于高精度量子操控技術的極端復雜性,目前量子計算研究仍處于早期發展階段?!跋窠浀溆嬎銠C那樣具有通用功能的量子計算機最終能否研制成功,對整個科學界還是個未知數?!迸私▊フf。

在信息安全、醫學檢測、導航等方面,量子技術未來將極大地改變生活

隨著大數據時代的到來,對計算能力的需求可以用一個詞來形容,就叫做“貪得無厭”。同時,計算能力的強弱也對社會的發展起著至關重要的作用。當人們能夠把數據里面有效的數據結果都通過計算給提取出來的話,每一個數據才會成為真正的財富。

談到量子計算機未來的應用前景,潘建偉充滿信心:“我認為量子技術領域目前主要有幾個方面離實用非常近:量子通信主要是用在保密方面,它可以大大提高信息安全水平。除此之外,量子計算可能很快在某些特定計算方面超越目前傳統的超級計算。這些技術在醫學檢測、藥物設計、基因分析、各種導航等方面也將起到巨大的作用,會給我們的生活帶來極大的改變。比如,我們現在的天氣預報只能預報幾天,因為如果要預報第六天、第七天,計算的時間可能需要100天,而100天后再來預測第六七天的天氣就沒什么意義了。”

據潘建偉介紹,在我國即將啟動的量子通信和量子計算機的重大項目里,對光、超導、超冷原子等方向上都已經做了相應的布局。

“在以后的10到15年里,量子技術領域的競爭將是非常激烈的。比如英國啟動了國家量子技術專項、歐盟啟動了量子旗艦專項、美國在論證相應的計劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內的一些美國公司也都介入到相關研發了?!迸私▊フf。

延伸閱讀

多個狀態同時疊加 不可分割不可克隆 量子世界里,真的很神秘

量子是什么?量子是最小的、不可再分割的能量單位。這個概念誕生于1900年,物理學家普朗克在德國物理學會上公布了他的成果,成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。

分子、原子、電子,其實都是量子的不同表現形式??梢哉f,我們的世界是由量子組成的。

中國科學技術大學教授朱曉波說,在宏觀世界里,物體的位置、速度等運動規律,都可以通過牛頓力學精確地測算。但在量子微觀世界里,有著與宏觀世界截然不同的規則。

量子的神秘之處首先體現在它的“狀態”。在宏觀世界里,任何一個物體在某一時刻有著確定的狀態和確定的位置。但在微觀世界里,量子卻同時處于多種狀態和多個位置的“疊加”。

量子力學的開創者之一、奧地利物理學家薛定諤曾用一只貓來比喻量子態疊加:箱子里有一只貓,在宏觀世界中它要么是活的,要么是死的。但如果在量子世界中,它同時處于生和死兩種狀態的疊加。

量子的狀態還經不起“看”。也就是說,如果你去測量一個量子,那么它就會從多個狀態、多個位置,變成一個確定的狀態和一個確定的位置。如果你打開“薛定諤的箱子”,貓的疊加狀態就會消失,你會看到一只活貓或一只死貓。

如果說一個量子已經很“奇怪”,那么當兩個量子“糾纏”在一起,那種不確定性更強了。根據量子力學理論,如果兩個量子之間形成了“糾纏態”,那么無論相隔多遠,當一個量子的狀態發生變化,另一個量子也會超光速“瞬間”發生如同心靈感應的變化。

雖然直至今天,人類仍然還沒搞清楚量子為何如此神秘,但國際主流學界已經接受了量子這種特殊性的客觀存在。更重要的是,人們可以利用量子的奇異特性開發創新型應用,比如量子通信和量子計算。

量子通信是科學界利用量子特性最早開發的信息應用,其“不可分割”“測不準”“不可克隆”等特性,使得理論上“絕對安全”的量子通信成為可能。

量子計算的特點范文3

Introductionto Quantum Mechanics

Schrodinger Equation and Path Integral,

2nd Edition

2012,950 p

Hardcover

ISBN9789814397735

Harald J W MüllerKirsten著

薛定諤在1926年建立了以他的名字命名的方程,開創了量子力學進入嚴格的和近似定量計算的新局面,促進量子力學迅速擴展了應用能力和范圍。20年之后費曼提出了量子力學的路徑積分形式,并證明了與薛定諤方程的等價性。它不僅能夠解決量子力學中的一般的定量計算問題,而且在隨后幾十年的量子場論和規范場論的發展過程中起了不可替代的重要作用。這兩種定量處理方法各有優劣,薛定諤方程對于量子力學問題的處理無疑具有極大的優點,其圖像清晰而且在數學上有許多為物理學家熟悉的成熟處理方法,受到物理學家的普遍歡迎。相比之下,路徑積分方法的使用要麻煩得多。但近年來,人們越來越發現路徑積分方法在很多應用中有著獨特的優越性。對于這兩種方法,已經有許多優秀的量子力學教科書以及專著分別給出了非常詳細的討論。但是將兩種方法對同一問題的解決辦法進行相互對照與比較,從而對于各自的優點和特定的應用范疇有更深刻的理解的著作還十分罕見,本書填補了這一空白。

這是一部量子力學的教科書,它涵蓋了作為導論性課程所有的主要內容,不但詳述了各種位勢下薛定諤方程的微擾解,介紹并算出了對應的路徑積分的解,而且還詳細地考慮了微擾展開的高階行為,這在其他類似的書籍中很少見到。本書的另一特點是沒有提供習題,而是結合課文的內容選用了大量例題,給出了非常詳細的計算細節,對于讀者的學習十分有利。

本書的第1版出版于2006年。第2版中,添加了許多重要的應用和很多實例。特別是關于Coulomb勢的一章被擴充到包含了化學鍵的介紹,而周期勢的一章補充了關于金屬和半導體能帶論的一節,而在高階行為的一章添加了關于漸進展開中成功地計算收斂因子的例證。

全書共分成29章:1.導言;2.哈密頓量子力學; 3.量子力學的數學基礎;4.狄拉克的右矢和左矢形式體系; 5.Schrdinger方程和Liouville定理;6.諧振子的量子力學; 7.Green函數;8.時間無關微擾論; 9.密度矩陣和極化現象; 10.量子理論:一般形式體系; 11.Coulomb 相互作用; 12.量子力學穿透;13.線性勢; 14.經典極限和WKB法; 15.冪次勢; 16.屏蔽Coulomb勢; 17.周期勢; 18.非簡諧振子勢; 19.奇異勢;20.微擾展開的高階行為;21.路徑積分形式; 22.經典場組態; 23.路徑積分和瞬子; 24.路徑積分與沿一條線上的彈跳; 25.周期性的經典組態; 26.路徑積分和周期性的經典組態;27.約束系統量子化;28.量子-經典跨接作為相變;29.結束語。

本書對物理系的大學生和研究生以及數學和粒子物理的研究人員非常適用。對希望擴大自己量子力學技巧的理論物理學家和想要更進一步鉆研量子力學的其他專業的研究生以及所有對微擾方法、路徑積分及其在經典場倫中的應用感興趣的讀者都具參考價值。

丁亦兵,教授

(中國科學院大學)

量子計算的特點范文4

近日,一則新聞引起人們極大的關注。由中國科大和清華大學組成的聯合小組成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸。實驗結果首次證實了在自由空間進行遠距離量子態隱形傳輸的可行性,為全球化量子通信網絡最終實現奠定了重要基礎。

一位記者還添油加醋地描繪了一個科幻場景:

“存放著機密文件的保險箱被放人一個特殊裝置之后,可以突然消失,并且同一瞬間出現在相距遙遠的另一個特定裝置中,被人方便地取出。”

如果不是看在刊登這則消息的都是權威媒體,我第一感會冒出“這會不會是愚人節新聞”的想法。繼而不禁深深感嘆,技術進步真是無所不能,稍不跟上,就OUT了。

據百度百科介紹:量子態隱形傳輸是一種全新通信方式,它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息,是未來量子通信網絡的核心要素。利用量子糾纏技術,需要傳輸的量子態如同科幻小說中描繪的“超時空穿越”,在一個地方神秘消失,不需要任何載體的攜帶,又在另一個地方瞬間神秘出現。

這已經超出了一般人的常識。但事實上,人類在很久以前,就有關于不同于物質時空、精神時空的第三態時空――相當于今天所說信息時空的想法。

例如古希臘柏拉圖所論物質、精神之上理念;近代黑格爾所論物質、精神之上的理念,現代波普爾所論世界一(物質)、世界二(精神)之上的世界三(信息)。

隨著信息技術、生物技術的發展,人類開始去構建真的具有時空意義的信息空間。例如美國信息高速公路計劃、網格計劃,以及近來的智慧地球的設想。這與中國大干快上鐵公雞(鐵路、公路、機場),完全不在同一個時空考慮問題。

卡斯特關于在流動空間或信息流空間建設信息化城市的設想,與我們大干快上物理城市,希望在這樣的城市中讓生活更美好,想的也完全是兩個不同時空的事。

在技術證明信息空間存在之前,信息空間的商業理論已經產生。例如布瓦索的名著《信息空間》。布瓦索還把信息空間理論,伸延到對知識資本形態的理論構建上,考慮時空轉換的商業影響。

正如醒客(Thinker)陳世鴻所說:“人類正經歷工業文明向信息文明的過渡,信息的交流正在替代物質的流通,成為世界新秩序的決定者,信息的流向,不再受制于傳統的時間和空間?!薄叭怂淼闹悄苌I著生物界,也便從物質文明進入意識文明?!?/p>

但我們經常看到一種現象,許多人生活在信息時代,但對信息化視而不見。因為他們總是用物理時空,來理解信息時空。

舉例來說,以為在中國建七倍于歐洲的物理城市,是未來方向;但對歐洲來說,從城市回到鄉村,才是未來方向。真正的未來在卡斯特說的流動空間(信息流空間),未來人類將在流動的時空中配置資源。一步看錯,幾十萬億的產業資源就會投到與未來錯位的方向上去了。

我們今天的世界,實際是三種時空的疊加。農業時空,是以自然為參照系的時空,特點是相對于自然節奏而變化不定。我到農村旅行,向老農問路時,總聽到這樣的回答:還有一里地,15分鐘就到了。實際一走才發現,這一里地有十幾里之遠,這15分鐘有兩個小時之久。

工業時空,是以人工物為參照系的時空,特點是相對于工具等長等距,信息時空,是以意義為參照系的時空,特點是相對于人的目的而“濃度”不同(這是托夫勒的用語)。比如戀愛時,總覺時間太快,等車時,總覺時間太長。在達利的油畫中,表現鐘表在流淌,就是相對于意義的時空變化。

意義的空間是現實存在的。為意義的流動而搭建的信息基礎設施,構成了類似哥倫布發現的新大陸,人們稱之為智慧地球。為意義的流動而構造的世界,是第二人生,存在于電腦、網站、手機等信息終端之上,將來會直接存在于意念控制的電腦之中。

互聯網將極大地改變人們的生活態度。人們從為手段而生存,變成了為目的而生存。人們對什么是真實的看法,將完全改變。虛擬可能比真實更加真實,尤其是當虛擬更代表意義時。沒有意義的生活,即使它在物理上很真實,但在意義上是不真實的,而有意義的生活,才是更加真實的生活。

比如人為什么喜愛物理意義上并不真實的游戲呢,因為在游戲中,人處于自由選擇的目的狀態。所以席勒說:“只有當人充分是人的時候,他才游戲;只有當人游戲的時候,他才完全是人。”

又比如,電子商務好在什么地方?因為“誰需要什么”這種關于意義的信息,不再受到物理空間中不透明、不對稱中間存在和利益的扭曲,人的商業因此變得更具目的性,更加不“盲目”。

相反,華爾街雖然從物理的角度看很真實,但當金融人不對委托人負責時,對委托人來說,它的存在是不真實的,至少是盲目的。

技術推動時空轉換,從物理空間轉向信息空間,必然對人們從事商業的方式,產生重大影響。在物理空間談到企業,人們會聯想到廠房、院子。在信息空間中,這樣的廠房和院子是不存在的。

以往時空概念下的專用性的固定資本,將轉變為云計算中資源共享的信息基礎設施,形成設施即服務(Iaas)、平臺即服務(Paas)、軟件即服務(saas)的新商業模式。

我在神州數碼參觀時,發現他們已不再固定員工的坐座。而是按先來后到的順序,隨機選擇一張空的辦公桌,將電腦往上一接插,個人專用的工作界面與數據就隨之恢復和形成。

未來云計算推動下的企業創建,也可以是這樣。人們不再進行廠房和設備等固定資本投入,將自己的企業往云計算中心一接,就可以根據個人業務的識別,隨時隨地直接進入到自己具有核心競爭力的個性化工作狀態。人們以個人知識為流動資本,為顧客創造價值。

作為效果,人們將進入普遍的報酬遞增狀態。人人都可以從事初始投人大,邊際投入低,邊際成本遞減,邊際收益遞增的商業活動。這里的初始投入,已被云計算共享公共計算資源所替代。

當然在這種情況下,收益不會無限增長,但它將主要不是受成本約束,而更多受需求方收入條件約束,形成以需求為中心的生產。

量子計算的特點范文5

關鍵詞:量子通信 量子糾纏 隔空傳物

中圖分類號:TN91 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2012)10-0060-01

1、概論

量子技術于上個世紀八十年代誕生并在二十世紀末在國際學術界引起了巨大興趣和高度重視。以量子糾纏為原理的量子信息技術突破了現有信息技術的物理極限,在通信科學領域中提供新的原理和方法。二十一世紀信息科學將從“經典”時代跨越到“量子”時代,其發展將對國民經濟軍事、國防安全等都有著直接而重大的影響,各國都將量子技術作為重大戰略點投入并發展。

2、量子糾纏技術

量子糾纏是一種存在于多種量子系統中的一種子系統。從測量學的角度分析,量子糾纏的結果無法獨立于單獨的系統且必定聯系其他系統的參數。通常,一個量子是無法產生糾纏態的,至少要有兩個量子位。假設由C和D構成一個復合系統,如果其量子態不能表示為該系統的糾纏態,則此復合系統的波函數不能表示為該子系統的直積:

常見的糾纏態有:兩個粒子構成的貝爾基,它兩兩相交且具有最大的糾纏態;三個粒子構成的GHZ糾纏態等。

量子糾纏的實質是一種微觀的多系統之間的一種非定域的關聯,它是傳遞量子信息的通道,這也是用于實現量子通信的基礎。

3、量子通信技術

量子通信是以量子糾纏技術作為基礎,通過量子糾纏所產生的連鎖效應來實現信息傳遞的一種新型的通信方式。量子通信結合了量子論和信息論,主要應用于量子密碼通信,遠程傳態等。

量子通信的信息單位稱為量子比特(qubit),它是兩種邏輯態的疊加。在量子通信中,我們用量子態來表示信息,信息傳遞和信息處理中遇到的問題都采用量子理論來處理,其中,信息的傳輸是利用量子態在量子通道中的傳送,信息的處理和計算是利用量子態的幺正變換,信息的提取是對量子系統進行測量。

我們看到,信息一旦量子化,則量子力學便成為了實現量子通信的物理基礎,量子具有如下特性:

(1)量子的糾纏性。

(2)量子的不可克隆性。

(3)量子的疊加性和相干性。

在量子通信系統中,兩個共享信息的人必須共享兩個幾乎一致的成對的量子(如光子),當其中一個量子攜帶了信息,則此信息會消失或者重現在另一個光子上,以此實現“不加外力”方式傳輸信息。所謂的“不加外力”傳輸是指信息在一個地方消失,又能在另一個地方重現的過程。由于報文是一種“不加外力”方式傳輸信息,因此,量子通信中的發信者與收信者利用報文方式傳輸所共享的量子的數量取決于發送報文本身的長度。由于量子只能成對產生且只能在一對發送者和接受者之間進行傳輸,所以量子通信網絡也只能是一個鏈路一個鏈路地建立。

量子通信的特點在于量子通信中的信息傳遞可以不通過通信雙方之間的空間,從而使得通信不會受到空間環境的制約與影響;量子通信的傳輸線路時延可以為0,是最快的通信方式;量子通信中,第三方是無法進行干擾和竊聽。信息的載體—量子,是完全只保存在通信雙方處;量子通信不存在任何電磁輻射污染,屬于環保型新技術。

4、量子通信前沿

量子通信的實現方式通常有兩種:

(1)利用量子耦合技術,制造出多粒子的量子耦合態。

(2)利用生物技術,建立意識生物的意識器官之間的某種量子耦合。

今年五月,中國科學院成功實現了遠距離量子通信隱態傳輸。量子的運動不遵循中學學過的牛頓定律和麥克斯韋電磁定律,也不遵循描述宏觀物體運動規律的相對論。量子通信最突出的是不能同時滿足實在性和定域性。由于量子處于所有可能狀態的疊加態,當你以不同方式觀測它時,它才明確呈現出特定的狀態,呈現何種狀態與觀測者和觀測方式有關。其實現量子通信隱態傳輸原理如下:第一,把相干的兩個量子A和B分別傳送到信息的發端和收端;第二,另取一個量子C(這個C就是要被傳輸的東西),在發端對A和C做某種聯合測量;第三,通過經典信道(比如打電話、發郵件等)把聯合測量A與C的結果告知B;第四,收端在得知A與C聯合測量的結果之后,做某種運算(或測量),運算之后B的狀態與C在測量之前的狀態就一致了(在發端對A和C進行測量的瞬間,由于A和B是相干的,B的狀態也受到了某種程度的影響,這種影響,是C的初始狀態可以在B上還原的根本原因)。到此為止,量子C在發端消失了(對量子的測量會導致量子狀態的變化,從這個意義上講,測量之后的C已經不是原來的C了),它又出現在收端(收端量子B的狀態與原來C的狀態相同,從這個意義上講,C在收端重現了)。具體到物體從某地消失,瞬間又出現在另外的地方,從上面的解釋可以知道,單從物理原理上說是可能的。更嚴格的說法是物體在某地被銷毀,然后在另一地用相同的原料被重構。

與現在的通信方式相比,量子通信最大的特點是信道資源不再是瓶頸,甚至不再是有限的,量子信道的容量無限大,量子態傳輸的速度無限快,而且量子態的傳輸無法攔截,因而是絕對安全的。

參考文獻

量子計算的特點范文6

論文摘要:將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規律,這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發展有著重要的意義。

量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科,經過化學家們的努力,量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發展,在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前,量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等領域,取得了豐富的理論成果,并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。

一、在材料科學中的應用

(一)在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年,計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中,解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一,它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下,研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現,含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致,而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr,Ba原子鍵級與Sr-O,Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級,由此認為,含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域,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構與宏觀性能聯系起來,也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

(二)在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構,通過量子化學計算表明,含有雜質石原子的磁矩要降低,這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明,在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是:d>f>p>s,其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說,NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心),其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論,并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高,計算機時少而廣泛應用于材料科學中,并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善,同時由于電子計算機的飛速發展和普及,量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展,將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

(一)在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步,量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑,由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性,對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。

(二)在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點,被人們稱之為“最有前途的化學電源”,被廣泛應用于便攜式電器等小型設備,并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池,電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此,深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對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,預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法,對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究,研究表明,鋰優先插入到石墨層間反應,然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展,相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域,尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究,是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等,都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問,這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶;可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調控基因的復制與突變,使之造福于人類;可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等,可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

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,量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來,由于電子計算機的飛速發展和普及,量子化學計算變得更加迅速和方便??梢灶A言,在不久的將來,量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻:

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[2]程新,馮修吉.武漢工業大學學報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,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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