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量子計算的運用范文1
論文摘要:本文介紹了量子計算糾纏和量子比特的基本概念，系統闡述了幾種主要的量子算法:Shor算法———大數質因子分解的量子算法;Grover搜索———無序數據庫的搜索;Hogg搜索———高度結構化搜索。在對量子計算基本理論和量子算法有一定認識的基礎上，進一步介紹了在量子計算實驗方面起重要作用的二種體系:核磁共振、腔與原子體系。
Abstract:In this thesis，several basic conceptions of quantum computation are introduced，such as entanglement，quantum bit.Several kinds
of main quantum algorit hms are illustrated，such as Shor algorit hm-t he quantum algorit hm for factoring，Grover search-t he search for t he disordering
database，Hogg search-high structurization search.On t he basis of knowledge of basic t heories of quantum computation computing and quantum algo
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rit hm，two kinds of systems which play important role in t he experiment of quantum computation was introduced，Nuclear magnetic resonance and cavi
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ty atom system.
Key words:Quantum algorithm Quantum computation Quantum bit Entanglement
量子計算是量子物理與計算機科學交匯而生的一門新興學科。它的出現實質上是量子物理學向物質、能量和信息這三大領地的最后一塊信息領域的進軍。
一、量子計算的基本理論
1、糾纏
1935年，Schr dinger首先給出了糾纏態的定義:由空間分離的兩個子系統構成的純態，如果系統波函數不能分解為兩個子系統波函數的乘積，那么這樣的波函數表示的態稱作兩個粒子的糾纏量子態。1935年，Einstein，Podolsky和Rosen首先討論了一個具體的兩粒子糾纏量子態。在這個著名的實驗中，兩粒子的糾纏量子態為:|Ψ〉=∑a，bδ(a+b-c0)|a|b〉
其中a，b分別為粒子1和粒子2的位置或動量，C0為常數。這個糾纏態的一個最明顯的特征是:其中任何一個子系統的物理量的觀測值(位置或動量)都是不確定的。但是，如果其中的一個子系統的物理量的觀測值處于一個確定的值，那么我們就可以確定另外一個子系統的相應物理量觀測值。
2、量子比特
量子比特有微觀體系表征，如原子、核自旋或光子等。|1>和|0>可以由原子的兩個能級來表示，也可以由核自旋或光子的不同極化方向來表征。與經典比特顯著不同的是，量子比特|1>和|0>之間存在著許多中間態，即|1>和|0>的不同迭加態，例如12(|0>+|1>)表示一個兩子比特同時存儲著0和1。因此，對于位數相同的n個比特，量子比特可以存儲2n倍的經典比特所能存儲的信息。對于兩個量子比特的體系，其完備基由四個布爾態|00>、|01>、|10>和|11>組成?？紤]它們之間的迭加，我們可以發現，|10>+|11>=|1>(|0>+|1>)，這是由兩個量子比特構成的直積空間。而|11>+|00>或|01>+|10>則不能再寫成直積形式。后面這種情況就是前面提到的糾纏。對于一個處于糾纏狀態的體系，我們不能確切地指出其中某一個量子比特是處于|1>還是|0>。更一般的糾纏態是處于2n個布爾態的n個經典比特組成的迭加態。|Ψ〉=∑11…1x=00…0Cx|x〉其中Cx可以是復數并且滿足∑x|Cx|2=1。當Cx=12n時，稱為等幅迭加態。這種等幅迭加態在以下要介紹的各量子算法中經常被用作初態。從上式也能看出，|Ψ>是一個2n維的Hilbert空間中的一個單位矢量。它所在空間的維數是隨n呈指數型增長，這明顯區別于經典體系中隨n呈線性增長的態空間。在一個孤立的量子體系中，對態的操作應是幺正的、可逆的。因此，我們構造的量子邏輯門也應滿足這個特征。
二、量子算法
1、Shor算法———大數質因子分解的量子算法
用經典計算機來進行大數質因子分解，隨著N的增大，所需比特數(即內存)是呈指數倍的增長。按照組合數學理論，當計算規模隨著問題的難度呈多項式型增長時，該問題為P(Polynomial)問題。對于P問題，我們在有限的時間內總能找到辦法求得它的解。對于我們在有限的時間內不可能找到辦法求得解的問題稱之為NP(Non-Polynomial)問題。目前世界上應用最廣也是最成功的加密方法-公開密鑰RSA系統的核心思想就是利用大數在有限時間內不可有效質因子化這一結論。1995年，P.W.Shor提出一種量子算法，能將這一著名的NP問題化為P問題，矛頭直指RSA方法，從而在全球掀起了量子計算的研究熱浪。在Shor算法中，尋找一個大數的質因子問題被轉化為尋找其余因子函數的周期。只要該周期被找到，并且為一個偶數，那么利用剩余定理，就能得到該大數的質因子。給定整數N，選取一個與N互質的數a(a
不難看出，fa，N(x)的變化是有規律的，其變化周期為r=4。知道了這個周期，就可以利用孫子定理:設A=ar/2+1，B=a
r/2-1，其中r必須為偶數，且ar/2mod(N)≠1。求出A、B之后，再分別求A、N和B、N的最大公約數(gcd)。設C=gcd
(A，N)，D=gcd(B，N)那么一定有C×D=N，即N被成功地質因子化。Shor算法的關鍵在于求出大數N的余因子函數的周期r。不過，由于余因子函數的周期r不能在量子計算中被有效測出，因此在Shor算法中需借助量子離散傅立葉變換，將余因子函數的周期換成另一個可測的周期。
2、Grover搜索:無序數據庫的搜索
Grover提出了一種算法:利用量子態的糾纏特性和量子并行計算原理，可以用最多n步的搜索尋找到所需項。Grover算法的思想極為簡單，可用一句話“振幅平均后翻轉”來概括。具體說來是以下幾個基本步驟:
①初態的制備。運用Hadamard門將處于態|0>和|1>的各量子比特轉化為等幅迭加態。
②設數據庫為T[1，2，，N]共，n項。設其中滿足我們要求的那一項標記為A。于是在T中搜索A類似于求解一個單調函數的根。運用量子并行計算可以將A所在態的相位旋轉180°，其余各態保持不變。即當T[i]=A時，增加一個相位eiπ。
③相對各態的振幅的平均值作翻轉。這一操作由幺正矩陣k1，k2…knD完成，其表達式為Dij=2/N，Dij=-1+2/N。
④以上②③兩步可以反復進行，每進行一次，稱為一次搜索?？梢宰C明，最多只需搜索N次，便能以大于0.5的幾率找到我們要找的數據項。Grover算法提出之后，引起了眾人極大的興趣。Grover算法中的翻轉方法不僅被證明是最優化的搜索方式，而且也是抗干擾能力極強的方法。
3、Hogg搜索:高度結構化搜索
前面介紹過的NP問題中有一類名為可滿足性問題(Satisfiability Problem，簡稱SA T問題)。一個典型的SA T問題是包括有n個變量的一個邏輯公式，要求給予其中每個變量一個賦值使邏輯公式為真。數學上已證明，解決SAT問題的代價是隨著變量數的增加而呈指數型增長。然而對于某些簡單的情況，人們可以利用問題中具有的規則結構來迅速準確地搜索出問題的解。例如對于1-SAT問題，用經典試探法進行搜索，找出解的代價為最多需用n步。對于量子計算而言，由于能進行量子并行計算，因而可以僅以一步的代價找出1-SAT問題的解。下面以有m個邏輯子句的1-SAT問題為例。與Grover搜索相似，我們先在n個量子比特上制備一個等幅迭加態作為初始態，即|Ψ〉=2-n/2∑n-1s=0|S〉。另外，我們需設計好兩種幺正操作R和U，其中R為對角矩陣，其歸一化對角元為Rss=2cos[(2c-1)π/4] m=偶數ic
m=奇數。(3.3.1)式中的c(0
轉貼于 對于以上1-SAT問題，顯然有m個變量是約束的，而剩余的n-m個非約束的變量則對應于2n-m個解。對于1-SAT問題，用Hogg算法能決定性地一步找到解。如果通過一步邏輯操作未能明確地發現解，則意味著該
問題無解。不難看出，Hogg搜索的效率遠高于上節介紹的Grover搜索。這兩種搜索的差別在于，Hogg搜索利用了數據庫的結構信息，因而能將一個NP問題轉化為P問題。而Grover算法解決不了N P問題，它相對于經典搜索只是提高了搜索效率。Hogg搜索的另一個優勢在于具有強的抗消相干能力。由于它的邏輯步數少，因而消相干效應對其影響非常小。
三、量子計算實驗
與量子計算理論方面的飛速進展相比，量子計算的實驗進展則要慢得多。本章主要介紹二種體系:核磁共振和腔與原子體系。
1、核磁共振(NMR)
核磁共振技術是目前在量子計算領域使用最為頻繁的實驗手段。運用這一技術手段，操作作用在1023數量級的分子系綜的自旋態上，通過測量，得到這些分子的平均自旋態。雖然每個分子的自旋都可能不盡相同，但通過spin-e2cho技術可以按我們的意愿改變個別分子的自旋方向。由于核磁共振體系實質上是一個宏觀系綜，因而外部環境對它的消相干的影響極小。且樣品的核自旋處于近獨立的狀態，幾乎不受電子和分子的熱運動的干擾。但是，宏觀系綜原則上沒有量子特性，只有純粹的量子系綜才具有量子純態的特征。只有當它被制備到一個特殊狀態—贗純態時，才能完成量子計算的工作。下面舉例介紹實現兩量子比特的Grover搜索的實驗。實驗中所用樣品為C-13同位素標記的氯仿HCCL3。實驗中用碳和氫的核自旋來標記|1>和|0>，其中13C的中心共振頻率約為125MHz，1H的中心共振頻率約為500M Hz。實驗體系的哈氏量為H=2πnhJ ICZ IHZ+PH
2、腔與原子體系
腔量子電動力學(C-QED)體系是另外一種可以進行量子計算的量子系統。腔量子電動力學體系之所以可以實現對兩位量子信息進行處理量子系統，一個重要原因就是腔中的輻射場與原子具有很強的非線性相互作用，這種相互作用的演化導致腔場和原子體系的本征態處于糾纏態。腔量子電動力學體系包含光腔和微波腔。這里我們主要介紹微波腔體系中應用Rydberg原子與微波腔相互作用實現的條件量子相移門(QPG)。條件量子相移門(QPG)需要對兩量子位的如下變換:
|a，b〉ex p(i，|b>分別代表兩量子位的基矢|0>或|1>，而δa，1，δb，1為通常的克隆尼克符號。條件量子相移門(QPG)在兩個量子態都處在|1>時，產生一個=|0>或1個光子的腔場|a>=|1>而，目標量子位是Rydberg原子的兩個能級|i>(定義|b>=|0>)和|g>(定義為|b>=|1>)。
實驗中應用的Rb原子的能級除了目標量子位兩個Ry2dberg原子的能級|i>和|g>以外，還包括一個相關的能級|e>。三個相關的Rydberg原子態分別代表Rb原子的主量子數n=51(|e>)，n=50(|g>)和n=49(|i>)。原子的能級|e>和|g>與微波腔場發生共振相互作用，而原子能級|g>和|i>之間通過另外的微波場產生耦合。當原子處于能級|i>或者腔場處于|0>，原子與腔場的系統狀態不發生變化，而當原子腔場的初始處于|g，1>態時，控制原子的速度使原子|g>與|e>量子態在腔場中經歷一個2π的拉比振蕩，|g，1>態演化為-|g，1>=exp(πi)|g，1>。因而系統的演化可以描述為:|a，b〉ex p(iπδa，1δ
b，1)|a，b〉這個過程實際實現了相移為π的條件量子相移門(Q P G)。
參考文獻:
①L.Isaac，G.Neil，K.Mark.Experimental Implemen2tation of Fast Quantum Searching[J].Phys.Rev.Lett.1998，
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③M.R.Garey，D.S.Johnson.Computers and in2tractability[M]:A Guide to t he t heory of N P-Completeness.
San Francisco:Freeman Press，1997
量子計算的運用范文2
摘要：本文針對大學化學的學科特點，從四個方面探討了量子化學計算軟件在大學化學教學的應用實例。運用形象直觀的量子化學軟件，結合多媒體教學手段，將枯燥、深奧、抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現出來，幫助學生建立形象思維，使學生進入一種喜聞樂見、生動活潑的學習氛圍，從而開拓學生思路，激發學生學習興趣。結果表明，該方法對激發學生學習化學的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程的教學方法。
關鍵詞：量子化學；密度泛函理論；計算化學；Gaussian 09
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0176-04
傳統的化學是一門實驗科學，它的發展已經經歷了幾千年的時間。發展至今，化學科學已經成為了包含有機化學、無機化學、物理化學、生物化學、分析化學、實驗化學、理論化學、應用化學、精細化學、材料化學等眾多子學科的中心學科。在大學化學基礎理論的教學中，涉及很多抽象的化學知識和概念，比如原子、分子及晶體結構等，無法通過肉眼進行直接觀測，而且微觀結構難以用宏觀模型進行科學的描述。傳統的教學模式很難滿足學生學習化學的需求，這就需要引入新型的先進教學方法和手段。上個世紀20年代開始形成了一門新的化學子學科――量子化學。量子化學是用量子力學原理研究原子、分子和晶體的電子層結構、化學鍵理論、分子間作用力、化學反應理論、各種光譜、波譜和電子能譜的理論，以及無機和有機化合物、生物大分子和各種功能材料的結構和性能關系的科學[1]。理論與計算化學能滲透到化學領域的很多方面，與其他學科交叉，并形成了很多分支學科，例如：物理化學方面，我們可以通過量子化學方法計算分子的熱力學性質、動力學性質、光譜性質、固體的化學成鍵性質等，從而形成了量子電化學、量子反應動力學等子學科；在有機化學方面，可以通過量子化學計算預測異構體的相對穩定性、反應中間體性質、反應機理與譜學性質（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有機化學；在分析化學方面，可以借助于計算化學進行實驗光譜的解析等；無機化學方面，可以進行過渡金屬化合物的成鍵性質的解析等，并形成了量子無機化學；在生物化學領域中，也可以通過理論計算研究生物分子活性中心結構、結構環境效應、酶與底物相互作用等，并逐漸產生了量子生物化學。隨著計算量子化學方法與計算機科學的發展，本世紀有望在復雜體系的精確量子化學計算研究方面取得較大進展，從而更好地從微觀角度去理解和預測宏觀化學現象。本文通過四個教學實例，運用形象直觀的量子化學軟件，結合多媒體教學手段，將枯燥、深奧、抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現出來，幫助學生建立形象思維，使學生進入一種喜聞樂見、生動活潑的學習氛圍，從而開拓學生思路，激發學生學習興趣。結果表明，該方法對激發學生學習化學的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程的教學方法。
一、常用量子化學軟件Gaussian/GaussView簡介
Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統中運行，是在半經驗計算和從頭計算中使用最為廣泛的計算化學軟件之一。該軟件可以計算分子的能量和結構、鍵和反應能量、分子軌道、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質、極化率和超極化率、熱力學性質、反應路徑等。該軟件的量子化學計算可以對體系的基態或激發態執行，可以預測周期體系的能量，結構和分子道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領域的課題，例如取代基的影響、化學反應機理、勢能曲面和激發能等等，因此我們可以從微觀角度去理解和預測很多宏觀的化學性質及現象。Gaussian計算軟件經常與相應的可視化軟件GaussView連用。目前Gaussian軟件的最新版本是Gaussian 09[2]。
二、量子化學理論及軟件在大學化學教學中的應用實例
1.分子穩定性預測。1，3-丁二烯分子中的碳-碳單鍵能夠自由旋轉，因而理論上可以形成順式和反式異構體。那么兩種異構體的熱力學穩定性如何？我們可以通過理論計算給出合理的預測。運用密度泛函理論（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我們分別優化了順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結構，并做了頻率分析。頻率計算無虛頻，說明所得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均為最小點。圖1給出了B3LYP/6-31G*優化得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結構和相對應的分子的能量。理論計算結果表明，相對于順式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大約低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的熱力學穩定性更強，這就解釋了為什么實驗上沒有發現順式-1，3丁二烯構象的存在。
2.分子的紅外吸收光譜和振動模式。將一束不同波長的紅外射線照射到物質的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，據此可以對分子進行結構分析和鑒定。紅外光譜法的工作原理是由于振動能級不同，化學鍵具有不同的頻率。因此，通過理論上的頻率計算，就可以相應地得到分子的紅外吸收光譜，并可以與實驗得到的紅外光譜進行比較。以最常見的H2O為例，基于水分子穩定點，通過DFT理論，在B3LYP/6-31G*水平計算了H2O分子的頻率，并得到了相應的紅外光譜圖。如圖2所示，在計算的水分子的紅外光譜圖中，一共有三個吸收峰，理論值與實驗值（括號內的數值）是一致的。并且按照波數從小到大，分別對應H2O分子中O-H鍵的三種振動模式，分別是剪式振動，對稱性伸縮振動，非對稱的伸縮振動模式。通過理論計算和圖形界面的動畫演示，有利于加強學生對紅外光譜的理解。
3.苯的前線分子軌道。分子軌道理論是結構化學教學的重點和難點內容之一。分子軌道理論是指當原子組合成分子時，原來專屬于某個原子的電子將在整個分子范圍內運動，其軌道也不再是原來的原子軌道，而成為整個分子所共有的分子軌道。關于分子軌道的概念非常抽象，單純從理論和數學的角度學生難以理解[3，4]。如果能夠結合量子化學軟件將分子軌道圖形化，有助于學生深入理解該理論。以苯分子的分子軌道計算為例，簡單說明量子化學在結構化學教學中的應用。苯分子中有6個碳原子，6個π電子。這6個π電子雜化成6個π型分子軌道，其中三個成鍵軌道三個反鍵軌道。圖3是通過Gaussian 09軟件，在B3LYP/6-31G*水平計算得到苯分子的所有π型軌道，并通過GaussView可視化軟件，將這6個π軌道顯示出來。從圖3中可以看出，這6個π型分子軌道的節面數分別是0，1，2或3。這6個π型軌道共有四個能級，節面為1和2的分子軌道，分別有兩個簡并能級。
4.溶劑化顯色效應的模擬及其機理解釋。溶劑分子能引起溶質吸收帶的位置，強度，甚至譜線形狀的變化[5]。這種現象稱為溶劑化顯色現象。在從微觀結構研究溶劑對噻吩類化合物結構及性能影響方面，理論計算起著越來越重要的作用。圖4（a）展示了含時密度泛函（TD-DFT）方法計算得到的齊聚噻吩的吸收光譜圖，譜線按Lorentzian線形展開，從氣相到強極性的水溶液，聚噻吩的吸收光譜發生了紅移現象，與實驗現象一致。根據Frank-Condon原理，垂直激發通常伴隨著電荷的重新分布，因此激發過程可能會導致溶質偶極矩和能量發生變化。基于此，我們采用完全活性空間自洽場方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分別計算了二噻吩氣相與溶液中基態和第一單重激發態的能量。如圖4（b）所示，隨著溶劑極性的增加，基態和激發態能量均隨著溶劑極性增加而降低，但是激發態的能量降低的比基態的能量降低的要多一些，從而從本質上解釋了噻吩吸收光譜發生紅移的原因[6]。
運用量子化學計算軟件Gaussian 09和可視化軟件GaussView，結合多媒體技術，將大學化學教學中抽象難懂的化學知識以一種形象、直觀、易于理解的形式呈現出來，有利于學生更加深入形象地理解化學知識，還能提高學習效率，對激發學生學習化學的興趣具有顯著的促M作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程教學的方法。
參考文獻：
[1]Lewars，E. Computational Chemistry-Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics，Kluwer Acadamic Publishers：New York，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2004：1-5.
[2]Frisch，M. J. et al.，Gaussian 09，Revision A. 02，Gaussian，Inc.，Wallingford，CT，2009.
[3]李延偉，姚金環，楊建文，申玉芬，鄒正光.量子化學計算軟件在物質結構教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2012，（5）.
[4]劉楊先.量子化學Gaussian軟件在“燃燒學”教學中的應用[J].課程教材改革，2012，（19）：41-42.
量子計算的運用范文3
關鍵詞 囚禁離子；量子計算；富勒烯理論模型
中圖分類號 O4-0 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0119-02
1 國內外研究現狀分析
量子計算與量子信息，是當今一項富有挑戰意義的科學前沿課題。眾所周知，量子計算就是利用量子效應和量子算法來實現的超級并行計算機，擁有比經典計算機更強大的計算能力。目前的工作熱點是量子模擬和量子計量；固態系統是解決量子計算的最佳途徑。目前有希望實現量子計算的系統主要有：離子阱、核磁共振、量子點和富勒烯等，其中富勒烯的應用前景引人注目。由于化學性質和形成機理相似性，不難將富勒烯分子嵌入單壁碳納米管。這種單壁碳納米管內嵌富勒烯系統不但可以形成特定自旋鏈結構，而且因為處于碳納米管中，相干性保持就大為提高。單壁碳納米管富勒烯系統中的量子糾纏產生，量子態傳輸以及單自旋測量等量子信息過程實現，是實現真正意義的規模量子計算必須要解決的難題。
當今國際上有很多研究小組針對富勒烯做了深入研究，設計了很多量子計算方案，包括電子自旋實現方案，核自旋實現方案，原胞自動機實現方案等。我國在富勒烯基礎研究方面開展工作的有中國科學院物理研究所、武漢數學與物理研究所、北京大學等，并取得一些實質性進展，如富勒烯合成，量子信息邏輯操作、單自旋測量和量子態讀出。盡管理論上已有不少研究，但從實驗上實現富勒烯系統量子計算是極其困難的。至今幾乎沒有富勒烯量子計算實驗的報道。這主要在于對富勒烯中內嵌的電子自旋的操作和探測極其困難。量子模擬是解決這種在實驗上實現困難的一個有效途徑。量子模擬是用一個可控的量子體系去模擬另一個難以控制的量子體系，這也是費曼當年提出量子計算這一思想的本意。相對于量子計算，量子模擬對量子資源的要求較低，在極少的量子比特上完成的量子操作可以是很好的量子模擬的工作。
囚禁在電磁勢阱中的超冷離子是目前在冷卻、囚禁和量子操控等方面最穩定的體系之一，理論工作包括在線型離子阱中實現量子糾纏，量子算法、量子糾錯以及遠距傳態。最近完成的量子模擬的實驗工作包括模擬Dirac方程和相對論效應、自旋體系的阻挫現象等。在這些工作中，超冷離子體系的干凈和近乎孤立的環境以及快速、精確的相干操作保證了高品質量子計算操作的完成。所以科研人員就很自然地想到用離子阱來模擬其它體系的動力學行為，利用現有的成熟理論和技術，模擬實現目前在理論上相當成熟而實驗上難于控制的系統。這是目前比較熱門的研究方向之一。
中國科學院武漢物理與數學研究所已經建成了一臺專門用于量子信息處理研究的線型離子阱，已經成功束縛了40Ca離子，獲得了離子的云態和1-4個離子的晶態，離子冷卻溫度已接近多普勒冷卻的極限。我們擬利用超冷離子模擬富勒烯自旋鏈，模擬該體系的量子糾纏、信息傳輸和測量，研究外磁場、各種耦合參數和退相干對量子糾纏、量子態傳輸以及單自旋測量的影響。用囚禁離子來做量子模擬主要緣于富勒烯系統和囚禁離子系統具備的很多相似性和相通性，這種天然的優勢使得我們利用囚禁離子來模擬富勒烯系統成為可能。
碳納米管不僅給富勒烯串的形成創造了有利條件，同時還給富勒烯串提供了嚴格保護，使其基本不受外部環境的干擾。內嵌富勒烯原子實際上成為一個近乎完美的人造原子；超冷離子體系的干凈和近乎孤立的環境可以與內嵌富勒烯原子媲美。二者都是基于自旋偶極相互作用來實現量子邏輯門，而超冷離子之間能很方便地產生這樣的相互作用。二者在系統調控方面也都一樣，都可以利用梯度磁場來實現自旋陣列的獨立尋址，都利用外磁場、微波或射頻脈沖來對系統進行調控和完成邏輯門操作；對兩系統的理論近似處理方法也一樣，都可利用強場近似、強耦合近似、旋波近似、平均場方法和密度泛函方法等。同時離子阱優于富勒烯系統在于對量子信息地讀出相對容易。
本人從事過Heiseberg交換模型的相關問題研究，主要是構建特定型富勒烯串理論模型。利用密度泛函方法（DFT）、LSDA方法，針對富勒烯系統構建一個Heiseberg自旋鏈模型，例如Hubbard-Anderson模型，通過一些近似手段、采用解析求解和數值模擬的方法對系統進行分析。借助前面的理論基礎，本人擬開展對富勒烯量子比特相互作用的量子模擬，本研究旨在探討多量子比特的固態量子信息處理；最核心的問題是如何有效地壓制退相干、提高量子操控效率和提高傳輸保真度，將有助于驗證基于富勒烯量子信息處理的各種方案。將探討外磁場和各種耦合因素以及各種退相干因素的聯合效應在糾纏、信息傳輸和測量中的表現，得出量子糾纏度、傳輸保真度和量子測量極化強度以及對耦合參數、外磁場、時間的依賴關系。
2 研究的研究目標、研究內容和擬解決的關鍵問題
1）研究的目標：（1）研究富勒烯系統的囚禁離子量子模擬。模擬富勒烯系統中多體糾纏、量子信息傳輸和測量等量子力學過程；（2）為真正實驗上實現富勒烯量子計算和發展基于富勒烯系統的的新型量子器件提供理論和實驗參考。2）研究的內容：（1）單壁碳納米管中富勒烯系統理論簡化模型的建立和求解，用Heiseberg交換作用來描述富勒烯之間的耦合，實現高保真度量子態在自旋鏈中的傳輸；（2）囚禁離子量子模擬富勒烯系統的方案探討。探討利用梯度磁場實現陣列中各個離子的獨立尋址；利用射頻脈沖結合激光完成邏輯門操作；模擬富勒烯的電子自旋偶極相互作用。探討如何完成信息傳輸。3）擬解決的關鍵問題是富勒烯鏈理論模型的建立和囚禁離子的量子模擬。富勒烯鏈理論模型的建立：構建模型，給出系統的具體數學描述；對系統哈密頓量進行簡化和求解（包括解析和數值求解）；計算體系的糾纏、信息傳輸的保真度和極化強度等。囚禁離子的量子模擬：囚禁離子模擬富勒烯的實現方案；探討梯度磁場下的離子耦合；探討射頻脈沖結合激光完成邏輯門操作和高保真的量子態（單粒子態和多粒子量子糾纏態）的制備等。
3 擬采取的研究方法
該研究工作主要分為3個步驟，并采用了相應的研究方法。第一步，給出合理的物理模型。對于單壁碳納米管定型富勒烯Heisenberg自旋鏈式結構，利用密度泛函方法和拓撲斯理論以及平均場方法、旋波近似等，得到合適的系統Hamiltonian，進行解析求解和數值模擬；第二步， 計算各種特征物理量。根據真實的物理條件和量子信息處理的需要，對系統進行適當的簡化，計算體系的糾纏、信息傳輸的保真度和極化強度等物理量；第三步，提出離子阱量子模擬富勒烯串的方案。設計量子邏輯操作的激光脈沖和重聚束脈沖，探索模擬系統的量子力學基礎問題（如糾纏、信息傳輸、測量等），研究糾纏對環境漲落等多重退相干機制的壓制。
4 研究步驟
第一階段，利用密度泛函理論、計算系統中電荷與自旋分布。在強磁場和弱射頻脈沖下，基于旋波近似和平均場近似，導出簡化模型，并對系統進行解析求解和數值計算。研究系統中多體量子糾纏、信息傳輸和測量；第二階段，完成離子阱對富勒烯串量子模擬，探討利用梯度磁場實現陣列中各離子的獨立尋址；利用射頻脈沖結合激光完成邏輯門操作；模擬富勒烯的電子自旋偶極相互作用；第三階段，在離子阱模擬系統中實現量子信息傳輸和測量。深入分析耦合參數，外磁場的聯合效應在自旋量子態傳輸和測量效率中的表現并分析各種極限行為。研究糾纏對環境漲落等多重退相干機制的壓制。找到實現最佳保真度以及宏觀極化的磁化強度的最佳參數組合以及實現時間。
參考文獻
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[7]Y. M. Hu et al Phys. Rev. A 80， 022322 （2009）
量子計算的運用范文4
“華富量子生命力基金自2011年成立以來，一直處于較弱的市場環境中，期間也有階段性的比較好的表現，但總體來說沒有給持有人帶來正收益，深表歉意。公司看到了這一點，也一直在努力改變，今年三季度增聘了基金經理，改善了持股結構，逐步調整量化策略，以求找到更適應現階段市場的量化模型，為持有人帶來收益。”面對《投資者報》記者關于華富量子生命力基金業績的質疑，華富基金公司的相關負責人表示了誠懇的歉意。
據Wind數據，截至今年12月3日，華富量子生命力基金經理朱蓓以負27%的任職總回報在244位同類基金經理中位居232名，另一位基金經理孔慶卿以負7%的任職總回報在357位同類基金經理中位居347名。
量化模型發掘大把牛股 分散投資業績貢獻打折
據了解，與傳統的定性投資不同，華富量子生命力基金嚴格采用量化投資策略進行“擇時”與“選股”的操作。其數量化投資策略由于借助高效的計算機系統對市場進行全方位的地毯式掃描，進而構建系統化的投資組合，并且遵守嚴格的投資紀律，因此可以彌補由于人的精力不足而造成的選擇范圍局限，最大限度擴大投資視野，并在第一時間發掘新的投資機會。
從實際效果來看，華富量子生命力也確實發掘了眾多的大牛股。據Wind數據，從年初至今（11月22日），華富量子生命力第三季度末的十大重倉股中，浙報傳媒（上漲176%）、上海鋼聯（上漲264%）、愛施德（上漲272%）、海越股份（上漲108%）、太極股份（上漲141%）5只股票漲幅均已翻番，然而，華富量子生命力的業績回報卻沒有因為這些牛股而遙遙領先。
對此，華富基金相關負責人回答說：“量化投資是借助計算機系統，運用程序化的計算機模型進行全市場數據分析，用模型結論指導投資的一種投資方式。根據基金契約，華富量子生命力基金是一個運用量化模型指導投資的產品。每個模型對不同的市場環境都有不同的適應性，因為其分析基礎是各種市場公開數據，所以從一般規律來看，量化投資的產品在震蕩向上以及牛市行情中表現比較出挑，而在熊市行情中則普遍弱于市場。同時，量化投資產品持股分散度比較高，單個股票的占比都不高，從正面來看，是有效規避了風險，但同時個股漲幅對基金凈值的貢獻率也就相應降低了。”
量化投資成熟運用于國內A股還需時間
華富量子生命力基金的基金經理朱蓓，上海交通大學安泰管理學院碩士研究生，曾擔任平安資產管理公司量化投資部助理投資經理。多年證券投資研究、保險公司投資從業經歷?，F任華富基金金融工程研究員、產品經理，華富量子生命力、華富中證100、華富中小板基金經理。
對于華富量子生命力目前的業績不大理想。華富基金公司相關負責人解釋說：“華富量子生命力基金自2011年成立以來，一直處于較弱的市場環境中，雖然期間也有階段性的比較好的表現，但總體來說沒有給持有人帶來正收益，深表歉意。公司看到了這一點，也一直在努力改變，今年三季度增聘了基金經理，改善了持股結構，逐步調整量化策略，以求找到更適應現階段市場的量化模型，為持有人帶來收益?！眳⒖既A富基金旗下的其他基金業績情況，今年以來的確收益不錯，海通證券統計前三季度權益類基金綜合凈值增長率達38.07%，在所有基金公司中排名第五，說明華富基金對股票主動管理的能力還是可圈可點的。
量子計算的運用范文5
關鍵詞：計算機技術；智能化；網絡化；趨勢研究
一、計算機技術的發展特點
（一）網絡化。所謂計算機網絡化是指利用計算機技術和現代通信技術把位于不同地方的計算機連接起來，共同構建一個多功能、大規模以及隨時隨地相互傳遞信息的網絡，通過大力提高信息資源的整合程度這種方式，使網絡中豐富的優質資源得以共享。目前，在全球范圍內隨著網絡技術的迅速發展，各大公司、各級政府機構以及部分家庭中計算機已近全面普及，加之網絡技術的連接，使各類信息的收集、處理變得更為方便快捷。
（二）多極化。不同的行業對計算機的要求提出了不同的要求，特別是一些大型、巨型計算機在航天航空、現代軍事等領域發揮著不可替代的作用，人們對計算機的要求不再局限在小型個人計算機上，一些微型、小型、大型、巨型計算機都有自己的發展領域，逐漸呈現出多極化的形勢。
（三）智能化。在第五代計算機中，計算機智能化是指通過既定的程序指使計算機模擬人的思維和感覺過程，使更加精確和快速地處理各類信息。在現實生活中，關于計算機智能化的研究領域非常廣泛，其中計算機機器人技術更具有代表性。
（四）多媒體化。在計算機領域的多媒體化是指充分利用通信技術、計算機技術以及大眾傳播技術，綜合處理視頻、圖像、文本、圖形、文字、聲音等多種媒體信息的計算機，使計算機技術中的各種信息資源成為一個相互交叉的整體，突破人機之間矛盾的關系，采取最為適宜的方法處理各種信息。
二、未來計算機的發展趨勢
計算機技術主要的發展成果為巨型計算機、神經網絡計算機、量子計算機、分子計算機、納米計算機和光計算機等。下面將從這幾方面對計算機技術的發展趨勢進行深刻闡述。
（一）巨型計算機。運算速度極快、存儲空間巨大、功能強是巨型計算機的主要特點，通常情況下，巨型計算機內存容量可達幾百兆，運算速度可以達到每秒百億次，已經在航空航天、地質勘測、衛星、氣象、國防等領域里得到廣泛應用，對其技術的進一步研究能夠有力推動計算機軟硬件的應用技術發展。
（二）神經網絡計算機。神經網絡計算機是一種模仿人體大腦神經脈絡所構建的計算機網絡系統，在人腦總體運行速度遠遠高于電腦功能所能達到速度的前提下，神經網絡計算機能夠處理數量繁多的信息，并且能夠進行正確的判斷和相應的處理，進而得到有效的結論，由于神經網絡計算機內的信息存儲在神經元之間的聯絡網中，所以，一旦發生神經元結點斷裂，計算機還可以通過重新組建信息，最大限度地保證計算機內信息不丟失或被泄露。
（三）量子計算機。量子計算機是按照量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的一種新型計算機。如果計算機處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就認為是量子計算機，由于量子計算機的存儲量遠遠大于普通計算機的存儲量，所以，其量子計算機的計算速度遠遠快于個人計算機。
（四）分子計算機。分子計算機是指利用分子計算處理信息的一種新型計算機，其技術原理是利用分子晶體吸收以電荷形式存在的信息，并以更加有效的方式進行組織排列，由于分子計算機耗能少、體積小、存儲信息量大、存儲信息時間長以及運算速度快等特點，會使分子計算機在未來發展中普遍存在。
（五）納米計算機。納米技術從開始研究之時，就受到全世界科學研究者們的高度關注，作為一種新興技術，納米技術的誕生也為計算機未來的發展提供了新的技術導向，在不久的將來，具有眾多優勢的納米計算機將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業快速發展。
（六）光計算機。光計算機是由光代替電流或電子，實現高速處理大容量信息的計算機，它具有運算速度極高、耗電極低的特點，空間光調制器是光計算機的基礎部件，采用光內連技術，在存儲部分與運算部分之間進行光連接，運算部分可直接對存儲部分進行并行存取。與電子相比，光傳播速度更快，同時光子計算機在一般室溫下就可以使用，不易出現錯誤。光計算機的構想使計算機接連體系結構方面實現了創新和突破，但是現階段光計算機還處于研制階段。
三、結語
綜上所述，計算機已經滲透到社會的每一個角落，其計算機技術的不斷發展就代表著社會中人類智慧的不斷進步和創新，因此，未來計算機的發展趨勢將會是更深入、更廣泛、更高端的，其中巨型計算機、神經網絡計算機、納米計算機、分子計算機、光計算機和量子計算機將會突破傳統的計算機模式，并在社會各行各業中得到廣泛運用。
參考文獻：
量子計算的運用范文6
量子衛星究竟是何方神圣？作為太空密使，它有哪些神秘技能，又會給地球人的生活帶來哪些變化？
“小精靈”讓信息穿越
科學家稱量子為物理世界的“小精靈”，它不是一種粒子，而是一個能量的最小單位，包括分子、原子、電子、光子等在內的所有微觀粒子都是其表現形態。
量子“小精靈”的稱號可不是浪得虛名，它自帶的高超技能連物理學家都無法解讀。如果兩個量子粒子處在特殊的狀態（俗稱糾纏態）中，不管其空間分離得多遠，當對其中一個粒子進行操作或測量，遠處另一個粒子的狀態就會瞬時發生相應的改變，就像一些雙胞胎之間存在的心靈感應。愛因斯坦稱這個現象為“幽靈般的超距作用”。
雖然現在還無法弄清量子糾纏的原理，但科學家們可以利用這一現象作為通信的手段。利用量子糾纏技術，通過量子密鑰傳輸和量子隱形傳態的方式，能將甲地某一粒子的未知量子態在乙地的另一粒子上還原。而“墨子號”就像一位太空信使，作為地面上兩個實驗站的中介，構建一個區域通信網絡，海量信息在這個網絡間穿梭如影，全天候傳播。
高難度收發信息
量子衛星上天后，會將經過編碼甚至是糾纏的光子發射到地面上（每秒約發射一億個光子），與之對接的地面系統則負責接收光子并進行解碼，完成通信過程。
這一接一收看似簡單，卻絕非易事。據量子衛星首席科學家潘建偉介紹，量子科學實驗衛星在飛行過程中攜帶的兩個激光器需分別瞄準兩個地面站，同時向左、向右傳輸量子密鑰，對跟蹤精度的要求非常高。
“這就相當于人坐在萬米高空的飛機上往下連續扔硬幣，每一枚硬幣都要準確丟到儲蓄罐狹小的投幣口里，而儲蓄罐自身還在慢慢旋轉。”量子科學實驗衛星工程常務副總設計師兼衛星總指揮王建宇說。
盡管困難重重，但經過科研人員的不懈努力，量子衛星突破了一系列高新技術，包括同時瞄準兩個地面站的高精度星地光路對準、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等，最終順利升空。
不可破譯的保密通信
量子科技雖然聽起來“高大上”，實際上很“接地氣”。在本世紀初，直接或間接運用量子理論的技術和裝置便隨處可見。從常見的CD唱片機到龐大的現代光纖通信系統，從無水涂料到激光制動車閘，從醫院的磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術已滲透到人們的生活中。
隨著量子信息技術逐漸走向實用化，其衍生出的量子通信技術被譽為是繼微電子信息之后，最有可能引發軍事、經濟、社會領域又一次重大革命的關鍵技術。
以往，光纖通訊被認為是最安全的信息傳遞方式，這是因為光纜能把所有的光能限制在光纖里，使外面得不到能量。但隨著科技的發展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分的能量，就能竊聽其中傳遞的信號。
而量子通信則完全不會出現這種情況，因為它的密鑰具有不可復制性和絕對安全性。一旦有人竊取，整個通信就會“自毀”并告知使用者。換句話說，量子衛星上天后，其發送的每一封信都只有天知地知、你知我知。
量子科技改變生活
