導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子計算發(fā)展，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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那么，PXI究竟處于什么樣的技術(shù)和歷史位置呢?因為自動測量技術(shù)的核心是計算機技術(shù)，所以測量總線技術(shù)的發(fā)展是與計算機總線的發(fā)展密切相關(guān)的。要了解測量總線的歷史，把握其目前的技術(shù)態(tài)勢，我們需要通過知曉計算機總線技術(shù)的發(fā)展歷程和走向，來分析測量總線技術(shù)。

可用于測量的總線標準很多。衡量一種總線技術(shù)的優(yōu)劣主要看兩個參數(shù)：帶寬和延遲。在實際應(yīng)用中，由于需求不同以及成本等方面的限制，各種總線都有其適合的應(yīng)用領(lǐng)域。流行的高性能測量總線主要有GPIB、VXI和PXI。如圖1所示，從帶寬和延遲的角度，PXI明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的GPIB和VXI總線。

下面聯(lián)系計算機技術(shù)分別回顧這三種總線的歷史。

HP-IB／GPIB

HP(惠普公司)是計算機技術(shù)的先行者之一。其第一款計算機HP 2116A于1966年面世，用于控制該公司眾多的測量儀器。GPIB(General PurposeInterface Bus即通用接口總線)源于HP-IB，這是HP 1965年設(shè)計的接口總線，用于連接HP的計算機和可編程儀器。由于其轉(zhuǎn)換速率高(通常可達1MB／s)，這種接口總線逐漸得到普遍認可，1975年成為IEEE 488-1975標準。

可以說，HP開創(chuàng)了基于計算機的數(shù)字化測量測試儀器，進入20世紀80年代后，虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)始人NI逐漸成為全球最大的GPIB供應(yīng)商。通過使用LabVIEW和儀器驅(qū)動軟件，工程師們可以自動化地控制測試儀器，由此，自動化測試測量的時代正式開始。GPIB的出現(xiàn)使電子測量從獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，并且使得自動測量中儀器的互聯(lián)有了統(tǒng)一的標準。此后，各種帶標準接口的測量儀器不斷出現(xiàn)，使檢測計量人員能夠很方便組成各種功能強大的自動測量儀器系統(tǒng)。

GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，有專為儀器控制所設(shè)計的接口信號和接插件，具有突出的堅固性和可靠性。經(jīng)過30余年普及，幾乎所有獨立儀器都已配有GPIB接口，網(wǎng)絡(luò)上也有各種GPIB驅(qū)動，因而具有最好的兼容性。GPIB適合自動化現(xiàn)有的設(shè)備、混合系統(tǒng)和特別要求專用儀器的系統(tǒng)。

VME／VXI

VXI是VME eXtensions for Instrumentation的縮寫。它是VME(Versa Module Eurocard)總線在儀器領(lǐng)域的擴展。顯然，要了解VXI，首先要了解VME。

VME總線源于VERSAbus，這是摩托羅拉公司1980年設(shè)計推出用以支持其MC68000微處理器產(chǎn)品線的技術(shù)。摩托羅拉在計算機領(lǐng)域有著輝煌的歷史，是早期CPU的研發(fā)、生產(chǎn)廠商之一。摩托羅拉于1974年推出MC6800處理器。MC68000于1979年面世，與Intel8086以及Intel 80286競爭并取得一些成功。

最早的VERSAbus設(shè)計有一個特點：插拔卡的尺寸很大。因為這一點，歐洲的設(shè)計人員非常不喜歡。后來設(shè)計出一種較小的、具有相似功能的總線供歐洲人使用，稱作Versa Module European，或VME，意歐式變種模塊。摩托羅拉、飛利浦、湯姆森等公司是倡導(dǎo)者。該總線從1982年開始很快被接受。1987年，VME被IEEE正式接受為萬用背板總線標準(ANSI／IEEE 1014-1987)。同年，Colorado DataSystem、HP、Racal Dana、Tektronix和Wavetek等5家儀器公司的技術(shù)代表成立了一個技術(shù)委員會(即后來的VXI總線聯(lián)盟)，了VXI規(guī)范的第1個版本。幾經(jīng)修改和完善，VME總線標準于1993年9月20日出版發(fā)行。

VXI作為一種內(nèi)部總線，比GPIB具有更高的帶寬，且具有更好的延遲率，所以它一推出就得到了軍工／航空航天的大量采用。但由于成本較高，所以很難向其他領(lǐng)域應(yīng)用進行擴展。

PCIf／cPCI／PXI

追根溯源，PCI技術(shù)的開創(chuàng)者實為計算機行業(yè)的老大Intel公司。1991年下半年，由于原有的ISA、EISA已遠遠不能適應(yīng)要求而成為整個系統(tǒng)的主要瓶頸，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團。PCI是Peripheral Component Interconnect(外設(shè)部件互連)的縮寫，它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。而且作為內(nèi)部總線，PCI能夠達到很高的帶寬。

1994年提出的CompactPCI簡稱cPCI，中文又稱緊湊型PCI，是在PCI技術(shù)基礎(chǔ)之上經(jīng)過改造而成。它采用經(jīng)過20年實踐檢驗后的高可靠歐洲卡結(jié)構(gòu)，改善了散熱條件，提高了抗振動沖擊能力，符合電磁兼容性要求，更適合構(gòu)建高可用性系統(tǒng)，滿足電信、數(shù)字通信、軍事裝備以及其他高可靠領(lǐng)域的要求。

1997年，NI公司為鋇0試和測量應(yīng)用提出PxI(PCI eXtensions forInstrumentation)，這是專為測試任務(wù)而優(yōu)化的CompactPCI，PXI基于cPCI總線的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，并增加了專門的同步總線，用于模塊至模塊之間的同步和觸發(fā)。PXI控制器運行Windows操作系統(tǒng)，采用最快速的處理器、內(nèi)存等PC技術(shù)，并能連接各種外部總線接口(例如USB、串口等)，此外NI等一些廠商還提供與PXI控制器配合的GPIB控制器，因此，PXI是混合系統(tǒng)中理想的核心部分。1998年，NI與其他測試設(shè)備廠商合作的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟將PXI作為一個開放的工業(yè)標準推向市場，迄今為止PXI聯(lián)盟已經(jīng)擁有70余家公司和超過1200種產(chǎn)品供選擇，所以這樣的模塊化平臺可以讓用戶自由選擇測試功能、用戶界面、分析軟件等其他要素。此外，商業(yè)技術(shù)的運用和在模塊間共享電源等優(yōu)勢為用戶極大地降低了成本。 以上這些都使其成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。

未來發(fā)展

目前，PXI技術(shù)得到大力推廣，市場發(fā)展迅速。根據(jù)Frost & Sullivan 2005年度的調(diào)查顯示(見圖2)，PXI市場的增長速度遠高于VME／VXI，以及測試測量行業(yè)的平均值。NI和PXI聯(lián)盟成員也在繼續(xù)為PXI加大投資，隨著IntelPCI Express總線的推出，PXISA在2005年第三季度正式推出了PXIExpress的軟硬件標準，通過在背板使用PCI Express的技術(shù)，PXI Express能夠?qū)捳岣?5倍，從原來PXI的132MB／s提高到現(xiàn)在6GB／s；同時保持了和原來PXI模塊在軟硬件上的向后兼容性。

然而，由于VXI大量用于軍工和航天等對成本及對新技術(shù)不敏感、但對可靠性和性能要求苛刻的領(lǐng)域，所以還會在相當長的時間內(nèi)存在。另外，供應(yīng)商們也在嘗試為VME加入新技術(shù)，比如提升帶寬的新技術(shù)，試圖使這種總線技術(shù)的服役期限再延長10年甚至20年。

即便是更老的GPIB技術(shù)也不會馬上消失，被新的總線(例如以太網(wǎng)、USB或FireWire)所取代。GPIB安裝基數(shù)非常大，精通的使用者和供應(yīng)商眾多。一些大型測試和測量公司如安捷倫、吉時利、羅德與施瓦茨和Tektronix仍以GPIB為主要的儀器總線并配之以所需的USB或以太網(wǎng)。GPIB還可以用來將VXI和PXI連接到控制器。此外，一些特殊儀器，例如吉時利儀器公司的2800RF模型動力分析儀，就只能采用GPIB連接平臺。基于此，一些廠商如吉時利仍然看好GPIB的發(fā)展前景。

在遺產(chǎn)(英文legacy，西方人不稱舊的或過時的)技術(shù)繼續(xù)存在的同時，更新的總線技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)，例如，安捷倫于2004年提出LXI平臺概念。LXI(LAN eXtensions forInstrumentation)據(jù)稱以獨特的方式將GPIB的優(yōu)勢和VXI的優(yōu)勢結(jié)合在一起?；贚AN的測試總線適合于遠程測量和控制，其廣泛性和低成本的特點使之成為現(xiàn)有儀器控制總線(如GPIB等)的一個極具競爭力的替代項。然而對于設(shè)備與設(shè)備之間的同步，就必須要結(jié)合IEEE 1588，那么這樣的話用戶就要為開關(guān)盒增加額外的成本。LXI協(xié)會于2004年9月成立，一年后了第一版LXI規(guī)范，迄今大部分的產(chǎn)品都是基于LAN控制，而不是結(jié)合1588標準。

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關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇；改進量子進化算法；研究

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0033-02

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，其已經(jīng)成為了我國人民在日常生活中及工作中不可缺少的技術(shù)，它為人們的衣食住行提供了方面，也為我國社會經(jīng)濟的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。目前我國計算機網(wǎng)絡(luò)正在朝著更大規(guī)模范圍發(fā)展，在此過程中也暴露了計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的一系列問題?，F(xiàn)如今的計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇已經(jīng)滿足不了人們及社會的發(fā)展需求，也對計算機網(wǎng)絡(luò)的正常運行造成了一定的影響，所以對其的優(yōu)化改進是目前最重要的內(nèi)容。

1 淺析計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇

計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇中有多種方法，包括梯度法、列表尋優(yōu)法、爬山法及模擬退算法等。由于這些方式具有局限性，收到多種條件的限制，導(dǎo)致本身的作用都得不到很好的發(fā)揮。計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇主要是在能夠滿足計算機網(wǎng)絡(luò)通信容量、網(wǎng)絡(luò)拓撲及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需求的基礎(chǔ)上，對計算機網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點路由進行選擇，使計算機網(wǎng)絡(luò)可以縮短到最小時延。一般計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇可以使用優(yōu)化工作，比如：其一，如果計算機網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點內(nèi)部具有較大容量的緩沖器，那么就不會溢出或者丟失其數(shù)據(jù)包；其二，如果能夠以實際的指數(shù)分布為基礎(chǔ)設(shè)置報文長度，就可以按照泊松到達；其三忽略計算機網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點處理報文的時延；計算機網(wǎng)絡(luò)中報文傳輸服務(wù)都是一個等級?！?】

2 探析改進量子進化算法

實際上量子進化算法就是進化算法和量子計劃相結(jié)合產(chǎn)生的，此事以態(tài)矢量為基礎(chǔ)，以量子比特編碼為染色體，其更新染色體要以量子旋轉(zhuǎn)門和非門進行實現(xiàn)，從而才能優(yōu)化計算機網(wǎng)絡(luò)路由。量子進化算法中的染色體排列矩陣為：

一個量子染色體表示問題解的特性，其原理就是對量子染色體進行隨機測量，以此得出結(jié)果和概率，使用二進制實現(xiàn)坍塌，在此過程中可以了解到量子染色體可以有效地解決問題。另外改進量子進化算法的實現(xiàn)是根據(jù)量子旋轉(zhuǎn)門，通過搜索法使公式的解得到最佳，增加或者減少概率，以此保留或者刪除結(jié)果，以此來改進量子進化算法。

上表中的xi表示第i個量子染色體的二進制解，bi表示第i個最優(yōu)解。

量子進化算法的流程主要包括三個部分：其一，要對種群進行初始化，在此基礎(chǔ)上對初始種種群進行測量，以此得到與個體相依狀態(tài)的相關(guān)記錄表；其二，在合適的狀態(tài)下對記錄進行針對性的評估，并且對最佳個體和個體的適應(yīng)值進行相關(guān)記錄；其三，在還沒有完全結(jié)束的時候，進行其他操作。

對于量子進化算法來說，此過程是非常復(fù)雜的，用相關(guān)的符號表示事務(wù)，之后進行計算。比如可以使用M表示染色體長度，染色體可以維護解的多樣性。這樣才能使算法簡單的表述?！?】

3計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇的改進量子進化算法研究

在計算機網(wǎng)絡(luò)中，量子進化算法是非常值得熱議的話題，在計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的量子進化算法，其主要問題就是量子進化算法是針對性對表格進行參照，以此來找出相應(yīng)的解法。這種方法會造成旋轉(zhuǎn)角之間沒有較好的關(guān)聯(lián)性，另外在搜索問題的時候會有跳躍性，對于計算機在日常運行工作的時候是非常不利的。為了能夠通過量子進化算法解決計算機路由選擇中的問題，就要對其進行創(chuàng)新和改進。首先優(yōu)化其中的旋轉(zhuǎn)角，使其值能夠滿足路由選擇。優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)表式子可以寫為：

?θi=0.001π*50fb-fx/fx

根據(jù)此式子可以了解到旋轉(zhuǎn)角在不同的情況下會有不同的結(jié)果，簡單來說就是不同的旋轉(zhuǎn)角值具有不同的含義。如果旋轉(zhuǎn)角的值越小，那么就說明個體與最優(yōu)個體之間的距離就越小，就縮小了搜索網(wǎng)絡(luò)。在此狀況下搜索就可以達到最優(yōu)；如果旋轉(zhuǎn)角的值越大，就說明個體與最優(yōu)個體之間的距離越大，就逐漸擴大了搜索網(wǎng)絡(luò)。在此狀況下就要使所搜速度加快，這樣才能夠使計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇更多方面。

另外就是優(yōu)化調(diào)整其中的函數(shù)，可以使用組合優(yōu)化的方式進行，要求函數(shù)達到最佳狀態(tài)，這樣才能夠得出最優(yōu)解。通過此方式可以了解到，個體基因之間并沒有較強的關(guān)聯(lián)性。所以就可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇，對量子進化算法中的函數(shù)調(diào)整并優(yōu)化。如果處于歸一化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對應(yīng)的實屬對，并且使他們與量子位一一對應(yīng)?；诖司涂梢宰隽孔舆M化算法的仿真實驗，并且對其進行對比，是否有優(yōu)勢。實驗結(jié)果表示，計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的性能能夠了解量子進化算法優(yōu)化后比傳統(tǒng)更優(yōu)秀，此結(jié)果可以見圖1。

從圖1可以了解到，在計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的改進量子進化算法中，不斷是收斂速度、尋優(yōu)能力還是其中的性能，都優(yōu)于傳統(tǒng)量子進化算法。在進行仿真測試時，能夠使改進量子進化算法之后發(fā)揮自身的作用，也能夠在計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇中完善自身的應(yīng)用。在此情況下計算機路由選擇面對問題能夠很好地解決，并且能夠及時發(fā)現(xiàn)其中的問題，有效地提高了工作人員的工作質(zhì)量和效率，還使計算機在正常運行和工作的過程中保持一個良好的狀態(tài)。【3】

4結(jié)束語

在目前計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，要重視計算機網(wǎng)絡(luò)路由的選擇。同時，改進量子進化算法也是非常重要的，通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)角，以此提高搜索速率及范圍。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自發(fā)展應(yīng)用以來，量子進化算法都有著較好的應(yīng)用和前景，那么優(yōu)化量子進化算法有效地促進了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進一步發(fā)展，使計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以為我國各行各業(yè)提供更好的服務(wù)，也有效促進我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

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(wǎng)絡(luò)路由選擇中的應(yīng)用研究[J].科技通報，2014（1）：170-173.

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【關(guān)鍵詞】 超導(dǎo)量子比特 超導(dǎo)電路 量子計算 量子糾錯

1 引言

量子算法解決問題的概念最早由舒爾在上世紀末引入，因其在計算復(fù)雜性理論革命性的成果，量子計算受到歡迎，但在當時認為實際建造一個量子計算機是不可能的，隨后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了量子糾錯等理論，希望通過這些理論實現(xiàn)量子計算機。文章主要討論量子信息處理與超導(dǎo)量子比特物理實現(xiàn)，就少數(shù)重要方面討論猜測量子計算未來方向。

2 量子計算機發(fā)展的七個階段

開發(fā)一個量子計算機涉及幾個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的退相干時間供系統(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行，作為一個實用的量子計算，這前兩個階段中，必須滿足下面的五個標準[1]：

（1）可規(guī)模化的很好兩能級系統(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間相比，量子比特具有相對較長的退相干時間。

（4）量子比特能夠用來建造通用量子邏輯門；

（5）具有對量子比特進行測量的能力。

從上面的標準可以看出，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，量子計算就會變成經(jīng)典計算。第三階段以后要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)量子糾錯，在第三階段，實現(xiàn)量子非破壞測量和控制，量子非破壞測量可以利用奇偶校驗糾正一些錯誤。第四個階段實現(xiàn)更長時間的邏輯量子比特記憶，目標是實現(xiàn)量子存儲器，量子糾錯的實施，使得系統(tǒng)的相干性比任何組件的相干時間都長，通過量子糾錯存儲的邏輯量子比特的退相干時間大大超過單個量子比特退相干時間，但這個目標還未在任何實際系統(tǒng)中實現(xiàn)。最后的兩個階段是多邏輯量子比特算法和容錯型量子計算，最終目標是實現(xiàn)容錯量子信息處理，有能力在一個具有主動糾錯機制邏輯量子比特做所有單量子比特操作，并且能夠執(zhí)行多個邏輯門之間的操作。量子信息處理的七個階段發(fā)展。每個進步需要掌握前面的階段，但每個也代表了一個持續(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)量子計算實施，目的是實現(xiàn)第四階段，這個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

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電感為約瑟夫森結(jié)，電容C和一個電感L組成的并聯(lián)電路。電路中電子流的集體運動的為通過電感的通量Φ，相當于在彈簧機械振蕩器質(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)，當作一個量子比特。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，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

哈密頓量中指標為j表示非諧振模式的量子比特耦合指標m表示諧振腔，符號a，b和ω分別代表振幅和頻率，在適當?shù)尿?qū)動信號作用下，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，忽略了腔的非簡諧振動的影響。適當設(shè)計的電路，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，同時減少能量的輻射到其他電路環(huán)境，使得量子比特相干時間為100μs，這使得相干時間內(nèi)成百上千操作成為可能。

4 目前主要的問題

目前實驗規(guī)模相對較小，只有少數(shù)量子比特相互作用，且所有的系統(tǒng)都會在糾纏情況下發(fā)生耗散，影響系統(tǒng)的相干性，要實現(xiàn)下一階段量子信息處理，需要通過糾錯增加相干時間，因為只有在保持量子記憶狀態(tài)的情況下，才能進行后來的算法計算，這要求建立新的系統(tǒng)，并且計算時通過利用連續(xù)測量和實時反饋進行量子糾錯進而保存量子信息。

使用當前的方法來糾錯，會大幅增加計算復(fù)雜性，一個比特信息往往需要幾十個甚至成千上萬的物理量子比特實現(xiàn)糾錯的功能，這個對于控制和設(shè)計哈密頓量是一個巨大的挑戰(zhàn)。此外，根據(jù)五個基本原理，在各個階段都需要其他的硬件增加，以求得能夠向下一個階段實現(xiàn)，但發(fā)展到一個階段并不是簡單的大規(guī)模生產(chǎn)相同類型的電路和量子比特的問題。

目前制造含有大量單元晶片在實際中并不困難，畢竟超導(dǎo)量子比特最大的優(yōu)點是目前制作晶片的技術(shù)非常的成熟。盡管如此，設(shè)計構(gòu)建和操作一個超導(dǎo)量子計算機對于半導(dǎo)體集成電路或超導(dǎo)電子學(xué)提出了實質(zhì)性的挑戰(zhàn)，由于電路元件之間的相互作用可能會導(dǎo)致加熱或抵消，不同部件之間的相互干擾會引發(fā)問題，引發(fā)比特錯誤或電路故障。

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

5 量子計算的未來設(shè)計

可能要花多長時間來實現(xiàn)超導(dǎo)電路完善，未來發(fā)展中，量子糾錯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，但在實際中仍然相對不成熟。

首先是量子糾錯編碼模型，信息編碼寄存在糾纏物理量子比特中，假設(shè)發(fā)生錯誤，通過收集量子比特的信息，監(jiān)測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，通過特殊的門撤銷之前的錯誤。

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，通過特定的四個相鄰的量子比特之間的聯(lián)系，可以快速進行量子非破壞測量，防止整個網(wǎng)格發(fā)生錯誤。這個方法的吸引力在于只需要數(shù)量很少的不同類型的元素，一旦這個基本單元是成功的，后續(xù)的發(fā)展階段可能只是通過相對簡單的設(shè)計就能實現(xiàn)，而且容錯率較高，即使在當前的容錯水平也能達到百分之幾。

第三個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，這個寄存器能夠在進行存儲量子信息的同時并進行量子糾錯，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)行通用計算。在這里，操作之間的通信部分允許有相對較高的錯誤率。

其他方法可能包括量子科學(xué)那些與現(xiàn)有標準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系統(tǒng)的希爾伯特空間，但在原子物理領(lǐng)域非計算態(tài)的利用已經(jīng)超出二能級的水平，被用來作為一個三比特門超導(dǎo)電路的捷徑，在現(xiàn)有不引入新的錯誤的情況下，多能級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)計思路。

6 結(jié)語

超導(dǎo)電路實現(xiàn)量子信息處理已經(jīng)取得顯著進展，同時量子糾錯不在僅僅限制在理論上，復(fù)雜的量子系統(tǒng)真正進入一個未知的領(lǐng)域，但即使這個階段成功，未來依然會有很多的挑戰(zhàn)，經(jīng)過不斷的探索，實用的量子信息處理未來可能成為現(xiàn)實。

參考文獻：

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超高速計算機采用平行處理技術(shù)改進計算機結(jié)構(gòu)，使計算機系統(tǒng)同時執(zhí)行多條指令或同時對多個數(shù)據(jù)進行處理，進一步提高計算機運行速度。超級計算機通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器(機)組成，能完成普通計算機和服務(wù)器不能計算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級計算機獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動各個領(lǐng)域高精尖項目的研究與開發(fā)，為我們的日常生活帶來各種各樣的好處。最大的超級計算機接近于復(fù)制人類大腦的能力，具備更多的智能成份.方便人們的生活、學(xué)習(xí)和工作。世界上最受歡迎的動畫片、很多耗巨資拍攝的電影中，使用的特技效果都是在超級計算機上完成的。日本、美國、以色列、中國和印度首先成為世界上擁有每秒運算1萬億次的超級計算機的國家，超級計算機已在科技界內(nèi)引起開發(fā)與創(chuàng)新狂潮。

二、

計算機的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。自從1944年世界上第一臺電子計算機誕生以來，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)計算機的性能受到挑戰(zhàn)，開始從基本原理上尋找計算機發(fā)展的突破口，新型計算機的研發(fā)應(yīng)運而生。未來量子、光子和分子計算機將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語言能力，使計算機進人人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術(shù)革命，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

三、新型高性能計算機問世

硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時，也意味看硅技術(shù)越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計算機，計算機的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀走進我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。

1.量子計算機

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài).使信息沿著聚合物移動.從而進行運算。量子計算機中的數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏嬎?，其運算速度可能比目前計算機的PentiumDI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計算機還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識產(chǎn)生重大的沖擊。

無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機使計算的概念煥然一新。

2.光子計算機

光子計算機是利用光子取代電子進行數(shù)據(jù)運算、傳翰和存儲。光子計算機即全光數(shù)字計算機，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速地并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

3.分子計算機

分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。轉(zhuǎn)換開關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進制數(shù)據(jù)。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計算機既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計算機。預(yù)計20年后，分子計算機將進人實用階段。

4.納米計算機

納米計算機是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅固，有著極強的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。現(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計算機內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個原子大小，相當于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。美國正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件，發(fā)揮電子開關(guān)、放大和晶體管的功能。專家預(yù)測，10年后納米技術(shù)將會走出實驗室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業(yè)的快速發(fā)展。

我們相信，新型計算機與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，是二十一世紀科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，必將推進全球經(jīng)濟社會高速發(fā)展，實現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破?？茖W(xué)在發(fā)展，人類在進步，歷史上的新生事物都要經(jīng)過一個從無到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學(xué)家們的不斷努力，未來的計算機一定會是更加方便人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的好伴侶。

參考文獻：

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[2]王延汀.談?wù)劰庾佑嬎銠C.現(xiàn)代物理知識，2004，(16).

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[5]張鎮(zhèn)九，張昭理.量子計算機進展，計算機工程，2004，(4).

篇5

[關(guān)鍵詞]網(wǎng)絡(luò)支付信息安全量子計算量子密碼

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,訂貨和付款等信息被競爭對手獲悉或篡改還可能喪失商機等。因此在網(wǎng)絡(luò)支付中信息均有加密要求。

一、量子計算

隨著計算機的飛速發(fā)展，破譯數(shù)學(xué)密碼的難度也在降低。若能對任意極大整數(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)。正是如此巨額的計算復(fù)雜度保障了密碼系統(tǒng)的安全。

不過隨著量子計算機的出現(xiàn),計算達到超高速水平。其潛在計算速度遠遠高于傳統(tǒng)的電子計算機，如一臺具有5000個左右量子位(qubit)的量子計算機可以在30秒內(nèi)解決傳統(tǒng)超級計算機需要100億年才能解決的問題。量子位可代表了一個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,一個量子可同時有兩種狀態(tài),即一個量子可同時表示0和1。因此采用L個量子可一次同時對2L個數(shù)據(jù)進行處理,從而一步完成海量計算。

這種對計算問題的描述方法大大降低了計算復(fù)雜性，因此建立在這種能力上的量子計算機的運算能力是傳統(tǒng)計算機所無法相比的。例如一臺只有幾千量子比特的相對較小量子計算機就能破譯現(xiàn)存用來保證網(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，量子計算機會對現(xiàn)在的密碼系統(tǒng)造成極大威脅。不過，量子力學(xué)同時也提供了一個檢測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?shù)姆椒ㄈ魏蚊艽a都可破譯。此外，由于密碼在被竊聽、破解時不會留下任何痕跡，用戶無法察覺，就會繼續(xù)使用同地址、密碼來存儲傳輸重要信息，從而造成更大損失。然而量子理論將會完全改變這一切。

自上世紀90年代以來科學(xué)家開始了量子密碼的研究。因為采用量子密碼技術(shù)加密的數(shù)據(jù)不可破譯，一旦有人非法獲取這些信息,使用者就會立即知道并采取措施。無論多么聰明的竊聽者在破譯密碼時都會留下痕跡。更驚嘆的是量子密碼甚至能在被竊聽的同時自動改變。毫無疑問這是一種真正安全、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)原理來保護信息。其原理是“海森堡測不準原理”中所包含的一個特性，即當有人對量子系統(tǒng)進行偷窺時，同時也會破壞這個系統(tǒng)。在量子物理學(xué)中有一個“海森堡測不準原理”,如果人們開始準確了解到基本粒子動量的變化，那么也就開始喪失對該粒子位置變化的認識。所以如果使用光去觀察基本粒子,照亮粒子的光(即便僅一個光子)的行為都會使之改變路線,從而無法發(fā)現(xiàn)該粒子的實際位置。從這個原理也可知，對光子來講只有對光子實施干擾才能“看見”光子。因此對輸運光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關(guān)系,通訊會被中斷,這實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)加密交換中兩個通訊對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。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)制單個量子是不可能的,因為要復(fù)制單個量子就必須先做測量,而測量必然會改變量子狀態(tài)。根據(jù)這兩個原理,即使量子密碼不幸被電腦黑客獲取,也會因測量過程中對量子狀態(tài)的改變使得黑客只能得到一些毫無意義的數(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，其原理就是被愛因斯坦稱為“神秘遠距離活動”的量子糾纏。它是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，指不論兩個粒子間距離有多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子。因此當使用一個特殊晶體將一個光子割裂成一對糾纏的光子后，即使相距遙遠它們也是相互聯(lián)結(jié)的。只要測量出其中一個被糾纏光子的屬性，就容易推斷出其他光子的屬性。而且由這些光子產(chǎn)生的密碼只有通過特定發(fā)送器、吸收器才能閱讀。同時由于這些光子間的“神秘遠距離活動”獨一無二，只要有人要非法破譯這些密碼，就會不可避免地擾亂光子的性質(zhì)。而且異動的光子會像警鈴一樣顯示出入侵者的蹤跡，再高明的黑客對這種加密技術(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)具有極好的市場前景和科學(xué)價值，故成為近年來國際學(xué)術(shù)界的一個前沿研究熱點，歐洲、北美和日本都進行了大量的研究。在一些前沿領(lǐng)域量子密碼技術(shù)非常被看好，許多針對性的應(yīng)用實驗正在進行。例如美國的BBN多種技術(shù)公司正在試驗將量子密碼引進因特網(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)施就可以確保在進行網(wǎng)絡(luò)支付時用戶密碼等各重要信息的安全。

2007年3月國際上首個量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)由我國科學(xué)家郭光燦在北京測試運行成功。這是迄今為止國際公開報道的惟一無中轉(zhuǎn)、可同時任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，標志著量子保密通信技術(shù)從點對點方式向網(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)尿炞C實驗，據(jù)悉此研究小組還計劃在2010年將這種量子密碼傳輸技術(shù)投入使用，為金融機構(gòu)和政府機關(guān)提供服務(wù)。

隨著量子密碼技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來它將在網(wǎng)絡(luò)支付的信息保護方面得到廣泛應(yīng)用，例如獲取安全密鑰、對數(shù)據(jù)加密、信息隱藏、信息身份認證等。相信未來量子密碼技術(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:

[1]王阿川宋辭等:一種更加安全的密碼技術(shù)——量子密碼[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2007,17(1):107～110

篇6

關(guān)鍵詞：計算機 技術(shù) 現(xiàn)狀 發(fā)展

計算機技術(shù)發(fā)展趨勢將向超高速超小型平行處理智能化的方向發(fā)展，使計算機技術(shù)更好的為人類生產(chǎn)、生活、社會經(jīng)濟的發(fā)展服務(wù)。

一、計算機技術(shù)的發(fā)展史

計算機誕生之初，其主要的作用是用于計算導(dǎo)彈的運行彈道。但是由于在過去的工作中計算機成本較為昂貴，在上個世紀五十年代以前，計算機主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。直到上個世紀六七十年代，計算機成本逐步降低，使得部分單位和企業(yè)有能力在工作中采用計算機進行工作，也使得計算機技術(shù)得到飛速發(fā)展。隨著Intel4位中央處理器的誕生以及普及，在1982年，世界上第一臺個人計算機誕生，并被成功的應(yīng)用在家庭。到了上個世紀九十年代末期，計算機技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在諸多家庭和企業(yè)中，同時設(shè)計領(lǐng)域也逐步廣泛到企業(yè)。

在這種社會現(xiàn)狀下，計算機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用逐步形成了兩個不同的方向和趨勢，其一主要指的是被應(yīng)用在科研機構(gòu)、軍事機構(gòu)的計算機，由于這些領(lǐng)域往往都是計算困難、計算精度較高的工作環(huán)節(jié)，因此在發(fā)展中對于計算機的計算能力和計算精確度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中應(yīng)用在家庭和中小企業(yè)的計算機，這些計算機可以說主要是往實惠、小體積和輕重量的方向發(fā)展?？v觀計算機發(fā)展史我們可以得知，計算機創(chuàng)新能力的推動與普及與人們生活和社會發(fā)展緊密相連，其在工作中也推動了整個社會領(lǐng)域的正常進行。

二、計算機現(xiàn)狀

計算機技術(shù)在當今社會中發(fā)揮著不可替代的作用，對于促進社會信息化的實現(xiàn)有著主導(dǎo)作用。伴隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，計算機技術(shù)也逐步實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)同步發(fā)展的核心技術(shù)觀念，也在工作中實現(xiàn)了信息化、現(xiàn)代化的核心技術(shù)處理要求。

（一）現(xiàn)代微型處理器的情況

在當前社會中，計算機技術(shù)的性能提升和處理主要在于發(fā)展微型處理器，這也是目前計算機發(fā)展的整體趨勢，在計算機發(fā)展工作中，其主要的實質(zhì)在于提高處理器芯片中的晶體線寬與尺寸的大小。一般在研究的過程中，多采用較短的波長來曝光光源，從而做打破掩膜曝光要求。如今的微型處理器發(fā)展與計算中，主要是通過紫外線進行運用和曝光光源的管理與深化，并且在工作中對于深層芯片進行全面總結(jié)和處理，這種工作流程和工作方式多是采用量子效應(yīng)與電子行為來進行分析，這種社會分析現(xiàn)狀也是微處理器發(fā)展的首要基礎(chǔ)。所以也就引起專家的注視，紫外線光源對微處理器性能的提升已經(jīng)沒有多大作用了。

（二）以納米為主的電子科學(xué)技術(shù)

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，各種先進材料不斷的引進，進而對微處理器進行優(yōu)化和總結(jié)。就目前的計算機應(yīng)用與發(fā)展分析而言，在計算機工作中，準確高效的計算機技術(shù)和微型化電子元件的需求已成為人們對計算機發(fā)展提出的新觀念，但就目前的社會現(xiàn)狀而言這種目標還遠遠沒有達到。因此在未來的計算機發(fā)展中，我們不僅要深入研究計算機處理技術(shù)，同時更是要引進各種新材料、新技術(shù)。在這種現(xiàn)狀之下，以納米為主的計算機技術(shù)已成為目前我們工作和認識的重點形式，也是當前社會發(fā)展中存在的核心問題。

三、計算機技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測

1、未來的計算機將具有更全面智能成分，如多種感知、思考判定能力和常用自然語言能力，除常規(guī)手寫及語音輸入手法外，還將具有虛擬現(xiàn)實技術(shù)功能，使存儲光盤進一步加大存儲容量，計算機的海量存儲技術(shù)不斷成熟完善，使信息永久性儲存不再僅僅是夢想，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展即將實現(xiàn)。長久存儲器的研制及使用，可以防水、防震、防腐蝕耐高溫。計算機硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展，表明硅技術(shù)已接近其物理極限，為此，各國科研人員不斷研發(fā)新型量子及納米計算機，量子計算機是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上研發(fā)的，它利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息可以沿著聚合物進行移動，運算量子計算機中數(shù)據(jù)用量子位存儲。一個量子位可以是0或1，它既可以存儲0又能夠存儲1，也就是量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，這是因量子的疊加效應(yīng)。同樣的存儲位，但存儲量比傳統(tǒng)計算機高很多。

篇7

[關(guān)鍵詞]量子計算 量子通信 通信效率 安全通信

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）09-0128-01

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，量子信息學(xué)逐漸得到人們的關(guān)注與重視，在近代物理學(xué)、計算機科學(xué)等領(lǐng)域都有所涉及。通過量子力學(xué)的基礎(chǔ)，不斷的發(fā)展與延伸。量子信息學(xué)，是量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以量子力學(xué)的態(tài)疊加原理為基礎(chǔ)，研究信息處理的一門新興前沿科學(xué)。包括量子密碼術(shù)、量子通信、量子計算機等幾個方面。我們在這里，著重的了解一些量子通信。

一、 量子通信協(xié)議概念

1，量子通信協(xié)議定義

量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置。按其所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。其中隱形傳送是指脫離實物的一種“完全”的信息傳送?？梢韵胂螅合忍崛≡锏乃行畔ⅲ缓髮⑦@些信息傳送到接收地點，接收者依據(jù)這些信息，選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的復(fù)制品。實際上是一種對于通信地保密性的傳輸。是一種在理論上可以保證通信絕對安全的一種通信方式。由于量子力學(xué)中的不確定性原理，是不允許精確地提取原物的全部信息，因此長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。

2，量子通信與光通信的區(qū)別

量子通信與光通信的區(qū)別，在于在通信中用的光的強度是不同的。光通信一般采用是強光，包括無線電、微波、光纜、電纜等具體形式。通過偏振或相位等的調(diào)制方式來實現(xiàn)。量子通信討論的是光子級別的很弱的光，通過對光子態(tài)的調(diào)制，但是主要利用了光子的特性，量子態(tài)不可克隆原理和海森堡不確定性關(guān)系。這也是區(qū)別于光通信的重點。

二、量子通信基本方式

量子通信在量子力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，通過量子態(tài)編碼和攜帶信息進行加工處理，將信息進行傳遞。只要包括：量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)等，下面主要介紹這兩個組成部分：

1，量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)，又稱量子遙傳、量子隱形傳輸。經(jīng)由經(jīng)典通道和EPR 通道傳送未知量子態(tài)。利用分散量子纏結(jié)與一些物理訊息的轉(zhuǎn)換來傳送量子態(tài)至任意距離的位置的技術(shù)。它傳輸是量子態(tài)攜帶的量子信息。想要實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，要求接收方和發(fā)送方擁有一對共享的EPR對，即BELL態(tài)（貝爾態(tài)）。發(fā)送方對他的一半EPR對與發(fā)送的信息所在的粒子進行結(jié)合，而接收方所有的另一半EPR對將在瞬間坍縮為另一狀態(tài)。根據(jù)這條信息，接收方對自己所擁有的另一半EPR對做相應(yīng)幺正變換即可恢復(fù)原本信息。到乙地，根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。量子隱形傳態(tài)大致可以這樣描述：準備一對糾纏光子對，一個光子發(fā)送給有原始量子態(tài)（即第三個光子）的甲方，另一個光子發(fā)送給要復(fù)制第三光子的量子態(tài)的乙方。甲方讓收到的一個光子與第三光子相互干涉（“再糾纏”），再隨機選取偏振片的方向測量干涉的結(jié)果，將測量方向與結(jié)果通過普通信道告訴乙方；乙方據(jù)此選擇相應(yīng)的測量方向測量他收到的光子，就能使該光子處于第三光子的量子態(tài)。

量子隱形傳態(tài)作為量子通信中最簡單的一種，是實現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性的前提研究。它的存在與應(yīng)用，可以完全的保證用戶的信息安全，通信保密，同時如果出現(xiàn)有人竊聽的現(xiàn)象，將會及時的進行信息的改變，保證內(nèi)容的“獨一無二”。

2，量子密鑰分發(fā)

量子密鑰分發(fā)以量子物理與信息學(xué)為基礎(chǔ)，是量子密碼研究方向中不可缺少的重要部分。被認為是安全性最高的加密方式，實現(xiàn)絕對安全的密碼體制。當然這只是理論上的內(nèi)容，在現(xiàn)實生活中還是有一定的差距。只是理論上具有無條件的安全性。1969年提出用量子力學(xué)的理論知識進行加密信息處理。到了1984年，第一次提出量子密鑰分發(fā)協(xié)議，即BB84協(xié)議。隨后又提出B92協(xié)議。2007年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)院士潘建偉小組在國際上首次實現(xiàn)百公里量級的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)，解決了非理想單光子源帶來的安全漏洞。后又與美國斯坦福大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器――基于周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)的上轉(zhuǎn)換探測器。解決了現(xiàn)實環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患。保證了非理想光源系統(tǒng)的安全性。生成量子密鑰大致為：準備一批糾纏光子對，一個光子發(fā)送給發(fā)信方，另一個光子發(fā)送給收信方。測量光子極化方向的偏振片的方位約定好兩種。兩人每次測量一個光子時選擇的方向都是隨機的，但要記錄下每次選擇的方向，當然也要記錄下每次測量的結(jié)果，有光子通過偏振片就記1，無光子通過則記0。通過普通信道兩人交換測量方向的記錄，那些測量方向不一致的測量結(jié)果的記錄都舍去不要，剩下的那些測量方向相同所對應(yīng)的測量結(jié)果，兩人應(yīng)一致，這一致的記錄就可作為兩人共同的密鑰。

總結(jié)

經(jīng)典通信較光量子通信相比，量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性。具有保密性強、大容量、遠距離傳輸?shù)忍攸c。量子通信不僅在軍事、國防等領(lǐng)域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。逐漸走進人們的日常生活。為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實，從上世紀90年代開始，國內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學(xué)基金會和國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰(zhàn)略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究，近幾年來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

參考文獻

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篇8

【關(guān)鍵詞】 量子通信技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀 趨勢 研究

近年來量子通信在各類學(xué)術(shù)會議或期刊中頻頻出現(xiàn)，作為一個古老而又新鮮的話題，電視等各種媒體中經(jīng)常出現(xiàn)各種關(guān)于量子通信技術(shù)重大突破的報道。在國家技術(shù)規(guī)劃中，“量子調(diào)控研究”被列為重大基礎(chǔ)科學(xué)研究計劃之一，在20-30年后預(yù)計量子技術(shù)將會給人類社會帶來巨大影響。量子通信技術(shù)的重要性，要求我們必須予以其關(guān)注。首先，我們應(yīng)該對量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀有一定了解。

一、量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在量子通信的概念上，不同的角度對其有不同的表述?？傮w來說，量子通信是一種新型的通信方式，是量子力學(xué)和通信科學(xué)的綜合產(chǎn)物，它通過對量子糾纏效應(yīng)的利用來傳遞信息。量子通信的基本思想主要包括兩部分，一為量子密鑰分發(fā)，二為量子態(tài)隱形傳輸。通過量子密鑰分發(fā)可以對安全的通信密碼加以建立，在一次一次的加密方式下，點對點方式的安全經(jīng)典通信便得以實現(xiàn)，且這種安全性已經(jīng)被數(shù)學(xué)嚴格證明，是迄今為止經(jīng)典通信仍然做不到的。百公里量級的量子密鑰分發(fā)，目前的量子密鑰分發(fā)技術(shù)能夠輕松完成的，在光開關(guān)等技術(shù)輔佐下量子密鑰分發(fā)技術(shù)還可以實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。量子態(tài)隱形傳輸是一種物理載體，能促使量子態(tài)（量子信息） 的空間轉(zhuǎn)移的同時又不移動量子態(tài)的實現(xiàn)，類似于將從一個信封內(nèi)將密封信件內(nèi)容轉(zhuǎn)移到另一個信封內(nèi)且信息載體自身并不會被移動，這種經(jīng)典通信中無法想象的事是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測量完成的。量子中繼器這種以量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)和量子存儲技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)可以促使任意遠距離量子密鑰分發(fā)及網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。

量子力學(xué)誕生于1926年，是人類對微觀世界加以認識的理論基礎(chǔ)之一。量子力學(xué)和相對論之間的不相容性在1935年被愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰?貝爾于1964年提出貝爾理論，，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應(yīng)的存在。1989年第一次演示成功量子密鑰傳輸，1997年量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C由奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成，2004年，該小組又將量子態(tài)隱形傳輸距離成功提高到600米。2007年開始我國架設(shè)了長達16 公里的自由空間量子信道，于2009年成功實現(xiàn)世界上量子隱形傳態(tài)的最遠距離。

二、量子通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

量子通信技術(shù)的研究方向除了包括量子隱形傳態(tài)還包括量子安全直接通信等，突破了現(xiàn)有信息技術(shù)，引起了學(xué)術(shù)界和社會的高度重視。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信除具有超強抗干擾能力外且不需對傳統(tǒng)信道進行借助；與此同時量子通信的密碼被破譯的可能性幾乎沒有，具有較強的保密性；另外，量子通信幾乎不存在線路時延，傳輸速度很快。量子通信發(fā)展僅僅經(jīng)歷了20年左右，但其發(fā)展卻十分迅猛，目前已經(jīng)被很多國家和軍方給予高度關(guān)注。

量子通信在國防和軍事上具有廣闊的應(yīng)用前景，作為量子技術(shù)的最大特征，量子技術(shù)的安全性是傳統(tǒng)加密通信所無可企及的。量子通信技術(shù)的超強保密性，能夠有效保證己方軍事密件和軍事行動不被敵方破譯及偵析，在國防和軍事領(lǐng)域顯示出無與倫比的魅力。另一方面，在破解復(fù)雜的加密算法上，也許現(xiàn)有計算機可能需要好幾萬年的時間，在現(xiàn)實中是完全無法接受且?guī)缀鯖]有實用價值的。但量子計算機卻能在幾分鐘內(nèi)將加密算法破解，如果未來這種技術(shù)被投入實用，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)密碼體制將處于危險之中，而量子通信技術(shù)則能能夠抵御這種破解和威脅。此外，在民間通信領(lǐng)域量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景也同樣廣闊。中國科技大學(xué)在2009年對界上首個5 節(jié)點的全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)進行組建后，使得實時語音量子保密通信被首次實現(xiàn)，城市范圍的安全量子通信網(wǎng)絡(luò)在這種“城域量子通信網(wǎng)絡(luò)”基礎(chǔ)上成為了現(xiàn)實。

各國正是瞅準了量子通信技術(shù)的無限應(yīng)用前景，紛紛加大對量子通信技術(shù)方面的投入力度。在未來的量子通信技術(shù)還應(yīng)注意一些關(guān)鍵性的問題，如單光子源成本的降低、通信傳輸距離的加大以及檢測概率的增強等，都仍需要進一步的研究。

參考文獻

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論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)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(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

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)過化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經(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，并對實際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對量子化學(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，它對水泥石的強度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強度決定于化學(xué)鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強度的大小差異。計算發(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(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)的超精細場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實驗結(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(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在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(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應(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，同時由于電子計算機的飛速發(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)機理和動力學(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)計算方法以及計算技術(shù)的進步，量子化學(xué)方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進行了計算。由理論計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)果與實驗數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(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

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點，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，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、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(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗分子軌道法以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和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進行了研究，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]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進一步認識和計算機水平的更高發(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)計算一直是一個具有挑戰(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(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別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學(xué)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(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)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調(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)合過程和作用特點設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學(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，由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計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。

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篇10

多年以前，高科技最牛的美國就已不把電子計算機列為高科技產(chǎn)品了。

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

惡搞一下：法國人浪漫，而簡稱美國人為美人，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了。其實，“信息”最初是相當文藝范兒的，而不是20世紀中期才開始熱門起來的科技詞匯。

一般認為，中文的“信息”一詞出自南唐詩人李中《暮春懷故人》：“夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺。”—— “美眉音信消息全無啊，夢里也夢不到你，我獨自上樓倚欄，望眼欲穿望到長路盡頭也不見你?！边@么拙劣地意譯，也讓人感覺到深深的思念。

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

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過“信息”這個詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當年安樂的故鄉(xiāng)，心理上把信息的價格定成了真正的天價：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉(xiāng)關(guān)新信息?！薄昵暗奶扑沃袊?，其高科技雖是世界第一，但信息技術(shù)還是跟現(xiàn)在沒法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來傳遞信息，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年就劃時代地把信息引為數(shù)學(xué)研究的對象，賦予其新的科學(xué)的涵義；至1956年，“人工智能”術(shù)語也出現(xiàn)了?？勺钤缬懻摂?shù)據(jù)、信息、知識與智慧之間關(guān)系的，卻是得過諾貝爾文學(xué)獎的大詩人艾略特（T. S. Eliot；錢鐘書故意譯為“愛利惡德”）。他在1934年的詩歌“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？

我們迷失于知識中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識在哪里？

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，但詩人還是直指本質(zhì)地提出了信息暴炸時代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數(shù)據(jù)中？

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

量子與量子計算機

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)?？陀^世界有物質(zhì)、能量兩種存在形式，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)換（見愛因斯坦的質(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)象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時提出：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行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，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力學(xué)，量子理論進入了量子力學(xué)階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動力學(xué)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對量子力學(xué)理論進行了系統(tǒng)的總結(jié)，成功地將相對論和量子力學(xué)兩大理論體系結(jié)合起來，使量子理論進入量子場論階段。

“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數(shù)量的某事物”。現(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行的，而不是連續(xù)的，這個最小的基本單位叫做量子；或者說，一個物理量如果有不可連續(xù)分割的最小的基本單位，則這個物理量（所有的有形性質(zhì)）是“可量子化的”，或者說其物理量的數(shù)值會是特定的數(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)定和一般問題。

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

隨著計算機科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)能耗導(dǎo)致發(fā)熱而影響芯片集成度，限制了計算速度；能耗源于計算過程中的不可逆操作，但計算機都可找到對應(yīng)的可逆計算機且不影響運算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學(xué)中則可用一個幺正變換來表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學(xué)的計算設(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年代量子計算機的理論變得很熱鬧。費曼發(fā)現(xiàn)模擬量子現(xiàn)象時，數(shù)據(jù)量大至無法用電子計算機計算，在1982年提出用量子系統(tǒng)實現(xiàn)通用計算以減少運算時間；杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。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，許多人開始研究實際的量子計算機。

在物理上，傳統(tǒng)的電子計算機可以被描述為對輸入信號串行按一定算法進行變換的機器，其算法由機器內(nèi)部半導(dǎo)體集成邏輯電路來實現(xiàn)，其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是傳統(tǒng)信號（輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)），存儲數(shù)據(jù)的每個單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時間僅能存儲4個二進制數(shù)（00、01、10、11）中的一個。而量子計算機靠控制原子或小分子的狀態(tài)，用量子算法運算數(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；因為量子態(tài)有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個本質(zhì)特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個“0”或兩個“1”，即可同時存儲4個二進制數(shù)（00、01、10、11），實現(xiàn)量子并行計算（量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換相當于一種傳統(tǒng)計算，所有傳統(tǒng)計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計算機的輸出結(jié)果），從而呈指數(shù)級地提高了運算能力——一臺未來的量子計算機3分鐘就能搞定當今世界上所有電子計算機合起來100萬年才能處理完的數(shù)據(jù)。用量子力學(xué)語言說，傳統(tǒng)計算機是沒有用到量子力學(xué)中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計算機。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構(gòu)成）的存儲器，可能存儲2的250次方個二進制數(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)將嚴重影響芯片的設(shè)計和生產(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)由一個獨立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動開關(guān)，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構(gòu)想的這個實驗，被引為解釋量子世界的經(jīng)典。而量子理論認為，單個原子的狀態(tài)其實不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對應(yīng)到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠也不知道貓的死活，它永遠處于非死非活的疊加態(tài)。

宏觀態(tài)的確定性，其實是億萬微觀粒子、無數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計結(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)。用實驗研究量子，首先要捕獲單個的量子。即若不分離出單個粒子，則粒子神秘的量子性質(zhì)便會消失?？茖W(xué)家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態(tài)，又能實際觀測它的實驗方法，他們只能在頭腦中進行思想實驗，而無法實際驗證其預(yù)言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發(fā)明了在保持個體粒子的量子力學(xué)屬性的情況下對其進行觀測和操控的方法，則可實證地說出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級量子計算機帶來了更大可能，因為量子計算機中最基礎(chǔ)的部分——得到1個量子比特已獲成功。

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捕捉、控制以及測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，溫度接近絕對零度（約-273℃）。一個光子進入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過發(fā)射原子穿過阱，控制并測量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營造出一個電場囚籠，粒子像是被裝進碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測工具，從而得到光子的數(shù)據(jù)。維因蘭德向碗中發(fā)射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數(shù)據(jù)。

2007年以來，加拿大、美國、德國和中國的科學(xué)家都說自己研制出了某種級別的量子計算機，但到今天卻仍無一個投入實用。光鐘更接近現(xiàn)實，因為可操控單個量子，就能按意愿調(diào)控量子的振蕩（相當于鐘擺）頻率，越高越精；目前實驗的光鐘，若從宇宙產(chǎn)生起開始計時，至今只誤差5秒。光鐘可使衛(wèi)星定位和計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《侏羅紀公園》、《失去的世界》等）在科幻小說《時間線》中，曾文藝化地描述量子計算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲洞”、“量子運輸”、“量子糾纏態(tài)”、“電子的32個量子態(tài)”等讓常人倍感高深的說法。其中一些如今正在證實或變現(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就很可能是另外一種結(jié)局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統(tǒng)大都采用單項數(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。可說量子這種技術(shù)在現(xiàn)代軍事上的意義不亞于核彈。但同時，量子信息技術(shù)也將發(fā)展出一種理論上永遠無法破譯的密碼——量子密碼。

保密通信分為加密、接收、解密三個過程，密鑰的保密和不被破解至為關(guān)鍵。量子密碼采用量子態(tài)作為密鑰，是不可復(fù)制的，至少在理論上是無破譯的可能。量子通信是用量子態(tài)的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數(shù)學(xué)計算，而是由微觀粒子所遵循的物理規(guī)律來保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據(jù)海森堡的測不準原理，任何測量都無法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態(tài)（有共同來源的兩個粒子存在著糾纏關(guān)系，似有“心靈感應(yīng)”，無論距離多遠，一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子也發(fā)生變化，速度遠遠超過光速，一旦受擾即不再糾纏。愛因斯坦稱這種發(fā)生機理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會擾亂傳送密鑰的量子狀態(tài)，從而留下痕跡。