量子計算的特性匯總十篇

序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇量子計算的特性范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

[中圖分類號] R765.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2013）03（a）-0099-03

過敏性鼻炎是臨床高發(fā)病，其治療方法較多，多數(shù)效果不甚理想。國內(nèi)外的較多研究認為，此類疾病與患者機體中的較多檢測指標有一定的相關(guān)性，其中微量元素及炎性因子，還有其他較多指標均是對疾病診斷和發(fā)展轉(zhuǎn)歸有較高檢測價值的指標，因此認為其可以作為了解治療干預方案是否有效的檢測項目[1-2]。本研究就咪唑斯汀對過敏性鼻炎患者血清元素及特異性免疫球蛋白E（sIgE）、嗜酸性粒細胞陽離子蛋白（ECP）、炎性因子的影響進行分析探討，并將分析步驟及結(jié)果報道如下：

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2010年6月～2012年5月重慶醫(yī)科大學附屬永川醫(yī)院收治的84例過敏性鼻炎患者，將其分為對照組（42例）和觀察組（42例）。對照組中男23例，女19例；年齡15～71歲，平均（34.1±5.2）歲；病程10.0～88.5個月，平均（45.3±3.7）個月。觀察組中男24例，女18例；年齡16～72歲，平均（34.3±5.1）歲；病程11.0～88.0個月，平均（45.5±3.6）個月。兩組患者的男女所占比例、年齡及病程比較，差異均無統(tǒng)計學意義（均P > 0.05），具有可比性。

1.2 方法

1.2.1 治療方法 兩組患者均無1個月內(nèi)用藥治療史。對照組采用伯克納進行治療，以伯克納鼻噴霧劑進行噴鼻治療，2撳/次，2次/d，較為嚴重者可加至3～4次/d。觀察組則采用伯克納聯(lián)合咪唑斯汀進行治療，伯克納用藥方法與對照組一致，同時給予咪唑斯汀10 mg/次口服，1次/d。兩組均根據(jù)治療情況治療7～14 d。后將兩組患者的治療總有效率及治療前，治療后7、14 d的血清鋅（Zn）、銅（Cu）、錳（Mn）、sIgE、ECP及白介素4（IL-4）、白介素6（IL-6）、白介素8（IL-8）、腫瘤壞死因子α（TNF-α）、γ干擾素（IFN-γ）水平進行比較。

1.2.2 檢測方法 兩組患者均于用藥前1 d空腹狀態(tài)下采集靜脈血5.0 mL進行檢測血清Zn、Cu、Mn、sIgE、ECP及IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α、IFN-γ，其中血清Zn、Cu、Mn采用DS-3B微量元素分析儀進行檢測；sIgE及ECP則采用上海逸晗生物科技有限公司的sIgE ELISA試劑盒及ECP ELISA檢測試劑盒進行檢測；IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α、IFN-γ則均采用上海麗臣生物科技有限公司的相應酶聯(lián)免疫定量試劑盒進行檢測，最后將上述所有檢測項目所得檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

1.3 療效評價標準

以經(jīng)治療后患者的所有癥狀體征消失，同時實驗室檢測指標均恢復正常為顯效，以患者所有癥狀體征及實驗室檢測指標均明顯改善為有效，以患者所有癥狀體征及實驗室檢測指標均無改善、輕微改善或加重為無效[3]，且以顯效例數(shù)和有效例數(shù)相加之和為總有效例數(shù)。

1.4 統(tǒng)計學方法

軟件包為SAS 8.0，計量資料采用均數(shù)±標準差（x±s）表示，組間比較采用t檢驗，重復測量的計量資料采用重復測量方差分析，以P < 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組臨床療效比較

治療后7、14 d統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，觀察組的總有效率顯著高于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P < 0.05）。

2.2 兩組治療前后血清微量元素及sIgE、ECP比較

觀察組患者治療前的血清Zn、Cu、Mn、sIgE及ECP與對照組比較，差異均無統(tǒng)計學意義（均P > 0.05），而治療后7、14 d觀察組血清Zn高于對照組，Cu、Mn、sIgE、ECP低于對照組，差異均有統(tǒng)計學意義（均P < 0.05）。見表2。

2.3 兩組治療前后炎性因子指標比較

治療前兩組患者的IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ比較，差異均無統(tǒng)計學意義（均P > 0.05），而治療后7、14 d觀察組血清IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ低于對照組，差異均有統(tǒng)計學意義（均P < 0.05）。見表3。

3 討論

過敏性鼻炎是由IgE介導的I型變態(tài)反應性疾病，臨床發(fā)病率較高，且具有反復發(fā)作的特點，嚴重影響到患者的生存狀態(tài)。另外，較多研究認為本類疾病發(fā)生過程中多種免疫活性細胞和細胞因子等均發(fā)生一定的變化[4]。另外，國內(nèi)外一些研究認為[5-6]，機體某些微量元素的異常與本病有較為明顯的相關(guān)性，其中Zn的降低和Cu、Mn的升高可導致機體功能的異常，甚至影響到機體的免疫狀態(tài)，因此患者更易發(fā)生一些疾病。再者，臨床中對于sIgE及ECP在本病患者中存在異常升高的情況已經(jīng)基本得到肯定[7-8]，均與其特異性抗原引起的免疫性反應有關(guān)，其在疾病發(fā)生的過程中起到敏感癥狀介質(zhì)的作用。同時，較多研究顯示，此類患者存在明顯的炎性指標的異常升高的狀況，其中IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ均是臨床研究基本肯定的參與本病的指標[9-10]。綜合這些因素認為，上述項目均可在患者治療的過程中給予細致的監(jiān)測，以利于了解病情的發(fā)展轉(zhuǎn)歸。

伯克納是臨床中對于過敏性鼻炎治療較受肯定的藥物之一，其為糖皮質(zhì)激素類藥物，主要為通過收縮皮膚血管來達到抗炎及抗過敏的作用，從而對過敏性鼻炎發(fā)揮治療效果。咪唑斯汀是臨床中較為常用的一類治療變態(tài)反應的藥物，具有抗組胺和抗變態(tài)反應活性，還可抑制活化的肥大細胞釋放組胺以及抑制嗜中性粒細胞等炎癥細胞的趨化作用，而這些作用均有效針對了過敏性鼻炎的發(fā)病機制，因此認為效果較為可靠。

本研究就咪唑斯汀對過敏性鼻炎患者血清元素及sIgE、ECP、炎性因子的影響進行觀察，以從這些指標的變化方面進一步了解咪唑斯汀的療效，結(jié)果顯示，加用咪唑斯汀的患者較未加用咪唑斯汀的患者，其血清微量元素及sIgE、ECP、炎性因子的變化幅度更大，且這些變化呈現(xiàn)出持續(xù)性，因此從這些方面肯定了其療效。

綜上所述，本研究認為咪唑斯汀對過敏性鼻炎患者血清元素及SIgE、ECP、炎性因子的影響較為明顯，其可有效改善患者的疾病狀態(tài)。

[參考文獻]

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[4] 陳濤，蔣科會，聶孝敏.變應性鼻炎患者血漿P選擇素及ECP的測定及其意義[J].貴州醫(yī)藥，2010，34（6）：533-534.

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[6] 季秀梅，趙仕勇，鄭韶，等.變應性鼻炎患兒血清IL-10與IgE水平及其關(guān)系的研究[J].浙江醫(yī)學，2011，33（9）：1373-1375.

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中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0298-01

一、量子的基本知識

1、量子

我們在物理學中提到“量子”時，實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“光量子”，是因為單個光量子的能量是光能變化的最小單位，光的能量是以單個光量子的能量為單位一份一份地變化的。對于量子的種種特性，連不少科學家都為之迷惑，對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可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對物質(zhì)的測量意味著擾動，會改變被測量物質(zhì)的狀態(tài)。好比孫悟空的分身術(shù)， 孫悟空可能同時出現(xiàn)在幾個地方，他的各個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出現(xiàn)，但在量子世界里它卻可以同時出現(xiàn)在多個不同的地方?！?/p>

而所謂的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化?！叭绻@兩個光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，還是會出現(xiàn)遙遠的點之間的詭異互動，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”?？茖W家就可以利用這種效應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。量子糾纏的廣泛應用將會改變我們的生活，真正地突破時空的局限，交通、物流也就不再會有時間與空間的阻礙了。我國發(fā)射的“墨子號”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、意識是量子力學現(xiàn)象

人們的意識一直都沒有搞清楚，用經(jīng)典物理學的電學、磁學及力學方法去測量意識是測量不出來的，科學家們現(xiàn)在已經(jīng)開始認識到了意識是種量子力學的現(xiàn)象，意識的念頭像量子力學的測量。為什么這么說呢？比如我們面前出現(xiàn)了一座房子，這時有兩種可能的狀態(tài)：一個沒有任何心思的人會看房非房，他的意識處于自由的狀態(tài)，沒看到房子是石頭的還是木頭的，他根本就不動念頭。意識也是這樣，如果你看到這座房子，一下子動念頭了，動念頭實質(zhì)上就是作了測量。

客觀世界是一系列復雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》， 就是研究意識，他認為計算機僅僅是邏輯運算，不會產(chǎn)生直覺，直覺只能是量子系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生，意識是種量子力學現(xiàn)象，意識的念頭像量子力學的測量。而人的大腦有直覺，也就是說人的意識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，一定有個地方存在著人的意識。

三、量子技術(shù)的應用

科學家認為，量子糾纏是一種 “神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實際上，量子糾纏還有很多奇妙的應用，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、量子計算、量子成像、量子生物學是目前的方向。

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)從一個地方傳送到另一個地方，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)的計算機信息技術(shù)極易遭遇泄密的問題。

2、量子計算

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

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不同的光學系統(tǒng)中，在其中一個系統(tǒng)里放入待成像的物體，通過雙光子關(guān)聯(lián)測量，在另一個光學系統(tǒng)中能再現(xiàn)物體的空間分布信息。即與經(jīng)典光學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

量子生物學是利用量子力學的概念、原理及方法來研究生命物質(zhì)和生命過程的學科。薛定諤在《生命是什么》一書中對這一觀點進行了詳盡的闡述，提出遺傳物質(zhì)是一種有機分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設想。這些設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。因此量子生物學是分子生物學深入發(fā)展的必然趨勢，是量子力學與分子生物學發(fā)展到一定階段之后相互結(jié)合的產(chǎn)物。

愛因斯坦相對論指出：相互作用的傳播速度不會大于光速，可是對于分開很遠距離的兩個處于糾纏態(tài)中的粒子，當對一個粒子進行測量時，另一個粒子的狀態(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遠超過光速。這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。量子糾纏是量子物理學里最稀奇古怪的東西，即使腦洞大開我們還是很難領(lǐng)會它，另外從常識角度來看，量子理論描述的自然界很荒謬，許多解釋還涉及到哲學問題。但另一方面，量子物理學有很廣泛的應用，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算機到人工智能，無所不含，這也正是我們深入學習、研究量子物理的動力所在啊！

參考文獻

[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，跨越時空的骰子.

[4] 中國科普博覽.

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兩種方式

現(xiàn)在，全球在遠距離通信方面最先進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）量子比特為單位計或是qubits，這些可以通過光一瞬間分散的特性表現(xiàn)，比如它的兩級狀態(tài)，或是以電磁波的連續(xù)狀態(tài)形容，比如微波電場的密度和強度。瞬間傳輸信息，需要發(fā)送和接收雙方都擁有一對糾纏的量子系統(tǒng)。當發(fā)送者改變系統(tǒng)狀態(tài)時，接收者系統(tǒng)會同樣受到影響。

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

長距離的傳輸也會帶來進一步的技術(shù)難題，比如對大氣亂流和地面活動的彌補。所以，需要利用一些先進科技同步傳輸?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的結(jié)果更加容易，只用簡單的線性光學和標準的光電探測器即可進行。這樣的系統(tǒng)能夠同時傳送許多量子比特，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。有實驗表明，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。我們需要進一步研究擴大實驗中的距離，并整合其他量子技術(shù)類型，比如用于移動通訊儲存的量子存儲器?；旌霞夹g(shù)的研究需要在不同領(lǐng)域、不同團隊之間展開更廣泛的合作與交流。

量子網(wǎng)絡

實現(xiàn)全球分布的量子計算機或量子網(wǎng)絡，其中最大的阻礙之一就是網(wǎng)絡之間糾纏的節(jié)點。所謂量子比特（量子位）能夠在任意兩個量子之間瞬間移動，并且依靠本地量子計算機進行處理。

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

在近乎完美的精確和大容量下，量子存儲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器。超冷原子氣體包括了100萬原子的銣元素，它能夠?qū)蝹€的光量子轉(zhuǎn)化為稱為自轉(zhuǎn)波的集合原子。儲存時間接近100毫秒，需要在全球之間發(fā)送光信號。

量子網(wǎng)絡需要存儲器存入量子信息，保護信息免受不需要的交互作用的影響。因此，量子計算需要通過這樣存儲器的技術(shù)支持以及通過中繼器實現(xiàn)長距離的量子糾纏分布。

超導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，通過釋放或吸收微波光量子，與量子處理器之間相互作用。為達到固體量子存儲的成功集合，量子信息的可逆的存儲和檢索將成為可能。這需要微波光量子與固態(tài)量子存儲器原子自轉(zhuǎn)之間有效的交接，與處理器相連接。如果成功，這項混合技術(shù)將是最有希望擴大成為大型分布式的量子計算機的設備。

另一方面，量子計算對經(jīng)典計算做了極大的擴充，在數(shù)學形式上，經(jīng)典計算可看做是一類特殊的量子計算。量子網(wǎng)絡對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。

未來的發(fā)展

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

篇（4）

當我們還在感嘆一個小小的芯片可以集成超過數(shù)億個晶體管，去年我們還認為Intel研制出的3D晶體管是“晶體管歷史上最偉大的發(fā)明”的時候，量子計算機(Quantum Computer)便以更加驚艷的方式成為焦點。

在3月初舉行的美國物理學會年會上，以馬賽厄斯?斯特芬博士為首的IBM團隊展示了他們在量子計算機方面的最新研究成果：3D超導量子比特(quhit)裝置及包含3個量子比特的硅晶片。中國科學技術(shù)大學從事半導體量子芯片研究的郭國平教授認為，上述設備非常類似于我們現(xiàn)在廣泛使用的電腦芯片，采用傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)，在超導的金屬鋁材料上即可制備出進行量子信息處理的芯片。

與此同時，IBM的三項新紀錄震動整個了物理界，他們做到了減少基本運算誤差、保持量子比特中量子機械特性的完整性，以及將量子的相干時間(即系統(tǒng)一直進行量子信息處理而不發(fā)生錯誤的時間)延長了2個數(shù)量級?！斑@一次，他們采用了一種新的三維結(jié)構(gòu)，就像用一個盒子把芯片包裹起來以避免外界的干擾，使得量子相干時間延長到100微秒，這樣每進行10000次(以前是100次)作才出錯，因此他們的芯片可以進行很多次的量子計算，性能比以前更為強大”，郭教授解釋。

這100微秒，對你我來說只是一瞬，但對于量子計算來說，卻可以同時處理百萬項任務。傳統(tǒng)的計算機將信息識別為“0”或“1”兩種狀態(tài)的二進制數(shù)據(jù)，就像燈泡一樣，非開即關(guān)；而量子計算則如同“薛定諤的貓”，它可以同時處理數(shù)據(jù)“1”和“0”，這就意味著兩個量子比特可以表示4個賦值，三個量子比特則可以表示8個，以此類推。不過更讓人驚異的是，最子比特所呈現(xiàn)的這種特性，就好比一盞燈可以同時處于開和關(guān)兩種狀態(tài)一樣，具有天然的并行計算能力。斯特芬博士說：“這就像我可以同時身處兩個不同地方，但是這樣的事情在現(xiàn)實世界中不可能發(fā)生?！?/p>

早在100年前，量子力學理論就開始不斷沖擊人們的既有認知。而一個多世紀過去了，量子鬼魅般行蹤的魅力卻讓無數(shù)科學家為之傾倒。諾貝爾物理學獎獲得者理查德-費恩曼于1982年引入量子計算的概念，至今已有越來越多的研究人員投身關(guān)于量子計算機的研發(fā)：2007年。D-Wave公司宣稱他們制造出了世界第一臺商用量子計算機(迄今為止只賣出了一臺)；2010年，美國與澳大利亞科學家成功制造出在單晶硅表面構(gòu)成一個量子點的晶體管；2011年初，牛津大學的科學家首次將100億個量子比特植入高純度的硅晶體中……目前，許多政府和軍隊也在出資支持進行量子計算機研究和開發(fā)的機構(gòu)。

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量子芯片是在傳統(tǒng)半導體工業(yè)的基礎(chǔ)上，充分利用量子力學效應，實現(xiàn)高效率并行量子計算的核心部件?！傲孔有酒笔俏磥砹孔佑嬎銠C的“大腦”。

新型量子比特在超快操控速度方面與電荷量子比特類似，而其量子相干性方面，卻比一般電荷編碼量子比特提高近十倍。同時，該新型多電子軌道雜化實現(xiàn)量子比特編碼和調(diào)控的方式具有很強的通用性，對探索半導體中極性聲子和壓電效應對量子相干特性的影響提供了新思路。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

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【分類號】：TM743

1.概述

量子計算是計算機科學與量子力學相結(jié)合的產(chǎn)物，根據(jù)Moore定律可知：當計算機的存儲單元達到原子層次時，顯著地量子效應將會嚴重影響計算機性能，計算機科學的進一步發(fā)展需要借助新的原理和方法【1】，量子計算為這一問題的解決提供了一個可能的途徑。

根據(jù)量子計算原理設計的量子計算機是實現(xiàn)量子計算的最好體現(xiàn)。量子計算機是利用微觀粒子狀態(tài)來進行存儲和處理信息的計算工具【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的特性進行信息的運算、保存和處理操作，從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的計算理念。

量子通信是量子理論與信息理論的交叉學科，是指利用量子的糾纏態(tài)實現(xiàn)信息傳遞的通訊方式。量子的糾纏態(tài)是指：相互糾纏的兩個粒子無論被分離多遠，一個粒子狀態(tài)的變化都會立即使得另一個粒子狀態(tài)發(fā)生相應變化的現(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，傳輸距離遠和保密性強的特點。

2.量子計算基礎(chǔ)

2.1 量子位

計算機要處理數(shù)據(jù)，必須把數(shù)據(jù)表示成計算機能夠識別的形式。與經(jīng)典計算機不同，量子計算機用量子位來存儲信息，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n位的量子寄存器可以處于 個基態(tài)的相干疊加態(tài) 中，即可以同時存儲 種狀態(tài)。因此，對量子寄存器的一次操作就相當于對經(jīng)典計算機的 次操作，也就是量子的并行性。

2.2.量子邏輯門

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

量子邏輯門在量子計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?！?】

3.量子算法

量子算法的核心就是利用量子計算機的特性加速求解的速度，可以達到經(jīng)典計算機不可比擬的運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，模擬量子力學體系性質(zhì)的量子仿真算法，“相對黑盒”指數(shù)加速的量子算法和相位估計量子算法。

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算法可以在量子計算的條件下，在多項式時間內(nèi)很有效地解決該問題。這對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，通過量子并行特點，獲得所有的函數(shù)值；再隨機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)相對成熟，對其進行優(yōu)化的空間不大。目前研究者的改進工作主要是：通過對同余式函數(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算法及其實現(xiàn)，對量子密碼學和量子通信的發(fā)展有著極重要的價值。[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 個數(shù)據(jù)庫的搜索問題，其中搜索的解恰好有 個，將數(shù)據(jù)庫中的每個元素進行量化后，存儲在 個量子位中， 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。應用Oracle算子 ，檢驗搜索元素是否是求解的實際問題中需要搜索的解。

（2）進行Grover迭代。將結(jié)果進行阿達馬門（Hadamard門）變換。

（3）結(jié)果進行 運算。

（4）結(jié)果進行阿達馬門變換?！?2】

4. 量子智能計算

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算方法的計算處理方面，同時智能計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，即利用量子并行計算可以很好的彌補智能算法中的某些不足。

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

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

目前量子進化算法已經(jīng)應用于許多領(lǐng)域，例如：工程問題、信息系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化等。同時，伴隨著量子算法的理論和應用的進一步發(fā)展，量子進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

1.王書浩，龍桂魯.大數(shù)據(jù)與量子計算

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。量子計算與量子計算機

5.蘇曉琴，郭光燦。量子通信與量子計算。量子電子學報，2004，21（6）：706-718

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

7.王蘊，黃德才，俞攸紅.量子計算及量子算法研究進展.

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

9.龍桂魯.量子計算算法介紹

篇（7）

上圖左邊為利用掃描隧道顯微鏡測量水的量子效應的示意圖。上圖右邊為單個水分子的非彈性電子隧穿譜，從中可分辨水分子的拉伸、彎曲和轉(zhuǎn)動等振動模式，這些振動可以作為靈敏的探針來探測氫核的量子運動對氫鍵的影響。

最近，他們又基于掃描隧道顯微鏡研發(fā)了一套“針尖增強的非彈性電子隧穿譜”技術(shù)，突破了傳統(tǒng)非彈性電子隧穿譜技術(shù)在信噪比和分辨率方面的限制，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，并由此測得了單個氫鍵的強度。

篇（8）

【中圖分類號】TP309.5 【文獻標識碼】B 【文章編號】1009-5071(2012)08-0249-01

如今計算機的發(fā)展已經(jīng)進入了人工智能時代，新型計算機的時代又將是新一輪的計算機革命，這又將對社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

1 新型計算機系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)

信息時代對信息的獲得能力決定了一個國家或者地區(qū)在這個時代的發(fā)展能力。全球化已經(jīng)越來越迅速的今天，世界各國都在加緊研發(fā)新型的計算機，計算機的各個方面都出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。而新型的量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等也將在不久的將來進入我們生活的各個領(lǐng)域，甚至有些已經(jīng)進入了我們的生活。

1.1 量子計算機：量子計算機的研發(fā)是基于量子效應理論開發(fā)的，它的運算工作原理是：利用鏈狀分子聚合物的特性來表示信號的開和關(guān)，并用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使得信息沿著聚合物移動，進行運算。量子計算機的存儲單位比以往的計算機都要小許多，是用量子位存儲的。具體的表現(xiàn)就是一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，這樣量子計算機的優(yōu)勢就是比存儲量就變的非常龐大，對于工作要求存儲量大的電腦用戶來說是一個極佳的選擇。目前正在研發(fā)的量子計算機類型主要有3種，第一種是核磁共振量子計算機，第二種是硅半導體量子計算機，第三種是離子阱量子計算機?？茖W家們預測，量子計算機將在不久的2030年獲得普及。

1.2 光子計算機：光子計算機也可以被稱作是全數(shù)字計算機，它的工作原理是以光子代替電子，光互連的特性替代導線的互連，用光硬件代替電腦中的硬件設備，用光運算的方式代替電運算的方式進行運算。這種計算機的優(yōu)勢是信息傳遞的平行通道密度大，而光具有高速、并行的特性，這也就決定了光子計算機并行處理能力強大，運算速度遠超人們的想象。

1.3 生物計算機：生物計算機亦稱作DNA分子計算機，它的運算過程簡單來說就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學介質(zhì)相互作用的過程。計算過程中需要的轉(zhuǎn)換開關(guān)是用酶來擔任的，程序的表示也將在酶合成系統(tǒng)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中變得極其明顯。生物計算機的運算速度比人腦的運算速度要快100萬倍，也就是說生物計算機完成一項運算需要的時間僅僅是10微微秒。這種計算機的優(yōu)勢是驚人的存儲量，根據(jù)計算，1立方米的DNA溶液可以存儲1萬億億的二進制數(shù)據(jù)。

1.4 納米計算機：納米作為一種計量單位，許多人對其并不陌生，但是對其的具體感覺卻并不直觀，它的長度大約是一個氫原子的直徑的10倍，它的具體表述就是10-9米?，F(xiàn)在納米技術(shù)在計算機領(lǐng)域正在從微電子機械系統(tǒng)中被運用，這個系統(tǒng)是把傳感器、電動機和計算機的個各種處理器放在了同一個芯片上。這種用納米技術(shù)的計算機芯片非常微小，體積一般不過就是數(shù)百個原子的大小。它的優(yōu)點就是幾乎不需要消耗任何能源，性能更是比現(xiàn)在的計算機要強大的多。

2 計算機技術(shù)發(fā)展

2.1 現(xiàn)代微型處理器技術(shù)發(fā)展：計算機性能的提升關(guān)鍵技術(shù)就是微型處理器的發(fā)展，這種技術(shù)追求的就是把處理器里的晶體線寬和尺寸的減小。要實現(xiàn)減小的目的，一般是通過用較短的波長的曝光光源來掩膜曝光，使做出的聯(lián)通晶體管的導線和刻蝕于硅片上的晶體管更細更小的方法來實現(xiàn)的，這種技術(shù)到現(xiàn)在一般是用紫外線作為曝光光源，不管有個限制難題就是線寬小于或等于0.10流明的情況下會受到阻礙，也因此現(xiàn)在的計算機技術(shù)已經(jīng)不再追求利用紫外線做光源來提升計算機的性能發(fā)展方向了。

2.2 以納米為主的電子科學技術(shù)：當今計算機技術(shù)的發(fā)展障礙是處理速度和集成度，盡管現(xiàn)在的電子計算機的電子元件得到了有效的改善，但是相對于現(xiàn)在要求電子計算機的高速化，智能化，和微型化的要求是遠遠不夠的， 所以今后計算機的技術(shù)發(fā)展也不再是局限在單純的縮小尺寸方面，還要用其他的創(chuàng)新手段來完善計算機技術(shù)。

2.3 分組交換技術(shù)的發(fā)展：分組交換技術(shù)是把需要傳送的數(shù)據(jù)劃分為一些等長的部分，每個部分叫做一個數(shù)據(jù)段的技術(shù)。在這些數(shù)據(jù)段的前面添加一個控制信息組成首部，就可以構(gòu)成一個分組。分組通過首部指明了需要發(fā)往的地址，然后節(jié)點交互機根據(jù)分組的地址，將他們發(fā)往目的地。整個過程就是分組交換過程，這種技術(shù)很好的提升了通信的效率。

3 計算機技術(shù)發(fā)展方向

現(xiàn)在的計算機在人們的生活中已經(jīng)扮演了一個非常重要的角色，但是它的角色只會變得越來越重要，因為以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，人類將進入智能化、物聯(lián)網(wǎng)的時代。

3.1 納米技術(shù)需要大力發(fā)展：納米技術(shù)不受到傳統(tǒng)的計算機集成和處理速度的限制，納米技術(shù)就成了今后計算機技術(shù)大力發(fā)展的一個方向了。今后出現(xiàn)的量子計算機和生物計算機的發(fā)展都有賴于納米技術(shù)在計算機領(lǐng)域的應用和發(fā)展，為推動今后計算機的運算速度和存儲能力遠遠超越現(xiàn)在的計算機，大力發(fā)展納米技術(shù)也成了一個必要的選擇。

3.2 著力改善計算機的體系結(jié)構(gòu)：計算機是一個具有不同功能的體系結(jié)構(gòu)，也是一個組合體。當代幾乎所有的大型電腦和微型電腦都有可以同時處理不同問題的能力，這種功能就是是當前計算機的主流結(jié)構(gòu)：并行計算。另外大型電腦有一個群集的發(fā)展趨勢，使用戶對相融性和可靠性的需求獲得提高。

篇（9）

Solid State Devices

2012，551p

Hardcover

ISBN9781461411406

隨著現(xiàn)代科技的進步，人類科技已進入納米時代，應用于光子學、電子學等的納米結(jié)構(gòu)固體器件正以飛速發(fā)展的態(tài)勢引起人們越來越濃的研究興趣。當器件尺寸接近甚至小于電子的特征自由程時，量子現(xiàn)象開始占據(jù)統(tǒng)治地位，一些固體器件展現(xiàn)了新穎的特性。對于這些特性背后的物理原理和概念，本書進行了細致深入的分析。

本書共分為9章：1.穩(wěn)態(tài)的“漂移擴散模型”在固體中的電子傳輸。本章從介紹基本的漂移擴散模型開始，引入有效的漂移擴散方程用來計算穩(wěn)態(tài)的運輸下固體器件中載體濃度和電流密度。2.討論了更復雜的基于電荷傳輸模型的玻耳茲曼的輸運方程（BTE）。本章從基本原理出發(fā)，推導廣義力矩方程中存在的電荷傳輸局域和非局域的影響。3.回顧了量子力學中的基本概念、算符以及一些定義，介紹了量子阱、量子線和量子點，以及隨時間變化的擾動理論等。本章目的是為納米結(jié)構(gòu)的固態(tài)器件提供必不可少的理論知識和必備的量子理論基礎(chǔ)。4.基于時間無關(guān)微擾理論中，計算能帶結(jié)構(gòu)的方法。能帶結(jié)構(gòu)在納米固體器件中，特別是光器件，起著至關(guān)重要的作用。本章討論了4個不同的能帶結(jié)構(gòu)的計算方法：近自由電子法、正交平面波（OPW）擴展方法、緊約束近似（TBA）和波矢動量理論。5.在傳輸機制中時間有關(guān)的微擾理論的應用。6.電子- 光子相互作用及其對固體器件性能的影響，介紹了光學中的一些概念，如自發(fā)輻射、受激發(fā)射等。7.在磁場中的電子的行為，介紹了狄拉克方程和泡利方程、薛定諤方程，以及量子霍爾效應（FQHE）。8.一些通常的量子輸運方程。9.基于第8章原理而開發(fā)研制的一些實際的量子器件。

作者Supriyo Bandyopadhyay 在全美三個大學教授電子學理論、固體物理的研究生課程長達25年，具有非常豐富的教學研究經(jīng)驗。本書依據(jù)作者的教學材料所編撰。一旦讀者們能夠把握并熟悉掌握書中提出的概念，他們將能夠很容易地處理更加困難和專業(yè)的研究論題。

本書適合電子學和物理學專業(yè)背景的本科畢業(yè)生及一年級的研究生，讀者應對固態(tài)物理、量子力學有一定的了解。本書可使讀者對電子學和應用物理學中的重要概念有更深入的理解和認識。

楊盈瑩，助理研究員

篇（10）

谷歌去年的研發(fā)開支達到80億美元。為了在互聯(lián)網(wǎng)搜索和在線廣告等市場保持領(lǐng)先地位，谷歌目前正在開發(fā)一些新的計算機技術(shù)。在科技行業(yè)中的一些人看來，量子技術(shù)是計算機進行海量數(shù)據(jù)分析的一種革命性方式。這種新技術(shù)對谷歌的主要業(yè)務尤其有幫助，對它的新項目――如聯(lián)網(wǎng)設備和聯(lián)網(wǎng)汽車――也是有用的。

“在一個硬件研發(fā)團隊的協(xié)助下，量子人工智能研究小組現(xiàn)在能夠落實新的設計并測試新的產(chǎn)品。”谷歌在博客中寫道。

在整理和分析海量數(shù)據(jù)方面，量子計算機將具有比傳統(tǒng)計算機更快的解決速度。谷歌量子人工智能小組成員馬蘇德?莫森（Masoud Mohseni）曾經(jīng)與人合作撰寫過具有領(lǐng)先學術(shù)水平的量子技術(shù)論文。谷歌也一直被視為這一新技術(shù)革命的領(lǐng)導力量之一。

此外，谷歌的競爭對手微軟也在進軍這個新領(lǐng)域，并建立了一個名為“量子架構(gòu)和計算（Quantum Architectures and Computation Group）”的研究小組。

探秘量子計算機

量子計算機，早先由理查德?費曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來的。可他發(fā)現(xiàn)當模擬量子現(xiàn)象時，因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運算時間變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數(shù)字。理查德?費曼當時就想到，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計算機來模擬量子現(xiàn)象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。

從物理層面上來看，量子計算機不是基于普通的晶體管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如質(zhì)子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（學校實驗大多用這個）等等作為載體。當然從理論上來看任何一個多能級系統(tǒng)都可以作為量子比特的載體。

從計算原理上來看，量子計算機的輸入態(tài)既可以是離散的本征態(tài)（如傳統(tǒng)的計算機一樣），也可以是疊加態(tài)（幾種不同狀態(tài)的幾率疊加），對信息的操作從傳統(tǒng)的“和”，“或”，“與”等邏輯運算擴展到任何幺正變換，輸出也可以是疊加態(tài)或某個本征態(tài)。所以量子計算機會更加靈活，并能實現(xiàn)并行計算。

量子計算機或不再遙遠

據(jù)外媒報道，美國普林斯頓大學研究人員近日設計出一種裝置，可以讓光子遵循實物粒子的運動規(guī)律?，F(xiàn)存的計算機是基于經(jīng)典力學研發(fā)而成的，在解釋量子力學方面有很大局限性。量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

研究人員制作出一種超導體，里面有1000億個原子，在聚集起來之后，眾多原子如同一個大的“人工原子”?？茖W家把“人工原子”放在載有光子的超導電線上，結(jié)果顯示，光子在“人工原子”的影響下改變了原有的運動軌跡，開始呈現(xiàn)實物粒子的性質(zhì)。例如，在正常情況下，光子之間是互不干涉的，但是在這一裝置里，光子開始相互影響，呈現(xiàn)出液體和固體粒子的運動特性，光子的這種運動“前所未有”。

現(xiàn)存的計算機是基于經(jīng)典力學研發(fā)而成的，在解釋量子力學方面有很大局限性。量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。研究人員稱，在改變光子的運動規(guī)律之后，量子計算機的發(fā)明也許不再遙遠。

就我國量子計算機而言，相關(guān)研究也一直處于世界領(lǐng)先水平。早在2013年12月30日，美國物理學會《物理》雜志就公布了2013年度國際物理學領(lǐng)域的十一項重大進展，中國科學技術(shù)大學潘建偉教授及其同事張強、馬雄峰和陳騰云等“利用測量器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)解決量子黑客隱患”的研究成果位列其中。

《物理》雜志以“量子勝利的一年――但還沒有量子計算機”為題報道了中國科學家成功解決量子黑客隱患這一重要成果。