量子计算的应用范文

导语：如何才能写好一篇量子计算的应用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：计算机网络；改进量子进化算法；路由选择

当今社会是一个数据化时代，计算机网络技术已经应用到社会的各个领域。对于在已知网络的各个节点的通信需求下，怎样选择计算机通信网链路的高效路由，这一受到多个条件约束的杂乱非线性规划问题，在传统的数学理论中尚未得到有效的解决方法。面对这个问题，传统的算法都存在一定的局限性，计算也比较复杂，在很多条件限制下都难以发挥其作用，无法给出满意的解决方案。本文主要是对改进量子进化算法在计算机网络路由选择上的应用进行探究。

一、计算机网络路由选择意义

传统的计算机网络路由的选择方式主要有爬山法、梯度法、模拟退算法以及列表寻优法，但其都具有很大程度上的局限性，受到的限制条件也比较多，不能有效地发挥其作用。网络路由选择的定义主要有：在已有的计算机网络拓扑和网链路通信容量以及各个节点需求的情况下，对各节点的网络路由进行确定，以最大限度缩小互联网的时延性。这种路由选择方式，可在选择过程中采取一些简化工作，假设网络通信节点的数据包完好无缺，不受通信容量影响，报文长度则以实际指数分布为基准，来进行路由选择。

二、计算机网络路由选择中改进量子进化算法的应用

（一）量子进化算法的概述及算法流程

量子进化算法是由量子计算和进化算法结合而来，其运算方式为，在确定量子矢量的情况下，用量子算法的比特编码来表示染色体，并以旋转门和量子非门来进行染色体的更新，据此让目标得到最优解答。

在进行计算中，可以采用矩形阵表示量子染色体，设其长度为m

量子进化算法流程主要有以下几个步骤：

首先，将种群Q（t）初始化，设t=0，并测量种群中的每个个体，得到种群的状态P（t）；其次，对P（t）的适应度进行评估，将最佳个体状态和适应值进行记录；最后，采用

While非结束状态do，

begin

1、t=t+1；

2、对种群进行测量Q（t-1），其状态为P（t）；

3、进行P（t）的适应度评估；

4、对Q（t）采用量子门进行更新换代，记录后代种群Q（t+1）；

5、对每个个体的最佳状态以及适应值进行记录。

End

End

（二）旋转角的优化调整

（三）函数调整优化

采用租户优化的办法可以知道各基因间的相关性不大，基于这一特点对量子位进行定义：

表1 优化方案

分析表1的内容可以知道，这种旋转方案能够让搜索结构逐渐走向最优化，收敛速度也得到提高，在此表中只列出了第一象限内的 ，其他象限内的 情况可由此进行推断。

（四）仿真测试

以仿真实验的方式对以上的分析进行检验，与传统的量子进化算法为比较对象，证明改进量子进化算法在计算机网络路由的选择性能存在优越性。仿真实验的结果如图1；

图1 改进算法和传统算法的对比

根据此图能够看到，改进量子进化算法在寻优性和收敛性上明显优于传统的量子进化算法，在计算机网络路由选择的应用中，改进量子进化算法的综合性能也比传统的量子进化算法优秀。

结束语

计算机网络路由选择的改进量子进化算法，是在传统的量子进化算法的基础上进行改进的，通过仿真测试可以知道，经过改进的量子进化算法在寻优搜索和收敛速度上存在一定优势，很好的解决了互联网计算机路由在选择上面临的约束条件多、杂乱非线性规划等问题，很大程度上为互联网通信网链路的最佳路由选择提供了帮助。

参考文献

[1]宋明红，俞华锋，陈海燕.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用研究[J].科技通报，2014（01）：170-173.

[2]赵荣香.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用探究[J].科技传播，2014（24）：148+152.

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关键词：现代测绘仪器； 地质测绘； 前期测量

Abstract: now, surveying and mapping technology had been long development, modern mapping technology have started to use in various fields, this paper analyzes and expounds the use of modern advanced instruments and all the application software to mine resource of the calculation of the measures to improve the economic benefit of enterprise.

Keywords: modern surveying and mapping instruments; Geological surveying and mapping; Early measurement

中图分类号： P25 文献标识码：A文章编号：

1前期测量

随着京沪高速铁路及徐州- 济宁高速公路建设对建筑石料的需求以及矿产资料集约化开发的发展方向, 矿山资源量核查越来越被重视。现代测绘仪器也越来越多的被应用在矿山资源量核查中。

111仪器、人员、软件

仪器选择: 选用结合全站仪测量。人员配置: 地质人员、测绘人员。软件: CASS、电子表格

112 控制点的选取、坐标系的选择。

现在使用GPS采用JSCORS方法, 在测量过程中更不受距离、区域的限制, 并且基础测绘资料的共享更为施工单位提供了更多分布更广、精度更高的控制点。因此在徐州范围内很多矿山附近都有GPSD、E级点, 在作业过程中选择C级点作为起算点, 联测D、E级点并在矿区附近布设图根控制点, 图根控制点都作为测量过程中检核测量精度用。坐标系: 平面坐标为1980西安坐标系, 高程为85国家高程基础。

113测量

主要测量矿山现状: 包括矿山采矿权登记拐点坐标、开采标高及开采宕口现状及采矿权附近的地形、地物。所有测量坐标均为三维坐标, 测量过程按照要求进行测量, 做到不重不漏, 尽可能的反应出采区的现状。宕口上边使用GPS测量, 底边采用全站仪测量。

2资源量计算

211矿山现状

( 1) 矿山主要开采石灰岩矿石作为建筑石料。目前有两个开采宕口, 南侧新采宕口较大, 北侧老宕口较小。

( 2) 本矿段含矿层位为寒武系馒头组, 矿层呈单斜层状沿山体走向产出, 矿体厚度相对稳定。目前矿段开采矿层为: 馒头组中厚灰岩、豹皮状灰岩。其中含紫色、黄绿色页岩、泥灰岩夹层, 开采时页岩作为夹石剔除。地层总体倾向北西西( 280b~300b) , 倾角较大( 约60b) 。界内矿层最大长度约250m, 最大宽约180m, 面积37167m2。 本次核算, 采用地区历年来所有检测矿段均采用的体积质量参数: 每立方米2170吨, 作为体积- 质量的换算系数。

(3) 矿石的物化特征结合邻近矿山开采利用情况, 该矿山生产加工产品石子、石米、石粉及销售情况, 矿山易开采、好加工、产品优、效益好的该矿山矿石是可利用的。

212资源量估算要求

( 1) 在采坑南边有一坟墓, 新设采矿权南边界必须离坟墓50m。

( 2) 新设采矿权北边界为北边采坑边坡。

( 3) 新设采矿权东边界与55m等高线重合。

( 4) 开采最低标高为55m。

( 5) 拟开采资源量150万吨, 年限为3年。

( 6) 新设采矿权范围内有一条倾向北西西( 280b~ 300b) , 倾角较大( 约60b) 的页岩, 作为夹层处理, 单独计算资源量。

213开采技术条件及要求

根据地形地质条件及岩层分布规律, 在原采矿场垂直走向开采基础上, 选择垂直岩层走向阶梯状台阶式露天开采较好, 剥采工作面可借助已形成的采矿场剥离面自上而下分级开采。在开采过程中应控制采面稳定边坡角, 侧面及迎面边坡角均不应大于60度。开采过程中应严格做好安全爆破工作, 若遇到软质岩层( 页岩) 或悬石应及时处理, 避免滑塌及崩落现象。矿山开采的同时应注意环境保护及安全

措施, 放炮时应注意四周安全, 对采空区要尽可能地做好修复工作。

综上所述, 本区开采技术条件复杂程度综合类型为Ñ类型。

根据有关规范要求, 对此类露天开采的小型采石矿山, 仅估算采矿边界范围内的矿石资源量, 资源资源量类型归为333资源量。本次资源资源量检测范围平面面积为37167m2; 最低开采标高按已有采坑

底面平均标高为55m, 最大采高约60m, 分为4个开采平台, 每个平台高15m; 最终开采边坡角60b。

214资源量估算方法选择

根据现场地形特征及矿层产状, 选择平行断面法估算资源储量。

块段矿石储量的估算过程: 首先计算各块段总体积, 扣除页岩夹层体积和采空区体积即为块段矿石体积, 块段矿石体积乘以矿石平均体重和含矿率即为块段矿石储量。

21411块段的划分

根据矿段范围内可采矿层产出的几何形态、地形起伏状况、开采宕口位置及最终开采境界等要素, 自南向北依次设置A、B、C、D四条剖面( A、D剖面分别设置在最终开采境界边坡底线的中点) , 将矿段划分为5个块段, 依次编号为K1、K2、K3、K4、K5。其中K1、K5为外推块段, 外推尖灭点为线形尖灭( 即楔形块段) , 其余3个块段为梯形块段。

21412主要估算参数的确定

11 断面面积的确定: 利用2009年6月底修测的矿段地形图, 利用AutoCAD图切剖面或平面出露面积( 页岩夹层) 直接读取。

21 断面间距的确定: 在AutoCAD平面图上直接量取。K1、K5外推块段的外推距离分别以1~ 2、4~5连线按最终开采边坡角60b用图解法求得( 100m以上、50~ 100m分别计算) 。

31块段体积的计算: 根据相邻断面面积相对差大小选用不同的体积计算公式。当相邻断面面积相对差[ (S1 - S2)/ S1 #100%] 小于40%时, 用梯形公式估算:V= (S1 + S2) L/ 2当相邻断面面积相对差[ (S1 - S2)/ S1 #100%] 大于或等于40%时, 用截锥体公式计算:V= [ (S1 + S2 + ( S1 #S2)1/ 2) ]L/3式中: V ) 块段体积( m3) ;S1、S2) 两邻断面面积( m2) ; L) 相邻断面间距离( m) 。当相邻断面其一为面形, 另一断面为线形尖灭时, 视为楔形块段, 用楔形公式估算:V= SL/2当相邻断面其一为面形, 另一断面为点形尖灭时, 视为锥体块段, 用锥体公式估算:V= SL/ 3式中: V ) 楔形( 锥体) 块段体积( m3) ; S) 楔形( 锥体) 的底面积( m2) ;L ) 楔形( 锥体) 底面上的高( m) 。41 块段页岩夹层( 剥离量) 及采空区体积估算: 按水平断面法计算。根据上下断面面积相对差的大小选择上述不同的计算公式。当上下断面面积相对差为零( 页岩夹层) 时, 按柱体体积公式估算:V= SH(H为柱体的高)51 矿石体重D的确定: 采用地区经验数据, 取石灰岩2170t/ m3、页岩夹层2160t/ m3。61含矿率k的确定: 采用地区经验数据, 石灰岩取95%, 页岩取100%。71资源/ 储量Q的计算: Q= V@D@k式中: V-块段体积( m3) , D- 矿石体重( t/m3) , k- 含矿率( %) 。

215资源量估算结果

本次检测, 采用平行断面法估算资源量。经过采用水平块段法验算资源量为1329193千吨, 两者相差52111千吨, 计算误差为3177%。符合333资源量估算要求。

3体会

( 1) 测量过程中宕口底边GPS无法测量的时候可以配合使用全站仪。

( 2) 根据矿山现状选择一种合适的资源量方法。

( 3) 在资源量计算的时候要考虑边坡, 准确的判断出是矿层尖灭到点上还是面线上, 选择合适的计算公式。

(4) 当选择用块段法的时候, 当所切剖面经过采坑的时候, 尽可能的使剖面之间的连线尽可能的接近现状, 如果有出入要进行出入部分的单独计算。

结束语：现代测绘技术在地质测绘中扮演着越来越重要的角色，只有提高测绘技术水平，才能使地质测绘工作更加准确和效率，才能使企业获得成本降低和经济收益的双赢。

参考文献：

1赵宝锋1 工程测量实践教学的改革与实践[ J]1 矿山测

量,2005(3)

2国家测绘局1 测绘标准汇编[S], 北京:中国标准出版社

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【关键词】 局部枸橼酸抗凝；低分子肝素抗凝；联合应用；连续性肾脏替代；应用效果

DOI：10.14163/ki.11-5547/r.2016.35.046

【Abstract】 Objective To observe and analyze application of regional citrate combined with low molecular weight heparin calcium anticoagulation in continuous renal replacement treatment. Methods A total of 50 critical patients with continuous renal replacement treatment were randomly divided into research group and control group， with 25 cases in each group. The control group received low molecular heparin anticoagulation， and the research group received regional citrate combined with low molecular weight heparin calcium anticoagulation. Application effect was observed and compared. Results The research group had 0 bleeding or aggravation of original bleeding， which was less than 6 cases （24.00%） in control group， and the difference had statistical significance（P

【Key words】 Regional citrate anticoagulation； Low molecular weight heparin calcium anticoagulation； Combined application； Continuous renal replacement； Application effect

连续性肾脏替代治疗（CRRT）在急性肾功能不全病例中应用较为广泛， 同时近些年来也更多的⑵溆τ糜诟呷取⒅刂⒁认傺滓约案骨桓腥镜炔±中[1]。其中实施连续性肾脏替代治疗期间抗凝是关键内容， 通常实施普通肝素或者低分子肝素抗凝的举措[2， 3]。经大量的研究以及临床实践经验表明[4-6]， 枸橼酸钠是理想抗凝方式， 可满足抗凝需求。本研究针对局部枸橼酸联合小剂量低分子肝素抗凝在连续性肾脏替代治疗中的应用实施严密的观察及分析， 内容报告如下。

1 资料与方法

1. 1 一般资料 本研究对象为50例需要展开连续性肾脏替代治疗的危重患者， 均为2014年5月～2016年5月在本院治疗的病例。在所有患者中， 包含8例重症胰腺炎病例、10例心功能不全病例、5例严重电解质失衡病例、6例药物中毒病例、10例多器官功能衰竭病例以及11例重症急性肾功能衰竭病例。患者均享有治疗知情权以及签署知情同意书， 排除肝功能衰竭者、抗凝治疗禁忌证者、凝血指标异常者以及全身感染者、长时间实施抗凝药物者等。随机将患者分成研究组和参照组， 各25例。研究组中男12例、女13例， 平均年龄（52.8±10.6）岁；参照组中男13例、女12例， 平均年龄（54.6±12.1）岁。两组患者年龄、性别等一般资料比较差异无统计学意义（P>0.05）， 具有可比性。

1. 2 方法

1. 2. 1 血液净化 针对所有病例均展开经颈内静脉置管或者股静脉置管方式， 应用到的仪器设备为SWS-3000A血液净化仪以及M 型血滤器和相关配套设备[7]；治疗的模式， 以连续性静脉-静脉血液滤过（CVVH）形式进行， 并以患者的实际情况作为依据， 配置置换液配方；血流的速度掌握在150～180 ml/min， 置换液的速度掌控在1500～2000 ml/h， 展开持续性的治疗12～24 h， 并且采取前稀释模式输入。

1. 2. 2 抗凝 研究组展开局部枸橼酸联合小剂量低分子肝素抗凝方案， 参照组仅实施低分子肝素抗凝方案。研究组具体操作方式：进行低钠低碱基无钙置换液的合理配置， 血液保存液抗凝成分是每500 毫升具有葡萄糖（以微量泵自管路静脉端泵入的方式， 速度为18～22 ml/h）12.25 g、枸此幔ㄒ晕⒘勘米怨苈范脉端泵入举措， 速度为145～175 ml/h）4.0 g以及枸橼酸钠11.0 g[8]。以现实所需作为依据， 加入氯化钾注射液（10%）， 针对体外循环离子钙以及电解质、动脉血气分析等情况每隔2 h进行监测记录1次。抗凝监测的目标主要为， 未发生代谢性酸碱紊乱情况， 电解质处于正常水平， 体外循环离子钙 为0.2～0.4 mmol/L。进行小剂量低分子肝素抗凝， 初始剂量为40 IU/kg， 随后的追加剂量为4 IU/（kg・h）。对于参照组患者实施低分子肝素抗凝， 经动脉端一次注入5000 U低分子肝素钠展开抗凝。

1. 3 观察指标 治疗24 h抗凝效果、电解质情况、酸碱平衡情况、出血情况， 并且凝血情况评价的方式以滤器的外观变化进行评定[3]， 包括4个级别：0级、Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。

1. 4 统计学方法 采用SPSS19.0统计学软件处理数据。计量资料以均数±标准差（ x-±s）表示， 采用t检验；计数资料以率（%）表示， 采用 χ2 检验。P

2 结果

2. 1 两组出血情况及抗凝效果比较 研究组中出血或原有出血加重情况为0例（0）， 少于参照组的6例（24.00%）， 差异有统计学意义（P

2. 2 透析前后生化指标的比较情况 研究组患者透析前的BUN为（20.44±10.58）mmol/L， Scr为（636.22±386.43）μmol/L，

pH为（7.32±0.10）， Na+为（138.43±55.86）mmol/L， Ca2+为（1.04±0.19）mmol/L， HCO3-为（15.64±5.57）mmol/L， 总钙为（2.22±0.39）mmol/L；参照组患者透析前的BUN为（21.52±

12.33）mmol/L， Scr为（593.44±349.95）μmol/L， pH为（7.35±0.10）， Na+为（140.32±44.25）mmol/L， Ca2+为（0.99±0.54）mmol/L， HCO3-为（15.48±5.45）mmol/L， 总钙为（2.23±0.25）mmol/L。两组各指标对比， 差异无统计学意义（P>0.05）。研究组患者透析后的BUN为（13.76±3.11）mmol/L， Scr为（286.32±144.49）μmol/L，

pH为（7.43±0.05）， Na+为（141.44±35.59）mmol/L， Ca2+为（0.92±

0.12）mmol/L， HCO3-为（23.46±3.47）mmol/L， 总钙为（2.18±

0.32）mmol/L；参照组患者透析后的BUN为（12.86±2.91）mmol/L，

Scr为（268.22±131.21）μmol/L， pH为（7.46±0.08）， Na+为（144.33± 40.39）mmol/L， Ca2+为（1.22±0.19）mmol/L， HCO3-为（20.43± 3.24）mmol/L， 总钙为（2.26±0.35）mmol/L。通过比较两组的生化指标， 透析前后的pH值以及Na+对比， 差异无统计学意义（P>0.05）；透析后的BUN及Scr水平均明显低于透析前， 并且研究组HCO3-高于参照组， 总钙低于参照组， 差异有统计学意义（P

3 讨论

针对于危重患者的急救， 连续性肾脏替代疗法已经被称为最行之有效的首选血液净化方案[9， 10]。在此期间， 也应该注重通过充分抗凝的方式降低管路和滤器反复凝血发生率， 并减少过度抗凝而导致出血问题情况， 进而保障治疗安全性[11-13]。

枸橼酸为体内代谢中间产物， 能够同游离钙络合成枸橼酸钙， 经络合滤器血液中离子钙推动血清内游离钙降低， 并抑制其发挥的作用， 最终实现局部抗凝效果[14-16]。

综上所述， 局部枸橼酸联合小剂量低分子肝素抗凝在连续性肾脏替代治疗中发挥的作用理想， 不会对患者凝血机制产生显著影响， 降低出血率， 可以将其作为安全可靠的连续性肾脏替代治疗方案推广于临床实践。

参考文献

[1] 张凯悦， 徐斌， 吴丛业， 等. 局部枸橼酸联合小剂量低分子肝素抗凝在连续性肾脏替代治疗中的应用. 肾脏病与透析肾移植杂志， 2012， 23（4）：311-316.

[2] 张友华， 吕光宇， 张磊， 等. 局部枸橼酸抗凝在心脏术后合并急性肾损伤进行连续性肾脏替代治疗中的应用. 中国医药导报， 2015， 12（10）：103-106.

[3] 叶涛， 余追. 局部枸橼酸钠抗凝对连续性肾脏替代治疗患者补钙速率的影响. 内科急危重症杂志， 2016， 22（2）：125-126.

[4] 彭小贝， 赵双平， 唐春炫， 等. 局部枸橼酸抗凝在连续性肾脏替代治疗中应用的护理. 中华现代护理杂志， 2010， 16（28）：

3406-3407.

[5] 郑寅， 丁峰. 局部枸橼酸抗凝在连续性肾脏替代治疗中的应用. 中国血液净化， 2015， 14（1）：47-50.

[6] 张初吉， 周建新. 局部枸橼酸抗凝在连续性肾脏替代治疗中的应用研究. 临床急诊杂志， 2015（1）：59-60.

[7] 赵颖琦， 高娜， 阴凯. 连续性肾脏替代治疗中抗凝剂的应用现状及发展方向. 中国药物警戒， 2013， 13（11）：658-662.

[8] 吴秀玲， 罗玉珍. 局部枸橼酸抗凝进行连续性肾脏替代治疗在重症患者中的应用. 齐齐哈尔医学院学报， 2016， 21（18）：2369-2370.

[9] 彭博， 李昂. 肾替代治疗时不同抗凝方法血滤效果的临床观察. 医学信息旬刊， 2010， 5（9）：2381-2383.

[10] 张初吉. 局部枸橼酸抗凝在脑出血并急性肾损伤连续性肾脏替代治疗中的应用研究. 首都t科大学， 2013.

[11] 杨静， 白智远. 局部枸橼酸抗凝在连续性肾脏替代治疗中的应用研究进展. 临床合理用药杂志， 2016， 9（6）：176-178.

[12] 王海涛， 吴华. 枸橼酸抗凝在连续性肾脏替代治疗中的应用. 中国血液净化， 2013， 12（12）：642-645.

[13] 王婷立， 付平. 枸橼酸抗凝在连续肾脏替代治疗中的应用方法和监测. 中国血液净化， 2015， 14（9）：566-568.

[14] 李成， 陈齐国. 局部枸橼酸抗凝在重症医学科连续性肾脏替代治疗中的应用. 中国医药导报， 2014， 11（4）：160-162， 165.

[15] 许钟烨， 丁峰. 局部枸橼酸抗凝在连续性肾脏替代治疗中的应用进展. 中国血液净化， 2011， 10（4）：208-211.

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关键词： 量子门 量子可逆电路 量子多值逻辑 通用门库

近30年来，人们已提出了多种量子门，如Toffoli门［1］，Fredkin门，Peres门等，并给出了量子门的代数特征。如何使用指定量子门库中的量子门自动生成量子代价较小的量子可逆逻辑电路，其本质就是量子可逆逻辑电路综合技巧问题。Shende将可逆电路综合转化为置换问题，并提出三量子可逆逻辑电路综合最优算法；Yang在此基础上利用GAP软件实现了三量子最小长度和最小代价可逆逻辑电路综合算法。然而目前大多数算法只是在综合三量子电路时效果很好，随着综合量子比特数的增加，综合量子可逆逻辑电路的时空复杂度将进一步增加。在综合四量子电路时，Yang等人利用广度优先搜索和双向综合技术，使用CNP量子门库可综合最长为12的四量子偶置换最优电路，这已是较好结果；李等人使用CNP量子门库，在广度优先搜索的基础上，巧妙构造哈希函数并利用线置换和向变换进行无损压缩可快速生成最大长度为16的最优四量子偶置换电路，这是目前已知的最好结果。目前人们还未设计出通用高效的多量子电路综合算法，这是量子电路设计中急需解决的重要问题之一，因为它的设计实现不仅可以降低制造量子电路的成本，而且能提高多量子可逆电路设计的效率。

目前比较有代表性的量子可逆电路构造方法有以下几种［2］。

穷举法、RM方法、群论分解方法、探索法，通过比较知穷举法综合结果好，能达到最优，但时间空间开销大；真值表和RM方法构造巧妙，综合速度快，但结果不尽理想，需要辅以优化；群论方法新颖高效，算法收敛迅速（有限步结束），但构造复杂，较为繁琐，需要的门库规模大；其他方法也均是在综合的效果和效率之间寻求一个平衡点，这个平衡点如何选取，则应该以实践中的具体需求情况为依据。

构建量子可逆逻辑电路主要有构造与优化两个过程，有些算法是先构造再优化，还有一些算法则是构造与优化同时进行。通常所得到的量子电路并不是最优电路，如何有效地优化电路，成为量子电路领域的另一个研究重点。Iwama、Maslov、Maslov等都对电路优化程度作出了杰出贡献。

目前对量子二值逻辑可逆电路综合算法的研究较多，但对于多值逻辑量子电路综合技术的研究较少［3］。其中的原因主要有：第一，人们已习惯于经典计算中的二值逻辑，利用多值逻辑进行计算不符合人们常规的思维和计算方式；第二，对于多值逻辑的理解与应用本身就是困难的，涉及多值逻辑理论及群、环、域等代数理论，量子可逆电路的设计又具有相当难度，规模较大，复杂性较高，其中又要解决量子的自然属性（如消相干现象等）对计算的负面影响。所以将多值逻辑应用于量子电路，设计具有相当复杂性的多值逻辑量子电路也是困难的。然而，量子具有多种可观测的属性，例如光子的偏振方向，电子的自旋方向，电子所处于的能级等，因而具有多个复杂的自由度，利用多能级描述量子位也更自然。由于量子实验物理的发展进步及测量技术的不断完善，对于量子在各个属性上的测量的精准度大大提高，使得量子高维基态（即多值逻辑量子态）的应用成为可能。另一方面，量子多值逻辑的应用能够极大提高量子并行计算的能力（理论上比二值逻辑更强大），并可在存储和处理量子信息时提供更大的灵活性，又可以无辅助位的方式用两位量子门和一位量子门建立多量子电路，使得多量子电路的物理实现成为可能。对多值量子可逆逻辑电路综合的研究正在兴起。

量子可逆电路本质上是置换电路［4］，在此基础上可根据一些特定功能构造量子专用电路，专用电路的设计实现及应用可加速运行算法，并对量子寄存器或量子芯片等的设计作出一些贡献。目前已设计出量子全加器、量子全减器及受控集成量子加减电路，它们是构建量子计算机的基本单元。在量子纠错编码和容错计算中可根据纠错码的生成矩阵和校验矩阵，分别生成编码电路和解码电路。2005年何等人通过分解蝴蝶矩阵和转置矩阵独立实现了基于Haar小波多尺度分析的完整量子电路。2006年Cheng等人用Bitonic方法快速构造大规模的量子排序电路，给出的线路模型清晰地反映出算法消耗资源的情况。2007年Khan等人给出了利用三值逻辑Feynman和Toffoli门实现的三值逻辑全加器，基于此又实现了带有部分前瞻的三值逻辑并行加法器，并展示了将此电路用作并行减法器的方法。2008年Khan提出综合量子四值逻辑加法/减法器的递归电路。之后Khan又提出量子四值逻辑比较器，比较器是著名的Grover量子搜索算法的关键功能模块―Oracle的组成部分，也是基于比较的各种算法及控制器的基本模块。当然，由于量子电路设计的复杂性，目前综合出的专用电路还不多，并且给出的大多数的电路并非最简形式。

尽管对于量子可逆电路的研究已取得了一些成果，但目前对于构建量子可逆电路的量子门及通用门库的研究还不深入，对于量子可逆电路的生成方法和优化方法的研究还处于起步阶段。对其中的一些问题，如多值逻辑的嵌入与应用，电路优化策略，综合算法复杂性的深入分析与证明等，只是进行了初步的探索。虽出现了一些解决方案，但并不十分成熟，还有一些领域未曾涉及，所以需要进一步深入研究。

参考文献：

［1］李志强，陈汉武，徐宝文等.基于Hash表的量子可逆逻辑电路综合的快速算法［J］.计算机研究与发展，2008，vol.45-2：2162-2171.

［2］何雨果，孙吉贵.基于Haar小波的多尺度分析量子电路［J］.科学通报，2005，vol.50-20：2314-2316.

篇5

信息学领域的两个焦点研究方向。在这两个方向上,近年来中国的科学工作者都取得了重大的进展。

2004年,中国建立了一条从北京到天津长125公里的试验性光纤量子通信密码线路; 2007年,中国科学院院士郭光灿带领的研究团队在北京成功试验了“量子路由器”,并获得了美国授权专利; 2009年,世界首个“量子政务网”在安徽芜湖建成。

在量子密码领域取得了巨大成就后,郭院士带领的团队又将大部分精力放在了量子计算机的研究上。那么,在量子领域的探索,我国究竟处于什么水平?量子究竟能给世界带来怎样的变化?带着这些疑问,本报记者采访了国内量子信息领域研究第一人、中国科学院院士郭光灿。

世界首个“量子政务网”在安徽芜湖建成。

量子密码

跻身世界前沿

“目前,在量子密码通信领域,我国的研究水平已经跻身世界前沿,并在某些方面具有不可比拟的优势。”郭光灿自豪地表示。

但是回到10年前,国内还没有几个人认同郭光灿的研究。“在早期的15年里,几乎没有经费支持我们,每年也就是一两万元,当时就是我带着几个学生做基础研究。直到1999年,中科院高技术局局长科研基金支持了5万元之后,我们才开始开展实验研究。”郭光灿坦言。

量子密码究竟有何神秘之处,它如何吸引郭光灿呢?

按照量子信息界的解释,经典信息处理的最基本单元是比特(Bit,即二进制数0或1)。一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串就构成一个密钥,经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题。由于密钥分配不是绝对保密的,经典密码也就不可能绝对保密。然而,基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配却可以解决这个问题。

一个具体的例子就是大数分解定理,按经典计算复杂性理论,这个问题不存在有效算法,所以被利用来进行经典密钥分配。“但是如果用量子计算机,使用‘Shor量子算法’,情况就大不相同了。例如,为了对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级计算机将耗时上百亿年,这几乎等于宇宙的整个寿命; 而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机只需要大约一分钟。因此,一旦人们拥有了一台量子计算机,那么目前的密码系统将毫无保密性可言。”

这一后果是对目前的密码系统的巨大挑战。为了保证这些领域的信息安全,也为了拓宽人类对微观世界的认识,发展量子信息学刻不容缓。同时郭光灿还指出,他们选择从量子密码研究做起的另一个原因是,量子密码相对于量子计算要容易些,而且,当时在量子密码领域,国际上也有很多技术障碍需要攻克。

据郭光灿介绍,将量子密码装置应用到光纤网络,会遇到了一个困难,就是不稳定。要调控单个量子―把0和1调到一个相位的量子态里―非常困难,各种因素都可能会破坏其稳定性,甚至使其“消失掉”。为此,郭光灿团队发明了一套新的解码器和编码器,保证单向光子的稳定性,同时保证安全。他们已为这项技术申请了美国专利,并获得了授权。这是实现量子密码的第一个关键技术。

第二个关键的技术是网络保密。即在光纤网络里,任何两点都能够保密通信,而不仅仅是点对点的保密通信。单个光纤做到保密通信必须解决3个问题:光纤上实现任何两点之间的保密通信; 任何两个用户保密通信不会互相干扰; 群发系列,例如一个领导机关与多个下属同时多点保密通信。

其中最根本的困难之一是路由器问题。在经典通信中一个信号传过来,路由器可以识别,之后传送。可是量子有一个特点―不可以被识别,一旦识别它,原来的信号就被破坏了。这种情况下,点对点的量子通信容易实现,而量子网络很难实现。为了解决这个问题,郭光灿团队发明了“量子路由器”―用波长做标志,使不同的光子到达不同的地方。这项技术也已获得了美国专利,并于2007年在北京商用光圈建立了城域网通信。

有了两大技术的支撑后,今年5月份,郭光灿带领的量子信息重点实验室在安徽省芜湖市建立了世界上首个量子政务网。这个政务网可以传送政府的红头文件,通过保密的方式发送到下属各局,而且还可以对图像和声音加密,开视频会议。自此,量子密码正式步入应用阶段。

量子计算

研发路漫漫

信息社会60年,计算机的进步就只是把10厘米长的真空电子管,用印刷在硅晶片上面的微米级半导体电极代替而已。

那么未来的60年呢?在15纳米、8纳米之后,再往细微的方向走,经典物理会逐渐失效,因为主宰微观世界的是量子物理,届时经典的摩尔定律很可能就会被量子原理代替。

目前,人类已经在量子密码上实现初步的商用化,但是量子计算机的研究仍然路漫漫。

“因为量子计算机的实现需要量子算法、量子计算模型、量子纠错机制和硬件等各个方面的突破性进展。”郭光灿说,“尽管科学家在实验和理论上都取得了一些成果,但这些研究仍然处于非常早期的阶段。虽然我国在量子信息学科上起步稍晚,但是国家已经在中长期科技规划中设立了量子调控研究这一重大科学研究计划”。郭光灿预测,最终量子计算机将被用来解决现在计算机解决不了的问题。

那么,与经典的计算机相比,量子计算机有哪些神奇之处呢?

郭光灿指出,经典计算机和量子计算机最本质的差异,来自对物理系统状态的描述。对经典计算机来说,每个字节的数据都要一步步地处理,每一个步骤都表示机器的一个明确的状态,上一个步骤的输出作为下一个步骤的输入,前后相续,整个计算任务是串行的; 而对量子计算机来说,系统的不同状态之间的变换,可以并列存在多个途径,使得系统可以在多条路径上并行处理多个计算,这就使得计算机的计算能力获得了指数性的增强。

量子计算机的理论效果确实震惊了世界,但是也有人提出,量子计算只是一个方法论,可能根本实现不了。但是AT&T贝尔实验室的计算机科学家皮特•休尔却有力地反驳了当时的负面观点。

据说,皮特•休尔在1994年设计了第一个适合于量子计算机使用的算法,专门用来对大数进行因子分解。他发现,如果使用量子计算机,再运用他提出的专用算法,这个论断将不再成立。这意味着现代社会广泛使用的密码系统,将随着量子计算机的问世而作废。

郭光灿表示,尽管还存在很多技术难题,但是他非常看好量子计算的未来。

郭光灿指出,当前实现量子计算的瓶颈在于:如何研制含有数目巨大的量子处理器的物理体系,它既可有效地克服不可避免的相关影响,又具有物理可扩展性。这个研究实质上是对人类操控量子世界能力的极大挑战。目前两种主要研究途径是:固态量子计算和基于量子光学的量子计算。而他们实验室的研究方向是固态量子计算。

“我们使用一种新的材料叫石墨烯,来代替原来经典计算机里面的硅材料。在国际上,还有其他三种主流的材料,我们的研究几乎与国际上同步。但我们走的是不一样的方向,一是避免重复研究,二是为了争取我们自己的话语权。”

实际上,从上世纪80年代量子计算正式进入研究阶段,到今天取得重大进展,也就30年的时间。目前量子计算正在飞速发展,因此这个领域也吸引了越来越多的参与者,随着主要的障碍已经或正在被克服,我们似乎可以乐观地估计,下一个30年人类很可能会迎来量子计算时代。

产业化使命

量子信息技术是后摩尔时代的重要新技术,将来有望形成QIT(量子信息)新产业,因而也成为各国未来高技术的战略竞争焦点之一。据介绍,日本今后10年里预计在该课题上的投入将达400亿日元,而美国的情报机构也对此高度关注。

郭光灿预测,量子信息领域中产生的量子密钥分配器、精确测量仪、量子模拟器等都是最接近应用的产品。

在国内,郭光灿是研究量子信息的第一人,他以及他的团队也同样肩负着将科研成果产业化的使命。在量子密码领域取得了重大成就后,很快他们就进行了产业化投入。

今年6月,在安徽省政府的大力支持下,芜湖市政府联合中国科学技术大学成立了一个高新技术研发企业―安徽问天量子科技股份有限公司。目前,公司在量子密钥通信系统上的各项技术已处于国际领先地位。

据了解,利用量子保密通信系统在电源上的技术优势,问天科技研发出了新型WT-PFC-45系列LED路灯驱动电源。该产品的成功研发标志着中科院量子信息重点实验室在量子密码上的科研成果不仅可以在信息安全领域得到重大应用,也可以为其他行业做出重要贡献。

从渔民之子

到量子专家

篇6

论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,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

篇7

Introductionto Quantum Mechanics

Schrodinger Equation and Path Integral，

2nd Edition

2012，950 p

Hardcover

ISBN9789814397735

Harald J W MüllerKirsten著

薛定谔在1926年建立了以他的名字命名的方程，开创了量子力学进入严格的和近似定量计算的新局面，促进量子力学迅速扩展了应用能力和范围。20年之后费曼提出了量子力学的路径积分形式，并证明了与薛定谔方程的等价性。它不仅能够解决量子力学中的一般的定量计算问题，而且在随后几十年的量子场论和规范场论的发展过程中起了不可替代的重要作用。这两种定量处理方法各有优劣，薛定谔方程对于量子力学问题的处理无疑具有极大的优点，其图像清晰而且在数学上有许多为物理学家熟悉的成熟处理方法，受到物理学家的普遍欢迎。相比之下，路径积分方法的使用要麻烦得多。但近年来，人们越来越发现路径积分方法在很多应用中有着独特的优越性。对于这两种方法，已经有许多优秀的量子力学教科书以及专著分别给出了非常详细的讨论。但是将两种方法对同一问题的解决办法进行相互对照与比较，从而对于各自的优点和特定的应用范畴有更深刻的理解的著作还十分罕见，本书填补了这一空白。

这是一部量子力学的教科书，它涵盖了作为导论性课程所有的主要内容，不但详述了各种位势下薛定谔方程的微扰解，介绍并算出了对应的路径积分的解，而且还详细地考虑了微扰展开的高阶行为，这在其他类似的书籍中很少见到。本书的另一特点是没有提供习题，而是结合课文的内容选用了大量例题，给出了非常详细的计算细节，对于读者的学习十分有利。

本书的第1版出版于2006年。第2版中，添加了许多重要的应用和很多实例。特别是关于Coulomb势的一章被扩充到包含了化学键的介绍，而周期势的一章补充了关于金属和半导体能带论的一节，而在高阶行为的一章添加了关于渐进展开中成功地计算收敛因子的例证。

全书共分成29章：1.导言；2.哈密顿量子力学； 3.量子力学的数学基础；4.狄拉克的右矢和左矢形式体系； 5.Schrdinger方程和Liouville定理；6.谐振子的量子力学； 7.Green函数；8.时间无关微扰论； 9.密度矩阵和极化现象； 10.量子理论：一般形式体系； 11.Coulomb 相互作用； 12.量子力学穿透；13.线性势； 14.经典极限和WKB法； 15.幂次势； 16.屏蔽Coulomb势； 17.周期势； 18.非简谐振子势； 19.奇异势；20.微扰展开的高阶行为；21.路径积分形式； 22.经典场组态； 23.路径积分和瞬子； 24.路径积分与沿一条线上的弹跳； 25.周期性的经典组态； 26.路径积分和周期性的经典组态；27.约束系统量子化；28.量子-经典跨接作为相变；29.结束语。

本书对物理系的大学生和研究生以及数学和粒子物理的研究人员非常适用。对希望扩大自己量子力学技巧的理论物理学家和想要更进一步钻研量子力学的其他专业的研究生以及所有对微扰方法、路径积分及其在经典场伦中的应用感兴趣的读者都具参考价值。

丁亦兵，教授

（中国科学院大学）

篇8

关键词：计算机；发展史；前景展望

1 前言

计算机由机械技术向电子技术以及生物技术、智能技术的转变，为我们的生活带来了巨大的变化。计算机已经拥有了60年的发展历程，共经历了5个重要的发展阶段，将在不久的未来经历第六个发展阶段。

2 计算机发展历史

（1）电子管计算机（1946-1958年）

用阴极射线管或汞延尺线作主存储器，外存主要使用纸带、卡片等，程序设计主要使用机器指令或符号指令，应用邻域主要是科学计算。

（2）晶体管计算机（1958-1964年）

主存储器均采用磁蕊存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的外存储器，程序设计使用了更接近于人类自然语言的高级程序设计语言，计算机的应用领域也从科学计算扩展到了事务处理，工程设计等各个方面。

（3）小规模集成电路计算机(1964-1971年)

半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准化、模块化、系列化的发展时期，使计算机使用效率明显提高。

（4）大规模集成电路（1972年-至今）

大规模、超大规模集成电路应用的一个直接结果是微处理器和微型计算机的诞生。微处理器自1971年诞生以来几乎每隔二至三年就要更新换代，以高档微处理器为核心构成的高档微型计算机系统已达到和超过了传统超极小型计算机水平，其运算速度可以达到每秒数亿次。由于微型计算机体积小、功耗低、其性能价格比占有很大优势，因而得到了广泛的应用。

（5）人工智能计算机——神经计算机。

其特点是可以实现分布式联想记忆．并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能。它是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话，它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。

3 计算机发展前景展望

计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。计算发展如此之快，计算机界据此总结出了“ 摩尔法则”，该法则认为每 18个月左右计算机性能就会提高一倍。因此，在未来，第六代计算机发展方向如下：

（1）分子计算机

分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高， 分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10 微微秒，比人的思维速度快 100 万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的DNA溶液可存储 1 万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子，所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。

（2）光子计算机

光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”和“1” 状态变化进行的二进制运算, 可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

（3）量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此, 一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前计算机的 PentiumⅢ晶片快10亿倍。

（4）纳米计算机

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围, 质地坚固,有着极强的导电性, 能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位, 一个纳米等于10-9米, 大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源， 而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。

（5）生物计算机[1]

20世纪80年代以来，生物工程学家对人脑、神经元和感受器的研究倾注了很大精力，以期研制出可以模拟人脑思维、低耗、高教的第六代计算机——生物计算机。用蛋白质制造的电脑芯片，存储量可以达到普通电脑的10亿倍。生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。

篇9

量子力学课程是工科电类专业的一门非常重要的专业基础课程。通过该课程的学习，使学生初步掌握量子力学的基本原理和基本方法，认识微观世界的物理图像以及微观粒子的运动规律，了解宏观世界与微观世界的内在联系和本质的区别。量子力学课程教学质量的好坏直接影响后续的如“固体物理学”、“半导体物理学”、“集成电路工艺原理”、“量子电子学”、“纳米电子学”、“微电子技术”等课程的学习。

量子力学课程的学习要求学生具有良好的数学和物理基础，对学生的逻辑思维能力和空间想象能力等要求较高，因此要学好量子力学，在我们教学的过程中，需要充分发挥学生的学习主动性和积极性。同时，随着科学日新月异的发展，对量子力学课程的教学也不断提出新的要求。如何充分激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习主动性和能动性，切实提高量子力学课程的教学质量和教师的教学水平，已经成为摆在高校教师目前的一项重要课题。

该课程组在近几年的教学改革和教学实践中，本着高校应用型人才的培养需求，强调量子力学基本原理、基本思维方法的训练，结合物理学史，充分激发学生的学习积极性；充分利用熟知软件，理解物理图像，激发学生学习主动性；结合现代科学知识，强调理论在实践中的应用，取得了良好的教学效果。

1 当前的现状及存在的主要问题

目前工科电类专业普遍感觉量子力学课程难学，其主要原因在于：第一，量子力学它是一门全新的课程理论体系，其基本理论思想与解决问题的方法都没有经典的对应，而学习量子力学必须完全脱离以前在头脑中根深蒂固的“经典”的观念；第二，量子力学的概念与规律抽象，应用的数学知识比较多，公式推导复杂，计算困难；第三，虽然量子力学问题接近实际，但要学生理解和解决问题，还需要一个过程；由于上述问题的存在，使初学者都感到量子力学课程枯燥无味、晦涩难懂，而且随着学科知识的飞速发展，知识的更新周期空前缩短，在有限的课时情况下，如何使学生在掌握扎实的基础知识的同时，跟上时代的步伐，了解科学的前沿，以适应新世纪人才培养的需求，是摆在我们教育工作者面前的巨大挑战。

2 结合物理学史激发学生学习兴趣

兴趣是最好的老师，在大学物理中，谈到了19世纪末物理学所遇到的“两朵乌云”，光电效应和紫外灾难，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解决了黑体辐射的问题；后来，爱因斯坦在普朗克的启发下，提出了光量子的概念，解释了光电效应，并提出了光的波粒二象性；德布罗意又在爱因斯坦的启发下，大胆的提出实物粒子也具有波粒二象性；对于物理学的第三朵乌云“原子的线状光谱，”玻尔提出了关于氢原子的量子假设，解释了氢原子的结构以及线状光谱的实验。后来还有薛定谔、海森堡、狄拉克等伟大的物理学家的努力，建立了一套崭新的理论体系-量子力学。在教学的过程中，适当穿插量子力学的发展历史以及伟大科学家的传记故事，避免了量子力学课程“全是数学的推导”的现状，这样激发学生的学习兴趣和学习热情，通过对伟大科学家的介绍，培养刻苦钻研的精神。实践表明，这样的教学模式大大提高了学生的学习主动性。

3 结合熟知软件化抽象为形象

量子力学内容抽象，对一些典型的结论，可以用软件模拟的方式实现物理图像的重现。很多软件如matlab、c语言等很多学生不是很熟练，而且编程较难，结合物理结论作图较为困难；Excell是学生常用的软件之一，简单易学却功能强大，几乎每位同学都非常熟练，我们充分利用这一点，将Excell软件应用到量子力学的教学过程中，取得了良好的效果。

如在一维无限深势阱中，我们用解析法严格求解得到了波函数和能级的方程。而波函数的模方表示几率密度。我们要求学生用Excell作图，这样得到粒子阱中的几率分布，通过与经典几率的比较（经典粒子在阱中各处出现的几率应该相等）和经典能级的比较（经典的能量分布应该是连续的函数），通过学生的自我参与，充分激发了学生的求知欲望；从简单的作图，学生深刻理解了微观粒子的运动状态的波函数；微观粒子的能量不再是连续的，而是量子化了的能级，当n趋于无穷大时微观趋向于经典的结果，即经典是量子的极限情况；通过学生熟知的软件，直观的再现了物理图像，学生会进一步来深刻思考这个结论的由来，传统的教学中，我们先讲薛定谔方程，然后再解这个方程，再利用边界条件和波函数的标准条件，一步一步推导下来，这样的教学模式有很多学生由于数学的基础较为薄弱，推导过程又比较繁琐，因此会逐步对课程失去了兴趣，这也直接影响了后面章节的学习，而通过学生亲自作图实现的物理图像，改变了传统的“填鸭式”教学，最大限度的使学生参与到课程中，这样的效果也将事半功倍了，大大提高了教学的效果。

4 结合科学发展前沿拓宽学生视野

在课程的教学中，除了注重理论基础知识的讲解和基础知识的应用以外，还需介绍量子力学学科前沿发展的一些动态。结合教师的教学科研工作，将国内外反映量子力学方面的一些最新的成果融入到课程的教学之中，推荐和鼓励学生阅读反映这类问题的优秀网站、科研文章，使学生了解量子力学学科的发展前沿，从而达到拓宽学生视野，培养学生创新能力的目的。例如近年兴起并迅速发展起来的量子信息、量子通讯、量子计算机等学科，其基础理论就是量子力学的应用，了解了这些发展，学生会反过来进一步理解课程中如量子态、自旋等概念，量子态和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他们没有经典的对应，通过对实验结果的理解，学生会进一步理解用态矢来表示一个量子态，由于电子的自旋只有两个取向，正好与计算机存储中二进制0和1相对应，这也正是量子计算机的基本原理，通过学生的主动学习，从而达到提高教学质量的目的。另外我们还要介绍量子力学在近代物理学、化学、材料学、生命学等交叉学科中的应用，拓宽学生的视野。

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关键词： 模糊网络； 入侵检测； 分层操作； 特征自动提取

中图分类号： TN711?34； TP393.08 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0114?04

Abstract： The intrusion features in fuzzy network are diverse， so the intrusion features can not be reasonably judged with the fixed threshold. A kind of layer sequence characteristics′ automatic extraction method based on quantum neural network is put forward to solve the problems of low detection rate and high false rate and slow detection speed in the fuzzy network intrusion detection methods. In this algorithm， the quantum BP neural network model is used to extract information in the space thinking structure of quantum form by means of hierarchical division of fuzzy network， and the phase in quantum form of neural network is operated by means of quantum gate displacement and rotation changes in quantum space structure to complete automatic extraction of multilayered sequence features. The experimental simulation result show that the algorithm has better detection rate， detection efficiency and low false alarm rate.

Keywords： fuzzy network； intrusion detection； hierarchical operation； characteristic automatic extraction

0 引 言

入侵z测为保证网络安全的重要技术，通过学习能力、适应能力较高的智能学习算法完成检测，不但可以提高检测精度，还可以大大降低错误率。因此，在智能学习算法的基础之上，研究入侵检测方法是很有意义的[1]。在模糊网络的入侵特征提取中，出现了很多较好的方法，支持向量机是一种依据核函数的学习算法，将非线性训练集投影至高维空间中，使非线性训练集达到线性可分的目的，将最大优化间隔面看作分类面，识别样本数据并对其进行分类整理[2]。文献[3]提出一种基于[K]近邻算法的入侵检测方法，依据待测样本与相邻样本之间的距离确定权重，从而实现样本数据集的分类，达到入侵检测的目的。该方法实现过程简单，然而在计算相邻样本权重时，容易造成局部出现最优的问题。文献[4]在信息熵的基础上，提出一种[K]邻近算法，将其应用于入侵检测中，利用样本信息熵完成分类，从而实现入侵检测。该方法检测效率高，然而其信息熵的求解方法不可靠，导致入侵检测结果不可靠。文献[5]在提出一种基于支持多种向量机的检测方法，通过分散方法实现对集合的训练，构建分类器，通过分类器实现入侵检测。该方法检测精度高，但其中聚类处理对初始值的要求较高，且该方法计算量非常大。

依据上述分析，本文提出了一种基于量子神经网络的层序列特征自动提取方法。在该算法中，通过对模糊网络进行层次划分，运用量子BP神经网络模型以量子形式形态的空间思维结构来提取信息，通过量子空间结构中的量子门的移位与旋转变化对神经网络量子形态相位进行操作，完成多层序列特征自动提取。仿真实验证明，该算法具有较高的检测率和检测效率，并且误报率较低。

1 模糊网络入侵中多层序列划分步骤

Step1：如果由[α]代表模糊网络入侵特征的约简阈值，在有限样本集存放在临界值[N]的状态下，满足于[α≥N]的条件，假如在样本中不含有简约样本，那么样本的简约程度不会受到[α]值的影响，可通过不断简约调整其[α]的取值。

Step2：假设由[xi]代表模糊网络中训练集[L]的样本，则需要计算出[Ci]代表的相对应的最近领链[6?7]。

Step3：相对于[Ci]代表的最近领链的距离序列，需要满足于：

Step4：假如对[xij]代表的模糊网络训练集[L]中标记的入侵特征进行初始化操作，会获取[L′]代表的简约特征。

Step5：当模糊网络的入侵特征变换为多类分类问题时，对于[L]可形成多层次分类的局面，其任意的入侵数据都可以进行约简。针对[c]分类问题，对入侵的特征进行[c-1]次约简，从而得到[c-1]的层次集合，则会将相同类型的层次结果归纳为相同类别的最终分层内容。

Step6：假如由[xt]代表模糊网络的入侵特征，[L′]代表初始化的集合，则在[L′]中查询和其最近邻的数量为[k]的入侵特征，且需要满足[xt1，xt2，…，xtk]的条件；在求取相关值时，将欧氏距离用度量单位表示，由[dt1，dt2，…，dtk]代表样本[xt]的最大距离序列。

2 模糊网络入侵中多层序列特征提取

量子BP神经网络模型是在传统人工BP神经网络基础上融合量子计算的神经网络模型，量子BP神经网络模型实质为量子门神经网络结构模型。量子BP神经网络模型不同于传统神经网络的形式，主要在于量子BP神经网络模型以量子形态的空间思维结构来传递信息，通过量子空间结构中量子门的移位与旋转变化操作神经网络量子形态相位，详细描述量子BP神经网络模型的计算运行原则为：量子门作为量子BP神经网络模型进行量子计算的前提，通过通用量子门取代神经网络的激励函数对输入向量进行运算操作。并在模糊网络入侵中多层序列特征提取中进行应用。

由式（8）和式（9）可以看出，量子BP神经网络模型入侵特征提取的作用是使输入的量子BP神经网络模型量子态发生相位的移动变化；而量子BP神经网络模型两位特征提取层中[γ]代表模型控制参数。当满足[γ=1]时，模型量子态出现翻转变化；当满足[γ=0]时，虽然量子BP神经网络模型量子态相位发生了变化，但是通过观测量子态的概率幅并无变化。将这种情况视为量子态没有发生变化，当[γ]为其他值时可以任意调整量子BP神经网络模型量子态的变化。

图1中：[X=x1，x2，…，xn]代表将模糊网络入侵中多层序列特征提取的问题转变为量子BP神经网络模型量子态相应的角度输入；[λ]代表阈值；[δ]代表量子态角度控制因子；arg（u）代表u的相位也被称为权值，[argu=arctanImuReu]；z表示量子BP神经网络模型量子神经元的输出；[gx]代表sigmoid函数。

假设由[Ii]代表量子BP神经网络模型量子神经元的第i个输入，则图1所示的量子BP神经网络模型量子神经元的特征提取输出表示为：

式中：该量子BP神经网络模型的输出模糊网络入侵中多层序列特征提取结果主要根据[θi，λ，δ]这三个控制参数进行调节。首先对量子BP神经网络模型输入量子态进行相位转移，通过对量子态相位转移的结果引入相位角度偏置进行修正处理，在此基础上将相位角度修正结果通过量子BP神经网络模型可控非门获得该模型量子神经元的输出，由此完成对模糊网络入侵中多层序列特征提取的操作。

3 实验仿真与分析

将样本数据集[8]内的2个不相关子集当成测试数据集，在对样本集进行预操作以及训练过程中，任意划分训练样本集，获取1组训练样本、2组常量数据集，具体的数据集如表1所示。

实验采用Matlab 7.1及libsvmmat 2.911工具实现算法，将径向基函数[RBF]当成[SVM]的核函数，通过交叉验证参数方法设置核参数和限制系数的值，聚类数是[k=n2]，[n]用于描述样本总数。实验对本文算法和[B-ISVM]算法的检测率、误报率和训练时间进行比较，详细结果如图2～图5所示。

4 结 语

本文提出了一种基于量子神经网络的层序列特征自动提取方法。在该算法中，通过对模糊网络进行层次划分，运用量子BP神经网络模型以量子形式形态的空g思维结构来提取信息，通过量子空间结构中的量子门的移位与旋转变化对神经网络量子形态相位进行操作，完成多层序列特征自动提取。实验仿真证明，该算法具有较高的检测率和检测效率，并且误报率低。

参考文献

[1] 李骏骁.多层差异网络深度入侵数据挖掘方法研究[J].计算机仿真，2015，32（4）：235?238.

[2] 陈利军，郭红艳.基于粒子滤波的网络入侵相频特征提取算法[J].科技通报，2016，32（3）：101?104.

[3] 康松林，刘乐，刘楚楚，等.多层极限学习机在入侵检测中的应用[J].计算机应用，2015，35（9）：2513?2518.

[4] 隆忠华，王祥.基于模糊时间序列的车辆检测器数据修补方法研究[J].物联网技术，2016，6（6）：21?24.

[5] 胡向东，熊文韬.面向智能家居的入侵检测方法研究[J].广东通信技术，2016，36（5）：10?16.

[6] 赵龙才，李强子，黄慧萍.基于高分辨率影像的平原地区农村居民点自动化提取方法研究[J].遥感技术与应用，2016，36（4）：784?792.