量子计算发展范文

导语：如何才能写好一篇量子计算发展，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。

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那么，PXI究竟处于什么样的技术和历史位置呢?因为自动测量技术的核心是计算机技术，所以测量总线技术的发展是与计算机总线的发展密切相关的。要了解测量总线的历史，把握其目前的技术态势，我们需要通过知晓计算机总线技术的发展历程和走向，来分析测量总线技术。

可用于测量的总线标准很多。衡量一种总线技术的优劣主要看两个参数：带宽和延迟。在实际应用中，由于需求不同以及成本等方面的限制，各种总线都有其适合的应用领域。流行的高性能测量总线主要有GPIB、VXI和PXI。如图1所示，从带宽和延迟的角度，PXI明显优于传统的GPIB和VXI总线。

下面联系计算机技术分别回顾这三种总线的历史。

HP-IB／GPIB

HP(惠普公司)是计算机技术的先行者之一。其第一款计算机HP 2116A于1966年面世，用于控制该公司众多的测量仪器。GPIB(General PurposeInterface Bus即通用接口总线)源于HP-IB，这是HP 1965年设计的接口总线，用于连接HP的计算机和可编程仪器。由于其转换速率高(通常可达1MB／s)，这种接口总线逐渐得到普遍认可，1975年成为IEEE 488-1975标准。

可以说，HP开创了基于计算机的数字化测量测试仪器，进入20世纪80年代后，虚拟仪器技术的创始人NI逐渐成为全球最大的GPIB供应商。通过使用LabVIEW和仪器驱动软件，工程师们可以自动化地控制测试仪器，由此，自动化测试测量的时代正式开始。GPIB的出现使电子测量从独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，并且使得自动测量中仪器的互联有了统一的标准。此后，各种带标准接口的测量仪器不断出现，使检测计量人员能够很方便组成各种功能强大的自动测量仪器系统。

GPIB测量系统的结构和命令简单，有专为仪器控制所设计的接口信号和接插件，具有突出的坚固性和可靠性。经过30余年普及，几乎所有独立仪器都已配有GPIB接口，网络上也有各种GPIB驱动，因而具有最好的兼容性。GPIB适合自动化现有的设备、混合系统和特别要求专用仪器的系统。

VME／VXI

VXI是VME eXtensions for Instrumentation的缩写。它是VME(Versa Module Eurocard)总线在仪器领域的扩展。显然，要了解VXI，首先要了解VME。

VME总线源于VERSAbus，这是摩托罗拉公司1980年设计推出用以支持其MC68000微处理器产品线的技术。摩托罗拉在计算机领域有着辉煌的历史，是早期CPU的研发、生产厂商之一。摩托罗拉于1974年推出MC6800处理器。MC68000于1979年面世，与Intel8086以及Intel 80286竞争并取得一些成功。

最早的VERSAbus设计有一个特点：插拔卡的尺寸很大。因为这一点，欧洲的设计人员非常不喜欢。后来设计出一种较小的、具有相似功能的总线供欧洲人使用，称作Versa Module European，或VME，意欧式变种模块。摩托罗拉、飞利浦、汤姆森等公司是倡导者。该总线从1982年开始很快被接受。1987年，VME被IEEE正式接受为万用背板总线标准(ANSI／IEEE 1014-1987)。同年，Colorado DataSystem、HP、Racal Dana、Tektronix和Wavetek等5家仪器公司的技术代表成立了一个技术委员会(即后来的VXI总线联盟)，了VXI规范的第1个版本。几经修改和完善，VME总线标准于1993年9月20日出版发行。

VXI作为一种内部总线，比GPIB具有更高的带宽，且具有更好的延迟率，所以它一推出就得到了军工／航空航天的大量采用。但由于成本较高，所以很难向其他领域应用进行扩展。

PCIf／cPCI／PXI

追根溯源，PCI技术的开创者实为计算机行业的老大Intel公司。1991年下半年，由于原有的ISA、EISA已远远不能适应要求而成为整个系统的主要瓶颈，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团。PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。而且作为内部总线，PCI能够达到很高的带宽。

1994年提出的CompactPCI简称cPCI，中文又称紧凑型PCI，是在PCI技术基础之上经过改造而成。它采用经过20年实践检验后的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件，提高了抗振动冲击能力，符合电磁兼容性要求，更适合构建高可用性系统，满足电信、数字通信、军事装备以及其他高可靠领域的要求。

1997年，NI公司为钡0试和测量应用提出PxI(PCI eXtensions forInstrumentation)，这是专为测试任务而优化的CompactPCI，PXI基于cPCI总线的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线，用于模块至模块之间的同步和触发。PXI控制器运行Windows操作系统，采用最快速的处理器、内存等PC技术，并能连接各种外部总线接口(例如USB、串口等)，此外NI等一些厂商还提供与PXI控制器配合的GPIB控制器，因此，PXI是混合系统中理想的核心部分。1998年，NI与其他测试设备厂商合作的PXI系统联盟将PXI作为一个开放的工业标准推向市场，迄今为止PXI联盟已经拥有70余家公司和超过1200种产品供选择，所以这样的模块化平台可以让用户自由选择测试功能、用户界面、分析软件等其他要素。此外，商业技术的运用和在模块间共享电源等优势为用户极大地降低了成本。 以上这些都使其成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

未来发展

目前，PXI技术得到大力推广，市场发展迅速。根据Frost & Sullivan 2005年度的调查显示(见图2)，PXI市场的增长速度远高于VME／VXI，以及测试测量行业的平均值。NI和PXI联盟成员也在继续为PXI加大投资，随着IntelPCI Express总线的推出，PXISA在2005年第三季度正式推出了PXIExpress的软硬件标准，通过在背板使用PCI Express的技术，PXI Express能够将带宽整整提高45倍，从原来PXI的132MB／s提高到现在6GB／s；同时保持了和原来PXI模块在软硬件上的向后兼容性。

然而，由于VXI大量用于军工和航天等对成本及对新技术不敏感、但对可靠性和性能要求苛刻的领域，所以还会在相当长的时间内存在。另外，供应商们也在尝试为VME加入新技术，比如提升带宽的新技术，试图使这种总线技术的服役期限再延长10年甚至20年。

即便是更老的GPIB技术也不会马上消失，被新的总线(例如以太网、USB或FireWire)所取代。GPIB安装基数非常大，精通的使用者和供应商众多。一些大型测试和测量公司如安捷伦、吉时利、罗德与施瓦茨和Tektronix仍以GPIB为主要的仪器总线并配之以所需的USB或以太网。GPIB还可以用来将VXI和PXI连接到控制器。此外，一些特殊仪器，例如吉时利仪器公司的2800RF模型动力分析仪，就只能采用GPIB连接平台。基于此，一些厂商如吉时利仍然看好GPIB的发展前景。

在遗产(英文legacy，西方人不称旧的或过时的)技术继续存在的同时，更新的总线技术还在不断涌现，例如，安捷伦于2004年提出LXI平台概念。LXI(LAN eXtensions forInstrumentation)据称以独特的方式将GPIB的优势和VXI的优势结合在一起。基于LAN的测试总线适合于远程测量和控制，其广泛性和低成本的特点使之成为现有仪器控制总线(如GPIB等)的一个极具竞争力的替代项。然而对于设备与设备之间的同步，就必须要结合IEEE 1588，那么这样的话用户就要为开关盒增加额外的成本。LXI协会于2004年9月成立，一年后了第一版LXI规范，迄今大部分的产品都是基于LAN控制，而不是结合1588标准。

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关键词：计算机网络路由选择；改进量子进化算法；研究

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0033-02

随着计算机网络的不断发展与广泛应用，其已经成为了我国人民在日常生活中及工作中不可缺少的技术，它为人们的衣食住行提供了方面，也为我国社会经济的发展提供了基础。目前我国计算机网络正在朝着更大规模范围发展，在此过程中也暴露了计算机网络路由选择中的一系列问题。现如今的计算机网络路由选择已经满足不了人们及社会的发展需求，也对计算机网络的正常运行造成了一定的影响，所以对其的优化改进是目前最重要的内容。

1 浅析计算机网络路由选择

计算机网络路由选择中有多种方法，包括梯度法、列表寻优法、爬山法及模拟退算法等。由于这些方式具有局限性，收到多种条件的限制，导致本身的作用都得不到很好的发挥。计算机网络路由选择主要是在能够满足计算机网络通信容量、网络拓扑及网络节点需求的基础上，对计算机网络中的各节点路由进行选择，使计算机网络可以缩短到最小时延。一般计算机网络路由选择可以使用优化工作，比如：其一，如果计算机网络中节点内部具有较大容量的缓冲器，那么就不会溢出或者丢失其数据包；其二，如果能够以实际的指数分布为基础设置报文长度，就可以按照泊松到达；其三忽略计算机网络中节点处理报文的时延；计算机网络中报文传输服务都是一个等级。【1】

2 探析改进量子进化算法

实际上量子进化算法就是进化算法和量子计划相结合产生的，此事以态矢量为基础，以量子比特编码为染色体，其更新染色体要以量子旋转门和非门进行实现，从而才能优化计算机网络路由。量子进化算法中的染色体排列矩阵为：

一个量子染色体表示问题解的特性，其原理就是对量子染色体进行随机测量，以此得出结果和概率，使用二进制实现坍塌，在此过程中可以了解到量子染色体可以有效地解决问题。另外改进量子进化算法的实现是根据量子旋转门，通过搜索法使公式的解得到最佳，增加或者减少概率，以此保留或者删除结果，以此来改进量子进化算法。

上表中的xi表示第i个量子染色体的二进制解，bi表示第i个最优解。

量子进化算法的流程主要包括三个部分：其一，要对种群进行初始化，在此基础上对初始种种群进行测量，以此得到与个体相依状态的相关记录表；其二，在合适的状态下对记录进行针对性的评估，并且对最佳个体和个体的适应值进行相关记录；其三，在还没有完全结束的时候，进行其他操作。

对于量子进化算法来说，此过程是非常复杂的，用相关的符号表示事务，之后进行计算。比如可以使用M表示染色体长度，染色体可以维护解的多样性。这样才能使算法简单的表述。【2】

3计算机网络路由选择的改进量子进化算法研究

在计算机网络中，量子进化算法是非常值得热议的话题，在计算机网络路由选择中的量子进化算法，其主要问题就是量子进化算法是针对性对表格进行参照，以此来找出相应的解法。这种方法会造成旋转角之间没有较好的关联性，另外在搜索问题的时候会有跳跃性，对于计算机在日常运行工作的时候是非常不利的。为了能够通过量子进化算法解决计算机路由选择中的问题，就要对其进行创新和改进。首先优化其中的旋转角，使其值能够满足路由选择。优化后的旋转表式子可以写为：

?θi=0.001π*50fb-fx/fx

根据此式子可以了解到旋转角在不同的情况下会有不同的结果，简单来说就是不同的旋转角值具有不同的含义。如果旋转角的值越小，那么就说明个体与最优个体之间的距离就越小，就缩小了搜索网络。在此状况下搜索就可以达到最优；如果旋转角的值越大，就说明个体与最优个体之间的距离越大，就逐渐扩大了搜索网络。在此状况下就要使所搜速度加快，这样才能够使计算机网络路由选择更多方面。

另外就是优化调整其中的函数，可以使用组合优化的方式进行，要求函数达到最佳状态，这样才能够得出最优解。通过此方式可以了解到，个体基因之间并没有较强的关联性。所以就可以通过计算机网络路由选择，对量子进化算法中的函数调整并优化。如果处于归一化的基础上，实现对应的实属对，并且使他们与量子位一一对应。基于此就可以做量子进化算法的仿真实验，并且对其进行对比，是否有优势。实验结果表示，计算机网络路由选择中的性能能够了解量子进化算法优化后比传统更优秀，此结果可以见图1。

从图1可以了解到，在计算机网络路由选择中的改进量子进化算法中，不断是收敛速度、寻优能力还是其中的性能，都优于传统量子进化算法。在进行仿真测试时，能够使改进量子进化算法之后发挥自身的作用，也能够在计算机网络路由选择中完善自身的应用。在此情况下计算机路由选择面对问题能够很好地解决，并且能够及时发现其中的问题，有效地提高了工作人员的工作质量和效率，还使计算机在正常运行和工作的过程中保持一个良好的状态。【3】

4结束语

在目前计算机网络技术被广泛应用的基础上，要重视计算机网络路由的选择。同时，改进量子进化算法也是非常重要的，通过优化旋转角，以此提高搜索速率及范围。计算机网络技术自发展应用以来，量子进化算法都有着较好的应用和前景，那么优化量子进化算法有效地促进了计算机网络技术的进一步发展，使计算机网络技术可以为我国各行各业提供更好的服务，也有效促进我国经济的可持续发展。

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（1）：170-173.

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【关键词】 超导量子比特 超导电路 量子计算 量子纠错

1 引言

量子算法解决问题的概念最早由舒尔在上世纪末引入，因其在计算复杂性理论革命性的成果，量子计算受到欢迎，但在当时认为实际建造一个量子计算机是不可能的，随后科学家发现了量子纠错等理论，希望通过这些理论实现量子计算机。文章主要讨论量子信息处理与超导量子比特物理实现，就少数重要方面讨论猜测量子计算未来方向。

2 量子计算机发展的七个阶段

开发一个量子计算机涉及几个重叠且互相连接的阶段，首先必须能控制量子系统的量子比特的有足够的长的退相干时间供系统去操作和读出，在第二阶段，小量子算法可以在逻辑量子比特上进行，作为一个实用的量子计算，这前两个阶段中，必须满足下面的五个标准[1]：

（1）可规模化的很好两能级系统（量子比特）；

（2）量子比特具有良好的制备初态的能力；

（3）与量子逻辑门操作的时间相比，量子比特具有相对较长的退相干时间。

（4）量子比特能够用来建造通用量子逻辑门；

（5）具有对量子比特进行测量的能力。

从上面的标准可以看出，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坏，量子计算就会变成经典计算。第三阶段以后要求系统能够实现量子纠错，在第三阶段，实现量子非破坏测量和控制，量子非破坏测量可以利用奇偶校验纠正一些错误。第四个阶段实现更长时间的逻辑量子比特记忆，目标是实现量子存储器，量子纠错的实施，使得系统的相干性比任何组件的相干时间都长，通过量子纠错存储的逻辑量子比特的退相干时间大大超过单个量子比特退相干时间，但这个目标还未在任何实际系统中实现。最后的两个阶段是多逻辑量子比特算法和容错型量子计算，最终目标是实现容错量子信息处理，有能力在一个具有主动纠错机制逻辑量子比特做所有单量子比特操作，并且能够执行多个逻辑门之间的操作。量子信息处理的七个阶段发展。每个进步需要掌握前面的阶段，但每个也代表了一个持续的任务，必须协同别的阶段。第三阶段中的超导量子比特是唯一固态量子计算实施，目的是实现第四阶段，这个也是目前研究的重要的环节。下面我们就介绍下超导电路。

3 超导电路哈密顿量设计

超导电路（图1）基于LC振荡器，超导量子比特的操作是基于两个成熟的现象：超导性和约瑟夫森效应。超导量子比特可以描述为一个电感为约瑟夫森结，电容C和一个电感L组成的并联电路。电路中电子流的集体运动的为通过电感的通量Φ，相当于在弹簧机械振荡器质心位置。不同于纯LC谐振电路的，约瑟夫森结把电路变成一个真正的人工原子，可以选择性的从基态跃迁到激发态，当作一个量子比特。约瑟夫森结和电感并联，甚至可以取代电感，几个作为人工原子非线性振荡器组成的量子比特耦合振荡腔时，可以获得多量子比特与多腔相互作用系统的有效哈密顿量[2]的形式为

哈密顿量中指标为j表示非谐振模式的量子比特耦合指标m表示谐振腔，符号a，b和ω分别代表振幅和频率，在适当的驱动信号作用下，系统可以执行任意的量子操作，操作速度取决于非线性影响因素和，通常单量子门操作时间为5到50ns和二量子比特纠缠控制在50到500ns，忽略了腔的非简谐振动的影响。适当设计的电路，尽量的减少由于量子比特周围电介质的影响而引起的损耗，同时减少能量的辐射到其他电路环境，使得量子比特相干时间为100μs，这使得相干时间内成百上千操作成为可能。

4 目前主要的问题

目前实验规模相对较小，只有少数量子比特相互作用，且所有的系统都会在纠缠情况下发生耗散，影响系统的相干性，要实现下一阶段量子信息处理，需要通过纠错增加相干时间，因为只有在保持量子记忆状态的情况下，才能进行后来的算法计算，这要求建立新的系统，并且计算时通过利用连续测量和实时反馈进行量子纠错进而保存量子信息。

使用当前的方法来纠错，会大幅增加计算复杂性，一个比特信息往往需要几十个甚至成千上万的物理量子比特实现纠错的功能，这个对于控制和设计哈密顿量是一个巨大的挑战。此外，根据五个基本原理，在各个阶段都需要其他的硬件增加，以求得能够向下一个阶段实现，但发展到一个阶段并不是简单的大规模生产相同类型的电路和量子比特的问题。

目前制造含有大量单元晶片在实际中并不困难，毕竟超导量子比特最大的优点是目前制作晶片的技术非常的成熟。尽管如此，设计构建和操作一个超导量子计算机对于半导体集成电路或超导电子学提出了实质性的挑战，由于电路元件之间的相互作用可能会导致加热或抵消，不同部件之间的相互干扰会引发问题，引发比特错误或电路故障。

还有我们必须知道怎么设计多量子比特和控制系统的哈密顿量，这个超出当前的能力，描述一个系统纠缠的哈密顿量时，需要测量的数据指数级增大，将来必须设计构建和操作超过几十个自由度系统，这样的话，量子计算的力量，经典情况下不能被模拟出来，这也许表明大型量子处理器应该由可以单独测试和表征小模块构成。

5 量子计算的未来设计

可能要花多长时间来实现超导电路完善，未来发展中，量子纠错理论可能大大改良电路复杂度和性能限制，理论上是存在几种不同的方法，但在实际中仍然相对不成熟。

首先是量子纠错编码模型，信息编码寄存在纠缠物理量子比特中，假设发生错误，通过收集量子比特的信息，监测特定量子比特的集体属性，然后在信息发生不可逆转的损坏之前，通过特殊的门撤销之前的错误。

另一种方法是表面代码模型，大量相同的物理量子比特被连接在矩形网格中，通过特定的四个相邻的量子比特之间的联系，可以快速进行量子非破坏测量，防止整个网格发生错误。这个方法的吸引力在于只需要数量很少的不同类型的元素，一旦这个基本单元是成功的，后续的发展阶段可能只是通过相对简单的设计就能实现，而且容错率较高，即使在当前的容错水平也能达到百分之几。

第三个方法是嵌套模块模型，这里最基本的单元是逻辑记忆量子比特组成的寄存器，这个寄存器能够在进行存储量子信息的同时并进行量子纠错，另外寄存器中存在一些额外的量子比特为可以与内存其他模块通讯。通过量子比特的通信的纠缠，可以分发纠缠，最终在模块间执行通用计算。在这里，操作之间的通信部分允许有相对较高的错误率。

其他方法可能包括量子科学那些与现有标准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”，需要在构建较大的能够容纳很多二能级系统的希尔伯特空间，但在原子物理领域非计算态的利用已经超出二能级的水平，被用来作为一个三比特门超导电路的捷径，在现有不引入新的错误的情况下，多能级非线性振荡器的使用能够取代多量子比特方程，这提供了一种新的设计思路。

6 结语

超导电路实现量子信息处理已经取得显著进展，同时量子纠错不在仅仅限制在理论上，复杂的量子系统真正进入一个未知的领域，但即使这个阶段成功，未来依然会有很多的挑战，经过不断的探索，实用的量子信息处理未来可能成为现实。

参考文献：

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超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构，使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理，进一步提高计算机运行速度。超级计算机通常是由数百数千甚至更多的处理器(机)组成，能完成普通计算机和服务器不能计算的大型复杂任务。从超级计算机获得数据分析和模拟成果，能推动各个领域高精尖项目的研究与开发，为我们的日常生活带来各种各样的好处。最大的超级计算机接近于复制人类大脑的能力，具备更多的智能成份.方便人们的生活、学习和工作。世界上最受欢迎的动画片、很多耗巨资拍摄的电影中，使用的特技效果都是在超级计算机上完成的。日本、美国、以色列、中国和印度首先成为世界上拥有每秒运算1万亿次的超级计算机的国家，超级计算机已在科技界内引起开发与创新狂潮。

二、

计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。自从1944年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机技术迅猛发展，传统计算机的性能受到挑战，开始从基本原理上寻找计算机发展的突破口，新型计算机的研发应运而生。未来量子、光子和分子计算机将具有感知、思考、判断、学习以及一定的自然语言能力，使计算机进人人工智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计算技术革命，对人类社会的发展产生深远的影响。

三、新型高性能计算机问世

硅芯片技术高速发展的同时，也意味看硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机、纳米计算机等，将会在二十一世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

1.量子计算机

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，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PentiumDI晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。量子编码采用纠错、避错和防错等。量子计算机使计算的概念焕然一新。

2.光子计算机

光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、传翰和存储。光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速地并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

3.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。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法等几种类型。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。美国已研制出分子计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进人实用阶段。

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，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。美国正在研制一种连接纳米管的方法，用这种方法连接的纳米管可用作芯片元件，发挥电子开关、放大和晶体管的功能。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。

我们相信，新型计算机与相关技术的研发和应用，是二十一世纪科技领域的重大创新，必将推进全球经济社会高速发展，实现人类发展史上的重大突破。科学在发展，人类在进步，历史上的新生事物都要经过一个从无到有的艰难历程，随着一代又一代科学家们的不断努力，未来的计算机一定会是更加方便人们的工作、学习、生活的好伴侣。

参考文献：

[1]刘科伟，黄建国.量子计算与量子计算机.计算机工程与应用，2002，(38).

[2]王延汀.谈谈光子计算机.现代物理知识，2004，(16).

[3]陈连水，袁凤辉，邓放.分子计算机.分子信息学，2005，(3).

[4]官自强.纳米科技与计算机技术.现代物理知识，2003，(15).

[5]张镇九，张昭理.量子计算机进展，计算机工程，2004，(4).

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[关键词]网络支付信息安全量子计算量子密码

目前电子商务日益普及,电子货币、电子支票、信用卡等综合网络支付手段已经得到普遍使用。在网络支付中,隐私信息需要防止被窃取或盗用。同时,订货和付款等信息被竞争对手获悉或篡改还可能丧失商机等。因此在网络支付中信息均有加密要求。

一、量子计算

随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也在降低。若能对任意极大整数快速做质数分解，就可破解目前普遍采用的RSA密码系统。但是以传统已知最快的方法对整数做质数分解，其复杂度是此整数位数的指数函数。正是如此巨额的计算复杂度保障了密码系统的安全。

不过随着量子计算机的出现,计算达到超高速水平。其潜在计算速度远远高于传统的电子计算机，如一台具有5000个左右量子位(qubit)的量子计算机可以在30秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的问题。量子位可代表了一个0或1,也可代表二者的结合,或是0和1之间的一种状态。根据量子力学的基本原理,一个量子可同时有两种状态,即一个量子可同时表示0和1。因此采用L个量子可一次同时对2L个数据进行处理,从而一步完成海量计算。

这种对计算问题的描述方法大大降低了计算复杂性，因此建立在这种能力上的量子计算机的运算能力是传统计算机所无法相比的。例如一台只有几千量子比特的相对较小量子计算机就能破译现存用来保证网上银行和信用卡交易信息安全的所有公用密钥密码系统。因此，量子计算机会对现在的密码系统造成极大威胁。不过，量子力学同时也提供了一个检测信息交换是否安全的办法，即量子密码技术。

二、量子密码技术的原理

从数学上讲只要掌握了恰当的方法任何密码都可破译。此外，由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹，用户无法察觉，就会继续使用同地址、密码来存储传输重要信息，从而造成更大损失。然而量子理论将会完全改变这一切。

自上世纪90年代以来科学家开始了量子密码的研究。因为采用量子密码技术加密的数据不可破译，一旦有人非法获取这些信息,使用者就会立即知道并采取措施。无论多么聪明的窃听者在破译密码时都会留下痕迹。更惊叹的是量子密码甚至能在被窃听的同时自动改变。毫无疑问这是一种真正安全、不可窃听破译的密码。

以往密码学的理论基础是数学，而量子密码学的理论基础是量子力学，利用物理学原理来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理”中所包含的一个特性，即当有人对量子系统进行偷窥时，同时也会破坏这个系统。在量子物理学中有一个“海森堡测不准原理”,如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化，那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子,照亮粒子的光(即便仅一个光子)的行为都会使之改变路线,从而无法发现该粒子的实际位置。从这个原理也可知，对光子来讲只有对光子实施干扰才能“看见”光子。因此对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系,通讯会被中断,这实际上就是一种不同于传统需要加密解密的加密技术。在传统加密交换中两个通讯对象必须事先拥有共同信息——密钥，包含需要加密、解密的算法数据信息。而先于信息传输的密钥交换正是传统加密协议的弱点。另外,还有“单量子不可复制定理”。它是上述原理的推论,指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的,因为要复制单个量子就必须先做测量,而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理,即使量子密码不幸被电脑黑客获取,也会因测量过程中对量子状态的改变使得黑客只能得到一些毫无意义的数据。

量子密码就是利用量子状态作为信息加密、解密的密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠。它是一种量子力学现象，指不论两个粒子间距离有多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子。因此当使用一个特殊晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子后，即使相距遥远它们也是相互联结的。只要测量出其中一个被纠缠光子的属性，就容易推断出其他光子的属性。而且由这些光子产生的密码只有通过特定发送器、吸收器才能阅读。同时由于这些光子间的“神秘远距离活动”独一无二，只要有人要非法破译这些密码，就会不可避免地扰乱光子的性质。而且异动的光子会像警铃一样显示出入侵者的踪迹，再高明的黑客对这种加密技术也将一筹莫展。

三、量子密码技术在网络支付中的发展与应用

由于量子密码技术具有极好的市场前景和科学价值，故成为近年来国际学术界的一个前沿研究热点，欧洲、北美和日本都进行了大量的研究。在一些前沿领域量子密码技术非常被看好，许多针对性的应用实验正在进行。例如美国的BBN多种技术公司正在试验将量子密码引进因特网，并抓紧研究名为“开关”的设施，使用户可在因特网的大量加密量子流中接收属于自己的密码信息。应用在电子商务中，这种设施就可以确保在进行网络支付时用户密码等各重要信息的安全。

2007年3月国际上首个量子密码通信网络由我国科学家郭光灿在北京测试运行成功。这是迄今为止国际公开报道的惟一无中转、可同时任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。2007年4月日本的研究小组利用商业光纤线路成功完成了量子密码传输的验证实验，据悉此研究小组还计划在2010年将这种量子密码传输技术投入使用，为金融机构和政府机关提供服务。

随着量子密码技术的发展，在不久的将来它将在网络支付的信息保护方面得到广泛应用，例如获取安全密钥、对数据加密、信息隐藏、信息身份认证等。相信未来量子密码技术将在确保电子支付安全中发挥至关重要的作用。

参考文献:

[1]王阿川宋辞等:一种更加安全的密码技术——量子密码[J].中国安全科学学报,2007,17(1):107～110

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关键词：计算机 技术 现状 发展

计算机技术发展趋势将向超高速超小型平行处理智能化的方向发展，使计算机技术更好的为人类生产、生活、社会经济的发展服务。

一、计算机技术的发展史

计算机诞生之初，其主要的作用是用于计算导弹的运行弹道。但是由于在过去的工作中计算机成本较为昂贵，在上个世纪五十年代以前，计算机主要应用在军事领域。直到上个世纪六七十年代，计算机成本逐步降低，使得部分单位和企业有能力在工作中采用计算机进行工作，也使得计算机技术得到飞速发展。随着Intel4位中央处理器的诞生以及普及，在1982年，世界上第一台个人计算机诞生，并被成功的应用在家庭。到了上个世纪九十年代末期，计算机技术已经成功的应用在诸多家庭和企业中，同时设计领域也逐步广泛到企业。

在这种社会现状下，计算机技术的发展与应用逐步形成了两个不同的方向和趋势，其一主要指的是被应用在科研机构、军事机构的计算机，由于这些领域往往都是计算困难、计算精度较高的工作环节，因此在发展中对于计算机的计算能力和计算精确度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中应用在家庭和中小企业的计算机，这些计算机可以说主要是往实惠、小体积和轻重量的方向发展。纵观计算机发展史我们可以得知，计算机创新能力的推动与普及与人们生活和社会发展紧密相连，其在工作中也推动了整个社会领域的正常进行。

二、计算机现状

计算机技术在当今社会中发挥着不可替代的作用，对于促进社会信息化的实现有着主导作用。伴随着科学技术的深入发展，计算机技术也逐步实现了硬件系统与软件系统同步发展的核心技术观念，也在工作中实现了信息化、现代化的核心技术处理要求。

（一）现代微型处理器的情况

在当前社会中，计算机技术的性能提升和处理主要在于发展微型处理器，这也是目前计算机发展的整体趋势，在计算机发展工作中，其主要的实质在于提高处理器芯片中的晶体线宽与尺寸的大小。一般在研究的过程中，多采用较短的波长来曝光光源，从而做打破掩膜曝光要求。如今的微型处理器发展与计算中，主要是通过紫外线进行运用和曝光光源的管理与深化，并且在工作中对于深层芯片进行全面总结和处理，这种工作流程和工作方式多是采用量子效应与电子行为来进行分析，这种社会分析现状也是微处理器发展的首要基础。所以也就引起专家的注视，紫外线光源对微处理器性能的提升已经没有多大作用了。

（二）以纳米为主的电子科学技术

伴随着科学技术的不断提高，各种先进材料不断的引进，进而对微处理器进行优化和总结。就目前的计算机应用与发展分析而言，在计算机工作中，准确高效的计算机技术和微型化电子元件的需求已成为人们对计算机发展提出的新观念，但就目前的社会现状而言这种目标还远远没有达到。因此在未来的计算机发展中，我们不仅要深入研究计算机处理技术，同时更是要引进各种新材料、新技术。在这种现状之下，以纳米为主的计算机技术已成为目前我们工作和认识的重点形式，也是当前社会发展中存在的核心问题。

三、计算机技术发展趋势预测

1、未来的计算机将具有更全面智能成分，如多种感知、思考判定能力和常用自然语言能力，除常规手写及语音输入手法外，还将具有虚拟现实技术功能，使存储光盘进一步加大存储容量，计算机的海量存储技术不断成熟完善，使信息永久性储存不再仅仅是梦想，随着计算机技术的发展即将实现。长久存储器的研制及使用，可以防水、防震、防腐蚀耐高温。计算机硅芯片技术的高速发展，表明硅技术已接近其物理极限，为此，各国科研人员不断研发新型量子及纳米计算机，量子计算机是基于量子效应基础上研发的，它利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息可以沿着聚合物进行移动，运算量子计算机中数据用量子位存储。一个量子位可以是0或1，它既可以存储0又能够存储1，也就是量子位可以存储2个数据，这是因量子的叠加效应。同样的存储位，但存储量比传统计算机高很多。

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[关键词]量子计算 量子通信 通信效率 安全通信

中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0128-01

引言

随着科学技术的飞速发展，量子信息学逐渐得到人们的关注与重视，在近代物理学、计算机科学等领域都有所涉及。通过量子力学的基础，不断的发展与延伸。量子信息学，是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面。我们在这里，着重的了解一些量子通信。

一、 量子通信协议概念

1，量子通信协议定义

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。其中隐形传送是指脱离实物的一种“完全”的信息传送。可以想象：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。实际上是一种对于通信地保密性的传输。是一种在理论上可以保证通信绝对安全的一种通信方式。由于量子力学中的不确定性原理，是不允许精确地提取原物的全部信息，因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。

2，量子通信与光通信的区别

量子通信与光通信的区别，在于在通信中用的光的强度是不同的。光通信一般采用是强光，包括无线电、微波、光缆、电缆等具体形式。通过偏振或相位等的调制方式来实现。量子通信讨论的是光子级别的很弱的光，通过对光子态的调制，但是主要利用了光子的特性，量子态不可克隆原理和海森堡不确定性关系。这也是区别于光通信的重点。

二、量子通信基本方式

量子通信在量子力学原理的基础上，通过量子态编码和携带信息进行加工处理，将信息进行传递。只要包括：量子隐形传态、量子密钥分发等，下面主要介绍这两个组成部分：

1，量子隐形传态

量子隐形传态，又称量子遥传、量子隐形传输。经由经典通道和EPR 通道传送未知量子态。利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。它传输是量子态携带的量子信息。想要实现量子隐形传态，要求接收方和发送方拥有一对共享的EPR对，即BELL态（贝尔态）。发送方对他的一半EPR对与发送的信息所在的粒子进行结合，而接收方所有的另一半EPR对将在瞬间坍缩为另一状态。根据这条信息，接收方对自己所拥有的另一半EPR对做相应幺正变换即可恢复原本信息。到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。量子隐形传态大致可以这样描述：准备一对纠缠光子对，一个光子发送给有原始量子态（即第三个光子）的甲方，另一个光子发送给要复制第三光子的量子态的乙方。甲方让收到的一个光子与第三光子相互干涉（“再纠缠”），再随机选取偏振片的方向测量干涉的结果，将测量方向与结果通过普通信道告诉乙方；乙方据此选择相应的测量方向测量他收到的光子，就能使该光子处于第三光子的量子态。

量子隐形传态作为量子通信中最简单的一种，是实现全球量子通信网络的可行性的前提研究。它的存在与应用，可以完全的保证用户的信息安全，通信保密，同时如果出现有人窃听的现象，将会及时的进行信息的改变，保证内容的“独一无二”。

2，量子密钥分发

量子密钥分发以量子物理与信息学为基础，是量子密码研究方向中不可缺少的重要部分。被认为是安全性最高的加密方式，实现绝对安全的密码体制。当然这只是理论上的内容，在现实生活中还是有一定的差距。只是理论上具有无条件的安全性。1969年提出用量子力学的理论知识进行加密信息处理。到了1984年，第一次提出量子密钥分发协议，即BB84协议。随后又提出B92协议。2007年，中国科学技术大学院士潘建伟小组在国际上首次实现百公里量级的诱骗态量子密钥分发，解决了非理想单光子源带来的安全漏洞。后又与美国斯坦福大学联合开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器――基于周期极化铌酸锂波导的上转换探测器。解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患。保证了非理想光源系统的安全性。生成量子密钥大致为：准备一批纠缠光子对，一个光子发送给发信方，另一个光子发送给收信方。测量光子极化方向的偏振片的方位约定好两种。两人每次测量一个光子时选择的方向都是随机的，但要记录下每次选择的方向，当然也要记录下每次测量的结果，有光子通过偏振片就记1，无光子通过则记0。通过普通信道两人交换测量方向的记录，那些测量方向不一致的测量结果的记录都舍去不要，剩下的那些测量方向相同所对应的测量结果，两人应一致，这一致的记录就可作为两人共同的密钥。

总结

经典通信较光量子通信相比，量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性。具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。逐渐走进人们的日常生活。为了让量子通信从理论走到现实，从上世纪90年代开始，国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。

参考文献

[1]莫玲 - 基于专利分析的欧盟量子通信技术发展现状研究《淮北师范大学学报：自然科学版》 - 2015.

[2]徐兵杰，刘文林，毛钧庆，量子通信技术发展现状及面临的问题研究《通信技术》 - 2014.

[3]胡广军，王建 -量子通信技术发展现状及发展趋势研究 《中国新通信》 - 2014.

[4]肖玲玲，金成城 - 基于专利分析的量子通信技术发展研究《全球科技经济t望》 - 2015.

[5]宋斌 - 空间量子通信技术发展现状《移动信息》 - 2015.

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【关键词】 量子通信技术 发展现状 趋势 研究

近年来量子通信在各类学术会议或期刊中频频出现，作为一个古老而又新鲜的话题，电视等各种媒体中经常出现各种关于量子通信技术重大突破的报道。在国家技术规划中，“量子调控研究”被列为重大基础科学研究计划之一，在20-30年后预计量子技术将会给人类社会带来巨大影响。量子通信技术的重要性，要求我们必须予以其关注。首先，我们应该对量子通信技术的发展现状有一定了解。

一、量子通信技术的发展现状

在量子通信的概念上，不同的角度对其有不同的表述。总体来说，量子通信是一种新型的通信方式，是量子力学和通信科学的综合产物，它通过对量子纠缠效应的利用来传递信息。量子通信的基本思想主要包括两部分，一为量子密钥分发，二为量子态隐形传输。通过量子密钥分发可以对安全的通信密码加以建立，在一次一次的加密方式下，点对点方式的安全经典通信便得以实现，且这种安全性已经被数学严格证明，是迄今为止经典通信仍然做不到的。百公里量级的量子密钥分发，目前的量子密钥分发技术能够轻松完成的，在光开关等技术辅佐下量子密钥分发技术还可以实现量子密钥分发网络。量子态隐形传输是一种物理载体，能促使量子态（量子信息） 的空间转移的同时又不移动量子态的实现，类似于将从一个信封内将密封信件内容转移到另一个信封内且信息载体自身并不会被移动，这种经典通信中无法想象的事是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量完成的。量子中继器这种以量子态隐形传输技术和量子存储技术为基础的技术可以促使任意远距离量子密钥分发及网络的实现。

量子力学诞生于1926年，是人类对微观世界加以认识的理论基础之一。量子力学和相对论之间的不相容性在1935年被爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证后，约翰・贝尔于1964年提出贝尔理论，，阿斯派克等人于1982年证明了超光速响应的存在。1989年第一次演示成功量子密钥传输，1997年量子态隐形传输的原理性实验验证由奥地利蔡林格小组在室内首次完成，2004年，该小组又将量子态隐形传输距离成功提高到600米。2007年开始我国架设了长达16 公里的自由空间量子信道，于2009年成功实现世界上量子隐形传态的最远距离。

二、量子通信技术的发展趋势

量子通信技术的研究方向除了包括量子隐形传态还包括量子安全直接通信等，突破了现有信息技术，引起了学术界和社会的高度重视。与传统通信技术相比，量子通信除具有超强抗干扰能力外且不需对传统信道进行借助；与此同时量子通信的密码被破译的可能性几乎没有，具有较强的保密性；另外，量子通信几乎不存在线路时延，传输速度很快。量子通信发展仅仅经历了20年左右，但其发展却十分迅猛，目前已经被很多国家和军方给予高度关注。

量子通信在国防和军事上具有广阔的应用前景，作为量子技术的最大特征，量子技术的安全性是传统加密通信所无可企及的。量子通信技术的超强保密性，能够有效保证己方军事密件和军事行动不被敌方破译及侦析，在国防和军事领域显示出无与伦比的魅力。另一方面，在破解复杂的加密算法上，也许现有计算机可能需要好几万年的时间，在现实中是完全无法接受且几乎没有实用价值的。但量子计算机却能在几分钟内将加密算法破解，如果未来这种技术被投入实用，传统的数学密码体制将处于危险之中，而量子通信技术则能能够抵御这种破解和威胁。此外，在民间通信领域量子通信技术的应用前景也同样广阔。中国科技大学在2009年对界上首个5 节点的全通型量子通信网络进行组建后，使得实时语音量子保密通信被首次实现，城市范围的安全量子通信网络在这种“城域量子通信网络”基础上成为了现实。

各国正是瞅准了量子通信技术的无限应用前景，纷纷加大对量子通信技术方面的投入力度。在未来的量子通信技术还应注意一些关键性的问题，如单光子源成本的降低、通信传输距离的加大以及检测概率的增强等，都仍需要进一步的研究。

参考文献

[1]新华.量子通信走进人们日常生活[J].军民两用技术与产品，2011，6（06）：55-57

[2]池灏，章献民，朱华飞，陈抗生.量子密码的原理、应用和研究进展[J].光电子・激光，2010，1（01）：133-134

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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

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多年以前，高科技最牛的美国就已不把电子计算机列为高科技产品了。

但巨高性能计算机仍是信息时代的高科技标志物件之一。2012年诺贝尔物理学奖发给了法国人塞尔日·阿罗什和美国人大卫·维恩兰德，这两位科学家的研究成果为新一代超级量子计算机的诞生提供了可能性。

恶搞一下：法国人浪漫，而简称美国人为美人，那么，浪漫人美人=？

文艺范儿的信息

不往滥俗里想，那么，答案就是很文艺化的表达了。其实，“信息”最初是相当文艺范儿的，而不是20世纪中期才开始热门起来的科技词汇。

一般认为，中文的“信息”一词出自南唐诗人李中《暮春怀故人》：“梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台。”—— “美眉音信消息全无啊，梦里也梦不到你，我独自上楼倚栏，望眼欲穿望到长路尽头也不见你。”这么拙劣地意译，也让人感觉到深深的思念。

其实，在李中之前一百多年，与李商隐齐名的唐朝大诗人杜牧《寄远》里就有“信息”了：“塞外音书无信息，道旁车马起尘埃。”还有比小杜更早的，唐朝诗人崔备的《清溪路中寄诸公》：“别来无信息，可谓井瓶沉。”

宋朝的婉约派大词人柳永、李清照也用过“信息”这个词。因金兵入侵而流离失所的李清照思念当年安乐的故乡，心理上把信息的价格定成了真正的天价：“不乞隋珠与和璧，只乞乡关新信息。”——千年前的唐宋中国，其高科技虽是世界第一，但信息技术还是跟现在没法比的，要靠驿马、鸿雁甚至人步行来传递信息，速度慢而效率低，信息珍贵啊。

在地球的西方呢？虽然香农1948年就划时代地把信息引为数学研究的对象，赋予其新的科学的涵义；至1956年，“人工智能”术语也出现了。可最早讨论数据、信息、知识与智慧之间关系的，却是得过诺贝尔文学奖的大诗人艾略特（T. S. Eliot；钱钟书故意译为“爱利恶德”）。他在1934年的诗歌“The Rock”中写道：

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？

我们迷失于生活中的生命在哪里？

我们迷失于知识中的智慧在哪里？

我们迷失于信息中的知识在哪里？

我们迷失于数据中的信息在哪里？

尽管第四句是好事者后加的，但诗人还是直指本质地提出了信息暴炸时代最困扰人的难题：如何不让我们的生命和智慧都迷失在数据中？

量子计算机和量子信息技术，提供了一种让生命和智慧不要淹没在数据的海洋中的途径、工具和可能。

量子与量子计算机

量子理论是现代物理学的两大基石之一，为从微观理解宏观提供了理论基础。客观世界有物质、能量两种存在形式，物质和能量可以互相转换（见爱因斯坦的质能方程），量子理论就是从研究极度微观领域物质的能量入手而建立起来的。

我们知道，微观世界中有许多不同于宏观世界的现象和规则。经典物理学理论中的能量是连续变化的，可取任意值，但科学家们发现微观世界中的很多物理现象无法解释。1900年12月14日，普朗克在解释“黑体辐射”时提出：像原子是一切物质的构成单元一样，“能量子（量子）”是能量的最小单元，原子吸收或发射能量是一份一份地进行的。这是量子物理理论的诞生。

1905年，爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布罗意提出“物质波”概念，即一切物质粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩阵力学，薛定谔建立了量子波动力学，量子理论进入了量子力学阶段。1928年，狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学转换，对量子力学理论进行了系统的总结，成功地将相对论和量子力学两大理论体系结合起来，使量子理论进入量子场论阶段。

“量子”词源拉丁语quantum，意为“某数量的某事物”。现代物理学中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的基本单位叫做量子；或者说，一个物理量如果有不可连续分割的最小的基本单位，则这个物理量（所有的有形性质）是“可量子化的”，或者说其物理量的数值会是特定的数值而非任意值。例如，在（休息状态）的原子中，电子的能量是可量子化的，这能决定原子的稳定和一般问题。

虽然量子理论与我们日常经验感觉的世界大不一样，但量子力学已经在真实世界应用。激光器工作的原理，实际上就是激发一个特定量子散发能量。现代社会要处理大量数据和信息，需要计算的机器（计算机）。量子力学的突破，使瓦格纳等于1930年发现半导体同时有导体和绝缘体的性质，后来才有了用于电子计算机的同时作为电子信号放大器和转换器的晶体管，再有了集成电路芯片，今天的一个尖端芯片可集聚数十亿个微处理器。

随着计算机科技的发展，发现能耗导致发热而影响芯片集成度，限制了计算速度；能耗源于计算过程中的不可逆操作，但计算机都可找到对应的可逆计算机且不影响运算能力。既然都能改为可逆操作，在量子力学中则可用一个幺正变换来表示。1969年，威斯纳提出“基于量子力学的计算设备”，豪勒夫等于1970年代论述了“基于量子力学的信息处理”。1980年代量子计算机的理论变得很热闹。费曼发现模拟量子现象时，数据量大至无法用电子计算机计算，在1982年提出用量子系统实现通用计算以减少运算时间；杜斯于1985年提出量子图灵机模型。1994年，数学家彼得·秀尔提出量子质因子分解算法，因其可破解现行银行和网络应用中的加密，许多人开始研究实际的量子计算机。

在物理上，传统的电子计算机可以被描述为对输入信号串行按一定算法进行变换的机器，其算法由机器内部半导体集成逻辑电路来实现，其输入态和输出态都是传统信号（输入态和输出态都是某一力学量的本征态），存储数据的每个单元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个。而量子计算机靠控制原子或小分子的状态，用量子算法运算数据，输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交，其中的变换为所有可能的幺正变换；因为量子态有叠加性（重叠）和相干性（牵连、纠缠）两个本质特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或两个“0”或两个“1”，即可同时存储4个二进制数（00、01、10、11），实现量子并行计算（量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种传统计算，所有传统计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加，给出量子计算机的输出结果），从而呈指数级地提高了运算能力——一台未来的量子计算机3分钟就能搞定当今世界上所有电子计算机合起来100万年才能处理完的数据。用量子力学语言说，传统计算机是没有用到量子力学中重叠和牵连特性的一种特殊的量子计算机。从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储2的250次方个二进制数，比人类已知宇宙中的全部原子数还多。而且，集成芯片制造业很快将步入16纳米的工艺，而量子效应将严重影响芯片的设计和生产，又因传统技术的物理局限性，硅芯片已到尽头，突破的希望在于量子计算。

量子世界的死猫活猫与粒子控制

喜好科技的文艺青年可能看过美剧《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定谔猫”：一只被关在黑箱里的猫，箱里有毒药瓶，瓶上有锤子，锤子由电子开关控制，电子开关由一个独立的放射性原子控制；若原子核衰变放出粒子触动开关，锤落砸瓶放毒，则猫死。薛定谔构想的这个实验，被引为解释量子世界的经典。而量子理论认为，单个原子的状态其实不是非此即彼，或说箱里的原子既衰变又没有衰变，表现为一种概率；对应到猫，则是既死又活。若我们不揭开盖子观察，永远也不知道猫的死活，它永远处于非死非活的叠加态。

宏观态的确定性，其实是亿万微观粒子、无数种概率的宏观统计结果。微观粒子通常表现为两种截然不同的状态纠缠一起，一旦用宏观方法观察这种量子态，只要稍一揭开箱盖，叠加态立即就塌缩了（扰破坏掉），薛定谔猫就突然由量子的又死又活叠加态变成宏观的确定态。用实验研究量子，首先要捕获单个的量子。即若不分离出单个粒子，则粒子神秘的量子性质便会消失。科学家们长期以来头疼的是，未找到既不破坏量子态，又能实际观测它的实验方法，他们只能在头脑中进行思想实验，而无法实际验证其预言。

而阿罗什和维恩兰德的研究，发明了在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行观测和操控的方法，则可实证地说出薛定谔猫究竟是死猫还是活猫，而且为研制超级量子计算机带来了更大可能，因为量子计算机中最基础的部分——得到1个量子比特已获成功。

光子和原子是量子世界中的两种基本粒子，光子形成可见光或其他电磁波，原子构成物质。他们研究光与物质间的基本相互作用，方法大同小异：维因兰德利用光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者离子。他平行放置两面极精巧的镜子，镜间是真空空腔，温度接近绝对零度（约-273℃）。一个光子进入空腔后，在两镜面间不断反射。阿罗什则通过发射原子穿过阱，控制并测量了捕获的光子或粒子。他用一系列电极营造出一个电场囚笼，粒子像是被装进碗里的玻璃球；然后用激光冷却粒子，最终有一个最冷的粒子停在了碗底。阿罗什在捕获单个光子后，引入了特殊的里德伯原子，作为观测工具，从而得到光子的数据。维因兰德向碗中发射激光，通过观测光谱线而得到碗底粒子的数据。

2007年以来，加拿大、美国、德国和中国的科学家都说自己研制出了某种级别的量子计算机，但到今天却仍无一个投入实用。光钟更接近现实，因为可操控单个量子，就能按意愿调控量子的振荡（相当于钟摆）频率，越高越精；目前实验的光钟，若从宇宙产生起开始计时，至今只误差5秒。光钟可使卫星定位和计算太空船的位置更精确……

神话般的量子信息技术

科幻作家克莱顿（著有《侏罗纪公园》、《失去的世界》等）在科幻小说《时间线》中，曾文艺化地描述量子计算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫虫洞”、“量子运输”、“量子纠缠态”、“电子的32个量子态”等让常人倍感高深的说法。其中一些如今正在证实或变现。

如果清朝政府的通信密码不被日本破译，那么李鸿章后去日本谈判时就很可能是另外一种结局，今天也不会有的问题了。目前世界的密码系统大都采用单项数学函数的方式，应用了因数分解等数学原理，例如目前网络上常用的密码算法。秀尔提出的量子算法利用量子计算的并行性，能轻松破解以大数因式分解算法为根基的密码体系。量子算法中，量子搜寻算法等也能分分钟攻破现有密码体系。可说量子这种技术在现代军事上的意义不亚于核弹。但同时，量子信息技术也将发展出一种理论上永远无法破译的密码——量子密码。

保密通信分为加密、接收、解密三个过程，密钥的保密和不被破解至为关键。量子密码采用量子态作为密钥，是不可复制的，至少在理论上是无破译的可能。量子通信是用量子态的微观粒子携带的量子信息作为加密和解密用的密钥，其密钥安全性不再由数学计算，而是由微观粒子所遵循的物理规律来保证，窃密者只有突破物理法则才有可能盗取密钥（根据海森堡的测不准原理，任何测量都无法穷尽量子的所有信息）。而且量子通信中，量子纠缠态（有共同来源的两个粒子存在着纠缠关系，似有“心灵感应”，无论距离多远，一个粒子的状态发生变化，另一个粒子也发生变化，速度远远超过光速，一旦受扰即不再纠缠。爱因斯坦称这种发生机理至今未解的量子纠缠为“幽灵般的超距作用”）被用于传输和保证信息安全，使任何窃密行为都会扰乱传送密钥的量子状态，从而留下痕迹。