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量子力學與量子糾纏的關系范文第1篇

關鍵詞 量子物理；現(xiàn)代信息技術；關系；原理應用

中圖分類號：O41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人們認識微觀世界結構和運動規(guī)律的科學，它的建立帶來了一系列重大的技術應用，使社會生產(chǎn)和生活發(fā)生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發(fā)揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術已成為當前各國研究與發(fā)展的重要科學技術領域。

隨著世界電子信息技術的迅猛發(fā)展，以微電子技術為基礎的信息技術即將達到物理極限，同時信息安全、隱私問題等越來越突出。2013年5月美國“棱鏡門”事件的爆發(fā)，引發(fā)了對保護信息安全的高度重視，將成為推動量子物理科學與現(xiàn)代信息技術的交融和相互促進發(fā)展的契機。因此，充分認識量子物理學的基本原理在現(xiàn)代信息技術中發(fā)展的基礎地位與作用，是促進現(xiàn)代信息技術發(fā)展的前提，也是豐富和發(fā)展量子物理學的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡測不準原理。在量子力學中，任何兩組不可同時測量的物理量是共扼的，滿足互補性。在進行測量時，對其中一組量的精確測量必然導致另一組量的完全不確定，只能精確測定兩者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力學中，不能實現(xiàn)對各未知量子態(tài)的精確復制，因為要復制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態(tài)，無法獲得與初始量子態(tài)完全相同的復制態(tài)。

3）態(tài)疊加原理。若量子力學系統(tǒng)可能處于和描述的態(tài)中，那么態(tài)中的線性疊加態(tài)也是系統(tǒng)的一個可能態(tài)。如果一個量子事件能夠用兩個或更多可分離的方式來實現(xiàn)，那么系統(tǒng)的態(tài)就是每一可能方式的同時迭加。

4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子狀態(tài)隨即發(fā)生相應變化。換言之，存在糾纏關系的粒子無論何時何地，都能“感應”對方狀態(tài)的變化。

2 量子物理與現(xiàn)代信息技術的關系

2.1 量子物理是現(xiàn)代信息技術的基礎與先導

物理學一直是整個科學技術領域中的帶頭學科并成為整個自然科學的基礎，成為推動整個科學技術發(fā)展的最主要的動力和源泉。量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，它不僅解釋了微觀世界里的許多現(xiàn)象、經(jīng)驗事實，而且還開拓了一系列新的技術領域，直接導致了原子能、半導體、超導、激光、計算機、光通訊等一系列高新技術產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展?？梢哉f，從電話的發(fā)明到互聯(lián)網(wǎng)絡的實時通信，從晶體管的發(fā)明到高速計算機技術的成熟，量子物理開辟了一種全新的信息技術，使人類進人信息化的新時代，因此，量子物理學是現(xiàn)代信息技術發(fā)展的主要源泉，而且隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，量子物理學的先導和基礎作用將更加顯著和重要。

2.2 量子物理為現(xiàn)代信息技術的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法

現(xiàn)代信息技術本質(zhì)上是應用了量子力學基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術，隨著世界科學技術的迅猛發(fā)展，以經(jīng)典物理學為基礎的信息技術即將達到物理極限。因此，現(xiàn)代信息技術的突破，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學作為原子層次的動力學理論，經(jīng)過飛速發(fā)展，已向其他自然科學的各學科領域以及高新技術全面地延伸，量子信息技術就是量子物理學與信息科學相結合產(chǎn)生的新興學科，它為信息科學技術的持續(xù)發(fā)展提供了新的原理和方法，使信息技術獲得了活力與新特性，量子信息技術也成為當今世界各國研究發(fā)展的熱點領域。因此，未來的信息技術將是應用到諸如量子態(tài)、相位、強關聯(lián)等深層次量子特性的量子調(diào)控技術，充分利用量子物理的新性質(zhì)開發(fā)新的信息功能，突破現(xiàn)代信息技術的物理極限。

2.3 現(xiàn)代信息技術對量子物理學發(fā)展的影響

量子信息技術應用量子力學原理和方法來研究信息科學，從而開發(fā)出現(xiàn)經(jīng)典信息無法做到的新信息功能，反過來，現(xiàn)代信息技術的發(fā)展大大地豐富了量子物理學的研究內(nèi)容，也將不斷地影響量子物理學的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發(fā)展階段，使人類對自然界的認識更深刻、更本質(zhì)。近年來，隨著量子信息技術領域研究的不斷深入，量子信息技術的發(fā)展也使量子物理學研究取得了不少成果，如量子關聯(lián)、基于熵的不確定關系、量子開放系統(tǒng)環(huán)境的控制等問題研究取得了巨大進展。

3 基于量子物理學原理的量子信息技術

基于量子物理原理和方法的量子信息技術成為21世紀信息技術發(fā)展的方向，也是引領未來科技發(fā)展的重要領域。當前量子物理學的基本原理已經(jīng)在量子密碼術、量子通信、量子計算機等方面得到充分的理論論證和一定的實踐應用。

3.1 量子計算機——量子疊加原理

經(jīng)典計算機建立在經(jīng)典物理學基礎上，遵循普通物理學電學原理的邏輯計算方式，即用電位高低表示0和1以進行運算，因此，經(jīng)典計算機只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數(shù)據(jù)處理量來提高運算速度。而量子計算遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息。計算方式是建立在微觀量子物理學關于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎上，量子算法的中心思想是利用量子態(tài)的疊加態(tài)與糾纏態(tài)。在量子效應的作用下，量子比特可以同時處于0和1兩種相反的狀態(tài)（量子疊加），這使量子計算機可以同時進行大量運算，因此，量子計算的并行處理，使量子計算機實現(xiàn)了最快的計算速度。未來，基于量子物理原理的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小。

3.2 量子通信——量子糾纏原理

量子通信是一種利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。從信息學上理解，量子通信是利用量子力學的量子態(tài)隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統(tǒng)特有屬性及量子測量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學上講，量子通信是采用量子通道來傳送量子信息，利用量子效應實現(xiàn)的高性能通信方式，突破現(xiàn)代通信物理極限。量子力學中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態(tài)，實現(xiàn)遠距離信息轉(zhuǎn)輸。所以，與現(xiàn)代通信技術相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸?shù)忍攸c，量子通信創(chuàng)建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密碼——不可克隆定理

經(jīng)典密碼是以數(shù)學為基礎，通過經(jīng)典信號實現(xiàn)，在密鑰傳送過程中有可能被竊聽且不被覺察，故經(jīng)典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現(xiàn)代密碼學和量子力學為基礎，利用量子物理學方法實現(xiàn)密碼思想和操作的新型密碼體制，通過量子信號實現(xiàn)。量子密碼主要基于量子物理中的測不準原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協(xié)議在通信雙方之間建立對稱密鑰，再使用建立起來的密鑰對明文進行加密，通過公開的量子信道，完成安全密鑰分發(fā)。因此量子密碼技術能夠保證：

1）絕對的安全性。對輸運光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關系，通訊會被中斷，且合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應的措施。

2）不可檢測性。無論破譯者有多么強大的計算能力，都會在對量子的測量過程中改變量子的狀態(tài)而使得破譯者只能得到一些毫無意義的數(shù)據(jù)。因此，量子不可克隆定理既是量子密碼安全性的依靠，也給量子信息的提取設置了不可逾越的界限，即無條件安全性和對竊聽者的可檢測性成為量子密碼的兩個基本特征。

4 結論

量子物理是現(xiàn)代信息技術誕生的基礎，是現(xiàn)代信息技術突破物理極限，實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的動力與源泉?；诹孔游锢韺W的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測不準原理和不可克隆定理等，使得量子計算機具有巨大的并行計算能力，提供功能更強的新型運算模式；量子通信可以突破現(xiàn)代信息技術的物理極限，開拓出新的信息功能；量子密碼絕對的安全性和不可檢測性，實現(xiàn)了絕對的保密通信。隨著量子物理學理論在信息技術中的深入應用，量子信息技術將開拓出后莫爾時代的新一代的信息技術。

參考文獻

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[5]周正威，陳巍，孫方穩(wěn)，項國勇，李傳鋒.量子信息技術縱覽[J].中國科學，2012（17）.

[6]郭光燦.量子信息技術[J].中國科學院院刊，2002（5）.

[7]朱煥東、黃春暉.量子密碼技術及其應用[J].國外電子測量技術，2006（12）.

量子力學與量子糾纏的關系范文第2篇

關鍵詞：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能計算

【分類號】：TM743

1.概述

量子計算是計算機科學與量子力學相結合的產(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

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)，得到相關函數(shù)的疊加態(tài)；最后進行量子傅里葉變換得最后結果。構造如下函數(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 滿足關系式 ?！?】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 ?！?2】

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。將結果進行阿達馬門（Hadamard門）變換。

（3）結果進行 運算。

（4）結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域，研究表明，二者的結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)成為目前學術研究領域的熱點，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

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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

10.解光軍，范海秋，操禮程.一種量子神經(jīng)計算網(wǎng)絡模型

量子力學與量子糾纏的關系范文第3篇

[關鍵詞]網(wǎng)絡支付信息安全量子計算量子密碼

目前電子商務日益普及,電子貨幣、電子支票、信用卡等綜合網(wǎng)絡支付手段已經(jīng)得到普遍使用。在網(wǎng)絡支付中,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,也可代表二者的結合,或是0和1之間的一種狀態(tài)。根據(jù)量子力學的基本原理,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。

二、量子密碼技術的原理

從數(shù)學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年代以來科學家開始了量子密碼的研究。因為采用量子密碼技術加密的數(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。

以往密碼學的理論基礎是數(shù)學，而量子密碼學的理論基礎是量子力學，利用物理學原理來保護信息。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。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)的情況下復制單個量子是不可能的,因為要復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也將一籌莫展。

三、量子密碼技術在網(wǎng)絡支付中的發(fā)展與應用

由于量子密碼技術具有極好的市場前景和科學價值，故成為近年來國際學術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。在一些前沿領域量子密碼技術非常被看好，許多針對性的應用實驗正在進行。例如美國的BBN多種技術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”的設施，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。應用在電子商務中，這種設施就可以確保在進行網(wǎng)絡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)絡由我國科學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，標志著量子保密通信技術從點對點方式向網(wǎng)絡化邁出了關鍵一步。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投入使用，為金融機構和政府機關提供服務。

隨著量子密碼技術的發(fā)展，在不久的將來它將在網(wǎng)絡支付的信息保護方面得到廣泛應用，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將在確保電子支付安全中發(fā)揮至關重要的作用。

參考文獻:

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

量子力學與量子糾纏的關系范文第4篇

實時模擬整個宇宙的歷史進程

量子計算機的基本想法是在上個世紀80年代由美國著名的物理學家費曼提出的。這是一種新的算法。使用任何器械進行計算，我們都需要算法。簡單地說，算法就是在器械的物理狀態(tài)與數(shù)學結構之間建立對應關系，從而使這些物理狀態(tài)的變化實現(xiàn)數(shù)學計算。量子計算機所用的算法與傳統(tǒng)計算機完全不同。對于數(shù)學計算來說，IBM公司去年的每秒鐘運行千萬億次的Sequola超級計算機與中國古人用的算盤之間的差別僅僅是速度上的，它們都是用確定的物理狀態(tài)來代表確定的數(shù)學量。亞原子尺度下粒子行為是不確定的，但遵守一些基本的量子力學規(guī)則，科學家把這些粒子所處的不確定狀態(tài)稱為量子狀態(tài)。量子計算機的理念就是，利用量子狀態(tài)來表示數(shù)學量。這個理念有意思的地方是，它使用本身是不確定的物理狀態(tài)來表示確定的數(shù)。

傳統(tǒng)計算機以開關作為模型來表示信息。一個開關具有通和斷兩個狀態(tài)，分別用“1”和“0”來表示，這就構成了一個信息單元“比特(bit)”。量子計算的信息單元“量子比特(qubit)”遠不止兩個狀態(tài)，多出的狀態(tài)被科學家稱為“迭加態(tài)”。量子力學與經(jīng)典物理學的差別就體現(xiàn)在：傳統(tǒng)物理學只允許粒子在任意瞬間只有一個狀態(tài)，而量子力學則允許粒子同時具有不同的狀態(tài)，即迭加態(tài)。在量子力學看來，一個粒子在同一時間可以即在這里，又在那里。這使量子計算在效率上要遠遠高于傳統(tǒng)計算。

傳統(tǒng)計算機即使看起來可以同時進行不同的計算任務，例如你可以用自己的PC機一邊聽歌一邊寫作。事實上，計算機的中央處理器(CPU)一次只能處理一次計算，只不過處理器在播放歌曲與記錄你在鍵盤上輸入的字符這兩個任務間切換，切換速度快得你完全感覺不到而已。與此不同，量子計算則具有真正的并行處理機制。

量子比特由一組原子實現(xiàn)，量子比特的迭加使量子計算機具有內(nèi)在并行性。物理學家DavidDeutsch指出，這種并行性使量子計算機能夠同時進行一百萬條計算。一臺30個量子比特的量子計算機將會具有230(=109)個并行狀態(tài)，也就是說，在理論上可以同時進行230次計算。而一臺300量子比特的量子計算機所具有的并行狀態(tài)量，就已經(jīng)超出了可以看到的宇宙總的原子數(shù)目?？梢栽O想造出這樣一臺量子計算機，它能夠?qū)崟r模擬整個可見宇宙的歷史進程，這種模擬會落實到原子的層次!

幫助人類“借體還魂”

為了理解量子計算機可能帶來的后果，我們需要重新理解“計算”這個概念。在上世紀40年代電子管的計算機發(fā)明之時，“計算”意味著加減乘除，高級_點的就是解微分方程。那時的計算機首先用來解決制造原子彈時遇到的計算問題。當時有科學家說，只要兩三臺那樣的計算機，就能滿足全美國的計算量。而現(xiàn)在我們知道，這個計算量連我們現(xiàn)在辦公用的一臺普通臺式機(就不用說酷睿雙核處理器了)的百分之一都不到。技術改變了概念。目前實現(xiàn)于臺式機上的計算概念把多媒體考慮在內(nèi)，這就是用數(shù)字來模擬音像信號。這是一種模擬計算的概念，我們在電腦游戲中看到的就是這種模擬。目前最高端的模擬計算用在像天氣預報以及模擬核試驗這樣需要大量參數(shù)的場合。

對計算提出更高要求的是實時計算，這就是不僅要模擬實實在在發(fā)生的過程，而且要與這種過程同步。就模擬計算而言，我們既可以花一百年時間計算出一噸高爆炸藥在地下一公里爆炸對地殼產(chǎn)生的影響。也可以在爆炸的瞬間給出計算結果，就好像爆炸實實在在發(fā)生一樣。后者就是實時計算。

量子力學與量子糾纏的關系范文第5篇

“中國高等學校十大科技進展”評選活動是教育部科學技術委員會于1998年開始創(chuàng)辦的，每年組織評選一次，至今已評選12屆，共有45所高校120個項目入選。獲獎最多的單位是北京大學和清華大學。如今，“中國高等學校十大科技進展”已成為高?？萍冀绲钠放?，得到了廣大專家學者的高度認可。

現(xiàn)將2009年度的10個入選項目介紹如下：

1　數(shù)字視頻編解碼技術研究與國家標準制定

數(shù)字音視頻領域基礎性國家標準《信息技術先進音視頻編碼》(簡稱AVS)十個部分2009年制訂完成，每年能節(jié)省上百億專利費，對我國音視頻產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“由大變強”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型意義重大。

歷經(jīng)八年實踐，AVS探索出了“技術、專利、標準、產(chǎn)品，應用”“相互促進的”“大團隊、大循環(huán)”創(chuàng)新模式。北京大學、清華大學、浙江大學，武漢大學，華中科技大學、中國科學技術大學等高校和中國科學院計算技術研究所等科研機構與華為等通力合作，提出了50多項自主專利技術，制定出的標準復雜度低，方案簡潔而性能與國外同類標準相當。2009年4月，歐洲信號處理學會《視頻通信學報》出版了AVS專輯，10月，國際電信聯(lián)盟(1TU)正式將AVS列為網(wǎng)絡電視支持的視頻標準之一。

AVS已成為國際范圍該領域三大主流標準之一。我國以及美、歐、日，韓等國的十多家企業(yè)開發(fā)的AVS編解碼芯片進入市場，上海、杭州、陜西、河北、新疆、青島、無錫等地已經(jīng)采用AVS開展數(shù)字電視播出，采用AVS的中國藍光高清晰度光盤機已經(jīng)批量上市，北京大學有線網(wǎng)對60周年國慶盛典進行了高清轉(zhuǎn)播。在國家相關部門的支持下，AVS正在通過數(shù)字電視等視聽產(chǎn)品迅速進入千家萬戶，成為支撐自主數(shù)字視聽產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要力量。

2　抗病毒感染新型免疫分子機制的研究

我國是一個病毒性疾病高發(fā)的大國，乙肝病毒感染患者估計有1.2億，SARS也曾于2002年在我國流行，HIV以及流感病毒爆發(fā)也時刻威脅著國民的健康。I型干擾素(IFNα/β)是治療病毒性感染的重要分子，研究I型干擾素產(chǎn)生的分子機制將為尋求新的藥物靶標和抗病毒藥物提供指導。

該項目立足于1998年自主發(fā)現(xiàn)的一種新型免疫分子Nrdp1，研究了其在天然免疫中的作用和分子機制，利用動物模型(轉(zhuǎn)基因小鼠)，細胞模型(巨噬細胞)和分子技術手段(基因克隆表達、相互作用分子、蛋白活性分析等)系統(tǒng)，深入，立體地進行了研究，首次發(fā)現(xiàn)Nrdpl抑制細菌感染引起的炎癥因子分泌和肝損傷，促進IFNβ的產(chǎn)生和抑制病毒感染，提示Nrdp1在抗炎和抗病毒感染方面均具有極大的應用前景。

該項目還分析了DNA病毒識別和清除的免疫機制的研究現(xiàn)狀并提出了新的發(fā)展方向。該項目提出Nrdp1可能是一種新的抗感染治療的藥物靶標，而且病毒的識別和清除存在新的機制。相關研究結果分別于2009年7月以論文形式和2009年10月以述評形式發(fā)表于Nature/rnmuno/ogy雜志。目前針對Nrdpl的抗細菌感染和抗病毒感染活性新申請國家發(fā)明專利兩項。Nature China為Nrdp1的研究發(fā)表了專題述評，認為該研究是當月自然科學的亮點之一，并且受到了國內(nèi)外免疫學界的關注和好評。

3　天河一號高性能計算機系統(tǒng)

“天河一號”高性能計算機系統(tǒng)是國防科學技術大學于2009年9月自主研制成功的我國首臺千萬億次高性能計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)了我國自主研制高性能計算機能力從百萬億次到千萬億次的跨越，使我國成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次高性能計算機的國家。

“天河一號”是國際上首臺采用GPU和CPU異購并行體系結構的64位千萬億次高性能計算機系統(tǒng)，全系統(tǒng)包含6144個通用處理器和5120個加速處理器，內(nèi)存總?cè)萘?8TB，點點通信帶寬40Gbps，共享磁盤總?cè)萘繛?PB。系統(tǒng)峰值性能每秒1206萬億次雙精度浮點運算，LNPACK實測性能563.1萬億次，居2009年度中國超級計算機前100強之首，對2009年11月17日國際TOP500組織公布的第34屆世界超級計算機前500強第五、亞洲第一，對2009年11月20日國際Green500組織公布的世界最節(jié)能的超級計算機前500強第八。

“天河一號”高性能計算機系統(tǒng)作為國家超級計算天津中心的業(yè)務主機和中國國家網(wǎng)格主結點，面向國內(nèi)外提供超級計算服務，將廣泛應用于石油勘探數(shù)據(jù)處理、生物醫(yī)藥研究、航空航天裝備研制，資源勘測和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理、金融工程數(shù)據(jù)分析、氣象預報、氣候預測、海洋環(huán)境數(shù)值模擬，短臨時地震預報，新材料開發(fā)和設計、土木工程設計、基礎科學理論計算等眾多領域。

“天河一號”的研制成功，是我國高性能計算機技術發(fā)展的又一重大突破，是在國家“863”計劃支持下，國防科學技術大學與天津市濱海新區(qū)密切合作，貫徹軍民結合、寓軍于民方針的成功實踐，對促進國家科技發(fā)展和國防現(xiàn)代化具有重要意義。

4　禽流感病毒聚合酶關鍵亞基的結構與機制研究

近年來，由H5N1，H1N1等不同亞型流感病毒引起的疫情，對全球的人類健康造成了嚴重的威脅，帶來了嚴重的經(jīng)濟損失。流感病毒聚合酶由PA、PBl和PB2三個蛋白質(zhì)組成，是負責病毒基因組轉(zhuǎn)錄和復制的核心，一旦伴隨著病毒侵入正常細胞，就開始利用正常細胞內(nèi)的原料進行病毒基因組的復制。其中，高度保守的PA亞基由于參與到聚合酶的形成和基因組復制等核心的生命過程，因此成為認識聚合酶作用機制、開發(fā)廣譜抗流感藥物的重要靶點蛋白質(zhì)。

饒子和教授研究組與中科院生物物理研究所劉迎芳教授研究組合作，2008年成功解析了PA C端結構域與PB1 N端多肽的復合物結構，揭示了流感病毒聚合酶的組裝模式[Nature 2008 Aug 28；454(7208)：1123-6]。在此基礎上，2009年又成功解析了PA N端結構域獨立的晶體結構，首次提示了該蛋白典型的核酸酶結構特征，了原來公認的PB1行使核酸酶活性的觀點，證實了核酸酶活性對于流感病毒復制的關鍵作用[Nature 2009 Apr 16；458(7240)：909-13]；通過進一步解析PAN與底物/抑制劑復合物的晶體結構，闡釋了PA蛋白發(fā)揮功能的分子機制，發(fā)現(xiàn)了一系列對PA蛋白有良好抑制效果的抑制劑，為設計和開發(fā)針對流感病毒聚合酶的高效藥物提供了重要信息，同時還應邀在Influenza；Molecular Virology一書中發(fā)表了相關綜述。

5　微波通信用高溫超導接收前端

高溫超導濾波器具有常規(guī)濾波器無可比擬的近于理想

的濾波性能，可廣泛應用于移動通信、軍事通信、衛(wèi)星通信等領域，大幅度提高靈敏度和抗干擾能力，市場前景巨大。但在該項目實施前，受到國外技術封鎖，許多關鍵技術有待攻克，在我國沒有獲得實際應用。

清華大學物理系曹必松教授帶領的團隊經(jīng)過十多年研究，發(fā)明了高性能高溫超導濾波器、零下200度工作的低噪聲放大器的設計制備技術和超導一金屬接觸電極制備工藝，研制成功了第一臺適合于我國CDMA移動通信用的超導前端，在北京建成了我國首個高溫超導移動通信應用示范基地并成功地連續(xù)運行超過三年，每天為十多萬居民提供優(yōu)質(zhì)服務，使手機發(fā)射功率下降一半以上，大幅提高了基站的覆蓋范圍和通信質(zhì)量，實現(xiàn)了高溫超導在中國通信領域的首次應用和批量長期應用，使我國繼美國之后，成為世界上第二個成功地將高溫超導技術應用于移動通信的國家。

該項目關鍵技術指標處于國際先進水平。獲得授權中國發(fā)明專利9項，授權美國發(fā)明專利1項，獲2009年國家技術發(fā)明獎二等獎，2008年教育部技術發(fā)明一等獎，2007年信息產(chǎn)業(yè)部信息產(chǎn)業(yè)重大技術發(fā)明(十項之一)。該技術已與十多家用戶簽訂了合同、協(xié)議，研制、生產(chǎn)超導前端并實現(xiàn)其在多種通信設備中的應用。

6　成年哺乳動物雌性生殖干細胞的發(fā)現(xiàn)及其生物學特性研究

上世紀20年代以來，科學家們一直認定：女性和絕大多數(shù)雌性哺乳動物卵母細胞的產(chǎn)生僅發(fā)生在胎兒期。出生后卵母細胞數(shù)目不再增加，只會不斷減少，即出生后雌性哺乳動物卵巢內(nèi)，沒有生殖干細胞存在。上海交通大學生命學院吳際教授團隊經(jīng)不懈探究首次發(fā)現(xiàn)和分離出生后小鼠(包括成年小鼠)卵巢中雌性生殖干細胞，經(jīng)摸索培養(yǎng)條件得到能長期自我更新的生殖干細胞株并鑒定和研究其生物學特性。然后將此細胞移植于不孕小鼠體內(nèi)，證實能產(chǎn)生新的卵母細胞，與雄性后生出正常后代。這一發(fā)現(xiàn)改變了80多年生殖與發(fā)育的傳統(tǒng)觀點，開辟出一個嶄新研究領域。該成果2009年5月發(fā)表在Nature Cell Biology上。受到國際學術界廣泛關注，Science、Nature，NatureMedicine和眾多雜志刊發(fā)評論文章，Nature China鏘這一成果列入最新研究亮點，世界各媒體(路透社、《紐約時報》、《華盛頓郵報》。ABC News、The Tiknes等)紛紛報道。該成果能為動物生物技術和人類提供卯母細胞新來源，建立性細胞途徑轉(zhuǎn)基因動物和開發(fā)優(yōu)良動物品種，對治療卵巢功能早衰、不育癥等雌性生殖細胞發(fā)生障礙性疾病，再生醫(yī)學及抗衰老，避孕藥開發(fā)，人口調(diào)控，瀕危動物保存等都具有重要意義。

7　世界最早的帶羽毛恐龍的發(fā)現(xiàn)

鳥類最早何時出現(xiàn)問題一直是鳥類起源研究最薄弱的環(huán)節(jié)之一，鳥類是否由恐龍起源也長期存在爭論。沈陽師范大學古生物研究所課題組2009年10月1日在英國《自然》雜志報道了產(chǎn)自遼寧省西部建昌地區(qū)距今約1.6億年的侏羅紀帶羽毛恐龍――“赫氏近鳥龍”的新發(fā)現(xiàn)，其時代早于德國“始祖鳥”數(shù)百萬年至1000萬年。該化石屬于獸腳類恐龍中的傷齒龍類，全身廣泛被羽毛覆蓋，特別是其腳部長有較長的正羽毛，證實了在恐龍向鳥類的演化過程中內(nèi)部骨骼與體表衍生物之間的復雜配置關系，代表了目前世界上最早的長有羽毛的物種和最早的帶毛恐龍。該成果首次揭示了世界最早的帶毛恐龍早于“始祖鳥”已存在，首次提出了獸腳類恐龍分異的時間框架假說，解決了有關鳥類起源的“時間倒置論”等問題，為鳥類起源于恐龍?zhí)峁┝诵碌囊罁?jù)，并支持恐龍演化過程中曾存在“四翼”階段的假說。該項成果代表了鳥類起源研究一個新的、國際性的重大突破，有力地推動了鳥類起源研究和恐龍演化研究，為全球鳥類起源研究做出了重大貢獻，是2009年國際古生物學領域最重大的科學發(fā)現(xiàn)之一。

8　電力大系統(tǒng)安全域預警監(jiān)控理論及其工程應用

電力系統(tǒng)作為國家的重要基礎設施，保證其安全穩(wěn)定運行意義重大，而發(fā)展先進的安全預警與監(jiān)控技術是實現(xiàn)這一目標的關鍵。該項目旨在發(fā)展基于安全域理論的電力系統(tǒng)安全性綜合預警與監(jiān)控理論，方法與技術，并與已有理論和方法互為補充，構建科學的在線綜合預警與監(jiān)控系統(tǒng)，保障電力系統(tǒng)安全，穩(wěn)定和高效運行。

該項目在理論研究方面，系統(tǒng)地發(fā)展了電力系統(tǒng)綜合安全域理論，證明了綜合安全域的一些重要微分拓撲學和非線性動力學性質(zhì)，為其實用化提供堅實的理論保障；在技術研發(fā)方面，發(fā)明了安全域邊界的快速求解、預想事故快速掃描和概率安全評估等多種實用技術，極大地提高了安全域的計算速度和在線安全監(jiān)控的運算效率。該項目發(fā)展了高維安全域智能化降維方法以及多種安全域可視化展示技術；基于安全域理論研制了集在線安全分析、概率安全評估，控制方案優(yōu)化、安全性信息可視化展示為一體的電力系統(tǒng)安全性預警與監(jiān)控系統(tǒng)，提高了復雜電網(wǎng)的安全性運行水平，對防范大停電事故有積極作用。該成果已成功應用于國家電網(wǎng)公司調(diào)度中心等部門，社會效益顯著。出版專著2部，申請發(fā)明專利19項，獲軟件著作權4項。

9　基于自旋的量子調(diào)控實驗研究

將量子力學和計算機科學結合并實現(xiàn)量子計算是人類的一大夢想，而實現(xiàn)這一夢想的關鍵挑戰(zhàn)之一就是量子調(diào)控的研究。中國科學技術大學微尺度物質(zhì)科學國家實驗室(籌)的杜江峰研究小組在基于自旋的量子調(diào)控實驗研究方面通過采用磁共振技術對核自旋、電子自旋進行精密量子調(diào)控，在退相干研究、量子模擬和量子計算等研究方向取得了重要的創(chuàng)新性成果，推動了實用性量子計算機的研究。

量子系統(tǒng)不可避免的信息流失嚴重制約著量子計算的研究進程。杜江峰與其同事的研究[Nature 461.1265(2009)]表明，通過精巧的脈沖控制，可以使固態(tài)體系中環(huán)境對電子量子比特的不利影響被降到最小，大大減少量子體系中量子信息的流失，并成功厘清各種退相干機制在此類固體體系中的影響。同期發(fā)表的專文評述指出：“他們所使用的量子相干調(diào)控技術被證明是一種可以幫助人們理解并且有效對抗量子信息流失的一個重要資源……從而朝實現(xiàn)量子計算邁出重要的一步?！?/p>

與此同時，他們實驗上第一次觀測了一個復雜量子體系(同時包含二體和三體相互作用)基態(tài)的糾纏量子相變過程，采用量子糾纏見證的手段探測了由于三體相互作用導致的一類新的量子相變[Physical Review Lettersl D3，140501(2009)]，該成果被認為是對量子模擬實驗研究的重要貢獻。

10　雙功能單分子器件的設計與實現(xiàn)

中國科學技術大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室單分子物理化學研究團隊，利用低溫超高真空掃描隧道顯微鏡，巧妙地對三聚氰胺小分子進行了單分子手術，將其從普通化工原料轉(zhuǎn)變?yōu)榧扔卸O管效應又有機械開關效應的雙功能單分子器件，為單分子器件的多功能化開辟了新的思路。這一成果發(fā)表在2009年9月8日的美國《國家科學院院刊》上。