量子計算的運(yùn)用精選(九篇)

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第1篇：量子計算的運(yùn)用范文

光子芯片和量子芯片是兩個維度的概念，沒有強(qiáng)弱之分。光子芯片運(yùn)用的是半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，驅(qū)動其他的硅光子器件；量子芯片就是將量子線路集成在基片上，進(jìn)而承載量子信息處理的功能。

光子芯片可以將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中，當(dāng)給磷化銦施加電壓的時候，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅(qū)動其他的硅光子器件。這種基于硅片的激光技術(shù)可使光子學(xué)更廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)中，因為采用大規(guī)模硅基制造技術(shù)能夠大幅度降低成本。

量子芯片的出現(xiàn)得益于量子計算機(jī)的發(fā)展。要想實現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)升級，量子計算機(jī)需要走集成化的道路。超導(dǎo)系統(tǒng)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)、微納光子學(xué)系統(tǒng)、甚至是原子和離子系統(tǒng)，都想走芯片化的道路。從發(fā)展看，超導(dǎo)量子芯片系統(tǒng)從技術(shù)上走在了其它物理系統(tǒng)的前面；傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)也是人們努力探索的目標(biāo)，因為畢竟傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展已經(jīng)很成熟，如半導(dǎo)體量子芯片在退相干時間和操控精度上一旦突破容錯量子計算的閾值，有望集成傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)的現(xiàn)有成果，大大節(jié)省開發(fā)成本。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

第2篇：量子計算的運(yùn)用范文

關(guān)鍵詞：量子保密；通信技術(shù)；應(yīng)用；未來發(fā)展

引言

隨著信息化時代的到來，人們無時無刻都在接發(fā)文字信息、視頻信息、電子信息等，給人們的生活、工作、學(xué)習(xí)和社會各個領(lǐng)域帶來了新的改變。為了保障信息通信的安全，防止信息傳遞過程中存在的泄露風(fēng)險，采取量子保密通信技術(shù)，有效避免信息被攻擊破譯，保障了信息傳遞的絕對安全[1]。量子保密通信改變了傳統(tǒng)加密通信的局限性和不安全性，解決了存在的安全隱患問題，根據(jù)量子力學(xué)原理與科學(xué)信息技術(shù)的有效結(jié)合，采用高精度量子測量技術(shù)和高精準(zhǔn)量子計算技術(shù)進(jìn)行計算、編碼和信息傳輸，發(fā)揮了高效安全的通信性能。量子計算利用量子力學(xué)規(guī)律來調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計算，能夠進(jìn)行大規(guī)模、多線程地數(shù)據(jù)處理，具有超強(qiáng)的計算能力和精密的邏輯性[2]。在依靠量子比特工作中，由于量子位存在的并行性、糾纏性和疊加性，量子算法在進(jìn)行問題處理時就能夠做出傳統(tǒng)計算無法比擬的超強(qiáng)處理能力，實現(xiàn)超高精度、超高速度的工作效率[3]。隨著國內(nèi)外量子信息技術(shù)科技的發(fā)展，針對現(xiàn)有公鑰體系在單向計算時存在的易被攻擊威脅，造成信息發(fā)生泄漏的嚴(yán)重后果，開展量子密鑰分發(fā)技術(shù)的保密通信的創(chuàng)新研發(fā)，滿足了當(dāng)前信息化社會和數(shù)字化經(jīng)濟(jì)時代的需求。通過量子保密通信技術(shù)的研究與應(yīng)用，推動了量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作的進(jìn)行和未來的無限發(fā)展。

1量子保密通信技術(shù)應(yīng)用

1.1量子密鑰分發(fā)技術(shù)應(yīng)用

量子密鑰分發(fā)是根據(jù)量子測不準(zhǔn)原理、量子不可分割和量子態(tài)不可復(fù)制的特性來實現(xiàn)，量子生成的通信密碼校驗絕對的安全性，不會被任何方式破解。通信雙方建立量子密碼分享協(xié)議，發(fā)送方和接受方以單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰，保證密鑰分發(fā)的安全性，密鑰分發(fā)采取一次一密的加密體制建立安全通信密碼。密鑰分發(fā)完成后需要進(jìn)行信息協(xié)同和隱私保密增強(qiáng)，糾正密鑰中存在的錯誤，使密鑰保持一致性，進(jìn)一步增強(qiáng)信息隱私的保密安全。根據(jù)協(xié)議隨機(jī)選擇調(diào)制每一個光子的基矢，隨機(jī)的基矢可以對接收端進(jìn)行監(jiān)測，在偏振編碼過程中采用單光子的水平偏振態(tài)（0°）、垂直偏振態(tài)（90°）、偏振態(tài)（+45°）和偏振態(tài)（-45°）的4個量子態(tài)，來進(jìn)行不同自由度的編碼，可以選擇垂直方向，也可以沿水平方向或其它角度作為量子信息的載體。發(fā)送方隨機(jī)使用2組基矢，按照事先約定的單光子水平偏振態(tài)通過量子信道發(fā)送給協(xié)議用戶，當(dāng)用戶接收到光子后也隨機(jī)地使用2組基矢進(jìn)行偏振態(tài)的測量，如果制備基矢和檢測基矢兼容，則表示收發(fā)隨機(jī)數(shù)完全一致，如果存在不同，發(fā)送方和用戶在從新進(jìn)行比對制備基和測量基基矢，直到收發(fā)雙方擁有完全一致的隨機(jī)數(shù)序列密鑰。密鑰分發(fā)、生成后不會被破譯或計算破解，即使在密鑰生成過程中被竊聽也會被通信方發(fā)現(xiàn)，仍然不會泄密，保證了絕對的安全性[4]。

1.2量子保密通信與后量子安全加密應(yīng)用

近年來，我國在量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，在量子保密通信的研發(fā)中獲得突破性進(jìn)展，利用量子保密通信技術(shù)克服了傳統(tǒng)通信技術(shù)存在的安全隱患問題，保證了通信的安全性和可靠性[5]。量子保密通信具備巨大的信息存儲與攜帶性能，量子計算機(jī)可以面對各種復(fù)雜難度的計算，并能進(jìn)行高時速、高精準(zhǔn)的并行計算處理能力。量子保密通信是在原有的公鑰體系進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，采取量子密鑰分發(fā)和加密的量子保密通信方案，以應(yīng)對原有量子計算體系內(nèi)存在的安全威脅，并對現(xiàn)有加密體制進(jìn)行升級，應(yīng)用計算破解能力的后量子加密技術(shù)提高了被破解能力，避免信息泄露。量子保密通信與后量子加密的應(yīng)用，為未來量子安全信息加密技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要的意義[6]。

1.2.1量子保密通信方案量子保密通信利用量子態(tài)的疊加性和量子不可克隆原理，采取密鑰分發(fā)的密碼技術(shù)，對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行一次一密的加密方法，完善了加密體制，實現(xiàn)了信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.2.2后量子加密后量子加密技術(shù)是一種新的加密方法，通過運(yùn)用許多先進(jìn)的技術(shù)對現(xiàn)有的加密體制算法進(jìn)行升級改進(jìn)，例如網(wǎng)格編碼算法和橢圓曲線算法等，增加了防御能力，可以完全抵抗黑客的計算破解，后量子新型信息加密技術(shù)能夠與現(xiàn)有的信息安全系統(tǒng)實現(xiàn)兼容和平滑升級演進(jìn)。

1.3量子保密通信應(yīng)用

量子保密通信為未來信息安全提供了保障，是信息領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，在量子保密通信中量子密鑰分發(fā)作為關(guān)鍵技術(shù)，與典型網(wǎng)絡(luò)組織和現(xiàn)有通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相融合，建立了網(wǎng)絡(luò)管控、安全服務(wù)、密鑰生成層、密鑰分發(fā)層、密鑰應(yīng)用層等組織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)的可用性和安全可靠性，并應(yīng)具備靈活高效、可擴(kuò)展的未來發(fā)展的建設(shè)需求。系統(tǒng)分為發(fā)送裝置和接受裝置，利用公共信道對密鑰分發(fā)協(xié)議合法的通信雙方發(fā)送共享的隨機(jī)密鑰。其中，密鑰生成層將生成制備的量子密鑰提供給上層，在密鑰中繼、密鑰轉(zhuǎn)發(fā)、密鑰存儲、密鑰輸出過程中，密鑰應(yīng)用層為量子密鑰的保密通信服務(wù)提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管控平臺負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理，安全服務(wù)平臺則負(fù)責(zé)密碼服務(wù)和安全管理。量子密鑰分發(fā)是以量子物理與信息學(xué)為基礎(chǔ)，利用量子態(tài)糾纏重疊的力學(xué)特性，在通訊雙方之間產(chǎn)生并分享一個隨機(jī)的安全的密鑰，運(yùn)用一次一密的加密方法，通過量子信道完成信息的安全傳送。由于傳統(tǒng)量子信道在傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行量子密鑰服務(wù)的加密業(yè)務(wù)時，量子信道存在傳輸損耗，量子密鑰分發(fā)距離會被限制距離，需設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)來完成長距離的接力傳送，導(dǎo)致安全防護(hù)存在困難，存在安全隱患。因此在現(xiàn)有較大規(guī)模的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中，都采用可信中繼技術(shù)是異或后的中繼技術(shù)，量子密鑰只會在節(jié)點(diǎn)處暫存經(jīng)過異或后，不會對中繼節(jié)點(diǎn)造成影響，具有信息傳輸?shù)陌踩院透咝省?/p>

2量子保密通信目前發(fā)展?fàn)顩r

隨著量子保密通信的發(fā)展，世界各國試用點(diǎn)呈現(xiàn)逐步成熟趨勢，但在應(yīng)用推廣方面暴露出一些問題。主要包括三個方面：（1）應(yīng)用場景受到限制當(dāng)前，量子保密通信主要面向金融、政府等長期安全性較高的特定場景之中，市場規(guī)模較為分散，傳統(tǒng)通信業(yè)界對于量子保密通信應(yīng)用目前仍然處于熱情度較低的狀態(tài)。此外，由于量子態(tài)信號與傳統(tǒng)信號混合傳輸時，將引入劣化性能，導(dǎo)致量子保密通信組網(wǎng)需要借助額外獨(dú)立光纖鏈路才能獲取所需資源。（2）技術(shù)瓶頸待解決在百公里長距離傳輸情況下，量子保密通信可用安全碼率大約為15kbit/s量級，相比于當(dāng)前光傳達(dá)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)的量級信息傳輸差距較大，無法實現(xiàn)對信號的一一加密。此外，在量子保密通信組網(wǎng)方面，由于量子態(tài)存儲技術(shù)尚不成熟，因此，有關(guān)量子存儲方面難以實現(xiàn)，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步驗證分析。（3）安全性存在一定風(fēng)險在實際通信過程中，信道節(jié)點(diǎn)不理想特性使其難以滿足安全性標(biāo)準(zhǔn)，成為不法分子利用的安全漏洞，所以針對通信安全性升級將是運(yùn)營維護(hù)所面臨的一個難題，現(xiàn)階段，由于通信密鑰生成碼率也相對較低，很難滿足一次一密要求。現(xiàn)階段，我國量子保密通信技術(shù)在業(yè)務(wù)、市場、商用的應(yīng)用都處于推廣初期階段，在量子密鑰分發(fā)技術(shù)組網(wǎng)理念和技術(shù)研究中，仍然面臨一些問題有待研究和探討。

3量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作策略與未來發(fā)展

3.1量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作策略

在未來量子保密通信技術(shù)研發(fā)中，應(yīng)保證量子保密通信設(shè)備系統(tǒng)的功能與性能的一致性和可靠性，增加設(shè)備系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層面的兼容性、靈活性和安全性，在設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)、安全性能、組網(wǎng)以及加密等各個方面，逐步完善應(yīng)用體制，在未來發(fā)展中形成完整的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。首先，在國家政策支持的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強(qiáng)量子密鑰分發(fā)技術(shù)前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，創(chuàng)新開發(fā)新型協(xié)議技術(shù)、系統(tǒng)器件和架構(gòu)方案，加快提升量子密鑰分發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)備成熟度、實用化水平和性價比，不斷提高量子密鑰分發(fā)和后量子加密的技術(shù)水平，完善加密體制。然后，應(yīng)加強(qiáng)量子保密通信的商業(yè)化應(yīng)用和市場開拓規(guī)劃的工作策略和未來發(fā)展方向，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)合作，開展多樣化的商業(yè)部署模式，制定標(biāo)準(zhǔn)化工作策略，為應(yīng)用發(fā)展做好引導(dǎo)和培育市場需求。最后，應(yīng)加快我國量子保密通信網(wǎng)絡(luò)項目工程的建設(shè)，升級設(shè)備完善標(biāo)準(zhǔn)，提高量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的網(wǎng)管和運(yùn)維能力，使量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)在完善的密鑰管理設(shè)備與加密通信設(shè)備進(jìn)行安全可靠的通信，以商業(yè)化應(yīng)用推廣和市場化發(fā)展為未來建設(shè)目標(biāo)，增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實際可用性和安全性等標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)規(guī)模。目前，我國量子保密通信技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了實用化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展水平，在國家政策的大力支持下在社會各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，量子信息技術(shù)作為我國科技創(chuàng)新的重要發(fā)展技術(shù)，應(yīng)加快發(fā)展量子信息產(chǎn)業(yè)，推動量子技術(shù)與社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的深度融合，增加產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為國家安全、國防軍事提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，新興的量子信息產(chǎn)業(yè)推動了我國戰(zhàn)略性發(fā)展方向。

3.2未來發(fā)展前景

量子保密通信技術(shù)在未來發(fā)展進(jìn)程中，量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展是未來量子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，需要加強(qiáng)技術(shù)成熟度、設(shè)備可靠性和投入產(chǎn)出性價比等各方面的研究，開展標(biāo)準(zhǔn)化工作策略以促進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。近年來，隨著量子保密通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新，世界各國在量子保密通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的市場競爭日趨激烈，我國雖然處于世界領(lǐng)先地位，應(yīng)需加強(qiáng)對量子技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)備廠商和建設(shè)運(yùn)營單位進(jìn)行大力扶持，在政策支持優(yōu)勢下強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展能力，以增強(qiáng)科技實力，提高市場競爭能力。積極推廣大規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，促進(jìn)量子保密通信商業(yè)化推廣、產(chǎn)業(yè)鏈壯大和產(chǎn)業(yè)化得到健康發(fā)展。

3.2.1分發(fā)系統(tǒng)性能指標(biāo)和實用化水平有提升空間量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)之中單跨傳輸距離在百公里以內(nèi)，密鑰成碼率有待進(jìn)一步提高。同時，量子密鑰系統(tǒng)工程化也具有一定提升空間。此外，量子保密通信系統(tǒng)仍需要密鑰管理，將其與信息通信行業(yè)緊密融合，加密通信設(shè)備。

3.2.2抗量子計算破解的安全加密面向未來量子計算對于現(xiàn)有加密體系存在的破解威脅，需設(shè)計抗量子計算破解安全加密方案，快速提升量子密鑰分發(fā)技術(shù)和實用化水平，這是贏得加密技術(shù)體制的關(guān)鍵。

3.2.3量子保密通信商業(yè)化開拓仍需進(jìn)一步探索量子保密通信是對現(xiàn)有通信技術(shù)的一種有效安全性提升技術(shù)，能夠解決密鑰分發(fā)安全性問題，提升通信安全性等級，具有長期性和高安全性。尤其在金融專網(wǎng)方面，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對有限，因此，在后續(xù)研究進(jìn)程中，逐漸完善量子通信保密技術(shù)，將其推廣到投入產(chǎn)出性行業(yè)之中，從設(shè)備升級、標(biāo)準(zhǔn)完善、市場探索等方面進(jìn)行逐一推廣與應(yīng)用。因此，在今后發(fā)展過程中，應(yīng)凝聚各方形成合力，提升工程化實用水平，引導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，重視標(biāo)準(zhǔn)化測試，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

第3篇：量子計算的運(yùn)用范文

Abstract： In this paper，a novel algorithm，called the Quantum Continuous Particle Swarm Optimization algorithm - QCPSO，is proposed, based on the combination of the quantum theory with the evolutionary theory． By adopting the qubit particle as the representation，QCPSO can represent a linear superposition of solutions and bring diverse individuals by imitating the quantum collapse to random observation the new populations. The evolution of quantum particles can also pilot the evolution with better diversity than the classical particle swarm optimization method by adopting adaptive mutation．The performance test indicates that the QCPSO possesses better global search capacity than the basic PSO and QPSO when confronting high dimension problems.

關(guān)鍵詞： 粒子群；量子理論；比特；自適應(yīng)變異

Key words： PSO；quantum theory；bit；adaptive mutation

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-4311（2011）01-0181-02

0引言

粒子群優(yōu)化算法是由Kennedy和Eberhart等于1995年提出的一種基于種群搜索的自適應(yīng)進(jìn)化計算技術(shù)[1-2]。算法最初受到飛鳥和魚類集群活動的規(guī)律性啟發(fā)，利用群體智能建立了一個簡化模型，用組織社會行為代替了進(jìn)化算法的自然選擇機(jī)制，通過種群間個體協(xié)作來實現(xiàn)對問題最優(yōu)解的搜索。

量子計算特點(diǎn)主要體現(xiàn)在量子態(tài)的疊加（Superposition）、糾纏（Entanglement ）以及干涉（Interference）等性質(zhì)上，許多計算上的優(yōu)勢如量子并行（Quantum Parallelism）等皆由此而產(chǎn)生。近年來很多學(xué)者基于此提出了一些基于量子理論的進(jìn)化算法。它以量子計算的一些概念和理論為基礎(chǔ)，用量子位編碼來表示染色體，用量子門作用和量子門更新來完成進(jìn)化搜索，具有種群規(guī)模小而不影響算法性能、同時兼有“勘探”和“開采”的能力、收斂速度快和全局尋優(yōu)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[3-4]分別提出了量子遺傳算法、遺傳量子算法和并行量子遺傳算法，并用來求解組合優(yōu)化問題，結(jié)果表明，遺傳量子算法的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法，但該算法不適于用來求解連續(xù)函數(shù)的優(yōu)化問題，特別是多峰連續(xù)函數(shù)優(yōu)化問題。受此啟發(fā)，本文將量子編碼和量子坍塌等性質(zhì)與粒子群進(jìn)化思想融合，提出一種基于量子理論的連續(xù)粒子群算法(QCPSO)，并對該算法進(jìn)行參數(shù)影響分析和性能測試。

1量子粒子群算法(QCPSO)

和經(jīng)典的PSO算法不同，QCPSO是將經(jīng)典PSO算法與量子理論相結(jié)合，基于量子計算的概念和理論，使用量子比特編碼粒子，由粒子的概率幅表示，一個量子粒子包含了多個基本粒子狀態(tài)的信息。通過模擬量子粒子坍塌的隨機(jī)觀察可以帶來更加豐富的種群，極大的豐富了種群的多樣性。通過量子的疊加特性和量子變遷的理論，運(yùn)用量子旋轉(zhuǎn)門來產(chǎn)生新的種群。粒子的更新是根據(jù)粒子的相位變化以及和全局最優(yōu)粒子、粒子歷史最優(yōu)的相位差來進(jìn)行的。具體算法描述如下：

1.1 粒子編碼粒子位采用量子比特表示，稱為量子位，量子位具有兩個基本態(tài),分別是?Z0>態(tài)和?Z1>態(tài)，在任意時刻，量子位的狀態(tài)可以是基本態(tài)的線性組合，被稱為疊加態(tài)，如式所示：

φ>=α0>+β?Z1>（1）

其中α和β是復(fù)數(shù)，并被稱為概率幅，也就是說，我們得到量子位狀態(tài)?Z0>的概率是α，得到量子位狀態(tài)?Z1>的概率是β。α和β的關(guān)系如式：φ>=cosθ0>+sinθ?Z1>（2）

其中θ為量子位的相位，并且和概率幅之間的關(guān)系滿足下式：

θ=arctan（3）

因此，粒子的量子表示方式可以通過使用概率幅或相位加已表示，如（4）式和（5）式。

α α α… αβ β β… β（4）

θ?佐θ?佐θ?佐…?佐θ（5）

在初始化的時候，首先將粒子在[0，1]的區(qū)間內(nèi)初始化，然后再映射到定義域空間內(nèi)。映射關(guān)系表達(dá)為：

Swarm=Swarm12*（ub-lb）+lb（6）

其中Swarm1為初始化后帶有兩種狀態(tài)信息的種群，ub，lb為變量上下限。

借鑒基本的粒子群算法的速度更新方式，QCPSO算法中粒子的更新方式是粒子本身根據(jù)種群中最優(yōu)粒子GBest和該粒子歷史最優(yōu)PBest的相位差值來更新自己的相位的，如下所示：

（7）

其中，θ為t+1代迭代中第j個粒子的第d維的相移量；θ為第t代第j個粒子的第d維的相移量；θ為當(dāng)前相位；θ為全局最優(yōu)粒子的相位；θ為該粒子歷史最優(yōu)相位；ω為慣性權(quán)重系數(shù)；C，C為加速系數(shù)；R，R為[0，1]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。

根據(jù)相位的更新計算出量子旋轉(zhuǎn)門，更新粒子，如下式：

αβ=cosθ-sinθsinθ cosθαβ（8）

其中：θ為在第t+1次迭代中第j個粒子d維的相移量，α、β為在第t次迭代中第j個粒子d維的概率幅，α、β是第t+1次迭代中第j個粒子d維的概率幅。

1.2 粒子評估當(dāng)粒子坍塌成某一個基本態(tài)時，將該基本態(tài)發(fā)生的概率表達(dá)出來，并且用來參加粒子適應(yīng)度評估，即用一個粒子選擇概率來選擇粒子的基本態(tài)，選擇好該粒子后，將該粒子按式（6）映射到尋優(yōu)空間中，參加適應(yīng)度評估；評估好了粒子來參加種群的更新。

1.3 自適應(yīng)變異種群一旦陷入局部最優(yōu)陷阱中后，粒子更新的相位很快就會趨于0，種群幾乎不再更新，為了解決這個問題，本節(jié)設(shè)計了自適應(yīng)概率，自適應(yīng)的變異概率定義為：

P=μ+Re*σ（9）

其中μ和σ是變異率的調(diào)節(jié)參數(shù)，Re是最優(yōu)值連續(xù)不更新或者更新不明顯的代數(shù)。若種群連續(xù)更新，則不對種群進(jìn)行任何調(diào)節(jié)；如不順利（Re將累計增大），對種群進(jìn)行調(diào)節(jié)的概率則加大。

1.4 算法流程本文提出的算法QCPSO的具體流程如下所示：

Step1：初始化種群；設(shè)定參數(shù)；

Step2：在[0,1]范圍內(nèi)初始化第一代種群（包括

Step3：按照式(4)對量子態(tài)進(jìn)行表達(dá)，并進(jìn)行第一次適應(yīng)度評估；粒子歷史最優(yōu)值就為粒子本身；種群全局最優(yōu)值為適應(yīng)度最好的值；如滿足跳出條件，則轉(zhuǎn)Step9；否則轉(zhuǎn)Step4；如式(5)隨機(jī)初始化第一代粒子的相位變化量為(0,1)中的隨機(jī)數(shù)；

Step4：計算粒子歷史最優(yōu)的相位；全局最優(yōu)粒子相位；按照式(4)對量子態(tài)進(jìn)行表達(dá)，并進(jìn)行適應(yīng)度評估；迭代次數(shù)加1；如滿足跳出條件則轉(zhuǎn)Step9；否則，轉(zhuǎn)Step5；

Step5：根據(jù)式(7)更新粒子相位變化量，并運(yùn)用量子旋轉(zhuǎn)門來更新粒子式(8)；

Step6：判斷是否對粒子的相位進(jìn)行跳變；是，則執(zhí)行式（9），Step7；否，直接轉(zhuǎn)Step7；

Step7：根據(jù)預(yù)設(shè)的粒子狀態(tài)觀測概率選擇粒子的狀態(tài)，將粒子坍塌；并根據(jù)式(6)將粒子映射到預(yù)設(shè)空間中來。

Step8：對坍塌好的粒子進(jìn)行適應(yīng)度評價；是否滿足退出條件：是，轉(zhuǎn)Step9；否，更新全局最優(yōu)和歷史最優(yōu)，轉(zhuǎn)Step4；

Step9：跳出算法，輸出最優(yōu)值，結(jié)束。

1.5 算法性能測試為了驗證算法的性能，將算法QCPSO與經(jīng)典的粒子群算法、量子粒子群算法的代表AQPSO[5-6]進(jìn)行實驗比較。QCPSO參數(shù)選擇為：慣性權(quán)重為0.7，加速常數(shù)分別為C1=1.4、C2=1.4，選擇概率P=0.95，跳變概率σ=0.005，種群規(guī)模為40。經(jīng)典PSO算法參數(shù)選擇為慣性權(quán)重為0.7，加速常數(shù)分別為C1=2.0、C2=2.0，種群規(guī)模為40。具體測試結(jié)果如表1所示。

對于2維的測試函數(shù)：Camel函數(shù)上三種測試方法都能找到全局最優(yōu)，AQPSO和QCPSO的達(dá)優(yōu)率（100％）明顯好于PSO算法。但是耗時上AQPSO較PSO差，QCPSO較AQPSO算法差。對于Levy F3函數(shù)，三種算法也都能找到全局最優(yōu)值，在達(dá)優(yōu)率上AQPSO算法稍微差于PSO算法，而QCPSO算法明顯好于AQPSO算法。對于Levy F5函數(shù)，三種算法也都能找到全局最優(yōu)值，但是AQPSO算法在達(dá)優(yōu)均值上差于PSO算法； QCPSO在達(dá)優(yōu)均值和達(dá)優(yōu)率上都好于其他兩種算法。

對于10維的測試函數(shù)Rastrigin和Schwefel、Sphere函數(shù)：對于Rastrigin函數(shù)，PSO不能找到全局最優(yōu)，均達(dá)優(yōu)值上也明顯差于其他兩個算法。QPSO明顯好于其他兩種算法。對于Schwefel測試函數(shù)上，雖然三種算法都沒有找到全局最優(yōu)值，但是QCPSO算法尋找到全局最優(yōu)值能達(dá)到在1.3725e-004。達(dá)優(yōu)均值上，QCPSO較其他兩種算法都有明顯進(jìn)步。對于Sphere函數(shù)，AQPSO算法在全局最優(yōu)值和達(dá)優(yōu)均值上都差于PSO算法，QCPSO以較高的達(dá)優(yōu)率得到高精度解。

對于高維的測試函數(shù)Ackley，AQPSO算法在全局最優(yōu)值和達(dá)優(yōu)均值上稍微好于PSO算法，而QCPSO算法則在兩項指標(biāo)上優(yōu)于AQPSO和PSO算法。但是三種算法都沒有找到全局最優(yōu)值。而對于Griewangk的測試中，AQPSO和QCPSO算法都能找到全局最優(yōu)值，但是在均達(dá)優(yōu)值上，AQPSO效果差于PSO算法，QCPSO好于其他兩種算法。

2結(jié)束語

本文對經(jīng)典PSO算法以及在此基礎(chǔ)之上的改進(jìn)算法進(jìn)行詳細(xì)分析后，提出基于量子理論的連續(xù)粒子群算法，經(jīng)過實驗驗證，QCPSO表現(xiàn)出了良好的性能，在高維問題的優(yōu)化中SCPSO則表現(xiàn)出了良好的性能。

參考文獻(xiàn)：

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[2]R.C.Eberhart, J. Kennedy. A new optimizer using particle swarm theory. Proc of the 6th international symposium on Micro Machine and Human Science, Nagoya, Japan, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, 1995:39-43.

[3]Narayanan A,Moore M, Quantum-inspired genetic algorithm. Proc of IEEE International Conference on Evolutionary Computation．Piscataway: IEEE Press, 1996: 61-66.

[4]Han K H, Kim J H. Genetic quantum algorithm and its application to combinatorial optimization problems. Proc of IEEE Conference on Evolutionary computation. Piscataway: IEEE Press, 2000. 1354-l360.

第4篇：量子計算的運(yùn)用范文

關(guān)鍵詞：量子密碼　量子通信

中圖分類號：TN91　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　文章編號：1007-3973(2011)002-059-01

量子理論誕生以來，科學(xué)家就試圖利用量子效應(yīng)來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無時延、“絕對安全”的通信，量子通信將成為人類通信技術(shù)史上的又一次革命。

1　量子通信技術(shù)簡介

1.1　基本量子理論

量子態(tài)是指原子、中子、質(zhì)子等粒子的狀態(tài)，它可表征粒子的能量、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動、磁場以及其他的物理特性。量子理論主要包括量子糾纏和量子測不準(zhǔn)原理，是現(xiàn)代物理學(xué)的核心理論。

量子糾纏指的是在量子力學(xué)中，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個粒子發(fā)生變化，另一個粒子的狀態(tài)也會立刻發(fā)生相同的變化，這也是利用量子效應(yīng)傳遞密碼的基礎(chǔ)。

Heisenberg量子測不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的基本原理，指在同一時刻以相同精度測定量子的位置與動量是不可能的，只能精確測定兩者之一。

1.2　量子通信的原理

量子通信是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式。在量子通信系統(tǒng)中，信息的發(fā)送方和接收方共享兩個糾纏在一起的幾乎完全一致的成對光子。當(dāng)發(fā)送方將信息賦予一個光子時，接收方的糾纏光子就會幾乎同時發(fā)生一致的變化，從而實現(xiàn)用不加外力的方式傳輸信息，傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。在這一過程中，發(fā)送和接受方需要糾纏光子的數(shù)量取決于報文的長度。

量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置。量子通信的主要應(yīng)用在于量子密碼的傳輸，與傳統(tǒng)通信的唯一區(qū)別在于，量子通信采用了一種新的密碼生成方式，而且密碼不可能被第三方獲取。

1.3　量子密碼技術(shù)

依據(jù)Heisenberg的量子測不準(zhǔn)原理，通過竊聽不能得到確定的有效信息。同時，任何針對量子信號的竊聽都將不可避免的留下痕跡，從而被通信方所警覺。量子密碼技術(shù)就是利用這一原理來判斷是否有人竊取傳輸?shù)拿艽a信息，從而實現(xiàn)密碼的絕對安全。

量子密鑰分配原理來源于光子偏振的原理。光子任意時刻的偏振方向具有隨機(jī)性，在兩個糾纏光子之間設(shè)置偏振片。當(dāng)光子的偏振方向與偏振偏振片的傾斜方向的夾角很小時，光子改變偏振方向并通過偏振濾光器的概率大，否則就小。特別是當(dāng)=90°，其概率為0：=45°時，其概率為0.5；=0°，其概率為1°通過公開渠道告知對方是如何旋轉(zhuǎn)的，把檢測到一個光子記為“1”，沒有檢測到記為“0”，雙方都能記錄到相同的一組二進(jìn)制數(shù)列，以作為密碼。如果有人在半路監(jiān)聽，同樣需要放置偏振片，就不可避免改變光子的偏振方向，使發(fā)送者和接受者記錄的數(shù)列產(chǎn)生差異。

2　量子通信的發(fā)展動態(tài)及應(yīng)用

1926年量子力學(xué)誕生，成為人類認(rèn)識微觀世界的理論基礎(chǔ)。1935年，愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證了量子力學(xué)和相對論之間的不相容性。1964年，約翰?貝爾提出了貝爾理論，闡明用實驗來檢驗超光速響應(yīng)的可能性。1982年阿斯派克等人證明了超光速響應(yīng)的存在。1984年，有人提出了用單光子偏振態(tài)編碼量子密碼技術(shù)方案，開始了量子密碼的研究。1989年，量子密鑰傳輸?shù)谝淮窝菔精@得成功。1997年，奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C；2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功的將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到600米。

我國的量子通信技術(shù)發(fā)展迅速，位居世界前列。2007年開始，中國科大-清華大學(xué)聯(lián)合研究小組開始在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間架設(shè)長達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，這一距離是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞的量子密鑰分發(fā)的最大距離。中國科學(xué)家在自由空間量子通信方 向上的一系列工作引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。英國的《新科學(xué)家》、美國的《今日物理》等多家學(xué)術(shù)新聞媒體均對這些工作進(jìn)行了報道。下一步科學(xué)家們正在計劃通過自由空間實現(xiàn)幾百公里的量子通信，超越光纖傳輸?shù)臉O限。

量子通信比較傳統(tǒng)通信技術(shù)具有明顯優(yōu)勢：抗干擾能力強(qiáng)，不需要借助傳統(tǒng)信道；量子密碼幾乎不可能被破譯，保密性強(qiáng)；線路時延幾乎為零，傳輸速度快。

第5篇：量子計算的運(yùn)用范文

時隔4年之后，鄭韶輝提及這張照片，仍感慨不已。彼時，量子通信產(chǎn)業(yè)化提上日程，在杭州成立一家市場化運(yùn)作的公司迫在眉睫，在浙江省政府的支持下，“特事特辦，”浙江省科技廳相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)親自陪同鄭韶輝辦手續(xù)，于是就有了照片記錄的一幕。

當(dāng)年7月，九州量子（原名“都飛通信”）正式成立，經(jīng)過4年發(fā)展，九州量子不但躋身量子通信領(lǐng)域中國領(lǐng)軍企業(yè)之列，更是憑借量子加密通信技術(shù)和產(chǎn)品長期領(lǐng)先于同行業(yè)的競爭優(yōu)勢，成為量子通信領(lǐng)域首個市場化全產(chǎn)業(yè)鏈公司。

2015年12月，由九州量子承建的全球第一條量子保密通信商用干線――“滬杭干線”項目啟動，作為“七橫七縱”量子國家干線規(guī)劃的核心承建企業(yè)，九州量子同時承接了浙江省域網(wǎng)、長三角環(huán)網(wǎng)、杭州城網(wǎng)、烏鎮(zhèn)城網(wǎng)、量子小鎮(zhèn)（量子產(chǎn)業(yè)園）浙江省政務(wù)云等項目建設(shè)和運(yùn)營。今年6月13日，九州量子在新三板掛牌上市，成為“量子通信第一股”。 九州量子董事長鄭韶輝。

“九州量子在浙江省構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，提供基于量子技術(shù)的高可信安全網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營服務(wù)，與我國現(xiàn)有的量子通信產(chǎn)業(yè)化平臺一起，構(gòu)成量子通信技術(shù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。”鄭韶輝接受《財經(jīng)國家周刊》記者專訪時表示，九州量子致力于打造一條包含上中下游的產(chǎn)業(yè)鏈條，主攻量子手機(jī)、量子白板等量子終端產(chǎn)品應(yīng)用，為量子通信盡早造福社會做出貢獻(xiàn)。

中國優(yōu)勢

《財經(jīng)國家周刊》：目前全球量子信息產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展情況如何？中國的地位如何？

鄭韶輝：量子信息目前有三個領(lǐng)域，第一個是量子計算，量子計算目前還談不上產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)化最快也要六七年之后。第二個是量子測量，我認(rèn)為中國跟美國的水平差不多，美國可能更強(qiáng)一點(diǎn)。第三個是量子通信，中國在這個方面雖然不是做得最早的，但是這兩年突飛猛進(jìn)，特別在應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快，“京滬干線”、“滬杭干線”、通訊衛(wèi)星等，中國都處于一個較為領(lǐng)先的地位。

從全球來看，只用了10多年時間就在一個行業(yè)里面尤其是這種高精尖的領(lǐng)域領(lǐng)先，是非常難得的。目前各國正在展開量子通信的產(chǎn)業(yè)化競賽，中國應(yīng)該抓住這個窗口，抓緊把產(chǎn)業(yè)化推動起來。

《財經(jīng)國家周刊》：你怎么看中國量子通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向？

鄭韶輝：在我看來，量子通信產(chǎn)業(yè)化未來的發(fā)展有3個3年，第一個3年是設(shè)備商的3年，這3年主要解決的問題是我國的設(shè)備要先做合格，實現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)。現(xiàn)在設(shè)備主要還是一些科學(xué)家在做，存在的問題是成本太高，穩(wěn)定性欠佳。

要解決這個問題，不但科學(xué)家要展開技術(shù)攻關(guān)，市場也要跟得上，運(yùn)用市場化的機(jī)制，可以展開一些并購，我認(rèn)為3年左右時間，如果能使設(shè)備成本下降到現(xiàn)在的十分之一，就能為大規(guī)模的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

第二個3年是運(yùn)營商的3年，這3年里，要構(gòu)建一個初步的量子通信網(wǎng)絡(luò)，就像人體的毛細(xì)血管一樣，在全國范圍內(nèi)鋪開量子通信網(wǎng)絡(luò)。

第三個3年是平臺商的3年。需要打造類似阿里巴巴這樣的平臺服務(wù)商，它也許會對現(xiàn)在的BAT（百度、阿里巴巴、騰訊）形成顛覆性的挑戰(zhàn)。

從設(shè)備商到運(yùn)營商再到平臺商，每個3年，拿出9年時間來塑造整個全產(chǎn)業(yè)鏈，屆時中國擁抱的將是“量子+”時代的到來。

《財經(jīng)國家周刊》：九州量子致力于打造行業(yè)首個全產(chǎn)業(yè)鏈高科技企業(yè)，你們的競爭力體現(xiàn)在哪里？

鄭韶輝：在量子通信領(lǐng)域里面，九州量子是比較特別的一家公司，我們的團(tuán)隊是科學(xué)家+企業(yè)家，其他的量子通信企業(yè)都是科學(xué)家主導(dǎo)，他們可能有技術(shù)上的先發(fā)優(yōu)勢，但是我們可以形成后發(fā)優(yōu)勢，我們的市場經(jīng)驗豐富，產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用更貼近市場，也更接地氣，可以更好地服務(wù)市場。

量子通信同任何新興產(chǎn)業(yè)一樣，在發(fā)展的早期階段是研發(fā)驅(qū)動，但發(fā)展到今天這個階段的時候，行業(yè)已經(jīng)到了爆發(fā)周期，需要的是通過工業(yè)化的方式快速形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在這方面我們團(tuán)隊是有競爭優(yōu)勢的。

產(chǎn)業(yè)化未來

《財經(jīng)國家周刊》：由九州量子承建的“滬杭干線”將于近期竣工，這是全球第一條量子保密通信商用干線，這條干線能產(chǎn)生什么樣的作用？

鄭韶輝：“滬杭干線”是2014年經(jīng)中科大潘建偉院士建議而建設(shè)的。它的竣工將滿足周邊地區(qū)各方面的需求，同時為構(gòu)建全國“七橫七縱”的量子通信網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗。

“滬杭干線”是一條商用干線，面向的是用戶，流量非常大，市場化程度高，到目前已經(jīng)與100多家金融機(jī)構(gòu)已經(jīng)或?qū)⒁炗唴f(xié)議，這些企業(yè)將率先享受到“滬杭干線”的保密通信服務(wù)。

此外，我們認(rèn)識到，任何一條網(wǎng)絡(luò)通信線路，只要是單線都是有風(fēng)險的，因此建設(shè)管網(wǎng)非常重要，這樣即使是中間斷了以后，還可以有備用。

舉個例子，比如說“滬杭干線”，杭州連上南京，南京連上上海，成為杭州、南京、上海三線布局。一旦上海到杭州之間斷了以后，那么可以信號從杭州到南京，南京再到上海，有個備用線，通訊就不會斷。

在我看來，網(wǎng)建得越多，那么未來的用途越廣泛，用戶也就越多。大概今年10月底，我們會接通“滬杭干線”，但是真正運(yùn)營可能會晚些時候，未來“滬杭干線”還將會和“京滬干線”接通。

按照九州量子的發(fā)展規(guī)劃，明年我們還將啟動浙江省網(wǎng)和長三角環(huán)網(wǎng)，從2018年開始，我們會與三大運(yùn)營商合作，建設(shè)全國性的骨干網(wǎng)及其無線量子城域網(wǎng)，推動制定量子通信國家標(biāo)準(zhǔn)，在2020年，打造多行業(yè)系列化的量子應(yīng)用產(chǎn)品，成為全球量子通信產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)軍企業(yè)。

《財經(jīng)國家周刊》：我們注意到，九州量子最近與盛洋科技、清華大學(xué)等企業(yè)和機(jī)構(gòu)都達(dá)成了合作，有什么具體規(guī)劃？

鄭韶輝：我們是一個市場化的公司，是要把產(chǎn)品賣到全球去的。所以在這個產(chǎn)業(yè)化過程中，我們希望有更多的企業(yè)更多的力量來參與進(jìn)來，我們愿意跟別人合作，一起解決發(fā)展中的難題。

8月底，我們與盛洋科技簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，下一步，我們將建立聯(lián)合實驗室，共同研發(fā)量子衛(wèi)星通信接收方面的設(shè)備和相關(guān)產(chǎn)品，同時合作進(jìn)行相關(guān)核心量子通信產(chǎn)品，如量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、量子堡壘機(jī)、光量子交換機(jī)等的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

最近，我們與清華大學(xué)共同籌建的量子網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實驗室也正式揭牌。從具體業(yè)務(wù)領(lǐng)域來看，聯(lián)合實驗室將重點(diǎn)攻克長程量子網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵量子器件的研究，促成量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵器件的研發(fā)及量子保密通信網(wǎng)絡(luò)方案的分析與優(yōu)化。尤其在量子中繼、量子密碼和量子測量等當(dāng)今量子信息界的重要難題方面，聯(lián)合實驗室的成立將起到重要推進(jìn)作用。

《財經(jīng)國家周刊》：按照潘建偉院士的預(yù)測，15年左右的時間，裝有芯片的量子手機(jī)將會進(jìn)入尋常百姓家，對這個預(yù)測，你怎么看？ 通用的量子計算機(jī)技術(shù)，業(yè)內(nèi)說法是15年的時間可以突破，對當(dāng)下的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來巨大沖擊。

鄭韶輝：我比他要激進(jìn)些，我覺得這個時間可能會縮短到9到10年左右。當(dāng)然這些都是預(yù)測，最終還是要取決于量子計算機(jī)技術(shù)發(fā)展。通用的量子計算機(jī)技術(shù)，業(yè)內(nèi)說法是15年的時間可以突破，但我相信用不了15年，也許9年之內(nèi)，量子計算機(jī)技術(shù)就會在某種特殊用途上有所突破，這會對當(dāng)下的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來巨大沖擊。

《財經(jīng)國家周刊》：具體而言，量子通信將來的終端產(chǎn)品會是什么樣子？

鄭韶輝：我們目前最關(guān)心的量子通信終端產(chǎn)品，一個是量子手機(jī)，這個產(chǎn)品目前我們已經(jīng)有了一套技術(shù)解決方案。因為量子通訊設(shè)備太大，目前我們還做不到小型化，而且量子密鑰還無法實現(xiàn)自動生成，我們的做法是通過機(jī)器設(shè)備實現(xiàn)，在設(shè)備里安放芯片，好像手機(jī)充電一樣。

將來，這些設(shè)備會安置在寫字樓里，你把手機(jī)放到設(shè)備里充一晚上，第二天拔掉以后，根據(jù)你的需要，就可以打量子通訊保密電話，一般可以用兩個禮拜。而且除了打電話，還可以用于移動支付、接收郵件等。

這是第一代的產(chǎn)品，大概兩三年之后，第二代就會出現(xiàn)，第二代產(chǎn)品應(yīng)該更先進(jìn)，可以小型化，量子密鑰可以自動生成，手機(jī)里就配置了芯片，不需要再充了，使用起來更加方便。

第二個產(chǎn)品是量子白板，這個產(chǎn)品本身很成熟，在深圳、上海等地已經(jīng)有很多企業(yè)在做。量子白板的使用需要兩個條件，第一要有量子網(wǎng)絡(luò)，第二是要有相關(guān)芯片，我們最近在做這個產(chǎn)品的開發(fā)，開發(fā)出來以后，會在公檢法系統(tǒng)率先使用。

《財經(jīng)國家周刊》：有不少觀點(diǎn)認(rèn)為，量子通信已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化的前期，你認(rèn)為往下走的話，還面臨著哪些困難？

鄭韶輝：我認(rèn)為，目前有利的因素很多，和過去比困難少多了，應(yīng)該說當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入黃金時代了。國家戰(zhàn)略上有政策支持，社會上的資本進(jìn)入的意愿也非常強(qiáng)烈。

從下一步發(fā)展考慮，有幾個問題可能更需要注意。第一個問題是，在技術(shù)原理方面需要突破，無論是服務(wù)城市的量子中繼還是遠(yuǎn)距離的量子衛(wèi)星，我們在技術(shù)上還有很多需要改進(jìn)的地方。

第6篇：量子計算的運(yùn)用范文

關(guān)鍵詞:認(rèn)知無線電;量子粒子群;多目標(biāo)優(yōu)化;物理層、媒體鏈路層

中圖分類號:TN911文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-047-04

Goals Optimization Based on Quantum Crowd Particle Algorithm in PHY

Layer and MAC Layer in Cognitive Radio System

XUE Zhoucheng1,LV Junwei1,NI Lei2

(1.Ordnance Engineering College,Shijiazhuang,050003,China;2.Unit 61451 of the PLA,Beijing,100094,China)

Abstract:Cognitive radio technology is tendency and the direction of future communication development,it is also the focus of the communication research.Aimming at solving the problem of goals optimization under certain channel condition in its physical layer and medium link layer in cognitive radio system.The problems of goals optimization problem in cognitive radio based on the basic thoughts of quantum particle crowd algorithm are solved and thoughts of quantum particle crowd algorithm in the cognitive radio system are used for carrying out proper improvements.Finally it emulates the optimization problem using the radio station controlled by WSGA.

Keywords:cognitive radio;quantum crowd particle algorithm;goals optimization;PHY layer and MAC layer

0 引 言

認(rèn)知無線電(Cognitive Radio)將人工智能與無線電通信相結(jié)合,這個領(lǐng)域具有高度的多學(xué)科性質(zhì),混合了傳統(tǒng)通信與電子工程的無線電,同時應(yīng)用了來自計算機(jī)科學(xué)的一些概念[1]。基本定義可歸納為:它是可以感知外界通信環(huán)境的智能通信系統(tǒng),認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過學(xué)習(xí),不斷地感知外界環(huán)境的變化,并通過自適應(yīng)調(diào)整內(nèi)部的通信機(jī)理達(dá)到對環(huán)境變化的適應(yīng)。這樣的自適應(yīng)調(diào)整,一方面是為了改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,另一方面也是為了提高頻譜的利用率。根據(jù)認(rèn)知無線電框架,用戶首先需要檢測頻譜環(huán)境,估計當(dāng)前信道中的干擾溫度及其接入對鄰近用戶的干擾,根據(jù)這些測量數(shù)據(jù),用戶可以自適應(yīng)地改變傳輸參數(shù),以達(dá)到系統(tǒng)最終的性能最優(yōu)。其基本任務(wù)是:環(huán)境分析、信道預(yù)測估計和信道預(yù)測建模、傳輸功率控制和動態(tài)頻譜管理[2]。

認(rèn)知無線電的目標(biāo)是最優(yōu)化自身性能以及支持用戶的需求,但是“最優(yōu)化”的含義是什么?它不僅僅是無線電用戶追求自身資源消耗最大化的自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整,考慮在無線電通信上,如果兩對節(jié)點(diǎn)在不同的網(wǎng)絡(luò)上通信,傳輸在時間和頻率上的重疊,會形成干擾。節(jié)點(diǎn)將低信干噪比(SINR)的情況認(rèn)為是觀測到了干擾,傳統(tǒng)應(yīng)對干擾的方法是通過增大發(fā)射功率來增加SINR,┮惶趿綽飛系姆⑸浠增加發(fā)射功率,另一鏈路也將會以提高發(fā)射功率來回應(yīng)[3]。每個無線電用戶都將通過增大自身的發(fā)射功率來使接收機(jī)的SINR最大化,這樣最終會使功率增加到硬件的極限[4]。

在嚴(yán)重?fù)砣念l譜環(huán)境中,改變頻率可能不是一個很好的解決方法,這是為什么要查找可能調(diào)整的所有物理層和鏈路層來改善其性能的原因[5]。

首先定義,在無線電中實現(xiàn)了滿足用戶的性能水平,并最小化其消耗資源(如占用的帶寬、消耗的功率等)時,就認(rèn)為“最優(yōu)化”。因此應(yīng)該知道用戶的需要以及如何調(diào)整無線電性能才能滿足這些需要。

在物理層中,中心頻率、符號速率、發(fā)射功率、調(diào)制類型和調(diào)制階數(shù)、脈沖成形濾波器(PSF)類型、階數(shù)、擴(kuò)頻類型、擴(kuò)頻因子等都能進(jìn)行調(diào)整。鏈路層上則為各種可以改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能的變量,包括信道編碼和交織類型和速率,以及接入控制方法,如流量控制、幀的大小以及多址接入技術(shù)等。

認(rèn)知無線電遵循的基本過程是調(diào)整自身的參數(shù)來實現(xiàn)某一期望的最優(yōu)性能組合。無線最優(yōu)化概念是通過分析許多目標(biāo)函數(shù)的輸入與輸出來描述的,在這種情況下,描述各個目標(biāo)之間的相互依賴關(guān)系使用單目標(biāo)分析系統(tǒng)變得困難,用戶和網(wǎng)絡(luò)的需求不能同時得到滿足,這種需求會隨著時間和具體情況發(fā)生很大變化。這時單目標(biāo)函數(shù)已不能充分表示這些不同目標(biāo)的需求[6]。

設(shè)認(rèn)知無線電需調(diào)整的N個參數(shù)為a=,具體參數(shù)是發(fā)射功率、調(diào)制方式、中心頻率、符號速率等,由于受各種制度、物理環(huán)境、硬件條件等方面的限制,認(rèn)知無線電參數(shù)通常要滿足很多約束條件。為適應(yīng)當(dāng)前外部條件,認(rèn)知無線電需優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為f=,其中n為目標(biāo)函數(shù)的個數(shù),目標(biāo)函數(shù)的選擇要求能反映當(dāng)前的鏈路質(zhì)量,如平均發(fā)射功率、數(shù)據(jù)速率、識碼率、帶寬、頻帶效率、數(shù)據(jù)包延時等。不同的鏈路條件、不同的用戶需求導(dǎo)致不同目標(biāo)函數(shù)的重要性不盡相同。在實際運(yùn)用中可用權(quán)重數(shù)值的大小來反映目標(biāo)函數(shù)的重要性程度。由此可知實現(xiàn)認(rèn)知無線電參數(shù)的調(diào)整功能是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題,即如何調(diào)整無線電參數(shù)取值來實現(xiàn)給定權(quán)重情況下多個目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化[7]。

由于缺少單目標(biāo)函數(shù)的衡量,所以不能從經(jīng)典的優(yōu)化理論來獲得調(diào)整無線電參數(shù)的方法,取而代之的是使用MODE標(biāo)準(zhǔn)來分析無線電性能。MODE理論使得人們可以在與之用來建模的目標(biāo)函數(shù)個數(shù)一樣多的維數(shù)中實現(xiàn)最優(yōu)化,目前遺傳算法已被廣泛用于MODE問題的求解[1]。

MODE理論的核心是用數(shù)學(xué)方法選擇一系列的參數(shù),從而使一組目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化。MODE方法的基本表示如式(1)、式(2)所示:

min/max(y)=f()=),f2(),…,fn()〗(1)

約束條件:

=(x1,x2,…,xm)∈X

=(y1,y2,…,ym)∈Y(2)

其中,所有的目標(biāo)函數(shù)都定義成最大化y或最小化y,最大化或最小化取決于具體的實際應(yīng)用。x的值(即x1,x2等)表示輸入;y值表示輸出。式(1)提供了MODE的表示,但沒有指定優(yōu)化系統(tǒng)的方法。某些目標(biāo)函數(shù)以某種方式進(jìn)行組合會產(chǎn)生最優(yōu)化的輸出。在實踐中可以有很多方法實現(xiàn)最優(yōu)化,目前遺傳算法運(yùn)用最廣泛。

傳統(tǒng)求解多目標(biāo)優(yōu)化問題的方法有加權(quán)法、約束法、目標(biāo)規(guī)劃法等,這些求解方法按某種策略確定多目標(biāo)之間的權(quán)衡方式,將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)換為多個不同的單目標(biāo)問題,并用這些單目標(biāo)優(yōu)化問題的最優(yōu)解構(gòu)成的解集去近似最優(yōu)解。這些方法和每次優(yōu)化結(jié)果,只得到┮桓鐾仔解,而且采用不同的方法求解,結(jié)果可能完全不同。

本文引入的量子粒子群算法用于對MODE問題的求解,同時對于量子粒子群算法進(jìn)行了一些改進(jìn)。量子衍生計算是近年來新提出的一種新的計算方法,引進(jìn)量子理論的進(jìn)化算法具有很好的空間搜索能力。量子多目標(biāo)進(jìn)化算法具有更強(qiáng)逼近最優(yōu)前沿的能力和更好的多樣性,具有量子行為的粒子群算法,能保證全局的收斂性,其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的遺傳算法。

1 量子粒子群算法

1.1 粒子群算法的基本思想

粒子群算法(PSO)是由Kennedy和Eberhart等于1995年率先提出的,它借鑒鳥群捕食過程的社會行為,是一種并行進(jìn)化的計算方法,引入慣性權(quán)重來實現(xiàn)對解空間的搜索控制,逐步形成了目前普遍應(yīng)用的基本粒子群算法[8]。思想是:為將每個個體看作是D維搜索空間中一個沒有體積和質(zhì)量的粒子,在搜索空間中,以一定的速度飛行,并根據(jù)個體和群體飛行經(jīng)驗的綜合分析來動態(tài)調(diào)整這個速度。設(shè)群體中第i個粒子為Xi,它經(jīng)歷過的位置為Pi,其中最佳位置記為Pbest,當(dāng)前組成的群體中所有粒子經(jīng)過的最佳位置記為Pgbest,粒子i速度用vi=(vi1,vi2,…,vid)表示,對第i次迭代,粒子i在D維空間的運(yùn)動方程為:

vid(t+1)=w•vid(t)+c1rand()[pbest-xid(t)]+

c2rand()[Pgbest-x(t)]

xid(t+1)=xid+v(t+1)(3)

式中:w為慣性權(quán)重,它使粒子保持運(yùn)動的慣性,使其有能力探索新的區(qū)域;c1,c2為常數(shù);rand為范圍的隨機(jī)數(shù)。

1.2 量子比特的表示

提出量子比特編碼多態(tài)問題可由式(4):

α1α2…αm

β2β2…βm〗(4)

表示為。通用量子旋轉(zhuǎn)門調(diào)整則相應(yīng)可表示為:

α′iβ′i〗=cos(Δθ)-sin(Δθ)sin(Δθ)cos(Δθ)〗αiβi〗(5)

1.3 量子粒子群算法

從量子力學(xué)的角度出發(fā)提出了一種新的PSO算法模型。這種模型以DELTA勢阱為基礎(chǔ),認(rèn)為粒子具有量子行為,并根據(jù)這種模型,提出了一種具有量子行為的粒子群算法。此算法具有簡單易實現(xiàn)和調(diào)節(jié)參數(shù)少的優(yōu)點(diǎn),具有良好的穩(wěn)定性和收斂性[9]。

借用粒子群中的群智能策略,將這種群的所有量子看成一個智能群體,找到每次迭代過程中局部最優(yōu)解進(jìn)行進(jìn)一步的動態(tài)調(diào)整,其操作過程是:量子粒子i在┑j比特經(jīng)i次迭后,速度、位置、個體最好和全局位置分別為vij(t),θij(t),θbestij,θgbestij,則速度和位置迭代公式為:

vij(t+1)=w•vij(t)+c1rand()+

c2rand()

θij(t+1)=θij(t)+vij(t+1)(6)

本文基于以上量子粒子群算法的基本思想,采用基于Pareto支配關(guān)系的排序關(guān)系來更新粒子的個體最優(yōu)值和局部發(fā)最優(yōu)值,定義一種新的極大極小距離方法,并采用該距離方法裁減非支配解。利用量子粒子旋轉(zhuǎn)門更新粒子的量子角度,提出了一種新的多目標(biāo)優(yōu)法算法。

1.4 基于距離方法的量子粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法

提出用于計算適應(yīng)值的距離方法――量子粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法(Quantum Bit Particle Swarm Optimization,QBPSO),來解決多目標(biāo)優(yōu)化問題。這種方法的基本思想是根據(jù)每個個體到前┮淮獲得的Pareto解之間的距離來分配其適應(yīng)值。它采用外部懲罰函數(shù)將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為無約束問題。其中,參數(shù)r控制懲罰項的幅度,Pi是初始潛在值。

該距離方法對于Pi和r的設(shè)置比較敏感。對于任何不可行解,r的值越高,計算得到的距離值也越高,因此,適應(yīng)值最終接近于0,如果太多,個體的適應(yīng)值為0,搜索將無法進(jìn)行。另外,如果初始潛在值與不同解之間的適應(yīng)值差別會很不明顯。這將導(dǎo)致選擇壓力過小,結(jié)果導(dǎo)致算法收斂速度較慢。另一方面,如果初始潛在值過小,計算得到的適應(yīng)值將趨向于0。

對于每個個體歷史最優(yōu)解的選取,采用以下步驟:

(1) 如果當(dāng)前解支配個體i個歷史最優(yōu)解,則作為歷史最優(yōu)解。

(2) 如果當(dāng)前解不支配i個歷史最優(yōu)解,則比較當(dāng)前解和歷史最優(yōu)解的D(i)值,選擇具有較小D(i)的那個解作為歷史最優(yōu)解[10]。

1.5 慣性權(quán)重的改進(jìn)

慣性權(quán)重類似模擬退火中的溫度,較大的w有較好的全局收斂能力;而較小的w則有較強(qiáng)的局部收斂能力,慣性權(quán)重w滿足:

w(t)=0.9-(0.5t)/MaxNumber(7)

式中:MaxNumber為最大截止代數(shù)。這樣,將慣性權(quán)重w看成迭代次數(shù)的函數(shù),可從0.9~0.4線性減少。

雖然該方法能保證慣性權(quán)重w隨迭代次數(shù)的增加而減小,但在每一代中,所有粒子的慣性權(quán)重均一樣,不能很好地體現(xiàn)每個粒子的支配關(guān)系和擁擠程度。因此,在本文算法中,采用不動態(tài)設(shè)置慣性權(quán)重。

慣性權(quán)重w=群體粒子數(shù)/個體粒子數(shù)N+被粒子I所支配的粒子數(shù)+距離密度D(i)。

可以看出,慣性權(quán)重取值區(qū)間為(0.33,1),在算法當(dāng)前期粒子慣性權(quán)重趨向于后期慣性權(quán)重時,逐漸趨于1,而且在每次迭代過程中各個粒子的慣性權(quán)重也不盡相同,越好的粒子獲得的慣性權(quán)重越小,越差的粒子獲得的慣性的權(quán)重值越大。該方法能更好的平衡和局部搜索,提高算法的收斂速度。

1.6 算法流程

上述量子粒子群算法流程如下:

(1) t0,初始化種群Q(0)。

(2) 對初始化種群的各個體實施測量,得到一組狀態(tài)P(0),并進(jìn)行適應(yīng)度評估。

(3) While 非結(jié)束條件do。

Begin

① tt+1;

② 對于Q(t-1)實施觀測,得到P(t),進(jìn)行適應(yīng)評估;

③ 比較各解,計算各解所支配的解的個數(shù);

④ 計算極大極小距離,求出各Pareto解的D(x)值;

⑤ 利用基于量子門旋轉(zhuǎn)策略更新Q(t)。

End

2 算法驗證及基于某型電臺的最優(yōu)化仿真

本文改進(jìn)的這種基于粒子群化多目標(biāo)優(yōu)化算法,采用新的距離方法,以保持解群體的分布性能,同時,動態(tài)設(shè)置粒子的慣性權(quán)重,有效地保持了算法前期全局搜索和后期局部搜索之間的平衡。以多維0/1背包問題為測試對象,經(jīng)多次實驗結(jié)果表明,該算法具有較好的收劍性和保持解的分布性。該算法能夠快速搜索到多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto前沿,特別對多維、復(fù)雜優(yōu)化問題提供更有效的方法[10]。

下面以某型電臺為例,它是基于硬件的平臺,具有有限的參數(shù)和調(diào)整范圍,所有的物理層特性如表1所示。

在受限制的無線電臺中,量子粒子群算法也是可行的,設(shè)計試驗由WSGA控制的點(diǎn)對點(diǎn)無線電鏈路和作為干擾的第三個同型號的無線電臺組成。

表1 硬件參數(shù)的配置

參數(shù)范圍參數(shù)范圍

頻率5 730~5 820 MHz編碼速率:1/2,2/3,3/4

功率6~17 dBmTDD29.2%~91%

調(diào)制QPSK,QAM8,QAM16

注:QPSK為正交相移鍵控;TDD為時分雙工。

試驗包括建立一條高流量的初始視頻鏈路,當(dāng)出現(xiàn)干擾時,信號質(zhì)量迅速下降且變得無法區(qū)別時,WSGA接著運(yùn)行,目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為最小化BER、最小化發(fā)射功率、最大化數(shù)據(jù)速率、電臺不改變現(xiàn)有的頻率,測試目的是為了測試無線電如何處理其他參數(shù)。

試驗中顯示了在測試中WSGA的良好性能,但仍然希望有更靈活的平臺,這樣就能建立一個軟件無線電(SDR)的物理層仿真,具有更多的可調(diào)參數(shù),以及更大的調(diào)整范圍,如表2,表3所示。

表2 仿真參數(shù)

參數(shù)范圍參數(shù)范圍

功率0~30 dBmPSF滾降系數(shù)0.01~1

頻率2 400~2 480 MHzPSF階數(shù)5~10

調(diào)制MPSK,MQAM符號速率1~20 MSPS

調(diào)制M2~64

表3 仿真試驗條件

函數(shù)

權(quán)重最小頻譜占用最大流量干擾避免

BER255100200

帶寬25510255

頻譜效率100200200

功率22510200

數(shù)據(jù)速率100255100

干擾00255

在此時的無線電仿真參數(shù)和條件下,目標(biāo)函數(shù)為BER、占用帶寬、功率、數(shù)據(jù)速率以及干擾量。

運(yùn)用算法如表3所示,每個目標(biāo)都得到了優(yōu)化,每個結(jié)果BER都為0。

第一試驗:如圖1所示,將占用頻譜最小化為1 MHz。

第二試驗:如圖2所示,將流量最大化為72 Mb/s。

第三試驗:如圖3所示,找到一個嵌入干擾空隙的解。

圖1 占用頻譜最小化為1MHz

圖2 流量最大化為72 Mb/s

圖3 一個嵌入干擾空隙的解

3 結(jié) 語

認(rèn)知無線電的設(shè)計目標(biāo)是優(yōu)化自身的性能,支持用戶需求。當(dāng)無線電在達(dá)到具有一定水平的性能,且滿足用戶需求時,對占用帶寬和電池功率等資源消耗最小時,就實現(xiàn)了優(yōu)化。本文所討論的算法可解決物理層和鏈路層參數(shù)調(diào)整的一些基礎(chǔ)性問題。

參考文獻(xiàn)

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第7篇：量子計算的運(yùn)用范文

關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué) 量子化學(xué)軟件 應(yīng)用

結(jié)構(gòu)化學(xué)是一門從微觀角度研究原子、分子和晶體的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的科學(xué)。這門課程以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)邏輯推導(dǎo)為基礎(chǔ)，建立比較抽象的理論概念，需要學(xué)生具備扎實的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，特別是量子力學(xué)中許多新概念、新方法和新原理，使得學(xué)生普遍感到艱澀難懂，缺乏學(xué)習(xí)的積極性。要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的量子化學(xué)思維，使其能夠運(yùn)用結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識解釋化學(xué)事實、闡明分子結(jié)構(gòu)及揭示化學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，僅用傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難達(dá)到目的。在此介紹比較新穎的量子化學(xué)軟件Gaussian和GaussView，將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過程中，可使枯燥乏味的理論學(xué)習(xí)變得生動形象，大大提高教學(xué)質(zhì)量，取得良好的教學(xué)效果。

一、軟件介紹

Gaussian是目前計算化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最流行、應(yīng)用范圍最廣的商業(yè)化量子化學(xué)計算程序包。它最早是由美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的約翰?波普在上世紀(jì)60年代末、70年代初主導(dǎo)開發(fā)的。Gaussian最早的版本是Gaussian 70，現(xiàn)在常用的是Gaussian 03，最新版本為Gaussian 09。該程序可在不同型號的大型計算機(jī)、超級計算機(jī)及工作站上運(yùn)行，是當(dāng)今理論計算化學(xué)科研工作的基本工具之一。

Gaussian程序是由許多程序相連接的體系，用于執(zhí)行各種半經(jīng)驗和從頭算分子軌道計算。Gaussian 03 可用來預(yù)測氣相和液相條件下，分子和化學(xué)反應(yīng)的許多性質(zhì)，包括：分子的能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、分子體系的振動頻率、NMR、IR和拉曼光譜及熱化學(xué)性質(zhì)、分子軌道、原子電荷、多極矩、電子親和能、離子化勢，等等［1］。

GaussView是與Gaussian配套的輔助圖形軟件，可用于繪圖、文本和結(jié)構(gòu)編輯；顯示結(jié)構(gòu)（從計算輸出文件中讀取優(yōu)化的結(jié)構(gòu)）、振動模式和化合物的分子軌道；查詢鍵長、鍵角、二面角和耦合因子等。

二、計算并顯示分子軌道

分子軌道理論是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。由于“分子軌道”中的軌道不同于經(jīng)典物理中的軌道，指的是分子中的單電子波函數(shù)φi，即分子中每個電子都是在由各個原子核和其余電子組成的平均勢場中運(yùn)動，那么第i個電子的運(yùn)動狀態(tài)用波函數(shù)φi描述，該波函數(shù)又稱為分子軌道［2］。關(guān)于分子軌道的概念理解需要學(xué)生具有較好的抽象思維能力，在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是重點(diǎn)和難點(diǎn)。在講述這部分內(nèi)容時，可用Gaussian軟件計算相關(guān)雙原子分子的分子軌道，并用GaussView演示分子軌道的分布特點(diǎn)、電子填充情況等，幫助學(xué)生很好地理解分子軌道的概念。

下面以N2為例進(jìn)行介紹。首先，用GaussView軟件搭建分子模型、編輯輸入文件，然后用Gaussian 03程序優(yōu)化分子，就可得到各分子軌道能級。Gaussian 03優(yōu)化結(jié)果文件中會具體給出N2的各分子軌道能級大小及其對稱性。用GaussView軟件可顯示優(yōu)化分子的分子軌道形狀，見圖1。

在“分子軌道的對稱性和反應(yīng)機(jī)理”一節(jié)中，涉及前線分子軌道理論、LUMO、HOMO等概念，以及離域π鍵和共軛效應(yīng)，均可用Gaussian 03和GaussView軟件計算并顯示分子軌道形狀，輔助教學(xué)。通過借助這些量子化學(xué)軟件來描述分子軌道，使得過于抽象、艱澀難懂的理論、概念變得生動形象，直觀易懂，易被學(xué)生接受，方便教學(xué)。

三、顯示分子的振動模式

分子光譜是測定和鑒別分子結(jié)構(gòu)的重要實驗手段，也是分子軌道理論發(fā)展的實驗基礎(chǔ)。分子光譜和分子的內(nèi)部運(yùn)動密切相關(guān)。如紅外光譜來源于分子中原子的振動，不同化學(xué)鍵或基團(tuán)具有不同的振動模式，對應(yīng)有不同的特征振動頻率。在講述這一部分內(nèi)容時，如用GaussView給學(xué)生以動畫形式展示每一種振動，可大大提高課堂趣味性。

下面以HO為例，首先用GaussView搭建水分子的分子模型并編輯輸入文件，然后用Gaussian 03軟件進(jìn)行優(yōu)化和頻率計算，最后用GaussView打開結(jié)果文件。打開GaussView中Results下拉菜單下的Vibrations，得到圖2所示的窗口，可以看到3個振動模式。點(diǎn)擊圖2顯示的Display Vibratons文本框中的#1行，可以看到圖2（1）所示的彎曲振動；點(diǎn)擊#2行，可看到圖2（2）所示的2個氫原子的對稱伸縮振動；點(diǎn)擊#3行，可看到圖2（3）所示的2個氫原子的不對稱伸縮振動。每一種振動的振動頻率均可從圖2顯示的Display Vibratons文本框中讀出。點(diǎn)擊Display Vibratons文本框中的start按鈕，可顯示所選振動模式的振動動畫，點(diǎn)擊stop，可停止該振動。點(diǎn)擊spectrum按鈕，可以生成水分子的紅外光譜圖。在課堂上，這樣的動畫演示可使枯燥乏味的知識變得生動活潑，大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化學(xué)的趣味性。

四、結(jié)語

Gaussian 03和GaussView等量子化學(xué)軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止以上幾種，還可以建立和顯示三維分子結(jié)構(gòu)模型、獲得分子化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，等等。總之，常用量子化學(xué)軟件可提供許多具體的量子化學(xué)計算結(jié)果，幫助闡述結(jié)構(gòu)化學(xué)中抽象的概念、理論，讓學(xué)生用分子模擬的方法，通過具體的實踐領(lǐng)悟微觀世界的運(yùn)動規(guī)律、建立抽象的量子化學(xué)思維，提高學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的積極性。

參考文獻(xiàn)：

［1］Gaussian 03中文用戶參考手冊.

第8篇：量子計算的運(yùn)用范文

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)技術(shù)；技術(shù)創(chuàng)新；創(chuàng)新原因

一、電子計算機(jī)發(fā)展中的突破性進(jìn)展及其技術(shù)原因

由于現(xiàn)代社會對于復(fù)雜計算量任務(wù)的需求日益增加，人們迫切需要一種能夠進(jìn)行精確計算的電子設(shè)備，于是電子計算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，在隨后的幾年中，電子計算機(jī)技術(shù)得到了更加迅速的發(fā)展，并取得了很多里程碑式的突破，其主要表現(xiàn)和原因如下：

（一）晶體管技術(shù)與晶體管計算機(jī)的發(fā)明

在第二次世界大戰(zhàn)以前，貝爾實驗室的科研人員發(fā)現(xiàn)了一種能夠使得微弱電流少量的變化，能夠?qū)α硗獾碾娏鳟a(chǎn)生很大影響的材料，人們稱之為“晶體管”；后來，人們逐漸發(fā)展晶體管在工作上不僅能夠替代原有部件的作用，而且能夠更好地提高計算機(jī)的性能，于是一些科研人員開始研究以晶體管計算機(jī)代替原有的電子管計算機(jī)，并確立了讀寫方便的二進(jìn)制，同時人們從中得到啟發(fā)，發(fā)明小型的供個人使用的計算機(jī)將會成為未來計算機(jī)的發(fā)展方向之一。采用晶體管作為主要部件的計算機(jī)被成為“第二代電子計算機(jī)”，并在隨后的時期被廣泛地運(yùn)用，同時為以后的發(fā)展提供了契機(jī)。

（二）集成電路與PC機(jī)時代的到來

通過在發(fā)明晶體管計算機(jī)中的啟發(fā)，通過當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)人們已經(jīng)能夠?qū)⒕w管、二極管和電阻等一些元部件和電路連線在一塊集成電路板上，與普通的電子電路相比，集成電路具有體積小、重量輕、易攜帶、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，而且其可靠性也在逐步提高。后來，人們逐漸認(rèn)識到集成電路的好處，并將集成電路運(yùn)用到電子計算機(jī)的技術(shù)中來，同時將集成電路進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，不僅促進(jìn)了電子計算機(jī)的發(fā)展，而且使得計算機(jī)的成本降低，為未來計算機(jī)的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。

集成電路的發(fā)展不僅推動了電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，而且為PC時代的到來開辟了道路，隨著集成電路被廣泛的應(yīng)用到電子計算機(jī)中，IBM公司首先建立了自己的集成電路工廠，并且在不斷的摸索中，終于制造出了以集成電路為基礎(chǔ)的電子計算機(jī)，從而使得計算機(jī)的發(fā)展到了第三時期。

（三）微處理芯片與英特爾系列

微處理器與集成電路和晶體管并稱為計算機(jī)發(fā)展過程中的三大發(fā)明，可見微處理器對于計算機(jī)發(fā)展的推動力是不可或缺的，這三項發(fā)明分別使得電子計算機(jī)進(jìn)入了新的時代。

當(dāng)時微處理器的發(fā)明人員認(rèn)為可以將復(fù)雜的芯片設(shè)計方案更加簡潔化，在這一啟發(fā)下，計算機(jī)的芯片主要是由只讀存儲器、隨機(jī)存取器和輸入輸出接口和中央處理器組成，在這一結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，研發(fā)人員開始投入到微處理器的試運(yùn)行過程中。

微處理器最終成功地研發(fā)并投入生產(chǎn)，使得整個計算機(jī)產(chǎn)業(yè)向著更加微型化的方向發(fā)展，尤其是在PC機(jī)領(lǐng)域，微處理器的產(chǎn)生，使得很多設(shè)想成為可能。

二、影響現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的科學(xué)技術(shù)因素

科學(xué)家認(rèn)為，電子計算機(jī)的集成度已經(jīng)到達(dá)一個瓶頸時期，在集成電路板上如果再放置具有更強(qiáng)計算能力的部件，容易使得芯片散熱不好，從而影響計算機(jī)的使用壽命。但是，人們對于電子計算機(jī)的要求卻在不斷提高，這一矛盾就導(dǎo)致了科學(xué)家開始尋找其他的路徑來不斷推進(jìn)現(xiàn)代計算機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新，主要包括以下幾點(diǎn)：

（一）人工智能技術(shù)的發(fā)展

隨著計算機(jī)功能和計算性能的進(jìn)一步提高，人們開始思考能否讓計算機(jī)模擬人類的思考和解決問題的模式，從而變得更加智能化，使得能夠進(jìn)一步解放人類勞動。目前為止，計算機(jī)技術(shù)在人工智能的領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的成就，例如：一些專家系統(tǒng)已經(jīng)能夠利用已有的知識幫助人們解決問題，另外一些語音識別技術(shù)能夠解放人們的雙手，通過聲音的錄入就能夠生成文字等等，這些技術(shù)雖然能夠在一定程度上，使得電子計算機(jī)模擬人腦的行為，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法跟人類的智能相媲美，因此在人工智能的道路上，我們還需要更多的研究和突破。

（二）量子力學(xué)的研究推動著量子計算機(jī)的發(fā)展

當(dāng)人們認(rèn)識到傳統(tǒng)的綜合性應(yīng)用的計算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)一個瓶頸時期的時候，人們開始探索能否將計算機(jī)向著專用的方向發(fā)展，例如：人們可以利用量子計算機(jī)進(jìn)行量子計算，但是從傳統(tǒng)的綜合性應(yīng)用的計算機(jī)到量子計算機(jī)的改造是一項復(fù)雜的過程，這一過程中必須要攻克以下幾個難題，例如：去相干的問題和糾錯的問題等等，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)明了量子計算機(jī)并且使得它的應(yīng)用走向成熟，目前，對于量子力學(xué)的不斷研究為量子計算機(jī)的發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)，成為未來電子計算機(jī)發(fā)展的新方向。

（三）光學(xué)為光子計算機(jī)的研究提供可能

光學(xué)的概念來自于愛因斯坦對于光學(xué)的研究，他在研究中發(fā)現(xiàn)與電子相比，光具有以下特點(diǎn)：光子的分辨率比較高；光子的速度更加快；光子的這些特點(diǎn)使得其未來具有更廣闊的應(yīng)用前景。而對于光學(xué)的研究，例如：激光、光纖、光存儲和光顯示等等，以及光學(xué)與光電子學(xué)的結(jié)合，標(biāo)志著現(xiàn)代光學(xué)的誕生，這些技術(shù)的發(fā)展都有力地推動了光子計算機(jī)的發(fā)展。

作為一種全新的計算機(jī)，光子計算機(jī)是以光子作為信息的載體，而且能夠進(jìn)行光運(yùn)算的新型計算機(jī)；在光學(xué)研究的基礎(chǔ)上，目前光子計算機(jī)能夠“與”、“或”、“非”三種基本的運(yùn)算，同時還支持加法的運(yùn)算等等，雖然目前光子計算機(jī)還沒有正式的誕生，但是人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到其優(yōu)勢，也成為計算機(jī)未來發(fā)展的方向之一。

（四）DNA分子邏輯門奠定了DNA計算機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)

DNA計算機(jī)是計算機(jī)科學(xué)與分子生物學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，從此計算機(jī)的發(fā)展又開辟了一個新的領(lǐng)域。DNA分子具有較高的存儲能力和強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力，所以DNA計算能夠解決一些復(fù)雜的問題。DNA計算機(jī)的出現(xiàn)能夠使得計算機(jī)的應(yīng)用場合進(jìn)入到人體內(nèi)甚至細(xì)胞內(nèi)，可以作為一種監(jiān)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)DNA的變化等等，而且還能夠合成一些藥物，用來治療人體的疑難雜癥等等，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但是，目前DNA計算機(jī)的還處于研究過程中，完成對其真正的應(yīng)用尚需時日。

（五）納米技術(shù)的出現(xiàn)使得納米計算機(jī)成為研究熱潮

隨著國際上對于納米技術(shù)的研究，一些納米材料正式誕生，使得全世界投入到了一股研究納米技術(shù)的熱潮中。同樣，人們開始思考利用納米計算機(jī)來實現(xiàn)一些傳統(tǒng)計算機(jī)一些更加強(qiáng)大的功能，例如：可以利用納米技術(shù)制作一些縮微計算機(jī)元件，而且這種納米計算機(jī)一旦研究成功就有可能消耗很少的資源，在性能上也將獲得更大的提高。目前，建造一個芯片生產(chǎn)工廠耗資巨大，使得很多廠商都不堪重負(fù)，但是如果利用納米技術(shù)來制造和生產(chǎn)計算機(jī)的芯片，工廠的占地面積和所需資源等等都將大大降低。

三、影響現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的社會因素

通過以上的分析和論述可知，在計算機(jī)的發(fā)展過程中，很多技術(shù)的研究為計算機(jī)的誕生和發(fā)展提供了契機(jī)，使得現(xiàn)代計算機(jī)朝著很多方向進(jìn)行發(fā)展。但是，影響現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止科學(xué)技術(shù)因素，還與社會因素密不可分，影響現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的社會因素主要有以下幾點(diǎn)：

（一）國家需求對于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展要求

隨著目前世界上各個國家都處速發(fā)展時期，一些工程項目的數(shù)據(jù)和計算復(fù)雜程度逐步增加，采用傳統(tǒng)的計算機(jī)已經(jīng)無法滿足這些需求。因此，必須要對計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。例如：目前的加密技術(shù)正在逐步提高，密文在目前的計算量來講是無法破譯的，但是隨著超級計算機(jī)性能的提高，運(yùn)算速度的加快等等，密碼必須進(jìn)行更嚴(yán)密的運(yùn)算，這就需要超級計算機(jī)來進(jìn)行。超級計算機(jī)能夠使得運(yùn)算速度得到很大提高，可以在國防安全和信息安全等方面起著重要的作用。

（二）人們對于計算機(jī)的需求也是創(chuàng)新因素之一

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)被普遍地推廣和應(yīng)用，人們對于計算機(jī)的需求也在不斷上升，這也成為計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的重要因素之一，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：第一，體積微型化，為了能夠打破時間和空間對于計算機(jī)使用的限制，人們需要一種能夠便于攜帶的、體積更小、續(xù)航能力更強(qiáng)的計算機(jī)，這就促使著計算機(jī)技術(shù)向著更加完善的方向發(fā)展；第二，功能全面化，人們對于計算機(jī)的需求也向著功能更加全面的方向發(fā)展，希望能夠利用一臺計算機(jī)進(jìn)行工作、學(xué)習(xí)和娛樂等等，所以現(xiàn)代的計算機(jī)也正在向著功能更加全面的方向發(fā)展著。

四、面對計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的幾點(diǎn)建議

人們的生活每時每刻都在變動，計算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新也無時無刻不在發(fā)展，面對日新月異的計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新，主要有以下幾點(diǎn)建議：

第一，準(zhǔn)確把握需求，一項新技術(shù)的產(chǎn)生肯定有一定的需求因素為推動力，明確需求才能更好地研究出符合相關(guān)需求的計算機(jī)技術(shù)。

第二，計算機(jī)技術(shù)有著眾多的研究領(lǐng)域，每個研究領(lǐng)域都可能為計算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新提供啟發(fā)，所以在通用計算機(jī)的基礎(chǔ)上研究一些針對專業(yè)領(lǐng)域的計算機(jī)技術(shù)也非常重要，從而能夠更好地促進(jìn)計算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新。

第三，計算機(jī)在給人們帶來方便的同時，也存在著很多隱患，例如：病毒、網(wǎng)絡(luò)攻擊、信息竊取和輻射等問題，不僅影響著人們的健康，而且還威脅著國家的安全，因此我們在致力于計算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新過程中，也需要考慮計算機(jī)帶來的負(fù)面影響。

第四，信息時代的到來，為計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了另一個契機(jī)，隨著人們逐漸認(rèn)識到信息的重要性，人們開始利用計算機(jī)進(jìn)行溝通和交流，所以計算機(jī)的攜帶、功耗、續(xù)航以及成本等問題也成為計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新過程中需要考慮的重要因素。

第五，由于目前計算機(jī)已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用到各個領(lǐng)域，所以計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不僅僅需要本領(lǐng)域相關(guān)知識的支持，而且還需要其他領(lǐng)域知識的配合，在此過程中需要研發(fā)和技術(shù)人員對于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)有著深入的了解，才能夠真正制造出跨領(lǐng)域發(fā)展的計算機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李乃勝.當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿[M].青島：中國海洋大學(xué)出版社，2004年1月出版.

[2]楊華.未來計算機(jī)的發(fā)展趨勢展望[J].黑龍江科技信息，2007年7月.

[3]高文.計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀與趨勢[J].中國科學(xué)基金，2002年1月.

[4]侯躍武.計算機(jī)基礎(chǔ)與實訓(xùn)教材系列：電腦入門實用教程[M].清華大學(xué)出版社，2009年5月出版.

第9篇：量子計算的運(yùn)用范文

關(guān)鍵字：量子光學(xué)，蒙特卡洛方法

中圖分類號：O242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2015）05（c）0000-00

1引言

量子光學(xué)是以輻射的量子理論研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，它最初是從量子電動力學(xué)理論中發(fā)展、演變而來的。它既是量子電動力學(xué)理論的一個重要分支，又是激光全量子理論深入發(fā)展的結(jié)果。同時，量子光學(xué)還構(gòu)成一門新興的應(yīng)用基礎(chǔ)性學(xué)科―光子學(xué)的理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)60年代激光的問世大大地推動了量子光學(xué)的發(fā)展，在激光理論中建立了半經(jīng)典理論和全量子理論。半經(jīng)典理論把物質(zhì)看成是遵守量子力學(xué)規(guī)律的粒子集合體，而激光光場則遵守經(jīng)典的麥克斯韋電磁方程組。在全量子理論中，把激光場看成是量子化了的光子群，這種理論體系能對輻射場的量子漲落現(xiàn)象以及涉及激光與物質(zhì)相互作用的各種現(xiàn)象給予嚴(yán)格而全面的描述。對激光的產(chǎn)生機(jī)理，包括對自發(fā)輻射和受激輻射更詳細(xì)的研究，以及對激光的傳輸、檢測和統(tǒng)計性等的研究是目前量子光學(xué)的主要研究課題[1]。

研究量子光學(xué)現(xiàn)象，一般總是歸結(jié)為研究光場與原子相互作用問題。在很多場合下，可以看做是二能級原子與光場的相互作用。當(dāng)光場或原子或光場與原子組成的系統(tǒng)有能量損失的時候，通常采用熱庫理論，即將該系統(tǒng)能量的損失認(rèn)為是與外界作用的結(jié)果，這作用外界比較大，但對其狀態(tài)一般不加細(xì)致研究，只認(rèn)為其自由度遠(yuǎn)比系統(tǒng)多，因此稱為熱庫。處理熱庫與系統(tǒng)的相互作用常有兩種方法，一是在相互作用繪景或薛定諤繪景中，將整個系統(tǒng)的密度算符方程對熱庫變數(shù)求跡，給出系統(tǒng)約化密度算符滿足的主方程，將熱庫變數(shù)消去，然后利用密度算符的準(zhǔn)幾率表示，將主方程轉(zhuǎn)化為C數(shù)的福克―普朗克方程，最后求解；二是在海森堡繪景（算符變化，態(tài)矢不變）中通過噪聲算符將熱庫作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)力，引入量子的朗之萬方程，然后再求解[2]。

近年來，蒙特卡洛（Monte Carlo）方法，或稱計算機(jī)隨機(jī)模擬方法，被引入量子光學(xué)中來研究小系統(tǒng)與熱庫耦合的模擬演化。蒙特卡洛方法是一種基于“隨機(jī)數(shù)”的計算方法。為了得到具有一定精確度的近似解，所需試驗的次數(shù)是很多的，通過人工方法作大量的試驗相當(dāng)困難，甚至是不可能的。因此，蒙特卡洛方法的基本思想雖然早已被人們提出，卻很少被使用。直至電子計算機(jī)的出現(xiàn)，使得人們可以通過電子計算機(jī)來模擬隨機(jī)試驗過程，把巨大數(shù)目的隨機(jī)試驗交由計算機(jī)完成，并首先在核武器的試驗與研制中得到了應(yīng)用。蒙特卡洛方法是以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的一種方法，由于它能夠比較逼真地描述事物的特點(diǎn)及物理實驗過程，解決一些數(shù)值方法難以解決的問題，因而該方法的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。

在本文中，我們將主要討論在量子光學(xué)中，如何利用蒙特卡洛波函數(shù)方法來模擬單個原子系統(tǒng)的演化過程，并給出了二能級原子在蒙特卡洛波函數(shù)方法模擬過程中的單次演化以及其系綜平均后的演化過程。

2理論推導(dǎo)

用蒙特卡洛方法模擬波函數(shù)的演化，可以把系統(tǒng)的演化分解為幾種可能的波函數(shù)，在 時間內(nèi)，原子有可能發(fā)生躍遷，假設(shè)發(fā)生躍遷的概率為 ，躍遷到各個可能態(tài)的概率分別為 ，那么波函數(shù)在這段時間內(nèi)究竟選擇何種波函數(shù)，我們就可以用蒙特卡洛波函數(shù)方法來模擬。

首先，在[0，1]區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)ε，如果ε> ，說明波函數(shù)沒有發(fā)生躍遷；如果ε< ，說明發(fā)生了量子躍遷，進(jìn)一步的，通過判斷ε落入哪一個概率區(qū)間，可以判斷發(fā)生了何種躍遷。這就是用蒙特卡洛方法模擬隨機(jī)數(shù)演化的基本思想。

一個小系統(tǒng)的蒙特卡洛波函數(shù)演化包括兩個過程：非厄米哈密頓量作用下的緩慢演化和隨機(jī)性的量子躍遷，并在這兩個過程進(jìn)行的每一個時間步長后對波函數(shù)進(jìn)行歸一化[3-5]。

假設(shè)在t時刻二能級原子的狀態(tài)可以用如下波函數(shù)表示：

（1）

我們?nèi)菀椎玫剑?時間內(nèi)，發(fā)生躍遷的幾率為 （其中， 是單位時間的躍遷幾率）由于 非常小，故在觀察的時間內(nèi)，躍遷的幾率還是非常小的。為了確定波函數(shù)的演化方向，我們在[0，1]內(nèi)取均勻分布的隨機(jī)數(shù)ε，一般情況下 ，對應(yīng)的是沒有躍遷的情況，這時只有波函數(shù)的演化，哈密頓量為

（2）

是激光的頻率和原子躍遷頻率的差； 是拉比頻率，表征著偶極子 的原子和光場的耦合。在哈密頓量的作用下，波函數(shù)演化

如果 ，對應(yīng)發(fā)射一個光子的情況。這時候，原子產(chǎn)生自發(fā)輻射，躍遷到基態(tài)

重復(fù)以上過程，我們就可以來模擬波函數(shù)隨時間的演化過程[4]。

3結(jié)果分析與討論

本節(jié)中，我們利用蒙特卡羅波函數(shù)方法來模擬原子初始分別處于基態(tài) （圖1）、激發(fā)態(tài) （圖2）以及疊加態(tài)（圖3）時，原子處于激發(fā)態(tài)的布局?jǐn)?shù)隨時間的演化過程。在以下各圖中，我們令 來表示原子處于激發(fā)態(tài)的布局?jǐn)?shù)。為了計算方便我們?nèi)∠鄳?yīng)的參數(shù) 。

圖1：單次模擬過程，原子處于激發(fā)態(tài)的布局?jǐn)?shù)隨時間的演化，原子初始處于基態(tài) ，相應(yīng)參數(shù)為

圖2：單次模擬過程，原子處于激發(fā)態(tài)的布局?jǐn)?shù)隨時間的演化，原子初始處于激發(fā)態(tài) ，相應(yīng)參數(shù)為

圖3：單次模擬過程，原子處于激發(fā)態(tài)的布局?jǐn)?shù)隨時間的演化，原子初始處于疊加態(tài)，相應(yīng)參數(shù)為

在圖1、圖2和圖3中，大致描繪了系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)的幾率隨時間的演化過程。由于原子的躍遷是一個隨機(jī)過程，某一時刻是否擁有較大幾率不能保證在此時刻發(fā)生躍遷，這可以從圖中直接的顯現(xiàn)出來。斷點(diǎn)處代表原子在此刻發(fā)生了躍遷，波函數(shù)迅速回到基態(tài)。容易理解，初態(tài)的改變并不影響演化的大致行為。

上面討論的是一個二能級原子系統(tǒng)在單次隨機(jī)過程中的波函數(shù)演化，重復(fù)以上操作N次然后求系綜平均，就可以得到一個二能級原子系統(tǒng)的演化過程。在圖4和圖5中，我們給出了原子處于基態(tài)（圖4）和激發(fā)態(tài)（圖5）時激發(fā)態(tài)的布局?jǐn)?shù)隨時間的演化過程。

由圖4和圖5可以看出，隨著演化過程的進(jìn)行，系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)的幾率首先呈現(xiàn)一定的振蕩趨勢，最后逐漸趨于0.5。躍遷幾率也趨于穩(wěn)定。

圖4：系綜平均之后，原子處于激發(fā)態(tài)的布局?jǐn)?shù)隨時間的演化，原子初始處于基態(tài) ， 運(yùn)行次數(shù) ，相應(yīng)的參數(shù)分別為

圖5：系綜平均之后，原子處于激發(fā)態(tài)的布局?jǐn)?shù)隨時間的演化，原子初始處于激發(fā)態(tài) ，運(yùn)行次數(shù) ，相應(yīng)的參數(shù)分別為

4總結(jié)

近年來，量子光學(xué)領(lǐng)域已取得了一系列重大進(jìn)展和輝煌成就，量子光學(xué)的研究對象之一就是小系統(tǒng)與耗散場的相互作用。在本篇論文中，我們運(yùn)用蒙特卡洛模擬方法分析了單原子系統(tǒng)在耗散場中的演化情況。此演化過程包括兩個部分：非厄米哈密頓量的演化和隨機(jī)性的量子躍遷，并在每個時間步長后對波函數(shù)進(jìn)行歸一化。這樣，我們得到了任意時刻系統(tǒng)的波函數(shù)。從得到的圖中可以直觀的看出系統(tǒng)躍遷發(fā)生的時間點(diǎn)以及躍遷幾率的變化趨勢。最后，我們還給出了系綜平均后原子系統(tǒng)的演化過程。

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