量子計算的基本原理精選(九篇)

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第1篇：量子計算的基本原理范文

本書將從物理、技術和設備操作方面對使用硅及相關合金制備的光子器件進行概述，包括以下內容：1硅光子學概述，從介紹VLSI的發展過程以及存在的問題出發引出本書將要講述的內容；2硅的基本性能，介紹了硅能帶結構、狀態密度函數和雜質，并講述了硅基異質結和異質結構的性質；3量子結構，對量子阱、量子線和點、超晶格、Si基量子結構進行了講述；4光學過程，主要講述了半導體中相關光學過程基本理論，包括光學常數、基本概念以及光吸收、發射等理論；5量子結構中的光學過程，主要講述量子井、量子線和量子點這些納米結構中的光學過程的基本原理；6硅光發射器，主要講述了半導體發光基本原理，以及具體半導體光發射器，并對激發光發射進行展望；7硅光調制器，主要講述了光調制相關的一些基本物理效應以及硅的電折射效應和熱光效應，介紹了光調制器一些特性以及相關的光、電結構，最后講述了高帶寬光調制器；8硅光電檢測器，介紹了光電檢測器原理以及重要性質，講述了一些具體的光電檢測器；9拉曼激光，主要講述了拉曼激光的概念、簡化理論、硅的拉曼效應，并對拉曼系數進行了介紹，最后具體講述了一種連續波拉曼激光；10導光波導言，介紹了光導的射線光理論以及反射系數，講述了集中具體的波導：平面波導模型、光導波理論、3D光波導，最后講述了波導損耗、波導與光器件的耦合；11平面波導器件原理，講述了平面波導耦合模型、直接耦合器、分布式布拉格反射鏡，并具體講述了一些平面波導器件；12用于密集波分復用系統的波導，主要講述了陣列波導光柵的結構、工作原理和特性，介紹了提高陣列波導光柵性能的方法，列舉了具體應用；13制備工藝及材料系統，主要講述了光電子器件制備的主要工藝及材料處理方法。

本書描繪了硅光子學器件的基本工作原理和結構，并深入講述了硅光子學現在發展以及展望了硅光子學未來，可以作為高等院校高年級本科生和研究生的教材和參考書，也可作為半導體光子學、光電集成、光電子器件、信息網絡系統、計算機光互連及相關技術領域的科研人員、工程技術人員的參考書。

作者M. Jamal Deen是加拿大McMaster大學的教授， IEEE Transactions on Electron Devices的編輯，Fluctuations and Noise Letters的執行編輯，加拿大皇家學會會士，加拿大工程院院士， IEEE院士， 美國物理學會會士。他目前的研究領域是：微米納米電子學、光電子學及其在生命和環境科學中的應用。

第2篇：量子計算的基本原理范文

關鍵詞：量子力學；教學探索；普通高校

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0212-02

一、概論

量子力學從建立伊始就得到了迅速的發展，并很快融合其他學科，發展建立了量子化學、分子生物學等眾多新興學科。曾謹言曾說過，量子力學的進一步發展，也許會對21世紀人類的物質文明有更深遠的影響[1]。

地處西部地區的貴州省，基礎教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分數線，從中可知：自2009年起二本線已經低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學校來講，其生源質量相對較低。同時，在物理學（師范）專業大部分學生畢業后的出路主要是中學教師、事業單位一般工作人員及公務員，對量子力學的直接需求并不急切。再加上量子力學的“曲高和寡”，學生長期以來形成學之無用的觀念，學習意愿很低。在課時安排上，隨著近年教育改革的推進，提倡重視實習實踐課程、注重學生能力培養的觀念的深入，各門課程的教學時數被壓縮，量子力學課程課時從72壓縮至54學時，課時被壓縮25%。

總之，在學校生源質量逐年下降、學生學習意愿逐年降低，且課時量大幅減少的情況下，教師的教學難度進一步增大。以下本人結合從2005至10級《量子力學》的教學經驗，談一下教學方面的思考。

二、依據學生情況，合理安排教學內容

1.根據班級的基礎區別化對待，微調課程內容。考慮到我校學生的實際情況和需要，教學難度應與重點院校學生有差別。同時，通過前一屆的教學積累經驗，對后續教學應有小的調整。在備課時，通過微調教學內容來適應學習基礎和能力不同的學生。比如，通過課堂教學及作業的反饋，了解該班學生的學習狀態，再根據班級學習狀況的不同，進行后續課程內容的微調。教學中注重量子力學基本概念、規律和物理思想的展開，降低教學內容的深度，注重面上的擴展，進行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學生克服學習的畏難心理。

2.照顧班內大多數，適當降低數學推導難度。對于教學過程中將要碰到的數學問題，可采取提前布置作業的方法，讓學生主動去復習，再輔以教師課堂講解復習，以解決學生因為數學基礎差而造成的理解困難。同時，可以通過補充相關數學知識，細化推導過程，降低推導難度來解決。比如：在講解態和力學量的表象時[2]，要求學生提前復習線性代數中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學生掌握相關的數學知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數起了很大的推動作用。

3.注重量子論思想的培養。量子論的出現，推動了哲學的發展，給傳統的時空觀、物質觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識格格不入，一切不再連續變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學生數學基礎較差，不愿意動手推導，學習興趣較低，量子力學的教學，對學生量子論思維方式的培養就顯得尤為重要。為了完成從經典理論到量子理論思維模式的轉變，概念的思維方式是基礎、是重中之重。通過教師的講解，使學生理解量子力學的思考方式，并把經典物理中機械唯物主義的絕對的觀念和量子力學中的概率的觀念相聯系起來，在生活中能夠利用量子力學的思維方式思考問題，從而達到學以致用的目的。

4.跟蹤科學前沿，隨時更新科研進展。科學是不斷向前發展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領域的最新研究成果，不能在教材中得到及時體現。而發生在眼下的事件，最新的東西才是學生感興趣的。因此，我們可以利用學生的這種心理，通過跟蹤科學前沿，及時補充量子力學進展到教學內容中的方式，來提高學習量子力學的興趣。教師利用量子力學基本原理解釋當下最具轟動性的科技新聞，提高量子力學在現實生活中出現的機會，同時引導學生利用基本原理解釋現實問題，從而培養學生理論聯系實際的能力。

三、更新教學手段，提高教學效率

1.拓展手段，量子力學可視化。早在上世紀90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學輔助教學軟件，并在此基礎上出版了《圖解量子力學》。該書采用二維網格圖形和動畫技術，形象地表述量子力學的基本內容，推動了量子力學可視化的前進。近幾年計算機運算速度的迅速提高，將計算物理學方法和動畫技術相結合，再輔以數學工具模擬，應用到量子力學教學的輔助表述上，使量子力學可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會得到提高。

2.適當引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準關系時，初學者往往覺得它很難理解。由于這個原理和已經深入人心經典物理概念格格不入，因此初學者往往缺乏全面、正確的認識。有學生根據漢語的字面意思認為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時教師引入英文“Uncertainty principle”可使學生通過英文原意“不確定原理”知道，這個原理與“測量”這個動作的實施與否并沒有絕對關系，也就是說并不是測量了力學量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學中物質的波粒二象性的基本原理。

3.提出問題，引導學生探究。對于學習能力較強的學生，適當引入思考題，并指導他們解決問題，從而使學生得到基本的科研訓練。比如，在講解氫原子一級斯塔克效應時，提到“通常的外電場強度比起原子內部的電場強度來說是很小的”[2]。這時引入思考題：當氫原子能級主量子數n增大時，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當確定精度要求后，微擾論在討論較高激發態時，這個n能達到多少？學生通過對問題的主動探索解決，將進一步熟悉微擾論這個近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學生對知識點的理解，還可以得到基本的科研訓練，從而引導學生走上科研的道路。

4.師生全面溝通，及時教學反饋。教學反饋是教學系統有效運行的關鍵環節，它對教和學雙方都具有激發新動機的作用。比如：通過課堂提問及觀察學生表情變化的方式老師能夠及時掌握學生是否理解教師所講的內容，若不清楚可以當堂糾正。由此建立起良好的師生互動，改變單純的灌輸式教學，在動態交流中建立良好的教學模式，及時調整自己的教學行為。利用好課程結束前5分鐘，進行本次課程主要內容的回顧，及時反饋總結。通過及時批改課后作業，了解整個班級相關知識及解題方法的掌握情況。依據反饋信息，對后續課程進行修訂。

通過雙方的反饋信息，教師可以根據學生學習中的反饋信息分析、判定學生學習的效果，學生也可以根據教師的反饋，分析自己的學習效率，檢測自己的學習態度、水平和效果。同時，學生學習行為活動和結果的反饋是教師自我調控和對整個教學過程進行有效調控的依據[6]。

四、結論

量子力學作為傳統的“難課”，一直是學生感到學起來很困難的課程。特別是高校大擴招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質量下降、學生學習意愿不高的現狀，造成了教師教學難度進一步增大。要增強學生的學習興趣，提高教學質量，教師不僅要遵循高等教育的教學規律，不斷加強自身的學術水平，講課技能，適時調整教學內容，采取與之相對應的教學手段，還需要做好教學反饋，加強與學生的溝通交流，了解學生的真實想法，并有針對性的引入與生活、現實相關的事例，提高學生學習量子力學的興趣。

參考文獻：

[1]曾謹言.量子力學教學與創新人才培養[J].物理，2000，（29）：436.

[2]周世勛，陳灝.量子力學教程[M].高等教育出版社，2009：101.

[3]楊林.氫原子電子概率分布可視化及其性質研究[J].綏化學院學報，2009，（29）：186.

[4]常少梅.利用Mathematica研究量子力學中氫原子問題[J].科技信息，2011，（26）：012.

[5]喻力華，劉書龍，陳昌勝，項林川.氫原子電子云的三維空間可視化[J].物理通報，2011，（3）：9.

第3篇：量子計算的基本原理范文

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物，根據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。

根據量子計算原理設計的量子計算機是實現量子計算的最好體現。量子計算機是利用微觀粒子狀態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，并利用量子態的疊加性、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，從本質上改變了傳統的計算理念。

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實現信息傳遞的通訊方式。量子的糾纏態是指：相互糾纏的兩個粒子無論被分離多遠，一個粒子狀態的變化都會立即使得另一個粒子狀態發生相應變化的現象。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和量子糾纏的分發。與傳統的通信技術相比，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

計算機要處理數據，必須把數據表示成計算機能夠識別的形式。與經典計算機不同，量子計算機用量子位來存儲信息，量子位的狀態既可以是0態或1態，也可以是0態和1態的任意線性疊加狀態。一個n位的量子寄存器可以處于 個基態的相干疊加態 中，即可以同時存儲 種狀態。因此，對量子寄存器的一次操作就相當于對經典計算機的 次操作，也就是量子的并行性。

2.2.量子邏輯門

對量子位的態進行變換，可以實現某些邏輯功能。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，實現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 是希爾伯特空間（Hilbert空間）的單位向量，實現酉變換后希爾伯特空間，在希爾伯特空間內仍為單位向量。【4】

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。目前大致五類優于已知傳統算法的量子算法：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的量子仿真算法，“相對黑盒”指數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年提出大數質因子分解量子算法，而大數質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，在多項式時間內很有效地解決該問題。這對RSA的安全性有著巨大的挑戰。

Shor算法的基本思想是：利用數論相關知識，通過量子并行特點，獲得所有的函數值；再隨機選擇比自變量小且互質的自然數，得到相關函數的疊加態；最后進行量子傅里葉變換得最后結果。構造如下函數：

就目前而言，該算法已經相對成熟，對其進行優化的空間不大。目前研究者的改進工作主要是：通過對同余式函數中與N互質的自然數選擇的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其實現，對量子密碼學和量子通信的發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 個數據庫的搜索問題，其中搜索的解恰好有 個，將數據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 。【8】將搜索問題表示成從0到 的整數 ，其中函數 定義為：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 。【12】

具體算法如下：

（1）初始化。應用Oracle算子 ，檢驗搜索元素是否是求解的實際問題中需要搜索的解。

（2）進行Grover迭代。將結果進行阿達馬門（Hadamard門）變換。

（3）結果進行 運算。

（4）結果進行阿達馬門變換。【12】

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：量子人工神經網絡，量子進化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經網絡算法和量子進化算法已經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量的信息。同時通過量子門的旋轉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應用于許多領域，例如：工程問題、信息系統、神經網絡優化等。同時，伴隨著量子算法的理論和應用的進一步發展，量子進化算法等量子智能算法有著更大的發展前景和空間。

參考文獻

1.王書浩，龍桂魯.大數據與量子計算

2.張毅，盧凱，高穎慧.量子算法與量子衍生算法

3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558

4.吳楠，宋方敏。量子計算與量子計算機

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

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

7.王蘊，黃德才，俞攸紅.量子計算及量子算法研究進展.

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

9.龍桂魯.量子計算算法介紹

10.解光軍，范海秋，操禮程.一種量子神經計算網絡模型

第4篇：量子計算的基本原理范文

關鍵詞：量子點 發光 量子點尺寸效應

近幾年來，寬禁帶半導體發光材料引起人們極大的興趣，是因為這些材料在藍光及紫外光發光二極管、半導體激光器和紫外光探測器上有重要的應用價值。這些器件在光信息存儲、全色顯示和紫外光探測上有巨大的市場需求，人們已經制造出III族氮化物和ZnSe等藍光材料，并用這些材料制成了高效率的藍光發光二極管和激光器，這使全色顯示成為可能。量子點（QuantumDot）憑借自身獨特的光電特性越來越受到人們的重視，成為研究的熱點。

由于量子點所具有的量子尺寸、量子隧穿、庫侖阻塞、量子干涉、多體關聯和非線性光學效應非常明顯，故在低維量子結構的研究中，對載流子施以盡可能多的空間限制，制備零維量子點結構并開發其應用，受到世界各國科學家和企業家的高度重視。

1、半導體量子點的制備方法

高質量半導體量子點材料的制備是量子器件和電路應用的基礎，如何實現對無缺陷量子點的形狀、尺寸、面密度、體密度和空間分布有序性等的可控生長，一直是材料科學家追求的目標和關注的熱點。

應變自組裝量子點結構生長技術是指在半導體外延生長過程中，由于襯底和外延層的晶格失配及表面、界面能不同，導致外延層島狀生長而制得量子點的方法。這種生長模式被稱為SK生長模式。外延過程的初期為二維平面生長，平面生長厚度通常只有幾個原子層厚，稱為浸潤層。隨浸潤層厚度的增加，應變能不斷積累，當達到某一臨界層厚度時，外延生長則由二維平面生長向三維島狀生長過渡，由此形成直徑為幾十納米、高度為幾納米的小島，這種材料若用禁帶較寬的材料包圍起來，就形成量子點。用這種方法制備的量子點具有尺寸小、無損傷的優點。用這種方法已經制備出了高質量的GaN量子點激光器。

化學自組裝量子點制備方法是一種通過高分子偶聯劑將形成量子點的團簇或納米顆粒聯結起來，并沉積在基質材料上來制備量子點低維材料的方法。隨著人們對量子線、量子點制備和應用的迫切需求，以上物理制備方法顯得費時費力，特別是在批量制備時更是如此，化學自組裝為納米量子點的平面印刷和納米有機-無機超晶格的制備提供了可能。由于化學自組裝量子點的制備具有量子點均勻有序、制備速度快、重復性好等優點，且選用不同的偶聯劑可以對不同的量子點前驅顆粒進行不同對稱性的組裝，從而能制備出不同的量子點。它的出現為批量制備高功率半導體量子器件和激光器提供了一種有效的途徑，因此這種方法被認為是制備量子點最有前途的方法之一。

2、 II-VI族半導體量子點的發光原理和發光特性

2.1 發光原理

半導體量子點的發光原理（如圖1-1所示），當一束光照射到半導體材料上，半導體材料吸收光子后，其價帶上的電子躍遷到導帶，導帶上的電子還可以再躍遷回價帶而發射光子，也可以落入半導體材料的電子陷阱中。當電子落入較深的電子陷阱中的時候，絕大部分電子以非輻射的形式而猝滅了，只有極少數的電子以光子的形式躍遷回價帶或吸收一定能量后又躍遷回到導帶。因此當半導體材料的電子陷阱較深時，它的發光效率會明顯降低。

2.2 發光特性

由于受量子尺寸效應和介電限域效應的影響，半導體量子點顯示出獨特的發光特性。主要表現為：（1）半導體量子點的發光性質可以通過改變量子點的尺寸來加以調控；（2）半導體量子點具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對稱的熒光譜峰（半高全寬只有40nm）；（3）半導體量子點具有較高的發光效率。半導體量子點的發光特性，除了量子點的三維量子限制作用之外，還有其他諸多因素需要考慮。不過人們通過大膽嘗試與努力探索，已在量子點的發光特性研究方面取得了很大的進展。

3、量子點材料的應用

鑒于量子點的獨特理化性質，科學工作者就量子點材料的應用研究開展了大量的工作，研究領域主要集中在納米電子學、光電子學、生命科學和量子計算等領域，下面介紹一下量子點在這些方面的應用。

3.1量子點激光器

用量子線或量子點設計并制作微結構激光器的新思想是由日本的兩名年輕的科學家在1982年提出了，但是由于制備工藝的難度很大而擱淺。隨著技術的進步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技術，通過 Stranski―Krastanow（S―K）模式生長In（Ga）As/GaAs自組裝量子點等零維半導體材料有了突破性的進展，生長出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發射率較高的InAs量子點，并于1994年制備出近紅外波段In（Ga）As/GaAs量子點激光器。

3.2量子點紅外探測器

半導體材料紅外探測器的研究一直吸引人們非常廣泛的興趣。以量子點作為有源區的紅外探測器從理論上比量子阱紅外探測器具有更大的優勢，這些優勢包括：（1）量子點探測器可以探測垂直入射的光，無需像量子阱探測器那樣要制作復雜的光柵；（2）量子點分立態的間隔大約為50meV-70meV，由于聲子瓶頸效應，電子在量子點分立態上的弛豫時間比在量子阱能態上長，這有利于制造工作溫度高的器件；（3）三維載流子限制降低了熱發射和暗電流；（4）探測器不需冷卻，這將會大大減少陣列和成像系統的尺寸及成本。因此，量子點探測器已經成為光探測器研究的前沿，并取得了重大進展。

3.3 單電子器件

電子器件是基于庫侖阻塞效應和單電子隧道效應的基本原理，通過控制在微小隧道結體系中單個電子的隧穿過程來實現特定功能的器件，是一種新型的納米電子器件。

3.4 量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合單電子量子點上的自旋態來構造量子比特，實現信息傳遞的方法。

除此之外，量子點在生物化學、分子生物學、細胞生物學、基因組學、蛋白質組學、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應用前景。

結束語 我們相信量子點技術應用的未來出現很多奇跡，隨著對量子點的深入研究，其在各個領域的應用前景還將更加廣闊。

參考文獻

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第5篇：量子計算的基本原理范文

Gabriel, USA

The Shaggy Steed of Physics

Mathematical Beauty in

the Physical World

Second Edition

2004, 300 pp.

Hardcover EUR 54.95

ISBN 0-387-40307-8

戴維.奧立弗 著

宇宙為我們呈現出很多感性的存在，在這些感性的存在中隱藏了物理學內部的景象；這些宇宙的內部圖景雖然被遮在面紗下，卻吸引著我們，引導著我們尋找太陽、月亮、星星運動背后的潛在原因，探索所有物質運動的基本形態，發現所有地球上紛繁蕪雜的物質背后所隱藏的統一性。宇宙的內部特性是包裹在其外部燦爛外表之下的充滿精密和美的圖景，這個關于物質和運動，無論是可感知還是不可感知的圖景就是數學。

當我們感知到世界是數學的，已經令我們驚訝不已。自然世界為我們呈現出一種充滿數學對稱的美；然而，自然界的粗糙外部表象所創造出來的層層迷霧，屏蔽了我們對于數學的精妙的認知，這些迷霧卻往往是物理的。數學和物理的共鳴，創造性的發展著彼此。于是，雖然宇宙的感性表象以一種開放的方式呈現出來，但是，宇宙的物理表象，正如其隱藏在數學中一樣，需要我們通過研究來發現出來。這就是本書想要告訴讀者的大部分思想。

全書共分7章。第1章物理的野馬，引用了一則愛爾蘭傳說，為我們回顧了物理學的歷史；第2章天堂和元素，概述了宏觀世界和微觀世界所遵循的不同物理原則；第3章運動定律，描述了運動學的基本原理；第4章經典力學：天堂，描述了宏觀世界物質和運動所遵循的物理原理――經典力學；第5章量子力學：元素，描述了微觀世界粒子所遵循的物理原理――量子力學；第6章時空的潛在統一性，介紹高速情況下物質所體現出的相對論特性；第7章多維的宇宙，主要介紹混沌所表現出來的無序和驚人的物理效應。

本書適合物理學研究生和研究人員閱讀，也適合對物理學感興趣的人員閱讀參考。

丁丹，碩士生

(中國科學院計算技術研究所)

第6篇：量子計算的基本原理范文

關鍵詞：有限元方法；電動力學；應用

中圖分類號：O442-4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）35-0113-02

光量子就是一種“左”和“右”的奇異偏振粒子，由于偏振的對稱或不對稱，而發生光波在干涉過程中的系統偏振化。蘇聯科學家瓦維洛夫設計的許多光學實驗，十分有趣地說明了光的偏振是光學過程的基本現象之一。所有的實驗都表明，光是一種粒子現象，而一切單色的運動的微觀粒子群都表現為粒子的波的本性。

1 電動力學原理

1.1 光量子

電子是一個小旋渦體。光量子是由2個質量相等、自旋相反的電子在小黃道面（E平面）上結合的雙粒子。

以化學鍵結合的電子偶，由于在雙電子中間結合帶，質點所受向心力被抵消，使質點沿圓切線方向被拋出，在反沖力推動下，光量子會沿曲率半徑為無限大的圓“自己運動”，因此，光量子的靜止質量等于零。在處理光量子運動學問題時，可將它比成一個按周期間歇振蕩，在時間與空間中補充燃料質量近似等于噴出燃料質量，自己推進的小火箭。因為光量子是由2個電子在E平面上結合而成的，所以它是偏振的，有EHc。圖1表示電子偶在小黃道面上的物質旋渦運動呈疏密相間的條帶分布（類似太陽系中的小行星環縫）。由于共振效應，雙電子只能停留在各物質環縫上結合。這些環縫是光量子的能級En。處于不同分立能級狀態下結合的雙電子的中心距an不同，其電子的質量虧損也不同。an愈小的光量子有愈大的能級。光量子的能級表征了它特有的固有振動頻率。是每個光量子的固有振動頻率決定了光的顏色，并與光波波長有密切關系。

自旋電子的場的開放性使單個電子很難單獨游離存在，所以，電子團一般都是由偶數個“左”和“右”自旋的單電子在E平面上結合形成的。而由奇數個單電子組成的總自旋角動量不為零的電子鏈條通常是不穩定的衰變粒子團。每一個電子團的固有振動頻率為vc，其中每個電子的瞬時振動速度為光速±C并具有內能mec2。不同的光量子所需外場激發能量不同。在電場中的電子團受電場力被加速。外場所做的功除表現為電子團的動能增加外，由于阻力，所以還表現在對電子團壓縮變形的質量虧損上。因此，在電場中運動的電子團，根據瞬時速度不同，被壓縮的能級狀態也不同。不同能級狀態下的電子團有不同的固有振動頻率vc，恰恰是這個固有振動頻率vn記憶了能量壓縮過程。取在放電管中電子團的固有振動頻率最大值vmax，平均振動頻率v=■，當時v=c，就有下面電動力學的基本方程：

式中，me為單電子的質量，h為普朗克常數。

當在放電管中充滿某種氣體分子，且在氣體第一電離電位臨界點上，氣體電離原子的主振頻率等于電子團的平均固有振動頻率vn時，則發生電子團在共振中被破壞，分散成在一個平面上對稱輻射的2個或3個光量子（單態或三重態），形成最強的線狀光譜的輻射。

1.2 粒子的干涉和光波的內部結構

因為微觀粒子質量很小，粒子之間開放鍵的作用相對很強，所以，任何兩個電子團或光量子，在小夾角的碰撞中都表現為粒子最原始的干涉形式。我們把這種碰撞叫做“吸引碰撞”或“排斥碰撞”。例如，兩個沿同方向，在E平面上以小夾角相遇的光量子，因為互相靠近的電子自旋方向相反則互相吸引，使在“吸引碰撞”后的兩個光量子沿其速度矢量夾角平分線ψ方向運動。而兩個向反方向運動的光量子在E平面上相遇時，由于互相靠近的電子自旋方向相同而發生“排斥碰撞”相互分離。其他各種偏振的、對稱或是不對稱的碰撞形式，讀者可以自己研究。例如，偏振面互相垂直的兩個光量子，相互碰撞就不能發生干涉現象。光量子在干涉或界面反射過程中往往發生系統的偏振化，成為圓偏振光或橢圓偏振光。

在空間中任何按一定平均自由程分布的“單色偏振態相同或相近微觀粒子群”都能發生上述粒子的干涉現象。光波就是由光量子組成的、自己推進的粒子波。在光源的附近就已經發生干涉所形成的光線上，包含著許多長程無序分布的“線波包”。在每個“線波包”內是由光源在一次輻射，經過干涉而聚集的光量子。光量子在“線波包”內排列是有序的，前后兩組光量子之間的距離為 mλ（m是正整數，λ是波長）。

如圖2所示，由一次輻射所分開的兩條相干光線上，當“線波包”之間的光程差小于它本身的長度時，在一定干涉孔徑條件下，兩條光線能夠發生干涉。在圖2中給定的初始條件下，從小孔光源S或S’毫無規律地向任意方向輻射的光量子，只能在與S7或S兩個點的理論波陣面上，光程差L=mλ上各點相遇，相遇后的兩組光量子在干涉后沿其速度矢量夾角平分線上的ψ方向運動，這個方向就是光線干涉后的傳播方向。光波的干涉不是充滿在整個空間的粒子毫無規則的彈性碰撞，而是以“線波包”中光量子相遇的“吸引碰撞”或“排斥碰撞”發生的光量子在光線方向上的集中，這表現為光波能量在干涉過程中的重新分布。

2 有限元法及其在“電動力學”中的應用

有限元法是隨著電子計算機的發展而迅速發展起來的一種現代計算方法。它是20世紀50年代首先在連續體力學領域應用的一種有效的數值分析方法，隨后很快廣泛地應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續性問題。有限元法的基本思想是：在變分法或加權余量法基礎上，采用分塊逼近而形成的系統化的數值計算方法。有限元法的基本原理是：首先將求解區域進行離散化，其次剖分成若干互相連接而又不重疊的一定幾何形狀的子區域，這樣的子區域稱為單元（二維問題的子區域，一般取為三角形區域或矩形區域）。在單元體中選擇基函數，用單元基函數的線性組合來逼近單元中的真解，而總體基函數可以由單元基函數組成。也就是說，有限元方法是根據變分原理和方程余量與權函數正交化原理建立起的積分表達式為出發點，將整個積分區域中的求解函數離散為若干單元區域中的連續函數，再通過單元積分，總體合成為代數方程形式的有限方程。對于二維情況，拉普拉斯方程及邊界關系為：

與有限差分法等其他數值方法相比，有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，但局限性在于只適用于相對小的子域。20世紀60年代初首次提出結構力學計算有限元概念的克拉夫（Clough）形象地將其描繪為：“有限元法——Ray—leigh Ritz法+分片函數”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。與求解滿足整個定義域邊界條件的允許函數的Rayleigh Ritz法（往往是很困難的）相比，有限元法將函數定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數），且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優于其他近似方法的原因之一。由于有限元法的重要應用，現在已經開發出了許多關于有限元法的通用程序與軟件。

與差分法比較，有限元素法的節點配置方式比較靈活，因此適用于處理形狀比較復雜的區域。它的邊界節點完全處在區域的邊界上，從而在邊界上可以給出較好的逼近。當邊界比較復雜的時候，有限差分法是很難處理的，而且誤差也較大，有限元素法還可以根據具體情況的需要，在一部分求解區域中配置較密的節點，而在另一部分求解區域中配置較稀疏的節點，以便在盡量不增加過多的節點總數下，提高計算精度，這些長處是有限差分法很難實現的。當然，差分法采用直交網格，列計算格式比較簡便，而有限元素法由于節點配置比較任意，列計算格式就要復雜得多，不過這些計算格式都可以在電子計算機上自動運算。

參考文獻：

[1] 沈豐，王輝.電磁散射問題中的頻域有限元算法[J].通信技術，2011，（3）.

[2] 陳杰夫，鄭長良，鐘萬勰.電磁波導的奇異元與對偶有限元分析[J].計算力學學報，2007，（2）.

[3] 帥詞俊，段吉安，王炯，等.光纖耦合器熔融拉錐粘彈性建模與分析[J].中南大學學報（自然科學版），2006，（1）.

[4] 鄭成博，劉彬，王作君，等.電動力學電磁場邊值問題的廣義變分原理[J].應用數學和力學，2010，（4）.

第7篇：量子計算的基本原理范文

【關鍵詞】超聲波；測距；定位

1.前言

本設計的主要應用是eBeam白板，該系統是通過吸附于普通白板左右上角的兩個接受器接受并傳送白板筆在書寫時發出的超聲波至本地計算機，從而將寫于白板的任何筆跡及現場聲音記錄于本地計算機，并可通過internet及時傳送給遠端計算機。

2.總體方案設計

本設計采用超聲波發生與接收一體的裝置，通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差，然后計算出相應的距離。

假設聲波室溫下在空氣中的速度為340米/秒，AT89CC51計算系統與目標間的距離并采用LED將其顯示在四位的LED顯示器上。距離以米為單位顯示，精度為1cm。

本系統由超聲波測距系統及定位系統兩部分組成。

3.超聲波測距系統的設計

3.1 系統概述

單片機發出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差，然后計算出相應的距離。

3.2 系統硬件設計

本系統主要電路又單片機主機系統電路、超聲波發射、接收電路、LED顯示電路。

3.2.1 單片機主機系統電路

本電路由AT89C51主機、時鐘、復位電路及報警電路組成。

3.2.2 超聲波發射電路

超聲波發送器包括超聲波產生電路和超聲波發射控制電路兩個部分，超聲波探頭選用CSB40T，可利用軟件產生40kHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波。

3.2.3 超聲波接收電路

超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波接收電路的作用是對接收的超聲波信號進行放大，并將該信號處理成系統可以接收的電平信號。

3.2.4 LED顯示電路

常用的測量數據的顯示器有發光二極管顯示器（簡稱LED或數碼管）和液晶顯示器（簡稱LCD）。由于系統要顯示的內容比較簡單，顯示量不多，所以選用數碼管既方便又經濟。

3.3 系統軟件設計

本設計采用模塊化設計，由主程序、發射子程序、查蟓接收子程序、定時子程序、顯示子程序等模塊組成，軟件原理圖如圖2—1。

3.3.1 系統主程序設計

本設計首先對計時器和計數器進行初始化，將超聲波發射端和接受端全部置1，接著檢查按鍵，然后開始進行測量子程序，測量之后再將數據用LED數碼管顯示出來。

3.3.2 超聲波測距程序主程序流程圖如圖2—2

主程序調用測量子程序，計算子程序，顯示子程序完成一個測量周期。

3.3.3 測量子程序流程圖如圖2—3

4.超聲波定位系統的設計

4.1 基本原理

在空間的某些固定位置上設立超聲波發射裝置，主體上設立接收器（反之亦可）。分別測量主體到各發射點的距離，經過計算后便可得到主體的位置。

根據三角形的穩定性，發生器1和發生器2的距離是固定的，那么如果測出物體到發生器1和發生器2的距離，就可以確定了三角形的三邊，那么三角形也就是固定的，從而達到定位的目的。

4.2 系統硬件設計

超聲波的定位系統的硬件電路圖實際上是由兩個超聲波測距組合而成，根據一個三角形的三邊長度確定，那么這個三角形就確定的原理，從而達到定位的目的，因此我需要兩套超聲波發生器和兩套接收器，并且可選擇AT89C51的P2接口當作超聲波發射和接收的接口，P1口用來驅動LED數碼管，P0接口用作位選。

4.3 系統軟件設計（程序流程圖如圖3—2）

5.結語

本設計描述了一種采用AT89C51超低功耗微控制器的基于超聲波的定位系統。該系統不受光線、電磁波、粉塵等的影響，且其精度能達到厘米數量級，設計簡單，適用范圍廣。

附圖：系統的電路總圖如圖5—1。

參考文獻

[1]何立民.MCS—51單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.

[2]張毅剛，彭喜源.單片機應用設計[M].哈爾濱工業大學出版社，2003.

[3]張海濤.基于多超聲波傳感器的避障系統設計[J].山西科技，2006，3（01）.

[4]趙廣濤，程蔭杭.基于超聲波傳感器的測距系統設計[J].微計算機信息，2006，5（01）.

第8篇：量子計算的基本原理范文

Derivation of The Laplace-Operator in Curvilinear Orthogonal Coordinates by Matrix Method

Shen-zhuang Lu

College of Chemistry Leshan Normal college

Abstract The Laplace operator is a second order differential operator often used in theoretical Chemistry applications. The Laplace-operator in curvilinear orthogonal coordinates is derivated by matrix method.

1. 引言

在量子化學中，根據體系得對稱性，常采用不同的正交曲線坐標系，如對于原子體系時采用球坐標系，對于雙原子分子體系時采用橢球坐標系。在解Schr？idinger方程時需要Laplace算符在相應坐標系得表達式。推導Laplace算符在正交曲線坐標系得表達式通常有三種方法：（1）利用散度的性質[1]；（2）利用外微分形式的方法[2]；（3）使用多元復合函數微分法則[3，4]。前兩種方法推導比較簡潔，各種正交曲線坐標系Laplace算符采用拉梅系數有統一的表達式，但這兩種方法先要介紹散度或外微分形式的概念，學化學的人一般沒有學習過這兩個概念；第三種方法比較繁瑣。本文提出了一種新的方法，利用Jacobi矩陣推導。

2. 正交曲線坐標系Laplace算符的矩陣表達式

3. 球坐標系中的應用

直角坐標系與球坐標系的變換關系為，

4. 結論

本文提出了用矩陣方法推導正交曲線坐標系中的Laplace算符，此方法雖然與使用多元復合函數微分法則推導的量沒有減少，但思路清晰，使人能把主要精力放在系數處理上。

參考文獻

1. 徐光憲，黎樂民，王德民 量子化學―基本原理和從頭計算法（中冊） 科學出版社 1999。

2. 郭城 基于外微分形式的一般坐標系下梯度、旋度、散度的統一推導 學園 2011，60-61。

3. 江俊勤 柱面坐標系和球面坐標系中的拉普拉斯算符 廣東教育學院學報 2003 23（2） 32-34。

4. 姚久民，石鳳良 球坐標系中拉普拉斯算符表達式的推導 唐山師范學院學報 2005 27（5） 67-71。

第9篇：量子計算的基本原理范文

【關鍵詞】 激光原理與技術課程；教學內容；教學方法；實驗教學

【中圖分類號】G632.010 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）29-00-01

一、教學現狀

“激光原理與技術”是應用物理學本科專業的專業課，是一門理論性很強的專業基礎課。通過本課程的學習可以為學生今后從事激光技術、光通信、信息處理、紅外探測、環境檢測、激光醫療診斷和材料加工等方面的相關光學工程研究打下基礎。由于該課程物理概念抽象并且理論性強，基礎知識面廣，不易理解，感到難學，畏難情緒嚴重，學習這門課程時的興趣就不如其它普通物理課程；此外，由于學生對激光應用方面的知識了解較少，往往因缺乏感性認識，不能充分體會到該課程的重要性，導致學生在學習中沒有一個積極的態度；再次，“激光原理與技術”需要講授激光的基本原理、基本技術以及激光的應用三部分內容，知識點多，邏輯關系也不像力學、電磁學等那么明顯，再加上該課程總的學時數只有32學時，所以大部分學生在學習中會感覺到有些凌亂，理不清頭緒，最終導致不能鞏固和深化所有的知識點。基于以上問題，如何在教學中合理的處理教學內容以及采取合理的教學方法，做到重點突、詳略得當，既要讓學生掌握基本原理和基本技術，又要了解激光的具體應用是目前教學過程中急待解決的主要問題。

二、對教學內容適當刪減

《激光原理與技術》是一門理論性很強的專業基礎課，該課程涉及的基礎知識面廣，需要應用原子物理、量子力學、熱力學統計物理、光學和高等數學等課程的結論和基礎，公式繁多、推導復雜、理論抽象，具有較大的難度和深度。要在32學時內完成教學任務，就必須選擇合適的教材并且合理的安排教學內容。在教學中我們選擇的是上海理工大學陳家璧教授編寫的《激光原理及應用》（電子工業出版社）作為教材。這本教材的特點在于內容章節安排合理，知識點覆蓋面廣，理論體系較為完整，避免過多的理論公式推導和計算，而把重點放在闡明物理概念以及激光輸出特性與激光器的參數之問的關系，幫助學生了解和掌握最基本的激光原理和技術，學會如何根據不同應用范圍選擇合適的激光器。因此這本教材的內容很對工科類的學生的胃口，尤其是具有一定物理基礎的應用物理系學生來說所講授的內容比較容易掌握。我們根據教材的安排將教學內容主要分為三個大的部分：激光的基本原理包括激光的產生條件、激光器的工作原理和激光器的輸出特性；激光技術部分包括激光的選模技術、穩頻技術、激光束的光束變換，調Q、鎖模技術以及激光的內調制、外調制等技術；激光的應用部分主要包括各種常見激光器介紹和激光在不同領域內的應用。關于激光的其他方面的知識將不再安排進課堂教學，主要供學生自學。

三、教學手段多樣化

激光原理與技術內容繁多并且教材中包含大量圖片，只靠“一支粉筆一張嘴”的教學手段很難在有限的課時內完成教學任務。因此在科技發展的今天，我們必須借助現代化的多媒體教學手段。在教學中通過PPT、Flash以及小電影等多中形式，使學生獲得對激光更為直觀、感性的認識，增強課程的趣味性和直觀性。例如在激光的應用方面，我們通過小電影播放激光雕刻、汽車車身的激光焊接以及激光的醫學應用等視頻，可以很直接引起學生的興趣和好奇心，充分調動學生的積極性。在此基礎上，教師再具體介紹在不同應用背景下激光器的選擇、各項技術參數等知識，這樣可以在感性認識的基礎之上更好的掌握激光器的主要知識點。

此外，在教學中將部分教學內容以專題的形式提供給學生，學生通過自己的探索和實踐過程中掌握科學研究的方法，在研究中獲得知識。例如可以在講授諧振腔結構對激光輸出特性的影響時，在學習了開放式光腔與高斯光束、激光振蕩特性章節內容后，結合具體的激光器He―Ne氣體激光器，讓學生探索腔型結構對He―Ne氣體激光器激光輸出性能的影響和高斯光束聚焦特性的研究以及振腔設計和激光輸出特性測試等工作。通過專題研究，有效地促進了在教學活動中培養學生具有能從物理學的角度對激光有深入的理解的能力，使學生對“激光原理”的學習有了感性認識，將被動的接受變為主動的獲取，并啟發他們做一些創新性科學研究，培養本科生敢于開辟激光應用新領域的開拓精神，解決學生對激光物理知識內容的深入理解與創新思維之間的聯系。在此基礎上，還可以選拔出優秀的學生，讓他們參與到教師的科研項目和研究中，開展初步的科學研究和探索，以此提高優秀本科生的創新思維發展、理論學習和實踐相結合的能力。

四、注重實驗教學

激光原理實驗是“激光原理與技術”教學的重要組成部分，讓學生接觸真正的激光器，并在實驗中通過練習掌握調試、測試激光器的各種方法，可以幫助學生真正理解激光理論、認識和應用激光器，在教學過程中必須兩者兼顧，不可偏廢。可見激光原理實驗對于幫助學生真正掌握這門課程無疑是有重要意義。因此在教學中必須開設能夠涵蓋理論課涉及到的主要原理、技術和應用方面的基礎性實驗，如激光器諧振腔設計、調整、橫模觀察、發散角測量、縱模間隔測量（He―Ne）和半導體激光器特性（GaAs）以及半導體激光器在通訊領域內的應用等實驗。通過這些實驗的教學，提高了學生的學習興趣，進而增加了學生的學習積極性，培養了學生觀察問題、思考問題、解決問題的能力，也促進了理論教學質量的提高。在實驗條件允許的條件下，還可以開展一些設計性、研究性實驗，如研究激光與原子、分子的相互作用、激光在化學反應動力學的應用等方面的實驗。當然，這要根據學校自身條件和教師科研情況自行決定，總的目標是培養學生的創新思維和分析、解決問題的能力以及初步的科研能力。

五、結語

根據對《激光原理與技術》課程教學現狀的分析，從教學內容、教學方法和實驗教學三個方面探討了“激光原理與技術”課程改革的一些想法和體會。在教學內容上要合理刪減，突出重點，將最基本的原理和技術傳授給學生；在教學方法上要結合多媒體教學，利用生動的動畫、影視等使課程形象、生動，并且激發學生的學習興趣和學習的主動性；實驗教學是該課程的重要一環，既要加強基礎實驗教學也要開設一些設計研究型實驗，培養學生的探索精神和創新能力。

參考文獻

[1]陳家璧，彭潤玲主編.激光原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2]周炳琨，高以智，陳倜嶸等.激光原理（第6版）[M].北京：國防工業出版社，2009