第六章量子计算模型
量子计算论文
量子计算 在大三的第二学期我们学习了量子计算这门课程，初步了解了量子计算的一些方面，在下面的论文里将会简要的介绍量子计算的含义及其相关的知识。 一．量子计算的含义 量子计算是一种依照量子力学理论进行的新型计算,量子计算的基础和原理以及重要量子算法为在计算速度上超越图灵机模型提供了可能。量子计算(quantum co mputation) 的概念最早由IBM的科学家R. Landauer及C. Bennett于70年代提出。他们主要探讨的是计算过程中诸如自由能(free energy)、信息(informations)与可逆性(reversibility)之间的关系。80年代初期，阿岗国家实验室的P. Benioff首先提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算；稍后费因曼也对这个问题产生兴趣而着手研究，并在1981年于麻省理工学院举行的First Conference on Physics of Comput ation中给了一场演讲，勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年，牛津大学的D. Deutsch提出量子图林机(quantum Turing machine)的概念，量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。 1994年，贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段：有别于传统计算法则的量子算法(quantum algorithm)确实有其实用性，绝非科学家口袋中的戏法。自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振(photon polarization)、空腔量子电动力学(cavity quantum electrodyn amics, CQED)、离子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance, NM R)等等。量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在的一个问题是，提高所需量子装置的准确性有困难。二．量子计算的发展史 1.梦想与惊喜 始自第一个电子计算机开始运转,构想能够超越传统所谓Turing Machines 的计算模型,便是许多科学家努力的梦想.美国阿冈国家实验室的Paul Benioff是第一位提出概念,认为利用量子物理的二态系统模拟数位0与1,可以设计出更有效能的计算工具.此概念稍后又经Feynman的引申,使得有更多的物理学家注意到量子力学与计算科学之间可能的关联.直到1985年,在英国牛津的物理学家David Deutsch发表的一篇论文里,所谓Quantum Church-Turing Machines才正式开始略具数学雏型,但此论文中所提示的量子计算范例则过於简易.目前在美国,欧洲,日本以及中国大陆,已经有许多专为此新领域而成立的研究团队或研究机构。
高中化学 第1章 第1节 原子结构模型 第2课时 量子力学对原子核外电子运动状态的描述教案 鲁科版选修3
第2课时量子力学对原子核外电子运动状态的描述 [学习目标定位] 1.知道描述原子核外电子运动状态的四个量子数的含义。 2.理解用四个量子数描述原子核外电子的运动状态。 3.了解原子轨道和电子云的含义。 一、原子轨道 1．电子层 通常，我们用量子数n来描述电子离核的远近，习惯上称为电子层。n的取值为正整数1,2,3,4,5,6，…，对应的符号为K，L，M，N，O，P等。n越大，电子离核的平均距离越远、能量越高。 2．能级 当量子数n相同时，电子所具有的能量也可能不同，因此，对同一个电子层，还可分为若干个能级。例如，n＝1时，有1个s能级；n＝2时，有1个s能级和1个p能级；n＝3时，有1个s能级，1个p能级和1个d能级。 3．原子轨道 (1)概念：原子中的单个电子的空间运动状态的描述。 (2)n值所对应的能级和原子轨道的情况 量子数n符号能级种类原子轨道原子轨道数 n＝1 K s 1s 1 n＝2 L s 2s 1 p 2p 3 n＝3 M s 3s 1 p 3p 3 d 3d 5 …………… 4.电子的“自旋” 处于同一原子轨道上的电子自旋运动状态只能有两种，分别用符号“↑”和“↓”表示。 (1)电子层、能级、原子轨道和自旋状态四个因素决定了电子的运动状态。 (2)与电子能量有关的因素是电子层和能级，即处于同一电子层同一能级中的电子具有相同的
能量。 (3)处于同一个原子轨道上的电子有两种不同的自旋状态。在同一个原子中不存在两个运动状态完全相同的电子。 例1下列有关认识正确的是( ) A．各能层的能级数按K、L、M、N分别为1、2、3、4 B．各能层的能级都是从s能级开始至f能级结束 C．各能层含有的能级数为n－1 D．各能层含有的电子数为2n2 答案 A 解析各能层中的能级数等于其所处的能层数，即当n＝1时，它只有一个s能级，当n＝2时，含有两个能级分别为s、p能级，所以B、C都不正确；D选项中每个能层最多能填充2n2个电子，但不是一定含有2n2个电子。 例2(2018·邢台市月考)下列能级符号表示错误的是( ) A．2pB．3fC．4sD．5d 答案 B 解析每一能层的能级数与能层序数相等，且具有的能级依次为s、p、d、f……，M能层只有3s、3p、3d能级，没有3f能级。 二、电子云与原子轨道的图形描述 1．原子核外电子的运动特点 (1)电子的质量很小(9.1095×10－31kg)，带负电荷。 (2)相对于原子和电子的体积而言，电子运动的空间很大。 (3)电子运动的速度很快，接近光速(3.0×108m·s－1)。 2．电子云 (1)电子云：是处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述。 (2)电子云轮廓图的形状：s能级的电子云轮廓图是球形，p能级的电子云轮廓图是哑铃形。3．几种原子轨道的图形描述 (1)s电子的原子轨道呈球形，能层序数越大，原子轨道的半径越大。
量子信息与量子计算课程论文
半导体量子点的电子自旋相干和自旋操控 摘要:现在各国科学家都在努力希望实现量子计算机，而量子计算机需要一些重要的量子性质，其一是“量子相干性”。该文介绍了量子相干性，并简略介绍了半导体量子点中的电子的自旋相干性，简要探讨半导体量子点的电子自旋操控的方法 关键词：量子点自旋相干自旋调控 一﹑量子相干性 量子相干性，或者说“态之间的关联性”。其一是爱因斯坦和其合作者在1935年根据假想实验作出的一个预言。这个假想实验时这样的：高能加速器中，由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行，在没有人观测时，两者都处于向右和向左自旋的叠加态而进行观测时，如果观测到电子处于向右自旋的状态，那么正电子就一定处于向左自旋的状态。这是因为，正电子和电子本是通过能量无中生有而来，必须遵守守恒定律。这也就是说，“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的，称作“量子相干性”。这种相干性只有用量子理论才能说明。 要在量子计算机中实现高效率的并行运算，就要用到量子相干性。彼此有关的量子比特串列，会作为一个整体动作。因此，只要对一个量子比特进行处理，影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。这一特点，正是量子计算机能够进行高速运算的关键。 二﹑半导体量子点中的电子的自旋相干性
半导体中的电子电荷相干态已经由超快脉冲激光光谱进行了广 泛的研究。强的激光脉冲在半导体中产生了大量的电子和空穴,它们的动力学过程大致可分成3 个阶段: (1) 无碰撞或相干阶段。在这个阶段内,电子和空穴与光场之间产生了一个相干的耦合振荡,导致 了材料极化强度的振荡,类似于二能级系统的拉比跳跃。 (2) 位相弛豫阶段。在这个阶段内,电子和空穴都失去了它们的位相相干性,类 似于二能级系统的退相弛豫。 (3) 准热平衡阶段。由于电子- 声子相互作用,电子和空穴将能量传递给声子(晶格) ,它们分别弛豫到导 带和价带的顶部,形成准平衡状态。利用不同延迟时间的泵- 探束瞬态吸收光谱可以测量半导体中的退相弛豫时间。图1 是GaAs 三个激发载流子浓度下瞬态差分透射系数ΔT作为延迟时间的函数。 由图1 可见,有两个衰减过程;一个是快过程,另一个是慢过程。前者对应于位相弛豫,后者对应于准热平衡弛豫。实验测得GaAs中 的位相弛豫时间分别为30 ,19 ,13fs ,对应于由小到大三个载流子 浓度。这个位相弛豫时间是较小的,主要是由电子的谷间散射引起的。
《关于量子通信》非连续文本阅读练习及答案
阅读下面的文字，完成7～9题。 材料一： 日前，中国科学院在京召开新闻发布会对外宣布，“墨子号”量子科学实验卫星提前并圆满实现全部既定科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信研究奠定了坚实的基础。 通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存着着被破译的可能性，随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。中国科学技术大学潘建伟教授说：“通过量子通信可以解决这个问题，把量子物理与信息技术相结合，用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，从而在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈。” 量子通信主要研究内容包括量子密钥分发和量子隐形传态。量于密钥分发通过量子 态的传输，使遥远两地的用户可以共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次 一密的严格加密。这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式，量子通信的另一重要内客量子隐形传态，是利用量子纠缠特性，将物质的未知量子 态精确传递到遥远地点，而不用传递物质本身，通过隐形传输实现信息传递。（摘 编自吴月辉《“墨子号”，抢占量子科技创新制高点），《人民日报》2017年8月10日） 材料二： 潘建伟的导师安东·蔡林格说，潘建伟的团队在量子互联网的发展方面冲到了领先地位。量子互联网是由卫星和地面设备构成的能够在全球范围分享量子信息的网络。这将使不可破解的全球加密通信成为可能，同时也使我们可以开展一些新的控制远距离量子联系的实验。目前，潘建伟的团队计划发射第二颗卫星，他们还在中国的天宫二号空间站上进行着一项太空量子实验。潘建伟说，未来五年“还会取得很多精彩的成果，一个新的时代已经到来”。 潘建伟是一个有着无穷热情的乐观主义者。他低调地表达了自己的信心，称中国政府将会支持下一个宏伟计划——一项投资20亿美元的量子通信、量子计量和量子计算的五年计划，与此形成对照的是欧洲2016年宣布的旗舰项目，投资额为12亿美元。 （摘编自伊丽莎白·吉布尼《一位把量子通信带到太空又带回地球的物理学家》，《自然》2017年12月） 材料三： 日本《读卖新闻》5月2日报道：中国实验设施瞄准一流（记者：莳田一彦，船越翔）在中国南部广东省东莞市郊外的丘陵地带，中国刚刚建成了大型实施设施“中国散裂中子
量子计算和量子信息(量子计算部分,Nielsen等着)6
6.1 当x=0时有(2|0><0|-I )|x>=|0> 当x>0时有(2|0><0|-I )|x>=-|x> 所以2|0><0|-I I 即为相移算子 6.2 |φ><φ|=1/N Σ i =0 N?1Σ j =0 N?1|i>
量子力学基础和原子结构.
第一章量子力学基础和原子结构 §1-1量子力学建立的实验和理论背景 1. 黑体辐射问题和普朗克的量子假说 黑体辐射问题：黑体可以吸收全部外来辐射。黑体受热会辐射能量。若以Eν表示黑体辐射的能量，Eνdν表示频率在ν到v+d(范围内、单位时间、单位表面积上辐射的能量。以E(对(作图，得到能量分布曲线。从经典物理推出的公式无法解释黑体辐射的能量分布曲线：1)从粒子角度，由经典热力学得到维恩公式，只适用于高频范围；2)从波动角度，由经典电动力学和统计物理理论得到瑞利-金斯公式，只适用于低频范围。 普朗克的量子假说：普朗克首先提出一个经验公式，和实验结果一致。在寻求理论上的解释时，发现经典物理学是无法解决这个问题。要使新的公式成立，必须假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。而经典物理认为一切自然的过程都是连续不断的。 = 1 \* GB3 ① 假设黑体内的分子、原子以不同的频率做简谐振动，这种做简谐振动的分子、原子称为谐振子。 = 2 \* GB3 ② 对于振动频率为(0的谐振子，能量具有最小单位ε0，该谐振子的能量E只能是ε0的整数倍，而不能是其它值，即 E=nε0n=1,2,3…(1-1-1) ③能量的最小单位ε0称为能量子，或量子，它和振动频率ν0有如下关系： ε0=hν0(1-1-2) 其中h为常数，大小为6.626×10-34J?s，称为普朗克常数， ④谐振子吸收或发射能量时，能量的变化为 ?E=|E1-E2|=|n1ε0-n2ε0|=|n1-n2|ε0(1-1-3) 即，能量的吸收和发射不是连续的，必须以量子的整数倍一份一份的进行。这种物理量的不连续变化称为量子化。
基于量子流体动力学模型的半导体器件模拟
基于量子流体动力学模型的半导体器件模拟 董果香 （电子科技大学物理电子学院，四川成都610054） 摘要：基于量子流体动力学模型，自主编制程序开发了半导体器件仿真软件。其中包括快速、准确数值离散方法和准确的物理模型。基于对同一个si 双极晶体管的模拟，与商用软件有近似的仿真结果。表明量子流体动力学模型具有可行性，同时也表明数值算法和物理模型的正确性。关键词：量子流体动力学模型；仿真；物理模型；数值计算中图分类号：TN303 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2013）02-0140-04 Semiconductor device simulation based on quantum fluid dynamics model DONG Guo -xiang （Institute of Physical Electronics ，University of Electronic Science and Technology of China ，Chengdu 610054，China ） Abstract:The quantum hydrodynamic model -based ，self -preparation program was developed semiconductor devices simulation software.Including fast and accurate numerical discretization method and an accurate physical model.Based on a Si bipolar transistor analog approximate simulation results with the commercial software.That quantum hydrodynamic model is feasible ，but also shows the correctness of numerical algorithms and physical models. Key words:quantum hydrodynamic model ；simulation ；physical model ；numerical calculation 收稿日期：2012-09-21 稿件编号：201209157 作者简介：董果香（1986—），男，陕西西安人，硕士研究生。研究方向：微波、毫米波器件。 半导体器件模拟是运用计算机工具来进行模拟分析[1]。实质是针对半导体器件物理方程的数学求解过程。常用的半导体器件模型有漂移扩散模型，流体动力学模型，量子流体动力学模型，能量平衡模型。其中漂移扩散模型过于简单，只能模拟比较简单的器件结构。流体动力学模型对当前工艺条件下生产的器件有着较准确的模拟结果，且数值算法简单，适用性较强。量子流体动力学模型结合了流体动力学的优点，并且考虑了量子效应对器件的影响，具有更高的精度。能量平衡模型准确度更高，但数值算法复杂，耗费时间较长。 1量子流体动力学模型及非线性方程的解法 文中所用的量子流体动力学如下： 坠t n-divJ n =0 坠t J n -div （J n 茚J n n ）+n Δ v +ε2 6n Δ（Δn 姨n ）=-（pQ 1（w ）） 坠t e-div （（p +eId ）u ）-ε28 div （n Δu ）+J n ·Δ v =1|p |2Q 1 （w 姨姨 ） λ2 D ΔV=n -C （x ），x ∈R 3 其中n 表示载流子浓度，J 表示电流密度，e 表示电子能量，V 表示电势。对于上述方程采用有限差分法离散。结果得到一组具有N 个变量的非线性方程组。其形式如下: f i （x 1，x 2，…，x N ）=0，i =1，2，…N 如： f 1（x 1，x 2，…，x N ）=0f 2（x 1，x 2，…，x N ）=0 … f N （x 1，x 2，…，x N ）=∈∈∈∈∈∈∈∈∈∈∈∈∈0 将f i 按泰勒级数展开： f i （x +σx ）=f i +N j =1Σ坠f 坠x j σx j +o （|σx |2），i =1，2，…，N 写成向量形式： f （x +σx ）=f （x ）+J ·σx +o （|σx |2） 其中J ij =坠f i j ，J =坠f 1 坠x 1坠f 1坠x 2…坠f 1坠x N 坠f 2 1 ……坠f 2 N ………… 坠f N 1 坠f N 2…坠f N 3 为矩阵，x =（x 1，x 2，…x N ）为N 个变量的矢量，f = f 1f 2… f N Σ ΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣ 表示 分量为f i 的矢量方程。 令f （x +σx ）=0 则得关于σx 的线性方程J ·σx =-f 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第21卷 Vol.21 第2期No.22013年1月Jan.2013 －140－
量子信息与量子计算
关于量子信息与量子计算 量子计算是一种依照量子力学理论进行的新型计算,量子计算的基础原理以及重要量子算法为在计算速度上超越图灵机模型提供了可能。 量子计算(quantum computation) 的概念最早由IBM的科学家R. Landauer及C. Bennett于70年代提出，对于普通计算机运行时芯片会发热，极大地影响了芯片的集成度，科学家们想找到能有更高运算速度的计算机。 到了1994年，贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段：有别于传统计算法则的量子算法确实有其实用性，绝非科学家口袋中的戏法。自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名作为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振(photon polarization)、空腔量子电动力学、离子阱以及核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)等等。以目前的技术来看，这其中以离子阱与核磁共振最具可行性。事实上，核磁共振已经在这场竞赛中先驰得点：以I. Chuang为首的IBM研究团队在2002年的春天，成功地在一个人工合成的分子中(内含7个量子位)利用NMR完成N =15的因子分解。 到底是什么导致量子如此高的计算能力呢？答案是量子的重叠与牵连原理的巨大作用。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储这四个数。量子位是量子计算的理论基石。在常规计算机中,信息单元用二进制的 1 个位来表示, 它不是处于“ 0” 态就是处于“ 1” 态. 在二进制量子计算机中, 信息单元称为量子位,它除了处于“ 0” 态或“ 1” 态外,还可处于叠加态(super posed state) . 叠加态是“ 0” 态和“ 1” 态的任意线性叠加,它既可以是“ 0” 态又可以是“ 1” 态, “ 0” 态和“ 1” 态各以一定的概率同时存在. 通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“ 0” 态或“ 1” 态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位, 例如氢原子中的电子的基态( ground state)和第 1 激发态( first excited state)、质子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、圆偏振光的左旋和右旋等。 一个量子系统包含若干粒子,这些粒子按照量子力学的规律运动,称此系统处于态空间的某种量子态.态空间由多个本征态( eigenstate ) ( 即基本的量子态)构成基本态空间可用Hilbert 空间( 线性复向量空间)来表述,即Hilbert 空间可以表述量子系统的各种可能的量子态.为了便于表示和运算, Dirac提出用符号x〉来表示量子态, x〉是一个列向量,称为ket ;它的共轭转置( conjugate transpose) 用〈x 表示,〈x 是一个行向量, 称为bra.一个量子位的叠加态可用二维Hilbert 空间( 即二维复向量空间)的单位向量〉来描述 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。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相
量子信息小论文
量子信息 量子信息是量子力学与信息科学的巧妙结合。而量子信息的内容主要包括量子计算机与量子通讯两个部分。下图[1]生动地展示了量子信息与量子力学、信息科学间的错综复杂又富有逻辑的关系。 图1 量子力学与信息科学间的联系 量子计算机（quantum computer）是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机（传统电脑），量子计算用来存储数据的对象是量子比特（quantum qubit），它使用量子算法来进行数据操作。实际上，现在的计算机技术已经接近量子极限,量子计算机是一个新的发展方向。量子计算机具有巨大的信息携载量，在量子机和经典机中n个比特都可以表示2"个数。但在某一时刻,经典计算机只能表示其中的一个，而量子计算机可以同时表示所有的数的线性叠加。量子物理资源只需要经典计算机的对数多，即若经典机的需要为N，量子机的需要为log&N；经典平行计算时，每个计算机都在作不同的计算，而量子计算机的一个相同操作完成了不同的计算任务。以上两点便是量子计算机最大的特点。 早在1969年，史蒂芬·威斯纳最早提出“基于量子力学的计算设备”。而关于“基于量子力学的信息处理”的最早文章则是由亚历山大·豪勒夫（1973）、帕帕拉维斯基（1975）、罗马·印戈登（1976）和尤里·马尼（1980）发表。史蒂芬·威斯纳的文章发表于1983年。1980年代一系列的研究使得量子计算机的理论变得丰富起来。1982年，理查德·费曼（Feynman）在一个著名的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法[3]。紧接着1985年大卫·杜斯（Deutsch）提出了量子图灵机模型[4]。人们研究量子计算机最初很
量子通信中的信息安全技术及比较
量子通信中的信息安全技术及比较 量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学 科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。它主要是利用量子纠缠效应进行信息传 递，其研究主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等等。而量子通信安全性是将保密通信建立在量子客观规律基础上的，是一个具有重要意义的研究课 题。 随着对数学难题求解的经典算法和量子算法的深入研 究,基于数学上计算复杂性的经典 安全通信面临着严峻的挑战。而经典计算机技术的飞速发展和量子计算机的实验进 展，导致 破译数学密码的难度逐渐降 低。与量子通信安全性相比，目前经典密码体制面临三个方面 的 威胁。首先，经典密码体制安全性是建立在没有严格证明的数学难题之 上。数学难题的突破必将给经典密码算法带来毁灭性打 击。其次，计算机科学的飞速发展导致其计算能力的快速 提高，始终冲击着经典密码。再次，量子计算理论的发展使得数学难题具有量子可解性。 在 1994年Shor提出了多项式时间内求解大数因子和离散对数的量子算法使得目前常用的基于 大数分解困难性提出的RSA公钥密码体制和ELGamal公钥密码体制受到极大威 胁。1998年， Grove提出了量子搜索算法，即在N个记录的无序数据库中搜索记录的时间复杂度为 对N开 平方根，可以提高量子计算机利用蛮力攻击方法破解经典密码的效率，使得经典密码体制 受 到威胁。仅仅因为量子计算机的应用仍处于初级阶 段，量子计算理论成果目前还没有影响经典密码体制系统的使用。但以量子力学为基础发展的安全通信是不可能被攻破的，它以量子力学为基础，利用系统所具有的量子性质，使得“一次一密”密码真正能应用于实际。量子 密码学的安全性是由“海森堡测不准原理”，或量子相干性以及“单量子不可克隆定理” 来 保证的，具有可证明的无条件安全性和对窃取者的可检测 性，完全可以对抗以量子计算机为 工具的密码破译。从而保证了密码本的绝对安全，也保证了加密信息的绝对安 全，故以量子 为载体的通信，具有以往经典通信所没有的安全优 势。 谈到量子安全通信就不得不介绍一下量子密码学。量子密码学的思想最早是由美 国人 S.Wiesner在1969年提出。后来 IBM的S.H.Bennett和Montreal大学的G.Brassard在此基础 上提出了量子密码学的概念，并于1984年提出了第一个量子密钥分发协议，简称议。1991年Ekert依据量子缠绕态而提出了一种基于EPR关联光子对的E91协议，BB84 1992 协 年 Bennet t 又进一步提出 了 B92量子密码协议。 一、量子密码保密通信的物理原理： 1、互补性以及测不准原理：在量子力学中具有互补性的两组物理量是指在进行观测时，对
量子计算和量子逻辑门
1 引言 量子信息是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科,它诞生于上个世纪80年代,在90年代中期引起国际学术界的巨大兴趣,受到西方各国的高度重视,得到迅速发展,迄今方兴未艾！ 量子计算是量子信息的一个重要分支，近年来得到了人们广泛的关注。量子计算机是实现量子计算（quantum computation）的机器。量子计算和量子计算机概念起源于著名物理学家Richard Feynman，是他在1982年研究用经典计算机模拟量子力学系统时提出的。1985年，量子图灵机（Turing）的模型被David Deutsch提出，通过它的性质的研究，预言了量子计算机的潜在能力。由于量子计算机依赖于量子力学规律处理信息，所以它有着经典计算机永远不可逾越的巨大优势。量子计算机不但可以提供更多的比特以及更高的时钟速度，它还提供了一种基于量子原理的算法的全新计算方法[1]。量子计算机中的信息是用量子逻辑门来进行处理的。量子逻辑门是实现量子计算的基础。为了实现量子计算，也就是说构建量子计算机，必须选择与设计合适的物理体系并控制它以实现量子逻辑门。目前，已经有许多作为执行这些量子计算系统的逻辑门的方案被提出，而且其中许多方案已经实现。例如，离子阱[2]、腔量子电动力学[3]、核磁共振[4]、量子点[5]和基于Josephson结的超导体方案[6]等。 基于Alan Turing理论发展起来的现代计算机科学在近几十年中取得惊人的发展,计算机硬件能力在20世纪60年代后的几十年时间里以近似Moore定律成长。随着电路集成度的提高,进一步提高芯片集成度已极为困难。当集成电路的线宽在011μm以下时,电子的波动性质便明显地显现出来。这种波动性就是量子效应。为此,多数观察家预期Moore定律将在21世纪前二十年内结束,人们在考虑替代当前计算机的新途径。物理学方面,自Max Planck在1900年提出量子假说以来,量子力学给人类生活带来翻天
福师结构化学第一章量子力学基础和原子结构课堂笔记
福师《结构化学》第一章量子力学基础和原子结构课堂笔记 ◆主要知识点掌握程度 了解测不准关系，掌握和 的物理意义；掌握一维势箱模型Schrodinger方程的求解以及 该模型在共轭分子体系中的应用；理解量子数n，l，m的取值及物理意义；掌握波函数和电子云的径向分布图，原子轨道等值线图和原子轨道轮廓图；难点是薛定谔方程的求解。 ◆知识点整理 一、波粒二象性和薛定谔方程 1．物质波的证明 德布罗意假设：光和微观实物粒子（电子、原子、分子、中子、质子等）都具有波动性和微粒性两重性质，即波粒二象性，其基本公式为：
对于低速运动，质量为m的粒子： 其中能量E和动量P反映光和微粒的粒性，而频率ν和波长λ反映光和微粒的波性，它们之间通过Plank 常数h联系起来，普朗克常数焦尔·秒。 实物微粒运动时产生物质波波长λ可由粒子的质量m和运动度ν按如下公式计算。
λ=h/P=h/mν 量子化是指物质运动时，它的某些物理量数值的变化是不连续的，只能为某些特定的数值。如微观体系的能量和角动量等物理量就是量子化的，能量的改变为E=hν的整数倍。 2．测不准关系： 内容：海森保指出：具有波粒二象性的微观离子（如电子、中子、质子等），不能同时具有确定的坐标和动量，它们遵循“测不准关系”： （y、z方向上的分量也有同样关系式） ΔX是物质位置不确定度，ΔPx为动量不确定度。该关系是微观粒子波动性的必然结果，亦是宏观物体和微观物体的判别标准。对于可以把h看作O的体系，表示可同时具有确定的坐标和动量，是可用牛顿力学描述的宏观物体，对于h不能看作O的微观粒子，没有同时确定的坐标和动量，需要用量子力学来处理。 3．波函数的物理意义——几率波 实物微粒具有波动性，其运动状态可用一个坐标和时间的函数 来描述，称为波 函数或状态函数。 1926年波恩对波函数的物理意义提出了统计解释：由电子衍射实验证明，电子的波动性是和微粒的行为的统计性联系在一起的，波函数正是反映了微粒行为的统计规律。这规律表明：对大量电子而言，在衍射强度大
量子计算学习心得
量子计算学习心得 基于AlanTuring理论发展起来的现代计算机科学在近几十年中取得惊人的发展,计算机硬件能力在20世纪60年代后的几十年时间里以近似Moore定律成长。随着电路集成度的提高,进一步提高芯片集成度已极为困难。当集成电路的线宽在0.1μm以下时,电子的波动性质便明显地显现出来。这种波动性就是量子效应。为此,多数观察家预期Moore定律将在21世纪前二十年内结束,人们在考虑替代当前计算机的新途径。物理学方面,自MaxPlanck在1900年提出量子假说以来,量子力学给人类生活带来翻天覆地的变化,改变了经典物理学对世界的认知方式。Moore定律最终失效问题的一个可能解决办法是采用不同的计算模式,量子计算理论就是这类模式的一种。但是直到1982年,才由Benioff和Feynman发现了将量子力学系统用于推理计算的可能;1985年Deutsch提出第一个量子计算模型。由此,量子计算迅速吸引了全世界研究者的注意并成为一门具有巨大潜力的新学科。 量子计算是应用量子力学原理来进行有效计算的新颖计算模式,它利用量子叠加性、纠缠性和量子的相干性实现量子的并行计算。量子计算从本质上改变了传统的计算理念。 量子计算发挥作用的前提是量子计算的物理实现,即量子计算机的构建。虽然量子计算机的实现原则上已没有不可逾越的障碍,但技术上的实现却遇到严重的困难。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,但在实际系统中量子相干性很难保持。此外,量子的纠缠状态也很容易崩溃,且粒子数目越多,实现纠缠状态就越困难。要制造出实用的量子计算机,就必须使更多的粒子实现纠缠状态。 在量子算法方面,自Shor因子分解和Grover搜索算法提出后,虽然各国众多的研究者在该领域进行了大量的研究,但迄今为止,还没有发现其他解决经典问题的新量子算法。一方面是因为无论经典算法还是量子算法,算法设计本身就不容易,更何况要设计出超过最好的现有经典算法的量子算法就更显不易;另一方面,量子计算机上能提供相对经典计算机进行加速的问题可能本来就不多,而已经发现了其中的大部分重要算法;此外,量子计算机与人们的直觉相差太远,在过去几十年中发现传统经典算法的经验对于如何发现和寻找量子算法毫无帮助, 即使存在对很多问题有效的量子算法,也很难找出。 在目前量子计算机还未进入实际应用的情况下,量子计算的研究重点包括:a)计算的物理实现。提高量子体系中相干操控的能力,实现更多的量子纠缠状态。 b)研究新的量子算法。目前还有很多经典算法无法解决的难题,研究新的能解决这些难题的量子算法是一个重要方向。c)增强现有量子算法的实用性和扩展现有量子算法的应用范围,如将量子Fourier变换的应用推广到解决隐含子群问题以及更广的范围,将Grover算法体系扩展到二维和多维搜索域等。 量子计算正在新型计算中发挥更大的作用。
第三章流体动力学基础
第三章 流体动力学基础 习 题 一、单选题 1、在稳定流动中，在任一点处速度矢量是恒定不变的，那么流体质点是 （ ） A ．加速运动 B ．减速运动 C ．匀速运动 D ．不能确定 2、血管中血液流动的流量受血管内径影响很大。如果血管内径减少一半，其血液的流量将变为原来的（ ）倍。 A ．21 B ．41 C ．81 D ．161 3、人在静息状态时，整个心动周期内主动脉血流平均速度为0.2 m/s ，其内径d =2×10-2m ，已知血液的粘度η =×10-3 Pa·S ，密度ρ=×103 kg/m 3，则此时主动脉中血液的流动形态处于（ ）状态。 A ．层流 B ．湍流 C ．层流或湍流 D ．无法确定 4、正常情况下，人的小动脉半径约为3mm ，血液的平均速度为20cm/s ，若小动脉某部分被一硬斑阻塞使之变窄，半径变为2mm ，则此段的平均流速为（ ）m/s 。 A ．30 B ．40 C ．45 D ．60 5、有水在同一水平管道中流动，已知A 处的横截面积为S A =10cm 2，B 处的横截面积为S B =5cm 2，A 、B 两点压强差为1500Pa ，则A 处的流速为（ ）。 A ．1m/s B ．2m/s C ．3 m/s D ．4 m/s 6、有水在一水平管道中流动，已知A 处的横截面积为S A =10cm 2，B 处的横截面积为S B =5cm 2，A 、B 两点压强之差为1500Pa ，则管道中的体积流量为（ ）。 A ．1×10-3 m 3/s B ．2×10-3 m 3/s C ．1×10-4 m 3/s D ．2×10-4 m 3/s 7、通常情况下，人的小动脉内径约为6mm ，血流的平均流速为20cm/s ，若小动脉某处被一硬斑阻塞而变窄，测得此处血流的平均流速为80cm/s ，则小动脉此处的内径应为（ ）mm 。 A ．4 B ．3 C ．2 D ．1 8、正常情况下，人的血液密度为×103kg/m 3 ，血液在内径为6mm 的小动脉中流动的平均速度为20cm/s ，若小动脉某处被一硬斑阻塞而变窄，此处内径为4mm ，则小动脉宽处与窄处压强之差（ ）Pa 。 二、判断题 1、有水在同一水平管道中作稳定流动，管道横截面积越大，流速越小，压强就越小。（ ） 2、由直径为15cm 的水平光滑的管子，把20℃的水抽运到空气中去。如果抽水保持水的流速为30cm/s ，已知20℃水的粘度η＝×10-3 Pa/S ，则水在管子中的流动形态属于湍流。（ ） 3、烟囱越高，通风效能越好，即把烟从炉中排出来的本领就越大。（ ） 4、在深海中下落的一个铝球，整个过程始终是加速运动的。（ ） 5、飞机机翼的升力来自机翼上下表面压强之差，这个压强之差主要由于机翼上表面流速大于下表面流速所致。（ ） 6、流体的内摩擦力与固体间接触表面的摩擦力共同的特点都是阻碍相对运动，但流体的内摩擦力不存在最大的静摩擦力。（ ） 三、填空题 1、流管的作用相当于管道，流体只能从流管一端____，从另一端______。 2、液体的粘度与液体的______、温度、_______因素有关，且随着温度的升高而_______。 3、理想流体是指 的流体，是一理想的模型，它是实际流体的近似。 4、稳定流动是实际流体流动的一种特殊情况， ，称为稳定流动。 5、为形象地描绘流速场的分布情况，可在其中描绘一些曲线，使
量子计算发展白皮书(2019年)
量子计算发展白皮书（2019年） 赛迪智库电子信息研究所 2019年9月
前言 量子信息技术可以突破现有信息技术的物理极限，在信息处理速度、信息容量、信息安全性、信息检测精度等方面均能够发挥极大作用，进而显著提升人类获取、传输和处理信息的能力，为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。当前，人类对量子信息技术的研究与应用主要包括量子计算、量子通信和量子测量等。其中，量子计算是一种基于量子力学的、颠覆式的计算模式，具有远超经典计算的强大计算能力，将在化学反应计算、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析和机器学习、军事气象等领域产生颠覆性影响。 近年来，一些国家以及企业纷纷加码布局量子计算，在相关领域的技术研究和应用不断提速。在此形势下，赛迪智库电子信息研究所编写了《量子计算发展白皮书（2019年）》，阐述了量子计算的基本内涵，系统梳理量子计算的技术路线及发展路线图，介绍了国内外发展态势，并提出了我国量子计算发展面临的挑战及相关对策建议。 如有商榷之处，欢迎大家批评指正。
目录 一、量子计算发展综述 (1) （一）量子计算的内涵 (1) （二）量子计算的发展背景与历程 (5) （三）量子计算的应用展望 (7) 二、量子计算技术与发展路线图 (9) （一）量子计算关键技术 (9) （二）量子计算的发展路线图 (16) 三、国际量子计算发展现状 (19) （一）主要国家的战略规划 (19) （二）量子计算的技术与产业进展 (22) 四、我国量子计算发展现状 (29) （一）我国的量子计算国家战略 (29) （二）我国量子计算的进展 (29) 五、我国量子计算发展面临的问题与挑战 (31) （一）关键技术研发仍属起步阶段，与国际水平存在差距 (31) （二）市场尚在培育阶段，技术和应用场景不成熟 (31) （三）国内企业参与度较低，缺乏全面战略布局 (32) （四）人才体系单一、集中，尚未形成全面培养体系 (32) 六、对策建议 (34) （一）加强前沿科技领域产业化布局 (34) （二）加大对关键核心领域的研发支持 (34) （三）完善对专业人才梯队建设的全面布局 (34) （四）积极构建量子计算应用生态体系 (35)
029065量子控制及其在量子计算中的应用
Communications of CCF 2008/7 67 量子控制及其在量子计算中的应用 张靖 吴热冰 李春文 谈自忠 引言量子控制[1-3]是将控制理论应用到实际量子系统控制中而形成的一门综合交叉学科， 其研究始于20世纪80年代[4]。至今量子控制已 经成功应用于量子信息、量子化学、激光冷却和纳米技术等领域。量子计算是量子控制重要应用领域之一。根据迪文森佐（D. P. DiVincenzo ）的观点，任何量子计算的硬件实现方案必须满足以下五条： 1．可规模化的量子比特构造方案；2．量子态的初始化；3．足够长的相干保持时间——需要远大于量子门操作时间； 4．具有普适性的量子逻辑门的实现； 5．量子信息的提取，即量子测量问题。 上述问题可以与控制理论中的控制问题 相对应，如第2条对应于控制理论中的状态调 节问题，第3条退相干抑制可以对应于控制理 论中的噪声干扰解耦，而第4条普适量子计算 则与控制论中的可控性问题密切相关，第5条 则可以与控制理论中可观性以及状态观测问 题建立联系。因此，在量子计算理论具备了 一定基础后，控制设计的思想和技术必将为 寻找可行的物理实现方案并开发出实用的量 子计算机起到关键的作用。 量子控制理论有很多不同的研究方向， 本文后续章节将着重探讨控制在解决量子计算基本问题中的应用，包括量子控制系统的 物理模型、普适性与可控性，量子系统的最 优控制和退相干问题的控制等等。量子比特的构造与控制到目前为止，人们已经提出了多种量子比特（qubit ）的实现方案供构造未来量子计 算机时备选，包括离子阱（ion trap ）方案[5]、腔量子电动力学（cavity QED ）方案[6,7]、核磁共振（NMR 1）方案[8-10]、量子点（quantum dot ）方案[11,12]和超导（superconductor ）量子 计算方案[13-15] 。图1 离子阱量子计算方案1 Nuclear magnetic resonance 清华大学关键词：量子控制 量子逻辑门
什么是量子通信技术
什么是量子通信技术？ 它的过去，现在，未来如何？ 量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。 量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是此刻国际量子物理和信息科学的研究热点。追溯量子通信的起源，还得从爱因斯坦的"幽灵"--量子纠缠的实证说起。 由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑，几十年来，物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。 1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特(Alain Aspect)和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子"量子纠缠"(quantum entanglement)的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学界主流思想认为，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制(即是局域化的)。量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵--超距作用(spooky action in a distance)的存在，它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的(nonlocal)，宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。