量子调控研究

一、量子计算的物理实现和关键量子器件

量子计算具有很强的并行处理数据能力，采用适当量子算法可以解决现有电子计算机无法实现的某些难解问题，如大数因子分解和量子体系演化的模拟等。目前量子计算无法实现的主要瓶颈是尚未找到适合于制作量子计算机的物理体系。本方向重点研究基于量子点和线性光学的量子计算，以及关键的量子器件。申请者可选择以下部分内容：

1．基于量子点量子计算的物理实现

2．连续变量线性光学的量子计算

3．冷原子系综的量子信息存储和处理

4．可控单光子源

5．单光子探测原理和技术

二、关联电子态研究和新型信息载体探索

关联电子系统中电荷、自旋、轨道等自由度和有序相之间存在复杂的共存与竞争关系，通过调节外界参量，可以实现不同有序相之间的转换和调控，由此导致新的量子临界现象。这些新的量子态具有许多非寻常的特性。研究这些新奇量子态的性质，寻找新的信息载体，探索新的信息传输过程和调控机制，可以为开发下一代信息技术打下物理基础。申请者可选择以下部分内容：

1．在半导体、铁磁/半导体、稀磁半导体/半导体结构中自旋产生、注入和调控的物理原理，发展适合器件应用的自旋极化产生与注入的有效方法，探索自旋电子器件。

2．关联系统中多种有序相之间的竞争和量子相变，包括电子或

原子的电荷密度、自旋和轨道自由度的相互作用与竞争所导致的非常

规超导态及赝能隙效应；冷原子系统中的玻色－爱因斯坦凝聚(BEC)及BCS-BEC转变；电荷与自旋的量子霍耳效应；超流体、金属与绝缘

体之间的相变；重费米子体系中的量子相变现象等。研究低维电子系统中由于量子涨落和量子相干导致的基态简并、阻挫、纠缠、序竟争

和量子相变，探索实现量子调控的可能途径。

3．探索和制备具有新奇量子特性的新材料，发展新的实验测试

手段。要注重和加强过渡金属氧化物、镧系和锕系化合物, 巨热电效应材料、巨光学非线性材料、超导、半金属（half metal）材料等新材料的探索。

4．发展有效的解析和数值研究方法，紧密结合实验研究，探索

微观关联系统的物理规律，预测材料的结构和物理性质及其相互关

系，预言新的实验现象，为新奇量子现象的探索和新型功能材料的开发应用提供科学依据，指导新材料和新器件原理的探索。

三、受限小量子体系的行为及调控

发现受限小量子体系中的新现象和新效应, 探索对受限小量子体系进行能级和波函数调控的方法和规律,建立受限小量子体系的量子调控理论,为未来的信息技术提供科学基础。申请者可选择以下部分内容：

1．通过物理和化学方法对小量子体系进行结构调整，构筑特定

构型和性能的新体系。

2．通过结构调控和外场调控，实现对能级、波函数的量子调控，并研究体系的量子输运特性。

3．操纵分子体系的自旋态以调控自旋极化磁学等性质。

4．研究小量子体系的发光性质、光谱特性和分子体系光电效应

中的电荷输运及能量转化动力学。

5．耦合体系以及体系与环境间相互作用的调控，探索信息控制

检测、存储与读取的方法。

四、人工带隙材料

通过物理和化学的手段，人工制造带隙材料，实现可控制的诸如具有矢量特性的光子态和张量特性的声子态等，研究微结构导致的新现象以及交互作用带来的新效应，研制各类新型器件，针对未来信息技术目标，为实现人工带隙材料的能带和带隙调控奠定科学基础。申请者可选择以下部分内容：

1．人工带隙材料的设计和制备，包括基于光子带隙的光子调控

材料、基于声子带隙的声子调控材料、基于极化激元带隙的极化激元调控材料等。

2．人造材料结构与物理特性的关系，“晶格”周期、“缺陷”、无序、界面以及单元结构等对波传播的作用等。

3．利用人工带隙材料实现对材料物理特性的调制。

4．基于人工带隙材料的原型器件。

五、委托南京大学固体微结构国家重点实验室围绕以下研究方向

组织项目

1．量子信息学

研究超导量子比特中宏观量子干涉现象，超导量子比特的设计与加工。环境因素对宏观量子干涉的影响，超导量子比特的消相干机制、量子比特的集成以及利用超导量子比特演示量子算法。

2．关联电子

揭示电荷、自旋、轨道自由度之间的竞争导致的丰富的物态及其

量子相变规律，研究通过外参量实现不同状态间的转换与调控方案。

研究关联电子系统中，在一定条件下具有的拓扑简并的量子基态及其

激发态可能具有的拓扑稳定性，探讨作为量子信息载体的可能性以及控制内禀噪声的量子计算新方案，将量子计算作为广义关联系统，提出减少量子退相干的新方案，设计新型量子比特。

3．受限小量子

实现小量子系统电子自旋寿命的最大化和纳米尺度上自旋关联

的检测，研究自旋载流子在异质结中的传输，揭示电子自旋系统中的新规律、新效应，研究铁磁-超导异质结上的Andreev反射，探讨传统自旋电子学的扩展。

4．人工带隙材料

研究介电体超晶格中的光子带隙、声子带隙、微波与超晶格振动耦合产生的极化激元带隙以及电磁波与金属电子耦合产生的表面等

离极化激元带隙，发现其新规律、新效应、新应用。

基于多重准位相匹配理论、对产生纠缠光子的多个光参量过程，

实现全固态集成，研制高效新光源。

六、委托中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室围绕

以下研究方向组织项目

1．量子计算的物理实现

（1）基于半导体量子点的量子计算。实现单自旋的制备、控制

和测量；探索电子自旋回波等相干控制机理与技术；自组织单电子点中光学波函数的制备与相干操作，两自旋量子比特的耦合等。

（2）基于固态微腔的量子计算。高品质微球腔制备、腔模与外

部激光器的锁定，单原子注入腔的核心技术，腔模与原子的强耦合，

单个量子比特的任意操作，两个微球腔的耦合和基于微球腔的量子芯片设计和制备等。

（3）基于多光子纠缠态的线性光学量子计算。高性能多光子量

子纠缠的制备和调控，适合于单向量子计算的光子Cluster态的制备、测量和特性等。

（4）量子计算物理基础。消相干机制和有效克服的办法，量子

编码和容错量子计算，分布式量子计算模型，单向量子计算的原理，

多体系的量子纠缠及量子调控原理和方法，核磁共振量子计算等。

2．量子通信

（1）城域网量子密钥分配系统。包括高性能光纤量子密钥分配

系统，量子路由器，城域网和广域网的构造和网络协议等。

（2）基于原子系综的量子中继原理和方法。包括光子与原子系

综之间的量子信息转换，量子纠缠的纯化、交换和存储等。

（3）基于纠缠的远程量子通信。包括研究高亮度的多光子纠缠源，基于纠缠的量子密钥分配和量子通信等。

3．分子尺度的量子行为和调控

（1）通过各种物理与化学手段，实现对分子尺度物质的结构控制，特别利用高分辨检测与操纵技术，实现对特定化学键的选择性剪裁，构筑特定构型和性能的新分子。

（2）通过结构调控和外场调控，实现对单分子能级、波函数的

调控。研究单分子－电极体系中的量子输运特性和分子体系与环境间

相互作用的调控。构筑具有双能级结构的核（或电子）自旋态的单分子体系及其并联耦合体系，调制并联耦合单分子间的波函数叠加状

态，探讨基于分子间量子纠缠态的量子比特制作及其运算原理。研究光电转化过程中电子转移和能量传递的机制，实现特定的单分子光化学效应；突破荧光淬灭效应的限制，探索可控电泵单分子光源和单光子光源。

（３）发展分子尺度上的表征、检测与调控方法和技术，实现从

空间、能量、时间三个方面来对分子量子体系进行高分辨、高灵敏表征、检测和调控。基于激光冷却和冷原子阱技术，以及高灵敏的荧光

检测方法，实现高效率单原子捕获与检测。

（４）针对不同实验分子体系的复杂性、分子－电极接触结构的不确定性、以及电荷输运的多体量子特性等导致的理论计算挑战，对分子量子体系的形成过程、电子结构和输运性质等进行理论与计算研究，澄清分子尺度结构的特异物理性质与量子效应之间的关系。

[NSFC]光子带隙调控、新效应及其应用

项目名称：光子带隙调控、新效应及其应用首席科学家：xxx 起止年限：2011.1至2015.8 依托部门：教育部上海市科委

二、预期目标总体目标：围绕光子晶体的带隙调控、新现象及其应用，研究光子晶体带隙调控新机理和新现象，如特异材料及复合周期性结构和关联光子学微结构阵列；研究光子人工微结构集成回路的调控机理与新现象，如光子晶体和亚波长金属周期微结构中高品质微腔、对量子受限系统中的受激激发和自发辐射过程的影响、量子信息的制备和调控等。研究光子晶体中光调控新效应与潜在应用研究，如三维光子晶体的光调控新效应、非线性光子晶体的光调控新效应、光子局域共振微结构诱导的干涉效应和宏观量子效应等。通过项目的实施，在基础研究上取得一批在国际学术界领先的成果，产生一批有自主知识产权的专利技术，为光通讯、微波通讯、光电集成、航空航天系统及国防科技等领域的跨越式发展提供基础研究支撑。五年目标： 1.设计与制备微波波段特异材料，利用特异材料及其复合周期结构的特殊带隙结构、奇异缺陷模式和界面模式，研制新型微波原理性器件如新型飞行器天线罩、用于高速移动系统无线信道分析的新型天线等。 2.设计与制备光子晶体与量子受限系统复合结构，利用光子晶体与量子受限系统复合结构光电量子调控和量子限制所产生的新激光原理和激光现象，研制新型激光器。 3.设计与制备亚波长金属周期微结构与量子受限系统复合结构，利用光子晶体与量子受限系统复合结构光电量子调控和量子限制所产生的新跃迁激发原理和吸收现象，研制新型红外波段探测器。 4.设计与制备光子学微结构阵列，利用非线性光子学微结构阵列的

特殊带隙结构和光调控效应，研制新型光调制器件如光开关。5.发表一批高质量学术论文，形成一批有自主知识产权的专利技术。

【能源2020】量子计算技术的研究现状与趋势

1900年Max Planck 提出“量子”概念，宣告了“量子”时代的诞生。科学家发现，微观粒子有着与宏观世界的物理客体完全不同的特性。宏观世界的物理客体，要么是粒子，要么是波动，它们遵从经典物理学的运动规律，而微观世界的所有粒子却同时具有粒子性和波动性，它们显然不遵从经典物理学的运动规律。20世纪20年代，一批年轻的天才物理学家建立了支配着微观粒子运动规律的新理论，这便是量子力学。近百年来，凡是量子力学预言的都被实验所证实，人们公认，量子力学是人类迄今最成功的理论。第二次量子革命我们将物理世界分成两类：凡是遵从经典物理学的物理客体所构成的物理世界，称为经典世界；而遵从量子力学的物理客体所构成的物理世界，称为量子世界。这两个物理世界有着绝然不同的特性，经典世界中物理客体每个时刻的状态和物理量都是确定的，而量子世界的物理客体的状态和物理量都是不确定的。概率性是量子世界区别于经典世界的本质特征。量子力学的成功不仅体现在迄今量子世界中尚未观察到任何违背量子力学的现象，事实上，正是量子力学催生了现代的信息技术，造就人类社会的繁荣昌盛。信息领域的核心技术是电脑和互联网。量子力学的能带理论是晶体管运行的物理基础，晶体管是各种各样芯片的基本单元。光的量子辐射理论是激光诞生的基本原理，而正是该技术的发展才产生当下无处不在的互联网。然而，晶体管和激光器却是经典器件，因为它们遵从经典物理的运行规律。因此，现在的信息技术本质上是源于量子力学的经典技术。 20世纪80年代，科学家将量子力学应用到信息领域，从而诞生了量子信息技术，诸如量子计算机、量子密码、量子传感等。这些技术的运行规律遵从量子

量子与光学

量子与光学 ——量子光学领域的历程、进展以及量子点徐慧远 111086

一、量子光学在经典力学中，生活的简单的。颗粒就是颗粒，波就是波，并且我们确切地知道事物存在的位置和状态。然而，任何一个学过物理的人都会告诉你，在量子领域，问题就变得复杂多了。下面我将从一个特别的视角来描述量子——量子光学，把量子理论和光学结合在一起构成了一个奇特，精彩的世界。根据澳大利亚昆士兰大学的量子光学领域的专家Gerard Milburn的说法，这一领域的研究要追溯到上世纪60年代。值得一提的是，哈佛大学的Roy Glauber教授最先开始量子电磁场的相干光研究，并以此获得了诺贝尔奖。 Milburn解释道，“Roy在光学干涉实验中展示了已经广为人知的相干性质领域的量子状态。尽管这证实了特定的场态会从经典光学中重新得到已知的结果，但是这一新的量子光学领域表明了独特的量子表现将会变成某些类型情境的证据”。“通过理论科学家和实验科学家之间的紧密的交流，这一学科在上世界60至90年代之间的历史可以看成是一种这一前景的稳固的实现。” 根据Milburn的说法，上世界70年代是研究光子计数统计的量子特性的最重要的10年，并且在预言和观测光子的反聚束方面达到了顶峰。在随后的80年代科学家们又反过头来补充研究光的波动性，重点关注于相位依赖特性。在90年代，纠缠态的非经典方面又成为了研究的主要领域，随后出现了贝尔不等式这些具有先驱性的成果。 90年代还见证了在原子凝聚物和量子信息这些新领域的分歧，并且取得了重大的进步。量子光学早90年代早期就已成为量子信息理论领域的一些新思想的理想的实验土壤，并且之后取得了巨大的成功。许多更加令人称奇的关于量子理论的预言（包括电子传输和反贝尔不等式）都已经被证实在量子光学领域具有惊人的可靠性。Milburn还解释了这些巨大成功的原因： “实验室要想达到光频段，温度就必须极其低。因而光频段的热激发通常可以忽略的，因此可以直接研究量子相干性而不用去考虑热噪声产生的隐藏的影响。当然，必须得考虑自发辐射和光子吸收，”Milburn还提到“这一领域的大部分的进展都是来自于减轻这些热噪声影响从而得到相干量子控制的一个非凡的水平，尤其是在量子通信协议方面，比如说量子密匙分配。” 那么将来这一领域将会怎样呢？下一个十年，量子光通信和计算无疑将会继续取得重大的成果。Nature的一篇社论中高度评价了量子信息协议的实现在近些年取得的进展。目前应用方面主要受到硬件方面的限制，尤其是光子探测器和可靠的单光子源的需求。好消息是有文章表明在这方面已经有了稳步的进展。近来在处理要求更高的任务时所涉及到的量子光学系统定标方面的一项非常重要的发展就是集成光学电路的应用，这打开了片上量子光学实验的这一具有有人前景的大门。已有文章报道了实现了具有很高集成度的器件，从而避免了繁

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。

受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用

项目名称：受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用首席科学家：贾锁堂山西大学起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：山西省科技厅

一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题：超冷原子分子作为一种理想的介质已经被广泛用于物质与场的相互作用，原子/分子量子态是精密光谱、量子信息以及超高灵敏测量的重要量子资源。为实现受限空间中光场与超冷原子分子相互作用所产生的新型量子态的操控与应用，拟解决的关键科学问题如下： 1)在超冷条件下，从单原子到原子系综的量子态（包括纠缠态、相干叠加态、自旋压缩态等）制备和操控的新原理、新方法。中性原子的冷却及长时间的有效控制；偶极阱中单粒子的高效装载以及在特定环境（如微光学阱、微腔）中单粒子的外态和内态的控制；基于冷原子系综的自旋压缩态制备和应用及量子非破坏性测量；失谐偶极光阱，制备高密度超低温冷原子团；利用量子非破坏性测量并实现冷原子自旋压缩态、冷原子自旋压缩、量子Fisher信息及量子关联。 2)受限空间中光与原子/分子相互作用（包括强耦合）的物理实现及其新奇量子效应。微型光学阱和微光学腔的构建和控制的新方法；基于强耦合真空受激拉曼绝热输运过程的量子态的制备；耗散过程对量子态制备和操控的影响以及克服退相干的新途径；极化费米子超流体系、玻色-费米混合体系、组错晶格的相互作用与玻色体系等的新奇量子态;BCS-BEC渡越的物理机制。 3)超冷极性分子量子气体的高效制备和分子量子态操控的新机制。超冷极性分子及相干叠加态和纠缠态的制备；利用外场有效调控极性分子之间的偶极—偶极相互作用以及超冷极性分子与单光子的强耦合作用；实现高保真度的量子信息存储以及精密光谱测量。 4）精密光谱、量子计量、量子测量(包括量子非破坏性测量等)和量子信息中的新原理和新技术。发展基于噪声微扰的新型精密光谱方法，进行原子系统中磁场的精密测量；基于光腔和电磁诱导透明（EIT）联合作用以及冷原子系综的自旋压缩态的制备，实现突破标准量子极限的精密测量，提高量子计量中参数估计的精度；进行超冷极性分子的超高分辨光谱测量，利用分子纠缠态实现量子逻辑门；利用受限空间中光与原子分子强耦合相互作用产生的新型量子态，实现原子的量子寄存、可控单光子源以及量子节点。

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。

量子光学与量子信息讲课教案

量子光学与量子信息

量子光学与量子信息摘要：量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物物理问题的一门学科。关键字：量子光学量子信息 JC模型 TC模型早在1900和1905年,普朗克和爱因斯坦就提出了光量子假说,并成功解释了黑体辐射谱分布与光电效应,确定了光具有波粒二象性的基本物理思想。然而,长期以来由于经典电磁辐射理论能完满地解释绝大多数物理光学实验现象,光的量子理论并未得到系统发展。直到2O世纪7O年代以后,随着激光与光电子技术的进步,一系列用经典理论无法解释的非经典光学效应逐步被实验观测,才形成了以量子化光场为基础的量子光学学科领域。光量子或称光子为基本能量单元的量子化光场遵循量子电动力学基本规律,严格地说只有用QED理论,才能解释迄今为止所观察到的所有光学现象。量子光学用量子电动力学理论研究光场的量子性和相干性,以及光与原子相互作用的量子力学效应。当前,量子光学中应用性较强的重要研究领域有:光场的量子噪声,光场与物质相互作用中的动量传递、腔量子电动力学等。在光学与原子物理这门课程的学习中，我们了解到了量子化这个概念。那么，量子光学在科技实验研究中有哪些应用呢？首先，量子光学的原理和理论基础为：热辐射基尔霍夫定律一．热辐射

1．热辐射：在一定时间内辐射能量的多少及能量按波长的分布都与物体的温度有关，故称电磁辐射为热辐射（温度辐射）；辐射能(λ,T )，如炉子,酒精灯… 2．平衡热辐射：相同时间内辐射与吸收的能量相等，T 不变二．辐出度(辐射出射度,发射本领) 1．单色辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的波长在λλλd ~+范围内辐射能量)T (dE λ和波长间隔λd 的比值 λ λλd )T (dE )T (e = 2．辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的各种波长的辐射总能量。 λλd )T ,(e )T (E ?∞ =0 三．吸收比、反射比 1．吸收比：J B )T (a = 单色吸收比：) T ,(J )T ,(B )T ,(a λλλ= 2．反射比：J R )T (=ρ 单色反射比：) T ,(J )T ,(R )T ,(λλλρ= 不透明物体：1=+)T ,()T ,(a λρλ 四．绝对黑体（黑体） 1．定义：1=)T ,(a λ的物体

浅谈量子力学与量子思维

量子力学：不平凡的诞生预示了不平凡的神奇 ——浅谈量子力学与量子思维理学院物理系林功伟量子力学自诞生以来，极大地推动了现代科学和技术的发展，已经深刻地改变了我们的生活方式。从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，处处它都在大显身手，它已经把人类社会带入量子时代。但量子理论究竟带给了我们什么？这个问题，至今带给我们的仍只是无尽的想象。近年来，校长钱旭红院士，从改变思维的角度出发，在多种场合呼吁全社会要重视量子思维方式并加以运用，不久前又在“文汇科技沙龙”上，提议让“量子思维”尽早走入中小学课堂。那么，量子力学究竟是什么？量子力学的诞生是一段波澜壮阔的传奇。它的发展史是物理学乃至整个科学史上最为动人心魄的篇章之一。不平凡的诞生预示了不平凡的神奇。在量子世界中，处事原则处处与我们熟悉的牛顿力学主宰的世界截然不同。在我们熟悉的世界，要么是波，要么是粒子。在量子世界，既是波也是粒子，既不是波也不是粒子，兼具波和粒子的特质，即波粒二象性。从而引申出量子叠加、测量塌缩、量子纠缠等种种神奇的现象。量子叠加：鱼和熊掌亦可得兼在经典的牛顿力学体系中，把粒子的运动都归结为确定轨道的机械运动。知道粒子某个时刻的运动状态与力的作用，就可以推断粒子的过去，也可以预知粒子的未来。就像一个算命先生，你告诉他生辰八字，他掐指一算就知道你的前世来生。在这种机械观下，仿佛一切都是注定的、唯一确定的。然而，在量子世界，一切都变得不一样。比如，有一天要从上海去北京，异想天开的你既想乘坐京沪高铁体验沿途的风光，又想搭乘飞机享受鸟瞰大地的感觉。我们习惯的方式是同

一时间我们只能选择其一，必须割爱其一。但在量子世界中你可以在火车上和飞机里共存量子叠加态上，鱼和熊掌亦可得兼。这种量子叠加状态非常奇特。同一时刻，你既体验着高铁沿途的风光，也享受着飞机上鸟瞰大地的感觉，如果说同一时刻有两件事，但分别要求在火车上和在飞机里完成，量子叠加态的你完全可以神奇地一一照做。就像《西游记》中的孙悟空有分身术，同时一个上天一个入地。现在科学家们正利用这一原理来研制未来的量子计算机。量子计算机中的量子比特可以在无数的空间中量子叠加。它们并行地操作完成复杂的计算。已有研究表明这种量子并行计算确实可以在某些特定的复杂计算问题上大大提高效率。例如：一个400位的阿拉伯数字进行质数因子分解，目前即使最快的超级计算机也要耗时上百亿年，这几乎等于宇宙的整个寿命；而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机可能只需要几分钟。还有利用量子快速搜索算法，可能很快从一个大森林里找到一片叶子，或者在一个沙滩上找到一颗沙子。在量子世界，“大海捞针”已不再是没有可能的事，简直“易如反掌”。量子叠加不仅可以是同一个物质在它不同状态的叠加，还允许不同物质的叠加，哪怕这两个物质是迥然不同类的。比如光和原子，前者是宇宙中最快的，一眨眼可以绕地球好几周；后者可以慢悠悠地停留在某处。如果让它们量子叠加一起会怎么样呢？有种叫电磁诱导透明的技术就可以让光和原子相干叠加。叠加后我们称之为暗态极子，它是半光半原子的混合体，就像希腊神话中半人半神的帕尔修斯，既具备人的情感，也具备神的能力。人们发现这种半光半原子混合体的速度是介于之间的，它既不像光速那么快，也不像原子慢悠悠停留在某处，它的速度取决于光在其中叠加的比重。人们通过调节这个比重就可以让光乖乖地慢下来，需要的时候还可以让光再飞奔起来。在运用上，光子相互作用很小，而原子之间容易产生大的相互作用。有趣的是：最近，我们研究小组通过合理设计可以利用原子的优点来弥补光子的缺点，设计出强的单光子相互作用。如果把这个过程提升到量子思维的话，不就是我们生活中的“取长补短”“协同合作”吗？而这个思维能力正是当代社会所迫切需要的。

量子计算机的发展现状与趋势_王建锋

高教论坛量子计算机的发展现状与趋势王建锋（郑州大学体育学院体育教育系，河南郑州450000）量子信息科学引入后，重新对计算、信息编码与处理进行了诠释。作为一门高效处理信息的学科，量子信息体现了科技的进步。该学科融入了多个学科，包括信息科学、物理学，以及材料学。因此，与传统的计算相比，也具有更强大的生命力。可以看出，自从应用量子信息科学后，使计算机的更加安全，并且提高了通信的质量。尽管量子计算机尚在初步发展阶段，但是该学科具有很大的发展潜力。因此，对量子计算机的发展现状与趋势进行探讨非常有必要。１量子计算机的发展现状１．１研究概况（１）拓扑量子计算。拓扑量子计算方案由一位数学物理学家提出。根据拓扑量子不受扰动的特点，完成量子计算机的构造。在此基础上，进行容错量子的计算。当前，该计算已经引起了国内外的重视。世界上很多大学已经开始了理论与实验方面的研究。在进行拓扑量子计算时，每个子都有几下几个特点。第一，有很多准例子，分为不同的类型，其作用是进行信息的初始化。第二，当每个子进行交换时，只要满足辫群规则，就能实现拓扑量子门。然后，完成信息的处理。第三，在拓扑量子计算中，不用考虑环境影响的因素。所以，保证了处理的准确性。当前，美国已经根据相关研究，成功建立了基本的量子位。（２）单向量子计算。单向量子是一种新的途径。该计算采用了量子的纠缠态、经典通信，以及局域操作，来传递非局域作用，继而实现等价的非局域哈密顿量功能。所以，成功建立了一种高度纠缠的状态。该状态被称为图态。利用相邻的量子比特进行ＬＯＣＣ过程，可以完成出发端量子比特的逻辑门操作。根据以上原理，有助于完成电路的设计。可以看出，如何高效的转换量子比特数目图态是其模型计算的难点。（３）绝热量子计算。绝热量子计算的核心思想是：依靠绝热演化的性能，来等效实现量子玄正的变换。当表现为绝对零度时，系统则处于初始状态。此时，如果不存在能级交叉的现象，那么在理论上来将，系统就会保持基态。但是，在系统演化前后，基态就存在玄正变换的关系。在这种情况下，则可以根据绝热的过程，来实现量子计算。以上方案既有优点，也有缺陷。其优点在于保证系统处于基态。其缺陷为能隙缩小，延长了绝热演化的时间。针对以上问题，采用量子仿真技术就可以解决。该技术的应用，促进了科技的快速发展。１．２实验进展（１）量子点体系。量子点体系是在微加工方法的基础上，利用半导体二维电子气，然后成功研制出单电子晶体管。该体系符合量子力学规律，代表了未来量子计算机发展的方向。近年来，国际上多个单位通过研究，在这方面取得了很大进展。研究表明，当半导体量子点具备一定条件后，就可以作为量子芯片。尽管如此，量子芯片在应用的过程中，还存在很大的问题，比如受到周边环境影响较大。鉴于此，在未来的研究中，必须加大力度。（２）超导量子电路。该量子计算的核心是Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ。根据不同的表征量子比特，将其分为三个类型，分贝是电荷、相位，以及磁通。研究表明，该量子电路的特点包括以下两个方面。一方面，利用量子电路结构，能够完成电路的设计、制定。同时，也可以完成对磁通信号的调整、控制。另一方面，根据当前的微电子制造工艺，提高了该量子电路的拓展性。（３）离子阱体系。离子阱体系诞生后，首先实现了量子计算。当前，经过不断的研究，该体系已经在实验方面，取得了很大的进展，其水平非常高。近年来，主要的研究方向为：提高量子操控的单元技术、体系的拓展等。调查显示，美国已经启动了相关的计划，预计能够取得更大的研究成果。２量子计算机的发展趋势近年来，美国实施了研究量子芯片的计划。该计划是时候，不仅推动了量子计算机的研究，而且加大了竞争。随着半导体芯片的快速发展，其晶体管的尺寸也不断减少。目前，与单位流感病毒的大小差不多。其次，晶体管的数目也逐渐减少，量子效应不断增强。在传统模式下，能够达到控制电子的物理极限。当单位晶体管只能容纳一个电子时，也必然满足量子学的规律。可以看出，芯片在发展的过程中，很大程度上依赖于新一代的量子力学计算芯片。随着半导体微电子技术被突破后，就出现了量子芯片。美国竞争力计划推行后，代表了量子芯片的实际应用。由于量子芯片与国家安全、产业安全息息相关，美国相关负责人已经将芯片科技提到重要战略位置。受美国的影响，日本、欧共体等也启动了相关的计划，引发了新的计算机技术竞争。目前，在新的发展形势下，给我国电子个工业也带来了机遇和挑战。因此，我们必须抓住机遇，稳步推行量子调控计划。只有这样，才能在未来不受制于人，实现信息技术的革新。调查显示，近年来，通过不懈的努力，我国已经加快了量子信息技术的发展，并取得了很大成绩。表现为：在多光子纠缠、量子密码技术方面，取得了很大的进展和突破。但是，与西方国家相比，我国的研究基础还很薄弱，缺乏原创性的成果，总体水平还不高。特别是在量子计算机学科主流方向上，与西方国家存在很大的差距。鉴于此，我国需要迫切开展更富有挑战性的量子计算机计划，同时不断壮大科研队伍，保证技术方面的支撑。只有加强基础建设，才能实现新一轮的突破，在国际竞争中抢占制高点。随着社会、经济的快速发展，量子计算机以强大的计算能力，得到了广泛的应用。可以看出，在未来的发展中，量子计算机必然在世界领域内，占有一席之地。尽管如此，该体系在运作的过程中，依然存在很多问题。因此，世界各国需要加大研究的力度，不断创新技术，完善体系，以此来获得更大的研究成果。参考文献 [1]邹奕成，毛杰.量子计算机的发展[J].科教导刊：电子版，2016（24）：131-131.[2]刘超，梁丽，徐亮.计算机的发展趋势分析[J].产业与科技论坛，2013，12（2）：91-92.[3]潘斌辉，孔外平.量子计算机的发展现状与趋势[J].中国科学院院刊，2010，25（5）：4-8.[4]马宏源，李伟.量子计算机的研究与发展[J].北京电力高等专科学校学报：社会科学版，2010，27. 作者简介：王建锋（1974-），男，汉族，籍贯：河南省登封市大金店镇金东村，学士学位，讲师，研究方向：计算机。摘要：与传统的计算工具相比，量子计算机更加先进。应用该工具后，在处理数据上发挥了更强大的功能，解决了以往比较困难的数学问题。基于此，引起了世界各国的重视。本文结合实际的工作经验，对量子计算机的发展现状进行了分析。然后，提出了在未来的时代中，量子计算机的发展趋势。关键词：量子计算机；发展；现状；趋势；分析５７··

量子计算发展现状报告

量子计算发展现状报告量子计算是基于量子力学的新型计算方式，利用量子叠加和纠缠等物理特性，以微观粒子构成的量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现计算处理，理论上具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。量子计算研究始于上世纪80年代，目前已进入工程实验验证和原理样机攻关阶段。量子计算包含量子处理器、量子编码、量子算法、量子软件等关键技术。量子处理器的物理实现是当前阶段的核心瓶颈，包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等多种技术路线，近期均取得一定进展。目前，量子计算物理平台中的超导和离子阱路线相对领先，但尚无任何一种路线能够完全满足量子计算技术实用化条件实现技术收敛。为充分利用每种技术的优势，未来的量子计算机也可能是多种路线并存的混合体系。量子优越性（QuantumSupremacy）的概念由教授首先提出，指量子计算在某一个计算问题上，相比经典计算机可实现指数量级运算能力的加速，从而真正体现量子计算技术的原理性优势。实现量子优越性的研究成果基于53位量子比特的超导处理器，在解决随机量子线路采样特定计算问题时，具有远超过现有超级计算机的处理能力。此项研究成果是证明量子计算原理优势和技术潜力的首个实际案例，具有重要的里程碑意义，这一热点事件所引发的震动和关注，将进一步推动全球各国在量子计算领域的研发投入、工程实践和应用探索，为加快量子计算机的研制和实用化注入新动力。现阶段量子计算的发展水平距离实用化仍有较大距离。量子计算系统非常脆弱，极易受到材料杂质、环境温度和噪声等外界因素的影响而引发退相干效应，使计算准确性受到影响，甚至计算能力遭到破坏。同时，可编程通用量子计算机需要大量满足容错阈值的物理量子比特进行纠错处理，降低退相干效应影响，获得可用的逻辑量子比特。现有研究报道中的物理量子比特数量和容错能力与实际需求尚有很大差距，逻辑量子比特仍未实现。通用量子计算机的实用化，业界普遍预计将需十年以上时间。在量子计算领域，各国近年来持续大力投入，已形成政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的良好局面，并建立了在技术研究、样机研制和应用探索等方面的全面领先优势。领先国家之间通过联合攻关和成果共享，形成并不断强化联盟优势。初创企业是量子计算技术产业发展的另一主要推动力量。初创企业大多脱胎于科研机构或科技公司，近年来，来自政府、产业巨头和投资机构的创业资本大幅增加，初创企业快速发展。目前，全球有百余家初创企业，涵盖软硬件、基础配套及上层应用各环节。尽管量子计算目前仍处于产业发展的初期阶段，但军工、气象、金融、石油化工、材料科学、生物医学、航空航天、汽车交通、图像识别和咨询等众多行业已注意到其巨大的发展潜力，开始与科技公司合作探索潜在用途，生态链不断壮大。多