量子力學和計算機的關系精選(九篇)

前言：一篇好文章的誕生，需要你不斷地搜集資料、整理思路，本站小編為你收集了豐富的量子力學和計算機的關系主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。

第1篇：量子力學和計算機的關系范文

關鍵詞 量子力學 量子教育學 主觀性

中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A

量子力學所涵蓋的一些思想，在哲學的研究中體現比較廣泛，也對教學理論方面起了重要的作用，可以說量子力學對哲學思想的發展有著重要的促進作用。量子力學著重利用圖景等表象來認識周圍的世界，強調因果關系的認識，對后期形成的教育學理論具有參考性。但是，借助量子力學所形成的“量子教育學”則有很大的不同，這一教育學對原來的量子理論認識存在較大的偏差，充分強調自然科學。

1量子力學的緣起

1900年，量子假說出現在眾人的認知里，現在的量子力學仍在不斷完善，為后期的科學發展提供了重要的理論基礎，可以說量子力學是量子理論的中心，它促進了原子能等一些先進技術的發展，為社會的重大發明打下基礎，使人們更加清晰地認識到微觀世界，并利用微觀運動來更好地服務社會，是人類的重要發現，也是社會的偉大進步。

2量子力學的宇宙觀

在宇宙世界中，對量子理論有較多的探討，從已經存在的氫原子中，找到了量子級別的狀態。對于電子而言，比原子更為復雜，這就要求必須要滿足求解該原子的特定的方程來解出，并且要求其 場剛好環繞原子核產生駐波而求得。此外，量子態與別的駐波不一樣，都有自己特定的頻率，并與所蘊含的能量有關，每種量子狀態都有所表征的能量。這就是說，預期任何一個態的能量都是一個具體量子所確定的，并不是模棱兩可的，只要是有理論依據，就可以科學地估測態的能量多少。由于質子與電子之間存在著相互吸引的力，要想移動一個電子就必須要克服引力做功。

3量子的思維方式

人類思想總是處于不斷發展中，當兩種思想發生交集時，就會形成一個比較完整的、令人驚嘆的思想成果，正如牛頓的世界觀與量子理論產生彼此彌合的交集，才會讓思想發展得如此迅速，才會讓社會發展如此的快。量子思維方式給人類一個重要的啟示，要求以人為中心，以人為主體。隨著時代的進步和經濟發展，信息技術逐漸融入了人的智慧和思想，他們彼此都是看不見的，沒有確定的形狀，但彼此交匯起來以后，就成了一種可以量化的物質，這是由于物質性比較弱。其實，量子物理學所產生相關的科學智慧，是人類社會發展的重要因素，也是文明進步的重要保障，可以說，量子物理學是計算機重要的組成部分，所形成的計算機芯片是重要的思維體現，量子物理學不僅是科學進步的前提，更是信息發展的重要保障，量子思維更是現代社會發展的必要方式。

4“量子教育學”的唯心主義

從產生量子力學后，“量子教育學”也隨之不斷發展，雖然也涉及到一些教育學方面的觀點，但這些觀點都是被眾人早就接受了。如：學習是一個整體的過程，在這個過程中各知識點是相互聯系、彼此交錯的，以及還談到了關鍵詞：服務、個性化、互補等，但是，這些所謂的觀點及結論不是原汁原味的，也不是從量子力學中演變而來，而是與它的原理相悖，從本質上講，“量子教育學”就是一種唯心主義的表現。

貝克萊比較重視經驗，認為所學的知識來源于經驗，但是他卻犯了一個致命的錯誤，認為感覺是世界真正存在的東西，其他的都是看不見的。他認為，知識是一切力量之源，但感覺是我們去探索未知世界，追求至高真理的唯一手段，只有能感覺到，才能被發現。也就是說：我們的主觀性決定了我們所看見的世界，這也是量子教育學詮釋的觀點。他認為，只要消除了事物與觀念的差異，認同事物等同于所謂的觀念，并且觀念可以感知任何世界上存在的事物，這樣才會讓我們的知識更加具有生命力。

5“量子教育學”的曲解

正所周知，量子力學不可能槲ㄐ鬧饕搴筒豢芍論創造理論基礎，而“量子教育學”卻是唯心主義的重要思想來源，這是“量子教育學”對量子力學核心思維的歪曲，或者說對量子力學沒有正確的認識，造成思想上出現截然不同的主張，另外，“量子教育學”過分強調感覺和經驗，導致偏向于不可知論，與量子力學的思想相悖而馳。

“量子教育學”對量子力學概念和方法認識的偏差表現有。為了進一步認識光的本質特性，提出了波粒二象性的觀念。此后，玻爾提出了“氣補原理”，再一次詮釋了波粒二象性的本質。“測不準”原理而是在某一個方面有較大的缺陷，不是粒子在宏觀世界的不適用，只是說明不能單一地應用某一個方面，只有同時應用時才能為物理現象提高全面的解釋。玻爾認為，波粒二象性在整個量子力學中的地位較高，它是一種可以很好地描述一種物理現象的原理，也可以說是解釋因果關系的一種原理，它可以相互促進、相互排斥，這種互斥的關系不可或缺，這種互補關系后來被廣大學者所接受。

6結語

近年來，量子力學逐漸被廣大研究者重視起來，探討量子力學的基本原理以及與量子教育學的重要關系，在量子理論的發展過程中，這已經留下了較多的論爭。可以肯定的是量子力學對于科學的進步貢獻了一份力量，把微觀世界與宏觀世界聯系起來，而量子教育學并不是量子力學的正確認識，就本身的發展情況來看，量子教育學認同了后現代主義，成為了唯心主義的重要依據。

參考文獻

[1] 賀天平.量子力學多世界解釋的哲學審視[J].中國社會科學，2012（01）：48-61，207.

[2] 烏云高娃.量子力學發展綜述[J].信息技術，2006（06）：154-157.

[3] 母小勇.量子力學與“量子教育學”[J].教育理論與實踐，2006（07）：1-5.

第2篇：量子力學和計算機的關系范文

量子力學的成功和困惑

用宏觀物理學的方法研究原子的性質及其相互作用時，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子水平上的重要效應。操控單個微觀粒子，研究單個粒子的行為和性質以及少數粒子的相互作用，一直是就是物理學家夢寐以求的事。隨著實驗技術的發展，控制單個微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發明和在這以后激光技術的發展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續時間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實驗技術和實驗方法有了極大的發展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運動速度減到非常小，直至幾乎停止。還實現了利用特殊的電磁場來陷俘單個原子或離子。物理實驗技術的進展使研究單個或少數幾個粒子的性質、深入研究光子和物質粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應用的廣闊前景，還為證實和發展量子物理學的基本原理提供了實驗基礎。

量子力學已有100多年歷史，量子力學理論取得了輝煌的成功。現代的高科技產品，如計算機芯片、激光、醫用磁共振等等無不是在量子力學理論基礎上發展起來的。量子力學被認為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學的基本原理始終存在著疑問，那些創立量子力學的物理大師們自己都不滿意量子力學的基本假設。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關于量子力學的理論基礎是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出令人滿意的結論。

量子力學描寫微觀世界的規律，但人類的直接經驗都是關于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經典物理學中，觀察不影響被觀察對象的運動狀態，例如，我們能夠觀察一個行星的運動，追隨它的運動軌跡，行星的狀態變化與觀察者無關，不受我們觀察的影響?？墒牵瑢ξ⒂^世界的觀察就完全不是這樣，當我們研究一個量子體系時，經過測量后的量子體系原來的狀態總是被破壞了。例如，光子進入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態就改變了。宏觀儀器對量子系統測量的結果，都必須轉換為經典物理學的語言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測量量子體系的量子性質是難以做到的事情，所以，量子力學所預言的量子世界的奇特性質一直令物理學家和公眾感到神秘難解。

2012年諾貝爾物理獎獲得者和他們的同事們的工作，突破了經典物理學實驗和人類直接經驗的限制，他們直接觀察到了個別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個光子，用原子進行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個量子粒子進行實驗測量，研究量子力學的基本原理。這些研究不僅對量子理論的基本原理的進一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應用前景。

阿羅什：把光子囚禁起來

阿羅什畢業于法國高等師范學校。1971年他在巴黎第六大學獲得博士學位，導師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學獎得主。從20世紀60年代開始阿羅什就在法國高等師范學校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實驗室是以獲諾貝爾物理學獎的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國斯坦福大學，在諾貝爾物理學獎獲得者肖洛的實驗室中工作。

阿羅什說，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實驗室特有的學術環境和物質條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識和技能傳授給一代又一代的學生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準備新課的過程中他注意到了光和物質相互作用的不同方面。阿羅什認為，國際交流學者參加研究不僅帶來專門的知識和技能，也帶來不同的科學文化以補充他們自身的不足。他覺得幸運的是，在長期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強地提出可能的應用前景作為依據。

阿羅什小組的主要成就是發展了非破壞性的方法檢測單個光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉換為電流（光電探測器）或轉化為化學能量（照相底片）（動物的眼睛是將光子轉化為神經的電脈沖的）。總之，光子被測量到后立即消失。近半個世紀以來，雖然人類發展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復測量記錄同一個光子。

光的速度非常快，達每秒30萬公里，所以要控制、測量單個光子，必須將光子關閉在一個小的區域內，并使其在足夠長的時間內不逃逸或被吸收。阿羅什小組實驗成功的關鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個納米（1納米=100萬分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機會非常小?？涨挥蓛蓚€凹面鏡相對安放組成，鏡間距離27毫米。整個設備安置在絕對溫度1度以下的環境中。一個微波光子在腔中停留時間可達十分之一秒，即在兩面鏡子之間來回反射10 億次以上，差不多相當于繞地球一周?？梢哉f阿羅什小組創造了限制在很小的有限體積內的光子壽命的世界紀錄。

阿羅什小組的另一項創造性貢獻是利用利用里德伯原子作為探測器，實現非破壞性測量單個光子。所謂里德伯原子，是激發到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數37）原子，把它的價電子激發到第50層的圓形軌道上（主量子數n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據的最外層軌道為n=5；當它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時，原子的半徑達到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個很大的無線電天線，容易和電磁場相互作用。

瓦因蘭德：讓離子停下來

瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業于美國加利福尼亞大學伯克利分校；1970年在哈佛大學獲博士學位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實驗室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關激光致冷的開創性論文，被學術界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學獎的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。

1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業部的美國國家標準與技術研究所工作。在那里，他創建了儲存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學獎。他是15年來美國國家標準與技術研究所第四位獲諾貝爾物理獎的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。

制造量子計算機的建議方法有多種，許多科學家正在對不同的方案進行實驗研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個電極組合產生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價離子限制在三個電極組成的空間中。三個電極包括兩端各有一個相對的電極和一個環形電極，離子由激光束控制。

在常溫下，原子運動的平均速度為每秒數百米，以這種速度運動的離子會立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運動速度才能變得很小?？梢岳眉す馐闺x子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當然，原子或離子吸收了光子又要再把它發射出去，發射光子時原子也要受到反沖。但原子或離子發射光子的方向是隨機的，各種方向都有，結果反沖效應平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動，這種振動的能量和離子內部的能量狀態耦合起來，形成復雜的能級。在適當頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內部能量最低的狀態，同時帶動離子振動能量的變化。在適當控制的條件下，重復這樣的過程，就可以使離子振動能量逐步減少，直到振動能量達到最低的量子狀態，離子近于完全停止。這時，離子就可以隨意操控了。

瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個量子可控非門（Controlled NOT）。當然可控非門只是最簡單的量子計算機的元件，一臺能工作的計算機需要多得多的元件，離制成實用的量子計算機還非常遙遠。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內的許多科學家正積極研究，攻克難關，希望在本世紀內將量子計算機研制成功。

瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗量子力學基本原理，如進行“薛定諤貓”的實驗。

不為盛名所惑

阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實驗室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學獎的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩定的研究小組，還有許多優秀的學生和合作者，其中包括外國的訪問學者。在他們的諾貝爾獎報告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學生、博士后和訪問學者也做出了貢獻，強調成績是大家努力的結果。

瓦因蘭德和阿羅什也有一點很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒有非常明確的應用目標，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠的應用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應用目的。不過，即使在法國高等師范學校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標準與技術研究所本身就具有明確的實用目標：促進美國的創新和產業競爭能力，開創新的測量科學，推進美國的技術水平。該研究所的研究都是目標長遠，技術含量高，能在世界上領先的項目。這些項目實際上都是結合遠期應用的基礎性研究。

瓦因蘭德和阿羅什還有一個共同點，就是除了做研究以外，都在大學教課。阿羅什認為備課的過程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學生的角度來看，能聽到優秀的科學家講課，和他們直接交流，不僅能學到當今前沿的科學知識，還可以學習到優秀科學家的治學精神和思想方法。

榮摘諾獎桂冠是否改變了科學家本人的生活呢？據英國廣播公司（BBC）在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會告知自己獲獎的消息。

“我很幸運，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎這回事，“（接到來電時）我正在一條街上，旁邊就有個長椅，所以我第一時間就坐了下來。”他形容那一刻的心情，“當我看到是瑞典的來電區號，我意識到這是真實的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋?！?/p>

不過據諾獎官網的推特稱，阿羅什接到獲獎的確切消息后，打了個電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實驗室工作去了。

（作者單位：復旦大學物理系）

阿羅什小組設備示意圖

第3篇：量子力學和計算機的關系范文

【關鍵詞】核磁共振成像;原理;系統

【中圖分類號】R445.2【文獻標識碼】A【文章編號】1007-8517(2009)08-0047-01

早在20世紀40年代，人類就認識了核磁共振現象。但是這一現象在30多年以后才得到廣泛應用。迄今為止，磁共振成像已經快速地成長為一個強有力的醫學成像模式。本文將介紹核磁共振原理，核磁共振成像的原理，核磁共振成像系統的結構。

1磁共振成像基本原理

1.1核磁共振的基本原理原子核除具有電荷和質量外，許多原子核還具有自旋角動量 P，它與相應的磁偶極矩 之間關系為產 ＝γ（ γ為旋磁比）。原子核的自旋角動量是量子化的，核磁矩也是量子化的。以 B0的方向為 z軸的正方向，則核磁矩的大小為： μ＝γI（I＋1）。

I的值可以是零、整數或半整數。按照量子力學原理，自旋角動量在z方向的分量為： Pz＝mIh

成是在環路上運動的電流，原子核既有電荷又有電流，原子核既有電荷又有自旋，因此也就有相應的磁偶極矩 μ，它和角動量P的關系為： ＝γ。

用量子力學來描述核磁共振，當將將核磁矩置于沿z軸的靜態磁場H0中，磁矩 μ與H0將有相互作用能，能量算符為 ＝－0＝－γhH0Iz，Em＝=－γηH0m，其中m=I,I-1，I-2，……，-I+1，-I，總共2I+1個能級。

Em-1-Em=γηH0m，表示能級的間距與m值無關，即能級是等距的，其間距與磁強強度H0成正比。

為了觀測能級間粒子的躍遷，在垂直于H0方向加一射頻場：Ht=2H1cos(2νm)，則能量算符： ＝－t=-γH1μxcos(2νm)=-2H1γIxcos(2νm)，單位時間躍遷幾率為： Pmm’=γ2H12＜mtIxm＞2δ(νmm’-ν)，其中：νmm=Emm’h=γH0mt-m2π。

從δ(νmm’-ν)可知，只有當ν=γH0/2π時，不為零。這稱為“共振條件”，ν0=γH0/2π稱為共振頻。

1.2磁共振成像基本原理磁共振成像是利用原子核在磁場內共振所產生信號經重建成像的一種成像技術。人體不同器官的正常組織與病理組織的T1是相對固定的，而且它們之間有一定的差別，T2也是如此。有如CT時，組織間吸收系數（CT值）差別是CT成像基礎的道理。但MRI不像CT只有一個參數，即吸收系數，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等幾個參數，其中T1與T2尤為重要。因此，獲得選定層面中各種組織的T1（或T2）值，就可獲得該層面中包括各種組織影像的圖像。

MRI的成像方法也與CT相似。有如把檢查層面分成Nx，Ny，Nz…一定數量的小體積，即體素，用接收器收集信息，數字化后輸入計算機處理，獲得每個體素的T1（或T2），進行空間編碼。用轉換器將每個T值轉為模擬灰度，而重建圖像。利用灰度值把NMR參數作為空間坐標的函數表示出來。根據上面提到的NMR條件ω0=γB0，如果不考慮化學位移，J耦合等因素，樣品中同一種原子核的在靜磁場中的共振是一樣的。根據NMR基本原理，處于均勻磁場B0中的自旋體系，其共振頻率為ω0=γB0。為了得到成像區域任意點的空間信息，需要在主磁場上疊加三個彼此正交的梯度磁場Gx、Gy和Gz，分別用于層面選取、相位編碼和頻率編碼。此時成像空間某一體元的共振頻率為：ω0=γ(B0+xGx+yGy+zGz)。

2磁共振成像系統的基本結構

磁共振成像系統的基本結構，主要包括磁體部分、譜儀部分、計算機部分。其中譜儀部分又可以細分為射頻發射單元、信號接收單元、脈沖梯度單元和脈沖序列控制單元。

磁體部分包括主磁體、射頻線圈、梯度線圈和勻場線圈。用于磁共振成像的磁體可分為永磁型、常導型和超導型。射頻線圈既有射頻發射功能又有信號探測功能，因此射頻線圈就有了發射線圈和接收線圈之分。勻場線圈由若干個小線圈所組成，構成以磁體中心為調解對象的線圈陣列。

譜儀部分包括射頻發射單元、信號接收單元、脈沖梯度單元和脈沖序列控制單元。各部分功能都在核心板和母板中得到實現。計算機系統包括控制計算機、主計算機、圖像顯示、存檔、傳輸等輔助設施。所用主計算機有工作站，也有用工業PC機，高場系統大部分用工作站，低場系統大部分用微機。控制計算機用來實現對整機的運行操作。主計算機和控制計算機之間有數據總線相連，各譜儀單元都和控制計算機有通訊聯系。主計算機主要完成數據的處理，包括譜圖變換，參數設置，圖像重建，圖像處理，病人資料的管理。其中實驗部分參數設置主要由脈沖序列編譯器來完成設置、修改和管理。

核磁共振是重要的檢測手段和分析手段之一。隨著其應用領域的拓展和深入，核磁共振譜儀技術也不斷地發展和完善。本文研究了核磁共振原理，核磁共振成像的原理，核磁共振成像系統的結構，對使用相關儀器有很大幫助意義。

參考文獻

[1]據棟林.核磁共振成像學[M].高等教育出版社,2004.

第4篇：量子力學和計算機的關系范文

材料的計算模擬方法介紹

材料的計算模擬研究是近年來飛速發展的一門新興學科和交叉學科．它綜合凝聚態物理學、理論化學、材料物理學和計算機算法等多個相關學科．它的目的是利用現代高速計算機，模擬材料的各種物理化學性質，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現象與性能，并對材料的結構和物性進行理論預言，從而達到設計和開發新材料的目的．材料的多尺度計算模擬方法主要有以下幾種:

(1)第一性原理計算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計算方法是目前研究微觀電子結構最主要的理論方法．第一性原理計算方法只用到普朗克常數(h)，玻爾茲曼常數(kB)，光速(c)，電子靜態質量(m0)和電子電荷電量(e)這5個基本物理變量和研究體系的基本結構．從量子力學出發，通過數值求解薛定諤方程，計算材料的物理性質．在密度泛函理論，局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)框架下的計算已廣泛應用于第一性原理的電子結構研究中，并已經取得很大的成功．結合一些能帶結構計算的方法，對于半導體和一些金屬基態性質，如晶格常數，晶體結合能，晶體力學性質都能夠給出與實驗符合得很好的結果，同時能夠比較精確地描述很多體系的電子結構(如能帶結構、電子態密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學性質(介電函數、復折射率、光吸收系數、反射光譜及光電導等)和磁性質，從微觀理論角度分析和揭示材料物理性質的起源，使實驗者主動對材料進行結構和功能的控制，以便按照需求制備新材料．

(2)分子動力學方法(MolecularDynamicsMethods)分子動力學是一種確定性方法，是按照該體系內部的內稟動力學規律來確定位形的轉變，跟蹤系統中每個粒子的個體運動，然后根據統計物理規律，給出微觀量(分子的坐標、速度)與宏觀可觀測量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關系來研究材料性能的一種方法[5]．分子動力學方法首先需要建立系統內一組分子的運動方程，通過求解所有分子的運動方程，來研究該體系與微觀量相關的基本過程．對于這種多體問題的嚴格求解，需要建立并求解體系的薛定諤方程．根據波恩－奧本海默近似，將電子的運動與原子核的運動分開來處理，電子的運動利用量子力學的方法處理，而原子核的運動則使用經典動力學方法處理．此時原子核的運動滿足經典力學規律，用牛頓定律來描述，這對于大多數材料來說是一個很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動、轉動或振動頻率γ滿足hγ＞kBT時，才需要考慮量子效應．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡單的理論準則基礎上(如簡單的物質與物質或者物質與環境相互作用)，采用反復隨機抽樣的手段，解決復雜系統的問題．該方法采用隨機抽樣的手法，可以模擬對象的概率與統計的問題．通過設計適當的概率模型，該方法還可以解決確定性問題，如定積分等．隨著計算機的迅速發展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應用物理、化學等領域得到廣泛的應用[6]．蒙特卡洛方法可以通過隨機抽樣的方法模擬材料構成基本粒子原子和分子的狀態，省去量子力學和分子動力學的復雜計算，可以模擬很大的體系．結合統計物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態與材料宏觀性能的關系，是研究材料性能及其影響因素的本質的重要手段．

材料專業引入計算模擬教學的探索

材料計算的目的在于理解和發現新的材料性能及其物理本質．計算已經與實驗和形式理論一樣成為材料研究的3大支柱之一．為學生將來能夠有更高的起點研究材料科學，適應新形勢下材料研究方法，培養具有寬廣材料科學基礎，掌握材料現代研究手段的“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的材料科學專業人才．我們在本科教學階段就應該有計劃的引入和加強計算模擬方法的教學．采用的教學形式可以結合實際情況，靈活的應用．近年來我們采取的教學方式主要有以下3種方式:(1)開設計算材料學類課程在2006年物理與電子信息學院材料物理與化學專業培養方案中已經確定《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》課程為專業選修課程，學時分別為36學時和54學時．《計算機在材料科學中的應用》課程偏重實踐教學，通過上機操作學習計算軟件的基本原理和使用方法．主要教學內容包括:材料學的發展現狀及計算機在材料科學與工程中的應用;材料科學研究中的數學模型;材料科學研究中常用的數值分析方法;材料科學研究中主要物理場的數值模擬;材料科學與行為工藝的計算機模擬;材料數據庫和新材料、新合金的設計;材料加工過程的計算機控制;計算機在材料檢測中的應用;材料研究科學中的數據和圖像處理;互聯網在材料科學研究中的應用等9部分內容，基本涵蓋當今計算機技術在材料科學研究中應用的各個方面．《計算物理》課程則以理論教學為主，偏重物理基本原理的介紹．主要教學內容包括:計算物理學發展的最新狀況;蒙特卡洛方法及其若干應用;有限差分方法;分子動力學方法;密度泛函理論;計算機代數;高性能計算和并行算法等8部分內容．計算材料類課程的開設注重理論和實踐并重的原則，在講解基本原理的同時加強學生動手上機實踐能力的培養，因此，經過課程的學習，學生已經初步具備利用計算機進行材料模擬的能力．部分選修計算材料類課程的同學在學習中對計算模擬產生了極大的興趣，在大四時選擇材料計算相關課題作為本科畢業論文選題．例如，08屆學生的畢業論文《ZnS摻雜Cu光學性質的第一性原理研究》和《布朗運動的蒙特卡洛模擬》，09屆學生的畢業論文《ZnO電子結構和光學性質的研究》，11屆學生的畢業論文《晶格熱容的理論計算》和《簡立方晶體結構能量分布的理論模擬》等均為材料計算和模擬相關課題，并且有多人的畢業論文被評為優秀畢業論文．個別優秀的學生讀研后繼續從事材料的計算模擬相關研究．通過幾年的教學實踐，計算材料相關課程的開設對于擴大學生的知識面，提高學生的理論分析能力有極大地幫助．(2)在材料相關的理論課程中加入計算模擬方法介紹雖然已經在材料專業開設《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》等材料計算相關的課程，但這兩門課均為專業選修課，只有選修相關課程的學生才能得到相應的計算模擬培訓，受眾面還比較窄．因此，為使更多的學生了解到材料模擬計算的相關理論和知識，在材料專業主干課的教學中也適時地加入相關的計算模擬方法的介紹，從而擴大計算模擬知識的普及面．例如，在《固體物理》課程中，當講解到能帶理論一章時，我們會在本章結束時，加入一次課，著重介紹基于第一性原理的平面波贗勢計算方法計算材料的能帶結構、電子態密度等以及第一性原理計算的常用軟件(CASTEP、VASP等)．一方面，對學生學習的理論知識加以直觀化和適度的擴展，另一方面也進一步普及第一性原理計算的相關知識．在《材料科學基礎》教學中講解到相平衡與相圖一章時，我們會在本章內容結束后介紹相圖計算近年來的發展現狀，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)計算方法、熱力學與動力學的結合、第一性原理與相圖計算方法的結合，并簡要介紹今后相圖計算可能的發展方向[7]．在晶體缺陷內容的教學中，穿插介紹利用分子動力學計算面心立方金屬空位和間隙原子點缺陷的形成能的方法．通過在課程教學中穿插入計算模擬方法的介紹，一方面也加深了學生對所學內容的理解，另一方面開闊了學生的眼界．(3)舉辦計算模擬相關的學術講座．自從2009年以來，物理與電子信息學院從事計算模擬研究的教師每學期都結合自身的科研情況舉辦面向全院學生的學術講座．例如在2011至2012學年第二學期，我們舉辦兩場學術講座，分別是《氧化鋅晶體及其摻雜的第一性原理研究》以及《可見光響應半導體光催化材料的結構和能帶設計》，教師在講座中介紹自己的科研情況，同時也使學生了解到如何把學到的計算模擬知識應用到科研實踐中去，讓學生體會到如何利用計算模擬預測材料的物理性質以及指導材料設計的研究方式，提高學生自覺學習計算模擬方法的積極性．

結束語

第5篇：量子力學和計算機的關系范文

1.1一維的研究歷程作為機械系統的基本構件的一維納米結構,其理論和實驗研究受到世界范圍內的廣泛關注.在過去，由于納米絲的力學實驗受到實驗環境的制約,在普通的實驗室無法進行,然而計算機模擬可以通過原子運動的演化過程展示納米結構的變形情況及其內在機理,有效彌補了這一缺陷.

1.1.1中國科學技術大學教授倪向貴等眾多科學家對納米銅絲、納米鎳絲、等進行了拉伸過程的模擬實驗,重點放在納米結構與能量應力變化的模擬研究上面,以及表面效應如何影響單晶納米材料的整體力學和原子運動的各種行為,根據反復的實踐和精確的計算，終于研究出了納米材料的破壞失效原理.這一實驗同時也表明通過建立模擬模型和有效的計算方法能非常有效地模擬納米金屬材料在微觀方面的變化過程.

1.1.2梁海弋等一批科學家利用EAM原子勢函數的相關原理模擬研究了納米銅絲的拉伸性能.結果表明，截面的變化對直接影響納米絲拉伸性能.這是由于表面原子松散,納米絲的表面張應力等綜合因素造成的.而且拉伸強度會隨著納米絲截面減小而提高，同時會推遲屈服和增加初始拉伸模量的軟化程度.

1.2二維的研究歷程在納米薄膜的制備研究過程中,得出了很多薄膜生長現象,人們需要對其從理論計算上進行科學的解釋.日本的Huang等一批科學家對Au原子在MgO表面（100）點缺陷處的團簇生長進行了模擬實驗,同時也進行了Au原子擴散聚集對成膜的模擬研究;通過研究得出，原子的幾何形狀會隨著擴散力的不同以及能量的不同而發生變化.我國知名科學家張慶瑜在分子動力學研究的基礎上建立了氣相沉積原子動力學模型,同時采用MonteCarlo方法對Au外延薄膜的初期生長過程也進行了模擬研究,指出了薄膜外延生長會隨基體溫度的變化而發生怎樣的變化.劉祖黎等一批科學家采用MonteCarlo模型探索出了Pt/Pt（Ⅲ）薄膜生長初始階段島的形貌與基底溫度之間的具體關系.模型中充分考慮了吸附原子擴散、原子沉積與蒸發等過程,與過去的模型不同的是采用Morse勢來計算粒子之間的相互作用,并詳細充分考慮了臨近和次臨近原子所產生的影響.研究結果表明,島的形貌隨基底溫度的升高,從一個分形生長到凝聚生長的變化全過程.通過進一步的深入研究表明,島的形貌和基底形貌兩者之間的關系會隨著基底溫度的升高發生顯著的變化,而基底溫度低時,島的形狀與基底形貌沒有任何關聯.

2目前計算機模擬研究需要解決的問題

一般來說，納米金屬材料的計算模擬方法所采用的大多都是原子級模擬技術,它是將納米金屬材料作為數量較多的單個金屬原子的集合體,并且將每個金屬原子當作彼此獨立的研究單元來進行模擬實驗,然后通過統計力學和經典力學對其進行規律性的描述,并預測納米金屬材料的微觀結構以及功能.但是由于納米金屬材料自身結構非常復雜，以及它對周圍環境無法得到迅速的反應,所以目前還無法運用相關的模擬技術來得到理想的答案.本人建議可以從以下方面進行努力：

2.1選定模擬算法在進行納米金屬材料分子動力學的模擬實驗中,應當是對包括金屬、氧化物、金屬氧化物等一系列的多原子體系實驗.因為原子間的作用是一個多體效應,在這個效應當中所有的粒子會全部聚集到一起,是無法采用解析的方法進行求解的.這時我們可以選用有限差分方法來進行求解,目前運用的最多的包括：蛙跳法、預測-校正算法和Verlet算法三種類型.值得注意的是，雖然目前的計算機技術發展迅速,但是純粹依賴提高單個CPU的計算速度根本就不能滿足越來越繁瑣的計算需要,鑒于此，我們可以考慮進行并行化進行計算，這樣會更加有效.

2.2要充分考慮粒子間的相互作用微觀粒子的運動本來是需要使用量子力學來進行描述的,但納米金屬材料的結構與性能往往會涉及到大量微觀粒子而且還是多體作用,因此用量子力學第一性原理來對粒子間相互作用求解并非易事,而絕大多數模擬認為粒子的運動遵循牛頓力學規律,因此可以考慮采用半經驗的原子間相互作用勢來對粒子間的作用進行描述.一般來講，勢函數是否可靠決定了一個分子動力學模擬能否成功.原子或者離子間的相互作用勢越復雜、擬合性質越多就越與實際的相互作用接近,不過越復雜的相互作用同時也會加大計算量和模擬量,因此在構建或使用原子間相互作用勢的過程中,應根據所要研究的問題的具體情況,選擇既能反映相互作用的本質,又可以在計算上切實可行的相互作用勢.

2.3處理和分析模擬結果找到一種合適的分析模擬結果的方法對于計算機模擬來說是至關重要的.通常情況下，模擬的軌跡文件只包含了各個粒子的位置、速度和力的相關信息,因此一定要對這些信息進行有效的處理以后才能得到想要的物理量.而計算機模擬走向應用的關鍵之處在于，找到合適的方法處理結果,將宏觀現象與微觀軌跡進行有機聯系.模擬結果的處理無疑會是一個非常復雜的過程,其重點問題是要從MD模擬的軌跡文件中講可與實驗直接比較的統計量提取出來.除此之外,軌跡中的坐標信息對于分析結構體系信息也十分重要,而這卻是非常耗時的工作過程.

3結束語

第6篇：量子力學和計算機的關系范文

英國著名物理學家史蒂芬?霍金于1942年1月8日出生于英國牛津，出生當天正好是伽利略逝世300年忌日。他被新聞媒體譽為愛因斯坦之后最杰出的理論物理學家，但他也是一位肌肉萎縮性側索硬化癥患者，全身癱瘓，無法說話。

20世紀70年代初，霍金曾指出如果廣義相對論是正確的，宇宙大爆炸前必然

有奇點存在?；艚鹨彩巧贁嫡J真看待黑洞的學者，1974年，他結合了量子力學及廣義相對論在《自然》雜志上，提出黑洞會發出一種能量，最終導致黑洞蒸發。后來該能量被命名為“霍金輻射”，引起全球物理學家重視?；艚鸬男掳l現，被認為是多年來理論物理學最重要的進展，該論文被稱為“物理學史上最深刻的論文之一”?；艚鹪诮y一20世紀物理學的兩大基礎理論――愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面，走出了重要一步。

1863年1月10日――世界上第一條地下鐵道投入運營

倫敦地鐵是世界上第一條地下鐵道，目前總長超過400千米，1856年開始修建，1863年1月10日正式投入運營。1800～1831年，倫敦人口激增，高峰時間出租馬車形成擁堵，交通成了倫敦的一大難題。律師查爾斯?皮爾森提出了修建“倫敦中央火車站”的設想;一群承包商則

提出要在倫敦修建一條地下道路的設想，后來這兩個想法被結合起來，形成了我們今天所熟悉的地鐵。最初的倫敦地鐵長約7.6千米，以蒸汽機車牽引列車。倫敦地鐵于1971年開始在維多利亞線區應用遙控和計算機技術操縱列車。現在，英國倫敦地鐵列車通過第三軌供直流電。列車運行速度約32千米/小時，最大時速達96千米。

第7篇：量子力學和計算機的關系范文

關鍵詞 囚禁離子；量子計算；富勒烯理論模型

中圖分類號 O4-0 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0119-02

1 國內外研究現狀分析

量子計算與量子信息，是當今一項富有挑戰意義的科學前沿課題。眾所周知，量子計算就是利用量子效應和量子算法來實現的超級并行計算機，擁有比經典計算機更強大的計算能力。目前的工作熱點是量子模擬和量子計量；固態系統是解決量子計算的最佳途徑。目前有希望實現量子計算的系統主要有：離子阱、核磁共振、量子點和富勒烯等，其中富勒烯的應用前景引人注目。由于化學性質和形成機理相似性，不難將富勒烯分子嵌入單壁碳納米管。這種單壁碳納米管內嵌富勒烯系統不但可以形成特定自旋鏈結構，而且因為處于碳納米管中，相干性保持就大為提高。單壁碳納米管富勒烯系統中的量子糾纏產生，量子態傳輸以及單自旋測量等量子信息過程實現，是實現真正意義的規模量子計算必須要解決的難題。

當今國際上有很多研究小組針對富勒烯做了深入研究，設計了很多量子計算方案，包括電子自旋實現方案，核自旋實現方案，原胞自動機實現方案等。我國在富勒烯基礎研究方面開展工作的有中國科學院物理研究所、武漢數學與物理研究所、北京大學等，并取得一些實質性進展，如富勒烯合成，量子信息邏輯操作、單自旋測量和量子態讀出。盡管理論上已有不少研究，但從實驗上實現富勒烯系統量子計算是極其困難的。至今幾乎沒有富勒烯量子計算實驗的報道。這主要在于對富勒烯中內嵌的電子自旋的操作和探測極其困難。量子模擬是解決這種在實驗上實現困難的一個有效途徑。量子模擬是用一個可控的量子體系去模擬另一個難以控制的量子體系，這也是費曼當年提出量子計算這一思想的本意。相對于量子計算，量子模擬對量子資源的要求較低，在極少的量子比特上完成的量子操作可以是很好的量子模擬的工作。

囚禁在電磁勢阱中的超冷離子是目前在冷卻、囚禁和量子操控等方面最穩定的體系之一，理論工作包括在線型離子阱中實現量子糾纏，量子算法、量子糾錯以及遠距傳態。最近完成的量子模擬的實驗工作包括模擬Dirac方程和相對論效應、自旋體系的阻挫現象等。在這些工作中，超冷離子體系的干凈和近乎孤立的環境以及快速、精確的相干操作保證了高品質量子計算操作的完成。所以科研人員就很自然地想到用離子阱來模擬其它體系的動力學行為，利用現有的成熟理論和技術，模擬實現目前在理論上相當成熟而實驗上難于控制的系統。這是目前比較熱門的研究方向之一。

中國科學院武漢物理與數學研究所已經建成了一臺專門用于量子信息處理研究的線型離子阱，已經成功束縛了40Ca離子，獲得了離子的云態和1-4個離子的晶態，離子冷卻溫度已接近多普勒冷卻的極限。我們擬利用超冷離子模擬富勒烯自旋鏈，模擬該體系的量子糾纏、信息傳輸和測量，研究外磁場、各種耦合參數和退相干對量子糾纏、量子態傳輸以及單自旋測量的影響。用囚禁離子來做量子模擬主要緣于富勒烯系統和囚禁離子系統具備的很多相似性和相通性，這種天然的優勢使得我們利用囚禁離子來模擬富勒烯系統成為可能。

碳納米管不僅給富勒烯串的形成創造了有利條件，同時還給富勒烯串提供了嚴格保護，使其基本不受外部環境的干擾。內嵌富勒烯原子實際上成為一個近乎完美的人造原子；超冷離子體系的干凈和近乎孤立的環境可以與內嵌富勒烯原子媲美。二者都是基于自旋偶極相互作用來實現量子邏輯門，而超冷離子之間能很方便地產生這樣的相互作用。二者在系統調控方面也都一樣，都可以利用梯度磁場來實現自旋陣列的獨立尋址，都利用外磁場、微波或射頻脈沖來對系統進行調控和完成邏輯門操作；對兩系統的理論近似處理方法也一樣，都可利用強場近似、強耦合近似、旋波近似、平均場方法和密度泛函方法等。同時離子阱優于富勒烯系統在于對量子信息地讀出相對容易。

本人從事過Heiseberg交換模型的相關問題研究，主要是構建特定型富勒烯串理論模型。利用密度泛函方法（DFT）、LSDA方法，針對富勒烯系統構建一個Heiseberg自旋鏈模型，例如Hubbard-Anderson模型，通過一些近似手段、采用解析求解和數值模擬的方法對系統進行分析。借助前面的理論基礎，本人擬開展對富勒烯量子比特相互作用的量子模擬，本研究旨在探討多量子比特的固態量子信息處理；最核心的問題是如何有效地壓制退相干、提高量子操控效率和提高傳輸保真度，將有助于驗證基于富勒烯量子信息處理的各種方案。將探討外磁場和各種耦合因素以及各種退相干因素的聯合效應在糾纏、信息傳輸和測量中的表現，得出量子糾纏度、傳輸保真度和量子測量極化強度以及對耦合參數、外磁場、時間的依賴關系。

2 研究的研究目標、研究內容和擬解決的關鍵問題

1）研究的目標：（1）研究富勒烯系統的囚禁離子量子模擬。模擬富勒烯系統中多體糾纏、量子信息傳輸和測量等量子力學過程；（2）為真正實驗上實現富勒烯量子計算和發展基于富勒烯系統的的新型量子器件提供理論和實驗參考。2）研究的內容：（1）單壁碳納米管中富勒烯系統理論簡化模型的建立和求解，用Heiseberg交換作用來描述富勒烯之間的耦合，實現高保真度量子態在自旋鏈中的傳輸；（2）囚禁離子量子模擬富勒烯系統的方案探討。探討利用梯度磁場實現陣列中各個離子的獨立尋址；利用射頻脈沖結合激光完成邏輯門操作；模擬富勒烯的電子自旋偶極相互作用。探討如何完成信息傳輸。3）擬解決的關鍵問題是富勒烯鏈理論模型的建立和囚禁離子的量子模擬。富勒烯鏈理論模型的建立：構建模型，給出系統的具體數學描述；對系統哈密頓量進行簡化和求解（包括解析和數值求解）；計算體系的糾纏、信息傳輸的保真度和極化強度等。囚禁離子的量子模擬：囚禁離子模擬富勒烯的實現方案；探討梯度磁場下的離子耦合；探討射頻脈沖結合激光完成邏輯門操作和高保真的量子態（單粒子態和多粒子量子糾纏態）的制備等。

3 擬采取的研究方法

該研究工作主要分為3個步驟，并采用了相應的研究方法。第一步，給出合理的物理模型。對于單壁碳納米管定型富勒烯Heisenberg自旋鏈式結構，利用密度泛函方法和拓撲斯理論以及平均場方法、旋波近似等，得到合適的系統Hamiltonian，進行解析求解和數值模擬；第二步， 計算各種特征物理量。根據真實的物理條件和量子信息處理的需要，對系統進行適當的簡化，計算體系的糾纏、信息傳輸的保真度和極化強度等物理量；第三步，提出離子阱量子模擬富勒烯串的方案。設計量子邏輯操作的激光脈沖和重聚束脈沖，探索模擬系統的量子力學基礎問題（如糾纏、信息傳輸、測量等），研究糾纏對環境漲落等多重退相干機制的壓制。

4 研究步驟

第一階段，利用密度泛函理論、計算系統中電荷與自旋分布。在強磁場和弱射頻脈沖下，基于旋波近似和平均場近似，導出簡化模型，并對系統進行解析求解和數值計算。研究系統中多體量子糾纏、信息傳輸和測量；第二階段，完成離子阱對富勒烯串量子模擬，探討利用梯度磁場實現陣列中各離子的獨立尋址；利用射頻脈沖結合激光完成邏輯門操作；模擬富勒烯的電子自旋偶極相互作用；第三階段，在離子阱模擬系統中實現量子信息傳輸和測量。深入分析耦合參數，外磁場的聯合效應在自旋量子態傳輸和測量效率中的表現并分析各種極限行為。研究糾纏對環境漲落等多重退相干機制的壓制。找到實現最佳保真度以及宏觀極化的磁化強度的最佳參數組合以及實現時間。

參考文獻

[1]C. A. Sackett et.al.，Nature 404，256（2000）.

[2]D. G. Cory et.al.，NMR Based Quantum Information Processing： Achievements and Prospects Fortschritte 48，9（2000）.

[3] Loss and D. P. DiVincenzo. Quantum computation with quantum dots. Phys. Rev. A， 1998， 57，120.

[4]Kroto et al，C60：Buckminsterfullerene Nature 318，162（1985）.

[5]A. C. Dillon et al ， Nature 386， 377-379 （1997）.

[6]Wolfgang Harneit et al PHYSICAL REVIEW A，65，032322 （2002）.

[7]Y. M. Hu et al Phys. Rev. A 80， 022322 （2009）

第8篇：量子力學和計算機的關系范文

關鍵詞： RSA密碼系統； 量子密碼 ； 一次一密； 量子密鑰分發

中圖分類號： TN918?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0083?03

0 引 言

保密通信在人類社會中有著重要的地位，關系到國家的軍事、國防、外交等領域，同時也與人們的日常生活息息相關，如銀行帳戶存取、網絡郵箱管理等。保密通信關鍵在于密碼協議，簡稱“密鑰”。密鑰的安全性關系到通信的保密性。密碼學的發展也正是在加密者高明的加密方案和解密者詭異的解密技術的相互博弈中發展前行的，兩者互為勁敵，但又互相促進。隨著量子計算機理論的發展，傳統的安全通信系統從原理上講已不再安全。那么，是否存在一種無條件安全的通信呢？量子密碼又將給信息的安全傳輸帶來怎樣的新思路呢？本文從科學史的角度分析人類傳統的密碼方案，考察量子密碼發展的來龍去脈，為科學家提供關于量子密碼的宏觀視角，以便更好地推進關于量子密碼的各項科學研究。

1 人類歷史上影響巨大的密鑰思想

密碼學有著古老歷史，在近代逐漸發展成為一門系統的應用科學。密碼是一個涉及互相不信任的兩方或多方的通信或計算問題。在密碼學中，要傳送的以通用語言明確表達的文字內容稱為明文，由明文經變換而形成的用于密碼通信的那一串符號稱為密文，把明文按約定的變換規則變換為密文的過程稱為加密，收信者用約定的變換規則把密文恢復為明文的過程稱為解密。敵方主要圍繞所截獲密文進行分析以找出密碼變換規則的過程，稱為破譯。密碼協議大致可以分為兩類：私鑰密碼系統（Private Key Cryptosystem）和公鑰密碼系統（Public Key Cryposystem）。

1.1 我國古代的一種典型密鑰——陰符

陰符是一種秘密的兵符，在戰爭中起到了非常重要的作用。據《六韜·龍韜·陰符》記載，陰符是利用不同的長度來代表不同的信息，一共分為八種。如一尺的兵符代表“我軍大獲全勝、全殲敵軍”；五寸的兵符代表“請求補給糧草、增加兵力”；三寸的兵符代表“戰斗失利，士卒傷亡”。

從現在的密碼學觀點來看，這是一種“私鑰”，私鑰密碼系統的工作原理簡言之就是：通信雙方享有同一個他人不知道的私鑰，加密和解密的具體方式依賴于他們共同享有的密鑰。這八種陰符，由君主和將帥秘密掌握，是一種用來暗中傳遞消息，而不泄露朝廷和戰場機密的通信手段。即便是陰符被敵軍截去，也無法識破它的奧秘。由于分配密鑰的過程有可能被竊聽，它的保密性是由軍令來保證的。

1.2 古斯巴達人使用的“天書”

古斯巴達人使用的“sc仔tale”密碼，譯為“天書”。天書的保密性在于只有把密文纏繞在一定直徑的圓柱體上才能呈現明文所要表達的意思，否則就是一堆亂碼。不得不感嘆古代人的智慧。圖1為“天書”的示意圖，它也是一種“私鑰”，信息的發送方在信息時將細長的紙條纏繞在某一直徑的圓柱體上書寫，寫好后從圓柱體上拿下來便是密文。但是，它的保密性也非常的有限，只要找到對應直徑的圓柱體便很容易破譯原文。

1.3 著名的“凱撒密表”

凱撒密表是早在公元前1世紀由凱撒大帝（Caesar）親自設計用于傳遞軍事文件的秘密通信工具，當凱撒密碼被用于高盧戰爭時，起到了非常重要的作用。圖2為“凱撒密表”。從現代密碼學的角度看，它的密鑰思想非常簡單，加密時，每個字母用其后的第[n]個字母表示，解密的過程只需把密文字母前移[n]位即可。破譯者最多只要嘗試26次便可破譯原文。

1.4 德國密碼機——“恩尼格瑪”

二戰期間德國用來傳遞軍事機密的“ENIGMA”密碼機，它的思想基本類似于“凱撒密表”，但比“凱撒密表”復雜很多倍，它的結構主要分為三部分：鍵盤、密鑰輪和顯示燈盤。鍵盤可以用于輸入明文，顯示燈盤用于輸出密文，密鑰輪是其核心部分，通常由3個橡膠或膠木制成的直徑為6 cm的轉子構成，密鑰輪可以任意轉動進行編制密碼，能夠編制出各種各樣保密性相當強的密碼。它的神奇之處在于它不是一種簡單的字母替換，同一個字母在明文的不同位置時，可以被不同的字母替換。而密文中不同位置的同一個字母，可以代表明文中不同的字母。所以它的安全性較高，但也并非萬無一失，由于德國人太迷戀自己的“ENIGMA”密碼機，久久不愿更換密鑰，所以免不了被破譯的結局。

2 目前人類廣泛使用的密鑰及其存在的問題

2.1 現代廣泛使用的密碼系統——RSA密碼系統受到前所未有的挑戰

現代廣泛被用于電子銀行、網絡等民用事業的RSA密碼系統是一種非對稱密鑰。早在20世紀60年代末70年代初，英國情報機構（GCHQ）的研究人員早已研制成功。相隔十年左右，Ronald Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman才研制出類似的密碼系統，并以三個人的名字命名為“RSA”。它是一種公鑰密碼系統，工作原理如下：假設通信雙方分別為Bob和Alice。Bob公布一個公鑰，Alice用這個公鑰加密消息傳遞給 Bob，然而，第三方不可能用Bob的公鑰解密。原因在于加密變換巧妙，逆向解密困難。而Bob有與公鑰配對的私鑰。

RSA公鑰密碼系統巧妙地運用了分解因數和解離散對數這類難題，它的安全性依賴于計算的復雜性。雖然原理上可以計算出，但是計算出來也需要幾萬年的時間。然而，隨著量子計算機理論的成熟，RSA密碼體受到嚴重挑戰，隨著計算時間的縮短，RSA密碼系統的安全性令人堪憂，RSA密碼系統有可能隨著量子時代的到來被人類完全拋棄。

2.2 “一次一密”的最大的問題是密鑰分配

RSA密碼系統受到嚴重挑戰后，一次一密（One time Padding）的不可破譯性又被人們所記起。一次一密指在密碼當中使用與消息長度等長的隨機密鑰， 密鑰本身只使用一次。原理如下：首先選擇一個隨機位串作為密鑰，然后將明文轉變成一個位串，比如使用明文的ASCII表示法。最后，逐位計算這兩個位串的異或值，結果得到的密文不可能被破解，因為即使有了足夠數量的密文樣本，每個字符的出現概率都是相等的，每任意個字母組合出現的概率也是相等的。香農在1949年證明一次一密具有完善的保密性[1]。然而，一次一密需要很長的密碼本，并且需要經常更換，它的漏洞在于密鑰在傳遞和分發上存在很大困難?？茖W家試圖使用公鑰交換算法如RSA[2]，DES[3]等方式進行密鑰交換， 但都使得一次一密的安全性降低。因此，經典保密通信系統最大的問題是密鑰分配。

3 量子密碼結合“一次一密”實現無條件保密

通信

量子密碼學是量子力學和密碼學結合的產物，簡言之，就是利用信息載體的量子特性，以量子態作為符號描述的密碼。

3.1 運用科學史的視角探究量子密碼的發展過程

量子密碼概念是由Stephen Wiesner在20世紀60年代后期首次提出的[4]。

第一個量子密碼術方案的提出是在1984年，Charles Bennett， Gills Brassard提出一種無竊聽的保密協議，即，BB84方案[5]，時隔5年后有了實驗原型[6]。隨后，各類量子密碼術相繼出現，如簡單效率減半方案——B92方案[7] 。

1994年后，RSA密碼系統面臨前所未有的威脅，因為，經典保密通信依賴于計算的復雜性，然而，Peter Shor 提出尋找整數的質因子問題和所謂離散對數的問題可以用量子計算機有效解決[8]。1995年，Lov Gover 證明在沒有結構的搜索空間上搜索問題在量子計算機上可以被加速，論證了量子計算機的強大的能力[9]。Peter Shor和 Lov Gover量子算法的提出，一方面證明了量子計算的驚人能力，另一方面，由于經典密碼系統受到嚴重威脅，促使各國將研究重點轉向量子密碼學。

3.2 量子密碼解決“一次一密”的密鑰分配難題

一次一密具有完善的保密性，只是密鑰分配是個難題。

量子密鑰在傳輸過程中，如果有竊聽者存在，他必然要復制或測量量子態。然而，測不準原理和量子不可克隆定理指出，一個未知的量子態不能被完全拷貝，由某一個確定的算符去測量量子系統，可能會導致不完備的測量，從而得不到量子態的全部信息。另外，測量塌縮理論指出測量必然導致態的改變，從而被發現，通信雙方可以放棄原來的密鑰，重新建立密鑰，實現絕對無竊聽保密通信。量子密碼的安全性不是靠計算的復雜性來保障，而是源于它的物理特性。

這樣就保證了密鑰可以被安全分發，竊聽行為可以被檢測。因此，使用量子密鑰分配分發的安全密鑰，結合“一次一密”的加密方法，可以實現絕對安全的保密通信。

4 結 語

與經典密碼系統相比較，量子密碼不會受到計算速度提高的威脅，并且可以檢測到竊聽者的存在，在提出近30年的時間里，逐漸從理論轉化為實驗，有望為下一代保密通信提供保障，實現無條件安全的保密通信。

參考文獻

[1] SHANNON C E. Communication theory of secrecy systems [J]. Bell System Technical Journal， 1949， 28（4）： 656?715，

[2] 張蓓，孫世良.基于RSA的一次一密加密技術[J].計算機安全，2009（3）：53?55.

[3] 王偉，郭錫泉.一次一密DES算法的設計[J].計算機安全，2006（5）：17?18.

[4] WIESNER S. Unpublished manuscript circa 1969： conjugate coding [J]. ACM Sigact New， 1983， 15： 77?79.

[5] BENNETT C H， BRASSARD G. Quantum cryptography： public key distribution and coin tossing [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Computers， Systems and Signal Processing. Bangalore， India： IEEE， 1984： 175?179.

[6] BENNETT C H. BRASSARD G. Experimental quantum cryptography： the dawn of a new era for quantum cryptography： the experimental prototype is working [J]. ACM Sigact News ， 1989， 20： 78?80.

[7] BENNETT C H， BESSETTE F， BRASSARD G， et al. Experimental quantum cryptography [J]. Journal of Cryptology， 1992（5）： 3?21.

第9篇：量子力學和計算機的關系范文

【關鍵詞】光譜分析 發展 重要意義

【中圖分類號】TP391【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0041-01

光譜分析法是測定物質與電磁輻射相互作用時所產生的發射、吸收輻射的波長和強度進行定性、定量和結構分析的方法。光譜分析是近幾十年發展起來的，當今發展迅速、方法門類眾多，能夠適應各個領域所提出的新任務，已成為現代分析的重要方法：

1、原子發射光譜法

1859年基爾霍夫、本生研制了第一臺用于光譜分析的分光鏡，實現了光譜檢驗； 1900年普朗克提出了“量子化”概念并于1918年因創立量子論、發現基本量子獲諾貝爾物理學獎；1905年愛因斯坦提出了光量子假說并于1921年因“光的波粒二象性”這一成就獲得諾貝爾物理學獎，他們的理論為光譜分析的發展奠定了堅實的理論基礎。20世紀30年代建立了光譜定量分析法。20世紀60年代以后原子發射光譜得到迅速發展，期間主要應用火焰、電弧及電火花等激發光源，在發現新元素、促進原子結構理論的發展及其在各種無機材料定性分析中發揮了重要作用。20世紀70年代以來，應用了電感耦合高頻率等離子體焰炬、激光等新型激發光源。

2、原子吸收光譜法

1802年，伍朗斯頓在研究太陽連續光譜時發現了太陽連續光譜中有暗線。1817年福勞霍費在研究太陽連續光譜時，再次發現了這些暗線，將這些暗線稱為福勞霍費線。1860年，本生和克希荷夫證明太陽連續光譜中的暗線，正是太陽大氣圈中的鈉原子對太陽光譜中的鈉輻射吸收的結果。1955年澳大利亞的瓦爾西發表了論文《原子吸收光譜在化學分析中的應用》奠定了原子吸收光譜法的理論基礎；50年代末和60年代初，Hilger， Varian Techtron及Perkin-Elmer公司先后推出了原子吸收光譜商品儀器，發展了瓦爾西的設計思想。1961年里沃夫發表了非火焰原子吸收法的研究工作。1965年威爾斯將氧化亞氮—乙炔火焰成功地用于火焰原子吸收光譜法中，使可測定的元素達到了70個之多。近年來，使用電視攝像管做多元素分析鑒定器，結合中階梯光柵，設計了用電子計算機控制測定多元素的原子吸收分光光度計，為解決同時測定多種元素的問題開辟了新的途徑。激光的應用使原子分光光度法為微區和薄膜分析提供了新手段。

3、紫外—可見分光光度法

紫外—可見分光光度法是在比色法的基礎上發展起來的，比色法是通過比較或測量有色物質溶液顏色深度來確定待測組分含量的方法。早在公元初古希臘人就曾用五倍子溶液測定醋中的鐵。比色法作為一種定量分析的方法，大約開始于19世紀30～40年代。皮埃爾·布格和約翰·海因里?！だ什謩e在1729年和1760年闡明了物質對光的吸收程度和吸收介質厚度之間的關系；1852年奧古斯特·比爾又提出光的吸收程度和吸光物質濃度也具有類似關系，兩者結合起來就得到有關光吸收的基本定律——朗伯-比爾定律。1945年美國的Beckman 公司推出了第一臺紫外可見分光光度計。20世紀60年代，紫外-可見分光光度計已逐漸代替光電比色計，分光光度法也隨之逐漸代替了比色法。20世紀60年代以后隨著科學技術的發展，紫外可見分光光度計儀器得到了飛速發展，自動化程度大大提高。

4、紅外光譜法

1800年英國天文學家Hershel發現了紅外光區。此后陸續有人用紅外輻射觀測物質的吸收光譜。1905年前后，人們已系統地研究了幾百種化合物的紅外吸收光譜并且發現了一些吸收譜帶與分子基團間的相互關系。1918年到1940年期間人們對雙原子分子進行了系統的研究，建立起了一套完整的理論，隨后在量子力學的基礎上又建立了多原子分子光譜理論基礎。20世紀50年代在化學領域已經積累了豐富的資料，收集了大量純物質的標準紅外光譜圖。20世紀40年代中期到50年代末，紅外光譜法主要是采用以棱鏡為色散元件的雙光束記錄式紅外分光光度計，到六十年代，光柵式紅外分光光度計得到了普及。七十年代初，又發展起來富里哀變換光譜儀，為紅外光譜的應用開辟了許多新領域。近年來，電子計算機技術在紅外光譜中發揮了重要的作用，電子計算機被用于記錄分析結果，數據自動處理，通過求解性方程對多組分混合物進行定量分析。在定性及未知物結構鑒定中可用計算機進行譜圖檢索，辨認和確定未知物所含的基團和結構。

5、熒光分析法

1575年西班牙植物學家N.Monardes第一次記錄了熒光現象。1852年stokes在考查奎寧和葉綠素的熒光時，用分光計觀察到其熒光才判明這種現象是這些物質在吸收光能后重新發射不同波長的光，從而導入了熒光的光發射概念，還由發熒光的礦物“瑩石”提出“熒光”這一術語。1867年Goppelsroder進行了歷史上首次的熒光分析工作，應用鋁—桑藍色配合物的熒光進行鋁的測定。1880年Liebeman提出了最早的關于熒光與化學結構關系的經驗法則。19世紀末，人們已經知道了包括熒光素、曙紅、多環芳烴等600種以上的熒光化合物。1905年Wood發現了共振熒光；1914年Frank和Hertz利用電子沖擊發光進行定量研究；1922年Frank和Gario發現增感熒光；1924年Wawillow進行了熒光產率的絕對測定；1926年Gaviola進行了熒光壽命的直接測定等；1928年，Jette和West研制出第一臺充電熒光計；1939年Zworykin和Rajchman發明充電倍增管以后，使增加熒光計的靈敏度和容許使用分辨率更高的單色器成為可能。1943年Button和Bailey提出了一種熒光光譜的手工校正裝置，到1952年才出現商品的校正光譜儀器。近十幾年來，激光、微處理機、電子學、光導纖維和納米材料新技術的引入，大大推動了熒光分析法在理論和應用方面發展，促進了熒光方面的新方法、新技術的發展。

目前，光譜分析越來越受到重視，并向多技術綜合聯用、自動化高速分析的方向發展。相信隨著科學技術的進步，光譜分析方法會在科學的各個領域發揮極其重要的作用。

參考文獻

[1] 楊根元.實用儀器分析.第四版，北京：北京大學出版社，2010：8