量子計算的應用范文

導語：如何才能寫好一篇量子計算的應用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：計算機網絡；改進量子進化算法；路由選擇

當今社會是一個數據化時代，計算機網絡技術已經應用到社會的各個領域。對于在已知網絡的各個節點的通信需求下，怎樣選擇計算機通信網鏈路的高效路由，這一受到多個條件約束的雜亂非線性規劃問題，在傳統的數學理論中尚未得到有效的解決方法。面對這個問題，傳統的算法都存在一定的局限性，計算也比較復雜，在很多條件限制下都難以發揮其作用，無法給出滿意的解決方案。本文主要是對改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇上的應用進行探究。

一、計算機網絡路由選擇意義

傳統的計算機網絡路由的選擇方式主要有爬山法、梯度法、模擬退算法以及列表尋優法，但其都具有很大程度上的局限性，受到的限制條件也比較多，不能有效地發揮其作用。網絡路由選擇的定義主要有：在已有的計算機網絡拓撲和網鏈路通信容量以及各個節點需求的情況下，對各節點的網絡路由進行確定，以最大限度縮小互聯網的時延性。這種路由選擇方式，可在選擇過程中采取一些簡化工作，假設網絡通信節點的數據包完好無缺，不受通信容量影響，報文長度則以實際指數分布為基準，來進行路由選擇。

二、計算機網絡路由選擇中改進量子進化算法的應用

（一）量子進化算法的概述及算法流程

量子進化算法是由量子計算和進化算法結合而來，其運算方式為，在確定量子矢量的情況下，用量子算法的比特編碼來表示染色體，并以旋轉門和量子非門來進行染色體的更新，據此讓目標得到最優解答。

在進行計算中，可以采用矩形陣表示量子染色體，設其長度為m

量子進化算法流程主要有以下幾個步驟：

首先，將種群Q（t）初始化，設t=0，并測量種群中的每個個體，得到種群的狀態P（t）；其次，對P（t）的適應度進行評估，將最佳個體狀態和適應值進行記錄；最后，采用

While非結束狀態do，

begin

1、t=t+1；

2、對種群進行測量Q（t-1），其狀態為P（t）；

3、進行P（t）的適應度評估；

4、對Q（t）采用量子門進行更新換代，記錄后代種群Q（t+1）；

5、對每個個體的最佳狀態以及適應值進行記錄。

End

End

（二）旋轉角的優化調整

（三）函數調整優化

采用租戶優化的辦法可以知道各基因間的相關性不大，基于這一特點對量子位進行定義：

表1 優化方案

分析表1的內容可以知道，這種旋轉方案能夠讓搜索結構逐漸走向最優化，收斂速度也得到提高，在此表中只列出了第一象限內的 ，其他象限內的 情況可由此進行推斷。

（四）仿真測試

以仿真實驗的方式對以上的分析進行檢驗，與傳統的量子進化算法為比較對象，證明改進量子進化算法在計算機網絡路由的選擇性能存在優越性。仿真實驗的結果如圖1；

圖1 改進算法和傳統算法的對比

根據此圖能夠看到，改進量子進化算法在尋優性和收斂性上明顯優于傳統的量子進化算法，在計算機網絡路由選擇的應用中，改進量子進化算法的綜合性能也比傳統的量子進化算法優秀。

結束語

計算機網絡路由選擇的改進量子進化算法，是在傳統的量子進化算法的基礎上進行改進的，通過仿真測試可以知道，經過改進的量子進化算法在尋優搜索和收斂速度上存在一定優勢，很好的解決了互聯網計算機路由在選擇上面臨的約束條件多、雜亂非線性規劃等問題，很大程度上為互聯網通信網鏈路的最佳路由選擇提供了幫助。

參考文獻

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[2]趙榮香.改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇中的應用探究[J].科技傳播，2014（24）：148+152.

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關鍵詞：現代測繪儀器； 地質測繪； 前期測量

Abstract: now, surveying and mapping technology had been long development, modern mapping technology have started to use in various fields, this paper analyzes and expounds the use of modern advanced instruments and all the application software to mine resource of the calculation of the measures to improve the economic benefit of enterprise.

Keywords: modern surveying and mapping instruments; Geological surveying and mapping; Early measurement

中圖分類號： P25 文獻標識碼：A文章編號：

1前期測量

隨著京滬高速鐵路及徐州- 濟寧高速公路建設對建筑石料的需求以及礦產資料集約化開發的發展方向, 礦山資源量核查越來越被重視?，F代測繪儀器也越來越多的被應用在礦山資源量核查中。

111儀器、人員、軟件

儀器選擇: 選用結合全站儀測量。人員配置: 地質人員、測繪人員。軟件: CASS、電子表格

112 控制點的選取、坐標系的選擇。

現在使用GPS采用JSCORS方法, 在測量過程中更不受距離、區域的限制, 并且基礎測繪資料的共享更為施工單位提供了更多分布更廣、精度更高的控制點。因此在徐州范圍內很多礦山附近都有GPSD、E級點, 在作業過程中選擇C級點作為起算點, 聯測D、E級點并在礦區附近布設圖根控制點, 圖根控制點都作為測量過程中檢核測量精度用。坐標系: 平面坐標為1980西安坐標系, 高程為85國家高程基礎。

113測量

主要測量礦山現狀: 包括礦山采礦權登記拐點坐標、開采標高及開采宕口現狀及采礦權附近的地形、地物。所有測量坐標均為三維坐標, 測量過程按照要求進行測量, 做到不重不漏, 盡可能的反應出采區的現狀。宕口上邊使用GPS測量, 底邊采用全站儀測量。

2資源量計算

211礦山現狀

( 1) 礦山主要開采石灰巖礦石作為建筑石料。目前有兩個開采宕口, 南側新采宕口較大, 北側老宕口較小。

( 2) 本礦段含礦層位為寒武系饅頭組, 礦層呈單斜層狀沿山體走向產出, 礦體厚度相對穩定。目前礦段開采礦層為: 饅頭組中厚灰巖、豹皮狀灰巖。其中含紫色、黃綠色頁巖、泥灰巖夾層, 開采時頁巖作為夾石剔除。地層總體傾向北西西( 280b~300b) , 傾角較大( 約60b) 。界內礦層最大長度約250m, 最大寬約180m, 面積37167m2。 本次核算, 采用地區歷年來所有檢測礦段均采用的體積質量參數: 每立方米2170噸, 作為體積- 質量的換算系數。

(3) 礦石的物化特征結合鄰近礦山開采利用情況, 該礦山生產加工產品石子、石米、石粉及銷售情況, 礦山易開采、好加工、產品優、效益好的該礦山礦石是可利用的。

212資源量估算要求

( 1) 在采坑南邊有一墳墓, 新設采礦權南邊界必須離墳墓50m。

( 2) 新設采礦權北邊界為北邊采坑邊坡。

( 3) 新設采礦權東邊界與55m等高線重合。

( 4) 開采最低標高為55m。

( 5) 擬開采資源量150萬噸, 年限為3年。

( 6) 新設采礦權范圍內有一條傾向北西西( 280b~ 300b) , 傾角較大( 約60b) 的頁巖, 作為夾層處理, 單獨計算資源量。

213開采技術條件及要求

根據地形地質條件及巖層分布規律, 在原采礦場垂直走向開采基礎上, 選擇垂直巖層走向階梯狀臺階式露天開采較好, 剝采工作面可借助已形成的采礦場剝離面自上而下分級開采。在開采過程中應控制采面穩定邊坡角, 側面及迎面邊坡角均不應大于60度。開采過程中應嚴格做好安全爆破工作, 若遇到軟質巖層( 頁巖) 或懸石應及時處理, 避免滑塌及崩落現象。礦山開采的同時應注意環境保護及安全

措施, 放炮時應注意四周安全, 對采空區要盡可能地做好修復工作。

綜上所述, 本區開采技術條件復雜程度綜合類型為Ñ類型。

根據有關規范要求, 對此類露天開采的小型采石礦山, 僅估算采礦邊界范圍內的礦石資源量, 資源資源量類型歸為333資源量。本次資源資源量檢測范圍平面面積為37167m2; 最低開采標高按已有采坑

底面平均標高為55m, 最大采高約60m, 分為4個開采平臺, 每個平臺高15m; 最終開采邊坡角60b。

214資源量估算方法選擇

根據現場地形特征及礦層產狀, 選擇平行斷面法估算資源儲量。

塊段礦石儲量的估算過程: 首先計算各塊段總體積, 扣除頁巖夾層體積和采空區體積即為塊段礦石體積, 塊段礦石體積乘以礦石平均體重和含礦率即為塊段礦石儲量。

21411塊段的劃分

根據礦段范圍內可采礦層產出的幾何形態、地形起伏狀況、開采宕口位置及最終開采境界等要素, 自南向北依次設置A、B、C、D四條剖面( A、D剖面分別設置在最終開采境界邊坡底線的中點) , 將礦段劃分為5個塊段, 依次編號為K1、K2、K3、K4、K5。其中K1、K5為外推塊段, 外推尖滅點為線形尖滅( 即楔形塊段) , 其余3個塊段為梯形塊段。

21412主要估算參數的確定

11 斷面面積的確定: 利用2009年6月底修測的礦段地形圖, 利用AutoCAD圖切剖面或平面出露面積( 頁巖夾層) 直接讀取。

21 斷面間距的確定: 在AutoCAD平面圖上直接量取。K1、K5外推塊段的外推距離分別以1~ 2、4~5連線按最終開采邊坡角60b用圖解法求得( 100m以上、50~ 100m分別計算) 。

31塊段體積的計算: 根據相鄰斷面面積相對差大小選用不同的體積計算公式。當相鄰斷面面積相對差[ (S1 - S2)/ S1 #100%] 小于40%時, 用梯形公式估算:V= (S1 + S2) L/ 2當相鄰斷面面積相對差[ (S1 - S2)/ S1 #100%] 大于或等于40%時, 用截錐體公式計算:V= [ (S1 + S2 + ( S1 #S2)1/ 2) ]L/3式中: V ) 塊段體積( m3) ;S1、S2) 兩鄰斷面面積( m2) ; L) 相鄰斷面間距離( m) 。當相鄰斷面其一為面形, 另一斷面為線形尖滅時, 視為楔形塊段, 用楔形公式估算:V= SL/2當相鄰斷面其一為面形, 另一斷面為點形尖滅時, 視為錐體塊段, 用錐體公式估算:V= SL/ 3式中: V ) 楔形( 錐體) 塊段體積( m3) ; S) 楔形( 錐體) 的底面積( m2) ;L ) 楔形( 錐體) 底面上的高( m) 。41 塊段頁巖夾層( 剝離量) 及采空區體積估算: 按水平斷面法計算。根據上下斷面面積相對差的大小選擇上述不同的計算公式。當上下斷面面積相對差為零( 頁巖夾層) 時, 按柱體體積公式估算:V= SH(H為柱體的高)51 礦石體重D的確定: 采用地區經驗數據, 取石灰巖2170t/ m3、頁巖夾層2160t/ m3。61含礦率k的確定: 采用地區經驗數據, 石灰巖取95%, 頁巖取100%。71資源/ 儲量Q的計算: Q= V@D@k式中: V-塊段體積( m3) , D- 礦石體重( t/m3) , k- 含礦率( %) 。

215資源量估算結果

本次檢測, 采用平行斷面法估算資源量。經過采用水平塊段法驗算資源量為1329193千噸, 兩者相差52111千噸, 計算誤差為3177%。符合333資源量估算要求。

3體會

( 1) 測量過程中宕口底邊GPS無法測量的時候可以配合使用全站儀。

( 2) 根據礦山現狀選擇一種合適的資源量方法。

( 3) 在資源量計算的時候要考慮邊坡, 準確的判斷出是礦層尖滅到點上還是面線上, 選擇合適的計算公式。

(4) 當選擇用塊段法的時候, 當所切剖面經過采坑的時候, 盡可能的使剖面之間的連線盡可能的接近現狀, 如果有出入要進行出入部分的單獨計算。

結束語：現代測繪技術在地質測繪中扮演著越來越重要的角色，只有提高測繪技術水平，才能使地質測繪工作更加準確和效率，才能使企業獲得成本降低和經濟收益的雙贏。

參考文獻：

1趙寶鋒1 工程測量實踐教學的改革與實踐[ J]1 礦山測

量,2005(3)

2國家測繪局1 測繪標準匯編[S], 北京:中國標準出版社

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【關鍵詞】 局部枸櫞酸抗凝；低分子肝素抗凝；聯合應用；連續性腎臟替代；應用效果

DOI：10.14163/ki.11-5547/r.2016.35.046

【Abstract】 Objective To observe and analyze application of regional citrate combined with low molecular weight heparin calcium anticoagulation in continuous renal replacement treatment. Methods A total of 50 critical patients with continuous renal replacement treatment were randomly divided into research group and control group， with 25 cases in each group. The control group received low molecular heparin anticoagulation， and the research group received regional citrate combined with low molecular weight heparin calcium anticoagulation. Application effect was observed and compared. Results The research group had 0 bleeding or aggravation of original bleeding， which was less than 6 cases （24.00%） in control group， and the difference had statistical significance（P

【Key words】 Regional citrate anticoagulation； Low molecular weight heparin calcium anticoagulation； Combined application； Continuous renal replacement； Application effect

連續性腎臟替代治療（CRRT）在急性腎功能不全病例中應用較為廣泛， 同時近些年來也更多的⑵溆τ糜詬呷取⒅刂⒁認傺滓約案骨桓腥鏡炔±中[1]。其中實施連續性腎臟替代治療期間抗凝是關鍵內容， 通常實施普通肝素或者低分子肝素抗凝的舉措[2， 3]。經大量的研究以及臨床實踐經驗表明[4-6]， 枸櫞酸鈉是理想抗凝方式， 可滿足抗凝需求。本研究針對局部枸櫞酸聯合小劑量低分子肝素抗凝在連續性腎臟替代治療中的應用實施嚴密的觀察及分析， 內容報告如下。

1 資料與方法

1. 1 一般資料 本研究對象為50例需要展開連續性腎臟替代治療的危重患者， 均為2014年5月～2016年5月在本院治療的病例。在所有患者中， 包含8例重癥胰腺炎病例、10例心功能不全病例、5例嚴重電解質失衡病例、6例藥物中毒病例、10例多器官功能衰竭病例以及11例重癥急性腎功能衰竭病例。患者均享有治療知情權以及簽署知情同意書， 排除肝功能衰竭者、抗凝治療禁忌證者、凝血指標異常者以及全身感染者、長時間實施抗凝藥物者等。隨機將患者分成研究組和參照組， 各25例。研究組中男12例、女13例， 平均年齡（52.8±10.6）歲；參照組中男13例、女12例， 平均年齡（54.6±12.1）歲。兩組患者年齡、性別等一般資料比較差異無統計學意義（P>0.05）， 具有可比性。

1. 2 方法

1. 2. 1 血液凈化 針對所有病例均展開經頸內靜脈置管或者股靜脈置管方式， 應用到的儀器設備為SWS-3000A血液凈化儀以及M 型血濾器和相關配套設備[7]；治療的模式， 以連續性靜脈-靜脈血液濾過（CVVH）形式進行， 并以患者的實際情況作為依據， 配置置換液配方；血流的速度掌握在150～180 ml/min， 置換液的速度掌控在1500～2000 ml/h， 展開持續性的治療12～24 h， 并且采取前稀釋模式輸入。

1. 2. 2 抗凝 研究組展開局部枸櫞酸聯合小劑量低分子肝素抗凝方案， 參照組僅實施低分子肝素抗凝方案。研究組具體操作方式：進行低鈉低堿基無鈣置換液的合理配置， 血液保存液抗凝成分是每500 毫升具有葡萄糖（以微量泵自管路靜脈端泵入的方式， 速度為18～22 ml/h）12.25 g、枸此幔ㄒ暈⒘勘米怨藶范脈端泵入舉措， 速度為145～175 ml/h）4.0 g以及枸櫞酸鈉11.0 g[8]。以現實所需作為依據， 加入氯化鉀注射液（10%）， 針對體外循環離子鈣以及電解質、動脈血氣分析等情況每隔2 h進行監測記錄1次?？鼓O測的目標主要為， 未發生代謝性酸堿紊亂情況， 電解質處于正常水平， 體外循環離子鈣 為0.2～0.4 mmol/L。進行小劑量低分子肝素抗凝， 初始劑量為40 IU/kg， 隨后的追加劑量為4 IU/（kg?h）。對于參照組患者實施低分子肝素抗凝， 經動脈端一次注入5000 U低分子肝素鈉展開抗凝。

1. 3 觀察指標 治療24 h抗凝效果、電解質情況、酸堿平衡情況、出血情況， 并且凝血情況評價的方式以濾器的外觀變化進行評定[3]， 包括4個級別：0級、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級。

1. 4 統計學方法 采用SPSS19.0統計學軟件處理數據。計量資料以均數±標準差（ x-±s）表示， 采用t檢驗；計數資料以率（%）表示， 采用 χ2 檢驗。P

2 結果

2. 1 兩組出血情況及抗凝效果比較 研究組中出血或原有出血加重情況為0例（0）， 少于參照組的6例（24.00%）， 差異有統計學意義（P

2. 2 透析前后生化指標的比較情況 研究組患者透析前的BUN為（20.44±10.58）mmol/L， Scr為（636.22±386.43）μmol/L，

pH為（7.32±0.10）， Na+為（138.43±55.86）mmol/L， Ca2+為（1.04±0.19）mmol/L， HCO3-為（15.64±5.57）mmol/L， 總鈣為（2.22±0.39）mmol/L；參照組患者透析前的BUN為（21.52±

12.33）mmol/L， Scr為（593.44±349.95）μmol/L， pH為（7.35±0.10）， Na+為（140.32±44.25）mmol/L， Ca2+為（0.99±0.54）mmol/L， HCO3-為（15.48±5.45）mmol/L， 總鈣為（2.23±0.25）mmol/L。兩組各指標對比， 差異無統計學意義（P>0.05）。研究組患者透析后的BUN為（13.76±3.11）mmol/L， Scr為（286.32±144.49）μmol/L，

pH為（7.43±0.05）， Na+為（141.44±35.59）mmol/L， Ca2+為（0.92±

0.12）mmol/L， HCO3-為（23.46±3.47）mmol/L， 總鈣為（2.18±

0.32）mmol/L；參照組患者透析后的BUN為（12.86±2.91）mmol/L，

Scr為（268.22±131.21）μmol/L， pH為（7.46±0.08）， Na+為（144.33± 40.39）mmol/L， Ca2+為（1.22±0.19）mmol/L， HCO3-為（20.43± 3.24）mmol/L， 總鈣為（2.26±0.35）mmol/L。通過比較兩組的生化指標， 透析前后的pH值以及Na+對比， 差異無統計學意義（P>0.05）；透析后的BUN及Scr水平均明顯低于透析前， 并且研究組HCO3-高于參照組， 總鈣低于參照組， 差異有統計學意義（P

3 討論

針對于危重患者的急救， 連續性腎臟替代療法已經被稱為最行之有效的首選血液凈化方案[9， 10]。在此期間， 也應該注重通過充分抗凝的方式降低管路和濾器反復凝血發生率， 并減少過度抗凝而導致出血問題情況， 進而保障治療安全性[11-13]。

枸櫞酸為體內代謝中間產物， 能夠同游離鈣絡合成枸櫞酸鈣， 經絡合濾器血液中離子鈣推動血清內游離鈣降低， 并抑制其發揮的作用， 最終實現局部抗凝效果[14-16]。

綜上所述， 局部枸櫞酸聯合小劑量低分子肝素抗凝在連續性腎臟替代治療中發揮的作用理想， 不會對患者凝血機制產生顯著影響， 降低出血率， 可以將其作為安全可靠的連續性腎臟替代治療方案推廣于臨床實踐。

參考文獻

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關鍵詞： 量子門 量子可逆電路 量子多值邏輯 通用門庫

近30年來，人們已提出了多種量子門，如Toffoli門［1］，Fredkin門，Peres門等，并給出了量子門的代數特征。如何使用指定量子門庫中的量子門自動生成量子代價較小的量子可逆邏輯電路，其本質就是量子可逆邏輯電路綜合技巧問題。Shende將可逆電路綜合轉化為置換問題，并提出三量子可逆邏輯電路綜合最優算法；Yang在此基礎上利用GAP軟件實現了三量子最小長度和最小代價可逆邏輯電路綜合算法。然而目前大多數算法只是在綜合三量子電路時效果很好，隨著綜合量子比特數的增加，綜合量子可逆邏輯電路的時空復雜度將進一步增加。在綜合四量子電路時，Yang等人利用廣度優先搜索和雙向綜合技術，使用CNP量子門庫可綜合最長為12的四量子偶置換最優電路，這已是較好結果；李等人使用CNP量子門庫，在廣度優先搜索的基礎上，巧妙構造哈希函數并利用線置換和向變換進行無損壓縮可快速生成最大長度為16的最優四量子偶置換電路，這是目前已知的最好結果。目前人們還未設計出通用高效的多量子電路綜合算法，這是量子電路設計中急需解決的重要問題之一，因為它的設計實現不僅可以降低制造量子電路的成本，而且能提高多量子可逆電路設計的效率。

目前比較有代表性的量子可逆電路構造方法有以下幾種［2］。

窮舉法、RM方法、群論分解方法、探索法，通過比較知窮舉法綜合結果好，能達到最優，但時間空間開銷大；真值表和RM方法構造巧妙，綜合速度快，但結果不盡理想，需要輔以優化；群論方法新穎高效，算法收斂迅速（有限步結束），但構造復雜，較為繁瑣，需要的門庫規模大；其他方法也均是在綜合的效果和效率之間尋求一個平衡點，這個平衡點如何選取，則應該以實踐中的具體需求情況為依據。

構建量子可逆邏輯電路主要有構造與優化兩個過程，有些算法是先構造再優化，還有一些算法則是構造與優化同時進行。通常所得到的量子電路并不是最優電路，如何有效地優化電路，成為量子電路領域的另一個研究重點。Iwama、Maslov、Maslov等都對電路優化程度作出了杰出貢獻。

目前對量子二值邏輯可逆電路綜合算法的研究較多，但對于多值邏輯量子電路綜合技術的研究較少［3］。其中的原因主要有：第一，人們已習慣于經典計算中的二值邏輯，利用多值邏輯進行計算不符合人們常規的思維和計算方式；第二，對于多值邏輯的理解與應用本身就是困難的，涉及多值邏輯理論及群、環、域等代數理論，量子可逆電路的設計又具有相當難度，規模較大，復雜性較高，其中又要解決量子的自然屬性（如消相干現象等）對計算的負面影響。所以將多值邏輯應用于量子電路，設計具有相當復雜性的多值邏輯量子電路也是困難的。然而，量子具有多種可觀測的屬性，例如光子的偏振方向，電子的自旋方向，電子所處于的能級等，因而具有多個復雜的自由度，利用多能級描述量子位也更自然。由于量子實驗物理的發展進步及測量技術的不斷完善，對于量子在各個屬性上的測量的精準度大大提高，使得量子高維基態（即多值邏輯量子態）的應用成為可能。另一方面，量子多值邏輯的應用能夠極大提高量子并行計算的能力（理論上比二值邏輯更強大），并可在存儲和處理量子信息時提供更大的靈活性，又可以無輔助位的方式用兩位量子門和一位量子門建立多量子電路，使得多量子電路的物理實現成為可能。對多值量子可逆邏輯電路綜合的研究正在興起。

量子可逆電路本質上是置換電路［4］，在此基礎上可根據一些特定功能構造量子專用電路，專用電路的設計實現及應用可加速運行算法，并對量子寄存器或量子芯片等的設計作出一些貢獻。目前已設計出量子全加器、量子全減器及受控集成量子加減電路，它們是構建量子計算機的基本單元。在量子糾錯編碼和容錯計算中可根據糾錯碼的生成矩陣和校驗矩陣，分別生成編碼電路和解碼電路。2005年何等人通過分解蝴蝶矩陣和轉置矩陣獨立實現了基于Haar小波多尺度分析的完整量子電路。2006年Cheng等人用Bitonic方法快速構造大規模的量子排序電路，給出的線路模型清晰地反映出算法消耗資源的情況。2007年Khan等人給出了利用三值邏輯Feynman和Toffoli門實現的三值邏輯全加器，基于此又實現了帶有部分前瞻的三值邏輯并行加法器，并展示了將此電路用作并行減法器的方法。2008年Khan提出綜合量子四值邏輯加法/減法器的遞歸電路。之后Khan又提出量子四值邏輯比較器，比較器是著名的Grover量子搜索算法的關鍵功能模塊―Oracle的組成部分，也是基于比較的各種算法及控制器的基本模塊。當然，由于量子電路設計的復雜性，目前綜合出的專用電路還不多，并且給出的大多數的電路并非最簡形式。

盡管對于量子可逆電路的研究已取得了一些成果，但目前對于構建量子可逆電路的量子門及通用門庫的研究還不深入，對于量子可逆電路的生成方法和優化方法的研究還處于起步階段。對其中的一些問題，如多值邏輯的嵌入與應用，電路優化策略，綜合算法復雜性的深入分析與證明等，只是進行了初步的探索。雖出現了一些解決方案，但并不十分成熟，還有一些領域未曾涉及，所以需要進一步深入研究。

參考文獻：

［1］李志強，陳漢武，徐寶文等.基于Hash表的量子可逆邏輯電路綜合的快速算法［J］.計算機研究與發展，2008，vol.45-2：2162-2171.

［2］何雨果，孫吉貴.基于Haar小波的多尺度分析量子電路［J］.科學通報，2005，vol.50-20：2314-2316.

篇5

信息學領域的兩個焦點研究方向。在這兩個方向上,近年來中國的科學工作者都取得了重大的進展。

2004年,中國建立了一條從北京到天津長125公里的試驗性光纖量子通信密碼線路; 2007年,中國科學院院士郭光燦帶領的研究團隊在北京成功試驗了“量子路由器”,并獲得了美國授權專利; 2009年,世界首個“量子政務網”在安徽蕪湖建成。

在量子密碼領域取得了巨大成就后,郭院士帶領的團隊又將大部分精力放在了量子計算機的研究上。那么,在量子領域的探索,我國究竟處于什么水平?量子究竟能給世界帶來怎樣的變化?帶著這些疑問,本報記者采訪了國內量子信息領域研究第一人、中國科學院院士郭光燦。

世界首個“量子政務網”在安徽蕪湖建成。

量子密碼

躋身世界前沿

“目前,在量子密碼通信領域,我國的研究水平已經躋身世界前沿,并在某些方面具有不可比擬的優勢?！惫鉅N自豪地表示。

但是回到10年前,國內還沒有幾個人認同郭光燦的研究?！霸谠缙诘?5年里,幾乎沒有經費支持我們,每年也就是一兩萬元,當時就是我帶著幾個學生做基礎研究。直到1999年,中科院高技術局局長科研基金支持了5萬元之后,我們才開始開展實驗研究?！惫鉅N坦言。

量子密碼究竟有何神秘之處,它如何吸引郭光燦呢?

按照量子信息界的解釋,經典信息處理的最基本單元是比特(Bit,即二進制數0或1)。一個按照一定數學規則給出的隨機二進制數據串就構成一個密鑰,經典通信中最難解決的問題是密鑰分配問題。由于密鑰分配不是絕對保密的,經典密碼也就不可能絕對保密。然而,基于量子力學線性疊加原理和不可克隆定理的量子密鑰分配卻可以解決這個問題。

一個具體的例子就是大數分解定理,按經典計算復雜性理論,這個問題不存在有效算法,所以被利用來進行經典密鑰分配?！暗侨绻昧孔佑嬎銠C,使用‘Shor量子算法’,情況就大不相同了。例如,為了對一個400位的阿拉伯數字進行因子分解,目前最快的超級計算機將耗時上百億年,這幾乎等于宇宙的整個壽命; 而具有相同時鐘脈沖速度的量子計算機只需要大約一分鐘。因此,一旦人們擁有了一臺量子計算機,那么目前的密碼系統將毫無保密性可言?！?/p>

這一后果是對目前的密碼系統的巨大挑戰。為了保證這些領域的信息安全,也為了拓寬人類對微觀世界的認識,發展量子信息學刻不容緩。同時郭光燦還指出,他們選擇從量子密碼研究做起的另一個原因是,量子密碼相對于量子計算要容易些,而且,當時在量子密碼領域,國際上也有很多技術障礙需要攻克。

據郭光燦介紹,將量子密碼裝置應用到光纖網絡,會遇到了一個困難,就是不穩定。要調控單個量子―把0和1調到一個相位的量子態里―非常困難,各種因素都可能會破壞其穩定性,甚至使其“消失掉”。為此,郭光燦團隊發明了一套新的解碼器和編碼器,保證單向光子的穩定性,同時保證安全。他們已為這項技術申請了美國專利,并獲得了授權。這是實現量子密碼的第一個關鍵技術。

第二個關鍵的技術是網絡保密。即在光纖網絡里,任何兩點都能夠保密通信,而不僅僅是點對點的保密通信。單個光纖做到保密通信必須解決3個問題:光纖上實現任何兩點之間的保密通信; 任何兩個用戶保密通信不會互相干擾; 群發系列,例如一個領導機關與多個下屬同時多點保密通信。

其中最根本的困難之一是路由器問題。在經典通信中一個信號傳過來,路由器可以識別,之后傳送?？墒橇孔佑幸粋€特點―不可以被識別,一旦識別它,原來的信號就被破壞了。這種情況下,點對點的量子通信容易實現,而量子網絡很難實現。為了解決這個問題,郭光燦團隊發明了“量子路由器”―用波長做標志,使不同的光子到達不同的地方。這項技術也已獲得了美國專利,并于2007年在北京商用光圈建立了城域網通信。

有了兩大技術的支撐后,今年5月份,郭光燦帶領的量子信息重點實驗室在安徽省蕪湖市建立了世界上首個量子政務網。這個政務網可以傳送政府的紅頭文件,通過保密的方式發送到下屬各局,而且還可以對圖像和聲音加密,開視頻會議。自此,量子密碼正式步入應用階段。

量子計算

研發路漫漫

信息社會60年,計算機的進步就只是把10厘米長的真空電子管,用印刷在硅晶片上面的微米級半導體電極代替而已。

那么未來的60年呢?在15納米、8納米之后,再往細微的方向走,經典物理會逐漸失效,因為主宰微觀世界的是量子物理,屆時經典的摩爾定律很可能就會被量子原理代替。

目前,人類已經在量子密碼上實現初步的商用化,但是量子計算機的研究仍然路漫漫。

“因為量子計算機的實現需要量子算法、量子計算模型、量子糾錯機制和硬件等各個方面的突破性進展?！惫鉅N說,“盡管科學家在實驗和理論上都取得了一些成果,但這些研究仍然處于非常早期的階段。雖然我國在量子信息學科上起步稍晚,但是國家已經在中長期科技規劃中設立了量子調控研究這一重大科學研究計劃”。郭光燦預測,最終量子計算機將被用來解決現在計算機解決不了的問題。

那么,與經典的計算機相比,量子計算機有哪些神奇之處呢?

郭光燦指出,經典計算機和量子計算機最本質的差異,來自對物理系統狀態的描述。對經典計算機來說,每個字節的數據都要一步步地處理,每一個步驟都表示機器的一個明確的狀態,上一個步驟的輸出作為下一個步驟的輸入,前后相續,整個計算任務是串行的; 而對量子計算機來說,系統的不同狀態之間的變換,可以并列存在多個途徑,使得系統可以在多條路徑上并行處理多個計算,這就使得計算機的計算能力獲得了指數性的增強。

量子計算機的理論效果確實震驚了世界,但是也有人提出,量子計算只是一個方法論,可能根本實現不了。但是AT&T貝爾實驗室的計算機科學家皮特•休爾卻有力地反駁了當時的負面觀點。

據說,皮特•休爾在1994年設計了第一個適合于量子計算機使用的算法,專門用來對大數進行因子分解。他發現,如果使用量子計算機,再運用他提出的專用算法,這個論斷將不再成立。這意味著現代社會廣泛使用的密碼系統,將隨著量子計算機的問世而作廢。

郭光燦表示,盡管還存在很多技術難題,但是他非?？春昧孔佑嬎愕奈磥?。

郭光燦指出,當前實現量子計算的瓶頸在于:如何研制含有數目巨大的量子處理器的物理體系,它既可有效地克服不可避免的相關影響,又具有物理可擴展性。這個研究實質上是對人類操控量子世界能力的極大挑戰。目前兩種主要研究途徑是:固態量子計算和基于量子光學的量子計算。而他們實驗室的研究方向是固態量子計算。

“我們使用一種新的材料叫石墨烯,來代替原來經典計算機里面的硅材料。在國際上,還有其他三種主流的材料,我們的研究幾乎與國際上同步。但我們走的是不一樣的方向,一是避免重復研究,二是為了爭取我們自己的話語權?！?/p>

實際上,從上世紀80年代量子計算正式進入研究階段,到今天取得重大進展,也就30年的時間。目前量子計算正在飛速發展,因此這個領域也吸引了越來越多的參與者,隨著主要的障礙已經或正在被克服,我們似乎可以樂觀地估計,下一個30年人類很可能會迎來量子計算時代。

產業化使命

量子信息技術是后摩爾時代的重要新技術,將來有望形成QIT(量子信息)新產業,因而也成為各國未來高技術的戰略競爭焦點之一。據介紹,日本今后10年里預計在該課題上的投入將達400億日元,而美國的情報機構也對此高度關注。

郭光燦預測,量子信息領域中產生的量子密鑰分配器、精確測量儀、量子模擬器等都是最接近應用的產品。

在國內,郭光燦是研究量子信息的第一人,他以及他的團隊也同樣肩負著將科研成果產業化的使命。在量子密碼領域取得了重大成就后,很快他們就進行了產業化投入。

今年6月,在安徽省政府的大力支持下,蕪湖市政府聯合中國科學技術大學成立了一個高新技術研發企業―安徽問天量子科技股份有限公司。目前,公司在量子密鑰通信系統上的各項技術已處于國際領先地位。

據了解,利用量子保密通信系統在電源上的技術優勢,問天科技研發出了新型WT-PFC-45系列LED路燈驅動電源。該產品的成功研發標志著中科院量子信息重點實驗室在量子密碼上的科研成果不僅可以在信息安全領域得到重大應用,也可以為其他行業做出重要貢獻。

從漁民之子

到量子專家

篇6

論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發展有著重要的意義。

量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。

一、在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便?？梢灶A言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程新.[學位論文].武漢:武漢工業大學材料科學與工程學院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業大學學報,1995,17(4):12

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[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,2003,26(1):1

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[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

篇7

Introductionto Quantum Mechanics

Schrodinger Equation and Path Integral，

2nd Edition

2012，950 p

Hardcover

ISBN9789814397735

Harald J W MüllerKirsten著

薛定諤在1926年建立了以他的名字命名的方程，開創了量子力學進入嚴格的和近似定量計算的新局面，促進量子力學迅速擴展了應用能力和范圍。20年之后費曼提出了量子力學的路徑積分形式，并證明了與薛定諤方程的等價性。它不僅能夠解決量子力學中的一般的定量計算問題，而且在隨后幾十年的量子場論和規范場論的發展過程中起了不可替代的重要作用。這兩種定量處理方法各有優劣，薛定諤方程對于量子力學問題的處理無疑具有極大的優點，其圖像清晰而且在數學上有許多為物理學家熟悉的成熟處理方法，受到物理學家的普遍歡迎。相比之下，路徑積分方法的使用要麻煩得多。但近年來，人們越來越發現路徑積分方法在很多應用中有著獨特的優越性。對于這兩種方法，已經有許多優秀的量子力學教科書以及專著分別給出了非常詳細的討論。但是將兩種方法對同一問題的解決辦法進行相互對照與比較，從而對于各自的優點和特定的應用范疇有更深刻的理解的著作還十分罕見，本書填補了這一空白。

這是一部量子力學的教科書，它涵蓋了作為導論性課程所有的主要內容，不但詳述了各種位勢下薛定諤方程的微擾解，介紹并算出了對應的路徑積分的解，而且還詳細地考慮了微擾展開的高階行為，這在其他類似的書籍中很少見到。本書的另一特點是沒有提供習題，而是結合課文的內容選用了大量例題，給出了非常詳細的計算細節，對于讀者的學習十分有利。

本書的第1版出版于2006年。第2版中，添加了許多重要的應用和很多實例。特別是關于Coulomb勢的一章被擴充到包含了化學鍵的介紹，而周期勢的一章補充了關于金屬和半導體能帶論的一節，而在高階行為的一章添加了關于漸進展開中成功地計算收斂因子的例證。

全書共分成29章：1.導言；2.哈密頓量子力學； 3.量子力學的數學基礎；4.狄拉克的右矢和左矢形式體系； 5.Schrdinger方程和Liouville定理；6.諧振子的量子力學； 7.Green函數；8.時間無關微擾論； 9.密度矩陣和極化現象； 10.量子理論：一般形式體系； 11.Coulomb 相互作用； 12.量子力學穿透；13.線性勢； 14.經典極限和WKB法； 15.冪次勢； 16.屏蔽Coulomb勢； 17.周期勢； 18.非簡諧振子勢； 19.奇異勢；20.微擾展開的高階行為；21.路徑積分形式； 22.經典場組態； 23.路徑積分和瞬子； 24.路徑積分與沿一條線上的彈跳； 25.周期性的經典組態； 26.路徑積分和周期性的經典組態；27.約束系統量子化；28.量子-經典跨接作為相變；29.結束語。

本書對物理系的大學生和研究生以及數學和粒子物理的研究人員非常適用。對希望擴大自己量子力學技巧的理論物理學家和想要更進一步鉆研量子力學的其他專業的研究生以及所有對微擾方法、路徑積分及其在經典場倫中的應用感興趣的讀者都具參考價值。

丁亦兵，教授

（中國科學院大學）

篇8

關鍵詞：計算機；發展史；前景展望

1 前言

計算機由機械技術向電子技術以及生物技術、智能技術的轉變，為我們的生活帶來了巨大的變化。計算機已經擁有了60年的發展歷程，共經歷了5個重要的發展階段，將在不久的未來經歷第六個發展階段。

2 計算機發展歷史

（1）電子管計算機（1946-1958年）

用陰極射線管或汞延尺線作主存儲器，外存主要使用紙帶、卡片等，程序設計主要使用機器指令或符號指令，應用鄰域主要是科學計算。

（2）晶體管計算機（1958-1964年）

主存儲器均采用磁蕊存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的外存儲器，程序設計使用了更接近于人類自然語言的高級程序設計語言，計算機的應用領域也從科學計算擴展到了事務處理，工程設計等各個方面。

（3）小規模集成電路計算機(1964-1971年)

半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，計算機也進入了產品標準化、模塊化、系列化的發展時期，使計算機使用效率明顯提高。

（4）大規模集成電路（1972年-至今）

大規模、超大規模集成電路應用的一個直接結果是微處理器和微型計算機的誕生。微處理器自1971年誕生以來幾乎每隔二至三年就要更新換代，以高檔微處理器為核心構成的高檔微型計算機系統已達到和超過了傳統超極小型計算機水平，其運算速度可以達到每秒數億次。由于微型計算機體積小、功耗低、其性能價格比占有很大優勢，因而得到了廣泛的應用。

（5）人工智能計算機——神經計算機。

其特點是可以實現分布式聯想記憶．并能在一定程度上模擬人和動物的學習功能。它是一種有知識、會學習、能推理的計算機，具有能理解自然語言、聲音、文字和圖像的能力，并且具有說話的能力，使人機能夠用自然語言直接對話，它可以利用已有的和不斷學習到的知識，進行思維、聯想、推理，并得出結論，能解決復雜問題，具有匯集、記憶、檢索有關知識的能力。

3 計算機發展前景展望

計算機的發展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。計算發展如此之快，計算機界據此總結出了“ 摩爾法則”，該法則認為每 18個月左右計算機性能就會提高一倍。因此，在未來，第六代計算機發展方向如下：

（1）分子計算機

分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其它分子形式與外部環境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，而效率大大提高， 分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10 微微秒，比人的思維速度快 100 萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲 1 萬億億的二進制數據。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。

（2）光子計算機

光子計算機利用光子取代電子進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數據，這遠勝于電子計算機中通過電子“0”和“1” 狀態變化進行的二進制運算, 可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。

（3）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。量子計算機是基于量子效應基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲。由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此, 一個量子位可以存儲2個數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前計算機的 PentiumⅢ晶片快10億倍。

（4）納米計算機

納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍, 質地堅固,有著極強的導電性, 能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位, 一個納米等于10-9米, 大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品?，F在納米技術正從微電子機械系統起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源， 而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。

（5）生物計算機[1]

20世紀80年代以來，生物工程學家對人腦、神經元和感受器的研究傾注了很大精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高教的第六代計算機——生物計算機。用蛋白質制造的電腦芯片，存儲量可以達到普通電腦的10億倍。生物電腦元件的密度比大腦神經元的密度高100萬倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬倍。

篇9

量子力學課程是工科電類專業的一門非常重要的專業基礎課程。通過該課程的學習，使學生初步掌握量子力學的基本原理和基本方法，認識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運動規律，了解宏觀世界與微觀世界的內在聯系和本質的區別。量子力學課程教學質量的好壞直接影響后續的如“固體物理學”、“半導體物理學”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學”、“納米電子學”、“微電子技術”等課程的學習。

量子力學課程的學習要求學生具有良好的數學和物理基礎，對學生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學好量子力學，在我們教學的過程中，需要充分發揮學生的學習主動性和積極性。同時，隨著科學日新月異的發展，對量子力學課程的教學也不斷提出新的要求。如何充分激發學生的學習興趣，充分調動學生的學習主動性和能動性，切實提高量子力學課程的教學質量和教師的教學水平，已經成為擺在高校教師目前的一項重要課題。

該課程組在近幾年的教學改革和教學實踐中，本著高校應用型人才的培養需求，強調量子力學基本原理、基本思維方法的訓練，結合物理學史，充分激發學生的學習積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發學生學習主動性；結合現代科學知識，強調理論在實踐中的應用，取得了良好的教學效果。

1 當前的現狀及存在的主要問題

目前工科電類專業普遍感覺量子力學課程難學，其主要原因在于：第一，量子力學它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經典的對應，而學習量子力學必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經典”的觀念；第二，量子力學的概念與規律抽象，應用的數學知識比較多，公式推導復雜，計算困難；第三，雖然量子力學問題接近實際，但要學生理解和解決問題，還需要一個過程；由于上述問題的存在，使初學者都感到量子力學課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學科知識的飛速發展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時情況下，如何使學生在掌握扎實的基礎知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學的前沿，以適應新世紀人才培養的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰。

2 結合物理學史激發學生學習興趣

興趣是最好的老師，在大學物理中，談到了19世紀末物理學所遇到的“兩朵烏云”，光電效應和紫外災難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發下，大膽的提出實物粒子也具有波粒二象性；對于物理學的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關于氫原子的量子假設，解釋了氫原子的結構以及線狀光譜的實驗。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學。在教學的過程中，適當穿插量子力學的發展歷史以及偉大科學家的傳記故事，避免了量子力學課程“全是數學的推導”的現狀，這樣激發學生的學習興趣和學習熱情，通過對偉大科學家的介紹，培養刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學模式大大提高了學生的學習主動性。

3 結合熟知軟件化抽象為形象

量子力學內容抽象，對一些典型的結論，可以用軟件模擬的方式實現物理圖像的重現。很多軟件如matlab、c語言等很多學生不是很熟練，而且編程較難，結合物理結論作圖較為困難；Excell是學生常用的軟件之一，簡單易學卻功能強大，幾乎每位同學都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應用到量子力學的教學過程中，取得了良好的效果。

如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴格求解得到了波函數和能級的方程。而波函數的模方表示幾率密度。我們要求學生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經典幾率的比較（經典粒子在阱中各處出現的幾率應該相等）和經典能級的比較（經典的能量分布應該是連續的函數），通過學生的自我參與，充分激發了學生的求知欲望；從簡單的作圖，學生深刻理解了微觀粒子的運動狀態的波函數；微觀粒子的能量不再是連續的，而是量子化了的能級，當n趨于無窮大時微觀趨向于經典的結果，即經典是量子的極限情況；通過學生熟知的軟件，直觀的再現了物理圖像，學生會進一步來深刻思考這個結論的由來，傳統的教學中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個方程，再利用邊界條件和波函數的標準條件，一步一步推導下來，這樣的教學模式有很多學生由于數學的基礎較為薄弱，推導過程又比較繁瑣，因此會逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節的學習，而通過學生親自作圖實現的物理圖像，改變了傳統的“填鴨式”教學，最大限度的使學生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學的效果。

4 結合科學發展前沿拓寬學生視野

在課程的教學中，除了注重理論基礎知識的講解和基礎知識的應用以外，還需介紹量子力學學科前沿發展的一些動態。結合教師的教學科研工作，將國內外反映量子力學方面的一些最新的成果融入到課程的教學之中，推薦和鼓勵學生閱讀反映這類問題的優秀網站、科研文章，使學生了解量子力學學科的發展前沿，從而達到拓寬學生視野，培養學生創新能力的目的。例如近年興起并迅速發展起來的量子信息、量子通訊、量子計算機等學科，其基礎理論就是量子力學的應用，了解了這些發展，學生會反過來進一步理解課程中如量子態、自旋等概念，量子態和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經典的對應，通過對實驗結果的理解，學生會進一步理解用態矢來表示一個量子態，由于電子的自旋只有兩個取向，正好與計算機存儲中二進制0和1相對應，這也正是量子計算機的基本原理，通過學生的主動學習，從而達到提高教學質量的目的。另外我們還要介紹量子力學在近代物理學、化學、材料學、生命學等交叉學科中的應用，拓寬學生的視野。

篇10

關鍵詞： 模糊網絡； 入侵檢測； 分層操作； 特征自動提取

中圖分類號： TN711?34； TP393.08 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0114?04

Abstract： The intrusion features in fuzzy network are diverse， so the intrusion features can not be reasonably judged with the fixed threshold. A kind of layer sequence characteristics′ automatic extraction method based on quantum neural network is put forward to solve the problems of low detection rate and high false rate and slow detection speed in the fuzzy network intrusion detection methods. In this algorithm， the quantum BP neural network model is used to extract information in the space thinking structure of quantum form by means of hierarchical division of fuzzy network， and the phase in quantum form of neural network is operated by means of quantum gate displacement and rotation changes in quantum space structure to complete automatic extraction of multilayered sequence features. The experimental simulation result show that the algorithm has better detection rate， detection efficiency and low false alarm rate.

Keywords： fuzzy network； intrusion detection； hierarchical operation； characteristic automatic extraction

0 引 言

入侵z測為保證網絡安全的重要技術，通過學習能力、適應能力較高的智能學習算法完成檢測，不但可以提高檢測精度，還可以大大降低錯誤率。因此，在智能學習算法的基礎之上，研究入侵檢測方法是很有意義的[1]。在模糊網絡的入侵特征提取中，出現了很多較好的方法，支持向量機是一種依據核函數的學習算法，將非線性訓練集投影至高維空間中，使非線性訓練集達到線性可分的目的，將最大優化間隔面看作分類面，識別樣本數據并對其進行分類整理[2]。文獻[3]提出一種基于[K]近鄰算法的入侵檢測方法，依據待測樣本與相鄰樣本之間的距離確定權重，從而實現樣本數據集的分類，達到入侵檢測的目的。該方法實現過程簡單，然而在計算相鄰樣本權重時，容易造成局部出現最優的問題。文獻[4]在信息熵的基礎上，提出一種[K]鄰近算法，將其應用于入侵檢測中，利用樣本信息熵完成分類，從而實現入侵檢測。該方法檢測效率高，然而其信息熵的求解方法不可靠，導致入侵檢測結果不可靠。文獻[5]在提出一種基于支持多種向量機的檢測方法，通過分散方法實現對集合的訓練，構建分類器，通過分類器實現入侵檢測。該方法檢測精度高，但其中聚類處理對初始值的要求較高，且該方法計算量非常大。

依據上述分析，本文提出了一種基于量子神經網絡的層序列特征自動提取方法。在該算法中，通過對模糊網絡進行層次劃分，運用量子BP神經網絡模型以量子形式形態的空間思維結構來提取信息，通過量子空間結構中的量子門的移位與旋轉變化對神經網絡量子形態相位進行操作，完成多層序列特征自動提取。仿真實驗證明，該算法具有較高的檢測率和檢測效率，并且誤報率較低。

1 模糊網絡入侵中多層序列劃分步驟

Step1：如果由[α]代表模糊網絡入侵特征的約簡閾值，在有限樣本集存放在臨界值[N]的狀態下，滿足于[α≥N]的條件，假如在樣本中不含有簡約樣本，那么樣本的簡約程度不會受到[α]值的影響，可通過不斷簡約調整其[α]的取值。

Step2：假設由[xi]代表模糊網絡中訓練集[L]的樣本，則需要計算出[Ci]代表的相對應的最近領鏈[6?7]。

Step3：相對于[Ci]代表的最近領鏈的距離序列，需要滿足于：

Step4：假如對[xij]代表的模糊網絡訓練集[L]中標記的入侵特征進行初始化操作，會獲取[L′]代表的簡約特征。

Step5：當模糊網絡的入侵特征變換為多類分類問題時，對于[L]可形成多層次分類的局面，其任意的入侵數據都可以進行約簡。針對[c]分類問題，對入侵的特征進行[c-1]次約簡，從而得到[c-1]的層次集合，則會將相同類型的層次結果歸納為相同類別的最終分層內容。

Step6：假如由[xt]代表模糊網絡的入侵特征，[L′]代表初始化的集合，則在[L′]中查詢和其最近鄰的數量為[k]的入侵特征，且需要滿足[xt1，xt2，…，xtk]的條件；在求取相關值時，將歐氏距離用度量單位表示，由[dt1，dt2，…，dtk]代表樣本[xt]的最大距離序列。

2 模糊網絡入侵中多層序列特征提取

量子BP神經網絡模型是在傳統人工BP神經網絡基礎上融合量子計算的神經網絡模型，量子BP神經網絡模型實質為量子門神經網絡結構模型。量子BP神經網絡模型不同于傳統神經網絡的形式，主要在于量子BP神經網絡模型以量子形態的空間思維結構來傳遞信息，通過量子空間結構中量子門的移位與旋轉變化操作神經網絡量子形態相位，詳細描述量子BP神經網絡模型的計算運行原則為：量子門作為量子BP神經網絡模型進行量子計算的前提，通過通用量子門取代神經網絡的激勵函數對輸入向量進行運算操作。并在模糊網絡入侵中多層序列特征提取中進行應用。

由式（8）和式（9）可以看出，量子BP神經網絡模型入侵特征提取的作用是使輸入的量子BP神經網絡模型量子態發生相位的移動變化；而量子BP神經網絡模型兩位特征提取層中[γ]代表模型控制參數。當滿足[γ=1]時，模型量子態出現翻轉變化；當滿足[γ=0]時，雖然量子BP神經網絡模型量子態相位發生了變化，但是通過觀測量子態的概率幅并無變化。將這種情況視為量子態沒有發生變化，當[γ]為其他值時可以任意調整量子BP神經網絡模型量子態的變化。

圖1中：[X=x1，x2，…，xn]代表將模糊網絡入侵中多層序列特征提取的問題轉變為量子BP神經網絡模型量子態相應的角度輸入；[λ]代表閾值；[δ]代表量子態角度控制因子；arg（u）代表u的相位也被稱為權值，[argu=arctanImuReu]；z表示量子BP神經網絡模型量子神經元的輸出；[gx]代表sigmoid函數。

假設由[Ii]代表量子BP神經網絡模型量子神經元的第i個輸入，則圖1所示的量子BP神經網絡模型量子神經元的特征提取輸出表示為：

式中：該量子BP神經網絡模型的輸出模糊網絡入侵中多層序列特征提取結果主要根據[θi，λ，δ]這三個控制參數進行調節。首先對量子BP神經網絡模型輸入量子態進行相位轉移，通過對量子態相位轉移的結果引入相位角度偏置進行修正處理，在此基礎上將相位角度修正結果通過量子BP神經網絡模型可控非門獲得該模型量子神經元的輸出，由此完成對模糊網絡入侵中多層序列特征提取的操作。

3 實驗仿真與分析

將樣本數據集[8]內的2個不相關子集當成測試數據集，在對樣本集進行預操作以及訓練過程中，任意劃分訓練樣本集，獲取1組訓練樣本、2組常量數據集，具體的數據集如表1所示。

實驗采用Matlab 7.1及libsvmmat 2.911工具實現算法，將徑向基函數[RBF]當成[SVM]的核函數，通過交叉驗證參數方法設置核參數和限制系數的值，聚類數是[k=n2]，[n]用于描述樣本總數。實驗對本文算法和[B-ISVM]算法的檢測率、誤報率和訓練時間進行比較，詳細結果如圖2～圖5所示。

4 結 語

本文提出了一種基于量子神經網絡的層序列特征自動提取方法。在該算法中，通過對模糊網絡進行層次劃分，運用量子BP神經網絡模型以量子形式形態的空g思維結構來提取信息，通過量子空間結構中的量子門的移位與旋轉變化對神經網絡量子形態相位進行操作，完成多層序列特征自動提取。實驗仿真證明，該算法具有較高的檢測率和檢測效率，并且誤報率低。

參考文獻

[1] 李駿驍.多層差異網絡深度入侵數據挖掘方法研究[J].計算機仿真，2015，32（4）：235?238.

[2] 陳利軍，郭紅艷.基于粒子濾波的網絡入侵相頻特征提取算法[J].科技通報，2016，32（3）：101?104.

[3] 康松林，劉樂，劉楚楚，等.多層極限學習機在入侵檢測中的應用[J].計算機應用，2015，35（9）：2513?2518.

[4] 隆忠華，王祥.基于模糊時間序列的車輛檢測器數據修補方法研究[J].物聯網技術，2016，6（6）：21?24.

[5] 胡向東，熊文韜.面向智能家居的入侵檢測方法研究[J].廣東通信技術，2016，36（5）：10?16.

[6] 趙龍才，李強子，黃慧萍.基于高分辨率影像的平原地區農村居民點自動化提取方法研究[J].遙感技術與應用，2016，36（4）：784?792.