量子計算的作用大全11篇

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量子計算的作用

篇（1）

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）20-0313-02

一個量子計算機通常比經典計算機具有超過指數數量級的運算速率，例如量子計算機能夠有效地進行大整數因子分解和數據搜索。一個以測量為基礎的量子計算即為單向量子計算 [1-4]。單向量子計算需要量子比特初始處于高度糾纏的團簇態，并且要對相應的量子比特實施單量子比特測量。之所以被稱為單向量子計算機是由于團簇態中的糾纏經過單量子比特測量被破壞了，因而此團簇態在單向量子計算中僅僅能夠被使用一次，所以團簇態的制備在實現單向量子計算方面起著十分重要的作用。在本文中，我們利用一個新的復合固態量子系統證明了單向量子計算的基本操作。此系統包含N 個氮氣-空穴（N-V）中心與N 個超導傳輸共振子（TLR），相耦合，它們共同連接于一個約瑟夫森結（CBJJ）超導量子比特。通過交換虛光子，在N-V中心和CBJJ之間產生了有效的相互作用哈密頓量。

1.物理模型及相互作用哈密頓

圖1： N個NV-TLR對與一個CBJJ耦合的復合量子系統示意圖，其中Cc為耦合電容，CJ為結電容，Ib為偏置電流，Ic為臨界電流。每個TLR中的黑點代表一個N-V中心，N 個N-V中心顯示了一維的線性結構。

2.單向量子計算的實現

2.1 制備N 量子比特線性團簇態

假設CBJJ和N個N-V中心初始時刻和N個TLR處于解耦合狀態，并且它們初始處于一個直積態：

結論

我們提出了一個基于N 個N-V 中心和一個通用型CBJJ間接耦合的方法來實現單向量子計算的方案，該方案是一個十分有潛力的方案。為了實現單向量子計算，我們首先制備了N -V量子比特線性團簇態；接著，利用已經制備好的4量子比特線性證明了我們的系統能夠實施量子計算的基本操作：單量子比特旋轉門；最后，通過實驗的可行性分析，在該的系統中，CBJJ 和N-V中心的快捷操作以及較長相干時間為制備團簇態提供了可能性。

參考文獻

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作者簡介

趙宇靖（1984―），女，在讀博士，主要研究方向為量子信息和量子計算。

篇（2）

兩種方式

現在，全球在遠距離通信方面最先進的科技是用于可見光的量子信息的瞬間傳輸。量子信息以（quantumbits）量子比特為單位計或是qubits，這些可以通過光一瞬間分散的特性表現，比如它的兩級狀態，或是以電磁波的連續狀態形容，比如微波電場的密度和強度。瞬間傳輸信息，需要發送和接收雙方都擁有一對糾纏的量子系統。當發送者改變系統狀態時，接收者系統會同樣受到影響。

兩極化量子比特在距離方面的表現最好，其最高紀錄能達到143公里。不過目前，僅有50%的量子比特能夠瞬間傳輸。實際上，瞬間傳輸需要傳送方進行名為“鈴流檢測“的操作。操作中，兩個量子的兩極被充分相連形成四種可能性組合。簡單的光學和光電探測器能夠最多分辨兩種。

長距離的傳輸也會帶來進一步的技術難題，比如對大氣亂流和地面活動的彌補。所以，需要利用一些先進科技同步傳輸的兩端，比如使用原子鐘。現代經典的通訊更加依賴于衛星技術。

持續變量的體系衡量所有鈴流檢測的結果更加容易，只用簡單的線性光學和標準的光電探測器即可進行。這樣的系統能夠同時傳送許多量子比特，因此在高速量子通訊中更加青睞使用這樣的系統。

我們需要找到一種方式能夠綜合分散變量（長距離傳輸）與持續變量（快速確定的傳輸）中最好的特性。有實驗表明，將分散量子比特與持續變量糾纏粒子的結合，就能夠完整瞬間傳輸量子信息。我們需要進一步研究擴大實驗中的距離，并整合其他量子技術類型，比如用于移動通訊儲存的量子存儲器。混合技術的研究需要在不同領域、不同團隊之間展開更廣泛的合作與交流。

量子網絡

實現全球分布的量子計算機或量子網絡，其中最大的阻礙之一就是網絡之間糾纏的節點。所謂量子比特（量子位）能夠在任意兩個量子之間瞬間移動，并且依靠本地量子計算機進行處理。

理想狀態的節點，在任意一雙量子間糾纏，或是創造出一個巨大多重糾纏的“團簇”，向所有的節點散布。團簇狀態就是連接實驗室中創造出的數以千計的節點。而最大的挑戰就是證明它們如何在長距離之間展開，就如同怎樣在各節點存儲量子態一樣，以及如何利用量子節點不斷地更新它們。

在近乎完美的精確和大容量下，量子存儲器需要將電磁輻射轉化為物理變化。“自轉集合”代表了一種量子存儲器。超冷原子氣體包括了100萬原子的銣元素，它能夠將單個的光量子轉化為稱為自轉波的集合原子。儲存時間接近100毫秒，需要在全球之間發送光信號。

量子網絡需要存儲器存入量子信息，保護信息免受不需要的交互作用的影響。因此，量子計算需要通過這樣存儲器的技術支持以及通過中繼器實現長距離的量子糾纏分布。

超導量子比特是以物理數量定義的，比如電感器的流量或電容器的電荷，通過釋放或吸收微波光量子，與量子處理器之間相互作用。為達到固體量子存儲的成功集合，量子信息的可逆的存儲和檢索將成為可能。這需要微波光量子與固態量子存儲器原子自轉之間有效的交接，與處理器相連接。如果成功，這項混合技術將是最有希望擴大成為大型分布式的量子計算機的設備。

另一方面，量子計算對經典計算做了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看做是一類特殊的量子計算。量子網絡對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子并行計算。

未來的發展

為了實現這一愿景，量子瞬間傳輸科技需要發展以下三方面：

第一，在分散變量與連續變量之間進行更多的理論與實踐相結合的研究。這樣可以綜合目前各種不同的研究方法，進行整合深入發掘最佳的成果。繼續進行兩極化量子比特的衛星實驗，利用自由空間或光纖進行跨越城市之間的信息互通的連續變量的瞬間傳輸。

篇（3）

1 引言

量子算法解決問題的概念最早由舒爾在上世紀末引入，因其在計算復雜性理論革命性的成果，量子計算受到歡迎，但在當時認為實際建造一個量子計算機是不可能的，隨后科學家發現了量子糾錯等理論，希望通過這些理論實現量子計算機。文章主要討論量子信息處理與超導量子比特物理實現，就少數重要方面討論猜測量子計算未來方向。

2 量子計算機發展的七個階段

開發一個量子計算機涉及幾個重疊且互相連接的階段，首先必須能控制量子系統的量子比特的有足夠的長的退相干時間供系統去操作和讀出，在第二階段，小量子算法可以在邏輯量子比特上進行，作為一個實用的量子計算，這前兩個階段中，必須滿足下面的五個標準[1]：

（1）可規模化的很好兩能級系統（量子比特）；

（2）量子比特具有良好的制備初態的能力；

（3）與量子邏輯門操作的時間相比，量子比特具有相對較長的退相干時間。

（4）量子比特能夠用來建造通用量子邏輯門；

（5）具有對量子比特進行測量的能力。

從上面的標準可以看出，量子比特的相干性是非常重要的。如果量子比特的相干性受到破壞，量子計算就會變成經典計算。第三階段以后要求系統能夠實現量子糾錯，在第三階段，實現量子非破壞測量和控制，量子非破壞測量可以利用奇偶校驗糾正一些錯誤。第四個階段實現更長時間的邏輯量子比特記憶，目標是實現量子存儲器，量子糾錯的實施，使得系統的相干性比任何組件的相干時間都長，通過量子糾錯存儲的邏輯量子比特的退相干時間大大超過單個量子比特退相干時間，但這個目標還未在任何實際系統中實現。最后的兩個階段是多邏輯量子比特算法和容錯型量子計算，最終目標是實現容錯量子信息處理，有能力在一個具有主動糾錯機制邏輯量子比特做所有單量子比特操作，并且能夠執行多個邏輯門之間的操作。量子信息處理的七個階段發展。每個進步需要掌握前面的階段，但每個也代表了一個持續的任務，必須協同別的階段。第三階段中的超導量子比特是唯一固態量子計算實施，目的是實現第四階段，這個也是目前研究的重要的環節。下面我們就介紹下超導電路。

3 超導電路哈密頓量設計

超導電路（圖1）基于LC振蕩器，超導量子比特的操作是基于兩個成熟的現象：超導性和約瑟夫森效應。超導量子比特可以描述為一個電感為約瑟夫森結，電容C和一個電感L組成的并聯電路。電路中電子流的集體運動的為通過電感的通量Φ，相當于在彈簧機械振蕩器質心位置。不同于純LC諧振電路的，約瑟夫森結把電路變成一個真正的人工原子，可以選擇性的從基態躍遷到激發態，當作一個量子比特。約瑟夫森結和電感并聯，甚至可以取代電感，幾個作為人工原子非線性振蕩器組成的量子比特耦合振蕩腔時，可以獲得多量子比特與多腔相互作用系統的有效哈密頓量[2]的形式為

哈密頓量中指標為j表示非諧振模式的量子比特耦合指標m表示諧振腔，符號a，b和ω分別代表振幅和頻率，在適當的驅動信號作用下，系統可以執行任意的量子操作，操作速度取決于非線性影響因素和，通常單量子門操作時間為5到50ns和二量子比特糾纏控制在50到500ns，忽略了腔的非簡諧振動的影響。適當設計的電路，盡量的減少由于量子比特周圍電介質的影響而引起的損耗，同時減少能量的輻射到其他電路環境，使得量子比特相干時間為100μs，這使得相干時間內成百上千操作成為可能。

4 目前主要的問題

目前實驗規模相對較小，只有少數量子比特相互作用，且所有的系統都會在糾纏情況下發生耗散，影響系統的相干性，要實現下一階段量子信息處理，需要通過糾錯增加相干時間，因為只有在保持量子記憶狀態的情況下，才能進行后來的算法計算，這要求建立新的系統，并且計算時通過利用連續測量和實時反饋進行量子糾錯進而保存量子信息。

使用當前的方法來糾錯，會大幅增加計算復雜性，一個比特信息往往需要幾十個甚至成千上萬的物理量子比特實現糾錯的功能，這個對于控制和設計哈密頓量是一個巨大的挑戰。此外，根據五個基本原理，在各個階段都需要其他的硬件增加，以求得能夠向下一個階段實現，但發展到一個階段并不是簡單的大規模生產相同類型的電路和量子比特的問題。

目前制造含有大量單元晶片在實際中并不困難，畢竟超導量子比特最大的優點是目前制作晶片的技術非常的成熟。盡管如此，設計構建和操作一個超導量子計算機對于半導體集成電路或超導電子學提出了實質性的挑戰，由于電路元件之間的相互作用可能會導致加熱或抵消，不同部件之間的相互干擾會引發問題，引發比特錯誤或電路故障。

還有我們必須知道怎么設計多量子比特和控制系統的哈密頓量，這個超出當前的能力，描述一個系統糾纏的哈密頓量時，需要測量的數據指數級增大，將來必須設計構建和操作超過幾十個自由度系統，這樣的話，量子計算的力量，經典情況下不能被模擬出來，這也許表明大型量子處理器應該由可以單獨測試和表征小模塊構成。

5 量子計算的未來設計

可能要花多長時間來實現超導電路完善，未來發展中，量子糾錯理論可能大大改良電路復雜度和性能限制，理論上是存在幾種不同的方法，但在實際中仍然相對不成熟。

首先是量子糾錯編碼模型，信息編碼寄存在糾纏物理量子比特中，假設發生錯誤，通過收集量子比特的信息，監測特定量子比特的集體屬性，然后在信息發生不可逆轉的損壞之前，通過特殊的門撤銷之前的錯誤。

另一種方法是表面代碼模型，大量相同的物理量子比特被連接在矩形網格中，通過特定的四個相鄰的量子比特之間的聯系，可以快速進行量子非破壞測量，防止整個網格發生錯誤。這個方法的吸引力在于只需要數量很少的不同類型的元素，一旦這個基本單元是成功的，后續的發展階段可能只是通過相對簡單的設計就能實現，而且容錯率較高，即使在當前的容錯水平也能達到百分之幾。

第三個方法是嵌套模塊模型，這里最基本的單元是邏輯記憶量子比特組成的寄存器，這個寄存器能夠在進行存儲量子信息的同時并進行量子糾錯，另外寄存器中存在一些額外的量子比特為可以與內存其他模塊通訊。通過量子比特的通信的糾纏，可以分發糾纏，最終在模塊間執行通用計算。在這里，操作之間的通信部分允許有相對較高的錯誤率。

其他方法可能包括量子科學那些與現有標準根本不同的一些方法，上面描述的方案都是基于“量子比特寄存器模型”，需要在構建較大的能夠容納很多二能級系統的希爾伯特空間，但在原子物理領域非計算態的利用已經超出二能級的水平，被用來作為一個三比特門超導電路的捷徑，在現有不引入新的錯誤的情況下，多能級非線性振蕩器的使用能夠取代多量子比特方程，這提供了一種新的設計思路。

6 結語

超導電路實現量子信息處理已經取得顯著進展，同時量子糾錯不在僅僅限制在理論上，復雜的量子系統真正進入一個未知的領域，但即使這個階段成功，未來依然會有很多的挑戰，經過不斷的探索，實用的量子信息處理未來可能成為現實。

篇（4）

量子概要

如果將磁場中的原子自旋視為一個量子，這個原子在同一時刻的狀態是自旋軸向上和自旋軸向下同時存在的總和，即自旋軸向上的同時也自旋軸向下（量子疊加）。雖然目前物理學還無法解釋其中的原因，但理論推導和實驗觀測都是如此。

在量子世界，不管兩個有共同來源的粒子距離多么遙遠，一個粒子的變化立即就能影響到另外一個粒子，是為量子相干。譬如兩電子發生正向碰撞，若其中一電子是向左自轉的，那么另外一電子必是向右自轉。一旦量子系統與外部環境發生相互作用，會導至量子相干性的衰減，即消相干或退相干（即薛定諤貓）。

任何對量子狀態的測量都會發生退相干。這是一個困擾物理學界的難題。法國物理學家阿羅什和美國物理學家維因蘭以其獨立發明的方法，在不退相干的情況下實現了對量子狀態的測量，從而獲得2012年諾貝爾物理獎。

量子計算

在磁場下，如果原子自旋軸向上為“0”，自旋軸向下為“1”，那么量子比特（qubit，昆比特）在同一時刻可代表2個狀態：“0”和“1”。一個量子比特有兩個狀態，N個量子比特就能存入2N個二進制數。維因蘭稱：“通常，有N個量子比特的計算機可以同時對2N個數值進行操作。300個量子比特所能存儲的數值就會比宇宙中的粒子總數還要多。”

假設磁場中的一串原子，各自有初始的自旋狀態；一束激光照射過來，激光束會改變一些原子的旋轉狀態。如果能測量激光束進入前后的差異，就能完成量子“計算”。阿羅什和維因蘭的成就在于攻克退相干難題，使量子測量得以實現。其成就的意義正如瑞典皇家科學院所說，“他們的突破性方法向著建造基于量子物理的新型超快計算機邁出了關鍵一步”。

量子計算機

篇（5）

2量子點和雙邊腔的相互作用

3光子偏振態的糾纏濃縮

下面介紹偏振態糾纏濃縮的原理.假設兩個距離很遠的光子處于較低的糾纏態:可以看到,根據兩個量子點自旋態和輔助光子偏振態的測量結果,可以通過相應的單光子操作使光子A和B處于最大糾纏態(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2.現在,測量兩個量子點的自旋態和輔助光子的偏振態,如果得到|R⟩1|⟩s1|⟩s2,|R⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩1|⟩s1|⟩s2,|L⟩2|⟩s1|⟩s2,|L⟩2|⟩s1|⟩s2,|R⟩2|⟩s1|⟩s2,或者|R⟩2|⟩s1|⟩s2,則光子A和B都處于(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2,即最大糾纏態.如果得到其他測量結果,則光子A和B都處于(|R⟩A|R⟩B−|L⟩A|L⟩B)/√2,這也是最大糾纏態,并且可以通過簡單的單光子操作變成(|R⟩A|R⟩B+|L⟩A|L⟩B)/√2.所以在理想情況下,得到最大偏振糾纏態的概率為P=4|γ|2|α+β|2/8+4|δ|2|α+β|2/8+4|γ|2|α−β|2/8+4|δ|2|α−β|2/8=1,本文的方案是確定性的.通道噪聲并不會影響方案的成功概率,但是影響在通道1或者通道2測量得到輔助光子的概率。

4討論

以上成功概率是在理想條件下計算的,沒有考慮量子點-腔系統的耦合強度以及腔的泄漏對方案的影響.如果將耦合強度和腔泄漏率考慮進來,則需要計算系統量子態的保真度F=|⟨Ψf|Ψ⟩|2.這里,|Ψf⟩是包含外部環境影響時系統的最終態,而|Ψ⟩是理想條件下的最終態.本文以|R⟩1|⟩s1|⟩s2的測量結果為例,來說明不同的因素對糾纏濃縮的保真度的影響.

篇（6）

只是模擬設備

在“D-波”中是用一個個超導線路來模擬量子或原子自旋，系統必須冷卻到接近絕對零度。自旋有“上”自旋、“下”自旋和“上下疊加”自旋。在“D-波”線路中，用電流方向來模擬自旋。

“D-波”是否真的在用量子效應運行？蘇黎世聯邦理工大學理論物理學院教授馬提亞?特羅亞和南加州大學洛杉磯分校的同事一起，對那里的量子系統進行了測試。經過測試，研究小組得出的結論是不能一概而論：一方面，他們證明了“D-波”確實是利用量子效應運行的；而另一方面，研究人員也說：“‘D-波’只是一個模擬設備，一臺用于解決最優化問題的樣機。對它更準確的描述是，一臺可編程的量子模擬實驗機。”特羅亞說：“毫無疑問‘D-波’不是一臺通用量子計算機。”

量子效應持續極短

為了對“D-波”進行測試，研究人員寫了數千個復雜性不等的問題，把每個問題在3個系統上各運行了一千次。一個系統是“D-波”，另兩個是在傳統計算機上進行的最優化問題模擬程序：一個考慮量子效應，另一個不考慮。對于每個任務，研究人員記錄下各系統給出正確答案的頻率。結果“D-波”的表現和考慮了量子效應的模擬程序相同，而有別于沒考慮量子效應的模擬程序。

面對這樣的結果，研究人員也感到吃驚，因為“D-波”的量子相干持續時間極為短暫，只有幾十億分之一秒，而通常要解決一個最優化問題需要的時間是這一時間的500倍。大部分專家認為，“D-波”的量子效應簡直不能發揮任何作用。不過特羅亞解釋說，“讓量子效應在所有時間都保持相干也是沒有必要的”。

速度不比傳統計算機快

篇（7）

我們所看到的宏觀世界，來自于億萬個粒子的相互作用，但深入到微觀世界，粒子所呈現的更多是量子特性。遺憾的是，我們一直以來只能從理論上預測粒子的量子行為，從它們的外在表現來驗證理論的正確性，從來沒有真實的看到單個粒子的狀態。量子力學的奠基人之一薛定諤曾解釋道，根據量子原理，箱子打開前，箱中之貓“既死又活”，必須打開箱子看一眼貓是死是活才能確定。

那么這兩位“魔術師”是怎樣抓住“薛定諤的貓”呢？我們可以把阿羅什的實驗簡單化來理解。如果你按照日常的方法去“看”一個光子，這意味著你的眼睛或者相機或者光感受器會把光子吸收掉，這個光子就沒了，被摧毀了。

所以，為了“看見”光，我們必須使用非破壞性的測試。一種測試方法是設一個真空、零下272攝氏度的盒子，盒子內壁鋪滿超級反光的鏡子——反光度好到能讓一個光子來回反彈高達十億次之久才會被吸收，在這段時間里，它旅行的距離等同于繞地球一圈。

篇（8）

但巨高性能計算機仍是信息時代的高科技標志物件之一。2012年諾貝爾物理學獎發給了法國人塞爾日·阿羅什和美國人大衛·維恩蘭德，這兩位科學家的研究成果為新一代超級量子計算機的誕生提供了可能性。

惡搞一下：法國人浪漫，而簡稱美國人為美人，那么，浪漫人美人=？

文藝范兒的信息

不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達了。其實，“信息”最初是相當文藝范兒的，而不是20世紀中期才開始熱門起來的科技詞匯。

一般認為，中文的“信息”一詞出自南唐詩人李中《暮春懷故人》：“夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺。”—— “美眉音信消息全無啊，夢里也夢不到你，我獨自上樓倚欄，望眼欲穿望到長路盡頭也不見你。”這么拙劣地意譯，也讓人感覺到深深的思念。

其實，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩人杜牧《寄遠》里就有“信息”了：“塞外音書無信息，道旁車馬起塵埃。”還有比小杜更早的，唐朝詩人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來無信息，可謂井瓶沉。”

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過“信息”這個詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當年安樂的故鄉，心理上把信息的價格定成了真正的天價：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉關新信息。”——千年前的唐宋中國，其高科技雖是世界第一，但信息技術還是跟現在沒法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。

在地球的西方呢？雖然香農1948年就劃時代地把信息引為數學研究的對象，賦予其新的科學的涵義；至1956年，“人工智能”術語也出現了。可最早討論數據、信息、知識與智慧之間關系的，卻是得過諾貝爾文學獎的大詩人艾略特（T. S. Eliot；錢鐘書故意譯為“愛利惡德”）。他在1934年的詩歌“The Rock”中寫道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我們迷失于生活中的生命在哪里？

我們迷失于知識中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識在哪里？

我們迷失于數據中的信息在哪里？

盡管第四句是好事者后加的，但詩人還是直指本質地提出了信息暴炸時代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數據中？

量子計算機和量子信息技術，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒在數據的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計算機

量子理論是現代物理學的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎。客觀世界有物質、能量兩種存在形式，物質和能量可以互相轉換（見愛因斯坦的質能方程），量子理論就是從研究極度微觀領域物質的能量入手而建立起來的。

我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現象和規則。經典物理學理論中的能量是連續變化的，可取任意值，但科學家們發現微觀世界中的很多物理現象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時提出：像原子是一切物質的構成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發射能量是一份一份地進行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質波”概念，即一切物質粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學，薛定諤建立了量子波動力學，量子理論進入了量子力學階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學和波動力學之間的數學轉換，對量子力學理論進行了系統的總結，成功地將相對論和量子力學兩大理論體系結合起來，使量子理論進入量子場論階段。

“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數量的某事物”。現代物理學中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的基本單位叫做量子；或者說，一個物理量如果有不可連續分割的最小的基本單位，則這個物理量（所有的有形性質）是“可量子化的”，或者說其物理量的數值會是特定的數值而非任意值。例如，在（休息狀態）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩定和一般問題。

雖然量子理論與我們日常經驗感覺的世界大不一樣，但量子力學已經在真實世界應用。激光器工作的原理，實際上就是激發一個特定量子散發能量。現代社會要處理大量數據和信息，需要計算的機器（計算機）。量子力學的突破，使瓦格納等于1930年發現半導體同時有導體和絕緣體的性質，后來才有了用于電子計算機的同時作為電子信號放大器和轉換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個尖端芯片可集聚數十億個微處理器。

隨著計算機科技的發展，發現能耗導致發熱而影響芯片集成度，限制了計算速度；能耗源于計算過程中的不可逆操作，但計算機都可找到對應的可逆計算機且不影響運算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學中則可用一個幺正變換來表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學的計算設備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學的信息處理”。1980年代量子計算機的理論變得很熱鬧。費曼發現模擬量子現象時，數據量大至無法用電子計算機計算，在1982年提出用量子系統實現通用計算以減少運算時間；杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。1994年，數學家彼得·秀爾提出量子質因子分解算法，因其可破解現行銀行和網絡應用中的加密，許多人開始研究實際的量子計算機。

在物理上，傳統的電子計算機可以被描述為對輸入信號串行按一定算法進行變換的機器，其算法由機器內部半導體集成邏輯電路來實現，其輸入態和輸出態都是傳統信號（輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態），存儲數據的每個單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個。而量子計算機靠控制原子或小分子的狀態，用量子算法運算數據，輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因為量子態有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個本質特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個“0”或兩個“1”，即可同時存儲4個二進制數（00、01、10、11），實現量子并行計算（量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種傳統計算，所有傳統計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計算機的輸出結果），從而呈指數級地提高了運算能力——一臺未來的量子計算機3分鐘就能搞定當今世界上所有電子計算機合起來100萬年才能處理完的數據。用量子力學語言說，傳統計算機是沒有用到量子力學中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計算機。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構成）的存儲器，可能存儲2的250次方個二進制數，比人類已知宇宙中的全部原子數還多。而且，集成芯片制造業很快將步入16納米的工藝，而量子效應將嚴重影響芯片的設計和生產，又因傳統技術的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計算。

量子世界的死貓活貓與粒子控制

喜好科技的文藝青年可能看過美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關控制，電子開關由一個獨立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動開關，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構想的這個實驗，被引為解釋量子世界的經典。而量子理論認為，單個原子的狀態其實不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現為一種概率；對應到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠也不知道貓的死活，它永遠處于非死非活的疊加態。

宏觀態的確定性，其實是億萬微觀粒子、無數種概率的宏觀統計結果。微觀粒子通常表現為兩種截然不同的狀態糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態，只要稍一揭開箱蓋，疊加態立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態變成宏觀的確定態。用實驗研究量子，首先要捕獲單個的量子。即若不分離出單個粒子，則粒子神秘的量子性質便會消失。科學家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態，又能實際觀測它的實驗方法，他們只能在頭腦中進行思想實驗，而無法實際驗證其預言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發明了在保持個體粒子的量子力學屬性的情況下對其進行觀測和操控的方法，則可實證地說出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級量子計算機帶來了更大可能，因為量子計算機中最基礎的部分——得到1個量子比特已獲成功。

光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見光或其他電磁波，原子構成物質。他們研究光與物質間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來捕捉、控制以及測量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對零度（約-273℃）。一個光子進入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過發射原子穿過阱，控制并測量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營造出一個電場囚籠，粒子像是被裝進碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測工具，從而得到光子的數據。維因蘭德向碗中發射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數據。

2007年以來，加拿大、美國、德國和中國的科學家都說自己研制出了某種級別的量子計算機，但到今天卻仍無一個投入實用。光鐘更接近現實，因為可操控單個量子，就能按意愿調控量子的振蕩（相當于鐘擺）頻率，越高越精；目前實驗的光鐘，若從宇宙產生起開始計時，至今只誤差5秒。光鐘可使衛星定位和計算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術

科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀公園》、《失去的世界》等）在科幻小說《時間線》中，曾文藝化地描述量子計算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲洞”、“量子運輸”、“量子糾纏態”、“電子的32個量子態”等讓常人倍感高深的說法。其中一些如今正在證實或變現。

如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時就很可能是另外一種結局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統大都采用單項數學函數的方式，應用了因數分解等數學原理，例如目前網絡上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計算的并行性，能輕松破解以大數因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現有密碼體系。可說量子這種技術在現代軍事上的意義不亞于核彈。但同時，量子信息技術也將發展出一種理論上永遠無法破譯的密碼——量子密碼。

篇（9）

人類正被數據淹沒，卻饑渴于知識。面臨浩瀚無際而被污染的數據，人們呼喚從數據中來一個去粗取精、去偽存真的技術。而數據挖掘就是從大量數據中識別出有效的、新穎的、潛在有用的，以及最終可理解的知識和模式的高級操作過程，所以數據挖掘也可以說是一個模式識別的過程，因此模式識別領域的許多技術經過一定的改進便可以在數據挖掘中起重要的作用。計算智能(Computational Intelligence-CI)方法是傳統人工智能(Artificial Intelligence，AI)的擴展，它是模式識別技術發展的新階段[1]。

科學家預言：“21世紀，人類將從經典信息時代跨越到量子信息時代”。創立了一個世紀的量子力學隨著20世紀90年代與信息科學交叉融合誕生的量子信息學，已成為量子信息時代來臨的重要標志[2]。量子計算智能導論作為信息科學、計算機科學、智能信息處理、人工智能等相關專業的研究生專業課程，已經在越來越多的高等學校開設。

由于量子計算智能是一門跨越包括物理學、數學、計算機科學、電子機械、通訊、生理學、進化理論和心理學等學科在內的深奧科學，因此量子計算智能導論的教學內容和側重點的安排目前仍處在探索階段，尤其作為研究生課程如何使得學生在掌握深奧理論的基礎上結合實際應用，將理論轉化為技術與工具，從而提高動手能力，這是每個研究生專業課任課老師的核心探索所在，因此就要求老師在授業解惑的同時關注前沿，以該學科的前沿領域為教學指引，進而更好的培養研究生主動探索知識的能力。

1教材選擇

一本好的教材為教學起到了畫龍點睛的作用，因此教材的選擇即是老師對教學內容，教學目標和教學方法的選擇。我們選擇教材，期望該教材由淺入深、深入淺出、可讀性好，具有系統性、交叉性、前沿性等特點。由于量子計算智能導論為全校研究生的專業課程，而量子計算智能是一門多學科交叉的綜合型學科，因此我們要考慮到來自學校不同專業背景，以及在物理，數學，工程優化和進化理論基礎有限的兩難困境，所以首先選擇了一本關于量子計算的英文原版書作為教材之一，Michael Nielsen等人所著的《Quantum Computation and Quantum Information》[3]，2003年高等教育出版社出版，該書全面介紹了量子計算與量子信息學領域的主要思想與技術。到目前為止，該領域的高速進展與學科交叉的特性使得初學者感到困惑而不易對其主要技術與結論有綜合性的認識，而該書特色在于對量子機制和計算機科學給予了指導性介紹，使得那些沒有物理學或計算機科學背景的學生對此也易于接受，為學生提供了詳實的關于量子計算的物理原理和基本概念；另外考慮到這門課程面向研究生，無論將來他們是直接就業還是繼續深造，都要注重實踐動手能力的培養，要能夠將自己所學的書本知識轉化為技術和工具，去解決實際的工程和科研問題，因此我們還選擇了另外一門書，由李士勇教授所著的《量子計算與量子優化算法》[4]，哈爾濱工業大學出版社于2009年出版，該書著重講解了量子優化算法，為實際工程應用提供了新的思路，并啟發大家在量子計算機沒有走出實驗室的今天，如何利用現有的數字式計算機構造具有量子特性的快速算法。當然考慮到全校研究生的專業知識背景不同，我們也推薦了中南大學蔡自興教授等編著，2004年由清華大學出版社出版的《人工智能及其應用：研究生用書(第三版)》[5]，該書是蔡自興為主講教授的國家精品課程人工智能的配套教材，該本書中系統全面的講解了高級知識推理、分布式人工智能與艾真體、計算智能、進化計算、群智能優化、自然計算、免疫計算以及知識發現和數據挖掘等近年的熱點智能方法，從而輔助學生了解人工智能，以及人工智能如何發展到計算智能，使得學生全面認識學科的發展和傳承性，為今后學習量子計算智能打下堅實的理論基礎。

2教學內容

本課程從量子計算的基本概念和原理出發，重點講解量子計算基礎和基本的量子算法；并從量子優化算法拓展開來。該門課程我們安排了46學時，具體安排如下：第1章，量子力學基礎(2學時)；第2章，量子計算基礎(4學時)；第3章，基本量子算法(4學時)；第4章，Grover量子搜索算法的改進(4學時)；第5章，量子遺傳算法(8學時)；第6章，量子群智能優化算法(8學時)；第7章，量子神經網絡模型與算法(8學時)；第8章，量子遺傳算法在模糊神經控制中的應用(8學時)。

3教學方法

3.1理論與實踐相結合的教學方法

量子計算智能導論是一門多學科交叉的綜合型學科。選課的同學來自全校，各個的專業背景不同，但是大家的共同需求是一樣的，就是從課程中掌握一種用于解決實際問題的工程技術，但是工程技術的掌握也需要理論的支撐，因此我們在教學實踐中總結出了一套方法，具體做法是將教學內容劃分為：理論型和實踐型。

理論型教學指的是發展完善的量子計算基本原理和方法。其內容包括：量子位、量子線路、量子Fourier 變換、量子搜索算法和量子計算機的物理實現等。而其中量子位、量子線路以及量子算法都是以量子相對論為基礎的，這也是量子計算的本質原理，而較之我們熟悉的數字式計算機和計算方式有著本質的區別。我們在教學中由淺入深，通過PPT授課，采取理論與實例相結合的講授方式。下面給出了一個我們在教學中的實例：將量子計算問題形象化。具體內容如下。

讓我們想象一下下面這個問題。我們要找一條穿過復雜迷宮的路。每次我們沿著一條路走，很快就會碰到新的岔路。即使知道出去的路，還是容易迷路。換句話說，有一個著名的走迷宮算法就是右手法則――順著右手邊的墻走，直到出去(包括繞過絕路)。這條路也許并不很短，但是至少您不會反復走相同的過道。以計算機術語表述，這條規則也可以稱作遞歸樹下行。現在讓我們想象另外一種解決方案。站在迷宮入口，釋放足夠數量的著色氣體，以同時充滿迷宮的每條過道。讓一位合作者站在出口處。當她看到一縷著色氣體出來時，就向那些氣體粒子詢問它們走過的路徑。她詢問的第一個粒子走過的路徑最有可能是穿過迷宮的所有可能路徑中最短的一條。當然，氣體顆粒絕不會給我們講述它們的旅行。但是量子算法以一種同我們的方案非常類似的方式運作。即，量子算法先把整個問題空間填滿，然后只需費心去問問正確的解決方案(把所有的絕路排除在答案空間以外)。這樣以來，一個枯燥晦澀的量子算法就被很形象的解釋，因此增強了學生的記憶也加深了理解，從而提高了學生的學習興趣。

實踐型教學指的是正在發展中的量子計算智能方法的熱點問題。其內容包括：量子遺傳算法，混沌量子免疫算法，量子蟻群算法，量子粒子群算法，量子神經網絡模型與算法，和這些算法在實際工程優化中的應用。這部分內容屬于本學科的前沿，但也是熱點問題，因此這部分我們在教學中忽略理論推導，重點強調實際操作，在PPT課件中增加仿真實例的講解；并在課下布置相應的上機操作習題，配合上機實踐課程，鍛煉學生的動手能力，同時也引導學生去關注這些前沿，從而培養他們的科研素養。

為了體現該門課的教學特點，我們在考核方式上，采取考試與報告相結合的方式，其中理論部分我們采取閉卷考試，占總考評分數的40%；實踐部分采取上機技術報告考核，內容為上機實踐課程布置的大作業，給出詳實的算法流程圖和仿真結果與分析，占總考評分數的40%；出勤率占總考評分數的20%。

3.2科研素養的培養與實踐能力的提高

科研素養的最核心部分，就是一個人對待科研情感態度和價值觀，科研素養的培養不僅使學生獲得知識和技能，更重要的是使其獲得科學思想、科學精神和科學方法的熏陶和培養。正如溫總理說的那樣：“教是為了不教，學是為了會學”，當學生將課本內容遺忘后，遺留下來的東西即是他們所具備的科研素養。因此，在教學中，我們的宗旨也是提高學生的科研素養，量子計算智能導論是一門理論和實踐緊密結合的學科，該學科的發展日新月異，在信息處理領域的關注度也越來越高。在教學實踐中，我們采用了上機實踐和技術報告相結合的教學方式。掌握各種量子計算智能方法的原理和流程是這門課程教學的首要任務，因此學生結合各自研究方向實現量子智能算法在實際科研任務中的優化問題求解。在上機實踐中，學生不僅要掌握該智能算法的流程而且重點關注學生對

自己科研任務的建模，學會系統分析問題，建立合理的數學模型，并給出理論分析。上機實踐驗收中，我們不但考察其結果展示，更增加了上機實踐的技術報告，用來分析模型建立的合理性，從而培養學生對待科研問題的分析素養和建模素養。在技術報告中，我們要求學生給出幾種可供參考的建模模型，并分析各自的優勢，和選擇這一解決方案的依據。由于量子計算智能導論是面向研究生開設的課程，在教學中，我們更佳關注其分析問題的能力，和解決問題的合理性的思考能力，從而培養學生的科研素養。

4結語

把教學當做一門藝術，是我們作為高校老師畢生追求的目標，如何做到重點講透，難點講通，要點講清，這也是我們多年教學中一直關注的關鍵點。我們在教學中反對“灌輸式”，強調“啟發式”，以實際應用先導教學是非常可取的，也收到了良好的效果。量子計算智能導論是一門綜合型交叉學科，且面向研究生開設，因此在教學實踐中，我們十分重視學生科研素養的培養。通過上機實踐和技術報告的形式引導學生積極動手，積極思考。希望這些教學中的點滴供同行們交流探討。

參考文獻：

[1] 焦李成,劉芳,緱水平,等. 智能數據挖掘與知識發現[M]. 西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[2] 田新華. 跟蹤國際學術前沿迎接量子信息時代:《量子計算與量子優化算法》評介[J]. 科技導報,2010,28(6):122.

[3]Michael A. Nielsen ,Isaac L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information [M]. 北京:高等教育出版社,2003.

[4] 李士勇,李盼池. 量子計算與量子優化算法[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2009.

[5] 蔡自興,徐光v. 人工智能及其應用:研究生用書[M]. 3版. 北京:清華大學出版社,2004.

Exploration on Introduction to Quantum Computational Intelligence

LI Yangyang, SHANG Ronghua, JIAO Licheng

篇（10）

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。可以預言，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

[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

[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

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

篇（11）

目前電子商務日益普及,電子貨幣、電子支票、信用卡等綜合網絡支付手段已經得到普遍使用。在網絡支付中,隱私信息需要防止被竊取或盜用。同時,訂貨和付款等信息被競爭對手獲悉或篡改還可能喪失商機等。因此在網絡支付中信息均有加密要求。

一、量子計算

隨著計算機的飛速發展，破譯數學密碼的難度也在降低。若能對任意極大整數快速做質數分解，就可破解目前普遍采用的RSA密碼系統。但是以傳統已知最快的方法對整數做質數分解，其復雜度是此整數位數的指數函數。正是如此巨額的計算復雜度保障了密碼系統的安全。

不過隨著量子計算機的出現,計算達到超高速水平。其潛在計算速度遠遠高于傳統的電子計算機，如一臺具有5000個左右量子位(qubit)的量子計算機可以在30秒內解決傳統超級計算機需要100億年才能解決的問題。量子位可代表了一個0或1,也可代表二者的結合,或是0和1之間的一種狀態。根據量子力學的基本原理,一個量子可同時有兩種狀態,即一個量子可同時表示0和1。因此采用L個量子可一次同時對2L個數據進行處理,從而一步完成海量計算。

這種對計算問題的描述方法大大降低了計算復雜性，因此建立在這種能力上的量子計算機的運算能力是傳統計算機所無法相比的。例如一臺只有幾千量子比特的相對較小量子計算機就能破譯現存用來保證網上銀行和信用卡交易信息安全的所有公用密鑰密碼系統。因此，量子計算機會對現在的密碼系統造成極大威脅。不過，量子力學同時也提供了一個檢測信息交換是否安全的辦法，即量子密碼技術。

二、量子密碼技術的原理

從數學上講只要掌握了恰當的方法任何密碼都可破譯。此外，由于密碼在被竊聽、破解時不會留下任何痕跡，用戶無法察覺，就會繼續使用同地址、密碼來存儲傳輸重要信息，從而造成更大損失。然而量子理論將會完全改變這一切。

自上世紀90年代以來科學家開始了量子密碼的研究。因為采用量子密碼技術加密的數據不可破譯，一旦有人非法獲取這些信息,使用者就會立即知道并采取措施。無論多么聰明的竊聽者在破譯密碼時都會留下痕跡。更驚嘆的是量子密碼甚至能在被竊聽的同時自動改變。毫無疑問這是一種真正安全、不可竊聽破譯的密碼。

以往密碼學的理論基礎是數學，而量子密碼學的理論基礎是量子力學，利用物理學原理來保護信息。其原理是“海森堡測不準原理”中所包含的一個特性，即當有人對量子系統進行偷窺時，同時也會破壞這個系統。在量子物理學中有一個“海森堡測不準原理”,如果人們開始準確了解到基本粒子動量的變化，那么也就開始喪失對該粒子位置變化的認識。所以如果使用光去觀察基本粒子,照亮粒子的光(即便僅一個光子)的行為都會使之改變路線,從而無法發現該粒子的實際位置。從這個原理也可知，對光子來講只有對光子實施干擾才能“看見”光子。因此對輸運光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關系,通訊會被中斷,這實際上就是一種不同于傳統需要加密解密的加密技術。在傳統加密交換中兩個通訊對象必須事先擁有共同信息——密鑰，包含需要加密、解密的算法數據信息。而先于信息傳輸的密鑰交換正是傳統加密協議的弱點。另外,還有“單量子不可復制定理”。它是上述原理的推論,指在不知道量子狀態的情況下復制單個量子是不可能的,因為要復制單個量子就必須先做測量,而測量必然會改變量子狀態。根據這兩個原理,即使量子密碼不幸被電腦黑客獲取,也會因測量過程中對量子狀態的改變使得黑客只能得到一些毫無意義的數據。

量子密碼就是利用量子狀態作為信息加密、解密的密鑰，其原理就是被愛因斯坦稱為“神秘遠距離活動”的量子糾纏。它是一種量子力學現象，指不論兩個粒子間距離有多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子。因此當使用一個特殊晶體將一個光子割裂成一對糾纏的光子后，即使相距遙遠它們也是相互聯結的。只要測量出其中一個被糾纏光子的屬性，就容易推斷出其他光子的屬性。而且由這些光子產生的密碼只有通過特定發送器、吸收器才能閱讀。同時由于這些光子間的“神秘遠距離活動”獨一無二，只要有人要非法破譯這些密碼，就會不可避免地擾亂光子的性質。而且異動的光子會像警鈴一樣顯示出入侵者的蹤跡，再高明的黑客對這種加密技術也將一籌莫展。

三、量子密碼技術在網絡支付中的發展與應用

由于量子密碼技術具有極好的市場前景和科學價值，故成為近年來國際學術界的一個前沿研究熱點，歐洲、北美和日本都進行了大量的研究。在一些前沿領域量子密碼技術非常被看好，許多針對性的應用實驗正在進行。例如美國的BBN多種技術公司正在試驗將量子密碼引進因特網，并抓緊研究名為“開關”的設施，使用戶可在因特網的大量加密量子流中接收屬于自己的密碼信息。應用在電子商務中，這種設施就可以確保在進行網絡支付時用戶密碼等各重要信息的安全。

2007年3月國際上首個量子密碼通信網絡由我國科學家郭光燦在北京測試運行成功。這是迄今為止國際公開報道的惟一無中轉、可同時任意互通的量子密碼通信網絡，標志著量子保密通信技術從點對點方式向網絡化邁出了關鍵一步。2007年4月日本的研究小組利用商業光纖線路成功完成了量子密碼傳輸的驗證實驗，據悉此研究小組還計劃在2010年將這種量子密碼傳輸技術投入使用，為金融機構和政府機關提供服務。

隨著量子密碼技術的發展，在不久的將來它將在網絡支付的信息保護方面得到廣泛應用，例如獲取安全密鑰、對數據加密、信息隱藏、信息身份認證等。相信未來量子密碼技術將在確保電子支付安全中發揮至關重要的作用。

參考文獻:

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