量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系精選(九篇)

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第1篇：量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞 量子力學(xué) 量子教育學(xué) 主觀性

中圖分類號：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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

1量子力學(xué)的緣起

1900年，量子假說出現(xiàn)在眾人的認(rèn)知里，現(xiàn)在的量子力學(xué)仍在不斷完善，為后期的科學(xué)發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)，可以說量子力學(xué)是量子理論的中心，它促進(jìn)了原子能等一些先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，為社會的重大發(fā)明打下基礎(chǔ)，使人們更加清晰地認(rèn)識到微觀世界，并利用微觀運(yùn)動來更好地服務(wù)社會，是人類的重要發(fā)現(xiàn)，也是社會的偉大進(jìn)步。

2量子力學(xué)的宇宙觀

在宇宙世界中，對量子理論有較多的探討，從已經(jīng)存在的氫原子中，找到了量子級別的狀態(tài)。對于電子而言，比原子更為復(fù)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(huán)繞原子核產(chǎn)生駐波而求得。此外，量子態(tài)與別的駐波不一樣，都有自己特定的頻率，并與所蘊(yùn)含的能量有關(guān)，每種量子狀態(tài)都有所表征的能量。這就是說，預(yù)期任何一個(gè)態(tài)的能量都是一個(gè)具體量子所確定的，并不是模棱兩可的，只要是有理論依據(jù)，就可以科學(xué)地估測態(tài)的能量多少。由于質(zhì)子與電子之間存在著相互吸引的力，要想移動一個(gè)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(fā)展中，當(dāng)兩種思想發(fā)生交集時(shí)，就會形成一個(gè)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(chǎn)生彼此彌合的交集，才會讓思想發(fā)展得如此迅速，才會讓社會發(fā)展如此的快。量子思維方式給人類一個(gè)重要的啟示，要求以人為中心，以人為主體。隨著時(shí)代的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，信息技術(shù)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(zhì)，這是由于物質(zhì)性比較弱。其實(shí)，量子物理學(xué)所產(chǎn)生相關(guān)的科學(xué)智慧，是人類社會發(fā)展的重要因素，也是文明進(jìn)步的重要保障，可以說，量子物理學(xué)是計(jì)算機(jī)重要的組成部分，所形成的計(jì)算機(jī)芯片是重要的思維體現(xiàn)，量子物理學(xué)不僅是科學(xué)進(jìn)步的前提，更是信息發(fā)展的重要保障，量子思維更是現(xiàn)代社會發(fā)展的必要方式。

4“量子教育學(xué)”的唯心主義

從產(chǎn)生量子力學(xué)后，“量子教育學(xué)”也隨之不斷發(fā)展，雖然也涉及到一些教育學(xué)方面的觀點(diǎn)，但這些觀點(diǎn)都是被眾人早就接受了。如：學(xué)習(xí)是一個(gè)整體的過程，在這個(gè)過程中各知識點(diǎn)是相互聯(lián)系、彼此交錯(cuò)的，以及還談到了關(guān)鍵詞：服務(wù)、個(gè)性化、互補(bǔ)等，但是，這些所謂的觀點(diǎn)及結(jié)論不是原汁原味的，也不是從量子力學(xué)中演變而來，而是與它的原理相悖，從本質(zhì)上講，“量子教育學(xué)”就是一種唯心主義的表現(xiàn)。

貝克萊比較重視經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為所學(xué)的知識來源于經(jīng)驗(yàn)，但是他卻犯了一個(gè)致命的錯(cuò)誤，認(rèn)為感覺是世界真正存在的東西，其他的都是看不見的。他認(rèn)為，知識是一切力量之源，但感覺是我們?nèi)ヌ剿魑粗澜纾非笾粮哒胬淼奈ㄒ皇侄危挥心芨杏X到，才能被發(fā)現(xiàn)。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(xué)詮釋的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，只要消除了事物與觀念的差異，認(rèn)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(xué)”的曲解

正所周知，量子力學(xué)不可能槲ㄐ鬧饕搴筒豢芍論創(chuàng)造理論基礎(chǔ)，而“量子教育學(xué)”卻是唯心主義的重要思想來源，這是“量子教育學(xué)”對量子力學(xué)核心思維的歪曲，或者說對量子力學(xué)沒有正確的認(rèn)識，造成思想上出現(xiàn)截然不同的主張，另外，“量子教育學(xué)”過分強(qiáng)調(diào)感覺和經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致偏向于不可知論，與量子力學(xué)的思想相悖而馳。

“量子教育學(xué)”對量子力學(xué)概念和方法認(rèn)識的偏差表現(xiàn)有。為了進(jìn)一步認(rèn)識光的本質(zhì)特性，提出了波粒二象性的觀念。此后，玻爾提出了“氣補(bǔ)原理”，再一次詮釋了波粒二象性的本質(zhì)?！皽y不準(zhǔn)”原理而是在某一個(gè)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(yīng)用某一個(gè)方面，只有同時(shí)應(yīng)用時(shí)才能為物理現(xiàn)象提高全面的解釋。玻爾認(rèn)為，波粒二象性在整個(gè)量子力學(xué)中的地位較高，它是一種可以很好地描述一種物理現(xiàn)象的原理，也可以說是解釋因果關(guān)系的一種原理，它可以相互促進(jìn)、相互排斥，這種互斥的關(guān)系不可或缺，這種互補(bǔ)關(guān)系后來被廣大學(xué)者所接受。

6結(jié)語

近年來，量子力學(xué)逐漸被廣大研究者重視起來，探討量子力學(xué)的基本原理以及與量子教育學(xué)的重要關(guān)系，在量子理論的發(fā)展過程中，這已經(jīng)留下了較多的論爭?？梢钥隙ǖ氖橇孔恿W(xué)對于科學(xué)的進(jìn)步貢獻(xiàn)了一份力量，把微觀世界與宏觀世界聯(lián)系起來，而量子教育學(xué)并不是量子力學(xué)的正確認(rèn)識，就本身的發(fā)展情況來看，量子教育學(xué)認(rèn)同了后現(xiàn)代主義，成為了唯心主義的重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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第2篇：量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

量子力學(xué)的成功和困惑

用宏觀物理學(xué)的方法研究原子的性質(zhì)及其相互作用時(shí)，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(yīng)。操控單個(gè)微觀粒子，研究單個(gè)粒子的行為和性質(zhì)以及少數(shù)粒子的相互作用，一直是就是物理學(xué)家夢寐以求的事。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，控制單個(gè)微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發(fā)明和在這以后激光技術(shù)的發(fā)展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時(shí)間并使激光束聚焦到一個(gè)原子大小的范圍。從這以后，實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法有了極大的發(fā)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(yùn)動速度減到非常小，直至幾乎停止。還實(shí)現(xiàn)了利用特殊的電磁場來陷俘單個(gè)原子或離子。物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展使研究單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)粒子的性質(zhì)、深入研究光子和物質(zhì)粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應(yīng)用的廣闊前景，還為證實(shí)和發(fā)展量子物理學(xué)的基本原理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

量子力學(xué)已有100多年歷史，量子力學(xué)理論取得了輝煌的成功。現(xiàn)代的高科技產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)芯片、激光、醫(yī)用磁共振等等無不是在量子力學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。量子力學(xué)被認(rèn)為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學(xué)的基本原理始終存在著疑問，那些創(chuàng)立量子力學(xué)的物理大師們自己都不滿意量子力學(xué)的基本假設(shè)。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關(guān)于量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)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(jié)論。

量子力學(xué)描寫微觀世界的規(guī)律，但人類的直接經(jīng)驗(yàn)都是關(guān)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(jīng)典物理學(xué)中，觀察不影響被觀察對象的運(yùn)動狀態(tài)，例如，我們能夠觀察一個(gè)行星的運(yùn)動，追隨它的運(yùn)動軌跡，行星的狀態(tài)變化與觀察者無關(guān)，不受我們觀察的影響?？墒?，對微觀世界的觀察就完全不是這樣，當(dāng)我們研究一個(gè)量子體系時(shí)，經(jīng)過測量后的量子體系原來的狀態(tài)總是被破壞了。例如，光子進(jìn)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(tài)就改變了。宏觀儀器對量子系統(tǒng)測量的結(jié)果，都必須轉(zhuǎn)換為經(jīng)典物理學(xué)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(zhì)是難以做到的事情，所以，量子力學(xué)所預(yù)言的量子世界的奇特性質(zhì)一直令物理學(xué)家和公眾感到神秘難解。

2012年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者和他們的同事們的工作，突破了經(jīng)典物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和人類直接經(jīng)驗(yàn)的限制，他們直接觀察到了個(gè)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(gè)光子，用原子進(jìn)行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個(gè)量子粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，研究量子力學(xué)的基本原理。這些研究不僅對量子理論的基本原理的進(jìn)一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應(yīng)用前景。

阿羅什：把光子囚禁起來

阿羅什畢業(yè)于法國高等師范學(xué)校。1971年他在巴黎第六大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。從20世紀(jì)60年代開始阿羅什就在法國高等師范學(xué)校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實(shí)驗(yàn)室是以獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(xué)，在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者肖洛的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室特有的學(xué)術(shù)環(huán)境和物質(zhì)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(xué)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(zhǔn)備新課的過程中他注意到了光和物質(zhì)相互作用的不同方面。阿羅什認(rèn)為，國際交流學(xué)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(xué)文化以補(bǔ)充他們自身的不足。他覺得幸運(yùn)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(qiáng)地提出可能的應(yīng)用前景作為依據(jù)。

阿羅什小組的主要成就是發(fā)展了非破壞性的方法檢測單個(gè)光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉(zhuǎn)換為電流（光電探測器）或轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量（照相底片）（動物的眼睛是將光子轉(zhuǎn)化為神經(jīng)的電脈沖的）。總之，光子被測量到后立即消失。近半個(gè)世紀(jì)以來，雖然人類發(fā)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(fù)測量記錄同一個(gè)光子。

光的速度非?？?，達(dá)每秒30萬公里，所以要控制、測量單個(gè)光子，必須將光子關(guān)閉在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)，并使其在足夠長的時(shí)間內(nèi)不逃逸或被吸收。阿羅什小組實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)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(dǎo)材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個(gè)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(jī)會非常小?？涨挥蓛蓚€(gè)凹面鏡相對安放組成，鏡間距離27毫米。整個(gè)設(shè)備安置在絕對溫度1度以下的環(huán)境中。一個(gè)微波光子在腔中停留時(shí)間可達(dá)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(dāng)于繞地球一周?？梢哉f阿羅什小組創(chuàng)造了限制在很小的有限體積內(nèi)的光子壽命的世界紀(jì)錄。

阿羅什小組的另一項(xiàng)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)是利用利用里德伯原子作為探測器，實(shí)現(xiàn)非破壞性測量單個(gè)光子。所謂里德伯原子，是激發(fā)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(shù)37）原子，把它的價(jià)電子激發(fā)到第50層的圓形軌道上（主量子數(shù)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(fā)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(jù)的最外層軌道為n=5；當(dāng)它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時(shí)，原子的半徑達(dá)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(gè)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(yè)于美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校；1970年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導(dǎo)師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學(xué)，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發(fā)表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關(guān)激光致冷的開創(chuàng)性論文，被學(xué)術(shù)界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(yè)部的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所工作。在那里，他創(chuàng)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(xiàng)世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他是15年來美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所第四位獲諾貝爾物理獎(jiǎng)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(jì)算機(jī)的建議方法有多種，許多科學(xué)家正在對不同的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(gè)電極組合產(chǎn)生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價(jià)離子限制在三個(gè)電極組成的空間中。三個(gè)電極包括兩端各有一個(gè)相對的電極和一個(gè)環(huán)形電極，離子由激光束控制。

在常溫下，原子運(yùn)動的平均速度為每秒數(shù)百米，以這種速度運(yùn)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(yùn)動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運(yùn)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(tài)。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時(shí)，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(dāng)然，原子或離子吸收了光子又要再把它發(fā)射出去，發(fā)射光子時(shí)原子也要受到反沖。但原子或離子發(fā)射光子的方向是隨機(jī)的，各種方向都有，結(jié)果反沖效應(yīng)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(jīng)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(nèi)部的能量狀態(tài)耦合起來，形成復(fù)雜的能級。在適當(dāng)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(nèi)部能量最低的狀態(tài)，同時(shí)帶動離子振動能量的變化。在適當(dāng)控制的條件下，重復(fù)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(dá)到最低的量子狀態(tài)，離子近于完全停止。這時(shí)，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(gè)量子可控非門（Controlled NOT）。當(dāng)然可控非門只是最簡單的量子計(jì)算機(jī)的元件，一臺能工作的計(jì)算機(jī)需要多得多的元件，離制成實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還非常遙遠(yuǎn)。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內(nèi)的許多科學(xué)家正積極研究，攻克難關(guān)，希望在本世紀(jì)內(nèi)將量子計(jì)算機(jī)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(dāng)今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理，如進(jìn)行“薛定諤貓”的實(shí)驗(yàn)。

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(shí)驗(yàn)室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩(wěn)定的研究小組，還有許多優(yōu)秀的學(xué)生和合作者，其中包括外國的訪問學(xué)者。在他們的諾貝爾獎(jiǎng)報(bào)告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關(guān)系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學(xué)生、博士后和訪問學(xué)者也做出了貢獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)成績是大家努力的結(jié)果。

瓦因蘭德和阿羅什也有一點(diǎn)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(yīng)用目標(biāo)，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應(yīng)用目的。不過，即使在法國高等師范學(xué)校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學(xué)家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所本身就具有明確的實(shí)用目標(biāo)：促進(jìn)美國的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競爭能力，開創(chuàng)新的測量科學(xué)，推進(jìn)美國的技術(shù)水平。該研究所的研究都是目標(biāo)長遠(yuǎn)，技術(shù)含量高，能在世界上領(lǐng)先的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目實(shí)際上都是結(jié)合遠(yuǎn)期應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究。

瓦因蘭德和阿羅什還有一個(gè)共同點(diǎn)，就是除了做研究以外，都在大學(xué)教課。阿羅什認(rèn)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(xué)生的角度來看，能聽到優(yōu)秀的科學(xué)家講課，和他們直接交流，不僅能學(xué)到當(dāng)今前沿的科學(xué)知識，還可以學(xué)習(xí)到優(yōu)秀科學(xué)家的治學(xué)精神和思想方法。

榮摘諾獎(jiǎng)桂冠是否改變了科學(xué)家本人的生活呢？據(jù)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(jiǎng)的消息。

“我很幸運(yùn)，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎(jiǎng)這回事，“（接到來電時(shí)）我正在一條街上，旁邊就有個(gè)長椅，所以我第一時(shí)間就坐了下來?！彼稳菽且豢痰男那椋爱?dāng)我看到是瑞典的來電區(qū)號，我意識到這是真實(shí)的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋?！?/p>

不過據(jù)諾獎(jiǎng)官網(wǎng)的推特稱，阿羅什接到獲獎(jiǎng)的確切消息后，打了個(gè)電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實(shí)驗(yàn)室工作去了。

（作者單位：復(fù)旦大學(xué)物理系）

阿羅什小組設(shè)備示意圖

第3篇：量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

【關(guān)鍵詞】核磁共振成像;原理;系統(tǒng)

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

早在20世紀(jì)40年代，人類就認(rèn)識了核磁共振現(xiàn)象。但是這一現(xiàn)象在30多年以后才得到廣泛應(yīng)用。迄今為止，磁共振成像已經(jīng)快速地成長為一個(gè)強(qiáng)有力的醫(yī)學(xué)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

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(zhì)量外，許多原子核還具有自旋角動量 P，它與相應(yīng)的磁偶極矩 之間關(guān)系為產(chǎn) ＝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?yàn)?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(shù)或半整數(shù)。按照量子力學(xué)原理，自旋角動量在z方向的分量為： Pz＝mIh

成是在環(huán)路上運(yùn)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(yīng)的磁偶極矩 μ，它和角動量P的關(guān)系為： ＝γ。

用量子力學(xué)來描述核磁共振，當(dāng)將將核磁矩置于沿z軸的靜態(tài)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(gè)能級。

Em-1-Em=γηH0m，表示能級的間距與m值無關(guān)，即能級是等距的，其間距與磁強(qiáng)強(qiáng)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(shí)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(dāng)ν=γH0/2π時(shí)，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(nèi)共振所產(chǎn)生信號經(jīng)重建成像的一種成像技術(shù)。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(shí)，組織間吸收系數(shù)（CT值）差別是CT成像基礎(chǔ)的道理。但MRI不像CT只有一個(gè)參數(shù)，即吸收系數(shù)，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等幾個(gè)參數(shù)，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(shù)量的小體積，即體素，用接收器收集信息，數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)處理，獲得每個(gè)體素的T1（或T2），進(jìn)行空間編碼。用轉(zhuǎn)換器將每個(gè)T值轉(zhuǎn)為模擬灰度，而重建圖像。利用灰度值把NMR參數(shù)作為空間坐標(biāo)的函數(shù)表示出來。根據(jù)上面提到的NMR條件ω0=γB0，如果不考慮化學(xué)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(jù)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(qū)域任意點(diǎn)的空間信息，需要在主磁場上疊加三個(gè)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(shí)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(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

磁共振成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，主要包括磁體部分、譜儀部分、計(jì)算機(jī)部分。其中譜儀部分又可以細(xì)分為射頻發(fā)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(dǎo)型和超導(dǎo)型。射頻線圈既有射頻發(fā)射功能又有信號探測功能，因此射頻線圈就有了發(fā)射線圈和接收線圈之分。勻場線圈由若干個(gè)小線圈所組成，構(gòu)成以磁體中心為調(diào)解對象的線圈陣列。

譜儀部分包括射頻發(fā)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(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)、主計(jì)算機(jī)、圖像顯示、存檔、傳輸?shù)容o助設(shè)施。所用主計(jì)算機(jī)有工作站，也有用工業(yè)PC機(jī)，高場系統(tǒng)大部分用工作站，低場系統(tǒng)大部分用微機(jī)?？刂朴?jì)算機(jī)用來實(shí)現(xiàn)對整機(jī)的運(yùn)行操作。主計(jì)算機(jī)和控制計(jì)算機(jī)之間有數(shù)據(jù)總線相連，各譜儀單元都和控制計(jì)算機(jī)有通訊聯(lián)系。主計(jì)算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的處理，包括譜圖變換，參數(shù)設(shè)置，圖像重建，圖像處理，病人資料的管理。其中實(shí)驗(yàn)部分參數(shù)設(shè)置主要由脈沖序列編譯器來完成設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域的拓展和深入，核磁共振譜儀技術(shù)也不斷地發(fā)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對使用相關(guān)儀器有很大幫助意義。

參考文獻(xiàn)

[1]據(jù)棟林.核磁共振成像學(xué)[M].高等教育出版社,2004.

第4篇：量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

材料的計(jì)算模擬方法介紹

材料的計(jì)算模擬研究是近年來飛速發(fā)展的一門新興學(xué)科和交叉學(xué)科．它綜合凝聚態(tài)物理學(xué)、理論化學(xué)、材料物理學(xué)和計(jì)算機(jī)算法等多個(gè)相關(guān)學(xué)科．它的目的是利用現(xiàn)代高速計(jì)算機(jī)，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，深入理解材料從微觀到宏觀多個(gè)尺度的各類現(xiàn)象與性能，并對材料的結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行理論預(yù)言，從而達(dá)到設(shè)計(jì)和開發(fā)新材料的目的．材料的多尺度計(jì)算模擬方法主要有以下幾種:

(1)第一性原理計(jì)算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法是目前研究微觀電子結(jié)構(gòu)最主要的理論方法．第一性原理計(jì)算方法只用到普朗克常數(shù)(h)，玻爾茲曼常數(shù)(kB)，光速(c)，電子靜態(tài)質(zhì)量(m0)和電子電荷電量(e)這5個(gè)基本物理變量和研究體系的基本結(jié)構(gòu)．從量子力學(xué)出發(fā)，通過數(shù)值求解薛定諤方程，計(jì)算材料的物理性質(zhì)．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(jì)算已廣泛應(yīng)用于第一性原理的電子結(jié)構(gòu)研究中，并已經(jīng)取得很大的成功．結(jié)合一些能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法，對于半導(dǎo)體和一些金屬基態(tài)性質(zhì)，如晶格常數(shù)，晶體結(jié)合能，晶體力學(xué)性質(zhì)都能夠給出與實(shí)驗(yàn)符合得很好的結(jié)果，同時(shí)能夠比較精確地描述很多體系的電子結(jié)構(gòu)(如能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學(xué)性質(zhì)(介電函數(shù)、復(fù)折射率、光吸收系數(shù)、反射光譜及光電導(dǎo)等)和磁性質(zhì)，從微觀理論角度分析和揭示材料物理性質(zhì)的起源，使實(shí)驗(yàn)者主動對材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的控制，以便按照需求制備新材料．

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

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡單的理論準(zhǔn)則基礎(chǔ)上(如簡單的物質(zhì)與物質(zhì)或者物質(zhì)與環(huán)境相互作用)，采用反復(fù)隨機(jī)抽樣的手段，解決復(fù)雜系統(tǒng)的問題．該方法采用隨機(jī)抽樣的手法，可以模擬對象的概率與統(tǒng)計(jì)的問題．通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)母怕誓Ｐ停摲椒ㄟ€可以解決確定性問題，如定積分等．隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應(yīng)用物理、化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[6]．蒙特卡洛方法可以通過隨機(jī)抽樣的方法模擬材料構(gòu)成基本粒子原子和分子的狀態(tài)，省去量子力學(xué)和分子動力學(xué)的復(fù)雜計(jì)算，可以模擬很大的體系．結(jié)合統(tǒng)計(jì)物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態(tài)與材料宏觀性能的關(guān)系，是研究材料性能及其影響因素的本質(zhì)的重要手段．

材料專業(yè)引入計(jì)算模擬教學(xué)的探索

材料計(jì)算的目的在于理解和發(fā)現(xiàn)新的材料性能及其物理本質(zhì)．計(jì)算已經(jīng)與實(shí)驗(yàn)和形式理論一樣成為材料研究的3大支柱之一．為學(xué)生將來能夠有更高的起點(diǎn)研究材料科學(xué)，適應(yīng)新形勢下材料研究方法，培養(yǎng)具有寬廣材料科學(xué)基礎(chǔ)，掌握材料現(xiàn)代研究手段的“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的材料科學(xué)專業(yè)人才．我們在本科教學(xué)階段就應(yīng)該有計(jì)劃的引入和加強(qiáng)計(jì)算模擬方法的教學(xué)．采用的教學(xué)形式可以結(jié)合實(shí)際情況，靈活的應(yīng)用．近年來我們采取的教學(xué)方式主要有以下3種方式:(1)開設(shè)計(jì)算材料學(xué)類課程在2006年物理與電子信息學(xué)院材料物理與化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中已經(jīng)確定《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》和《計(jì)算物理》課程為專業(yè)選修課程，學(xué)時(shí)分別為36學(xué)時(shí)和54學(xué)時(shí)．《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程偏重實(shí)踐教學(xué)，通過上機(jī)操作學(xué)習(xí)計(jì)算軟件的基本原理和使用方法．主要教學(xué)內(nèi)容包括:材料學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用;材料科學(xué)研究中的數(shù)學(xué)模型;材料科學(xué)研究中常用的數(shù)值分析方法;材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬;材料科學(xué)與行為工藝的計(jì)算機(jī)模擬;材料數(shù)據(jù)庫和新材料、新合金的設(shè)計(jì);材料加工過程的計(jì)算機(jī)控制;計(jì)算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用;材料研究科學(xué)中的數(shù)據(jù)和圖像處理;互聯(lián)網(wǎng)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用等9部分內(nèi)容，基本涵蓋當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)研究中應(yīng)用的各個(gè)方面．《計(jì)算物理》課程則以理論教學(xué)為主，偏重物理基本原理的介紹．主要教學(xué)內(nèi)容包括:計(jì)算物理學(xué)發(fā)展的最新狀況;蒙特卡洛方法及其若干應(yīng)用;有限差分方法;分子動力學(xué)方法;密度泛函理論;計(jì)算機(jī)代數(shù);高性能計(jì)算和并行算法等8部分內(nèi)容．計(jì)算材料類課程的開設(shè)注重理論和實(shí)踐并重的原則，在講解基本原理的同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生動手上機(jī)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，因此，經(jīng)過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步具備利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行材料模擬的能力．部分選修計(jì)算材料類課程的同學(xué)在學(xué)習(xí)中對計(jì)算模擬產(chǎn)生了極大的興趣，在大四時(shí)選擇材料計(jì)算相關(guān)課題作為本科畢業(yè)論文選題．例如，08屆學(xué)生的畢業(yè)論文《ZnS摻雜Cu光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究》和《布朗運(yùn)動的蒙特卡洛模擬》，09屆學(xué)生的畢業(yè)論文《ZnO電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的研究》，11屆學(xué)生的畢業(yè)論文《晶格熱容的理論計(jì)算》和《簡立方晶體結(jié)構(gòu)能量分布的理論模擬》等均為材料計(jì)算和模擬相關(guān)課題，并且有多人的畢業(yè)論文被評為優(yōu)秀畢業(yè)論文．個(gè)別優(yōu)秀的學(xué)生讀研后繼續(xù)從事材料的計(jì)算模擬相關(guān)研究．通過幾年的教學(xué)實(shí)踐，計(jì)算材料相關(guān)課程的開設(shè)對于擴(kuò)大學(xué)生的知識面，提高學(xué)生的理論分析能力有極大地幫助．(2)在材料相關(guān)的理論課程中加入計(jì)算模擬方法介紹雖然已經(jīng)在材料專業(yè)開設(shè)《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》和《計(jì)算物理》等材料計(jì)算相關(guān)的課程，但這兩門課均為專業(yè)選修課，只有選修相關(guān)課程的學(xué)生才能得到相應(yīng)的計(jì)算模擬培訓(xùn)，受眾面還比較窄．因此，為使更多的學(xué)生了解到材料模擬計(jì)算的相關(guān)理論和知識，在材料專業(yè)主干課的教學(xué)中也適時(shí)地加入相關(guān)的計(jì)算模擬方法的介紹，從而擴(kuò)大計(jì)算模擬知識的普及面．例如，在《固體物理》課程中，當(dāng)講解到能帶理論一章時(shí)，我們會在本章結(jié)束時(shí)，加入一次課，著重介紹基于第一性原理的平面波贗勢計(jì)算方法計(jì)算材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等以及第一性原理計(jì)算的常用軟件(CASTEP、VASP等)．一方面，對學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識加以直觀化和適度的擴(kuò)展，另一方面也進(jìn)一步普及第一性原理計(jì)算的相關(guān)知識．在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)中講解到相平衡與相圖一章時(shí)，我們會在本章內(nèi)容結(jié)束后介紹相圖計(jì)算近年來的發(fā)展現(xiàn)狀，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)計(jì)算方法、熱力學(xué)與動力學(xué)的結(jié)合、第一性原理與相圖計(jì)算方法的結(jié)合，并簡要介紹今后相圖計(jì)算可能的發(fā)展方向[7]．在晶體缺陷內(nèi)容的教學(xué)中，穿插介紹利用分子動力學(xué)計(jì)算面心立方金屬空位和間隙原子點(diǎn)缺陷的形成能的方法．通過在課程教學(xué)中穿插入計(jì)算模擬方法的介紹，一方面也加深了學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解，另一方面開闊了學(xué)生的眼界．(3)舉辦計(jì)算模擬相關(guān)的學(xué)術(shù)講座．自從2009年以來，物理與電子信息學(xué)院從事計(jì)算模擬研究的教師每學(xué)期都結(jié)合自身的科研情況舉辦面向全院學(xué)生的學(xué)術(shù)講座．例如在2011至2012學(xué)年第二學(xué)期，我們舉辦兩場學(xué)術(shù)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(yīng)半導(dǎo)體光催化材料的結(jié)構(gòu)和能帶設(shè)計(jì)》，教師在講座中介紹自己的科研情況，同時(shí)也使學(xué)生了解到如何把學(xué)到的計(jì)算模擬知識應(yīng)用到科研實(shí)踐中去，讓學(xué)生體會到如何利用計(jì)算模擬預(yù)測材料的物理性質(zhì)以及指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)的研究方式，提高學(xué)生自覺學(xué)習(xí)計(jì)算模擬方法的積極性．

結(jié)束語

第5篇：量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

1.1一維的研究歷程作為機(jī)械系統(tǒng)的基本構(gòu)件的一維納米結(jié)構(gòu),其理論和實(shí)驗(yàn)研究受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注.在過去，由于納米絲的力學(xué)實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的制約,在普通的實(shí)驗(yàn)室無法進(jìn)行,然而計(jì)算機(jī)模擬可以通過原子運(yùn)動的演化過程展示納米結(jié)構(gòu)的變形情況及其內(nèi)在機(jī)理,有效彌補(bǔ)了這一缺陷.

1.1.1中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授倪向貴等眾多科學(xué)家對納米銅絲、納米鎳絲、等進(jìn)行了拉伸過程的模擬實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)放在納米結(jié)構(gòu)與能量應(yīng)力變化的模擬研究上面,以及表面效應(yīng)如何影響單晶納米材料的整體力學(xué)和原子運(yùn)動的各種行為,根據(jù)反復(fù)的實(shí)踐和精確的計(jì)算，終于研究出了納米材料的破壞失效原理.這一實(shí)驗(yàn)同時(shí)也表明通過建立模擬模型和有效的計(jì)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(xué)家利用EAM原子勢函數(shù)的相關(guān)原理模擬研究了納米銅絲的拉伸性能.結(jié)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(yīng)力等綜合因素造成的.而且拉伸強(qiáng)度會隨著納米絲截面減小而提高，同時(shí)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(xiàn)象,人們需要對其從理論計(jì)算上進(jìn)行科學(xué)的解釋.日本的Huang等一批科學(xué)家對Au原子在MgO表面（100）點(diǎn)缺陷處的團(tuán)簇生長進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),同時(shí)也進(jìn)行了Au原子擴(kuò)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(kuò)散力的不同以及能量的不同而發(fā)生變化.我國知名科學(xué)家張慶瑜在分子動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上建立了氣相沉積原子動力學(xué)模型,同時(shí)采用MonteCarlo方法對Au外延薄膜的初期生長過程也進(jìn)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(fā)生怎樣的變化.劉祖黎等一批科學(xué)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(guān)系.模型中充分考慮了吸附原子擴(kuò)散、原子沉積與蒸發(fā)等過程,與過去的模型不同的是采用Morse勢來計(jì)算粒子之間的相互作用,并詳細(xì)充分考慮了臨近和次臨近原子所產(chǎn)生的影響.研究結(jié)果表明,島的形貌隨基底溫度的升高,從一個(gè)分形生長到凝聚生長的變化全過程.通過進(jìn)一步的深入研究表明,島的形貌和基底形貌兩者之間的關(guān)系會隨著基底溫度的升高發(fā)生顯著的變化,而基底溫度低時(shí),島的形狀與基底形貌沒有任何關(guān)聯(lián).

2目前計(jì)算機(jī)模擬研究需要解決的問題

一般來說，納米金屬材料的計(jì)算模擬方法所采用的大多都是原子級模擬技術(shù),它是將納米金屬材料作為數(shù)量較多的單個(gè)金屬原子的集合體,并且將每個(gè)金屬原子當(dāng)作彼此獨(dú)立的研究單元來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),然后通過統(tǒng)計(jì)力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)對其進(jìn)行規(guī)律性的描述,并預(yù)測納米金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)以及功能.但是由于納米金屬材料自身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，以及它對周圍環(huán)境無法得到迅速的反應(yīng),所以目前還無法運(yùn)用相關(guān)的模擬技術(shù)來得到理想的答案.本人建議可以從以下方面進(jìn)行努力：

2.1選定模擬算法在進(jìn)行納米金屬材料分子動力學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)當(dāng)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(shí)驗(yàn).因?yàn)樵娱g的作用是一個(gè)多體效應(yīng),在這個(gè)效應(yīng)當(dāng)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(jìn)行求解的.這時(shí)我們可以選用有限差分方法來進(jìn)行求解,目前運(yùn)用的最多的包括：蛙跳法、預(yù)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(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速,但是純粹依賴提高單個(gè)CPU的計(jì)算速度根本就不能滿足越來越繁瑣的計(jì)算需要,鑒于此，我們可以考慮進(jìn)行并行化進(jìn)行計(jì)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(yùn)動本來是需要使用量子力學(xué)來進(jìn)行描述的,但納米金屬材料的結(jié)構(gòu)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(xué)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(shù)模擬認(rèn)為粒子的運(yùn)動遵循牛頓力學(xué)規(guī)律,因此可以考慮采用半經(jīng)驗(yàn)的原子間相互作用勢來對粒子間的作用進(jìn)行描述.一般來講，勢函數(shù)是否可靠決定了一個(gè)分子動力學(xué)模擬能否成功.原子或者離子間的相互作用勢越復(fù)雜、擬合性質(zhì)越多就越與實(shí)際的相互作用接近,不過越復(fù)雜的相互作用同時(shí)也會加大計(jì)算量和模擬量,因此在構(gòu)建或使用原子間相互作用勢的過程中,應(yīng)根據(jù)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(zhì),又可以在計(jì)算上切實(shí)可行的相互作用勢.

2.3處理和分析模擬結(jié)果找到一種合適的分析模擬結(jié)果的方法對于計(jì)算機(jī)模擬來說是至關(guān)重要的.通常情況下，模擬的軌跡文件只包含了各個(gè)粒子的位置、速度和力的相關(guān)信息,因此一定要對這些信息進(jìn)行有效的處理以后才能得到想要的物理量.而計(jì)算機(jī)模擬走向應(yīng)用的關(guān)鍵之處在于，找到合適的方法處理結(jié)果,將宏觀現(xiàn)象與微觀軌跡進(jìn)行有機(jī)聯(lián)系.模擬結(jié)果的處理無疑會是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,其重點(diǎn)問題是要從MD模擬的軌跡文件中講可與實(shí)驗(yàn)直接比較的統(tǒng)計(jì)量提取出來.除此之外,軌跡中的坐標(biāo)信息對于分析結(jié)構(gòu)體系信息也十分重要,而這卻是非常耗時(shí)的工作過程.

3結(jié)束語

第6篇：量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

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

20世紀(jì)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(diǎn)存在?；艚鹨彩巧贁?shù)認(rèn)真看待黑洞的學(xué)者，1974年，他結(jié)合了量子力學(xué)及廣義相對論在《自然》雜志上，提出黑洞會發(fā)出一種能量，最終導(dǎo)致黑洞蒸發(fā)。后來該能量被命名為“霍金輻射”，引起全球物理學(xué)家重視?；艚鸬男掳l(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是多年來理論物理學(xué)最重要的進(jìn)展，該論文被稱為“物理學(xué)史上最深刻的論文之一”?；艚鹪诮y(tǒng)一20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論――愛因斯坦創(chuàng)立的相對論和普朗克創(chuàng)立的量子力學(xué)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(yùn)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(yùn)營。1800～1831年，倫敦人口激增，高峰時(shí)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(shè)想;一群承包商則

提出要在倫敦修建一條地下道路的設(shè)想，后來這兩個(gè)想法被結(jié)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(jī)車牽引列車。倫敦地鐵于1971年開始在維多利亞線區(qū)應(yīng)用遙控和計(jì)算機(jī)技術(shù)操縱列車?，F(xiàn)在，英國倫敦地鐵列車通過第三軌供直流電。列車運(yùn)行速度約32千米/小時(shí)，最大時(shí)速達(dá)96千米。

第7篇：量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞 囚禁離子；量子計(jì)算；富勒烯理論模型

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

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

量子計(jì)算與量子信息，是當(dāng)今一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)意義的科學(xué)前沿課題。眾所周知，量子計(jì)算就是利用量子效應(yīng)和量子算法來實(shí)現(xiàn)的超級并行計(jì)算機(jī)，擁有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的計(jì)算能力。目前的工作熱點(diǎn)是量子模擬和量子計(jì)量；固態(tài)系統(tǒng)是解決量子計(jì)算的最佳途徑。目前有希望實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的系統(tǒng)主要有：離子阱、核磁共振、量子點(diǎn)和富勒烯等，其中富勒烯的應(yīng)用前景引人注目。由于化學(xué)性質(zhì)和形成機(jī)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(nèi)嵌富勒烯系統(tǒng)不但可以形成特定自旋鏈結(jié)構(gòu)，而且因?yàn)樘幱谔技{米管中，相干性保持就大為提高。單壁碳納米管富勒烯系統(tǒng)中的量子糾纏產(chǎn)生，量子態(tài)傳輸以及單自旋測量等量子信息過程實(shí)現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)真正意義的規(guī)模量子計(jì)算必須要解決的難題。

當(dāng)今國際上有很多研究小組針對富勒烯做了深入研究，設(shè)計(jì)了很多量子計(jì)算方案，包括電子自旋實(shí)現(xiàn)方案，核自旋實(shí)現(xiàn)方案，原胞自動機(jī)實(shí)現(xiàn)方案等。我國在富勒烯基礎(chǔ)研究方面開展工作的有中國科學(xué)院物理研究所、武漢數(shù)學(xué)與物理研究所、北京大學(xué)等，并取得一些實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，如富勒烯合成，量子信息邏輯操作、單自旋測量和量子態(tài)讀出。盡管理論上已有不少研究，但從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)富勒烯系統(tǒng)量子計(jì)算是極其困難的。至今幾乎沒有富勒烯量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的報(bào)道。這主要在于對富勒烯中內(nèi)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(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)困難的一個(gè)有效途徑。量子模擬是用一個(gè)可控的量子體系去模擬另一個(gè)難以控制的量子體系，這也是費(fèi)曼當(dāng)年提出量子計(jì)算這一思想的本意。相對于量子計(jì)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(wěn)定的體系之一，理論工作包括在線型離子阱中實(shí)現(xiàn)量子糾纏，量子算法、量子糾錯(cuò)以及遠(yuǎn)距傳態(tài)。最近完成的量子模擬的實(shí)驗(yàn)工作包括模擬Dirac方程和相對論效應(yīng)、自旋體系的阻挫現(xiàn)象等。在這些工作中，超冷離子體系的干凈和近乎孤立的環(huán)境以及快速、精確的相干操作保證了高品質(zhì)量子計(jì)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(xué)行為，利用現(xiàn)有的成熟理論和技術(shù)，模擬實(shí)現(xiàn)目前在理論上相當(dāng)成熟而實(shí)驗(yàn)上難于控制的系統(tǒng)。這是目前比較熱門的研究方向之一。

中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所已經(jīng)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(jīng)成功束縛了40Ca離子，獲得了離子的云態(tài)和1-4個(gè)離子的晶態(tài)，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(shù)和退相干對量子糾纏、量子態(tài)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(tǒng)和囚禁離子系統(tǒng)具備的很多相似性和相通性，這種天然的優(yōu)勢使得我們利用囚禁離子來模擬富勒烯系統(tǒng)成為可能。

碳納米管不僅給富勒烯串的形成創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)還給富勒烯串提供了嚴(yán)格保護(hù)，使其基本不受外部環(huán)境的干擾。內(nèi)嵌富勒烯原子實(shí)際上成為一個(gè)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(huán)境可以與內(nèi)嵌富勒烯原子媲美。二者都是基于自旋偶極相互作用來實(shí)現(xiàn)量子邏輯門，而超冷離子之間能很方便地產(chǎn)生這樣的相互作用。二者在系統(tǒng)調(diào)控方面也都一樣，都可以利用梯度磁場來實(shí)現(xiàn)自旋陣列的獨(dú)立尋址，都利用外磁場、微波或射頻脈沖來對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控和完成邏輯門操作；對兩系統(tǒng)的理論近似處理方法也一樣，都可利用強(qiáng)場近似、強(qiáng)耦合近似、旋波近似、平均場方法和密度泛函方法等。同時(shí)離子阱優(yōu)于富勒烯系統(tǒng)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(guān)問題研究，主要是構(gòu)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(tǒng)構(gòu)建一個(gè)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(shù)值模擬的方法對系統(tǒng)進(jìn)行分析。借助前面的理論基礎(chǔ)，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(tài)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(yàn)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(lián)合效應(yīng)在糾纏、信息傳輸和測量中的表現(xiàn)，得出量子糾纏度、傳輸保真度和量子測量極化強(qiáng)度以及對耦合參數(shù)、外磁場、時(shí)間的依賴關(guān)系。

2 研究的研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題

1）研究的目標(biāo)：（1）研究富勒烯系統(tǒng)的囚禁離子量子模擬。模擬富勒烯系統(tǒng)中多體糾纏、量子信息傳輸和測量等量子力學(xué)過程；（2）為真正實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)富勒烯量子計(jì)算和發(fā)展基于富勒烯系統(tǒng)的的新型量子器件提供理論和實(shí)驗(yàn)參考。2）研究的內(nèi)容：（1）單壁碳納米管中富勒烯系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)高保真度量子態(tài)在自旋鏈中的傳輸；（2）囚禁離子量子模擬富勒烯系統(tǒng)的方案探討。探討利用梯度磁場實(shí)現(xiàn)陣列中各個(gè)離子的獨(dú)立尋址；利用射頻脈沖結(jié)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(guān)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(gòu)建模型，給出系統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)描述；對系統(tǒng)哈密頓量進(jìn)行簡化和求解（包括解析和數(shù)值求解）；計(jì)算體系的糾纏、信息傳輸?shù)谋Ｕ娑群蜆O化強(qiáng)度等。囚禁離子的量子模擬：囚禁離子模擬富勒烯的實(shí)現(xiàn)方案；探討梯度磁場下的離子耦合；探討射頻脈沖結(jié)合激光完成邏輯門操作和高保真的量子態(tài)（單粒子態(tài)和多粒子量子糾纏態(tài)）的制備等。

3 擬采取的研究方法

該研究工作主要分為3個(gè)步驟，并采用了相應(yīng)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?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，利用密度泛函方法和拓?fù)渌估碚撘约捌骄鶊龇椒?、旋波近似等，得到合適的系統(tǒng)Hamiltonian，進(jìn)行解析求解和數(shù)值模擬；第二步， 計(jì)算各種特征物理量。根據(jù)真實(shí)的物理?xiàng)l件和量子信息處理的需要，對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，?jì)算體系的糾纏、信息傳輸?shù)谋Ｕ娑群蜆O化強(qiáng)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(shè)計(jì)量子邏輯操作的激光脈沖和重聚束脈沖，探索模擬系統(tǒng)的量子力學(xué)基礎(chǔ)問題（如糾纏、信息傳輸、測量等），研究糾纏對環(huán)境漲落等多重退相干機(jī)制的壓制。

4 研究步驟

第一階段，利用密度泛函理論、計(jì)算系統(tǒng)中電荷與自旋分布。在強(qiáng)磁場和弱射頻脈沖下，基于旋波近似和平均場近似，導(dǎo)出簡化模型，并對系統(tǒng)進(jìn)行解析求解和數(shù)值計(jì)算。研究系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)陣列中各離子的獨(dú)立尋址；利用射頻脈沖結(jié)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(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸和測量。深入分析耦合參數(shù)，外磁場的聯(lián)合效應(yīng)在自旋量子態(tài)傳輸和測量效率中的表現(xiàn)并分析各種極限行為。研究糾纏對環(huán)境漲落等多重退相干機(jī)制的壓制。找到實(shí)現(xiàn)最佳保真度以及宏觀極化的磁化強(qiáng)度的最佳參數(shù)組合以及實(shí)現(xiàn)時(shí)間。

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第8篇：量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞： RSA密碼系統(tǒng)； 量子密碼 ； 一次一密； 量子密鑰分發(fā)

中圖分類號： TN918?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)系到國家的軍事、國防、外交等領(lǐng)域，同時(shí)也與人們的日常生活息息相關(guān)，如銀行帳戶存取、網(wǎng)絡(luò)郵箱管理等。保密通信關(guān)鍵在于密碼協(xié)議，簡稱“密鑰”。密鑰的安全性關(guān)系到通信的保密性。密碼學(xué)的發(fā)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(shù)的相互博弈中發(fā)展前行的，兩者互為勁敵，但又互相促進(jìn)。隨著量子計(jì)算機(jī)理論的發(fā)展，傳統(tǒng)的安全通信系統(tǒng)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(xué)史的角度分析人類傳統(tǒng)的密碼方案，考察量子密碼發(fā)展的來龍去脈，為科學(xué)家提供關(guān)于量子密碼的宏觀視角，以便更好地推進(jìn)關(guān)于量子密碼的各項(xiàng)科學(xué)研究。

1 人類歷史上影響巨大的密鑰思想

密碼學(xué)有著古老歷史，在近代逐漸發(fā)展成為一門系統(tǒng)的應(yīng)用科學(xué)。密碼是一個(gè)涉及互相不信任的兩方或多方的通信或計(jì)算問題。在密碼學(xué)中，要傳送的以通用語言明確表達(dá)的文字內(nèi)容稱為明文，由明文經(jīng)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(guī)則變換為密文的過程稱為加密，收信者用約定的變換規(guī)則把密文恢復(fù)為明文的過程稱為解密。敵方主要圍繞所截獲密文進(jìn)行分析以找出密碼變換規(guī)則的過程，稱為破譯。密碼協(xié)議大致可以分為兩類：私鑰密碼系統(tǒng)（Private Key Cryptosystem）和公鑰密碼系統(tǒng)（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(zhàn)爭中起到了非常重要的作用。據(jù)《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(bǔ)給糧草、增加兵力”；三寸的兵符代表“戰(zhàn)斗失利，士卒傷亡”。

從現(xiàn)在的密碼學(xué)觀點(diǎn)來看，這是一種“私鑰”，私鑰密碼系統(tǒng)的工作原理簡言之就是：通信雙方享有同一個(gè)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(zhàn)場機(jī)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(dá)人使用的“天書”

古斯巴達(dá)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(xiàn)明文所要表達(dá)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(fā)送方在信息時(shí)將細(xì)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(yīng)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(jì)由凱撒大帝（Caesar）親自設(shè)計(jì)用于傳遞軍事文件的秘密通信工具，當(dāng)凱撒密碼被用于高盧戰(zhàn)爭時(shí)，起到了非常重要的作用。圖2為“凱撒密表”。從現(xiàn)代密碼學(xué)的角度看，它的密鑰思想非常簡單，加密時(shí)，每個(gè)字母用其后的第[n]個(gè)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(jī)——“恩尼格瑪”

二戰(zhàn)期間德國用來傳遞軍事機(jī)密的“ENIGMA”密碼機(jī)，它的思想基本類似于“凱撒密表”，但比“凱撒密表”復(fù)雜很多倍，它的結(jié)構(gòu)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(gè)橡膠或膠木制成的直徑為6 cm的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，密鑰輪可以任意轉(zhuǎn)動進(jìn)行編制密碼，能夠編制出各種各樣保密性相當(dāng)強(qiáng)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(gè)字母在明文的不同位置時(shí)，可以被不同的字母替換。而密文中不同位置的同一個(gè)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(jī)，久久不愿更換密鑰，所以免不了被破譯的結(jié)局。

2 目前人類廣泛使用的密鑰及其存在的問題

2.1 現(xiàn)代廣泛使用的密碼系統(tǒng)——RSA密碼系統(tǒng)受到前所未有的挑戰(zhàn)

現(xiàn)代廣泛被用于電子銀行、網(wǎng)絡(luò)等民用事業(yè)的RSA密碼系統(tǒng)是一種非對稱密鑰。早在20世紀(jì)60年代末70年代初，英國情報(bào)機(jī)構(gòu)（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(tǒng)，并以三個(gè)人的名字命名為“RSA”。它是一種公鑰密碼系統(tǒng)，工作原理如下：假設(shè)通信雙方分別為Bob和Alice。Bob公布一個(gè)公鑰，Alice用這個(gè)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(tǒng)巧妙地運(yùn)用了分解因數(shù)和解離散對數(shù)這類難題，它的安全性依賴于計(jì)算的復(fù)雜性。雖然原理上可以計(jì)算出，但是計(jì)算出來也需要幾萬年的時(shí)間。然而，隨著量子計(jì)算機(jī)理論的成熟，RSA密碼體受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，隨著計(jì)算時(shí)間的縮短，RSA密碼系統(tǒng)的安全性令人堪憂，RSA密碼系統(tǒng)有可能隨著量子時(shí)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(tǒng)受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)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(dāng)中使用與消息長度等長的隨機(jī)密鑰， 密鑰本身只使用一次。原理如下：首先選擇一個(gè)隨機(jī)位串作為密鑰，然后將明文轉(zhuǎn)變成一個(gè)位串，比如使用明文的ASCII表示法。最后，逐位計(jì)算這兩個(gè)位串的異或值，結(jié)果得到的密文不可能被破解，因?yàn)榧词褂辛俗銐驍?shù)量的密文樣本，每個(gè)字符的出現(xiàn)概率都是相等的，每任意個(gè)字母組合出現(xiàn)的概率也是相等的。香農(nóng)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(jīng)常更換，它的漏洞在于密鑰在傳遞和分發(fā)上存在很大困難?？茖W(xué)家試圖使用公鑰交換算法如RSA[2]，DES[3]等方式進(jìn)行密鑰交換， 但都使得一次一密的安全性降低。因此，經(jīng)典保密通信系統(tǒng)最大的問題是密鑰分配。

3 量子密碼結(jié)合“一次一密”實(shí)現(xiàn)無條件保密

通信

量子密碼學(xué)是量子力學(xué)和密碼學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，簡言之，就是利用信息載體的量子特性，以量子態(tài)作為符號描述的密碼。

3.1 運(yùn)用科學(xué)史的視角探究量子密碼的發(fā)展過程

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

第一個(gè)量子密碼術(shù)方案的提出是在1984年，Charles Bennett， Gills Brassard提出一種無竊聽的保密協(xié)議，即，BB84方案[5]，時(shí)隔5年后有了實(shí)驗(yàn)原型[6]。隨后，各類量子密碼術(shù)相繼出現(xiàn)，如簡單效率減半方案——B92方案[7] 。

1994年后，RSA密碼系統(tǒng)面臨前所未有的威脅，因?yàn)椋?jīng)典保密通信依賴于計(jì)算的復(fù)雜性，然而，Peter Shor 提出尋找整數(shù)的質(zhì)因子問題和所謂離散對數(shù)的問題可以用量子計(jì)算機(jī)有效解決[8]。1995年，Lov Gover 證明在沒有結(jié)構(gòu)的搜索空間上搜索問題在量子計(jì)算機(jī)上可以被加速，論證了量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)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(jì)算的驚人能力，另一方面，由于經(jīng)典密碼系統(tǒng)受到嚴(yán)重威脅，促使各國將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向量子密碼學(xué)。

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(gè)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(fù)制或測量量子態(tài)。然而，測不準(zhǔn)原理和量子不可克隆定理指出，一個(gè)未知的量子態(tài)不能被完全拷貝，由某一個(gè)確定的算符去測量量子系統(tǒng)，可能會導(dǎo)致不完備的測量，從而得不到量子態(tài)的全部信息。另外，測量塌縮理論指出測量必然導(dǎo)致態(tài)的改變，從而被發(fā)現(xiàn)，通信雙方可以放棄原來的密鑰，重新建立密鑰，實(shí)現(xiàn)絕對無竊聽保密通信。量子密碼的安全性不是靠計(jì)算的復(fù)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(fā)，竊聽行為可以被檢測。因此，使用量子密鑰分配分發(fā)的安全密鑰，結(jié)合“一次一密”的加密方法，可以實(shí)現(xiàn)絕對安全的保密通信。

4 結(jié) 語

與經(jīng)典密碼系統(tǒng)相比較，量子密碼不會受到計(jì)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(shí)間里，逐漸從理論轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)，有望為下一代保密通信提供保障，實(shí)現(xiàn)無條件安全的保密通信。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王偉，郭錫泉.一次一密DES算法的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)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(xué)和計(jì)算機(jī)的關(guān)系范文

【關(guān)鍵詞】光譜分析 發(fā)展 重要意義

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

光譜分析法是測定物質(zhì)與電磁輻射相互作用時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)射、吸收輻射的波長和強(qiáng)度進(jìn)行定性、定量和結(jié)構(gòu)分析的方法。光譜分析是近幾十年發(fā)展起來的，當(dāng)今發(fā)展迅速、方法門類眾多，能夠適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域所提出的新任務(wù)，已成為現(xiàn)代分析的重要方法：

1、原子發(fā)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(shí)現(xiàn)了光譜檢驗(yàn)； 1900年普朗克提出了“量子化”概念并于1918年因創(chuàng)立量子論、發(fā)現(xiàn)基本量子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；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(xué)獎(jiǎng)，他們的理論為光譜分析的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)30年代建立了光譜定量分析法。20世紀(jì)60年代以后原子發(fā)射光譜得到迅速發(fā)展，期間主要應(yīng)用火焰、電弧及電火花等激發(fā)光源，在發(fā)現(xiàn)新元素、促進(jìn)原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展及其在各種無機(jī)材料定性分析中發(fā)揮了重要作用。20世紀(jì)70年代以來，應(yīng)用了電感耦合高頻率等離子體焰炬、激光等新型激發(fā)光源。

2、原子吸收光譜法

1802年，伍朗斯頓在研究太陽連續(xù)光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)了太陽連續(xù)光譜中有暗線。1817年福勞霍費(fèi)在研究太陽連續(xù)光譜時(shí)，再次發(fā)現(xiàn)了這些暗線，將這些暗線稱為福勞霍費(fèi)線。1860年，本生和克希荷夫證明太陽連續(xù)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(jié)果。1955年澳大利亞的瓦爾西發(fā)表了論文《原子吸收光譜在化學(xué)分析中的應(yīng)用》奠定了原子吸收光譜法的理論基礎(chǔ)；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(fā)展了瓦爾西的設(shè)計(jì)思想。1961年里沃夫發(fā)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(dá)到了70個(gè)之多。近年來，使用電視攝像管做多元素分析鑒定器，結(jié)合中階梯光柵，設(shè)計(jì)了用電子計(jì)算機(jī)控制測定多元素的原子吸收分光光度計(jì)，為解決同時(shí)測定多種元素的問題開辟了新的途徑。激光的應(yīng)用使原子分光光度法為微區(qū)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(chǔ)上發(fā)展起來的，比色法是通過比較或測量有色物質(zhì)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(jì)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(zhì)對光的吸收程度和吸收介質(zhì)厚度之間的關(guān)系；1852年奧古斯特·比爾又提出光的吸收程度和吸光物質(zhì)濃度也具有類似關(guān)系，兩者結(jié)合起來就得到有關(guān)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(jì)。20世紀(jì)60年代，紫外-可見分光光度計(jì)已逐漸代替光電比色計(jì)，分光光度法也隨之逐漸代替了比色法。20世紀(jì)60年代以后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紫外可見分光光度計(jì)儀器得到了飛速發(fā)展，自動化程度大大提高。

4、紅外光譜法

1800年英國天文學(xué)家Hershel發(fā)現(xiàn)了紅外光區(qū)。此后陸續(xù)有人用紅外輻射觀測物質(zhì)的吸收光譜。1905年前后，人們已系統(tǒng)地研究了幾百種化合物的紅外吸收光譜并且發(fā)現(xiàn)了一些吸收譜帶與分子基團(tuán)間的相互關(guān)系。1918年到1940年期間人們對雙原子分子進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，建立起了一套完整的理論，隨后在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上又建立了多原子分子光譜理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代在化學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)積累了豐富的資料，收集了大量純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖。20世紀(jì)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(jì)，到六十年代，光柵式紅外分光光度計(jì)得到了普及。七十年代初，又發(fā)展起來富里哀變換光譜儀，為紅外光譜的應(yīng)用開辟了許多新領(lǐng)域。近年來，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在紅外光譜中發(fā)揮了重要的作用，電子計(jì)算機(jī)被用于記錄分析結(jié)果，數(shù)據(jù)自動處理，通過求解性方程對多組分混合物進(jìn)行定量分析。在定性及未知物結(jié)構(gòu)鑒定中可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行譜圖檢索，辨認(rèn)和確定未知物所含的基團(tuán)和結(jié)構(gòu)。

5、熒光分析法

1575年西班牙植物學(xué)家N.Monardes第一次記錄了熒光現(xiàn)象。1852年stokes在考查奎寧和葉綠素的熒光時(shí)，用分光計(jì)觀察到其熒光才判明這種現(xiàn)象是這些物質(zhì)在吸收光能后重新發(fā)射不同波長的光，從而導(dǎo)入了熒光的光發(fā)射概念，還由發(fā)熒光的礦物“瑩石”提出“熒光”這一術(shù)語。1867年Goppelsroder進(jìn)行了歷史上首次的熒光分析工作，應(yīng)用鋁—桑藍(lán)色配合物的熒光進(jìn)行鋁的測定。1880年Liebeman提出了最早的關(guān)于熒光與化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)法則。19世紀(jì)末，人們已經(jīng)知道了包括熒光素、曙紅、多環(huán)芳烴等600種以上的熒光化合物。1905年Wood發(fā)現(xiàn)了共振熒光；1914年Frank和Hertz利用電子沖擊發(fā)光進(jìn)行定量研究；1922年Frank和Gario發(fā)現(xiàn)增感熒光；1924年Wawillow進(jìn)行了熒光產(chǎn)率的絕對測定；1926年Gaviola進(jìn)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(jì)；1939年Zworykin和Rajchman發(fā)明充電倍增管以后，使增加熒光計(jì)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(xiàn)商品的校正光譜儀器。近十幾年來，激光、微處理機(jī)、電子學(xué)、光導(dǎo)纖維和納米材料新技術(shù)的引入，大大推動了熒光分析法在理論和應(yīng)用方面發(fā)展，促進(jìn)了熒光方面的新方法、新技術(shù)的發(fā)展。

目前，光譜分析越來越受到重視，并向多技術(shù)綜合聯(lián)用、自動化高速分析的方向發(fā)展。相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光譜分析方法會在科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊根元.實(shí)用儀器分析.第四版，北京：北京大學(xué)出版社，2010：8