量子計(jì)算概念精選(九篇)

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第1篇：量子計(jì)算概念范文

10月9日，諾貝爾物理學(xué)獎答案揭曉，來自巴黎高等師范學(xué)院塞爾日?阿羅什（Serge　Haroche）教授以及美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的大衛(wèi)?維因蘭德（David　Wineland）教授共同分享了這一殊榮，他們兩人的獲獎理由是分別發(fā)明了測量和控制孤立量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。

在諾貝爾獎委員會的新聞稿中，兩位獲獎?wù)叩某删捅环Q為“為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)?！币粫r(shí)間，量子計(jì)算機(jī)也成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

薛定諤的貓和諾貝爾獎

對于普通人來說，量子力學(xué)是個深不可測的概念。不過，隨著最近幾年科幻題材電影電視劇的風(fēng)靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞匯開始被頻頻提及，而它正是出自量子力學(xué)的相關(guān)概念。

想要了解什么是量子計(jì)算機(jī)，那么首先需要了解“薛定諤的貓”這個量子力學(xué)中的經(jīng)典假設(shè)。

1935年，奧地利著名物理學(xué)家，同時(shí)也是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的薛定諤設(shè)想出這樣一個實(shí)驗(yàn)：一只貓被關(guān)進(jìn)一個不透明的箱子里，箱子內(nèi)事先放置好一個毒氣罐，毒氣罐的開關(guān)由一個放射性原子核來控制。當(dāng)原子核發(fā)生衰變時(shí)，它會釋放出一個粒子觸發(fā)毒氣罐的開關(guān)，這樣毒氣釋放，貓就會被毒死。

根據(jù)量子力學(xué)的理論，在實(shí)驗(yàn)者沒有開箱進(jìn)行觀測時(shí)，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態(tài)，換言之，箱子里的貓既是活的也是死的，對于普通人來說，很難理解“既生又死”這樣的狀態(tài)，但這正是量子力學(xué)研究的領(lǐng)域。量子力學(xué)針對的是在微觀環(huán)境下的物理現(xiàn)象，在這一環(huán)境中，大家中學(xué)時(shí)候?qū)W習(xí)的經(jīng)典物理學(xué)中的規(guī)律會突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什么薛定諤的理想實(shí)驗(yàn)中貓既能是活的也能是死的。

不過，一旦打開箱子，微觀實(shí)現(xiàn)就會出現(xiàn)“崩塌”，原子核的狀態(tài)就會確定下來，此時(shí)貓是生是死也隨之揭曉答案。

長期以來，由于不能實(shí)際觀測，量子力學(xué)僅僅停留在理論之上，而缺乏實(shí)踐的驗(yàn)證。然而，今年兩位諾貝爾獎得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過精妙的實(shí)驗(yàn)，使“測量和操控量子系統(tǒng)成為可能”，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當(dāng)然，更重要的是，它也使量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)變得不再遙不可及。

不再是空想的量子計(jì)算機(jī)

所謂量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)信息處理的一項(xiàng)革命性計(jì)算技術(shù)。1982年，美國物理學(xué)家費(fèi)曼在一次演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的想法，當(dāng)時(shí)他發(fā)現(xiàn)，分析模擬量子物理世界所需要的計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的能力，而用實(shí)驗(yàn)室中一個可控的量子系統(tǒng)來模擬和計(jì)算另外一個人們感興趣的量子系統(tǒng)會非常高效，量子計(jì)算機(jī)的概念也應(yīng)運(yùn)而生。

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同之處在于，對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說，其基本的數(shù)據(jù)單位就是一個比特，相對應(yīng)的一個比特不是0就是1，而對于量子計(jì)算機(jī)來說，一個比特可以同時(shí)表示0和1，這就意味著兩個比特就能表示00、01、10、11四種狀態(tài)。這樣，只要有300個量子比特，其承載的數(shù)據(jù)就能是2的300次方，這將超過整個宇宙的原子數(shù)量總和。簡而言之，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將是目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無法比擬的。

前面的表述未免抽象，舉一個形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密150位的密碼，如果想要解密一個1000位的密碼，那么需要調(diào)用目前全球的計(jì)算資源才有可能實(shí)現(xiàn)。但是從理論上講，一臺量子計(jì)算機(jī)在幾個小時(shí)內(nèi)就能解決這一問題。在量子計(jì)算機(jī)面前，目前世界上最復(fù)雜的密碼也會變得不堪一擊，這意味著互聯(lián)網(wǎng)上將不再有秘密可言，人類需要重新設(shè)立一套與現(xiàn)在完全不同的信息加密系統(tǒng)。

量子計(jì)算機(jī)的用處當(dāng)然不只是破譯密碼，在大數(shù)據(jù)分析的時(shí)代，對計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的要求正變得愈來愈高，從語義識別到人工智能，都需要倚仗計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力才能完成，這也讓業(yè)界對于量子計(jì)算機(jī)的誕生充滿了期待。

不過，雖然理論上300個量子比特就能賦予計(jì)算機(jī)難以想象的運(yùn)算能力，但現(xiàn)實(shí)與想象畢竟還存在不小的差距。根據(jù)清華大學(xué)交叉信息研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬個量子比特才能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，“因?yàn)槲覀冃枰獙τ?jì)算過程進(jìn)行糾錯，所以需要很多個物理比特才能獲得一個可容錯的邏輯比特。估計(jì)需要大概一千個邏輯比特運(yùn)行Shor算法來超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，那么物理比特至少要高一個量級，甚至可能要高兩個量級”。尹章琦所從事的正是關(guān)于量子信息與量子光學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

商業(yè)化的未來

在學(xué)界還在探討量子計(jì)算機(jī)可行性的時(shí)候，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)迫不及待開始了實(shí)踐。早在2001年，IBM就曾經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)利用7個量子比特完成量子計(jì)算中的素因子分解法。

2007年，加拿大的D-Wave公司就了號稱全球第一臺商用量子計(jì)算機(jī)――采用16位量子比特處理器的Orion（獵戶座）。不過，Orion后迅速被業(yè)界潑了一盆冷水，業(yè)內(nèi)人士稱，Orion并不是真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，只是具備了一些量子計(jì)算的特性。

去年，D-Wave卷土出來，了全新的產(chǎn)品――D-Wave　One，這一次它的處理器達(dá)到了128量子比特，比前代產(chǎn)品大大提升，一臺售價(jià)高達(dá)1000萬美元。但是，由于D-Wave對核心技術(shù)三緘其口，學(xué)術(shù)界無法得知關(guān)于其產(chǎn)品的更多信息，質(zhì)疑之聲再起，因?yàn)槟壳澳軌驅(qū)崿F(xiàn)10量子比特已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成就。

不過，即便質(zhì)疑不斷，D-Wave還是成功拿到了第一張訂單，外國媒體報(bào)道，美國知名的軍備制造商洛克希德?馬丁已經(jīng)購買了D-Wave的產(chǎn)品并且將其用在一些復(fù)雜的項(xiàng)目上，比如F-35戰(zhàn)斗機(jī)軟件錯誤的自動檢測。

不僅如此，D-Wave還在今年10月得到了來自貝索斯以及美國中情局下屬投資機(jī)構(gòu)In-Q-Tel總計(jì)3000萬美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見，隨著現(xiàn)實(shí)世界的不斷互聯(lián)網(wǎng)化，他的野心自然是通過深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量數(shù)據(jù)創(chuàng)造出更大的商業(yè)價(jià)值，而量子計(jì)算機(jī)正是實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)。

在D-Wave大出風(fēng)頭的同時(shí)，老牌巨頭IBM也不甘落后，今年2月，IBM宣布在量子計(jì)算領(lǐng)域再次取得重大進(jìn)展。新的技術(shù)使得科學(xué)家可以在初步計(jì)算中減少數(shù)據(jù)錯誤率，同時(shí)在量子比特中保持量子機(jī)械屬性的完整性。

第2篇：量子計(jì)算概念范文

關(guān)鍵詞：玻爾理論；能級；躍遷；光譜

中圖分類號：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0014-3

1 “能級”的來歷――玻爾理論

19世紀(jì)，人們已經(jīng)知道物質(zhì)是由原子組成。1911年E.盧瑟福提出原子核式模型，這一模型與經(jīng)典物理理論之間存在著尖銳矛盾。按照經(jīng)典物理理論會得出原子將不斷輻射能量而不可能穩(wěn)定存在的結(jié)論；原子發(fā)射連續(xù)譜，而不是實(shí)際上的離散譜線。玻爾著眼于原子的穩(wěn)定性，吸取了M.普朗克、A.愛因斯坦的量子概念，于1913年考慮氫原子中電子圓形軌道運(yùn)動，提出原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論。

1.1 玻爾的假設(shè)

理論的兩條基本假設(shè)是：①定態(tài)假設(shè)：原子系統(tǒng)中存在具有確定能量的定態(tài)，原子處于定態(tài)時(shí)，電子繞核運(yùn)動不輻射也不吸收能量。原子的定態(tài)可通過經(jīng)典力學(xué)和角動量量子化條件得出。②躍遷假設(shè)：原子系統(tǒng)從一個定態(tài)過渡到另一個定態(tài)，伴隨著光輻射量子的發(fā)射和吸收。

1.2 玻爾理論對氫原子光譜的解釋

玻爾由基本假設(shè)出發(fā)，計(jì)算出氫原子的軌道半徑和能量公式如下：

氫原子的軌道半徑為

可見，氫原子的軌道半徑和能量都不是連續(xù)的，即是量子化的。

把這種量子化的能量值稱為原子能級（簡稱能級）。當(dāng)氫原子由一個能級躍遷到另一能級時(shí)，就產(chǎn)生一條譜線。玻爾的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的很好。

1.3 玻爾理論的成功及局限性

玻爾理論對氫原子光譜的解釋獲得了很大的成功，在原子理論和量子力學(xué)的發(fā)展過程中起到了很大的作用。然而，玻爾只考慮了電子繞原子核的運(yùn)動，實(shí)際上分子、原子、電子、原子核的運(yùn)動是相當(dāng)復(fù)雜的。所以玻爾理論對復(fù)雜的堿金屬光譜就難以解釋，對譜線的強(qiáng)度、色散現(xiàn)象、偏振等問題更無法處理。直到1926年，薛定諤等人建立了量子力學(xué)，人們才對微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律有了更全面、深刻的認(rèn)識。

2 教材對玻爾理論內(nèi)容的處理

本章“量子論初步”分五節(jié)。第一、二節(jié)介紹光的波粒二象性，初步接觸量子化、二象性、概率波等概念，第三節(jié)介紹能級概念，第四節(jié)介紹物質(zhì)波的概念，第五節(jié)介紹不確定關(guān)系。

第三節(jié)“能級”分以下幾部分講述：

①引入：簡述有核模型與經(jīng)典物理理論之間的矛盾，玻爾理論提出的科學(xué)歷史背景；

②玻爾理論的內(nèi)容介紹和評判：介紹軌道量子化的概念和定態(tài)假設(shè)的內(nèi)容，分析玻爾理論的成功和局限性；

③能級：提出能級、基態(tài)、激發(fā)態(tài)、電離的概念；

④光子的發(fā)射和吸收：講述玻爾理論躍遷假設(shè)的內(nèi)容，介紹能級圖以及躍遷公式；

⑤“原子光譜”部分：介紹氫原子光譜，分析玻爾理論對氫原子光譜的解釋。

3 教學(xué)中對教材的利用和改進(jìn)

我認(rèn)為在教學(xué)中應(yīng)把教材中那些過時(shí)的，遠(yuǎn)離學(xué)生實(shí)際的材料、知識舍棄。對教材中主干知識和體現(xiàn)物理方法的內(nèi)容，針對重點(diǎn)、難點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生實(shí)際，結(jié)合物理學(xué)、科技的新發(fā)展花大力氣進(jìn)行拓展延伸。使學(xué)生能熟練地理解、掌握這些基本概念，基本規(guī)律和方法。對于非主干知識的拓展，只限于科普式的介紹一些最新的、正確的觀點(diǎn)、材料，只要求學(xué)生知道是什么，不要求知道為什么，更不用介紹技術(shù)和操作的細(xì)節(jié)，起到擴(kuò)大學(xué)生知識面和視野的作用即可。特別是在這個信息時(shí)代，應(yīng)讓學(xué)生用有限的時(shí)間和精力去高效的學(xué)習(xí)正確、有用的知識，而不是探索、重復(fù)前人的錯誤。應(yīng)該吸收其優(yōu)秀成果，走捷徑去繼承并加以發(fā)展。

3.1 關(guān)于“量子”

本節(jié)課整篇圍繞“量子化”展開，可在全文卻沒有給出“量子”的概念或解釋?！傲孔印币辉~來源于拉丁文，原意是“分立的部分”或“數(shù)量”。所謂量子或量子化，本質(zhì)是不連續(xù)性。在宏觀領(lǐng)域中，這種量子化（或不連續(xù)性）相對宏觀尺度極微小，完全可以忽略不計(jì)。我認(rèn)為，在接觸玻爾理論之前搞清楚“量子”含義，對本節(jié)內(nèi)容的理解有很大幫助。

3.2 引入部分

教材指出，根據(jù)盧瑟福原子模型和經(jīng)典電磁理論推出原子應(yīng)當(dāng)不穩(wěn)定和輻射電磁波的頻率是連續(xù)的這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相矛盾?？梢宰寣W(xué)生體會到，正是這個矛盾，推動了能量量子化理論的提出，促進(jìn)了量子力學(xué)的建立和發(fā)展，從而達(dá)到對學(xué)生進(jìn)行辯證唯物論、認(rèn)識論和方法論的教育目的。教學(xué)中可讓學(xué)生閱讀自主學(xué)習(xí)。

3.3 玻爾理論的內(nèi)容介紹和評判部分

教材中將玻爾的“定態(tài)假說”稱為“原子結(jié)構(gòu)假說”。按照經(jīng)典電磁理論，原子應(yīng)是不穩(wěn)定的，但實(shí)際情況不是這樣，這一點(diǎn)，教材并未強(qiáng)調(diào)，原因是學(xué)生過去并沒有“做加速運(yùn)動的帶電粒子要輻射能量”這樣的認(rèn)識。相應(yīng)地，教材也沒有提到玻爾理論中“定態(tài)”這個概念。講到軌道量子化的時(shí)候，教材重點(diǎn)描述了“量子化”，有意淡化了“軌道”，沒有采用過去教材中常用的以同心圓代表氫原子軌道的插圖。這樣做，避免了強(qiáng)化軌道的圖景。為了使學(xué)生更深刻理解玻爾理論的這部分內(nèi)容，我讓學(xué)生總結(jié)，這些假設(shè)解決了經(jīng)典電磁理論和盧瑟福原子模型的哪些矛盾？學(xué)生在逐條對比中加深認(rèn)識。

然而在下面的類比分析中，教材還是用了地球和人造衛(wèi)星這個例子。它確實(shí)可以幫助學(xué)生理解原子狀態(tài)的不連續(xù)性，但也更容易使學(xué)生產(chǎn)生電子做勻速圓周運(yùn)動的錯誤認(rèn)識，也在無形中強(qiáng)化了“軌道”的概念。所以在教學(xué)中有必要對學(xué)生解釋，經(jīng)典的理論在這里已經(jīng)不再適用，其實(shí)氫原子中的電子是沒有軌道的，電子在原子中運(yùn)動的“軌道”這樣的說法，表達(dá)的只是一種可能性。

3.4 “能級”和“光子的發(fā)射和吸收”部分

主要講解玻爾理論中“躍遷假設(shè)”的內(nèi)容。教材突出了最有積極意義的能量量子化的觀點(diǎn)，舍去了能級公式的推導(dǎo)和計(jì)算，直接給出了氫原子的能級圖和一些可能的能量值，可能的躍遷方式。這樣做就是為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，體現(xiàn)課改和素質(zhì)教育的精神。在一些習(xí)題中還會看到關(guān)于能級公式的計(jì)算，我認(rèn)為應(yīng)該大膽舍棄。高考考察的重點(diǎn)是能級躍遷的規(guī)律，這部分內(nèi)容應(yīng)當(dāng)做適當(dāng)?shù)耐卣埂?/p>

原子躍遷是一個比較難理解的知識點(diǎn)。在教學(xué)中，我先講授了躍遷的概念及躍遷公式hν=Em-En，讓學(xué)生閱讀教材，然后請他們例舉生活中與原子躍遷相似的事件，交流他們對此知識點(diǎn)的理解。學(xué)生舉出了非常好的例子：能級就好比臺階，原子躍遷就好比一個人在跳臺階。人可以從上跳到下，也可以從下跳到上，可以跳一級，也可以跳多級，但是不可能跳到某兩級之間。向上跳相當(dāng)于原子由低能級向高能級躍遷，跳的臺階越多，需要的能量就越大，如果上跳時(shí)具有的能量在到達(dá)二級與三級之間，他就無法到達(dá)第三級臺階而是落在第二階上。這樣一個類比，形象生動地描述了原子躍遷的過程，很容易突破了難點(diǎn)。但它也有一個缺點(diǎn)，生活中的臺階大多是高度一致的，而能級圖中每兩個能級的差是逐級遞減的。目前還沒找到更合適的例子，我就讓學(xué)生記住這個區(qū)別。

3.5 “原子光譜”部分

玻爾理論的一個重要貢獻(xiàn)就是正確解釋了氫原子光譜。教材中“原子光譜”這部分內(nèi)容也可以看成是玻爾理論的應(yīng)用?？梢試@幾個問題展開：

①能量量子化的觀點(diǎn)怎樣解釋原子光譜是線狀光譜？

②為什么各元素的原子光譜不同？

③為什么可以用光譜分析確定樣品中有哪些元素？

④光譜分析有什么優(yōu)越性？光譜分析在現(xiàn)代科學(xué)，如地質(zhì)、冶金、石油、生物醫(yī)學(xué)、地球化學(xué)、材料和環(huán)境科學(xué)等各個領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用?？上?qū)W生做簡單介紹，使其了解物理在科技進(jìn)步以及社會發(fā)展中發(fā)揮的重要作用。

4 有待解決的問題

一些學(xué)生在學(xué)完整章會有這樣的煩惱：“學(xué)完能級，對原子結(jié)構(gòu)有了清晰的認(rèn)識，但是學(xué)了物質(zhì)波，看了氫原子的電子云好像又變得糊涂了?！逼鋵?shí)，對電子等微觀粒子，由于不能用確定的坐標(biāo)描述他們在原子中的位置，因此，電子在原子中運(yùn)動的“軌道”這樣的說法其實(shí)是沒有意義的。電子云表示的是電子在原子核各個位置出現(xiàn)的概率。

我想學(xué)生之所以會有這樣的疑惑，是因?yàn)閷W(xué)習(xí)能級這節(jié)中“軌道量子化”時(shí)留下了錯誤的前概念。這部分內(nèi)容建立在盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型之上，本身就是不完善的，教材出現(xiàn)它的目的應(yīng)該是為“能量量子化”做準(zhǔn)備。

這塊“雞肋”，舍掉，學(xué)生該如何理解能級？不舍，錯誤概念又怎樣消除呢？

參考文獻(xiàn)：

［1］楊福家.原子物理學(xué).北京：高等教育出版社，1991

［2］戴劍鋒.物理發(fā)展與科技進(jìn)步.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005

第3篇：量子計(jì)算概念范文

多年以前，高科技最牛的美國就已不把電子計(jì)算機(jī)列為高科技產(chǎn)品了。

但巨高性能計(jì)算機(jī)仍是信息時(shí)代的高科技標(biāo)志物件之一。2012年諾貝爾物理學(xué)獎發(fā)給了法國人塞爾日·阿羅什和美國人大衛(wèi)·維恩蘭德，這兩位科學(xué)家的研究成果為新一代超級量子計(jì)算機(jī)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(dá)了。其實(shí)，“信息”最初是相當(dāng)文藝范兒的，而不是20世紀(jì)中期才開始熱門起來的科技詞匯。

一般認(rèn)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?！薄?“美眉音信消息全無啊，夢里也夢不到你，我獨(dú)自上樓倚欄，望眼欲穿望到長路盡頭也不見你?！边@么拙劣地意譯，也讓人感覺到深深的思念。

其實(shí)，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(yuǎn)》里就有“信息”了：“塞外音書無信息，道旁車馬起塵埃?！边€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?！?/p>

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(dāng)年安樂的故鄉(xiāng)，心理上把信息的價(jià)格定成了真正的天價(jià)：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉(xiāng)關(guān)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(shù)還是跟現(xiàn)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(nóng)1948年就劃時(shí)代地把信息引為數(shù)學(xué)研究的對象，賦予其新的科學(xué)的涵義；至1956年，“人工智能”術(shù)語也出現(xiàn)了?？勺钤缬懻摂?shù)據(jù)、信息、知識與智慧之間關(guān)系的，卻是得過諾貝爾文學(xué)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(shù)據(jù)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(zhì)地提出了信息暴炸時(shí)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(shù)據(jù)中？

量子計(jì)算機(jī)和量子信息技術(shù)，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒在數(shù)據(jù)的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計(jì)算機(jī)

量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎(chǔ)?？陀^世界有物質(zhì)、能量兩種存在形式，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)換（見愛因斯坦的質(zhì)能方程），量子理論就是從研究極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)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(xiàn)象和規(guī)則。經(jīng)典物理學(xué)理論中的能量是連續(xù)變化的，可取任意值，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微觀世界中的很多物理現(xiàn)象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時(shí)提出：像原子是一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是一份一份地進(jìn)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(jìn)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(zhì)波”概念，即一切物質(zhì)粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學(xué)，薛定諤建立了量子波動力學(xué)，量子理論進(jìn)入了量子力學(xué)階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動力學(xué)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，成功地將相對論和量子力學(xué)兩大理論體系結(jié)合起來，使量子理論進(jìn)入量子場論階段。

“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數(shù)量的某事物”?，F(xiàn)代物理學(xué)中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行的，而不是連續(xù)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(xù)分割的最小的基本單位，則這個物理量（所有的有形性質(zhì)）是“可量子化的”，或者說其物理量的數(shù)值會是特定的數(shù)值而非任意值。例如，在（休息狀態(tài)）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩(wěn)定和一般問題。

雖然量子理論與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)感覺的世界大不一樣，但量子力學(xué)已經(jīng)在真實(shí)世界應(yīng)用。激光器工作的原理，實(shí)際上就是激發(fā)一個特定量子散發(fā)能量?，F(xiàn)代社會要處理大量數(shù)據(jù)和信息，需要計(jì)算的機(jī)器（計(jì)算機(jī)）。量子力學(xué)的突破，使瓦格納等于1930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體同時(shí)有導(dǎo)體和絕緣體的性質(zhì)，后來才有了用于電子計(jì)算機(jī)的同時(shí)作為電子信號放大器和轉(zhuǎn)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(shù)十億個微處理器。

隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)能耗導(dǎo)致發(fā)熱而影響芯片集成度，限制了計(jì)算速度；能耗源于計(jì)算過程中的不可逆操作，但計(jì)算機(jī)都可找到對應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)且不影響運(yùn)算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學(xué)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(xué)的計(jì)算設(shè)備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學(xué)的信息處理”。1980年代量子計(jì)算機(jī)的理論變得很熱鬧。費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，數(shù)據(jù)量大至無法用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，在1982年提出用量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算以減少運(yùn)算時(shí)間；杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。1994年，數(shù)學(xué)家彼得·秀爾提出量子質(zhì)因子分解算法，因其可破解現(xiàn)行銀行和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的加密，許多人開始研究實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)。

在物理上，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)可以被描述為對輸入信號串行按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由機(jī)器內(nèi)部半導(dǎo)體集成邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是傳統(tǒng)信號（輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)），存儲數(shù)據(jù)的每個單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時(shí)間僅能存儲4個二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個。而量子計(jì)算機(jī)靠控制原子或小分子的狀態(tài)，用量子算法運(yùn)算數(shù)據(jù)，輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，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?yàn)榱孔討B(tài)有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個本質(zhì)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(shí)存儲4個二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11），實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算（量子計(jì)算機(jī)對每一個疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種傳統(tǒng)計(jì)算，所有傳統(tǒng)計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果），從而呈指數(shù)級地提高了運(yùn)算能力——一臺未來的量子計(jì)算機(jī)3分鐘就能搞定當(dāng)今世界上所有電子計(jì)算機(jī)合起來100萬年才能處理完的數(shù)據(jù)。用量子力學(xué)語言說，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是沒有用到量子力學(xué)中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計(jì)算機(jī)。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構(gòu)成）的存儲器，可能存儲2的250次方個二進(jìn)制數(shù)，比人類已知宇宙中的全部原子數(shù)還多。而且，集成芯片制造業(yè)很快將步入16納米的工藝，而量子效應(yīng)將嚴(yán)重影響芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，又因傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計(jì)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(guān)在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由一個獨(dú)立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動開關(guān)，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構(gòu)想的這個實(shí)驗(yàn)，被引為解釋量子世界的經(jīng)典。而量子理論認(rèn)為，單個原子的狀態(tài)其實(shí)不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對應(yīng)到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠(yuǎn)也不知道貓的死活，它永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)。

宏觀態(tài)的確定性，其實(shí)是億萬微觀粒子、無數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。微觀粒子通常表現(xiàn)為兩種截然不同的狀態(tài)糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態(tài)，只要稍一揭開箱蓋，疊加態(tài)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(tài)變成宏觀的確定態(tài)。用實(shí)驗(yàn)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(zhì)便會消失?？茖W(xué)家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態(tài)，又能實(shí)際觀測它的實(shí)驗(yàn)方法，他們只能在頭腦中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，而無法實(shí)際驗(yàn)證其預(yù)言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發(fā)明了在保持個體粒子的量子力學(xué)屬性的情況下對其進(jìn)行觀測和操控的方法，則可實(shí)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(jì)算機(jī)帶來了更大可能，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)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(gòu)成物質(zhì)。他們研究光與物質(zhì)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(jìn)入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過發(fā)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(jìn)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(shù)據(jù)。維因蘭德向碗中發(fā)射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數(shù)據(jù)。

2007年以來，加拿大、美國、德國和中國的科學(xué)家都說自己研制出了某種級別的量子計(jì)算機(jī)，但到今天卻仍無一個投入實(shí)用。光鐘更接近現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榭刹倏貑蝹€量子，就能按意愿調(diào)控量子的振蕩（相當(dāng)于鐘擺）頻率，越高越精；目前實(shí)驗(yàn)的光鐘，若從宇宙產(chǎn)生起開始計(jì)時(shí)，至今只誤差5秒。光鐘可使衛(wèi)星定位和計(jì)算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術(shù)

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

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(shí)就很可能是另外一種結(jié)局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統(tǒng)大都采用單項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解等數(shù)學(xué)原理，例如目前網(wǎng)絡(luò)上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計(jì)算的并行性，能輕松破解以大數(shù)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(xiàn)有密碼體系?？烧f量子這種技術(shù)在現(xiàn)代軍事上的意義不亞于核彈。但同時(shí)，量子信息技術(shù)也將發(fā)展出一種理論上永遠(yuǎn)無法破譯的密碼——量子密碼。

保密通信分為加密、接收、解密三個過程，密鑰的保密和不被破解至為關(guān)鍵。量子密碼采用量子態(tài)作為密鑰，是不可復(fù)制的，至少在理論上是無破譯的可能。量子通信是用量子態(tài)的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數(shù)學(xué)計(jì)算，而是由微觀粒子所遵循的物理規(guī)律來保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據(jù)海森堡的測不準(zhǔn)原理，任何測量都無法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態(tài)（有共同來源的兩個粒子存在著糾纏關(guān)系，似有“心靈感應(yīng)”，無論距離多遠(yuǎn)，一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子也發(fā)生變化，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速，一旦受擾即不再糾纏。愛因斯坦稱這種發(fā)生機(jī)理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會擾亂傳送密鑰的量子狀態(tài)，從而留下痕跡。

第4篇：量子計(jì)算概念范文

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，支配計(jì)算機(jī)領(lǐng)域長達(dá)44年之久的摩爾定律已經(jīng)逐漸失效。讓我們最為擔(dān)憂的是在摩爾定律之后計(jì)算機(jī)領(lǐng)域會發(fā)生怎樣的變革。我們可以通過從根本上改變芯片的涉及、尋找替代硅的新材料或者改變目前的計(jì)算框架。其中一種框架就是基于日前獲得2016年諾貝爾物理學(xué)獎的拓?fù)湎嘧兝碚摗Ｍ負(fù)浣^緣體就是拓?fù)洳牧系囊环N，其在量子計(jì)算機(jī)中具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。本文將重點(diǎn)關(guān)注拓?fù)浣^緣體器件在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用前景，從專利和期刊文獻(xiàn)的角度，對其發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：拓?fù)浣^緣體；量子反?；魻栃?yīng)；量子計(jì)算機(jī)；應(yīng)用發(fā)展

1.引言

拓?fù)湮飸B(tài)目前而言是一個內(nèi)容豐富并且蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，作為先驅(qū)者，索利斯、霍爾丹和科斯特利茲獲得諾貝爾物理學(xué)獎是實(shí)至名歸。最早索利斯和他的合作者提出采用“陳數(shù)”（華人數(shù)學(xué)家陳省身提出的概念）來理解量子霍爾效應(yīng)，隨后霍爾丹建立的量子反?；魻栃?yīng)模型則以巧妙的方式實(shí)現(xiàn)了非零陳數(shù)。然而這個模型一直未得到足夠的重視，直到近年來清華大學(xué)薛啟坤教授等課題組在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體和其它拓?fù)洳牧现械膶?shí)驗(yàn)中才被得以證實(shí)。

2.拓?fù)浣^緣體的理論發(fā)展

2004年Geim和Novoselov制備出單原子層的石墨烯，2005年Kane和Mele在單層石墨烯模型中引入自旋軌道耦合作用替代原先假想周期磁場，從而發(fā)現(xiàn)了與量子霍爾系統(tǒng)不同的時(shí)間反演不變拓?fù)浣^緣體，也稱作Z2拓?fù)浣^緣體[1]。首晟通過其它理論獨(dú)立的提出了量子自旋霍爾效應(yīng)[2]。三維拓?fù)浣^緣體的體能帶在費(fèi)米能級處具有能隙，在其表面卻具有無能隙的表面態(tài)。這種表面態(tài)的能量-動量色散關(guān)系具有類似于石墨烯電子態(tài)的二維狄拉克錐形結(jié)構(gòu)。和石墨烯不同的是，這種表面態(tài)除了狄拉克點(diǎn)之外都是自旋極化的（如圖1c），因此有可能直接產(chǎn)生自旋相關(guān)的效應(yīng)，這為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了全新的思路。Z2拓?fù)浣^緣體概念的提出使得人們很快發(fā)現(xiàn)大量材料屬于這一類拓?fù)浣^緣體。這大大拓寬了拓?fù)洳牧虾托?yīng)的研究范圍，使得人們看到了拓?fù)浣^緣體在未來應(yīng)用的發(fā)展前景。

左圖箭頭表示電流方向，右圖箭頭表示自旋方向。

自旋量子霍爾效應(yīng)和霍爾效應(yīng)一樣，電子在塊體的邊界上游走?；魻栃?yīng)里電子在某一個邊界上只沿一個方向運(yùn)動（如圖1），但是在自旋量子霍爾效應(yīng)中，每一個邊界上有兩條邊界態(tài)構(gòu)成的能帶，每有一個（k，+）態(tài)，那么有一個另一個能帶上對應(yīng)的（-k，-）態(tài)，這里的+-代表自旋。因此電子同時(shí)具有沿著一個方向運(yùn)動，也有沿反方向運(yùn)動的。它們數(shù)目相等從而沒有凈電流，也就是沒有霍爾電導(dǎo)。但是這兩種沿不同方向傳導(dǎo)的電子的自旋方向相反，因此有凈自旋流，而且類似于霍爾效應(yīng)，這個自旋流的電導(dǎo)是量子化的，因此稱為自旋量子霍爾效應(yīng)。自旋量子霍爾效應(yīng)和量子霍爾效應(yīng)的區(qū)別就是，沒有外加磁場。如果有外加磁場體系的時(shí)間反演對稱性被破壞，這個時(shí)候自旋量子霍爾效應(yīng)不再存在。

自旋量子霍爾效應(yīng)體系材料則是拓?fù)浣^緣體中的一種。自旋量子霍爾效應(yīng)中每個邊界上有兩個邊界能帶，這兩個能帶的手性是一樣的，因此會出現(xiàn)自旋量子霍爾效應(yīng)，但是假設(shè)我們一個邊界上有四個能帶，其中兩個能帶的手性一樣，但是另兩個能帶的手性不一樣，那么此時(shí)沿邊界上一個方向走的電子自旋可以為正，也可以為負(fù)，兩者數(shù)目相等，相消。此時(shí)既沒有電流，也沒有自旋流。因此是另一種絕緣體。這兩種絕緣體的不同是由于它們能帶的拓?fù)湫再|(zhì)不同。這里所說的是就是二維拓?fù)涞那樾?。通俗來講就是塊體內(nèi)部的電子是絕緣態(tài)，而邊緣電子由于可以隧穿能帶間的帶隙，因而邊緣態(tài)是導(dǎo)電的。

3.拓?fù)浣^緣體在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用發(fā)展

由著名物理學(xué)家費(fèi)曼于1982年在一個公開演講中提出了利用量子計(jì)算體系實(shí)現(xiàn)計(jì)算的新奇想法，并由英國物理學(xué)家杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。2012年的諾貝爾物理學(xué)獎授予法國物理學(xué)家塞爾日?阿羅什和美國物理學(xué)家戴維?瓦恩蘭，以表彰他們在量子物理學(xué)方面的卓越研究。

清華大學(xué)于2012年12月21日申請的專利201210559480.6中提出一種包括磁性摻雜拓?fù)浣^緣體量子阱薄膜器件，薄膜的材料Cry（BixSb1-x）2-yTe3，其中Cr引入的空穴型載流子和Bi引入的電子型載流子相互抵消，從而宏觀上具有量子反?；魻栃?yīng)。

而在2013年麻省理工學(xué)院的科學(xué)家在《Nature Communications》上發(fā)表文章[3]，稱可以在特定條件下，將石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浣^緣體，為量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)提供了新的思路。這表明石墨烯型拓?fù)浣^緣體在量子計(jì)算機(jī)中具有極大的潛在價(jià)值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申請的專利201610291358.3中提出具有量子反?；魻栃?yīng)的材料和由其形成的霍爾器件。器件包括拓?fù)浣^緣體基材，摻雜到基材中的三種元素分別引入電子型載流子、空穴型載流子和磁性，從而形成雙磁性摻雜拓?fù)浣^緣體。其中拓?fù)浣^緣體基材采用的是Sb2Te3材料。上述發(fā)現(xiàn)為低能耗的電子器件如晶體管的制造并最終促成全拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了元器件基礎(chǔ)。

從最近的專利與文獻(xiàn)分析中可以看出，目前的研究重點(diǎn)主要集中在中美等科研強(qiáng)國，其從自然界存在的石墨烯到人工合成的拓?fù)洳牧?，再到各種基于拓?fù)浣^緣體的元器件都有一定的研究基礎(chǔ)。

4.結(jié)論

盡管拓?fù)浣^緣體以及量子反?；魻栃?yīng)的相關(guān)理論研究已經(jīng)日漸成熟，但是其在元器件上的應(yīng)用仍然具有十分長遠(yuǎn)發(fā)展。并且通過檢索發(fā)現(xiàn)在量子反?；魻栃?yīng)領(lǐng)域的發(fā)明專利的申請量非常少，由此可見，在可以預(yù)見的將來，拓?fù)浣^緣體以及量子反?；魻栃?yīng)的相關(guān)元器件專利布局的競爭將日趨激烈。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，在新一代計(jì)算機(jī)―量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)領(lǐng)域，我們還有很長的路要走。

參考文獻(xiàn)

[1] Kane C L， Mele E J， Quantum spin Hall effect in Graphene， Physical Review Letters， 95， 226801（2005）.

第5篇：量子計(jì)算概念范文

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將超過任何超級計(jì)算機(jī)。

當(dāng)我們還在感嘆一個小小的芯片可以集成超過數(shù)億個晶體管，去年我們還認(rèn)為Intel研制出的3D晶體管是“晶體管歷史上最偉大的發(fā)明”的時(shí)候，量子計(jì)算機(jī)(Quantum Computer)便以更加驚艷的方式成為焦點(diǎn)。

在3月初舉行的美國物理學(xué)會年會上，以馬賽厄斯?斯特芬博士為首的IBM團(tuán)隊(duì)展示了他們在量子計(jì)算機(jī)方面的最新研究成果：3D超導(dǎo)量子比特(quhit)裝置及包含3個量子比特的硅晶片。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)從事半導(dǎo)體量子芯片研究的郭國平教授認(rèn)為，上述設(shè)備非常類似于我們現(xiàn)在廣泛使用的電腦芯片，采用傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)，在超導(dǎo)的金屬鋁材料上即可制備出進(jìn)行量子信息處理的芯片。

與此同時(shí)，IBM的三項(xiàng)新紀(jì)錄震動整個了物理界，他們做到了減少基本運(yùn)算誤差、保持量子比特中量子機(jī)械特性的完整性，以及將量子的相干時(shí)間(即系統(tǒng)一直進(jìn)行量子信息處理而不發(fā)生錯誤的時(shí)間)延長了2個數(shù)量級。“這一次，他們采用了一種新的三維結(jié)構(gòu)，就像用一個盒子把芯片包裹起來以避免外界的干擾，使得量子相干時(shí)間延長到100微秒，這樣每進(jìn)行10000次(以前是100次)作才出錯，因此他們的芯片可以進(jìn)行很多次的量子計(jì)算，性能比以前更為強(qiáng)大”，郭教授解釋。

這100微秒，對你我來說只是一瞬，但對于量子計(jì)算來說，卻可以同時(shí)處理百萬項(xiàng)任務(wù)。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)將信息識別為“0”或“1”兩種狀態(tài)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，就像燈泡一樣，非開即關(guān)；而量子計(jì)算則如同“薛定諤的貓”，它可以同時(shí)處理數(shù)據(jù)“1”和“0”，這就意味著兩個量子比特可以表示4個賦值，三個量子比特則可以表示8個，以此類推。不過更讓人驚異的是，最子比特所呈現(xiàn)的這種特性，就好比一盞燈可以同時(shí)處于開和關(guān)兩種狀態(tài)一樣，具有天然的并行計(jì)算能力。斯特芬博士說：“這就像我可以同時(shí)身處兩個不同地方，但是這樣的事情在現(xiàn)實(shí)世界中不可能發(fā)生?！?/p>

早在100年前，量子力學(xué)理論就開始不斷沖擊人們的既有認(rèn)知。而一個多世紀(jì)過去了，量子鬼魅般行蹤的魅力卻讓無數(shù)科學(xué)家為之傾倒。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德-費(fèi)恩曼于1982年引入量子計(jì)算的概念，至今已有越來越多的研究人員投身關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)：2007年。D-Wave公司宣稱他們制造出了世界第一臺商用量子計(jì)算機(jī)(迄今為止只賣出了一臺)；2010年，美國與澳大利亞科學(xué)家成功制造出在單晶硅表面構(gòu)成一個量子點(diǎn)的晶體管；2011年初，牛津大學(xué)的科學(xué)家首次將100億個量子比特植入高純度的硅晶體中……目前，許多政府和軍隊(duì)也在出資支持進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)研究和開發(fā)的機(jī)構(gòu)。

“正如芯片和計(jì)算機(jī)是目前信息時(shí)代的基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)，量子芯片及相應(yīng)的量子計(jì)算機(jī)有望在15-20年后成為后摩爾時(shí)代核心的信息技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)將帶來新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)升級，它將滿足未來信息社會對于海量數(shù)據(jù)處理和高性能的超級計(jì)算的強(qiáng)烈需求”，郭教授如是說。

第6篇：量子計(jì)算概念范文

關(guān)鍵詞： 量子力學(xué) 教學(xué)方法改革 創(chuàng)新思維

量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導(dǎo)等物理現(xiàn)象。作為物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)理論課，量子力學(xué)在物理學(xué)專業(yè)中具有極其重要的地位?，F(xiàn)代物理學(xué)的各個分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，并且已經(jīng)滲透到化學(xué)和生物學(xué)等其他學(xué)科。同時(shí)量子理論還具有巨大的實(shí)用價(jià)值，半導(dǎo)體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。

通過對量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)理論，還可以提高科學(xué)素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學(xué)中的概念和解決問題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學(xué)生普遍反映量子力學(xué)抽象、枯燥、難理解、抓不住重點(diǎn)，學(xué)習(xí)起來非常困難。針對以上問題，我對教學(xué)進(jìn)行了思考和探討，采用了一些切實(shí)可行的措施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握了量子力學(xué)知識，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

一、教學(xué)過程中存在的問題

在量子力學(xué)的教學(xué)過程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個問題。

1.量子力學(xué)是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學(xué)從概念到解決問題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學(xué)生習(xí)慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學(xué)，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認(rèn)為波動性和粒子性是互不相關(guān)的、相互獨(dú)立的，而量子力學(xué)認(rèn)為波動性和粒子性是微觀粒子同時(shí)具備的兩種屬性。

2.學(xué)習(xí)量子力學(xué)，數(shù)學(xué)知識是必不可少的。量子力學(xué)中有著繁雜的數(shù)學(xué)知識，例如，數(shù)學(xué)分析中的微積分，代數(shù)學(xué)中的矩陣論，數(shù)學(xué)物理方程的微分方程，復(fù)變函數(shù)，等等。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對已學(xué)過的數(shù)學(xué)知識掌握得不是很牢固，在推導(dǎo)公式的過程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對量子力學(xué)知識的理解。

3.由于量子力學(xué)的課時(shí)緊張，教學(xué)過程中采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，由教師到學(xué)生的“單向傳授”的教學(xué)形式。學(xué)生失去了主體地位，只能被動地接受知識，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高，導(dǎo)致教學(xué)效率降低。

二、量子力學(xué)的教學(xué)方法改革

1.采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式。由于量子力學(xué)的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)生很難接受，甚至認(rèn)為這門課程沒有用處。在量子力學(xué)的教學(xué)過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實(shí)驗(yàn)等各種手段相結(jié)合的教學(xué)模式，將圖、文、聲、像等信息有機(jī)地組合在一起，形象、直觀、生動，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以享受到本校的教學(xué)資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學(xué)資源，從而豐富學(xué)生的資料庫，也為各學(xué)校的師生討論交流提供一個很好的平臺。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，知識更新非?？?。在教學(xué)中，教師應(yīng)及時(shí)將與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入教學(xué)中，介紹與量子力學(xué)密切相關(guān)的課題，闡明科學(xué)技術(shù)中所蘊(yùn)含的量子力學(xué)原理。如我們在講解一維無限深勢阱時(shí)，將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一科學(xué)前沿相聯(lián)系；在講解隧道效應(yīng)時(shí)，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進(jìn)而介紹掃描探針操縱單個原子的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在教學(xué)中，我們理論聯(lián)系實(shí)際，多介紹量子力學(xué)知識與材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其他學(xué)科之間的密切聯(lián)系，重點(diǎn)介紹在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，包括新材料設(shè)計(jì)、開發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過這種方式，學(xué)生對這一部分的知識有了直觀的認(rèn)識，從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無味，同時(shí)也提高了接受新知識、學(xué)習(xí)新知識的意識和能力。

2.結(jié)合數(shù)學(xué)知識，把物理情境的建立作為教學(xué)的重點(diǎn)。量子力學(xué)可以說無處不數(shù)學(xué)，這門學(xué)科對高級數(shù)學(xué)語言的成功運(yùn)用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)雖然加深了物理問題的難度，卻維護(hù)了理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。當(dāng)然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計(jì)算，合理地修剪枝杈既能讓學(xué)生抓住重點(diǎn)，又免使學(xué)生感到量子力學(xué)只是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。對于學(xué)習(xí)量子力學(xué)的同學(xué)，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數(shù)學(xué)分析難點(diǎn)，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級估計(jì)、概念延拓對比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡單的高數(shù)和微積分、常見的常微分方程，對復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以不做講解，只對少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學(xué)個別輔導(dǎo)。例如，在求解本征方程時(shí)，只介紹動量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解；對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動方程；對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點(diǎn)介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細(xì)推導(dǎo)。

3.充分應(yīng)用類比法，講述量子力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況，在教授過程中，應(yīng)盡可能找到“經(jīng)典”對應(yīng)，應(yīng)用類比方法講述量子力學(xué)中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學(xué)的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動性，用光電效應(yīng)、康普頓散射說明光的粒子性，運(yùn)用這種方法有利于學(xué)生掌握光的波粒二象性。在將量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類比的同時(shí)，還要清楚量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學(xué)用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學(xué)用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)；經(jīng)典力學(xué)用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學(xué)用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對于量子力學(xué)中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計(jì)原理等都要與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開來，類比說明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。

4.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。量子力學(xué)的現(xiàn)代教學(xué)多以“教師講授”為主，同時(shí)配合多媒體課件輔助教學(xué)，教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)有所變化，多媒體課件教學(xué)雖然能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但仍然是“填鴨式”的教學(xué)法，沒能真正地改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。因此在教學(xué)過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵學(xué)生提問，激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過創(chuàng)設(shè)問題情境使師生互動起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性，加深學(xué)生對這門課程的理解。還要組織學(xué)生開展相關(guān)課題討論，引導(dǎo)學(xué)生自主能動地思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)語

“量子力學(xué)”是物理類專業(yè)基礎(chǔ)課程中教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，建立新的教學(xué)模式，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握這門課程。

參考文獻(xiàn)：

［1］曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)［M］.科學(xué)出版社，1997.

［2］周世勛.量子力學(xué)教程［M］.高等教育出版社，1979.

［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，（2）：29.

第7篇：量子計(jì)算概念范文

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)探索；普通高校

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0212-02

一、概論

量子力學(xué)從建立伊始就得到了迅速的發(fā)展，并很快融合其他學(xué)科，發(fā)展建立了量子化學(xué)、分子生物學(xué)等眾多新興學(xué)科。曾謹(jǐn)言曾說過，量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，也許會對21世紀(jì)人類的物質(zhì)文明有更深遠(yuǎn)的影響[1]。

地處西部地區(qū)的貴州省，基礎(chǔ)教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分?jǐn)?shù)線，從中可知：自2009年起二本線已經(jīng)低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學(xué)校來講，其生源質(zhì)量相對較低。同時(shí)，在物理學(xué)（師范）專業(yè)大部分學(xué)生畢業(yè)后的出路主要是中學(xué)教師、事業(yè)單位一般工作人員及公務(wù)員，對量子力學(xué)的直接需求并不急切。再加上量子力學(xué)的“曲高和寡”，學(xué)生長期以來形成學(xué)之無用的觀念，學(xué)習(xí)意愿很低。在課時(shí)安排上，隨著近年教育改革的推進(jìn)，提倡重視實(shí)習(xí)實(shí)踐課程、注重學(xué)生能力培養(yǎng)的觀念的深入，各門課程的教學(xué)時(shí)數(shù)被壓縮，量子力學(xué)課程課時(shí)從72壓縮至54學(xué)時(shí)，課時(shí)被壓縮25%。

總之，在學(xué)校生源質(zhì)量逐年下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿逐年降低，且課時(shí)量大幅減少的情況下，教師的教學(xué)難度進(jìn)一步增大。以下本人結(jié)合從2005至10級《量子力學(xué)》的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，談一下教學(xué)方面的思考。

二、依據(jù)學(xué)生情況，合理安排教學(xué)內(nèi)容

1.根據(jù)班級的基礎(chǔ)區(qū)別化對待，微調(diào)課程內(nèi)容?？紤]到我校學(xué)生的實(shí)際情況和需要，教學(xué)難度應(yīng)與重點(diǎn)院校學(xué)生有差別。同時(shí)，通過前一屆的教學(xué)積累經(jīng)驗(yàn)，對后續(xù)教學(xué)應(yīng)有小的調(diào)整。在備課時(shí)，通過微調(diào)教學(xué)內(nèi)容來適應(yīng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力不同的學(xué)生。比如，通過課堂教學(xué)及作業(yè)的反饋，了解該班學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，再根據(jù)班級學(xué)習(xí)狀況的不同，進(jìn)行后續(xù)課程內(nèi)容的微調(diào)。教學(xué)中注重量子力學(xué)基本概念、規(guī)律和物理思想的展開，降低教學(xué)內(nèi)容的深度，注重面上的擴(kuò)展，進(jìn)行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)的畏難心理。

2.照顧班內(nèi)大多數(shù)，適當(dāng)降低數(shù)學(xué)推導(dǎo)難度。對于教學(xué)過程中將要碰到的數(shù)學(xué)問題，可采取提前布置作業(yè)的方法，讓學(xué)生主動去復(fù)習(xí)，再輔以教師課堂講解復(fù)習(xí)，以解決學(xué)生因?yàn)閿?shù)學(xué)基礎(chǔ)差而造成的理解困難。同時(shí)，可以通過補(bǔ)充相關(guān)數(shù)學(xué)知識，細(xì)化推導(dǎo)過程，降低推導(dǎo)難度來解決。比如：在講解態(tài)和力學(xué)量的表象時(shí)[2]，要求學(xué)生提前復(fù)習(xí)線性代數(shù)中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學(xué)生掌握相關(guān)的數(shù)學(xué)知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數(shù)起了很大的推動作用。

3.注重量子論思想的培養(yǎng)。量子論的出現(xiàn)，推動了哲學(xué)的發(fā)展，給傳統(tǒng)的時(shí)空觀、物質(zhì)觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學(xué)給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識格格不入，一切不再連續(xù)變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，不愿意動手推導(dǎo)，學(xué)習(xí)興趣較低，量子力學(xué)的教學(xué)，對學(xué)生量子論思維方式的培養(yǎng)就顯得尤為重要。為了完成從經(jīng)典理論到量子理論思維模式的轉(zhuǎn)變，概念的思維方式是基礎(chǔ)、是重中之重。通過教師的講解，使學(xué)生理解量子力學(xué)的思考方式，并把經(jīng)典物理中機(jī)械唯物主義的絕對的觀念和量子力學(xué)中的概率的觀念相聯(lián)系起來，在生活中能夠利用量子力學(xué)的思維方式思考問題，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

4.跟蹤科學(xué)前沿，隨時(shí)更新科研進(jìn)展?？茖W(xué)是不斷向前發(fā)展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領(lǐng)域的最新研究成果，不能在教材中得到及時(shí)體現(xiàn)。而發(fā)生在眼下的事件，最新的東西才是學(xué)生感興趣的。因此，我們可以利用學(xué)生的這種心理，通過跟蹤科學(xué)前沿，及時(shí)補(bǔ)充量子力學(xué)進(jìn)展到教學(xué)內(nèi)容中的方式，來提高學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。教師利用量子力學(xué)基本原理解釋當(dāng)下最具轟動性的科技新聞，提高量子力學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的機(jī)會，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用基本原理解釋現(xiàn)實(shí)問題，從而培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

三、更新教學(xué)手段，提高教學(xué)效率

1.拓展手段，量子力學(xué)可視化。早在上世紀(jì)90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學(xué)輔助教學(xué)軟件，并在此基礎(chǔ)上出版了《圖解量子力學(xué)》。該書采用二維網(wǎng)格圖形和動畫技術(shù)，形象地表述量子力學(xué)的基本內(nèi)容，推動了量子力學(xué)可視化的前進(jìn)。近幾年計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的迅速提高，將計(jì)算物理學(xué)方法和動畫技術(shù)相結(jié)合，再輔以數(shù)學(xué)工具模擬，應(yīng)用到量子力學(xué)教學(xué)的輔助表述上，使量子力學(xué)可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學(xué)生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會得到提高。

2.適當(dāng)引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學(xué)生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準(zhǔn)關(guān)系時(shí)，初學(xué)者往往覺得它很難理解。由于這個原理和已經(jīng)深入人心經(jīng)典物理概念格格不入，因此初學(xué)者往往缺乏全面、正確的認(rèn)識。有學(xué)生根據(jù)漢語的字面意思認(rèn)為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時(shí)教師引入英文“Uncertainty principle”可使學(xué)生通過英文原意“不確定原理”知道，這個原理與“測量”這個動作的實(shí)施與否并沒有絕對關(guān)系，也就是說并不是測量了力學(xué)量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學(xué)中物質(zhì)的波粒二象性的基本原理。

3.提出問題，引導(dǎo)學(xué)生探究。對于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，適當(dāng)引入思考題，并指導(dǎo)他們解決問題，從而使學(xué)生得到基本的科研訓(xùn)練。比如，在講解氫原子一級斯塔克效應(yīng)時(shí)，提到“通常的外電場強(qiáng)度比起原子內(nèi)部的電場強(qiáng)度來說是很小的”[2]。這時(shí)引入思考題：當(dāng)氫原子能級主量子數(shù)n增大時(shí)，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當(dāng)確定精度要求后，微擾論在討論較高激發(fā)態(tài)時(shí)，這個n能達(dá)到多少？學(xué)生通過對問題的主動探索解決，將進(jìn)一步熟悉微擾論這個近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，還可以得到基本的科研訓(xùn)練，從而引導(dǎo)學(xué)生走上科研的道路。

4.師生全面溝通，及時(shí)教學(xué)反饋。教學(xué)反饋是教學(xué)系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對教和學(xué)雙方都具有激發(fā)新動機(jī)的作用。比如：通過課堂提問及觀察學(xué)生表情變化的方式老師能夠及時(shí)掌握學(xué)生是否理解教師所講的內(nèi)容，若不清楚可以當(dāng)堂糾正。由此建立起良好的師生互動，改變單純的灌輸式教學(xué)，在動態(tài)交流中建立良好的教學(xué)模式，及時(shí)調(diào)整自己的教學(xué)行為。利用好課程結(jié)束前5分鐘，進(jìn)行本次課程主要內(nèi)容的回顧，及時(shí)反饋總結(jié)。通過及時(shí)批改課后作業(yè)，了解整個班級相關(guān)知識及解題方法的掌握情況。依據(jù)反饋信息，對后續(xù)課程進(jìn)行修訂。

通過雙方的反饋信息，教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)中的反饋信息分析、判定學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，學(xué)生也可以根據(jù)教師的反饋，分析自己的學(xué)習(xí)效率，檢測自己的學(xué)習(xí)態(tài)度、水平和效果。同時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)行為活動和結(jié)果的反饋是教師自我調(diào)控和對整個教學(xué)過程進(jìn)行有效調(diào)控的依據(jù)[6]。

四、結(jié)論

量子力學(xué)作為傳統(tǒng)的“難課”，一直是學(xué)生感到學(xué)起來很困難的課程。特別是高校大擴(kuò)招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質(zhì)量下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿不高的現(xiàn)狀，造成了教師教學(xué)難度進(jìn)一步增大。要增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，教師不僅要遵循高等教育的教學(xué)規(guī)律，不斷加強(qiáng)自身的學(xué)術(shù)水平，講課技能，適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，采取與之相對應(yīng)的教學(xué)手段，還需要做好教學(xué)反饋，加強(qiáng)與學(xué)生的溝通交流，了解學(xué)生的真實(shí)想法，并有針對性的引入與生活、現(xiàn)實(shí)相關(guān)的事例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。

參考文獻(xiàn)：

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第8篇：量子計(jì)算概念范文

未來的計(jì)算機(jī)技術(shù)將向超高速、超小型、平行處理、智能化的方向發(fā)展。盡管受到物理極限的約束，采用硅芯片的計(jì)算機(jī)的核心部件CPU的性能還會持續(xù)增長。作為Moore定律驅(qū)動下成功企業(yè)的典范Inter預(yù)計(jì)2001年推出1億個晶體管的微處理器，并預(yù)計(jì)在2010年推出集成10億個晶體管的微處理器，其性能為10萬MIPS（1000億條指令／秒）。而每秒100萬億次的超級計(jì)算機(jī)將出現(xiàn)在本世紀(jì)初出現(xiàn)。超高速計(jì)算機(jī)將采用平行處理技術(shù)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令或同時(shí)對多個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這是改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的關(guān)鍵技術(shù)。

同時(shí)計(jì)算機(jī)將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考與判斷能力及一定的自然語言能力。除了提供自然的輸入手段（如語音輸入、手寫輸入）外，讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺的各種交互設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現(xiàn)。

傳統(tǒng)的磁存儲、光盤存儲容量繼續(xù)攀升，新的海量存儲技術(shù)趨于成熟，新型的存儲器每立方厘米存儲容量可達(dá)10TB（以一本書30萬字計(jì)，它可存儲約1500萬本書）。信息的永久存儲也將成為現(xiàn)實(shí)，千年存儲器正在研制中，這樣的存儲器可以抗干擾、抗高溫、防震、防水、防腐蝕。如是，今日的大量文獻(xiàn)可以原汁原味保存、并流芳百世。

新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)

硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展同時(shí)也意味著硅技術(shù)越來越近其物理極限，為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)從體系結(jié)構(gòu)的變革到器件與技術(shù)革命都要產(chǎn)生一次量的乃至質(zhì)的飛躍。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等將會在21世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。

量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動，從而進(jìn)行運(yùn)算。

量子計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，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(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計(jì)算機(jī)的存儲量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前個人計(jì)算機(jī)的PentiumⅢ晶片快10億倍。目前正在開發(fā)中的量子計(jì)算機(jī)有3種類型：核磁共振(NMR)量子計(jì)算機(jī)、硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)、離子阱量子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)2030年將普及量子計(jì)算機(jī)。

光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。

與電子計(jì)算機(jī)相比，光計(jì)算機(jī)的“無導(dǎo)線計(jì)算機(jī)”信息傳遞平行通道密度極大。一枚直徑5分硬幣大小的棱鏡，它的通過能力超過全世界現(xiàn)有電話電纜的許多倍。光的并行、高速，天然地決定了光計(jì)算機(jī)的并行處理能力很強(qiáng)，具有超高速運(yùn)算速度。超高速電子計(jì)算機(jī)只能在低溫下工作，而光計(jì)算機(jī)在室溫下即可開展工作。光計(jì)算機(jī)還具有與人腦相似的容錯性。系統(tǒng)中某一元件損壞或出錯時(shí)，并不影響最終的計(jì)算結(jié)果。

目前，世界上第一臺光計(jì)算機(jī)已由歐共體的英國、法國、比利時(shí)、德國、意大利的70多名科學(xué)家研制成功，其運(yùn)算速度比電子計(jì)算機(jī)快1000倍?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)，光計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步研制將成為21世紀(jì)高科技課題之一。

生物計(jì)算機(jī)（分子計(jì)算機(jī)）

生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當(dāng)，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。

20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA)處于不同狀態(tài)時(shí)可以代表信息的有或無。DNA分子中的遺傳密碼相當(dāng)于存儲的數(shù)據(jù)，DNA分子間通過生化反應(yīng)，從一種基因代瑪轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼。反應(yīng)前的基因代碼相當(dāng)于輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼相當(dāng)于輸出數(shù)據(jù)。如果能控制這一反應(yīng)過程，那么就可以制作成功DNA計(jì)算機(jī)。

蛋白質(zhì)分子比硅晶片上電子元件要小得多，彼此相距甚近，生物計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。DNA分子計(jì)算機(jī)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(jìn)制數(shù)據(jù)。DNA計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以生物計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與生物活體相聯(lián)。預(yù)計(jì)10～20年后，DNA計(jì)算機(jī)將進(jìn)入實(shí)用階段。

納米計(jì)算機(jī)

“納米”是一個計(jì)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(shù)是從80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)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(chǎn)品。

現(xiàn)在納米技術(shù)正從MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）起步，把傳感器、電動機(jī)和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積不過數(shù)百個原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。

目前，納米計(jì)算機(jī)的成功研制已有一些鼓舞人心的消息，惠普實(shí)驗(yàn)室的科研人員已開始應(yīng)用納米技術(shù)研制芯片，一旦他們的研究獲得成功，將為其他縮微計(jì)算機(jī)元件的研制和生產(chǎn)鋪平道路。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)蔓延與提升

今天人們談到計(jì)算機(jī)必然地和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，一方面孤立的未加入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)越來越難以見到，另一方面計(jì)算機(jī)的概念也被網(wǎng)絡(luò)所擴(kuò)展。二十世紀(jì)九十年代興起的Internet在過去如火如荼地發(fā)展，其影響之廣、普及之快是前所未有的。從沒有一種技術(shù)能像Internet一樣，劇烈地改變著我們的學(xué)習(xí)、生活和習(xí)慣方式。全世界幾乎所有國家都有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)直接或間接地與Internet相連，使之成為一個全球范圍的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。人們可以通過Internet與世界各地的其它用戶自由地進(jìn)行通信，可從Internet中獲得各種信息。

回顧一下我國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，就可以感受到互聯(lián)網(wǎng)普及之快。近三年中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)對我國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀況的調(diào)查表明我國的Internet發(fā)展呈現(xiàn)爆炸式增長，2000年1月我國上網(wǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)為350萬臺，2001年的統(tǒng)計(jì)數(shù)為892萬臺，翻一番多；2000年1月我國上網(wǎng)用戶人數(shù)890萬；2001年1月的統(tǒng)計(jì)數(shù)為2250萬人，接近于3倍；2000年1月CN下注冊的域名數(shù)為48575，2001年1月的統(tǒng)計(jì)數(shù)為122099個，接近于3倍；國際線路的總?cè)萘磕壳斑_(dá)2799M，8倍于2000年1月的351M。

人們已充分領(lǐng)略到網(wǎng)絡(luò)的魅力，Internet大大縮小了時(shí)空界限，通過網(wǎng)絡(luò)人們可以共享計(jì)算機(jī)硬件資源、軟件資源和信息資源?！熬W(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”的概念被事實(shí)一再證明，被世人逐步接受。

在未來10年內(nèi)，建立透明的全光網(wǎng)絡(luò)勢在必行，互聯(lián)網(wǎng)的傳輸速率將提高100倍。在Internet上進(jìn)行醫(yī)療診斷、遠(yuǎn)程教學(xué)、電子商務(wù)、視頻會議、視頻圖書館等將得以普及。同時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建將成為眾多公司競爭的主戰(zhàn)場，未來我們可以通過無線接入隨時(shí)隨地連接到Internet上，進(jìn)行交流、獲取信息、觀看電視節(jié)目。

移動計(jì)算技術(shù)與系統(tǒng)

隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用、無線移動通信技術(shù)的成熟以及計(jì)算機(jī)處理能力的不斷提高，新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。移動計(jì)算正是為提高工作效率和隨時(shí)能夠交換和處理信息所提出，業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

移動計(jì)算包括三個要素：通信、計(jì)算和移動。這三個方面既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。移動計(jì)算概念提出之前，人們對它們的研究已經(jīng)很長時(shí)間了，移動計(jì)算是第一次把它們結(jié)合起來進(jìn)行研究。它們可以相互轉(zhuǎn)化，例如，通信系統(tǒng)的容量可以通過計(jì)算處理（信源壓縮，信道編碼，緩存，預(yù)?。┑玫教岣摺?/p>

移動性可以給計(jì)算和通信帶來新的應(yīng)用，但同時(shí)也帶來了許多問題。最大的問題就是如何面對無線移動環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)。在無線移動環(huán)境中，信號要受到各種各樣的干擾和衰落的影響，會有多徑和移動，給信號帶來時(shí)域和頻域彌散、頻帶資源受限、較大的傳輸時(shí)延等等問題。這樣一個環(huán)境下，引出了很多在移動通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中未遇到的問題。第一，信道可靠性問題和系統(tǒng)配置問題。有限的無線帶寬、惡劣的通信環(huán)境使各種應(yīng)用必須建立在一個不可靠的、可能斷開的物理連接上。在移動計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，移動終端位置的移動要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行配置和更新。第二，為了真正實(shí)現(xiàn)在移動中進(jìn)行各種計(jì)算，必須要對寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行支持。第三，如何將現(xiàn)有的主要針對話音業(yè)務(wù)的移動管理技術(shù)拓展到寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第四，如何把一些在固定計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的成熟技術(shù)移植到移動計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中。

第9篇：量子計(jì)算概念范文

能耗是個大問題

為突破“摩爾定律”的極限，除了不斷提升集成電路計(jì)算機(jī)運(yùn)算效率，各種新型計(jì)算機(jī)也在科學(xué)家腦中醞釀。以量子計(jì)算機(jī)為例，其基本數(shù)據(jù)單位依然是比特0或1。但與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，一個量子比特可以同時(shí)表現(xiàn)為0和1，兩個量子比特就是00、01、10、11四種狀態(tài)。以此類推，300個量子比特承載的數(shù)據(jù)量便可達(dá)到2的300次方，超過整個宇宙的原子數(shù)量總和，由此帶來運(yùn)算速度的極大提升。

除了提高性能，降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能耗更是個棘手問題。據(jù)專家介紹，目前國際上高性能計(jì)算的主流體系結(jié)構(gòu)，都建立在上世紀(jì)40年代馮·諾伊曼的理論之上，隨著時(shí)展已面臨不少瓶頸。例如，實(shí)際應(yīng)用性能僅有峰值性能的5%10%，許多性能被“放空”；用戶無法根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求自主參與計(jì)算控制，實(shí)用性差。這兩個缺陷導(dǎo)致計(jì)算系統(tǒng)能耗高居不下，目前位列世界前10名的高性能計(jì)算系統(tǒng)功耗均在數(shù)兆瓦以上，相當(dāng)于一個中等城市公共照明用電的總量。各大互聯(lián)網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)中心能耗同樣驚人，谷歌公司云計(jì)算中心每天的耗電量和整個日內(nèi)瓦市的耗電量相當(dāng)。如果未來計(jì)算機(jī)只是簡單地做服務(wù)器數(shù)量疊加，而不考慮能耗問題，其用電成本將是天文數(shù)字。

向結(jié)構(gòu)體系動刀

如何讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的高效能運(yùn)算？鄔江興院士大膽選擇了向整個計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)“動刀”，提出了一種全新的“PRCA體系結(jié)構(gòu)”。在這種新體系下，計(jì)算機(jī)變得更加“聰明”，它不僅能分析、識別各種應(yīng)用的類型、需要動用的計(jì)算資源，還能據(jù)此“調(diào)兵遣將”，做到“減有余，補(bǔ)不足”。例如，一個由100臺服務(wù)器組成的數(shù)據(jù)中心，50臺用于處理和電子郵件相關(guān)的指令，50臺用于提供視頻點(diǎn)播服務(wù)。在傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)下，這種任務(wù)分派是一成不變的；但在PRCA架構(gòu)下，如果視頻服務(wù)過于集中，50臺服務(wù)器應(yīng)接不暇，那么原本為郵件服務(wù)待命的服務(wù)器，也能　“增援”。這樣一來，計(jì)算機(jī)資源的可持續(xù)利用率提高，硬件的更新?lián)Q代頻率有可能將不再頻繁。由于所有的計(jì)算能力都用在“刀刃”上，整個系統(tǒng)能耗也大大降低。

和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)　“鐵板一塊”的體系架構(gòu)不同，這種新概念計(jì)算機(jī)最大的特點(diǎn)是“會認(rèn)知”、“柔性可變”。當(dāng)外界指令輸入，算核能根據(jù)需要組合出不同的CPU、GPU或者存儲器結(jié)構(gòu)來支持運(yùn)算。結(jié)構(gòu)變成什么樣子，完全取決于指令的內(nèi)容。鄔江興院士將此類比為碳原子碳原子排列結(jié)構(gòu)不同，既可以產(chǎn)生出世界上最堅(jiān)硬的金剛石，也能夠變成較柔軟的石墨。

顛覆性創(chuàng)新有待驗(yàn)證

這種動態(tài)可變的體系架構(gòu)，通過軟件和硬件的共同創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)。軟件方面包括一系列新型系統(tǒng)，硬件則涉及CPU、存儲結(jié)構(gòu)等方面的改革。對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來說，這相當(dāng)于一次頗具顛覆性的創(chuàng)新，需要進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。項(xiàng)目組也坦言，目前學(xué)界對此尚有不同看法和意見。但至少有一點(diǎn)已在業(yè)內(nèi)達(dá)成基本共識：從具體的應(yīng)用需求出發(fā)，重新設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“智能”調(diào)配資源，很可能是未來高效能計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向。