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量子计算的运用范文1
论文摘要:本文介绍了量子计算纠缠和量子比特的基本概念，系统阐述了几种主要的量子算法:Shor算法———大数质因子分解的量子算法;Grover搜索———无序数据库的搜索;Hogg搜索———高度结构化搜索。在对量子计算基本理论和量子算法有一定认识的基础上，进一步介绍了在量子计算实验方面起重要作用的二种体系:核磁共振、腔与原子体系。
Abstract:In this thesis，several basic conceptions of quantum computation are introduced，such as entanglement，quantum bit.Several kinds
of main quantum algorit hms are illustrated，such as Shor algorit hm-t he quantum algorit hm for factoring，Grover search-t he search for t he disordering
database，Hogg search-high structurization search.On t he basis of knowledge of basic t heories of quantum computation computing and quantum algo
2
rit hm，two kinds of systems which play important role in t he experiment of quantum computation was introduced，Nuclear magnetic resonance and cavi
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ty atom system.
Key words:Quantum algorithm Quantum computation Quantum bit Entanglement
量子计算是量子物理与计算机科学交汇而生的一门新兴学科。它的出现实质上是量子物理学向物质、能量和信息这三大领地的最后一块信息领域的进军。
一、量子计算的基本理论
1、纠缠
1935年，Schr dinger首先给出了纠缠态的定义:由空间分离的两个子系统构成的纯态，如果系统波函数不能分解为两个子系统波函数的乘积，那么这样的波函数表示的态称作两个粒子的纠缠量子态。1935年，Einstein，Podolsky和Rosen首先讨论了一个具体的两粒子纠缠量子态。在这个著名的实验中，两粒子的纠缠量子态为:|Ψ〉=∑a，bδ(a+b-c0)|a|b〉
其中a，b分别为粒子1和粒子2的位置或动量，C0为常数。这个纠缠态的一个最明显的特征是:其中任何一个子系统的物理量的观测值(位置或动量)都是不确定的。但是，如果其中的一个子系统的物理量的观测值处于一个确定的值，那么我们就可以确定另外一个子系统的相应物理量观测值。
2、量子比特
量子比特有微观体系表征，如原子、核自旋或光子等。|1>和|0>可以由原子的两个能级来表示，也可以由核自旋或光子的不同极化方向来表征。与经典比特显著不同的是，量子比特|1>和|0>之间存在着许多中间态，即|1>和|0>的不同迭加态，例如12(|0>+|1>)表示一个两子比特同时存储着0和1。因此，对于位数相同的n个比特，量子比特可以存储2n倍的经典比特所能存储的信息。对于两个量子比特的体系，其完备基由四个布尔态|00>、|01>、|10>和|11>组成。考虑它们之间的迭加，我们可以发现，|10>+|11>=|1>(|0>+|1>)，这是由两个量子比特构成的直积空间。而|11>+|00>或|01>+|10>则不能再写成直积形式。后面这种情况就是前面提到的纠缠。对于一个处于纠缠状态的体系，我们不能确切地指出其中某一个量子比特是处于|1>还是|0>。更一般的纠缠态是处于2n个布尔态的n个经典比特组成的迭加态。|Ψ〉=∑11…1x=00…0Cx|x〉其中Cx可以是复数并且满足∑x|Cx|2=1。当Cx=12n时，称为等幅迭加态。这种等幅迭加态在以下要介绍的各量子算法中经常被用作初态。从上式也能看出，|Ψ>是一个2n维的Hilbert空间中的一个单位矢量。它所在空间的维数是随n呈指数型增长，这明显区别于经典体系中随n呈线性增长的态空间。在一个孤立的量子体系中，对态的操作应是幺正的、可逆的。因此，我们构造的量子逻辑门也应满足这个特征。
二、量子算法
1、Shor算法———大数质因子分解的量子算法
用经典计算机来进行大数质因子分解，随着N的增大，所需比特数(即内存)是呈指数倍的增长。按照组合数学理论，当计算规模随着问题的难度呈多项式型增长时，该问题为P(Polynomial)问题。对于P问题，我们在有限的时间内总能找到办法求得它的解。对于我们在有限的时间内不可能找到办法求得解的问题称之为NP(Non-Polynomial)问题。目前世界上应用最广也是最成功的加密方法-公开密钥RSA系统的核心思想就是利用大数在有限时间内不可有效质因子化这一结论。1995年，P.W.Shor提出一种量子算法，能将这一著名的NP问题化为P问题，矛头直指RSA方法，从而在全球掀起了量子计算的研究热浪。在Shor算法中，寻找一个大数的质因子问题被转化为寻找其余因子函数的周期。只要该周期被找到，并且为一个偶数，那么利用剩余定理，就能得到该大数的质因子。给定整数N，选取一个与N互质的数a(a
不难看出，fa，N(x)的变化是有规律的，其变化周期为r=4。知道了这个周期，就可以利用孙子定理:设A=ar/2+1，B=a
r/2-1，其中r必须为偶数，且ar/2mod(N)≠1。求出A、B之后，再分别求A、N和B、N的最大公约数(gcd)。设C=gcd
(A，N)，D=gcd(B，N)那么一定有C×D=N，即N被成功地质因子化。Shor算法的关键在于求出大数N的余因子函数的周期r。不过，由于余因子函数的周期r不能在量子计算中被有效测出，因此在Shor算法中需借助量子离散傅立叶变换，将余因子函数的周期换成另一个可测的周期。
2、Grover搜索:无序数据库的搜索
Grover提出了一种算法:利用量子态的纠缠特性和量子并行计算原理，可以用最多n步的搜索寻找到所需项。Grover算法的思想极为简单，可用一句话“振幅平均后翻转”来概括。具体说来是以下几个基本步骤:
①初态的制备。运用Hadamard门将处于态|0>和|1>的各量子比特转化为等幅迭加态。
②设数据库为T[1，2，，N]共，n项。设其中满足我们要求的那一项标记为A。于是在T中搜索A类似于求解一个单调函数的根。运用量子并行计算可以将A所在态的相位旋转180°，其余各态保持不变。即当T[i]=A时，增加一个相位eiπ。
③相对各态的振幅的平均值作翻转。这一操作由幺正矩阵k1，k2…knD完成，其表达式为Dij=2/N，Dij=-1+2/N。
④以上②③两步可以反复进行，每进行一次，称为一次搜索。可以证明，最多只需搜索N次，便能以大于0.5的几率找到我们要找的数据项。Grover算法提出之后，引起了众人极大的兴趣。Grover算法中的翻转方法不仅被证明是最优化的搜索方式，而且也是抗干扰能力极强的方法。
3、Hogg搜索:高度结构化搜索
前面介绍过的NP问题中有一类名为可满足性问题(Satisfiability Problem，简称SA T问题)。一个典型的SA T问题是包括有n个变量的一个逻辑公式，要求给予其中每个变量一个赋值使逻辑公式为真。数学上已证明，解决SAT问题的代价是随着变量数的增加而呈指数型增长。然而对于某些简单的情况，人们可以利用问题中具有的规则结构来迅速准确地搜索出问题的解。例如对于1-SAT问题，用经典试探法进行搜索，找出解的代价为最多需用n步。对于量子计算而言，由于能进行量子并行计算，因而可以仅以一步的代价找出1-SAT问题的解。下面以有m个逻辑子句的1-SAT问题为例。与Grover搜索相似，我们先在n个量子比特上制备一个等幅迭加态作为初始态，即|Ψ〉=2-n/2∑n-1s=0|S〉。另外，我们需设计好两种幺正操作R和U，其中R为对角矩阵，其归一化对角元为Rss=2cos[(2c-1)π/4] m=偶数ic
m=奇数。(3.3.1)式中的c(0
转贴于 对于以上1-SAT问题，显然有m个变量是约束的，而剩余的n-m个非约束的变量则对应于2n-m个解。对于1-SAT问题，用Hogg算法能决定性地一步找到解。如果通过一步逻辑操作未能明确地发现解，则意味着该
问题无解。不难看出，Hogg搜索的效率远高于上节介绍的Grover搜索。这两种搜索的差别在于，Hogg搜索利用了数据库的结构信息，因而能将一个NP问题转化为P问题。而Grover算法解决不了N P问题，它相对于经典搜索只是提高了搜索效率。Hogg搜索的另一个优势在于具有强的抗消相干能力。由于它的逻辑步数少，因而消相干效应对其影响非常小。
三、量子计算实验
与量子计算理论方面的飞速进展相比，量子计算的实验进展则要慢得多。本章主要介绍二种体系:核磁共振和腔与原子体系。
1、核磁共振(NMR)
核磁共振技术是目前在量子计算领域使用最为频繁的实验手段。运用这一技术手段，操作作用在1023数量级的分子系综的自旋态上，通过测量，得到这些分子的平均自旋态。虽然每个分子的自旋都可能不尽相同，但通过spin-e2cho技术可以按我们的意愿改变个别分子的自旋方向。由于核磁共振体系实质上是一个宏观系综，因而外部环境对它的消相干的影响极小。且样品的核自旋处于近独立的状态，几乎不受电子和分子的热运动的干扰。但是，宏观系综原则上没有量子特性，只有纯粹的量子系综才具有量子纯态的特征。只有当它被制备到一个特殊状态—赝纯态时，才能完成量子计算的工作。下面举例介绍实现两量子比特的Grover搜索的实验。实验中所用样品为C-13同位素标记的氯仿HCCL3。实验中用碳和氢的核自旋来标记|1>和|0>，其中13C的中心共振频率约为125MHz，1H的中心共振频率约为500M Hz。实验体系的哈氏量为H=2πnhJ ICZ IHZ+PH
2、腔与原子体系
腔量子电动力学(C-QED)体系是另外一种可以进行量子计算的量子系统。腔量子电动力学体系之所以可以实现对两位量子信息进行处理量子系统，一个重要原因就是腔中的辐射场与原子具有很强的非线性相互作用，这种相互作用的演化导致腔场和原子体系的本征态处于纠缠态。腔量子电动力学体系包含光腔和微波腔。这里我们主要介绍微波腔体系中应用Rydberg原子与微波腔相互作用实现的条件量子相移门(QPG)。条件量子相移门(QPG)需要对两量子位的如下变换:
|a，b〉ex p(i，|b>分别代表两量子位的基矢|0>或|1>，而δa，1，δb，1为通常的克隆尼克符号。条件量子相移门(QPG)在两个量子态都处在|1>时，产生一个=|0>或1个光子的腔场|a>=|1>而，目标量子位是Rydberg原子的两个能级|i>(定义|b>=|0>)和|g>(定义为|b>=|1>)。
实验中应用的Rb原子的能级除了目标量子位两个Ry2dberg原子的能级|i>和|g>以外，还包括一个相关的能级|e>。三个相关的Rydberg原子态分别代表Rb原子的主量子数n=51(|e>)，n=50(|g>)和n=49(|i>)。原子的能级|e>和|g>与微波腔场发生共振相互作用，而原子能级|g>和|i>之间通过另外的微波场产生耦合。当原子处于能级|i>或者腔场处于|0>，原子与腔场的系统状态不发生变化，而当原子腔场的初始处于|g，1>态时，控制原子的速度使原子|g>与|e>量子态在腔场中经历一个2π的拉比振荡，|g，1>态演化为-|g，1>=exp(πi)|g，1>。因而系统的演化可以描述为:|a，b〉ex p(iπδa，1δ
b，1)|a，b〉这个过程实际实现了相移为π的条件量子相移门(Q P G)。
参考文献:
①L.Isaac，G.Neil，K.Mark.Experimental Implemen2tation of Fast Quantum Searching[J].Phys.Rev.Lett.1998，
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San Francisco:Freeman Press，1997
量子计算的运用范文2
摘要：本文针对大学化学的学科特点，从四个方面探讨了量子化学计算软件在大学化学教学的应用实例。运用形象直观的量子化学软件，结合多媒体教学手段，将枯燥、深奥、抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、直观、立体的形式呈现出来，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见、生动活泼的学习氛围，从而开拓学生思路，激发学生学习兴趣。结果表明，该方法对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程的教学方法。
关键词：量子化学；密度泛函理论；计算化学；Gaussian 09
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）50-0176-04
传统的化学是一门实验科学，它的发展已经经历了几千年的时间。发展至今，化学科学已经成为了包含有机化学、无机化学、物理化学、生物化学、分析化学、实验化学、理论化学、应用化学、精细化学、材料化学等众多子学科的中心学科。在大学化学基础理论的教学中，涉及很多抽象的化学知识和概念，比如原子、分子及晶体结构等，无法通过肉眼进行直接观测，而且微观结构难以用宏观模型进行科学的描述。传统的教学模式很难满足学生学习化学的需求，这就需要引入新型的先进教学方法和手段。上个世纪20年代开始形成了一门新的化学子学科――量子化学。量子化学是用量子力学原理研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论，以及无机和有机化合物、生物大分子和各种功能材料的结构和性能关系的科学[1]。理论与计算化学能渗透到化学领域的很多方面，与其他学科交叉，并形成了很多分支学科，例如：物理化学方面，我们可以通过量子化学方法计算分子的热力学性质、动力学性质、光谱性质、固体的化学成键性质等，从而形成了量子电化学、量子反应动力学等子学科；在有机化学方面，可以通过量子化学计算预测异构体的相对稳定性、反应中间体性质、反应机理与谱学性质（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有机化学；在分析化学方面，可以借助于计算化学进行实验光谱的解析等；无机化学方面，可以进行过渡金属化合物的成键性质的解析等，并形成了量子无机化学；在生物化学领域中，也可以通过理论计算研究生物分子活性中心结构、结构环境效应、酶与底物相互作用等，并逐渐产生了量子生物化学。随着计算量子化学方法与计算机科学的发展，本世纪有望在复杂体系的精确量子化学计算研究方面取得较大进展，从而更好地从微观角度去理解和预测宏观化学现象。本文通过四个教学实例，运用形象直观的量子化学软件，结合多媒体教学手段，将枯燥、深奥、抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、直观、立体的形式呈现出来，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见、生动活泼的学习氛围，从而开拓学生思路，激发学生学习兴趣。结果表明，该方法对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程的教学方法。
一、常用量子化学软件Gaussian/GaussView简介
Gaussian软件是一个功能强大的量子化学综合软件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系统中运行，是在半经验计算和从头计算中使用最为广泛的计算化学软件之一。该软件可以计算分子的能量和结构、键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径等。该软件的量子化学计算可以对体系的基态或激发态执行，可以预测周期体系的能量，结构和分子道。因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响、化学反应机理、势能曲面和激发能等等，因此我们可以从微观角度去理解和预测很多宏观的化学性质及现象。Gaussian计算软件经常与相应的可视化软件GaussView连用。目前Gaussian软件的最新版本是Gaussian 09[2]。
二、量子化学理论及软件在大学化学教学中的应用实例
1.分子稳定性预测。1，3-丁二烯分子中的碳-碳单键能够自由旋转，因而理论上可以形成顺式和反式异构体。那么两种异构体的热力学稳定性如何？我们可以通过理论计算给出合理的预测。运用密度泛函理论（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我们分别优化了顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的几何结构，并做了频率分析。频率计算无虚频，说明所得到的顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均为最小点。图1给出了B3LYP/6-31G*优化得到的顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的几何结构和相对应的分子的能量。理论计算结果表明，相对于顺式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大约低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的热力学稳定性更强，这就解释了为什么实验上没有发现顺式-1，3丁二烯构象的存在。
2.分子的红外吸收光谱和振动模式。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外光谱法的工作原理是由于振动能级不同，化学键具有不同的频率。因此，通过理论上的频率计算，就可以相应地得到分子的红外吸收光谱，并可以与实验得到的红外光谱进行比较。以最常见的H2O为例，基于水分子稳定点，通过DFT理论，在B3LYP/6-31G*水平计算了H2O分子的频率，并得到了相应的红外光谱图。如图2所示，在计算的水分子的红外光谱图中，一共有三个吸收峰，理论值与实验值（括号内的数值）是一致的。并且按照波数从小到大，分别对应H2O分子中O-H键的三种振动模式，分别是剪式振动，对称性伸缩振动，非对称的伸缩振动模式。通过理论计算和图形界面的动画演示，有利于加强学生对红外光谱的理解。
3.苯的前线分子轨道。分子轨道理论是结构化学教学的重点和难点内容之一。分子轨道理论是指当原子组合成分子时，原来专属于某个原子的电子将在整个分子范围内运动，其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个分子所共有的分子轨道。关于分子轨道的概念非常抽象，单纯从理论和数学的角度学生难以理解[3，4]。如果能够结合量子化学软件将分子轨道图形化，有助于学生深入理解该理论。以苯分子的分子轨道计算为例，简单说明量子化学在结构化学教学中的应用。苯分子中有6个碳原子，6个π电子。这6个π电子杂化成6个π型分子轨道，其中三个成键轨道三个反键轨道。图3是通过Gaussian 09软件，在B3LYP/6-31G*水平计算得到苯分子的所有π型轨道，并通过GaussView可视化软件，将这6个π轨道显示出来。从图3中可以看出，这6个π型分子轨道的节面数分别是0，1，2或3。这6个π型轨道共有四个能级，节面为1和2的分子轨道，分别有两个简并能级。
4.溶剂化显色效应的模拟及其机理解释。溶剂分子能引起溶质吸收带的位置，强度，甚至谱线形状的变化[5]。这种现象称为溶剂化显色现象。在从微观结构研究溶剂对噻吩类化合物结构及性能影响方面，理论计算起着越来越重要的作用。图4（a）展示了含时密度泛函（TD-DFT）方法计算得到的齐聚噻吩的吸收光谱图，谱线按Lorentzian线形展开，从气相到强极性的水溶液，聚噻吩的吸收光谱发生了红移现象，与实验现象一致。根据Frank-Condon原理，垂直激发通常伴随着电荷的重新分布，因此激发过程可能会导致溶质偶极矩和能量发生变化。基于此，我们采用完全活性空间自洽场方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分别计算了二噻吩气相与溶液中基态和第一单重激发态的能量。如图4（b）所示，随着溶剂极性的增加，基态和激发态能量均随着溶剂极性增加而降低，但是激发态的能量降低的比基态的能量降低的要多一些，从而从本质上解释了噻吩吸收光谱发生红移的原因[6]。
运用量子化学计算软件Gaussian 09和可视化软件GaussView，结合多媒体技术，将大学化学教学中抽象难懂的化学知识以一种形象、直观、易于理解的形式呈现出来，有利于学生更加深入形象地理解化学知识，还能提高学习效率，对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促M作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程教学的方法。
参考文献：
[1]Lewars，E. Computational Chemistry-Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics，Kluwer Acadamic Publishers：New York，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2004：1-5.
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[4]刘杨先.量子化学Gaussian软件在“燃烧学”教学中的应用[J].课程教材改革，2012，（19）：41-42.
量子计算的运用范文3
关键词 囚禁离子；量子计算；富勒烯理论模型
中图分类号 O4-0 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）161-0119-02
1 国内外研究现状分析
量子计算与量子信息，是当今一项富有挑战意义的科学前沿课题。众所周知，量子计算就是利用量子效应和量子算法来实现的超级并行计算机，拥有比经典计算机更强大的计算能力。目前的工作热点是量子模拟和量子计量；固态系统是解决量子计算的最佳途径。目前有希望实现量子计算的系统主要有：离子阱、核磁共振、量子点和富勒烯等，其中富勒烯的应用前景引人注目。由于化学性质和形成机理相似性，不难将富勒烯分子嵌入单壁碳纳米管。这种单壁碳纳米管内嵌富勒烯系统不但可以形成特定自旋链结构，而且因为处于碳纳米管中，相干性保持就大为提高。单壁碳纳米管富勒烯系统中的量子纠缠产生，量子态传输以及单自旋测量等量子信息过程实现，是实现真正意义的规模量子计算必须要解决的难题。
当今国际上有很多研究小组针对富勒烯做了深入研究，设计了很多量子计算方案，包括电子自旋实现方案，核自旋实现方案，原胞自动机实现方案等。我国在富勒烯基础研究方面开展工作的有中国科学院物理研究所、武汉数学与物理研究所、北京大学等，并取得一些实质性进展，如富勒烯合成，量子信息逻辑操作、单自旋测量和量子态读出。尽管理论上已有不少研究，但从实验上实现富勒烯系统量子计算是极其困难的。至今几乎没有富勒烯量子计算实验的报道。这主要在于对富勒烯中内嵌的电子自旋的操作和探测极其困难。量子模拟是解决这种在实验上实现困难的一个有效途径。量子模拟是用一个可控的量子体系去模拟另一个难以控制的量子体系，这也是费曼当年提出量子计算这一思想的本意。相对于量子计算，量子模拟对量子资源的要求较低，在极少的量子比特上完成的量子操作可以是很好的量子模拟的工作。
囚禁在电磁势阱中的超冷离子是目前在冷却、囚禁和量子操控等方面最稳定的体系之一，理论工作包括在线型离子阱中实现量子纠缠，量子算法、量子纠错以及远距传态。最近完成的量子模拟的实验工作包括模拟Dirac方程和相对论效应、自旋体系的阻挫现象等。在这些工作中，超冷离子体系的干净和近乎孤立的环境以及快速、精确的相干操作保证了高品质量子计算操作的完成。所以科研人员就很自然地想到用离子阱来模拟其它体系的动力学行为，利用现有的成熟理论和技术，模拟实现目前在理论上相当成熟而实验上难于控制的系统。这是目前比较热门的研究方向之一。
中国科学院武汉物理与数学研究所已经建成了一台专门用于量子信息处理研究的线型离子阱，已经成功束缚了40Ca离子，获得了离子的云态和1-4个离子的晶态，离子冷却温度已接近多普勒冷却的极限。我们拟利用超冷离子模拟富勒烯自旋链，模拟该体系的量子纠缠、信息传输和测量，研究外磁场、各种耦合参数和退相干对量子纠缠、量子态传输以及单自旋测量的影响。用囚禁离子来做量子模拟主要缘于富勒烯系统和囚禁离子系统具备的很多相似性和相通性，这种天然的优势使得我们利用囚禁离子来模拟富勒烯系统成为可能。
碳纳米管不仅给富勒烯串的形成创造了有利条件，同时还给富勒烯串提供了严格保护，使其基本不受外部环境的干扰。内嵌富勒烯原子实际上成为一个近乎完美的人造原子；超冷离子体系的干净和近乎孤立的环境可以与内嵌富勒烯原子媲美。二者都是基于自旋偶极相互作用来实现量子逻辑门，而超冷离子之间能很方便地产生这样的相互作用。二者在系统调控方面也都一样，都可以利用梯度磁场来实现自旋阵列的独立寻址，都利用外磁场、微波或射频脉冲来对系统进行调控和完成逻辑门操作；对两系统的理论近似处理方法也一样，都可利用强场近似、强耦合近似、旋波近似、平均场方法和密度泛函方法等。同时离子阱优于富勒烯系统在于对量子信息地读出相对容易。
本人从事过Heiseberg交换模型的相关问题研究，主要是构建特定型富勒烯串理论模型。利用密度泛函方法（DFT）、LSDA方法，针对富勒烯系统构建一个Heiseberg自旋链模型，例如Hubbard-Anderson模型，通过一些近似手段、采用解析求解和数值模拟的方法对系统进行分析。借助前面的理论基础，本人拟开展对富勒烯量子比特相互作用的量子模拟，本研究旨在探讨多量子比特的固态量子信息处理；最核心的问题是如何有效地压制退相干、提高量子操控效率和提高传输保真度，将有助于验证基于富勒烯量子信息处理的各种方案。将探讨外磁场和各种耦合因素以及各种退相干因素的联合效应在纠缠、信息传输和测量中的表现，得出量子纠缠度、传输保真度和量子测量极化强度以及对耦合参数、外磁场、时间的依赖关系。
2 研究的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
1）研究的目标：（1）研究富勒烯系统的囚禁离子量子模拟。模拟富勒烯系统中多体纠缠、量子信息传输和测量等量子力学过程；（2）为真正实验上实现富勒烯量子计算和发展基于富勒烯系统的的新型量子器件提供理论和实验参考。2）研究的内容：（1）单壁碳纳米管中富勒烯系统理论简化模型的建立和求解，用Heiseberg交换作用来描述富勒烯之间的耦合，实现高保真度量子态在自旋链中的传输；（2）囚禁离子量子模拟富勒烯系统的方案探讨。探讨利用梯度磁场实现阵列中各个离子的独立寻址；利用射频脉冲结合激光完成逻辑门操作；模拟富勒烯的电子自旋偶极相互作用。探讨如何完成信息传输。3）拟解决的关键问题是富勒烯链理论模型的建立和囚禁离子的量子模拟。富勒烯链理论模型的建立：构建模型，给出系统的具体数学描述；对系统哈密顿量进行简化和求解（包括解析和数值求解）；计算体系的纠缠、信息传输的保真度和极化强度等。囚禁离子的量子模拟：囚禁离子模拟富勒烯的实现方案；探讨梯度磁场下的离子耦合；探讨射频脉冲结合激光完成逻辑门操作和高保真的量子态（单粒子态和多粒子量子纠缠态）的制备等。
3 拟采取的研究方法
该研究工作主要分为3个步骤，并采用了相应的研究方法。第一步，给出合理的物理模型。对于单壁碳纳米管定型富勒烯Heisenberg自旋链式结构，利用密度泛函方法和拓扑斯理论以及平均场方法、旋波近似等，得到合适的系统Hamiltonian，进行解析求解和数值模拟；第二步， 计算各种特征物理量。根据真实的物理条件和量子信息处理的需要，对系统进行适当的简化，计算体系的纠缠、信息传输的保真度和极化强度等物理量；第三步，提出离子阱量子模拟富勒烯串的方案。设计量子逻辑操作的激光脉冲和重聚束脉冲，探索模拟系统的量子力学基础问题（如纠缠、信息传输、测量等），研究纠缠对环境涨落等多重退相干机制的压制。
4 研究步骤
第一阶段，利用密度泛函理论、计算系统中电荷与自旋分布。在强磁场和弱射频脉冲下，基于旋波近似和平均场近似，导出简化模型，并对系统进行解析求解和数值计算。研究系统中多体量子纠缠、信息传输和测量；第二阶段，完成离子阱对富勒烯串量子模拟，探讨利用梯度磁场实现阵列中各离子的独立寻址；利用射频脉冲结合激光完成逻辑门操作；模拟富勒烯的电子自旋偶极相互作用；第三阶段，在离子阱模拟系统中实现量子信息传输和测量。深入分析耦合参数，外磁场的联合效应在自旋量子态传输和测量效率中的表现并分析各种极限行为。研究纠缠对环境涨落等多重退相干机制的压制。找到实现最佳保真度以及宏观极化的磁化强度的最佳参数组合以及实现时间。
参考文献
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[7]Y. M. Hu et al Phys. Rev. A 80， 022322 （2009）
量子计算的运用范文4
“华富量子生命力基金自2011年成立以来，一直处于较弱的市场环境中，期间也有阶段性的比较好的表现，但总体来说没有给持有人带来正收益，深表歉意。公司看到了这一点，也一直在努力改变，今年三季度增聘了基金经理，改善了持股结构，逐步调整量化策略，以求找到更适应现阶段市场的量化模型，为持有人带来收益。”面对《投资者报》记者关于华富量子生命力基金业绩的质疑，华富基金公司的相关负责人表示了诚恳的歉意。
据Wind数据，截至今年12月3日，华富量子生命力基金经理朱蓓以负27%的任职总回报在244位同类基金经理中位居232名，另一位基金经理孔庆卿以负7%的任职总回报在357位同类基金经理中位居347名。
量化模型发掘大把牛股 分散投资业绩贡献打折
据了解，与传统的定性投资不同，华富量子生命力基金严格采用量化投资策略进行“择时”与“选股”的操作。其数量化投资策略由于借助高效的计算机系统对市场进行全方位的地毯式扫描，进而构建系统化的投资组合，并且遵守严格的投资纪律，因此可以弥补由于人的精力不足而造成的选择范围局限，最大限度扩大投资视野，并在第一时间发掘新的投资机会。
从实际效果来看，华富量子生命力也确实发掘了众多的大牛股。据Wind数据，从年初至今（11月22日），华富量子生命力第三季度末的十大重仓股中，浙报传媒（上涨176%）、上海钢联（上涨264%）、爱施德（上涨272%）、海越股份（上涨108%）、太极股份（上涨141%）5只股票涨幅均已翻番，然而，华富量子生命力的业绩回报却没有因为这些牛股而遥遥领先。
对此，华富基金相关负责人回答说：“量化投资是借助计算机系统，运用程序化的计算机模型进行全市场数据分析，用模型结论指导投资的一种投资方式。根据基金契约，华富量子生命力基金是一个运用量化模型指导投资的产品。每个模型对不同的市场环境都有不同的适应性，因为其分析基础是各种市场公开数据，所以从一般规律来看，量化投资的产品在震荡向上以及牛市行情中表现比较出挑，而在熊市行情中则普遍弱于市场。同时，量化投资产品持股分散度比较高，单个股票的占比都不高，从正面来看，是有效规避了风险，但同时个股涨幅对基金净值的贡献率也就相应降低了。”
量化投资成熟运用于国内A股还需时间
华富量子生命力基金的基金经理朱蓓，上海交通大学安泰管理学院硕士研究生，曾担任平安资产管理公司量化投资部助理投资经理。多年证券投资研究、保险公司投资从业经历。现任华富基金金融工程研究员、产品经理，华富量子生命力、华富中证100、华富中小板基金经理。
对于华富量子生命力目前的业绩不大理想。华富基金公司相关负责人解释说：“华富量子生命力基金自2011年成立以来，一直处于较弱的市场环境中，虽然期间也有阶段性的比较好的表现，但总体来说没有给持有人带来正收益，深表歉意。公司看到了这一点，也一直在努力改变，今年三季度增聘了基金经理，改善了持股结构，逐步调整量化策略，以求找到更适应现阶段市场的量化模型，为持有人带来收益。”参考华富基金旗下的其他基金业绩情况，今年以来的确收益不错，海通证券统计前三季度权益类基金综合净值增长率达38.07%，在所有基金公司中排名第五，说明华富基金对股票主动管理的能力还是可圈可点的。
量子计算的运用范文5
关键词：计算机技术；智能化；网络化；趋势研究
一、计算机技术的发展特点
（一）网络化。所谓计算机网络化是指利用计算机技术和现代通信技术把位于不同地方的计算机连接起来，共同构建一个多功能、大规模以及随时随地相互传递信息的网络，通过大力提高信息资源的整合程度这种方式，使网络中丰富的优质资源得以共享。目前，在全球范围内随着网络技术的迅速发展，各大公司、各级政府机构以及部分家庭中计算机已近全面普及，加之网络技术的连接，使各类信息的收集、处理变得更为方便快捷。
（二）多极化。不同的行业对计算机的要求提出了不同的要求，特别是一些大型、巨型计算机在航天航空、现代军事等领域发挥着不可替代的作用，人们对计算机的要求不再局限在小型个人计算机上，一些微型、小型、大型、巨型计算机都有自己的发展领域，逐渐呈现出多极化的形势。
（三）智能化。在第五代计算机中，计算机智能化是指通过既定的程序指使计算机模拟人的思维和感觉过程，使更加精确和快速地处理各类信息。在现实生活中，关于计算机智能化的研究领域非常广泛，其中计算机机器人技术更具有代表性。
（四）多媒体化。在计算机领域的多媒体化是指充分利用通信技术、计算机技术以及大众传播技术，综合处理视频、图像、文本、图形、文字、声音等多种媒体信息的计算机，使计算机技术中的各种信息资源成为一个相互交叉的整体，突破人机之间矛盾的关系，采取最为适宜的方法处理各种信息。
二、未来计算机的发展趋势
计算机技术主要的发展成果为巨型计算机、神经网络计算机、量子计算机、分子计算机、纳米计算机和光计算机等。下面将从这几方面对计算机技术的发展趋势进行深刻阐述。
（一）巨型计算机。运算速度极快、存储空间巨大、功能强是巨型计算机的主要特点，通常情况下，巨型计算机内存容量可达几百兆，运算速度可以达到每秒百亿次，已经在航空航天、地质勘测、卫星、气象、国防等领域里得到广泛应用，对其技术的进一步研究能够有力推动计算机软硬件的应用技术发展。
（二）神经网络计算机。神经网络计算机是一种模仿人体大脑神经脉络所构建的计算机网络系统，在人脑总体运行速度远远高于电脑功能所能达到速度的前提下，神经网络计算机能够处理数量繁多的信息，并且能够进行正确的判断和相应的处理，进而得到有效的结论，由于神经网络计算机内的信息存储在神经元之间的联络网中，所以，一旦发生神经元结点断裂，计算机还可以通过重新组建信息，最大限度地保证计算机内信息不丢失或被泄露。
（三）量子计算机。量子计算机是按照量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的一种新型计算机。如果计算机处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就认为是量子计算机，由于量子计算机的存储量远远大于普通计算机的存储量，所以，其量子计算机的计算速度远远快于个人计算机。
（四）分子计算机。分子计算机是指利用分子计算处理信息的一种新型计算机，其技术原理是利用分子晶体吸收以电荷形式存在的信息，并以更加有效的方式进行组织排列，由于分子计算机耗能少、体积小、存储信息量大、存储信息时间长以及运算速度快等特点，会使分子计算机在未来发展中普遍存在。
（五）纳米计算机。纳米技术从开始研究之时，就受到全世界科学研究者们的高度关注，作为一种新兴技术，纳米技术的诞生也为计算机未来的发展提供了新的技术导向，在不久的将来，具有众多优势的纳米计算机将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业快速发展。
（六）光计算机。光计算机是由光代替电流或电子，实现高速处理大容量信息的计算机，它具有运算速度极高、耗电极低的特点，空间光调制器是光计算机的基础部件，采用光内连技术，在存储部分与运算部分之间进行光连接，运算部分可直接对存储部分进行并行存取。与电子相比，光传播速度更快，同时光子计算机在一般室温下就可以使用，不易出现错误。光计算机的构想使计算机接连体系结构方面实现了创新和突破，但是现阶段光计算机还处于研制阶段。
三、结语
综上所述，计算机已经渗透到社会的每一个角落，其计算机技术的不断发展就代表着社会中人类智慧的不断进步和创新，因此，未来计算机的发展趋势将会是更深入、更广泛、更高端的，其中巨型计算机、神经网络计算机、纳米计算机、分子计算机、光计算机和量子计算机将会突破传统的计算机模式，并在社会各行各业中得到广泛运用。
参考文献：
量子计算的运用范文6
量子卫星究竟是何方神圣？作为太空密使，它有哪些神秘技能，又会给地球人的生活带来哪些变化？
“小精灵”让信息穿越
科学家称量子为物理世界的“小精灵”，它不是一种粒子，而是一个能量的最小单位，包括分子、原子、电子、光子等在内的所有微观粒子都是其表现形态。
量子“小精灵”的称号可不是浪得虚名，它自带的高超技能连物理学家都无法解读。如果两个量子粒子处在特殊的状态（俗称纠缠态）中，不管其空间分离得多远，当对其中一个粒子进行操作或测量，远处另一个粒子的状态就会瞬时发生相应的改变，就像一些双胞胎之间存在的心灵感应。爱因斯坦称这个现象为“幽灵般的超距作用”。
虽然现在还无法弄清量子纠缠的原理，但科学家们可以利用这一现象作为通信的手段。利用量子纠缠技术，通过量子密钥传输和量子隐形传态的方式，能将甲地某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原。而“墨子号”就像一位太空信使，作为地面上两个实验站的中介，构建一个区域通信网络，海量信息在这个网络间穿梭如影，全天候传播。
高难度收发信息
量子卫星上天后，会将经过编码甚至是纠缠的光子发射到地面上（每秒约发射一亿个光子），与之对接的地面系统则负责接收光子并进行解码，完成通信过程。
这一接一收看似简单，却绝非易事。据量子卫星首席科学家潘建伟介绍，量子科学实验卫星在飞行过程中携带的两个激光器需分别瞄准两个地面站，同时向左、向右传输量子密钥，对跟踪精度的要求非常高。
“这就相当于人坐在万米高空的飞机上往下连续扔硬币，每一枚硬币都要准确丢到储蓄罐狭小的投币口里，而储蓄罐自身还在慢慢旋转。”量子科学实验卫星工程常务副总设计师兼卫星总指挥王建宇说。
尽管困难重重，但经过科研人员的不懈努力，量子卫星突破了一系列高新技术，包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等，最终顺利升空。
不可破译的保密通信
量子科技虽然听起来“高大上”，实际上很“接地气”。在本世纪初，直接或间接运用量子理论的技术和装置便随处可见。从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统，从无水涂料到激光制动车闸，从医院的磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已渗透到人们的生活中。
随着量子信息技术逐渐走向实用化，其衍生出的量子通信技术被誉为是继微电子信息之后，最有可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命的关键技术。
以往，光纤通讯被认为是最安全的信息传递方式，这是因为光缆能把所有的光能限制在光纤里，使外面得不到能量。但随着科技的发展，只需让光缆泄露哪怕很少一部分的能量，就能窃听其中传递的信号。
而量子通信则完全不会出现这种情况，因为它的密钥具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取，整个通信就会“自毁”并告知使用者。换句话说，量子卫星上天后，其发送的每一封信都只有天知地知、你知我知。
量子科技改变生活
