量子力学与量子纠缠的关系
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量子力学与量子纠缠的关系范文第1篇
关键词 量子物理；现代信息技术；关系；原理应用
中图分类号：O41 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）15-0001-02
量子物理是人们认识微观世界结构和运动规律的科学，它的建立带来了一系列重大的技术应用，使社会生产和生活发生了巨大的变革。量子世界的奇妙特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面发挥重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技术已成为当前各国研究与发展的重要科学技术领域。
随着世界电子信息技术的迅猛发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，同时信息安全、隐私问题等越来越突出。2013年5月美国“棱镜门”事件的爆发，引发了对保护信息安全的高度重视，将成为推动量子物理科学与现代信息技术的交融和相互促进发展的契机。因此，充分认识量子物理学的基本原理在现代信息技术中发展的基础地位与作用，是促进现代信息技术发展的前提，也是丰富和发展量子物理学的需要。
1 量子物理基本原理
1）海森堡测不准原理。在量子力学中，任何两组不可同时测量的物理量是共扼的，满足互补性。在进行测量时，对其中一组量的精确测量必然导致另一组量的完全不确定，只能精确测定两者之一。
2）量子不可克隆定理。在量子力学中，不能实现对各未知量子态的精确复制，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，无法获得与初始量子态完全相同的复制态。
3）态叠加原理。若量子力学系统可能处于和描述的态中，那么态中的线性叠加态也是系统的一个可能态。如果一个量子事件能够用两个或更多可分离的方式来实现，那么系统的态就是每一可能方式的同时迭加。
4）量子纠缠原理。是指微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态随即发生相应变化。换言之，存在纠缠关系的粒子无论何时何地，都能“感应”对方状态的变化。
2 量子物理与现代信息技术的关系
2.1 量子物理是现代信息技术的基础与先导
物理学一直是整个科学技术领域中的带头学科并成为整个自然科学的基础，成为推动整个科学技术发展的最主要的动力和源泉。量子力学是20世纪初期为了解决物理上的一些疑难问题而建立起来的一种理论，它不仅解释了微观世界里的许多现象、经验事实，而且还开拓了一系列新的技术领域，直接导致了原子能、半导体、超导、激光、计算机、光通讯等一系列高新技术产业的产生和发展。可以说，从电话的发明到互联网络的实时通信，从晶体管的发明到高速计算机技术的成熟，量子物理开辟了一种全新的信息技术，使人类进人信息化的新时代，因此，量子物理学是现代信息技术发展的主要源泉，而且随着现代科学技术的飞速发展，量子物理学的先导和基础作用将更加显著和重要。
2.2 量子物理为现代信息技术的持续发展提供新的原理和方法
现代信息技术本质上是应用了量子力学基本原理的经典调控技术，随着世界科学技术的迅猛发展，以经典物理学为基础的信息技术即将达到物理极限。因此，现代信息技术的突破，实现可持续发展必须借助于新的原理和新的方法。量子力学作为原子层次的动力学理论，经过飞速发展，已向其他自然科学的各学科领域以及高新技术全面地延伸，量子信息技术就是量子物理学与信息科学相结合产生的新兴学科，它为信息科学技术的持续发展提供了新的原理和方法，使信息技术获得了活力与新特性，量子信息技术也成为当今世界各国研究发展的热点领域。因此，未来的信息技术将是应用到诸如量子态、相位、强关联等深层次量子特性的量子调控技术，充分利用量子物理的新性质开发新的信息功能，突破现代信息技术的物理极限。
2.3 现代信息技术对量子物理学发展的影响
量子信息技术应用量子力学原理和方法来研究信息科学，从而开发出现经典信息无法做到的新信息功能，反过来，现代信息技术的发展大大地丰富了量子物理学的研究内容，也将不断地影响量子物理学的研究方法，有力地将量子理论推向更深层次的发展阶段，使人类对自然界的认识更深刻、更本质。近年来，随着量子信息技术领域研究的不断深入，量子信息技术的发展也使量子物理学研究取得了不少成果，如量子关联、基于熵的不确定关系、量子开放系统环境的控制等问题研究取得了巨大进展。
3 基于量子物理学原理的量子信息技术
基于量子物理原理和方法的量子信息技术成为21世纪信息技术发展的方向，也是引领未来科技发展的重要领域。当前量子物理学的基本原理已经在量子密码术、量子通信、量子计算机等方面得到充分的理论论证和一定的实践应用。
3.1 量子计算机——量子叠加原理
经典计算机建立在经典物理学基础上，遵循普通物理学电学原理的逻辑计算方式，即用电位高低表示0和1以进行运算，因此，经典计算机只能靠以缩小芯片布线间距，加大其单位面积上的数据处理量来提高运算速度。而量子计算遵循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。计算方式是建立在微观量子物理学关于量子具有波粒两重性和双位双旋特性的基础上，量子算法的中心思想是利用量子态的叠加态与纠缠态。在量子效应的作用下，量子比特可以同时处于0和1两种相反的状态（量子叠加），这使量子计算机可以同时进行大量运算，因此，量子计算的并行处理，使量子计算机实现了最快的计算速度。未来，基于量子物理原理的量子计算机，不仅运算速度快，存储量大、功耗低，而且体积会大大缩小。
3.2 量子通信——量子纠缠原理
量子通信是一种利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。从信息学上理解，量子通信是利用量子力学的量子态隐形传输或者其他基本原理，以量子系统特有属性及量子测量方法，完成两地之间的信息传递；从物理学上讲，量子通信是采用量子通道来传送量子信息，利用量子效应实现的高性能通信方式，突破现代通信物理极限。量子力学中的纠缠性与非定域性可以保障量子通信中的绝对安全的量子通信，保证量子信息的隐形传态，实现远距离信息转输。所以，与现代通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点，量子通信创建了新的通信原理和方法。
3.3 量子密码——不可克隆定理
经典密码是以数学为基础，通过经典信号实现，在密钥传送过程中有可能被窃听且不被觉察，故经典密码的密钥不安全。量子密码是一种以现代密码学和量子力学为基础，利用量子物理学方法实现密码思想和操作的新型密码体制，通过量子信号实现。量子密码主要基于量子物理中的测不准原理、量子不可克隆定理等，通信双方在进行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密钥分配协议在通信双方之间建立对称密钥，再使用建立起来的密钥对明文进行加密，通过公开的量子信道，完成安全密钥分发。因此量子密码技术能够保证：
1）绝对的安全性。对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系，通讯会被中断，且合法的通信双方可觉察潜在的窃听者并采取相应的措施。
2）不可检测性。无论破译者有多么强大的计算能力，都会在对量子的测量过程中改变量子的状态而使得破译者只能得到一些毫无意义的数据。因此，量子不可克隆定理既是量子密码安全性的依靠，也给量子信息的提取设置了不可逾越的界限，即无条件安全性和对窃听者的可检测性成为量子密码的两个基本特征。
4 结论
量子物理是现代信息技术诞生的基础，是现代信息技术突破物理极限，实现持续发展的动力与源泉。基于量子物理学的原理、特性，如量子叠加原理、量子纠缠原理、海森堡测不准原理和不可克隆定理等，使得量子计算机具有巨大的并行计算能力，提供功能更强的新型运算模式；量子通信可以突破现代信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能；量子密码绝对的安全性和不可检测性，实现了绝对的保密通信。随着量子物理学理论在信息技术中的深入应用，量子信息技术将开拓出后莫尔时代的新一代的信息技术。
参考文献
[1]陈枫.量子通信：划时代的崭新技术[N].报，2011.
[2]曾谨言.量子物理学百年回顾[J].北京大学物理学科90年专题特约专稿，2003（10）.
[3]李应真，吴斌.物理学是当代高新技术的主要源泉[J].学术论坛，2012.
[4]董新平，杨纲.量子信息原理及其进展[J].许昌学院学报，2007.
[5]周正威，陈巍，孙方稳，项国勇，李传锋.量子信息技术纵览[J].中国科学，2012（17）.
[6]郭光灿.量子信息技术[J].中国科学院院刊，2002（5）.
[7]朱焕东、黄春晖.量子密码技术及其应用[J].国外电子测量技术，2006（12）.
量子力学与量子纠缠的关系范文第2篇
关键词：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能计算
【分类号】：TM743
1.概述
量子计算是计算机科学与量子力学相结合的产物，根据Moore定律可知：当计算机的存储单元达到原子层次时，显著地量子效应将会严重影响计算机性能，计算机科学的进一步发展需要借助新的原理和方法【1】，量子计算为这一问题的解决提供了一个可能的途径。
根据量子计算原理设计的量子计算机是实现量子计算的最好体现。量子计算机是利用微观粒子状态来进行存储和处理信息的计算工具【2】。其基本原理是通过物理手段制备可操作的量子态，并利用量子态的叠加性、纠缠性和相干性等量子力学的特性进行信息的运算、保存和处理操作，从本质上改变了传统的计算理念。
量子通信是量子理论与信息理论的交叉学科，是指利用量子的纠缠态实现信息传递的通讯方式。量子的纠缠态是指：相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象。量子通信主要包括两类：用于量子密钥的传输，和用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。与传统的通信技术相比，量子通信具有容量大，传输距离远和保密性强的特点。
2.量子计算基础
2.1 量子位
计算机要处理数据，必须把数据表示成计算机能够识别的形式。与经典计算机不同，量子计算机用量子位来存储信息，量子位的状态既可以是0态或1态，也可以是0态和1态的任意线性叠加状态。一个n位的量子寄存器可以处于 个基态的相干叠加态 中，即可以同时存储 种状态。因此，对量子寄存器的一次操作就相当于对经典计算机的 次操作，也就是量子的并行性。
2.2.量子逻辑门
对量子位的态进行变换，可以实现某些逻辑功能。变化所起到的作用相当于逻辑门的作用。因此，提出了“量子逻辑门”【3】的概念，为：在一定时间间隔内，实现逻辑变换的量子装置。
量子逻辑门在量子计算中是一系列的酉变换，将酉矩阵作为算符的变换被成为酉变换。量子位的态 是希尔伯特空间（Hilbert空间）的单位向量，实现酉变换后希尔伯特空间，在希尔伯特空间内仍为单位向量。【4】
3.量子算法
量子算法的核心就是利用量子计算机的特性加速求解的速度，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。目前大致五类优于已知传统算法的量子算法：基于傅里叶变换的量子算法，以Grover为代表的量子搜素算法，模拟量子力学体系性质的量子仿真算法，“相对黑盒”指数加速的量子算法和相位估计量子算法。
3.1基于傅里叶变换的量子算法
Shor于1994年提出大数质因子分解量子算法，而大数质因子分解问题广泛应用在RSA公开密钥加密算法之中，该问题至今仍属于NP难度问题。但是Shor算法可以在量子计算的条件下，在多项式时间内很有效地解决该问题。这对RSA的安全性有着巨大的挑战。
Shor算法的基本思想是：利用数论相关知识，通过量子并行特点，获得所有的函数值；再随机选择比自变量小且互质的自然数，得到相关函数的叠加态；最后进行量子傅里叶变换得最后结果。构造如下函数：
就目前而言，该算法已经相对成熟，对其进行优化的空间不大。目前研究者的改进工作主要是：通过对同余式函数中与N互质的自然数选择的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其实现，对量子密码学和量子通信的发展有着极重要的价值。[7]
3.2以Grover为代表的量子搜素算法
3.2.1 Grover算法
Grover算法属于基于黑箱的搜索算法，其基本思想为：在考虑含有 个数据库的搜索问题，其中搜索的解恰好有 个，将数据库中的每个元素进行量化后，存储在 个量子位中， 与 满足关系式 。【8】将搜索问题表示成从0到 的整数 ，其中函数 定义为：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 。【12】
具体算法如下：
（1）初始化。应用Oracle算子 ，检验搜索元素是否是求解的实际问题中需要搜索的解。
（2）进行Grover迭代。将结果进行阿达马门（Hadamard门）变换。
（3）结果进行 运算。
（4）结果进行阿达马门变换。【12】
4. 量子智能计算
自Shor算法和Grover算法提出后，越来越多的研究员投身于量子计算方法的计算处理方面，同时智能计算向来是算法研究的热门领域，研究表明，二者的结合可以取得很大的突破，即利用量子并行计算可以很好的弥补智能算法中的某些不足。
目前已有的量子智能计算研究主要包括：量子人工神经网络，量子进化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神经网络算法和量子进化算法已经成为目前学术研究领域的热点，并且取得了相当不错的成绩，下面将以量子进化算法为例。
量子进化算法是进化算法与量子计算的理论结合的产物，该算法利用量子比特的叠加性和相干性，用量子比特标记染色体，使得一个染色体可以携带大数量的信息。同时通过量子门的旋转角度表示染色体的更新操作，提高计算的全局搜索能力。
目前量子进化算法已经应用于许多领域，例如：工程问题、信息系统、神经网络优化等。同时，伴随着量子算法的理论和应用的进一步发展，量子进化算法等量子智能算法有着更大的发展前景和空间。
参考文献
1.王书浩，龙桂鲁.大数据与量子计算
2.张毅，卢凯，高颖慧.量子算法与量子衍生算法
3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558
4.吴楠，宋方敏。量子计算与量子计算机
5.苏晓琴，郭光灿。量子通信与量子计算。量子电子学报，2004，21（6）：706-718
6. White T.Hadoop： The Defintive Guide，California：O’Reilly Media，Inc.2009：12-14
7.王蕴，黄德才，俞攸红.量子计算及量子算法研究进展.
8.孙吉贵，何雨果.量子搜索算法.软件学报，2003，14（3）：334-344
9.龙桂鲁.量子计算算法介绍
10.解光军，范海秋，操礼程.一种量子神经计算网络模型
量子力学与量子纠缠的关系范文第3篇
[关键词]网络支付信息安全量子计算量子密码
目前电子商务日益普及,电子货币、电子支票、信用卡等综合网络支付手段已经得到普遍使用。在网络支付中,隐私信息需要防止被窃取或盗用。同时,订货和付款等信息被竞争对手获悉或篡改还可能丧失商机等。因此在网络支付中信息均有加密要求。
一、量子计算
随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也在降低。若能对任意极大整数快速做质数分解，就可破解目前普遍采用的RSA密码系统。但是以传统已知最快的方法对整数做质数分解，其复杂度是此整数位数的指数函数。正是如此巨额的计算复杂度保障了密码系统的安全。
不过随着量子计算机的出现,计算达到超高速水平。其潜在计算速度远远高于传统的电子计算机，如一台具有5000个左右量子位(qubit)的量子计算机可以在30秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的问题。量子位可代表了一个0或1,也可代表二者的结合,或是0和1之间的一种状态。根据量子力学的基本原理,一个量子可同时有两种状态,即一个量子可同时表示0和1。因此采用L个量子可一次同时对2L个数据进行处理,从而一步完成海量计算。
这种对计算问题的描述方法大大降低了计算复杂性，因此建立在这种能力上的量子计算机的运算能力是传统计算机所无法相比的。例如一台只有几千量子比特的相对较小量子计算机就能破译现存用来保证网上银行和信用卡交易信息安全的所有公用密钥密码系统。因此，量子计算机会对现在的密码系统造成极大威胁。不过，量子力学同时也提供了一个检测信息交换是否安全的办法，即量子密码技术。
二、量子密码技术的原理
从数学上讲只要掌握了恰当的方法任何密码都可破译。此外，由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹，用户无法察觉，就会继续使用同地址、密码来存储传输重要信息，从而造成更大损失。然而量子理论将会完全改变这一切。
自上世纪90年代以来科学家开始了量子密码的研究。因为采用量子密码技术加密的数据不可破译，一旦有人非法获取这些信息,使用者就会立即知道并采取措施。无论多么聪明的窃听者在破译密码时都会留下痕迹。更惊叹的是量子密码甚至能在被窃听的同时自动改变。毫无疑问这是一种真正安全、不可窃听破译的密码。
以往密码学的理论基础是数学，而量子密码学的理论基础是量子力学，利用物理学原理来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理”中所包含的一个特性，即当有人对量子系统进行偷窥时，同时也会破坏这个系统。在量子物理学中有一个“海森堡测不准原理”,如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化，那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子,照亮粒子的光(即便仅一个光子)的行为都会使之改变路线,从而无法发现该粒子的实际位置。从这个原理也可知，对光子来讲只有对光子实施干扰才能“看见”光子。因此对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系,通讯会被中断,这实际上就是一种不同于传统需要加密解密的加密技术。在传统加密交换中两个通讯对象必须事先拥有共同信息——密钥，包含需要加密、解密的算法数据信息。而先于信息传输的密钥交换正是传统加密协议的弱点。另外,还有“单量子不可复制定理”。它是上述原理的推论,指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的,因为要复制单个量子就必须先做测量,而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理,即使量子密码不幸被电脑黑客获取,也会因测量过程中对量子状态的改变使得黑客只能得到一些毫无意义的数据。
量子密码就是利用量子状态作为信息加密、解密的密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠。它是一种量子力学现象，指不论两个粒子间距离有多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子。因此当使用一个特殊晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子后，即使相距遥远它们也是相互联结的。只要测量出其中一个被纠缠光子的属性，就容易推断出其他光子的属性。而且由这些光子产生的密码只有通过特定发送器、吸收器才能阅读。同时由于这些光子间的“神秘远距离活动”独一无二，只要有人要非法破译这些密码，就会不可避免地扰乱光子的性质。而且异动的光子会像警铃一样显示出入侵者的踪迹，再高明的黑客对这种加密技术也将一筹莫展。
三、量子密码技术在网络支付中的发展与应用
由于量子密码技术具有极好的市场前景和科学价值，故成为近年来国际学术界的一个前沿研究热点，欧洲、北美和日本都进行了大量的研究。在一些前沿领域量子密码技术非常被看好，许多针对性的应用实验正在进行。例如美国的BBN多种技术公司正在试验将量子密码引进因特网，并抓紧研究名为“开关”的设施，使用户可在因特网的大量加密量子流中接收属于自己的密码信息。应用在电子商务中，这种设施就可以确保在进行网络支付时用户密码等各重要信息的安全。
2007年3月国际上首个量子密码通信网络由我国科学家郭光灿在北京测试运行成功。这是迄今为止国际公开报道的惟一无中转、可同时任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。2007年4月日本的研究小组利用商业光纤线路成功完成了量子密码传输的验证实验，据悉此研究小组还计划在2010年将这种量子密码传输技术投入使用，为金融机构和政府机关提供服务。
随着量子密码技术的发展，在不久的将来它将在网络支付的信息保护方面得到广泛应用，例如获取安全密钥、对数据加密、信息隐藏、信息身份认证等。相信未来量子密码技术将在确保电子支付安全中发挥至关重要的作用。
参考文献:
[1]王阿川宋辞等:一种更加安全的密码技术——量子密码[J].中国安全科学学报,2007,17(1):107～110
量子力学与量子纠缠的关系范文第4篇
实时模拟整个宇宙的历史进程
量子计算机的基本想法是在上个世纪80年代由美国著名的物理学家费曼提出的。这是一种新的算法。使用任何器械进行计算，我们都需要算法。简单地说，算法就是在器械的物理状态与数学结构之间建立对应关系，从而使这些物理状态的变化实现数学计算。量子计算机所用的算法与传统计算机完全不同。对于数学计算来说，IBM公司去年的每秒钟运行千万亿次的Sequola超级计算机与中国古人用的算盘之间的差别仅仅是速度上的，它们都是用确定的物理状态来代表确定的数学量。亚原子尺度下粒子行为是不确定的，但遵守一些基本的量子力学规则，科学家把这些粒子所处的不确定状态称为量子状态。量子计算机的理念就是，利用量子状态来表示数学量。这个理念有意思的地方是，它使用本身是不确定的物理状态来表示确定的数。
传统计算机以开关作为模型来表示信息。一个开关具有通和断两个状态，分别用“1”和“0”来表示，这就构成了一个信息单元“比特(bit)”。量子计算的信息单元“量子比特(qubit)”远不止两个状态，多出的状态被科学家称为“迭加态”。量子力学与经典物理学的差别就体现在：传统物理学只允许粒子在任意瞬间只有一个状态，而量子力学则允许粒子同时具有不同的状态，即迭加态。在量子力学看来，一个粒子在同一时间可以即在这里，又在那里。这使量子计算在效率上要远远高于传统计算。
传统计算机即使看起来可以同时进行不同的计算任务，例如你可以用自己的PC机一边听歌一边写作。事实上，计算机的中央处理器(CPU)一次只能处理一次计算，只不过处理器在播放歌曲与记录你在键盘上输入的字符这两个任务间切换，切换速度快得你完全感觉不到而已。与此不同，量子计算则具有真正的并行处理机制。
量子比特由一组原子实现，量子比特的迭加使量子计算机具有内在并行性。物理学家DavidDeutsch指出，这种并行性使量子计算机能够同时进行一百万条计算。一台30个量子比特的量子计算机将会具有230(=109)个并行状态，也就是说，在理论上可以同时进行230次计算。而一台300量子比特的量子计算机所具有的并行状态量，就已经超出了可以看到的宇宙总的原子数目。可以设想造出这样一台量子计算机，它能够实时模拟整个可见宇宙的历史进程，这种模拟会落实到原子的层次!
帮助人类“借体还魂”
为了理解量子计算机可能带来的后果，我们需要重新理解“计算”这个概念。在上世纪40年代电子管的计算机发明之时，“计算”意味着加减乘除，高级_点的就是解微分方程。那时的计算机首先用来解决制造原子弹时遇到的计算问题。当时有科学家说，只要两三台那样的计算机，就能满足全美国的计算量。而现在我们知道，这个计算量连我们现在办公用的一台普通台式机(就不用说酷睿双核处理器了)的百分之一都不到。技术改变了概念。目前实现于台式机上的计算概念把多媒体考虑在内，这就是用数字来模拟音像信号。这是一种模拟计算的概念，我们在电脑游戏中看到的就是这种模拟。目前最高端的模拟计算用在像天气预报以及模拟核试验这样需要大量参数的场合。
对计算提出更高要求的是实时计算，这就是不仅要模拟实实在在发生的过程，而且要与这种过程同步。就模拟计算而言，我们既可以花一百年时间计算出一吨高爆炸药在地下一公里爆炸对地壳产生的影响。也可以在爆炸的瞬间给出计算结果，就好像爆炸实实在在发生一样。后者就是实时计算。
量子力学与量子纠缠的关系范文第5篇
“中国高等学校十大科技进展”评选活动是教育部科学技术委员会于1998年开始创办的，每年组织评选一次，至今已评选12届，共有45所高校120个项目入选。获奖最多的单位是北京大学和清华大学。如今，“中国高等学校十大科技进展”已成为高校科技界的品牌，得到了广大专家学者的高度认可。
现将2009年度的10个入选项目介绍如下：
1 数字视频编解码技术研究与国家标准制定
数字音视频领域基础性国家标准《信息技术先进音视频编码》(简称AVS)十个部分2009年制订完成，每年能节省上百亿专利费，对我国音视频产业实现“由大变强”战略转型意义重大。
历经八年实践，AVS探索出了“技术、专利、标准、产品，应用”“相互促进的”“大团队、大循环”创新模式。北京大学、清华大学、浙江大学，武汉大学，华中科技大学、中国科学技术大学等高校和中国科学院计算技术研究所等科研机构与华为等通力合作，提出了50多项自主专利技术，制定出的标准复杂度低，方案简洁而性能与国外同类标准相当。2009年4月，欧洲信号处理学会《视频通信学报》出版了AVS专辑，10月，国际电信联盟(1TU)正式将AVS列为网络电视支持的视频标准之一。
AVS已成为国际范围该领域三大主流标准之一。我国以及美、欧、日，韩等国的十多家企业开发的AVS编解码芯片进入市场，上海、杭州、陕西、河北、新疆、青岛、无锡等地已经采用AVS开展数字电视播出，采用AVS的中国蓝光高清晰度光盘机已经批量上市，北京大学有线网对60周年国庆盛典进行了高清转播。在国家相关部门的支持下，AVS正在通过数字电视等视听产品迅速进入千家万户，成为支撑自主数字视听产业健康发展的重要力量。
2 抗病毒感染新型免疫分子机制的研究
我国是一个病毒性疾病高发的大国，乙肝病毒感染患者估计有1.2亿，SARS也曾于2002年在我国流行，HIV以及流感病毒爆发也时刻威胁着国民的健康。I型干扰素(IFNα/β)是治疗病毒性感染的重要分子，研究I型干扰素产生的分子机制将为寻求新的药物靶标和抗病毒药物提供指导。
该项目立足于1998年自主发现的一种新型免疫分子Nrdp1，研究了其在天然免疫中的作用和分子机制，利用动物模型(转基因小鼠)，细胞模型(巨噬细胞)和分子技术手段(基因克隆表达、相互作用分子、蛋白活性分析等)系统，深入，立体地进行了研究，首次发现Nrdpl抑制细菌感染引起的炎症因子分泌和肝损伤，促进IFNβ的产生和抑制病毒感染，提示Nrdp1在抗炎和抗病毒感染方面均具有极大的应用前景。
该项目还分析了DNA病毒识别和清除的免疫机制的研究现状并提出了新的发展方向。该项目提出Nrdp1可能是一种新的抗感染治疗的药物靶标，而且病毒的识别和清除存在新的机制。相关研究结果分别于2009年7月以论文形式和2009年10月以述评形式发表于Nature/rnmuno/ogy杂志。目前针对Nrdpl的抗细菌感染和抗病毒感染活性新申请国家发明专利两项。Nature China为Nrdp1的研究发表了专题述评，认为该研究是当月自然科学的亮点之一，并且受到了国内外免疫学界的关注和好评。
3 天河一号高性能计算机系统
“天河一号”高性能计算机系统是国防科学技术大学于2009年9月自主研制成功的我国首台千万亿次高性能计算机系统，实现了我国自主研制高性能计算机能力从百万亿次到千万亿次的跨越，使我国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次高性能计算机的国家。
“天河一号”是国际上首台采用GPU和CPU异购并行体系结构的64位千万亿次高性能计算机系统，全系统包含6144个通用处理器和5120个加速处理器，内存总容量98TB，点点通信带宽40Gbps，共享磁盘总容量为1PB。系统峰值性能每秒1206万亿次双精度浮点运算，LNPACK实测性能563.1万亿次，居2009年度中国超级计算机前100强之首，对2009年11月17日国际TOP500组织公布的第34届世界超级计算机前500强第五、亚洲第一，对2009年11月20日国际Green500组织公布的世界最节能的超级计算机前500强第八。
“天河一号”高性能计算机系统作为国家超级计算天津中心的业务主机和中国国家网格主结点，面向国内外提供超级计算服务，将广泛应用于石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制，资源勘测和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、气象预报、气候预测、海洋环境数值模拟，短临时地震预报，新材料开发和设计、土木工程设计、基础科学理论计算等众多领域。
“天河一号”的研制成功，是我国高性能计算机技术发展的又一重大突破，是在国家“863”计划支持下，国防科学技术大学与天津市滨海新区密切合作，贯彻军民结合、寓军于民方针的成功实践，对促进国家科技发展和国防现代化具有重要意义。
4 禽流感病毒聚合酶关键亚基的结构与机制研究
近年来，由H5N1，H1N1等不同亚型流感病毒引起的疫情，对全球的人类健康造成了严重的威胁，带来了严重的经济损失。流感病毒聚合酶由PA、PBl和PB2三个蛋白质组成，是负责病毒基因组转录和复制的核心，一旦伴随着病毒侵入正常细胞，就开始利用正常细胞内的原料进行病毒基因组的复制。其中，高度保守的PA亚基由于参与到聚合酶的形成和基因组复制等核心的生命过程，因此成为认识聚合酶作用机制、开发广谱抗流感药物的重要靶点蛋白质。
饶子和教授研究组与中科院生物物理研究所刘迎芳教授研究组合作，2008年成功解析了PA C端结构域与PB1 N端多肽的复合物结构，揭示了流感病毒聚合酶的组装模式[Nature 2008 Aug 28；454(7208)：1123-6]。在此基础上，2009年又成功解析了PA N端结构域独立的晶体结构，首次提示了该蛋白典型的核酸酶结构特征，了原来公认的PB1行使核酸酶活性的观点，证实了核酸酶活性对于流感病毒复制的关键作用[Nature 2009 Apr 16；458(7240)：909-13]；通过进一步解析PAN与底物/抑制剂复合物的晶体结构，阐释了PA蛋白发挥功能的分子机制，发现了一系列对PA蛋白有良好抑制效果的抑制剂，为设计和开发针对流感病毒聚合酶的高效药物提供了重要信息，同时还应邀在Influenza；Molecular Virology一书中发表了相关综述。
5 微波通信用高温超导接收前端
高温超导滤波器具有常规滤波器无可比拟的近于理想
的滤波性能，可广泛应用于移动通信、军事通信、卫星通信等领域，大幅度提高灵敏度和抗干扰能力，市场前景巨大。但在该项目实施前，受到国外技术封锁，许多关键技术有待攻克，在我国没有获得实际应用。
清华大学物理系曹必松教授带领的团队经过十多年研究，发明了高性能高温超导滤波器、零下200度工作的低噪声放大器的设计制备技术和超导一金属接触电极制备工艺，研制成功了第一台适合于我国CDMA移动通信用的超导前端，在北京建成了我国首个高温超导移动通信应用示范基地并成功地连续运行超过三年，每天为十多万居民提供优质服务，使手机发射功率下降一半以上，大幅提高了基站的覆盖范围和通信质量，实现了高温超导在中国通信领域的首次应用和批量长期应用，使我国继美国之后，成为世界上第二个成功地将高温超导技术应用于移动通信的国家。
该项目关键技术指标处于国际先进水平。获得授权中国发明专利9项，授权美国发明专利1项，获2009年国家技术发明奖二等奖，2008年教育部技术发明一等奖，2007年信息产业部信息产业重大技术发明(十项之一)。该技术已与十多家用户签订了合同、协议，研制、生产超导前端并实现其在多种通信设备中的应用。
6 成年哺乳动物雌性生殖干细胞的发现及其生物学特性研究
上世纪20年代以来，科学家们一直认定：女性和绝大多数雌性哺乳动物卵母细胞的产生仅发生在胎儿期。出生后卵母细胞数目不再增加，只会不断减少，即出生后雌性哺乳动物卵巢内，没有生殖干细胞存在。上海交通大学生命学院吴际教授团队经不懈探究首次发现和分离出生后小鼠(包括成年小鼠)卵巢中雌性生殖干细胞，经摸索培养条件得到能长期自我更新的生殖干细胞株并鉴定和研究其生物学特性。然后将此细胞移植于不孕小鼠体内，证实能产生新的卵母细胞，与雄性后生出正常后代。这一发现改变了80多年生殖与发育的传统观点，开辟出一个崭新研究领域。该成果2009年5月发表在Nature Cell Biology上。受到国际学术界广泛关注，Science、Nature，NatureMedicine和众多杂志刊发评论文章，Nature China锵这一成果列入最新研究亮点，世界各媒体(路透社、《纽约时报》、《华盛顿邮报》。ABC News、The Tiknes等)纷纷报道。该成果能为动物生物技术和人类提供卯母细胞新来源，建立性细胞途径转基因动物和开发优良动物品种，对治疗卵巢功能早衰、不育症等雌性生殖细胞发生障碍性疾病，再生医学及抗衰老，避孕药开发，人口调控，濒危动物保存等都具有重要意义。
7 世界最早的带羽毛恐龙的发现
鸟类最早何时出现问题一直是鸟类起源研究最薄弱的环节之一，鸟类是否由恐龙起源也长期存在争论。沈阳师范大学古生物研究所课题组2009年10月1日在英国《自然》杂志报道了产自辽宁省西部建昌地区距今约1.6亿年的侏罗纪带羽毛恐龙――“赫氏近鸟龙”的新发现，其时代早于德国“始祖鸟”数百万年至1000万年。该化石属于兽脚类恐龙中的伤齿龙类，全身广泛被羽毛覆盖，特别是其脚部长有较长的正羽毛，证实了在恐龙向鸟类的演化过程中内部骨骼与体表衍生物之间的复杂配置关系，代表了目前世界上最早的长有羽毛的物种和最早的带毛恐龙。该成果首次揭示了世界最早的带毛恐龙早于“始祖鸟”已存在，首次提出了兽脚类恐龙分异的时间框架假说，解决了有关鸟类起源的“时间倒置论”等问题，为鸟类起源于恐龙提供了新的依据，并支持恐龙演化过程中曾存在“四翼”阶段的假说。该项成果代表了鸟类起源研究一个新的、国际性的重大突破，有力地推动了鸟类起源研究和恐龙演化研究，为全球鸟类起源研究做出了重大贡献，是2009年国际古生物学领域最重大的科学发现之一。
8 电力大系统安全域预警监控理论及其工程应用
电力系统作为国家的重要基础设施，保证其安全稳定运行意义重大，而发展先进的安全预警与监控技术是实现这一目标的关键。该项目旨在发展基于安全域理论的电力系统安全性综合预警与监控理论，方法与技术，并与已有理论和方法互为补充，构建科学的在线综合预警与监控系统，保障电力系统安全，稳定和高效运行。
该项目在理论研究方面，系统地发展了电力系统综合安全域理论，证明了综合安全域的一些重要微分拓扑学和非线性动力学性质，为其实用化提供坚实的理论保障；在技术研发方面，发明了安全域边界的快速求解、预想事故快速扫描和概率安全评估等多种实用技术，极大地提高了安全域的计算速度和在线安全监控的运算效率。该项目发展了高维安全域智能化降维方法以及多种安全域可视化展示技术；基于安全域理论研制了集在线安全分析、概率安全评估，控制方案优化、安全性信息可视化展示为一体的电力系统安全性预警与监控系统，提高了复杂电网的安全性运行水平，对防范大停电事故有积极作用。该成果已成功应用于国家电网公司调度中心等部门，社会效益显著。出版专著2部，申请发明专利19项，获软件著作权4项。
9 基于自旋的量子调控实验研究
将量子力学和计算机科学结合并实现量子计算是人类的一大梦想，而实现这一梦想的关键挑战之一就是量子调控的研究。中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室(筹)的杜江峰研究小组在基于自旋的量子调控实验研究方面通过采用磁共振技术对核自旋、电子自旋进行精密量子调控，在退相干研究、量子模拟和量子计算等研究方向取得了重要的创新性成果，推动了实用性量子计算机的研究。
量子系统不可避免的信息流失严重制约着量子计算的研究进程。杜江峰与其同事的研究[Nature 461.1265(2009)]表明，通过精巧的脉冲控制，可以使固态体系中环境对电子量子比特的不利影响被降到最小，大大减少量子体系中量子信息的流失，并成功厘清各种退相干机制在此类固体体系中的影响。同期发表的专文评述指出：“他们所使用的量子相干调控技术被证明是一种可以帮助人们理解并且有效对抗量子信息流失的一个重要资源……从而朝实现量子计算迈出重要的一步。”
与此同时，他们实验上第一次观测了一个复杂量子体系(同时包含二体和三体相互作用)基态的纠缠量子相变过程，采用量子纠缠见证的手段探测了由于三体相互作用导致的一类新的量子相变[Physical Review Lettersl D3，140501(2009)]，该成果被认为是对量子模拟实验研究的重要贡献。
10 双功能单分子器件的设计与实现
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室单分子物理化学研究团队，利用低温超高真空扫描隧道显微镜，巧妙地对三聚氰胺小分子进行了单分子手术，将其从普通化工原料转变为既有二极管效应又有机械开关效应的双功能单分子器件，为单分子器件的多功能化开辟了新的思路。这一成果发表在2009年9月8日的美国《国家科学院院刊》上。
