量子计算的基本原理

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇量子计算的基本原理范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

量子计算的基本原理范文第1篇

8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。

量子科学，对绝大多数人来说十分高冷。但当它与信息技术相连，就与我们每个人息息相关。当今社会，信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。

量子卫星首席科学家、中国科学技术大学教授、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟院士介绍，量子通信的安全性基于量子物理基本原理，单光子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和不可破解，从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全，可从根本上、永久性解决信息安全问题。

那么，量子卫星具体将会在哪些方面给我们的生活带来影响呢？“瞬间移动”、“信息绝密”真的可以实现吗？潘建伟院士将对这些问题进行一一解答。

问题1：量子究竟是什么？

量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小单元，不存在“半个光子”，同理，也不存在“半个氢原子”“半个水分子”等等。量子世界中有两个基本原理：

――量子叠加，就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论曾经形象地表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。

――量子纠缠，类似孙悟空和他的分身，二者无论距离多远都“心有灵犀”。当两个微观粒子处于纠缠态，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。

问题2：世界上真有“绝对安全”的通信吗？

这得先说说通信中信息是如何被窃取的。传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息，测量这一丁点光原理上就能窃取信息。

量子通信则完全不同！窃听者如果想拦截量子信号，并对其进行测量，将不可避免地破坏携带密钥信息的量子态。根据量子“测不准定理”，这种破坏必然会被信息发送者和接收者所发现。

是否可以不破坏传输的量子态，只截取并复制，再继续发送？这已被“量子不可克隆定理”完全排除，于是也就保证了量子通信的绝对安全。

问题3：量子科学和技术究竟将带来一个怎样的未来？

量子科学和技术其实已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们目前正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航，包括医院里的磁共振成像等等，无一不得益于量子科学和技术。

用发展的眼光看，随着微纳加工、超冷原子量子调控等技术的不断进步，人类将能够制备出越来越复杂、功能越来越强大的各种人造量子系统，例如包括量子计算机芯片在内的各种量子电路，其功能和信息处理能力将远远超过我们目前正在使用的经典芯片，并且更加节能；再如可望制备出达到量子极限的能量收集和转换器件，将引发能源变革；也有望大幅提升对时间、位置、重力等物理量超高精度的测量，不仅实现超高精度的潜艇定位、医学检测等，也将加深对物理学基本原理的认识。

总之，量子科学和技术的广泛应用最终将把人类社会带入到量子时代，实现更高的工作效率、更安全的数据通信，以及更方便和更绿色的生活方式。

问题4：量子技术什么时候才能“飞入寻常百姓家”？

量子通信目前已经实现在金融、政务系统等中的使用。要让每个人都用上，乐观的话需要10到15年。这需要对网络基础设施进行改造，还涉及到标准制定。到时候，个人的网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号，“棱镜门”那样的泄密事件也不会发生了。

而量子计算目前仍然处于基础研究的阶段，前进道路上还面临着巨大的挑战，不知道在二三十年的时间内能否实现初步应用。一旦取得进展，其意义将是极其重大的。这需要一个过程，依赖于量子通信网络的建设，应用成本也会逐渐下降。

问题5：“量子态隐形传输”意味着能实现《星际迷航》里的瞬间移动吗？

“量子态隐形传输”是基于量子叠加和量子纠缠的特性，使甲地某一粒子的未知量子态，可以在乙地的另一粒子上还原出来。其实传输的是粒子的量子态，而不是粒子本身。这种状态传送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬间移动”。

现在，在光子、原子等层面已经实现了量子态隐形传输。电影里“大变活人”在原理上是允许的，但目前还远远做不到。因为科幻电影里人的传送，不仅需要把人的实体部分的大量原子、分子传送，并且严格按照原来的相对位置重新排列起来，更何况重现意识和记忆就更复杂了。

不过，随着科学的发展和技术的进步，也许未来我们还是可以实现人的量子态隐形传输，到那时星际旅行就不是梦啦。

量子计算的基本原理范文第2篇

Physics of Nanostructured

Solid State Devices

2012，551p

Hardcover

ISBN9781461411406

随着现代科技的进步，人类科技已进入纳米时代，应用于光子学、电子学等的纳米结构固体器件正以飞速发展的态势引起人们越来越浓的研究兴趣。当器件尺寸接近甚至小于电子的特征自由程时，量子现象开始占据统治地位，一些固体器件展现了新颖的特性。对于这些特性背后的物理原理和概念，本书进行了细致深入的分析。

本书共分为9章：1.稳态的“漂移扩散模型”在固体中的电子传输。本章从介绍基本的漂移扩散模型开始，引入有效的漂移扩散方程用来计算稳态的运输下固体器件中载体浓度和电流密度。2.讨论了更复杂的基于电荷传输模型的玻耳兹曼的输运方程（BTE）。本章从基本原理出发，推导广义力矩方程中存在的电荷传输局域和非局域的影响。3.回顾了量子力学中的基本概念、算符以及一些定义，介绍了量子阱、量子线和量子点，以及随时间变化的扰动理论等。本章目的是为纳米结构的固态器件提供必不可少的理论知识和必备的量子理论基础。4.基于时间无关微扰理论中，计算能带结构的方法。能带结构在纳米固体器件中，特别是光器件，起着至关重要的作用。本章讨论了4个不同的能带结构的计算方法：近自由电子法、正交平面波（OPW）扩展方法、紧约束近似（TBA）和波矢动量理论。5.在传输机制中时间有关的微扰理论的应用。6.电子- 光子相互作用及其对固体器件性能的影响，介绍了光学中的一些概念，如自发辐射、受激发射等。7.在磁场中的电子的行为，介绍了狄拉克方程和泡利方程、薛定谔方程，以及量子霍尔效应（FQHE）。8.一些通常的量子输运方程。9.基于第8章原理而开发研制的一些实际的量子器件。

作者Supriyo Bandyopadhyay 在全美三个大学教授电子学理论、固体物理的研究生课程长达25年，具有非常丰富的教学研究经验。本书依据作者的教学材料所编撰。一旦读者们能够把握并熟悉掌握书中提出的概念，他们将能够很容易地处理更加困难和专业的研究论题。

本书适合电子学和物理学专业背景的本科毕业生及一年级的研究生，读者应对固态物理、量子力学有一定的了解。本书可使读者对电子学和应用物理学中的重要概念有更深入的理解和认识。

杨盈莹，助理研究员

（中国科学院半导体研究所）

量子计算的基本原理范文第3篇

关键词：量子密码　量子通信

中图分类号：TN91　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)002-059-01

量子理论诞生以来，科学家就试图利用量子效应来实现远距离、无时延、“绝对安全”的通信，量子通信将成为人类通信技术史上的又一次革命。

1　量子通信技术简介

1.1　基本量子理论

量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态，它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。量子理论主要包括量子纠缠和量子测不准原理，是现代物理学的核心理论。

量子纠缠指的是在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化，另一个粒子的状态也会立刻发生相同的变化，这也是利用量子效应传递密码的基础。

Heisenberg量子测不准原理是量子力学的基本原理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。

1.2　量子通信的原理

量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。在量子通信系统中，信息的发送方和接收方共享两个纠缠在一起的几乎完全一致的成对光子。当发送方将信息赋予一个光子时，接收方的纠缠光子就会几乎同时发生一致的变化，从而实现用不加外力的方式传输信息，传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。在这一过程中，发送和接受方需要纠缠光子的数量取决于报文的长度。

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。量子通信的主要应用在于量子密码的传输，与传统通信的唯一区别在于，量子通信采用了一种新的密码生成方式，而且密码不可能被第三方获取。

1.3　量子密码技术

依据Heisenberg的量子测不准原理，通过窃听不能得到确定的有效信息。同时，任何针对量子信号的窃听都将不可避免的留下痕迹，从而被通信方所警觉。量子密码技术就是利用这一原理来判断是否有人窃取传输的密码信息，从而实现密码的绝对安全。

量子密钥分配原理来源于光子偏振的原理。光子任意时刻的偏振方向具有随机性，在两个纠缠光子之间设置偏振片。当光子的偏振方向与偏振偏振片的倾斜方向的夹角很小时，光子改变偏振方向并通过偏振滤光器的概率大，否则就小。特别是当=90°，其概率为0：=45°时，其概率为0.5；=0°，其概率为1°通过公开渠道告知对方是如何旋转的，把检测到一个光子记为“1”，没有检测到记为“0”，双方都能记录到相同的一组二进制数列，以作为密码。如果有人在半路监听，同样需要放置偏振片，就不可避免改变光子的偏振方向，使发送者和接受者记录的数列产生差异。

2　量子通信的发展动态及应用

1926年量子力学诞生，成为人类认识微观世界的理论基础。1935年，爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证了量子力学和相对论之间的不相容性。1964年，约翰・贝尔提出了贝尔理论，阐明用实验来检验超光速响应的可能性。1982年阿斯派克等人证明了超光速响应的存在。1984年，有人提出了用单光子偏振态编码量子密码技术方案，开始了量子密码的研究。1989年，量子密钥传输第一次演示获得成功。1997年，奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证；2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功的将量子态隐形传输距离提高到600米。

我国的量子通信技术发展迅速，位居世界前列。2007年开始，中国科大-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态，这一距离是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞的量子密钥分发的最大距离。中国科学家在自由空间量子通信方 向上的一系列工作引起了国际学术界的广泛关注。英国的《新科学家》、美国的《今日物理》等多家学术新闻媒体均对这些工作进行了报道。下一步科学家们正在计划通过自由空间实现几百公里的量子通信，超越光纤传输的极限。

量子通信比较传统通信技术具有明显优势：抗干扰能力强，不需要借助传统信道；量子密码几乎不可能被破译，保密性强；线路时延几乎为零，传输速度快。

量子计算的基本原理范文第4篇

《工程光学》是我校机电与信息工程学院测控技术与仪器专业单独开设的一门专业基础课。该专业主要研究信息的获取和处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是电子、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。

《工程光学》课程教学内容分为几何光学和物理光学两部分[1]，其教学目的是培养学生运用相关理论分析和解决测控工程中“工程光学”问题的能力。该课程在测控技术与仪器学科中有重要地位，起承上启下的作用，是学好后续的专业课程的基础。

2.基于特色专业的教学内容的调整

2.1工程光学的基本内容

光学可分为几何光学、物理光学和量子光学。几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，研究光的传播问题的学科。物理光学是从光的波动性出发研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。量子光学是从光子的性质出发，研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

结合测控专业的需要，在工程光学课程主要内容几何光学与物理光学两部分，让学生掌握经典光学和现代光学的基本知识。

2.2教学内容的调整

对于本科教学而言教材的选择非常重要。我们面向的教学对象是测控技术与仪器专业，测控技术发展的趋势是光、机、电、计算机一体化，光学在信息获取、传输、处理、存储等四个重要环节中占据越来越重要的位置，高精度的测控仪器设备都具有光学系统，且后续专业课程如“光电检测技术”等要求学生具备坚实的光学基础。

经过教学实践，我深感该课程教学内容分布多，涉及面广，概念多、数学推导复杂，讲解完之后学生总觉得内容稍显陈旧且难以理解，有点脱离实际[2]。我们对该教材的内容做了如下调整：结合测控专业特点，突出知识体系的重点和难点，在保证基础内容的前提下，压缩经典光学的内容，删除与普通物理学课程重复的内容[3]，增加现代光学内容的同时结合矿业工程中的科技前沿。

2.1.1几何光学内容的调整

在几何光学部分，第一章中压缩几何光学基本定律的内容，以球面成像系统为重点。第二章理想光学系统是重点，第三章与第四章分别是结合实际对第二章的补充。删除教材中第五章光度学和色度学基础的部分内容，把光学量和光照度等内容结合第七章典型光学系统进行讲解。第七章补充光学系统的设计，并把现代光学系统放在课程最后重点讲解。把第六章与第八章整合。

2.2.2物理光学内容的调整

在物理光学部分，删除与普通物理重叠的第九章光的电磁理论基础，以光的干涉、光的衍射、光的偏振为教学重点，重视基本原理、定律的介绍，淡化公式推导，强调概念的物理意义及其应用。这样使学生既掌握理论的发展，了解各物理参量的影响规律，又结合工程实际，做到理论联系实际，学起来也相对轻松。例如光的衍射中，详细介绍衍射理论的发展过程，淡化公式推导，强调每一种理论的近似条件，重点介绍公式中影响衍射场上光的复振幅分布的每一项的物理意义。用圆孔衍射的结论分析光学成像系统的分辨本领，由单缝衍射引申到双缝衍射，推出多缝衍射得到光栅的衍射，如图1所示。

图1 光的衍射主要教学内容

2.2.3现代光学系统的补充

激光具有相干性好、方向性强、单色性好的特点，在测控技术及仪器中被广泛采用。重点讲解激光的传播特性，准直与聚焦的方法。补充介绍激光器的结构、种类，各类激光的特点、选用原则。介绍光电监测系统的组成及原理如图2所示[4]，以红外测温仪、液压油污染颗粒光电检测系统为例，用干涉原理开发的激光测距仪；利用光栅测量原理进行开发的用于煤矿井下顶板离层及两帮变形的监测系统；光的偏振原理研制的光弹仪，等等。

图2 光电监测系统原理框图

3.教学方法和教学手段的改革

3.1编制多媒体教学课件

由于“工程光学”课程知识面广、光路图多、数学推导复杂[5]，如果教师仅用传统教学方法在黑板画光路图，因图形缺乏立体感，则对一些抽象的光学名词，如渐晕光阑、入瞳与出瞳等，学生很难理解；繁琐的公式推导常使教学过程冗长、枯燥，学生失去兴趣。充分运用现代教学手段，投入了很多精力编制“工程光学”多媒体教学课件。课件重点突出、层次分明、目的明确、形象生动，使学生易于理解，强化学习效果。

3.2归纳总结与对比教学法法

在教学过程中突出重点和难点，每章结束时会对本章内容进行总结、归纳，让学生对本章有总体把握，以便学生复习。并把本章的重点和难点以选择题的方式呈现，与学生进行互动，促使学生对所学知识在系统归纳总结的基础上加以理解，培养学生独立思考和分析问题的能力。

量子计算的基本原理范文第5篇

0引言

当高功率的脉冲激光聚焦于液体中时，在聚焦区域液体分子被脉冲激光产生的强电场电离，产生电子．在这个复杂的物理过程中，有的过程会产生自由电子，有的过程会抑制自由电子的产生，其结果导致存在一个激光强度阈值，当脉冲激光光强超过液体击穿阈值时，自由电子密度成指数速率增长；当电子达到一定浓度时就可以形成等离子体，由于等离子体具有很大的光吸收系数，使腔体进一步吸收激光能量，进而发生爆炸式膨胀，该过程便被称为液体中的光击穿．近年来，随着光击穿效应在眼科激光手术中的应用［1］，人们对液体中的光击穿效应也越来越关注，尤其是短脉冲激光器（如飞秒激光器）的诞生，进一步激起了人们对激光与液体相互作用的研究热情［2－5］．本文从自由电子密度速率方程出发，通过等离子体椭球模型，借助中子扩散方程，推导出液体中电子扩散速率的表达式，进而得出水的击穿阈值，并将理论计算结果与实验数据进行了比较和分析，结果表明等离子体椭球模型更符合实际情况．等离子体椭球模型的建立为光击穿效应应用于眼内介质、含水介质或其他含水生物组织，以及短脉冲激光在眼科激光手术上的应用提供一些理论参考．

1等离子体密度演化的速率方程

为了确定液体中发生光击穿的脉冲激光强度阈值，需要计算出在脉冲激光作用下的自由电子密度演化情况．用来描述等离子体中自由电子密度演化过程的速率方程为［6－7］式中dρ／（dt）m为多光子电离产生的电子；ηcascρ为雪崩电离产生的电子，ηcasc为雪崩电离速率；gρ为扩散到聚焦区域以外的电子，g为电子扩散损失率；ηrecρ2为电子的复合损失，ηrec为电子复合速率．

2等离子体椭球模型的应用

2．1等离子体椭球模型当高功率脉冲激光聚焦区域的介质被电离产生电子后，该区域与脉冲激光聚焦区域外的电子浓度出现差异，进而电子发生扩散，这种扩散对激光聚焦区域较小的液体介质的光击穿影响很大．等离子体椭球模型：当脉冲激光束聚焦到液体中，考虑到脉冲激光在聚焦区域的特征以及液体中光击穿的实验情况，可将脉冲激光的聚焦区域形状视为椭球．如图1所示，椭球的半长轴a，与激光束的能量相关，半短轴b，与激光束照射区域相关．

2．2电子扩散速率的计算根据量子力学的基本原理，借助中子扩散方程，令等离子体椭球中电子的扩散长度Λ＝B－1g，其中Bg为椭球的“几何曲率”，在稳态情况下，Bg是波动方程解的最小本征值．式中，s是包括外推长度在内的椭球表面．

2．3击穿阈值为了确保雪崩电离的启动，焦点区域Vf内至少得有10个“种子”电子，尤其是在皮秒和飞秒脉冲的情况下．由此可见，焦点区域的变化对雪崩电离的启动也会有相应的影响．此时，电子的雪崩电离速率表达式为式中：M为液体介质的分子质量，ω为角频率，Vf＝4／3πa2b为椭球体的体积．利用式（16），将不同的光强值Imax代入式（1）中求解，直到数值解出的最大自由电子密度ρmax等于光击穿的临界电子密度ρcr（2×1021cm－3）［8，12］，此时的光强值Imax就是所要求的击穿阈值光强．

3结果与比较

利用上述公式，使用不同波长、脉宽、焦点半径的激光脉冲，计算出水的击穿阈值，并将计算的结果与已知的实验数据［8－10］和其他模型进行比较，如表1所示．通过比较发现等离子体椭球模型得出的击穿阈值更接近于实验结果。