導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子計(jì)算的影響，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：數(shù)字?jǐn)z影測量 計(jì)算機(jī)視覺 多目立體視覺 影像匹配

引言

攝影測量學(xué)是一門古老的學(xué)科，若從1839年攝影術(shù)的發(fā)明算起，攝影測量學(xué)已有170多年的歷史，而被普遍認(rèn)為攝影測量學(xué)真正起點(diǎn)的是1851―1859年“交會(huì)攝影測量”的提出。在這漫長的發(fā)展過程中，攝影測量學(xué)經(jīng)歷了模擬法、解析法和數(shù)字化三個(gè)階段。模擬攝影測量和解析攝影測量分別是以立體攝影測量的發(fā)明和計(jì)算機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志，因此很大程度上，計(jì)算機(jī)的發(fā)展決定了攝影測量學(xué)的發(fā)展。在解析攝影測量中，計(jì)算機(jī)用于大規(guī)模的空中三角測量、區(qū)域網(wǎng)平差、數(shù)字測圖，還用于計(jì)算共線方程，在解析測圖儀中起著控制相片盤的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，交會(huì)空間點(diǎn)位的作用。而出現(xiàn)在數(shù)字?jǐn)z影測量階段的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站（digital　photogrammetry　workstation，DPW）就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)+各種功能的攝影測量軟件。如果說從模擬攝影測量到解析攝影測量的發(fā)展是一次技術(shù)的進(jìn)步，那么從解析攝影測量到數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展則是一場技術(shù)的革命。數(shù)字?jǐn)z影測量與模擬、解析攝影測量的最大區(qū)別在于：它處理的是數(shù)字影像而不再是模擬相片，更為重要的是它開始并將不斷深入地利用計(jì)算機(jī)替代作業(yè)員的眼睛。[1-2]毫無疑問，攝影測量進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代已經(jīng)與計(jì)算機(jī)視覺緊密聯(lián)系在一起了[2]。

計(jì)算機(jī)視覺是一個(gè)相對年輕而又發(fā)展迅速的領(lǐng)域。其目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)具有通過二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力，這種能力將不僅使機(jī)器能感知三維環(huán)境中物體的幾何信息，包括它的形狀、位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)等，而且能對它們進(jìn)行描述、存儲(chǔ)、識(shí)別與理解[3]。數(shù)字?jǐn)z影測量具有類似的目標(biāo)，也面臨著相同的基本問題。數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科，如圖像處理、模式識(shí)別以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等。由于它與計(jì)算機(jī)視覺的聯(lián)系十分緊密，有些專家將其看做是計(jì)算機(jī)視覺的分支。

數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展已經(jīng)借鑒了許多計(jì)算機(jī)視覺的研究成果[4]。數(shù)字?jǐn)z影測量發(fā)展導(dǎo)致了實(shí)時(shí)攝影測量的出現(xiàn)，所謂實(shí)時(shí)攝影測量是指利用多臺(tái)CCD數(shù)字?jǐn)z影機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行影像獲取，并直接輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在實(shí)時(shí)軟件的幫助下，立刻獲得和提取需要的信息，并用來控制對目標(biāo)的操作[1]。在立體觀測的過程中，其主要利用計(jì)算機(jī)視覺方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)代替人眼。隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字近景攝影測量已經(jīng)成為必然趨勢。近景攝影測量是利用近距離攝影取得的影像信息，研究物體大小形狀和時(shí)空位置的一門新技術(shù)，它是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取手段。量測型的計(jì)算機(jī)視覺與數(shù)字近景攝影測量的學(xué)科交叉將會(huì)在計(jì)算機(jī)視覺中形成一個(gè)新的分支――攝影測量的計(jì)算機(jī)視覺，但是它不應(yīng)僅僅局限于地學(xué)信息[2]。

1.　計(jì)算機(jī)視覺與數(shù)字?jǐn)z影測量的差異

1.1　目的不同導(dǎo)致二者的坐標(biāo)系和基本公式不同

攝影測量的基本任務(wù)是嚴(yán)格建立相片獲取瞬間所存在的像點(diǎn)與對應(yīng)物點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)利用攝影片上的影像信息測制各種比例尺地形圖，建立地形數(shù)據(jù)庫，為各種地理信息系統(tǒng)建立或更新提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，它是在測繪領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展起來的一門學(xué)科。

而計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的突出特點(diǎn)是其多樣性與不完善性。計(jì)算機(jī)視覺的主要任務(wù)是通過對采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場景的三維信息，因此直到計(jì)算機(jī)的性能提高到足以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)它才得到正式的關(guān)注和發(fā)展，而這些發(fā)展往往起源于其他不同領(lǐng)域的需要。比如在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用計(jì)算機(jī)來替代人工視覺。

由于攝影測量是測繪地形圖的重要手段之一，為了測繪某一地區(qū)而攝影的所有影像，必須建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系。而計(jì)算機(jī)視覺是研究怎樣用計(jì)算機(jī)模擬人的眼睛，因此它是以眼睛（攝影機(jī)中心）與光軸構(gòu)成的坐標(biāo)系為準(zhǔn)。因此，攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺目的不同，導(dǎo)致它們對物體與影像之間關(guān)系的描述也不同。

1.2　二者處理流程不同

2.　可用于數(shù)字?jǐn)z影測量領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)視覺理論――立體視覺

2.1　立體視覺

立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺中的一個(gè)重要分支，一直是計(jì)算機(jī)視覺研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，在20多年的發(fā)展過程中，逐漸形成了自己的方法和理論。立體視覺的基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計(jì)算像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。一個(gè)完整的立體視覺系統(tǒng)通常可分為圖像獲取、攝像機(jī)定標(biāo)、特征提取、影像匹配、深度確定及內(nèi)插等6個(gè)大部分[5]。其中影像匹配是立體視覺中最重要也是最困難的問題，也是計(jì)算機(jī)視覺和數(shù)字?jǐn)z影測量的核心問題。

2.2　影像匹配

立體視覺的最終目的是為了恢復(fù)景物可視表面的完整信息。當(dāng)空間三維場景被投影為二維圖像時(shí)，同一景物在不同視點(diǎn)下的圖像會(huì)有很大不同，而且場景中的諸多因素，如光照條件，景物幾何形狀和物理特性、噪聲干擾和畸變以及攝像機(jī)特性等，都被綜合成單一的圖像中的灰度值。因此，要準(zhǔn)確地對包含了如此之多不利因素的圖像進(jìn)行無歧義的匹配，顯然是十分困難的。

在攝影測量中最基本的過程之一就是在兩幅或者更多幅的重疊影像中識(shí)別并定位同名點(diǎn)，以產(chǎn)生立體影像。在模擬攝影測量和解析攝影測量中，同名點(diǎn)的識(shí)別是通過人工操作方式完成的；而在數(shù)字?jǐn)z影測量中則利用計(jì)算機(jī)代替人工解決同名點(diǎn)識(shí)別的問題，即采用影像匹配的方法。

2.3　多目立體視覺

根據(jù)單張相片只能確定地面某個(gè)點(diǎn)的方向，不能確定地面點(diǎn)的三維空間位置，而有了立體像對則可構(gòu)成與地面相似的立體模型，解求地面點(diǎn)的空間位置。雙目立體視覺由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī)（CCD）經(jīng)過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場景，就像人有了兩只眼睛，才能看三維立體景觀一樣，然后通過計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值?，F(xiàn)在的數(shù)字?jǐn)z影測量中的立體像對技術(shù)通常是在一條基線上進(jìn)行的，但是由于采用計(jì)算機(jī)匹配替代人眼測定影像同名像對時(shí)存在大量的誤匹配，使自動(dòng)匹配的結(jié)果很不可靠。其存在的問題主要是，對存在特殊結(jié)構(gòu)的景物，如平坦、缺乏紋理細(xì)節(jié)、周期性的重復(fù)特征等易產(chǎn)生假匹配；在攝像機(jī)基線距離增大時(shí)，遮擋嚴(yán)重，能重建的空間點(diǎn)減少。為了解決這些問題，降低雙目匹配的難度，自1986年以來出現(xiàn)了三目立體視覺系統(tǒng)，即采用3個(gè)攝像機(jī)同時(shí)攝取空間景物，通過利用第三目圖像提供的信息來消除匹配的歧義性[5]。采用“多目立體視覺技術(shù)”可以利用攝影測量的空中三角測量原理，對多度重疊點(diǎn)進(jìn)行“多方向的前方交會(huì)”，既能較有效地解決隨機(jī)的誤匹配問題，同時(shí)又能增加交會(huì)角，提高高程測量的精度[2]。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將很大程度地解決自動(dòng)匹配結(jié)果的不可靠性，提高數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

篇2

基于相關(guān)算法的目標(biāo)跟蹤是利用從以前圖像中獲得的參考模板，在當(dāng)前圖像中尋找最相似的區(qū)域來估計(jì)當(dāng)前目標(biāo)位置的方法。它對于背景復(fù)雜、會(huì)有雜波噪聲的情況具有良好的效果。CCD（電荷耦合器件）測量技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種非接觸式測量技術(shù)。CCD攝像器件在分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸方面的優(yōu)越性是其它器件無法比擬的，在動(dòng)態(tài)飛行目標(biāo)跟蹤測量中發(fā)揮著重要的作用。作者在CCD測量系統(tǒng)中使用相關(guān)匹配的方法，實(shí)現(xiàn)了對連續(xù)視頻圖像中動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤。

1 CCD誤差測量系統(tǒng)原理

在同一觀測位置布置兩臺(tái)CCD，其視軸平行。其中CCD1用于瞄準(zhǔn)，CCD2用于跟蹤飛行目標(biāo)。CCD1瞄準(zhǔn)線和視軸重合，獲得瞄準(zhǔn)線和靶標(biāo)之間的偏差角α。CCD2獲得飛行目標(biāo)和靶標(biāo)之間的偏差角β。系統(tǒng)要求得到瞄準(zhǔn)線和飛行目標(biāo)之間的水平和垂直方向上的偏差角ψx、ψy。因此規(guī)定CCD的視場中均以靶標(biāo)十字中心為原點(diǎn)，向左和向上為正方向，將α、β分別投影到坐標(biāo)軸上得到水平和垂直方向上的偏差角αx、αy、βx、βy。兩臺(tái)CCD的視頻軸平行，視軸間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CCD到目標(biāo)的距離，因此可以認(rèn)為兩CCD的視軸重合。所以有：

ψx=αx-βx，ψy=αy-βy     (1)

圖1是系統(tǒng)的原理圖，圖中靶板上的黑十字是靶標(biāo)，虛線十字為瞄準(zhǔn)分劃板在靶板上的投影（由于實(shí)際靶板上沒有，所以用虛線表示）。

2 圖像處理算法的選擇

從系統(tǒng)的原理分析可知，要完成偏差角度的測量首先應(yīng)當(dāng)從圖像中提取出各個(gè)目標(biāo)在圖像中的位置，再根據(jù)CCD當(dāng)量（每像元對應(yīng)的弧度數(shù)）算出水平和垂直方向的偏差角。從CCD1的圖像中的最靶標(biāo)十字和瞄準(zhǔn)分劃板的位置，從CCD2的圖像中提取靶標(biāo)十字和飛行目標(biāo)的位置。

由行目標(biāo)幾乎貼地飛行，CCD視場中有復(fù)雜的地面背景。而且靶標(biāo)是不發(fā)光的暗目標(biāo)，與背景灰度反差不大，很難將目標(biāo)從背景中分離出來，因此只有采用相關(guān)處理技術(shù)來進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，才能實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)誤差和飛行軌跡的測量。相關(guān)算法非常適合在復(fù)雜背景下識(shí)別和跟蹤運(yùn)行目標(biāo)。由于系統(tǒng)圖像處理是事后處理，處理連續(xù)的大量視頻圖像，實(shí)時(shí)性要求不高，而對處理精度和自動(dòng)處理程度要求較高，因此采用該算法。

本系統(tǒng)中相關(guān)處理將預(yù)先選定的目標(biāo)或目標(biāo)特定位置作為匹配樣板，求取模板和輸入圖像間的相關(guān)函數(shù)，找出相關(guān)函數(shù)的峰值及所在位置，求判斷輸入圖像是否包括目標(biāo)圖像及目標(biāo)位置。

3 相關(guān)算法的原理及改進(jìn)

在機(jī)器識(shí)別事務(wù)的過程中，常把不同傳感器或同一傳感器在不同時(shí)間、成像條件下對同一景物獲取的兩幅或多幅圖像在空間上對準(zhǔn)，或根據(jù)已知模式在另一幅圖像中尋找相應(yīng)的模式，這就叫做匹配。如果被搜索圖中有待尋的目標(biāo)，且同模板有一樣的尺寸和方向，在圖像匹配中使用相關(guān)匹配，就是通過相關(guān)函數(shù)找到它及其在被搜索圖中的位置。

3.1 相關(guān)算法

基于相關(guān)的目標(biāo)跟蹤尋找最佳匹配點(diǎn)，需要一個(gè)從以前圖像中得以的模板。在圖2中設(shè)模板T為一個(gè)M×M的參考圖像，搜索圖S為一個(gè)N×N圖像（M<N），T在S上平移，模板下覆蓋的那塊搜索圖叫做子圖Si,j，（i,j）為子圖左上角點(diǎn)在S中的坐標(biāo)，叫參考點(diǎn)。比較T和Si,j的內(nèi)容。若兩者一致，則它們的差為0。用誤差的平方和作為它們相似程度的測度：

展開公式（2），則有：

    公式（3）右邊的第三項(xiàng)表示模板的總能量，是一個(gè)常數(shù)。第一項(xiàng)是模板覆蓋下的子圖能量，隨（i,j）位置而緩慢改變。第二項(xiàng)是子圖和模板的互相關(guān)，隨（i,j）改變。當(dāng)模板和子圖匹配時(shí)刻值最大。因此可以用以下相關(guān)函數(shù)做相似性測度：

    根據(jù)柯西-施瓦茲不等式可知公式（4）中0<R（i,j）≤1，并且僅在Si,j(i,j)/[T(m,n)]為常數(shù)時(shí)，R(i,j)取最大值（等于1）。相關(guān)法求匹配計(jì)算量很大，如圖2所示的情況，要在（N-M+1）×（N-M+1）個(gè)參考位置上做相關(guān)計(jì)算，每次相關(guān)計(jì)算要做3M2次加法、3M2次乘法、1次除法、2次開方運(yùn)算。由于乘除法運(yùn)算量最大，整個(gè)算法的時(shí)間復(fù)雜度大約為o((N-M+1) ×2×(3M2+1))。整個(gè)運(yùn)算過程中，除了匹配點(diǎn)一點(diǎn)以外，都是在非匹配點(diǎn)上做無用功。但是，模板匹配算法準(zhǔn)確度較高，適合對大量的連續(xù)視頻圖像做自動(dòng)處理。

3.2 自適應(yīng)的相關(guān)匹配

在相關(guān)匹配過程中目標(biāo)的大小、形狀等或者連續(xù)幀中的原點(diǎn)位置發(fā)生變化，都會(huì)引起圖像相關(guān)偏離。一旦模板不能和目標(biāo)嚴(yán)格地匹配，那么最佳匹配點(diǎn)就不是目標(biāo)的中心。這會(huì)給相關(guān)算法造成誤差。雖然這個(gè)誤差是隨機(jī)的，但是它會(huì)隨著相關(guān)處理逐幀積累。如果積累了足夠的幀數(shù)，模板會(huì)完全偏離目標(biāo)。增大模板也會(huì)引入誤差。這是因?yàn)?，?dāng)模板大于目標(biāo)時(shí)，模板中將有部分背景信息。每幀中背景的變化，便引入了誤差。為了消除誤差，必須盡可能地減少模板中的背景信息。

為了解決以上問題，引入了自適應(yīng)的相關(guān)算法。首先在圖像的灰度直方圖中尋找一個(gè)閾值，使大多數(shù)的像素，特別是背景像素都在閾值之下。在圖像中定出模板的位置，尋找一個(gè)區(qū)域使其邊界的像素灰度從閾值之上變?yōu)殚撝抵?，作為目?biāo)的邊界，這樣，目標(biāo)的位置是目標(biāo)區(qū)域中的一個(gè)點(diǎn)，目標(biāo)被一個(gè)矩形窗口框住，可以認(rèn)為矩形的中心是目標(biāo)的中心。這樣，系統(tǒng)補(bǔ)償了逐幀匹配引起的偏離誤差，減小了誤差的積累。自適應(yīng)的窗口減小了引入過多背景元素而在相關(guān)過程中造成的影響。

3.3 減少運(yùn)算量

在CCD誤差測量系統(tǒng)中，即使是事后處理，如果對每一幀圖像進(jìn)行全圖搜索，其運(yùn)算量仍然是巨大的。從前面的分析可知，運(yùn)算量同搜索圖和模板的大小均有關(guān)系。在本系統(tǒng)中，模板的大小基本是固定的，在這種情況下，減小搜索力瓣大小就成為了如何減少運(yùn)算量的關(guān)鍵。經(jīng)過對系統(tǒng)實(shí)際的圖像分析，發(fā)現(xiàn)連續(xù)的每一幀中同一目標(biāo)的位置改變緩慢。對算法進(jìn)行改進(jìn)，對于連續(xù)視頻圖像的第一幀做全圖搜索，找出匹配點(diǎn)；對于后續(xù)各帖，在前一幀圖像目標(biāo)位置的基礎(chǔ)上進(jìn)行模板匹配，將當(dāng)前幀搜索圖定義為前一幀目標(biāo)位置周圍一個(gè)邊長為N的正方形區(qū)域（目標(biāo)位置不一定正方形的中心），在此較小的搜索圖中進(jìn)行相關(guān)匹配。同時(shí)設(shè)定一個(gè)閾值R，如果相關(guān)系數(shù)量大值R（i,j）MAX<R,那么認(rèn)為在該搜索圖中沒有找到目標(biāo)，則進(jìn)行整幀圖像的搜索，否則接受匹配點(diǎn)為目標(biāo)位置。

CCD誤差測量系統(tǒng)跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)，在對連續(xù)視頻圖像處理時(shí)，搜索圖的大小應(yīng)和運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。如果圖太小，有可能使目標(biāo)不在搜索圖內(nèi)，而必須進(jìn)行全圖的匹配，如果圖較大，又會(huì)增加運(yùn)算的開銷?？梢栽黾舆\(yùn)動(dòng)趨勢的估計(jì)，使搜索圖向運(yùn)動(dòng)趨勢的方向平移。對于當(dāng)前幀搜索圖區(qū)域的確定可以根據(jù)前兩幀位置間的關(guān)系來確定，求前兩幀位置水平和垂直坐標(biāo)的差Δx和Δy來決定偏移的方向。在有效的測量階段，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)基本是勻速的運(yùn)行，在水平方向和垂直方向的速度變化不大。因此，搜索圖的平移量可以根據(jù)|Δx|、|Δy|來確定。在當(dāng)前幀中以前一幀的目標(biāo)位置為新搜索圖的中心，在各方向分別平移|Δx|、|Δy|個(gè)像素，得到當(dāng)前的搜索圖。

4 軟件實(shí)現(xiàn)和處理結(jié)果

由于軟件和系統(tǒng)硬件的關(guān)系緊密，數(shù)據(jù)處理量大，對系統(tǒng)的可靠性要求高，因此采用Visual C++編程實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中圖像為768×576的256級(jí)灰度圖，模板的大小為40×40，搜索圖的大小為80×80。圖3是實(shí)際測試時(shí)得到的圖像匹配后的搜索圖。圖中黑白相間的方框是匹配得到的目標(biāo)，圖中依次為模板、第4、46、74幀匹配的結(jié)果。黑白相間的方框十字中心是目標(biāo)中心。

篇3

這項(xiàng)計(jì)劃將由谷歌的量子人工智能（Quantum Artificial Intelligence）研究小組來實(shí)施。谷歌在博客中透露，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的一個(gè)研究小組也加入了這項(xiàng)計(jì)劃。

谷歌去年的研發(fā)開支達(dá)到80億美元。為了在互聯(lián)網(wǎng)搜索和在線廣告等市場保持領(lǐng)先地位，谷歌目前正在開發(fā)一些新的計(jì)算機(jī)技術(shù)。在科技行業(yè)中的一些人看來，量子技術(shù)是計(jì)算機(jī)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)分析的一種革命性方式。這種新技術(shù)對谷歌的主要業(yè)務(wù)尤其有幫助，對它的新項(xiàng)目――如聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)汽車――也是有用的。

“在一個(gè)硬件研發(fā)團(tuán)隊(duì)的協(xié)助下，量子人工智能研究小組現(xiàn)在能夠落實(shí)新的設(shè)計(jì)并測試新的產(chǎn)品?！惫雀柙诓┛椭袑懙馈?/p>

在整理和分析海量數(shù)據(jù)方面，量子計(jì)算機(jī)將具有比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的解決速度。谷歌量子人工智能小組成員馬蘇德?莫森（Masoud Mohseni）曾經(jīng)與人合作撰寫過具有領(lǐng)先學(xué)術(shù)水平的量子技術(shù)論文。谷歌也一直被視為這一新技術(shù)革命的領(lǐng)導(dǎo)力量之一。

此外，谷歌的競爭對手微軟也在進(jìn)軍這個(gè)新領(lǐng)域，并建立了一個(gè)名為“量子架構(gòu)和計(jì)算（Quantum Architectures and Computation Group）”的研究小組。

探秘量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)，早先由理查德?費(fèi)曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來的?？伤l(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g使資料量也變得龐大，一個(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。理查德?費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象，則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少。量子計(jì)算機(jī)的概念從此誕生。

從物理層面上來看，量子計(jì)算機(jī)不是基于普通的晶體管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如質(zhì)子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（學(xué)校實(shí)驗(yàn)大多用這個(gè)）等等作為載體。當(dāng)然從理論上來看任何一個(gè)多能級(jí)系統(tǒng)都可以作為量子比特的載體。

從計(jì)算原理上來看，量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)既可以是離散的本征態(tài)（如傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)一樣），也可以是疊加態(tài)（幾種不同狀態(tài)的幾率疊加），對信息的操作從傳統(tǒng)的“和”，“或”，“與”等邏輯運(yùn)算擴(kuò)展到任何幺正變換，輸出也可以是疊加態(tài)或某個(gè)本征態(tài)。所以量子計(jì)算機(jī)會(huì)更加靈活，并能實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)或不再遙遠(yuǎn)

據(jù)外媒報(bào)道，美國普林斯頓大學(xué)研究人員近日設(shè)計(jì)出一種裝置，可以讓光子遵循實(shí)物粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?，F(xiàn)存的計(jì)算機(jī)是基于經(jīng)典力學(xué)研發(fā)而成的，在解釋量子力學(xué)方面有很大局限性。量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。

研究人員制作出一種超導(dǎo)體，里面有1000億個(gè)原子，在聚集起來之后，眾多原子如同一個(gè)大的“人工原子”?？茖W(xué)家把“人工原子”放在載有光子的超導(dǎo)電線上，結(jié)果顯示，光子在“人工原子”的影響下改變了原有的運(yùn)動(dòng)軌跡，開始呈現(xiàn)實(shí)物粒子的性質(zhì)。例如，在正常情況下，光子之間是互不干涉的，但是在這一裝置里，光子開始相互影響，呈現(xiàn)出液體和固體粒子的運(yùn)動(dòng)特性，光子的這種運(yùn)動(dòng)“前所未有”。

現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)是基于經(jīng)典力學(xué)研發(fā)而成的，在解釋量子力學(xué)方面有很大局限性。量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。研究人員稱，在改變光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之后，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)明也許不再遙遠(yuǎn)。

就我國量子計(jì)算機(jī)而言，相關(guān)研究也一直處于世界領(lǐng)先水平。早在2013年12月30日，美國物理學(xué)會(huì)《物理》雜志就公布了2013年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十一項(xiàng)重大進(jìn)展，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事張強(qiáng)、馬雄峰和陳騰云等“利用測量器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)解決量子黑客隱患”的研究成果位列其中。

《物理》雜志以“量子勝利的一年――但還沒有量子計(jì)算機(jī)”為題報(bào)道了中國科學(xué)家成功解決量子黑客隱患這一重要成果。

盡管量子計(jì)算機(jī)仍然是遙遠(yuǎn)的未來，但2013年科學(xué)家們卻報(bào)道了一系列量子信息和量子通信領(lǐng)域的勝利。在量子密碼方面，兩個(gè)獨(dú)立的研究組報(bào)道了一種新的加密手段，可以提供絕對的安全性，以解決量子黑客隱患。

篇4

量子密碼應(yīng)運(yùn)而生

量子計(jì)算的原理與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用的原理有很大不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用單路串行操作，而量子計(jì)算機(jī)采用多路并行操作，它們運(yùn)算速度的差異就如同萬只飛鳥同時(shí)升上天空與萬只蝸牛排隊(duì)過獨(dú)木橋的區(qū)別。

20世紀(jì)70年代，英國和美國最早開始對量子計(jì)算的研究。近年來，量子計(jì)算的理論和實(shí)踐都相繼取得重大進(jìn)展，產(chǎn)生了多種新的量子算法，研制了多種量子計(jì)算機(jī)原型。

科學(xué)家預(yù)測，未來10～20年將研制成功103～104量子比特的大型量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算能力可以在幾分鐘內(nèi)破譯現(xiàn)有任何采用非對稱密鑰系統(tǒng)生成的密碼。

面對量子計(jì)算未來可能隨時(shí)“秒殺”傳統(tǒng)密碼的危險(xiǎn)，科學(xué)家致力于尋找不基于數(shù)學(xué)問題，能有效抵抗量子計(jì)算攻擊的新型密碼體制。解鈴還須系鈴人，同樣基于量子信息技術(shù)的量子密碼應(yīng)運(yùn)而生，成為對抗量子計(jì)算的“神器”。

又一個(gè)可能的“技術(shù)差”

二戰(zhàn)中，英國破譯德軍ENGMA密碼，獲知其即將轟炸考文垂市，但為保守德軍密碼已被破譯的秘密，英國斷然犧牲考文垂這個(gè)重要工業(yè)城市，不發(fā)出防空警報(bào)任由德軍轟炸；美軍在中途島海戰(zhàn)的勝利，以及擊落山本五十六座機(jī)等影響戰(zhàn)爭進(jìn)程的重大事件，與其成功破譯日軍“紫密”有直接關(guān)系。一些專家們甚至估計(jì)，盟軍在密碼破譯上的成功至少使二戰(zhàn)縮短了8年。

當(dāng)前，戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)已成為連接人與武器、武器與武器的技術(shù)紐帶，構(gòu)成了信息化軍隊(duì)的神經(jīng)中樞。偵察預(yù)警、指揮協(xié)同、武器控制、后勤保障等作戰(zhàn)活動(dòng)均離不開網(wǎng)絡(luò)的支持。安全可靠的戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)是保證自身作戰(zhàn)體系穩(wěn)定，在體系對抗中謀取勝勢的重要前提，而戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)的安全又十分依賴于網(wǎng)絡(luò)通信密碼提供的“安全屏障”。

一個(gè)國家的軍隊(duì)一旦率先實(shí)現(xiàn)量子密碼和量子計(jì)算的武器化，并在戰(zhàn)爭中投入使用，將與對手形成巨大的“技術(shù)差”，在保持自身網(wǎng)絡(luò)通信絕對安全的同時(shí)，可隨時(shí)破譯對方網(wǎng)絡(luò)通信密碼，洞悉對手的一舉一動(dòng)，從而占據(jù)絕對信息優(yōu)勢，甚至可以直接癱瘓和控制對方網(wǎng)絡(luò)，由此將置作戰(zhàn)對手于極為被動(dòng)的不利地位，戰(zhàn)局可能出現(xiàn)“一邊倒”的情況。

以超常措施推進(jìn)軍事應(yīng)用

意大利軍事家杜黑指出：“勝利只向那些能預(yù)見戰(zhàn)爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發(fā)生才去適應(yīng)的人微笑。”面對量子信息技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，只有未雨綢繆，盡早規(guī)劃，提前部署，才能在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)先機(jī)和主動(dòng)，避免對手利用技術(shù)突然性陷我于被動(dòng)。

目前，量子密碼已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示性研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用。發(fā)達(dá)國家軍隊(duì)已把量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。例如，美國防高級(jí)研究計(jì)劃局專門制定“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”、研發(fā)量子芯片的“微型曼哈頓”計(jì)劃等。美國正加速推進(jìn)量子信息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，美國白宮和五角大樓已安裝量子通信系統(tǒng)并已投入使用。英、法、德、日等國軍隊(duì)也相繼制定實(shí)施一系列發(fā)展量子信息技術(shù)的計(jì)劃。

篇5

IBM近日慶祝在技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域取得的輝煌紀(jì)錄，以此慶賀公司百年華誕。IBM研制出了動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）、磁盤驅(qū)動(dòng)器、用在信用卡上的磁條，以及其他許多發(fā)明。IBM是世界上最富有創(chuàng)新精神的公司之一。

但計(jì)算機(jī)行業(yè)正在邁向新的未來技術(shù)，這項(xiàng)新技術(shù)具有與當(dāng)年推出的硅芯片一樣的顛覆性和革命性，那就是量子計(jì)算。量子計(jì)算系統(tǒng)利用亞原子粒子的行為，處理現(xiàn)在由芯片上晶體管處理的計(jì)算任務(wù)。

這個(gè)未來距離今天還有10年到20年，甚至更遙遠(yuǎn)。但如果能夠完全發(fā)揮量子計(jì)算的潛力，它也許會(huì)在芯片和硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域掀起一股開發(fā)熱潮，讓人聯(lián)想起幾十年前硅谷經(jīng)歷的那一幕。

IBM的創(chuàng)新副總裁兼IBM院士Bernard Meyerson說：“想一想我們?nèi)缃裨谥痔幚淼母淖冇螒蛞?guī)則的技術(shù)（指量子計(jì)算）?！盡eyerson的職責(zé)就是有確保世人不會(huì)僅僅認(rèn)為IBM在過去100年的輝煌就是其最好的。那是他談?wù)撔酒袠I(yè)會(huì)出現(xiàn)變化的原因之一。

按照摩爾定律，將來這類晶體管的尺寸會(huì)比今天最先進(jìn)處理器上的晶體管再縮小10倍，變得實(shí)在太小了，“以至于進(jìn)入到量子力學(xué)操作的范疇――這方面根本沒有先例?！?/p>

Meyerson表示，一旦現(xiàn)有的技術(shù)達(dá)到尺寸縮小方面的極限――大概10年后，還會(huì)設(shè)法繼續(xù)取得進(jìn)步，因?yàn)楣こ處焸兪褂眉啥群芨叩男酒圃炀o密耦合系統(tǒng)，另外會(huì)在存儲(chǔ)器、緩存和速度處理方面有所改進(jìn)。

不斷發(fā)展的這種勢頭會(huì)延長到20年，但之后，“你最好要有錦囊妙計(jì)。”Meyerson說。而其中一個(gè)錦囊妙計(jì)也許就是量子計(jì)算。

IBM研究中心的量子計(jì)算高級(jí)經(jīng)理Bill Gallagher表示，IBM的研究人員多年來在研究量子計(jì)算的理論和潛力；最近他們一直在針對概念進(jìn)行試驗(yàn)。

Gallagher說：“這是我們在眼下最重要的基礎(chǔ)性研究項(xiàng)目之一，可能也是規(guī)模最大的基礎(chǔ)性研究項(xiàng)目之一?！彼f，“已取得了良好的進(jìn)展，但還有很長一段路要走?！?/p>

普通計(jì)算機(jī)由一組二進(jìn)制比特?cái)?shù)字組成，這個(gè)比特可能是0或1。但量子比特可以同時(shí)保存0和1這兩個(gè)狀態(tài)。量子計(jì)算機(jī)中的處理能力可以急劇增強(qiáng)，而不是一個(gè)接一個(gè)地執(zhí)行計(jì)算。兩個(gè)量子比特（qubit）可保存4個(gè)不同的狀態(tài)――這4個(gè)狀態(tài)可以同時(shí)處理；三個(gè)量子比特可保存8個(gè)狀態(tài)，十個(gè)量子比特可保存1024個(gè)狀態(tài)。研究人員期望有朝一日，研制出有數(shù)千個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)。

但量子計(jì)算的亞原子世界帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。要保持“量子相干性”（即運(yùn)行計(jì)算的原子和電子之間相互作用保持一種穩(wěn)定狀態(tài)）有多種方法，包括在-273℃攝氏度的溫度下進(jìn)行處理（接近絕對零度），以減少熱干擾；以及使用超導(dǎo)金屬。延長可以保持相干狀態(tài)的時(shí)間是研究人員面臨的挑戰(zhàn)之一。

隨著研究的不斷繼續(xù)深入，量子計(jì)算市場正儼然形成。

關(guān)注的問題之一是，量子計(jì)算機(jī)最終能夠突破密碼保護(hù)技術(shù)。Security Innovation這家公司之前就一直在考慮這個(gè)問題，并研發(fā)出了公開密鑰算法NTRUSign。該公司表示，這種算法能夠抵御量子計(jì)算攻擊。它最近獲得了專利。

Security Innovation的首席科學(xué)家William Whyte說：“誰要是在制造需要十年后安全，很難升級(jí)的系統(tǒng)，就應(yīng)該認(rèn)真考慮這個(gè)問題：如果量子計(jì)算出現(xiàn)在世人面前，會(huì)發(fā)生什么?！?/p>

Whyte所在的公司是最早關(guān)注量子計(jì)算所帶來影響的一批公司之一。

Whyte關(guān)注量子計(jì)算市場的不斷發(fā)展，同時(shí)看到了業(yè)界在探索制造量子計(jì)算系統(tǒng)的種種想法和材料。

“我認(rèn)為，你會(huì)看到非常有創(chuàng)意的想法迸發(fā)出來，”Whyte說；新公司如雨后春筍般地冒出來，有望“超越現(xiàn)有廠商”。

加拿大不列顛哥倫比亞省伯納比的D-Wave Systems就是這樣一家在制造量子計(jì)算系統(tǒng)的公司。D-Wave公司在上個(gè)月宣布，它已將第一套完整系統(tǒng)賣給了洛克希德?馬丁公司。該公司的研究成果上個(gè)月還發(fā)表在了《自然》科學(xué)雜志上。

D-Wave Systems的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Geordie Rose表示，經(jīng)營了12年的這家公司在研制一種128量子比特的處理器，現(xiàn)已發(fā)展到了第23代。

量子系統(tǒng)旨在解決無法用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)很好地處理的一類問題，如機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和數(shù)理邏輯。Rose表示，這類問題需要核查數(shù)量龐大的可能性，以便找到最佳答案。

在發(fā)展的初期階段， Rose認(rèn)為創(chuàng)業(yè)公司具有優(yōu)勢。他說：“因?yàn)闂l條框框少得多，效率就高得多；遠(yuǎn)見卓識(shí)的人其角色重要得多。”

D-Wave這個(gè)例子還表明：即使在量子計(jì)算這個(gè)全新的領(lǐng)域，崛起的新興公司也會(huì)對傳統(tǒng)老牌公司構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。

IBM的Myerson持有發(fā)明證書，擁有多項(xiàng)專利權(quán)，還為硅鍺技術(shù)的研發(fā)作出了卓越貢獻(xiàn)。

如今，Meyerson肩負(fù)在IBM促進(jìn)創(chuàng)新的重任，他及其團(tuán)隊(duì)致力于提供全面的、跨學(xué)科領(lǐng)域的集成，以便在新領(lǐng)域獲得重大突破，又要確保IBM有一套流程以便不斷改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)。

篇6

【關(guān)鍵詞】量子阱；線性組合算符；束縛極化子；溫度效應(yīng)

The temperature effect of weak-coupling bound polaron in quantum well.

Li Ya-li Wang-Song

(School of Physics and Electronic，XuZhou Normal University,221116,Xuzhou,Jiangsu,China)

Abstract：Temperature dependence of the properties of the weak-coupling bound polaron in an infinite quantum well were investigate by using Linear-combination-operator and Variational method.The effects of the temperature on the vibration frequency λ,groun state energy E0 were iscusse.Numerical calculation illustrates that the groun state energy E0 of weak-coupling bound polaron will ecrease with increasing of the well width and the temperature.the vibration frequency λ will increasing with increasing of the temperature.

Key wors：Quantum well；Linear-combination-operator；bound polaron；temperature effect

1.引言

自從1975年，Dingle[1]等人第一次研究了量子阱中的光學(xué)特性開始，量子阱結(jié)構(gòu)就引起人們的廣泛關(guān)注，因?yàn)樗啾扔谄渌牧暇哂懈悠嫣氐男再|(zhì)。所以很多學(xué)者[1-3]運(yùn)用各種方法對量子阱中的極化子的性質(zhì)進(jìn)行研究。Zhao等[4-5]運(yùn)用修正的LLP變分法計(jì)算了拋物量子阱中電子（或空穴）的基態(tài)、第一激發(fā)態(tài)的躍遷能量，以及有限深拋物量子阱中束縛極化子的結(jié)合能。Zhao等[6]利用微擾法研究了量子阱中電子—聲子相互作用所引起的誘生勢。Dugaev等[7]運(yùn)用分析方法討論了處于平行磁場中Ⅳ-Ⅵ族窄隙半導(dǎo)體量子阱內(nèi)的能級(jí)。近年來，有一些學(xué)者[8-9]采用線性組合算符與變分相結(jié)合的方法研究了量子阱中極化子的性質(zhì)。

然而，以上這些研究都是在低溫極限下進(jìn)行的。而實(shí)際上，關(guān)于溫度對量子阱中極化子性質(zhì)影響的研究更有意義。秦榮華等[10]運(yùn)用格林函數(shù)理論研究了溫度對量子阱中極化子性質(zhì)的影響。額爾敦朝魯?shù)萚11]運(yùn)用Larsen諧振子算符代數(shù)運(yùn)算和變分微擾相結(jié)合的方法研究了處于磁場中電子—體縱光學(xué)聲子耦合系統(tǒng)的溫度依賴性，得到了有限溫度下系統(tǒng)的自能。但到目前為止，應(yīng)用線性組合算符和變分相結(jié)合的方法對量子阱中束縛極化子性質(zhì)的溫度依賴性進(jìn)行研究者甚少。本文運(yùn)用線性組合算符與變分相結(jié)合的方法討論了溫度對無限深量子阱中弱耦合束縛極化子性質(zhì)的影響，并給出量子阱中束縛極化子的基態(tài)能量和振動(dòng)頻率隨溫度的變化關(guān)系。

2.理論

考慮一個(gè)在﹥d范圍是無限高勢壘材料和范圍內(nèi)充滿極性半導(dǎo)體量子阱中電子的運(yùn)動(dòng)，并與極性半導(dǎo)體的LO聲子場相互作用。選擇平行于交界面的平面為x-y平面，阱心為原點(diǎn)。

利用Fröhlich極化子理論[12]系統(tǒng)的哈密頓量[13]可以寫成：

（1）

其中

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

其中分別是具有波矢W的聲子的產(chǎn)生和湮滅算符，K0是真空的介電常數(shù)，是電子的位置矢量，分別是電子的帶質(zhì)量和聲子的頻率，VW由下式?jīng)Q定

（7）

V是半導(dǎo)體體積，其中無量綱耦合常數(shù)α可以表示為：

（8）

分別是半導(dǎo)體的靜態(tài)和高頻介電常數(shù)。

將庫侖勢作級(jí)數(shù)展開：

（9）

在近似絕熱的條件下，對電子的橫向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量和坐標(biāo)引進(jìn)線性組合算符

（10）

（11）

其中λ是極化子的振動(dòng)頻率，取為變分參量，下面對H進(jìn)行幺正變換[14]

（12）

（13）

其中為變分函數(shù)，則哈密頓量變?yōu)椋?/p>

（14）

選取體系的嘗試波函數(shù)[15]

其中：

選取嘗試波函數(shù)[16]

（15）

上式中 n=1,2,3,…

計(jì)算過程中將用到：

，

；

，

（16）

則該體系的期望值[17]

（17）

對fw求變分得到：

將fw代入（17）式，將求和變積分，得：

（18）

對變分，得到：

（19）

將代入（18）式，可以得到基態(tài)能量：

(20)

3.數(shù)值計(jì)算

在有限溫度下，電子-聲子系統(tǒng)不再處于基態(tài)，晶格振動(dòng)不但激發(fā)實(shí)聲子，同時(shí)也使電子受到激發(fā)。極化子的性質(zhì)是電子-聲子系處于各種狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均。據(jù)量子統(tǒng)計(jì)學(xué)有極化子平均數(shù)和聲子平均數(shù)分別為：

（21）

（22）

為了更好的說明溫度對無限深量子阱中強(qiáng)耦合束縛極化子性質(zhì)的影響，以GaAs晶體量子阱為例子，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在計(jì)算過程中所采用的材料參數(shù)如下：

，，，，

其中，α是電子和聲子的耦合常數(shù)，m0是自由電子的靜質(zhì)量，以下圖中均用meV作為能量單位。

為了更為清晰顯示各個(gè)量之間的關(guān)系我們亦做出二維單值圖1至3。

圖1畫出束縛極化子的振動(dòng)頻率λ與溫度T的變化關(guān)系，表明在RbCl晶體量子阱中，當(dāng)溫度增加時(shí)束縛極化子的振動(dòng)頻率λ也增加。

圖2畫出束縛極化子的能量E0在不同溫度T下與阱寬的變化關(guān)系，表明束縛極化子的能量E0隨阱寬的增大而減小。圖形顯示在阱寬較小時(shí)，量子阱中束縛極化子的基態(tài)能量的絕對值隨阱寬減小而急劇減小，顯示了量子尺寸效應(yīng)，同時(shí)還表明溫度越高，量子尺寸效應(yīng)越顯著。

圖3畫出當(dāng)d=3nm，d=4nm，d=5nm時(shí)，束縛極化子的能量E0隨溫度T的變化關(guān)系，隨著溫度的增加，基態(tài)能量的絕對值是增大的。由式(20)我們可以看出，阱寬的不同取值只會(huì)影響圖形在能量軸E0上的截距亦或圖線的位置，但是三條曲線的形狀是相同的。

4.結(jié)論

運(yùn)用線性組合算符及變分相結(jié)合的方法討論了量子阱中弱耦合束縛極化子的溫度依賴性。給出了無限深量子阱中束縛極化子的平均能量E0和振動(dòng)頻率隨溫度的變化關(guān)系。結(jié)果表明，無限深量子阱中束縛極化子的振動(dòng)頻率隨溫度升高而增大；平均能量隨溫度升高而減小，隨阱寬增大而減小。當(dāng)阱寬較小時(shí)，平均能量隨阱寬減小而急劇增大，表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)，并且溫度越高，量子尺寸效應(yīng)越顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]Comas F,Trallero G C,RieraR.LO-phonon confinement and polaron effect in a quantum well[J].Phys Rev,1989,B39(9):5907-5912.

[2]Buacker H,Mora R M,Comas F.Magnetopolaron

in a quantum well[J].Phys Stat Sol(b),1990,159:117

-125.

[3]Chen Chuan Yu,et al.Strong-coupling theory of

quasi-two-dimensional polaron[J].Phys Rev,1994,

B49(19):13680-13684.

[4]Feng-Qi Zhao.Xi-Xia Liang.Shi-Liang Ban.Energy levels of polaron in a finite parabolic quantum well.Int J.Mod.Phys.B.2001,15(5):527-35.

[5]Feng-Qi Zhao.Xi-Xia Liang.Binding energy of a bound polaron in the finite parabolic quantum well[J].Mod Phys Lett.B.2011,15(20):827-35.

[6]Guo-zhong Zhao.Shao-hua Pan.Potentials induced by the electron-optical-phonon interaction.Z.Phys.B.1996,99:375-380.

[7]V K Dugaev and V I Litvinov.W Dobrowolski.Level quantization in the narrow-gap-semicondu-

ctor quantum well in a parallel magneitic field.Phys.Pev.B.200,62(3):1905-11.

[8]單淑萍,黃啟峰等.量子阱中弱耦合磁極化子的性質(zhì)[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(1):1-4.

[9]Jian Rong-hua.Zhao Cui-lan.Properties of the weak-coupling Magnetopolaron in a semiconductor quantum well.Chin J.Lum in(發(fā)光學(xué)報(bào)),2008,29(2):215-220.

[10]秦榮華,顧世洧.量子阱中極化子性質(zhì)的溫度關(guān)系[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1998,32(12):1-4.

[11]額爾敦超魯,肖景林.量子阱中極化子的自能與電磁場和溫度的關(guān)系[J].發(fā)光學(xué)報(bào),1999,20

(1):66-70.

[12]劉亞.量子阱中束縛極化子效應(yīng)[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002.

[13]Naoki Tokuda,Hisashi Shoji,Kazuyuki Yoneyu.The optical polaron bound in a Coulumb potential and its phase diagram[J].JPhys C:Solid State Phys,1981,14:4281-4290.

[14]李正中.固體理論[M].北京:高等教育出版社[M].1985:294-332.

[15]李喜軍,肖景林.量子阱中弱耦合極化子的內(nèi)部激發(fā)態(tài)能量[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,23(3).

[16]Rui-sheng Zheng,Shi-ling Ban,Xi-xia Liang.Eeffctsofintearfce and bulk optical phonons on Poloarons in a quantum well[J].Phys.Rev.1994-I,B44:1796-1801.

[17]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2008.

篇7

[關(guān)鍵詞]：計(jì)算科學(xué)　計(jì)算工具　圖靈模型　量子計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：1003-8809(2010)-09-0004-01

1、“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”

人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒有極限?對此問題，學(xué)者們在進(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律――牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行，而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想―發(fā)現(xiàn)―解釋―夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域，世界最終會(huì)變得越來越清晰，我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！盵論/文/網(wǎng)LunWenNe#Com]

2、量子計(jì)算系統(tǒng)

量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個(gè)問題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個(gè)，有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍，也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了，不過，在費(fèi)曼眼里，這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫?，量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性：在干涉實(shí)驗(yàn)中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算，那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，測量其結(jié)果，就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此，只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過程中，允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對象上完成實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇――圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的，即把計(jì)算看作由“神諭”來實(shí)現(xiàn)的：這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng)，例如，現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問題是一個(gè)典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來來計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題，大約需要28萬年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時(shí)間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大，也就是說如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。

3、量子計(jì)算中的神諭

人類的計(jì)算工具，從木棍、石頭到算盤，經(jīng)過電子管計(jì)算機(jī)，晶體管計(jì)算機(jī)，到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)，再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算，隨后，人們發(fā)明了算盤，來幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”，機(jī)器也可以用來搬動(dòng)“算珠”，而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機(jī)械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí)，數(shù)學(xué)家們開始對計(jì)算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。

量子計(jì)算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算?？梢哉f，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因?yàn)樵诖酥?，所有?jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤”，即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部，64位的寄存器(register)，也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計(jì)算則完全不同，對于量子計(jì)算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理，卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

4、“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)人類的思考能力

隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力，那么，量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生，會(huì)給人類整體帶來更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”。不僅如此，量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì)，把人類對計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。

如果觀察歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認(rèn)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律：

篇8

關(guān)鍵詞：量子遺傳算法；背包問題；修復(fù)函數(shù)

中圖分類號(hào)： TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

背包問題是一個(gè)在運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域里常見的優(yōu)化難題[1]。工廠里的下料問題，管理中的資源分配，資金預(yù)算，投資決策，裝載問題等均可建模為背包問題。研究該問題的求解方法，無論在理論上，還是在實(shí)踐中都有較重要的意義。由于采用通常的數(shù)學(xué)方法很難在有限的時(shí)間內(nèi)找出全局最優(yōu)解，因此，背包問題的求解方法主要是一些啟發(fā)式算法[2], 如禁忌搜索算法、模擬退火算法等，也有一些文獻(xiàn)用遺傳算法求解該問題[3], 但當(dāng)問題的規(guī)模較大時(shí), 傳統(tǒng)遺傳算法求解的效果不太理想。

近年來，A.Narayannan和KukHyun Han等人將量子力學(xué)中量子比特、量子態(tài)疊加等概念引入到遺傳算法中，提出了量子遺傳算法（Quantum Genetic Algorithm，簡稱QGA）[4]。它以量子計(jì)算的一些概念和理論為基礎(chǔ)，如量子比特、量子態(tài)疊加等，用量子比特編碼來表示染色體，用量子門更新來完成進(jìn)化搜索。量子遺傳算法在種群多樣性和計(jì)算并行性方面優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法，可有效提高算法的收斂速度，減少早熟收斂[5]。本文提出了一種帶修復(fù)函數(shù)的QGA來求解背包問題，在量子門更新時(shí)采用一種通用的旋轉(zhuǎn)角調(diào)整策略，使編程更為簡單。對于運(yùn)行中產(chǎn)生的非法解，由修復(fù)函數(shù)進(jìn)行修正。幾個(gè)典型背包問題的測試結(jié)果表明，這種具有自修復(fù)功能的量子遺傳算法在求解背包問題時(shí)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法。

1背包問題的描述

從計(jì)算復(fù)雜性理論來看，背包問題是個(gè)NP難題。它的描述有多種形式，本文僅考慮簡單0/1背包問題。

0/1背包問題可描述為：現(xiàn)有m個(gè)物品x1,x2,…,xm，每個(gè)物品的重量為wi，價(jià)值為pi。要從其中挑選若干物品放入背包，背包的總?cè)萘繛閏。問應(yīng)該如何選擇物品，才能使背包中物品的總價(jià)值最大。

背包問題的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

其中，xi只取0或者1，此時(shí)為0/1背包問題。

2量子遺傳算法（QGA）簡介

量子遺傳算法是量子計(jì)算與遺傳算法的結(jié)合。QGA基于量子計(jì)算中的量子比特和量子態(tài)疊加等概念，將量子比特的概率幅表示用于染色體的編碼，這樣，一個(gè)量子比特染色體可以表示多個(gè)態(tài)的疊加，使得該算法較傳統(tǒng)的遺傳算法具有更好的種群多樣性和更高的計(jì)算并行性。模擬量子坍塌的隨機(jī)觀察使種群更加豐富。在個(gè)體更新時(shí)采用量子旋轉(zhuǎn)門操作，而不是傳統(tǒng)遺傳算法中實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的交叉和變異操作，有效地提高了算法的收斂速度，并且可以方便地在算法的探索（exploration）和開發(fā)（exploitation）之間取得平衡，提高算法的尋優(yōu)效率。

2.1量子比特編碼

在QGA中，染色體中的基因不是用確定性的值（如二進(jìn)制數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)或符號(hào)等）表示，而是用量子比特（qubit）表示，或者說是用隨機(jī)概率方式表示。一個(gè)量子比特不僅僅可以表示|0>態(tài)或|1>態(tài)，而且可以表示這兩種狀態(tài)的任意疊加態(tài)，即|0>態(tài)和|1>態(tài)的任意中間態(tài)。所以，該基因所表達(dá)的不再是某一確定的信息，而是包含所有可能的信息，對該基因的任一操作也會(huì)同時(shí)作用于所有可能的信息。一般地，一個(gè)基因（即量子比特）的狀態(tài)可表示為：

其中，α和β分別是|0>和|1>的概率幅，且滿足歸一化條件：

量子遺傳算法中采用的這種量子比特染色體表示形式，使一個(gè)染色體可以同時(shí)表示多個(gè)狀態(tài)信息（一個(gè)m位的量子染色體表示2m個(gè)可能的狀態(tài)），有利于保持種群的多樣性，克服早熟收斂。

2.2量子門更新操作

在QGA中，量子比特個(gè)體是遺傳信息的載體，而對信息的基本操作是由量子門來實(shí)現(xiàn)的。量子門通過對量子比特實(shí)施一種幺正變換來控制量子態(tài)的演化和傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)種群的進(jìn)化。量子門的設(shè)計(jì)是QGA實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，直接影響QGA的性能。一般情況下采用量子旋轉(zhuǎn)門U，其更新過程如下：

為其通過量子旋轉(zhuǎn)門更新后的新基因，θi為旋轉(zhuǎn)角，其大小和符號(hào)是根據(jù)一個(gè)事先設(shè)計(jì)的調(diào)整策略而確定的。旋轉(zhuǎn)角的幅值影響收斂速度，如果幅值過大，會(huì)導(dǎo)致早熟；若幅值過小，會(huì)使收斂速度減慢。其值一般在0.001π~0.05π之間[6]。與其他的進(jìn)化算法類似，QGA也是一種概率搜索算法，只是其個(gè)體表示具有量子比特的形式。量子染色體的更新由量子門操作來完成，實(shí)際上是一種啟發(fā)式進(jìn)化策略，有助于提高算法的收斂速度。

3帶修復(fù)函數(shù)的量子遺傳算法求解背包問題的實(shí)現(xiàn)

3.1修復(fù)函數(shù)

在求解背包問題時(shí)，背包的總?cè)萘縞是確定的，但是，不一定每個(gè)解都滿足背包的容量限制條件（∑mi=1wixi≤c），必定有不滿足限制條件的解存在，因此，對非法解的處理是解決背包問題的一個(gè)重要步驟。

經(jīng)典背包問題在求最大利潤時(shí)大多采用懲戒（penalty）函數(shù)和修復(fù)（repair）函數(shù)的方法[7]。本文采用修復(fù)函數(shù)的方法來修正非法解，使其變?yōu)榭尚械木幋a。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

設(shè)置一個(gè)寄存器overfilled，放置二值數(shù)0或1。1表示背包已裝滿，0表示背包沒滿。

(1) overfilled置0。

(2) 若∑mi=1wixi>c，則overfilled置1。

(3) 當(dāng)overfilled為1時(shí)，隨機(jī)選擇一個(gè)xi使其為0，直到∑mi=1wixi≤c。此時(shí)，將overfilled置0。

(4) 當(dāng)overfilled為0時(shí)，隨機(jī)選擇一個(gè)xj使其為1，直到∑mi=1wixi>c。此時(shí)，將overfilled置1。

(5) 將最后選擇的一個(gè)xj置回0。

3.2算法實(shí)現(xiàn)

帶修復(fù)函數(shù)的量子遺傳算法求解背包問題的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1） 初始化：產(chǎn)生初始種群

其中qtj為第t代種群中的第j個(gè)量子染色體。

式中，n是種群中量子染色體的數(shù)目，由于量子遺傳算法具有高度并行性，所以種群規(guī)模可以很小而不影響算法的性能，本文中取n=10；m為量子染色體的長度，即背包中物品的個(gè)數(shù)。初始化時(shí)，全部染色體的所有基因

都被初始化為1/2，這意味著一個(gè)染色體取到所有可能值的概率是相等的。

（2） 量子坍塌：對Q(t)中的個(gè)體進(jìn)行一次觀測，以獲得一組確定的解P(t)={xt1,xt2,…,xtn}。其中，第j個(gè)染色體的觀測值xtj={xtj1,xtj2,…,xtjm}是一個(gè)長度為m的二進(jìn)制串，其每一位xtji的值觀測為0或1是根據(jù)相應(yīng)量子比特的概率選擇得到的。具體觀測過程為：產(chǎn)生一個(gè)0~1之間的隨機(jī)數(shù)r，若||2

（3） 修正非法解： 采用3.1節(jié)所述的修復(fù)函數(shù)修正不可行編碼，使所有的編碼都滿足背包限制條件，變?yōu)榭尚械木幋a。

（4） 計(jì)算適應(yīng)度：選取適應(yīng)度函數(shù)為背包中物品的總價(jià)值。第j個(gè)染色體的適應(yīng)度值fj=∑mi=1pi•xji。式中，pi是背包中第i個(gè)物品的價(jià)值；xji為第j個(gè)染色體的第i位觀測值，m為染色體長度，即背包中物品的個(gè)數(shù)。由于要求背包的最大價(jià)值，所以適應(yīng)度值越大的個(gè)體越好。

（5） 更新種群：通過量子旋轉(zhuǎn)門，根據(jù)(3)式和(4)式更新Q(t)。本文采用一種通用的旋轉(zhuǎn)角調(diào)整策略[8]，如式(5)所示：

式中，θi為旋轉(zhuǎn)角；sign為符號(hào)函數(shù)；xtji和bti分別為解xtj與當(dāng)前最優(yōu)解bt的第i位；f(xtj)和f(bt)分別是它們的適應(yīng)度值；

為種群中第j個(gè)染色體的第i個(gè)基因?qū)Γ沪う萯為量子比特旋轉(zhuǎn)的角度，其大小可以控制算法的收斂速度，本文中取0.01π。此調(diào)整策略可以用通常的表格形式表示，如表1。表中s(αtjiβtji)為量子比特旋轉(zhuǎn)的方向函數(shù)。圖1是量子旋轉(zhuǎn)門作用于量子比特個(gè)體的示意圖。例如，當(dāng)xtji=0，bti=1時(shí)，若f(xtj)≤f(bt)，為使當(dāng)前個(gè)體收斂到具有更高適應(yīng)度的染色體，應(yīng)該增加當(dāng)前解對應(yīng)量子比特取1的概率，即要使|變大，此時(shí)，在圖1中，若(αtji,βtji)在第1，3象限，θ應(yīng)向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（取正值），若在第2，4象限，θ應(yīng)向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（Δθi取負(fù)值）。

為了驗(yàn)證本文提出帶修復(fù)函數(shù)的量子遺傳算法在求解背包問題時(shí)的有效性，以兩個(gè)典型的背包問題為例，測試該方法的性能，并與傳統(tǒng)遺傳算法（CGA）進(jìn)行比較。

算例1

采用文獻(xiàn)[9]中的一個(gè)背包問題實(shí)例，例子中有50個(gè)物品可供選擇，具體參數(shù)如下：

算法參數(shù)：

• 帶修復(fù)函數(shù)的量子遺傳算法（QGA）：種群大小為10，最大進(jìn)化代數(shù)為500；

• 傳統(tǒng)遺傳算法（CGA）：種群大小為50，最大進(jìn)化代數(shù)為500，交叉概率0.8，變異概率0.05。

用QGA解決此背包問題，可得到如圖3的進(jìn)化過程曲線。用該算法可以求出該問題的最優(yōu)解決方案，決策變量xi(i=1,2,…,m)為11010101111011011011011111110100001010011000001000，背包的總價(jià)值為3B103，總質(zhì)量為1B000。而用傳統(tǒng)遺傳算法（種群大小sizepop=50，最大進(jìn)化代數(shù)maxgen=500，交叉和變異概率分別為0.8和0.05）解決該背包問題無法得到全局最優(yōu)解，運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。將圖3和圖4進(jìn)行比較不難看出，傳統(tǒng)遺傳算法（CGA）的平均適應(yīng)度迅速趨向全局最佳適應(yīng)度，而量子遺傳算法（QGA）的平均適應(yīng)度趨向全局最佳適應(yīng)度的趨勢比較緩慢，由此可以說明，QGA雖然種群較小，但卻具有更好的種群多樣性。

物品隨機(jī)產(chǎn)生，物品個(gè)數(shù)m分別取100、250和500，物品重量wi為1~10之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)，物品價(jià)值pi=wi+5，背包容量c=12∑mi=1wi。

采用傳統(tǒng)遺傳算法（CGA）和量子遺傳算法（QGA）分別對m＝100、m＝250和m＝500的三種背包問題進(jìn)行求解，算法參數(shù)同算例1，得到每代最佳適應(yīng)度的比較如圖5所示。從圖5中可以看出，量子遺傳算法的尋優(yōu)能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法。

分別用CGA和QGA對上述背包問題進(jìn)行50次試驗(yàn)，記錄下每次運(yùn)行的最佳適應(yīng)度值，即背包的最大總價(jià)值。50次運(yùn)行結(jié)果的最優(yōu)值、平均值和最差值如表2所示。

從以上兩個(gè)例子中可以看出，在求解背包問題時(shí)量子遺傳算法的尋優(yōu)能力優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法。而且，從兩者的平均適應(yīng)度曲線的比較可以看出，量子遺傳算法雖然種群規(guī)模小，但仍能保持種群中個(gè)體的多樣性，可以避免早熟收斂。而傳統(tǒng)遺傳算法在進(jìn)化后期適應(yīng)度高的個(gè)體大量繁殖，充斥整個(gè)解空間，這樣就容易導(dǎo)致算法停止在局部最優(yōu)解上?？傊?，帶修復(fù)函數(shù)的量子遺傳算法在求解背包問題時(shí)具有優(yōu)良的性能。

篇9

【關(guān)鏈詞】計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢 新型計(jì)算機(jī)

一、 前言

計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。自從1944年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能受到挑戰(zhàn)，開始從基本原理上尋找計(jì)算機(jī)發(fā)展的突破口，新型計(jì)算機(jī)的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。未來量子、光子和分子計(jì)算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語言能力，使計(jì)算機(jī)進(jìn)人人工智能時(shí)代。這種新型計(jì)算機(jī)將推動(dòng)新一輪計(jì)算技術(shù)革命，對人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

二、智能化的超級(jí)計(jì)算機(jī)

超高速計(jì)算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，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(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器(機(jī))組成，能完成普通計(jì)算機(jī)和服務(wù)器不能計(jì)算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級(jí)計(jì)算機(jī)獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域高精尖項(xiàng)目的研究與開發(fā)，為我們的日常生活帶來各種各樣的好處。最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)接近于復(fù)制人類大腦的能力，具備更多的智能成份.方便人們的生活、學(xué)習(xí)和工作。世界上最受歡迎的動(dòng)畫片、很多耗巨資拍攝的電影中，使用的特技效果都是在超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成的。日本、美國、以色列、中國和印度首先成為世界上擁有每秒運(yùn)算1萬億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)的國家，超級(jí)計(jì)算機(jī)已在科技界內(nèi)引起開發(fā)與創(chuàng)新狂潮。

三、新型高性能計(jì)算機(jī)問世

硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，也意味看硅技術(shù)越來越接近其物理極限。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)的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等，將會(huì)在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。

1.量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)的概念源于對可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。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(dòng).從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)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)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。

無論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新。

2.光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳翰和存儲(chǔ)。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。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

3.分子計(jì)算機(jī)

分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計(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。轉(zhuǎn)換開關(guān)為酶，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。生物分子組成的計(jì)算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動(dòng)機(jī)模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計(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。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(chǔ)1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(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。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國已研制出分子計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)人實(shí)用階段。

4.納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅(jiān)固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)。“納米”是一個(gè)計(jì)量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)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(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)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。美國正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件，發(fā)揮電子開關(guān)、放大和晶體管的功能。專家預(yù)測，10年后納米技術(shù)將會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

我們相信，新型計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，是二十一世紀(jì)科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，必將推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破?？茖W(xué)在發(fā)展，人類在進(jìn)步，歷史上的新生事物都要經(jīng)過一個(gè)從無到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學(xué)家們的不斷努力，未來的計(jì)算機(jī)一定會(huì)是更加方便人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的好伴侶。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉科偉，黃建國.量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002，(38).

[2]王延汀.談?wù)劰庾佑?jì)算機(jī).現(xiàn)代物理知識(shí)，2004，(16).

[3]陳連水，袁鳳輝，鄧放.分子計(jì)算機(jī).分子信息學(xué)，2005，(3).

[4]官自強(qiáng).納米科技與計(jì)算機(jī)技術(shù).現(xiàn)代物理知識(shí)，2003，(15).

篇10

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(hào)： TN918?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）21?0083?03

0 引 言

保密通信在人類社會(huì)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(hào)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(shí)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(dòng)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(hào)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)?，?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(huì)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(huì)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)

[1] SHANNON C E. Communication theory of secrecy systems [J]. Bell System Technical Journal， 1949， 28（4）： 656?715，

[2] 張蓓，孫世良.基于RSA的一次一密加密技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)安全，2009（3）：53?55.

[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.