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        量子計算的作用精選(五篇)

        發布時間:2024-01-27 16:11:04

        序言:作為思想的載體和知識的探索者,寫作是一種獨特的藝術,我們為您準備了不同風格的5篇量子計算的作用,期待它們能激發您的靈感。

        量子計算的作用

        篇1

        計算機網絡 多媒體 教學課件

        隨著計算機網絡技術的普及,使利用計算機技術制作多媒體教學課件如虎添翼。計算機網絡技術包含了流媒體技術、WEB技術、FTP共享技術、磁盤陣列存儲技術、云計算技術等與多媒體課件制作有關的內容,這些技術如果被充分利用,老師制作多媒體課件的技術水平可以得到更大的提高,制作的多媒體課件質量也具有較高的水準。下面分步敘述如何綜合利用計算機網絡技術制作多媒體課件。

        一、多媒體數據庫的建立

        媒體是信息的載體,多媒體是指多種媒體,如數字、文本、圖形、圖像和聲音的有機集成,而不是簡單的組合。其中數字、字符等稱為格式化數據;文本、圖形、圖像、聲音、視頻等稱為非格式化數據,非格式化數據具有數據量大、處理復雜等特點。多媒體數據庫實現對格式化和非格式化的多媒體數據的存儲、管理和查詢。由于多媒體數據庫對數字、字符、文字、圖形、圖像、語音處理和影視處理與數據庫的獨立性、安全性等優點的結合,使得多媒體數據庫的應用前景十分廣泛。多媒體數據庫在建立中應包含如下幾個重要數據庫:

        1.圖片數據庫。圖片數據庫重點存放與教學相關的圖片、圖形、照片等資料。這些數據應該分門別類,按照圖片格式、數據大小、存放日期等進行存放,經過多年的逐步積累,形成一個門類齊全、范圍廣泛、格式眾多、具有一定規模的圖片數據庫。教學多媒體課件常用的圖片格式一般有BMP、JPEG、GIF等。有些多媒體課件制作軟件會對圖片格式有統一要求,選用多媒體課件制作軟件時要注意使用圖片格式轉換軟件進行轉換。另外,存放的圖片應該使用圖片處理軟件進行調整和整理后再存放,以確保圖像質量。

        2.視頻數據庫。視頻數據庫重點存放與教學相關的數字視頻、動畫等影像資料。這些資料既有完整的電影、電視或動畫視頻,也應該有以鏡頭、場景和視頻片段為資料的視頻。在多媒體課件中可以根據教學需要隨意選用。視頻數據庫利用視頻處理技術進行視頻格式轉換和調整整理再進行存放,并建立目錄索引,使豐富的視頻數據庫具有方便的檢索功能。因視頻文件在保存中需要較大的空間,所以建立較高規格的磁盤陣列是很好的選擇。又因視頻文件在傳輸中需要較大的帶寬才能保證視頻在播放時流暢,不出現停頓和卡住的情況,所以我們需要采用的存儲系統體系結構以保證最低的數據傳輸速度。計算機網絡主干傳輸帶寬應不小于1000M,到計算機用戶桌面帶寬不應小于100M。不管被訪問的視頻圖像有多大,也不管訪問的用戶數量有多大,視頻圖像的發送系統要求存儲數據量大且有足夠的帶寬傳輸,必須保證最基本的傳輸速度,以保證傳輸的視頻圖像有較高的質量。教學多媒體課件常用的視頻圖像格式一般有AVI、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、RM、RMVB、MKV等格式。這些格式據有畫面規格大小、清晰度高低、是否適合視頻編輯軟件使用等不同特點。為了確保教學多媒體課件采用視頻的清晰度和色彩還原真實,建議盡量使用AVI、MPEG-2、MPEG-4、RMVB和MKV等格式。

        3.音頻數據庫。在音頻數據庫中,如何存放才能對音頻數據方便分析、檢索,是音頻數據庫成功實現的關鍵,傳統的數據存放和處理方式是無法滿足這些要求的。在多媒體課件制作中調用的音頻資料主要包括解說、朗誦、配樂、主題音樂、背景音樂、片頭片尾音樂和各種效果聲音等。

        4.文字數據庫。文字數據庫一般包括各種書籍里的文字以及相關和參考書目的文字,以便在制作多媒體課件時選用。常用的文字格式包括DOC、TXT、WPS等。這些較容易掌握,在這里不做贅述。

        二、FTP服務的使用

        很多學校在建設自己的校園計算機局域網時,都購買了FTP服務器,建立了適合自己學校教學、科研和行政管理等共享使用的FTP服務。在FTP服務器上可以建立以教學系部、教研室或個人的存儲專區,放置各種多媒體素材和制成的多媒體課件。FTP服務器的建立對老師們制作和存儲,以及共享自己的多媒體教學課件提供了極大的方便。

        1.素材的積累。老師們可以隨時隨地把自己平時搜集到的、購買的,以及自己制作的各種素材存放到FTP服務器上自己的文件夾內。系部或教研室也可以建立自己的素材庫。老師們在聯網的計算機上可以隨時調用各種素材,使制作多媒體課件的素材選取范圍有較大的空間,擴展多媒體課件的多樣性,增強其藝術感,使內容更加豐富多彩,從而進一步提高了廣大教師們多媒體課件的制作水平。

        2.群策群力,使多媒體課件制作具有較高水平。老師們也可以隨時下載和觀看FTP服務器上其他教師制作的多媒體課件的成品或半成品,及時提出自己的見解和修改意見;或是直接進行修改另取相近名稱保存,供制作教師參考。這樣可使教師們在制作多媒體課件時廣泛聽取其他教師的意見和建議,相互借鑒,取長補短,群策群力;相比之下,要比單個教師單打獨斗制作的多媒體課件的質量和水平好得多。

        3.多媒體課件的共享。老師們在上課時可以直接調用存儲在FTP服務器上的多媒體課件直接上課,免去了忘記攜帶優盤,或因優盤品牌各異、型號各異,或因感染病毒造成計算機無法讀取優盤的煩惱。另外上課時還可以調用其他教師制作的多媒體課件,或鏈接的相關網頁進行參考。

        三、教學平臺服務的開展

        隨著社會對教育的認識程度越來越高,計算機網絡教學平臺的發展也越來越快,由過去單一的以教師為中心進行課堂授課,發展到現在的高度綜合性、形式多樣化、內容范圍廣、適合學生自主學習的教學模式。很多學校在建設校園計算機局域網的同時,一般都會購買教學平臺服務器,建立適合本學校進行教學的教學平臺服務。同時會號召和發動老師們在教學平臺服務器上建設和完善各門課程完整的授課和評測體系,明顯提高了學校的教學水平和教學效果。

        1.分平臺的建立。在教學平臺服務體系中各系部或教研室建立自己的二級教學平臺,在二級教學平臺進行課程目錄、課程級別、教師類別等項目設置。讓老師們按照教學平臺的使用規則建設和完善自己所授課程的全部內容以及參考資料,以方便學生的自主學習。

        2.課程的分級分類。授課課程一般分為精品課程欄目和校內一般授課課程欄目。授課課程按照國家級、省級和校級精品課程的類別,從上到下按序設置目錄;校內一般授課課程按建設的先后分類設置目錄,以方便學生選擇學習。

        篇2

        關鍵詞:量子力學 量子計算機

        中圖分類號:TP39 文獻標識碼:A文章編號:1007-3973 (2010) 02-106-01

        1量子力學對計算機技術發展的影響

        自1646年第一臺電子計算機問世以來,其芯片發展速度日益加快。按照芯片的摩爾定律 ,其集成度在不久的將來有望達到原子分子量級。在享受計算機飛速發展帶來的種種便利的同時,我們也不得不面臨一個瓶頸問題,即根據量子力學理論,在芯片發展到微觀集成的時候,量子效應會影響甚至完全破壞芯片功能。因此,量子力學對計算機技術發展具有決定性作用。

        1.1量子力學簡介

        量子力學是近代自然科學的最重要的成就之一. 在量子力學的世界里,一個量子微觀體系的狀態是由一個波函數來描述的,而非由粒子的位置和動量描述,這就是它與經典力學最根本的區別。

        1.2量子力學與量子計算機

        量子力學的海森堡測不準原理決定了粒子的位置和動量是不能同時確定的()。當計算機芯片的密度很大時(即很小)將導致很大,電子不再被束縛,產生量子干涉效應,而這種干涉效應會完全破壞芯片的功能。為了克服量子力學對計算機發展的限制,計算機的發展方向必然和量子力學相結合,這樣不僅可以越過量子力學的障礙,而且可以開辟新的方向。

        量子計算機就是以量子力學原理直接進行計算的計算機.保羅•貝尼奧夫在1981年第一次提出了制造量子計算機的理論。量子計算機的存儲和讀寫頭都以量子態存在的,這意味著存儲符號可以是0、1以及它們的疊加。

        2量子計算機的優點

        近年來的種種試驗表明,量子計算機的計算和分析能力都超越了經典計算機。它具有如此優越的性質正在于它的存儲讀取方式量子化。對量子計算機的原理分析可知,以下兩個個特性是令量子計算機優越性的根源所在。

        2.1存儲量大、速度高

        經典計算機由0或1的二進制數據位存儲數據,而量子計算機可以用自旋或者二能級態構造量子計算機中的數據位,即量子位。不同于經典計算機的在0與1之間必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加態。

        因此,量子計算機的n個量子位可以同時存儲2n個數據,遠高于經典計算機的單個存儲能力; 另一方面量子計算機可以同時進行多個讀取和計算,遠優于經典計算機的單次計算能力。量子計算機的存儲讀取特性使其具有存儲量大、讀取計算速度高的優點。

        2.2可以實現量子平行態

        由量子力學原理可知,如果體系的波函數不能是構成該體系的粒子的波函數的乘積,則該體系的狀態就處在一個糾纏態,即體系的粒子的狀態是相互糾纏在一起的。而量子糾纏態之間的關聯效應不受任何局域性假設限制,這使兩個處在糾纏態的粒子而言,不管它們離開有多么遙遠,對其中一個粒子進行作用,必然會同時影響到另外一個粒子.正是由于量子糾纏態之間的神奇的關聯效應, 使得量子計算機可以利用糾纏機制,實現量子平行算法,從而可以大大減少操作次數。

        3量子計算機發展現狀和未來趨勢

        3.1量子計算機實現的技術障礙

        到目前為止,世界上還沒有真正意義上的量子計算機,它的實現還有許多技術上的問題。

        量子計算機的優越性主要體現在量子迭加態的關聯效應. 然而,環境對迭加態的影響以及迭加態之間的相互作用會使這種關聯效應減弱甚至喪失,即量子力學去相干效應.因此應盡量減少環境對量子態的作用。同時,萬一由于相干效應引入了錯誤信息,必需能及時改正,這需要進一步的研究和實驗。

        另一方面,量子態不能復制,使得不能把經典計算機中很完善的糾錯方法直接移植到量子計算機中來.由于量子計算機在計算過程中不能對量子態測量, 因為這種測量會改變量子態, 而且這種改變是不可恢復的,因此在糾錯方面存在很多問題。

        3.2量子計算機的現狀

        由于上述兩種原因,現在還無法確定未來的量子計算機究竟是什么樣的, 目前科學家門提出了幾種方案.

        第一種方案是核磁共振計算機. 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 兩種狀態,重點在于實現自旋狀態的控制非操作,優點在于盡可能保證了量子態和環境的較好隔離。

        第二種方案是離子阱計算機. 其原理是將一系列自旋為1/2 的冷離子被禁錮在線性量子勢阱里, 組成一個相對穩定的絕熱系統,重點在于由激光來實現自旋翻轉的控制非操作其優點在于極度減弱了去相干效應, 而且很容易在任意離子之間實現n 位量子門。

        第三種方案是硅基半導體量子計算機. 其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實現存儲信息的量子位,重點在于用絕緣物質實現量子態的隔絕,其優點在于可以利用現代高效的半導體技術。

        此外還有線性光學方案, 腔量子動力學方案等.

        3.3量子計算機的未來

        隨著現代科學技術的發展,量子計算機也會逐漸走向現實研制和現實運用。量子計算機不但于未來的計算機產業的發展緊密相關,更重要的是它與國家的保密、電子銀行、軍事和通訊等重要領域密切相關。實現量子計算機是21 世紀科學技術的最重要的目標之一。

        參考文獻:

        [1]胡連榮. 速度驚人的量子計算機[J].知識就是力量

        [2]付剛.“量子計算機”解密[N].中安在線-安徽日報

        [3]譚華海.量子計算機研究的最新進展[J].教育部科技發展中心內刊.

        篇3

        關鍵詞:量子算法;Shor算法;Grover算法;量子通信;量子智能計算

        【分類號】:TM743

        1.概述

        量子計算是計算機科學與量子力學相結合的產物,根據Moore定律可知:當計算機的存儲單元達到原子層次時,顯著地量子效應將會嚴重影響計算機性能,計算機科學的進一步發展需要借助新的原理和方法【1】,量子計算為這一問題的解決提供了一個可能的途徑。

        根據量子計算原理設計的量子計算機是實現量子計算的最好體現。量子計算機是利用微觀粒子狀態來進行存儲和處理信息的計算工具【2】。其基本原理是通過物理手段制備可操作的量子態,并利用量子態的疊加性、糾纏性和相干性等量子力學的特性進行信息的運算、保存和處理操作,從本質上改變了傳統的計算理念。

        量子通信是量子理論與信息理論的交叉學科,是指利用量子的糾纏態實現信息傳遞的通訊方式。量子的糾纏態是指:相互糾纏的兩個粒子無論被分離多遠,一個粒子狀態的變化都會立即使得另一個粒子狀態發生相應變化的現象。量子通信主要包括兩類:用于量子密鑰的傳輸,和用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。與傳統的通信技術相比,量子通信具有容量大,傳輸距離遠和保密性強的特點。

        2.量子計算基礎

        2.1 量子位

        計算機要處理數據,必須把數據表示成計算機能夠識別的形式。與經典計算機不同,量子計算機用量子位來存儲信息,量子位的狀態既可以是0態或1態,也可以是0態和1態的任意線性疊加狀態。一個n位的量子寄存器可以處于 個基態的相干疊加態 中,即可以同時存儲 種狀態。因此,對量子寄存器的一次操作就相當于對經典計算機的 次操作,也就是量子的并行性。

        2.2.量子邏輯門

        對量子位的態進行變換,可以實現某些邏輯功能。變化所起到的作用相當于邏輯門的作用。因此,提出了“量子邏輯門”【3】的概念,為:在一定時間間隔內,實現邏輯變換的量子裝置。

        量子邏輯門在量子計算中是一系列的酉變換,將酉矩陣作為算符的變換被成為酉變換。量子位的態 是希爾伯特空間(Hilbert空間)的單位向量,實現酉變換后希爾伯特空間,在希爾伯特空間內仍為單位向量。【4】

        3.量子算法

        量子算法的核心就是利用量子計算機的特性加速求解的速度,可以達到經典計算機不可比擬的運算速度和信息處理功能。目前大致五類優于已知傳統算法的量子算法:基于傅里葉變換的量子算法,以Grover為代表的量子搜素算法,模擬量子力學體系性質的量子仿真算法,“相對黑盒”指數加速的量子算法和相位估計量子算法。

        3.1基于傅里葉變換的量子算法

        Shor于1994年提出大數質因子分解量子算法,而大數質因子分解問題廣泛應用在RSA公開密鑰加密算法之中,該問題至今仍屬于NP難度問題。但是Shor算法可以在量子計算的條件下,在多項式時間內很有效地解決該問題。這對RSA的安全性有著巨大的挑戰。

        Shor算法的基本思想是:利用數論相關知識,通過量子并行特點,獲得所有的函數值;再隨機選擇比自變量小且互質的自然數,得到相關函數的疊加態;最后進行量子傅里葉變換得最后結果。構造如下函數:

        就目前而言,該算法已經相對成熟,對其進行優化的空間不大。目前研究者的改進工作主要是:通過對同余式函數中與N互質的自然數選擇的限制,提高算法成功的概率。Shor算法及其實現,對量子密碼學和量子通信的發展有著極重要的價值。[7]

        3.2以Grover為代表的量子搜素算法

        3.2.1 Grover算法

        Grover算法屬于基于黑箱的搜索算法,其基本思想為:在考慮含有 個數據庫的搜索問題,其中搜索的解恰好有 個,將數據庫中的每個元素進行量化后,存儲在 個量子位中, 與 滿足關系式 。【8】將搜索問題表示成從0到 的整數 ,其中函數 定義為:如果 是需要搜索的解, ;若不是需要搜索的解,那么 。【12】

        具體算法如下:

        (1)初始化。應用Oracle算子 ,檢驗搜索元素是否是求解的實際問題中需要搜索的解。

        (2)進行Grover迭代。將結果進行阿達馬門(Hadamard門)變換。

        (3)結果進行 運算。

        (4)結果進行阿達馬門變換。【12】

        4. 量子智能計算

        自Shor算法和Grover算法提出后,越來越多的研究員投身于量子計算方法的計算處理方面,同時智能計算向來是算法研究的熱門領域,研究表明,二者的結合可以取得很大的突破,即利用量子并行計算可以很好的彌補智能算法中的某些不足。

        目前已有的量子智能計算研究主要包括:量子人工神經網絡,量子進化算法,量子退火算法和量子免疫算法等。其中,量子神經網絡算法和量子進化算法已經成為目前學術研究領域的熱點,并且取得了相當不錯的成績,下面將以量子進化算法為例。

        量子進化算法是進化算法與量子計算的理論結合的產物,該算法利用量子比特的疊加性和相干性,用量子比特標記染色體,使得一個染色體可以攜帶大數量的信息。同時通過量子門的旋轉角度表示染色體的更新操作,提高計算的全局搜索能力。

        目前量子進化算法已經應用于許多領域,例如:工程問題、信息系統、神經網絡優化等。同時,伴隨著量子算法的理論和應用的進一步發展,量子進化算法等量子智能算法有著更大的發展前景和空間。

        參考文獻

        1.王書浩,龍桂魯.大數據與量子計算

        2.張毅,盧凱,高穎慧.量子算法與量子衍生算法

        3.Deutsch D,Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A,1992,439:553-558

        4.吳楠,宋方敏。量子計算與量子計算機

        5.蘇曉琴,郭光燦。量子通信與量子計算。量子電子學報,2004,21(6):706-718

        6. White T.Hadoop: The Defintive Guide,California:O’Reilly Media,Inc.2009:12-14

        7.王蘊,黃德才,俞攸紅.量子計算及量子算法研究進展.

        8.孫吉貴,何雨果.量子搜索算法.軟件學報,2003,14(3):334-344

        9.龍桂魯.量子計算算法介紹

        10.解光軍,范海秋,操禮程.一種量子神經計算網絡模型

        篇4

        [關鍵詞]量子;特性;意識;應用

        中圖分類號:O413.1 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2016)25-0298-01

        一、量子的基本知識

        1、量子

        我們在物理學中提到“量子”時,實際上指的是微觀世界的一種行為傾向,也就是可觀測的物理量都在不連續地變化。?比如,我們說一個“光量子”,是因為單個光量子的能量是光能變化的最小單位,光的能量是以單個光量子的能量為單位一份一份地變化的。對于量子的種種特性,連不少科學家都為之迷惑,對于我們普通人來說自然更加高深。今天我就試著走近它,來發現她“幽靈”般的的魅力。

        2、量子的特性

        量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性――量子疊加和量子糾纏。

        量子疊加就是說量子有多個可能狀態的疊加態,只有在被觀測或測量時,才會隨機地呈現出某種確定的狀態,因此,對物質的測量意味著擾動,會改變被測量物質的狀態。好比孫悟空的分身術, 孫悟空可能同時出現在幾個地方,他的各個分身就像是他的疊加態。在日常生活中,我們不可能在不同的地方同時出現,但在量子世界里它卻可以同時出現在多個不同的地方。”

        而所謂的量子糾纏,則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎,不管兩個人的距離有多遠,當哥哥的狀態發生變化時,弟弟的狀態也跟著發生一樣的變化。“如果這兩個光量子呈糾纏態的話,哪怕是千公里量級或者更遠的距離,還是會出現遙遠的點之間的詭異互動,愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學家就可以利用這種效應將甲地某一粒子的未知量子態,在乙地的另一粒子上還原出來。量子糾纏的廣泛應用將會改變我們的生活,真正地突破時空的局限,交通、物流也就不再會有時間與空間的阻礙了。我國發射的“墨子號”量子衛星昭示著我國在量子通信領域已處于世界領先的地位。

        二、意識是量子力學現象

        人們的意識一直都沒有搞清楚,用經典物理學的電學、磁學及力學方法去測量意識是測量不出來的,科學家們現在已經開始認識到了意識是種量子力學的現象,意識的念頭像量子力學的測量。為什么這么說呢?比如我們面前出現了一座房子,這時有兩種可能的狀態:一個沒有任何心思的人會看房非房,他的意識處于自由的狀態,沒看到房子是石頭的還是木頭的,他根本就不動念頭。意識也是這樣,如果你看到這座房子,一下子動念頭了,動念頭實質上就是作了測量。

        客觀世界是一系列復雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》, 就是研究意識,他認為計算機僅僅是邏輯運算,不會產生直覺,直覺只能是量子系統才能夠產生,意識是種量子力學現象,意識的念頭像量子力學的測量。而人的大腦有直覺,也就是說人的意識不僅存在于大腦之中,也存在于宇宙之中,量子糾纏告訴我們,一定有個地方存在著人的意識。

        三、量子技術的應用

        科學家認為,量子糾纏是一種 “神奇的力量”,可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統的基礎。實際上,量子糾纏還有很多奇妙的應用,可以在許多領域中突破傳統技術的極限。量子技術已經成為一個新興的、快速發展中的技術領域。這其中,量子通信、量子計算、量子成像、量子生物學是目前的方向。

        1、量子通信

        量子通信就是通過把量子物理與信息技術相結合,利用量子調控技術,確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度。 廣義地說,量子通信是指把量子態從一個地方傳送到另一個地方,它的內容包含量子隱形傳態,量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說,實際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信,解決了以往用微電子技術為基礎的計算機信息技術極易遭遇泄密的問題。

        2、量子計算

        量子計算是量子物理學向我們展示的又一種強大的能力,源自于對真實物理系統的模擬。模擬多粒子系統的行為時,當需要模擬的粒子數目很多時,一個足夠精確的模擬所需的運算時間則變得相當漫長。而如果用量子系統所構成的量子計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少,從此量子計算機的概念誕生。

        3、量子成像

        量子成像是從利用量子糾纏原理開始發展起來的一種新的成像技術,有一種比較奇妙的現象稱之為“鬼成像”。比如將糾纏的雙光子分別輸入兩個不同的光學系統中,在其中一個系統里放入待成像的物體,通過雙光子關聯測量,在另一個光學系統中能再現物體的空間分布信息。即與經典光學成像只能在同一光路中得到物體的像不同,鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現該物體的成像。

        4、量子生物學

        量子生物學是利用量子力學的概念、原理及方法來研究生命物質和生命過程的學科。薛定諤在《生命是什么》一書中對這一觀點進行了詳盡的闡述,提出遺傳物質是一種有機分子,遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設想。這些設想由脫氧核糖核酸雙螺旋結構模型而得到極大的發展,從而奠定了分子生物學的基礎。分子的相互作用必然涉及其電子的行為,而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學。因此量子生物學是分子生物學深入發展的必然趨勢,是量子力學與分子生物學發展到一定階段之后相互結合的產物。

        愛因斯坦相對論指出:相互作用的傳播速度不會大于光速,可是對于分開很遠距離的兩個處于糾纏態中的粒子,當對一個粒子進行測量時,另一個粒子的狀態受到關聯關系已經發生了變化,這種傳輸的理論速度可以遠遠超過光速。這一現象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。量子糾纏是量子物理學里最稀奇古怪的東西,即使腦洞大開我們還是很難領會它,另外從常識角度來看,量子理論描述的自然界很荒謬,許多解釋還涉及到哲學問題。但另一方面,量子物理學有很廣泛的應用,它的發展可能帶來行業面貌的改變,所涉及的范圍從量子計算機到人工智能,無所不含,這也正是我們深入學習、研究量子物理的動力所在啊!

        參考文獻

        [1] 薛定諤,生命是什么.

        [2] 舒娜,量子糾纏技術與量子通信.

        [3] 尼古拉.吉桑著,周榮庭譯,跨越時空的骰子.

        [4] 中國科普博覽.

        [5] 科普中國.

        篇5

        (一)在建筑材料方面的應用

        水泥是重要的建筑材料之一。1993年,計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中,解決了很多實際問題。

        鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一,它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下,研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現,含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致,而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr,Ba原子鍵級與Sr-O,Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級,由此認為,含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

        將量子化學理論與方法引入水泥化學領域,是一門前景廣闊的研究課題,它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來,也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

        (二)在金屬及合金材料方面的應用

        過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構,通過量子化學計算表明,含有雜質石原子的磁矩要降低,這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明,在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是:d>f>p>s,其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說,NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心),其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論,并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

        量子化學方法因其精確度高,計算機時少而廣泛應用于材料科學中,并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善,同時由于電子計算機的飛速發展和普及,量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展,將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

        二、在能源研究中的應用

        (一)在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

        煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步,量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

        量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑,由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性,對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。

        (二)在鋰離子電池研究中的應用

        鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點,被人們稱之為“最有前途的化學電源”,被廣泛應用于便攜式電器等小型設備,并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

        鋰離子電池又稱搖椅型電池,電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此,深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明,隨著鋰含量的增加,鋰的離子性減少,預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法,對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究,研究表明,鋰優先插入到石墨層間反應,然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

        隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展,相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

        三、在生物大分子體系研究中的應用

        生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域,尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究,是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等,都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問,這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶;可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調控基因的復制與突變,使之造福于人類;可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等,可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

        綜上所述,我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中,量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來,由于電子計算機的飛速發展和普及,量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言,在不久的將來,量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

        參考文獻:

        [1]程新.[學位論文].武漢:武漢工業大學材料科學與工程學院,1994

        [2]程新,馮修吉.武漢工業大學學報,1995,17(4):12

        [3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

        [4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973

        [5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

        [6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

        [7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,2003,26(1):1

        [8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

        [9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

        [10]SatoruK,MikioW,ShinighiK.ElectrochimicaActa1998,43(21-22):3127

        [11]麻明友,何則強,熊利芝等.量子化學原理在鋰離子電池研究中的應用.吉首大學學報,2006,27(3):97.

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