導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子計算的作用，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。

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量子糾纏態(tài)的性質(zhì)刻畫特別是它的大小測量是一個有意義的課題。研究表明量子糾纏態(tài)的大小一般可以由純態(tài)的馮諾伊曼熵來衡量，對于一個兩量子比特系統(tǒng)，馮諾伊曼熵大的態(tài)可以通過局域量子操作及經(jīng)典通訊變換為另一個馮諾伊曼熵小的態(tài)。但是對高維系統(tǒng)，卻經(jīng)常存在兩個量子糾纏態(tài)并不能互相轉(zhuǎn)化的情況，甚至存在更復(fù)雜比如所謂糾纏催化的情況：即在糾纏態(tài)轉(zhuǎn)換過程中有輔助的糾纏態(tài)起到類似化學(xué)催化劑的現(xiàn)象。在刻畫這些糾纏態(tài)性質(zhì)方面，大家最近發(fā)現(xiàn)馮諾伊曼熵的推廣即任伊熵是一個好的量子糾纏大小的測度，可以準(zhǔn)確的刻畫糾纏轉(zhuǎn)化行為。同時隨著量子信息科學(xué)的發(fā)展，人們也希望能利用量子信息科學(xué)里的一些技術(shù)和方法來研究比如凝聚態(tài)系統(tǒng)的一些量子行為，例如對量子相變的刻畫。反過來也希望凝聚態(tài)物理對物質(zhì)量子相的性質(zhì)研究能對量子信息處理和量子計算是否可以在這些系統(tǒng)實現(xiàn)給出提示。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）理論室范桁研究員、博士生崔健與新加坡國立大學(xué)等合作在不同量子相的不同量子計算能力方面的研究取得重要進(jìn)展（Nature Commun.3，812（2012））。他們通過對模型基態(tài)任伊熵的偏導(dǎo)正負(fù)性的判斷，發(fā)現(xiàn)其行為可以準(zhǔn)確區(qū)分凝聚態(tài)模型的不同量子相，而且不同的量子相確實在量子計算的能力方面是不同的。

量子計算的實現(xiàn)在方法上大致可以被分為兩種，量子邏輯門方法和絕熱量子計算方法。研究表明這兩種方法在計算能力和計算復(fù)雜度方面是等價的。他們選取了一種可以用絕熱量子計算實現(xiàn)的量子算法，通過對一維橫場伊辛模型和XY模型基態(tài)糾纏任伊熵的分析發(fā)現(xiàn)，在絕熱量子計算的實現(xiàn)過程中，在一些量子相里，絕熱量子計算需要整體相干操作，而在另一些量子相里，絕熱量子計算可以通過較簡單的局域操作輔助以經(jīng)典通訊。而對比如量子搜索的研究表明，局域操作在所謂的量子加速方面并不起作用。從而表明不同的量子相具有不同的量子計算能力。

凝聚態(tài)模型基態(tài)的任伊熵研究對量子相變的刻畫及在量子計算中的作用是一個新的方法，不同量子相有不同的量子計算能力這個結(jié)論對具體物理系統(tǒng)的選取有指導(dǎo)意義。相關(guān)工作發(fā)表在近期Nature Commun.上（Nature Commun.3.812（2012））。

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關(guān)鍵詞：量子阱 界面聲子 色散關(guān)系 電聲相互作用

我們知道在室溫和較高的溫度下，電子與光學(xué)聲子作用對半導(dǎo)體的電學(xué)特性具有重要的作用。在量子異質(zhì)結(jié)中，電聲相互作用影響其他主要的性質(zhì)，象熱電子的馳豫率，子帶遷移率，室溫激子的壽命等。纖鋅礦量子異質(zhì)結(jié)中的光學(xué)特性和輸運(yùn)特性也會被電聲相互作用所影響。所以研究纖鋅礦半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的電子與聲子相互作用，具有重要的物理意義。

1、纖鋅礦結(jié)構(gòu)量子阱中的電子-界面聲子相互作用哈密頓

電子與聲子相互作用的Fr？觟hlich哈密頓可以通過把在r處的電子與聲子相互作的能量量子化得到。對于界面光學(xué)聲子的電聲相互作用的哈密頓，我們可以通過標(biāo)準(zhǔn)的量子化過程，得到電子與界面聲子相互作用的Fr？觟hlich哈密頓

以上的方程具有普遍的意義，我們可以用來研究任意層纖鋅礦結(jié)構(gòu)多異質(zhì)結(jié)、量子阱中的界面聲子與電子的相互作用，對進(jìn)一步研究纖鋅礦結(jié)構(gòu)多量子阱中的極化子效應(yīng)、激子與聲子的相互作用具有重要的意義

2、計算結(jié)果與討論

在介電連續(xù)模型和單軸晶體模型傳遞矩陣的方法下，我們將界面光學(xué)聲子場量子化，得到量子化的界面光學(xué)聲子場，得出了任意多層纖鋅礦結(jié)構(gòu)量子阱中界面光學(xué)聲子的電聲相互作用的哈密頓。為了更清楚地了解電聲相互作用的耦合強(qiáng)度，我們分別計算了纖鋅礦結(jié)構(gòu)單量子阱GaN/ZnO/GaN（厚度為∞/5nm/∞）和耦合量子阱ZnO/GaN/ZnO/GaN（厚度為∞/5nm/3nm/5nm/∞）中的電子與界面聲子的耦合強(qiáng)度。計算中所用GaN和ZnO的參數(shù)見下表。

4 主要結(jié)論

通過了解纖鋅礦量子阱中的界面聲子與電子相互作用，計算了纖鋅礦結(jié)構(gòu)的單量子阱GaN/ZnO/GaN和耦合量子阱ZnO/GaN/ZnO/GaN中的電聲相互作用。結(jié)果表明：隨著波數(shù)的變化不同的界面聲子對電聲相互作用的貢獻(xiàn)不同；低頻界面聲子的電聲相互作用是大于高頻界面聲子的，且電聲相互作用中長波界面聲子有更大的貢獻(xiàn)。我們的結(jié)論對進(jìn)一步研究研究纖鋅礦量子阱中的電聲相互作用、極化子、激子與LO聲子的相互作用具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇；改進(jìn)量子進(jìn)化算法；研究

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0033-02

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，其已經(jīng)成為了我國人民在日常生活中及工作中不可缺少的技術(shù)，它為人們的衣食住行提供了方面，也為我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。目前我國計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)正在朝著更大規(guī)模范圍發(fā)展，在此過程中也暴露了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的一系列問題。現(xiàn)如今的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇已經(jīng)滿足不了人們及社會的發(fā)展需求，也對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行造成了一定的影響，所以對其的優(yōu)化改進(jìn)是目前最重要的內(nèi)容。

1 淺析計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中有多種方法，包括梯度法、列表尋優(yōu)法、爬山法及模擬退算法等。由于這些方式具有局限性，收到多種條件的限制，導(dǎo)致本身的作用都得不到很好的發(fā)揮。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇主要是在能夠滿足計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信容量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼熬W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需求的基礎(chǔ)上，對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)路由進(jìn)行選擇，使計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以縮短到最小時延。一般計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇可以使用優(yōu)化工作，比如：其一，如果計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)內(nèi)部具有較大容量的緩沖器，那么就不會溢出或者丟失其數(shù)據(jù)包；其二，如果能夠以實際的指數(shù)分布為基礎(chǔ)設(shè)置報文長度，就可以按照泊松到達(dá)；其三忽略計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)處理報文的時延；計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中報文傳輸服務(wù)都是一個等級?！?】

2 探析改進(jìn)量子進(jìn)化算法

實際上量子進(jìn)化算法就是進(jìn)化算法和量子計劃相結(jié)合產(chǎn)生的，此事以態(tài)矢量為基礎(chǔ)，以量子比特編碼為染色體，其更新染色體要以量子旋轉(zhuǎn)門和非門進(jìn)行實現(xiàn)，從而才能優(yōu)化計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由。量子進(jìn)化算法中的染色體排列矩陣為：

一個量子染色體表示問題解的特性，其原理就是對量子染色體進(jìn)行隨機(jī)測量，以此得出結(jié)果和概率，使用二進(jìn)制實現(xiàn)坍塌，在此過程中可以了解到量子染色體可以有效地解決問題。另外改進(jìn)量子進(jìn)化算法的實現(xiàn)是根據(jù)量子旋轉(zhuǎn)門，通過搜索法使公式的解得到最佳，增加或者減少概率，以此保留或者刪除結(jié)果，以此來改進(jìn)量子進(jìn)化算法。

上表中的xi表示第i個量子染色體的二進(jìn)制解，bi表示第i個最優(yōu)解。

量子進(jìn)化算法的流程主要包括三個部分：其一，要對種群進(jìn)行初始化，在此基礎(chǔ)上對初始種種群進(jìn)行測量，以此得到與個體相依狀態(tài)的相關(guān)記錄表；其二，在合適的狀態(tài)下對記錄進(jìn)行針對性的評估，并且對最佳個體和個體的適應(yīng)值進(jìn)行相關(guān)記錄；其三，在還沒有完全結(jié)束的時候，進(jìn)行其他操作。

對于量子進(jìn)化算法來說，此過程是非常復(fù)雜的，用相關(guān)的符號表示事務(wù)，之后進(jìn)行計算。比如可以使用M表示染色體長度，染色體可以維護(hù)解的多樣性。這樣才能使算法簡單的表述。【2】

3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的改進(jìn)量子進(jìn)化算法研究

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，量子進(jìn)化算法是非常值得熱議的話題，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的量子進(jìn)化算法，其主要問題就是量子進(jìn)化算法是針對性對表格進(jìn)行參照，以此來找出相應(yīng)的解法。這種方法會造成旋轉(zhuǎn)角之間沒有較好的關(guān)聯(lián)性，另外在搜索問題的時候會有跳躍性，對于計算機(jī)在日常運(yùn)行工作的時候是非常不利的。為了能夠通過量子進(jìn)化算法解決計算機(jī)路由選擇中的問題，就要對其進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。首先優(yōu)化其中的旋轉(zhuǎn)角，使其值能夠滿足路由選擇。優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)表式子可以寫為：

?θi=0.001π*50fb-fx/fx

根據(jù)此式子可以了解到旋轉(zhuǎn)角在不同的情況下會有不同的結(jié)果，簡單來說就是不同的旋轉(zhuǎn)角值具有不同的含義。如果旋轉(zhuǎn)角的值越小，那么就說明個體與最優(yōu)個體之間的距離就越小，就縮小了搜索網(wǎng)絡(luò)。在此狀況下搜索就可以達(dá)到最優(yōu)；如果旋轉(zhuǎn)角的值越大，就說明個體與最優(yōu)個體之間的距離越大，就逐漸擴(kuò)大了搜索網(wǎng)絡(luò)。在此狀況下就要使所搜速度加快，這樣才能夠使計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇更多方面。

另外就是優(yōu)化調(diào)整其中的函數(shù)，可以使用組合優(yōu)化的方式進(jìn)行，要求函數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，這樣才能夠得出最優(yōu)解。通過此方式可以了解到，個體基因之間并沒有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。所以就可以通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇，對量子進(jìn)化算法中的函數(shù)調(diào)整并優(yōu)化。如果處于歸一化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對應(yīng)的實屬對，并且使他們與量子位一一對應(yīng)?；诖司涂梢宰隽孔舆M(jìn)化算法的仿真實驗，并且對其進(jìn)行對比，是否有優(yōu)勢。實驗結(jié)果表示，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的性能能夠了解量子進(jìn)化算法優(yōu)化后比傳統(tǒng)更優(yōu)秀，此結(jié)果可以見圖1。

從圖1可以了解到，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的改進(jìn)量子進(jìn)化算法中，不斷是收斂速度、尋優(yōu)能力還是其中的性能，都優(yōu)于傳統(tǒng)量子進(jìn)化算法。在進(jìn)行仿真測試時，能夠使改進(jìn)量子進(jìn)化算法之后發(fā)揮自身的作用，也能夠在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中完善自身的應(yīng)用。在此情況下計算機(jī)路由選擇面對問題能夠很好地解決，并且能夠及時發(fā)現(xiàn)其中的問題，有效地提高了工作人員的工作質(zhì)量和效率，還使計算機(jī)在正常運(yùn)行和工作的過程中保持一個良好的狀態(tài)?！?】

4結(jié)束語

在目前計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，要重視計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由的選擇。同時，改進(jìn)量子進(jìn)化算法也是非常重要的，通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)角，以此提高搜索速率及范圍。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自發(fā)展應(yīng)用以來，量子進(jìn)化算法都有著較好的應(yīng)用和前景，那么優(yōu)化量子進(jìn)化算法有效地促進(jìn)了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以為我國各行各業(yè)提供更好的服務(wù)，也有效促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋明紅，俞華鋒，陳海燕.改進(jìn)量子進(jìn)化算法在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的應(yīng)用研究[J].科技通報，2014（1）：170-173.

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【關(guān)鍵詞】超弦/M理論/圈量子引力/哲學(xué)反思

【正文】

本文分四部分。首先明確什么是量子引力？其次給出當(dāng)代量子引力發(fā)展簡史，更次概述當(dāng)代量子引力研究主要成果，最后探討量子引力的一些哲學(xué)反思。

一、什么是量子引力？

當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)中最大的挑戰(zhàn)性課題，就是把廣義相對論與量子力學(xué)協(xié)調(diào)起來[1]。這個問題的研究，將會引起我們關(guān)于空間、時間、相互作用（運(yùn)動）和物質(zhì)結(jié)構(gòu)諸觀念的深刻變革，從而實現(xiàn)20世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)所提出的空間時間觀念的量子革命。

廣義相對論是經(jīng)典的相對論性引力場理論，量子力學(xué)是量子物理學(xué)的核心。凡是研究廣義相對論和量子力學(xué)相互結(jié)合的理論，就稱為量子引力理論，簡稱量子引力。探討量子引力卓有成效的理論，主要有兩種形式。第一，是把廣義相對論進(jìn)行量子化，正則量子引力屬于此種。第二，是對一個不同于廣義相對論的經(jīng)典理論進(jìn)行量子化，而廣義相對論則作為它的低能極限，超弦／M理論則屬于這種。

圈(Loop)量子引力[2]是當(dāng)前正則量子引力的流行形式。正則量子引力是只有引力作用時的量子引力，和超弦／M理論相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)量子化手續(xù)于廣義相對論，而廣義相對論則寫成正則的即Hamiltonian形式。正則量子引力根據(jù)歷史發(fā)展大體上可分為樸素量子引力和圈量子引力。粗略來說，前者發(fā)生于1986年前，后者發(fā)生于1986年后。樸素量子引力由于存在著紫外發(fā)散的重正化困難，從而圈量子引力發(fā)展成為當(dāng)前正則量子引力的代表。

超弦／M理論的目的，在于提供己知四種作用即引力和強(qiáng)、弱、電作用統(tǒng)一的量子理論。理論的基本實體不是點(diǎn)粒子，而是1維弦、2維簡單膜和多維brane（廣義膜）的延展性物質(zhì)客體。超弦是具有超對稱性的弦，它不意味著表示單個粒子或單種作用，而是通過弦的不同振動模式表示整個粒子譜系列。

圈量子引力和超弦／M理論之外，當(dāng)代量子引力還有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓?fù)鋱稣?、扭量理論、非對易幾何等?/p>

二、當(dāng)代量子引力研究進(jìn)展

我們主要給出超弦／M理論和圈量子引力研究的重大進(jìn)展。

1.超弦／M理論方面[3]

弦理論簡稱弦論，雖然在20紀(jì)70年代中期，已經(jīng)知道其中自動包含引力現(xiàn)象，但因存在一些困難，只是到80年代中期才取得突破性進(jìn)展。

1)80年代超弦理論

弦論發(fā)展可粗略分為早期弦理論（70年代）、超弦理論（80年代）和M理論（90年代）三個時期。我們從80年代超弦理論開始，簡述其研究進(jìn)展。

1981年，M·Green和J.Schwarz提出一種嶄新的超對稱弦理論，簡稱超弦理論，認(rèn)為弦具有超對稱性質(zhì)，弦的特征長度已不再是強(qiáng)子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。

1984年，Green和Schwarz證明[4]，當(dāng)規(guī)范群取為SO(32)時，超弦I型的楊－Mills反常消失，4粒子開弦圈圖是有限的。

1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10維雜化弦概念，這種弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。雜化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)兩種。

同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]對10維雜化弦E[，8]×E[，8]的額外空間6維進(jìn)行緊致化，最重要的一類為Calabi－丘流形。但是這類流形總數(shù)多到數(shù)百萬個，應(yīng)該根據(jù)什么原則來選取作為我們世界的C－丘流形，至今還不清楚，雖然近10多年來，這方面的努力從來未中斷過。

1986年，提出建立超弦協(xié)變場論問題，促進(jìn)了對非微擾超弦理論的探討。在諸種探討方案中，以E.Witten的非對易幾何最為突出[7]。

同年，人們詳細(xì)地研究了超弦唯象學(xué)，例如E[，6]以下如何破缺及相應(yīng)的物理學(xué)，對緊致空間已不限于C－丘流形，還包括軌形(Orbifold)、倍集空間等。

人們常把1984-86年期間對超弦研究的突破，稱為第一次超弦革命。在此期間建立了超弦的五種相互獨(dú)立的10維理論，而且是微擾的。它們是I型、IIA型、IIB型、雜化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。

2)90年代M理論

經(jīng)過80年代末期和90年代初期，對超弦理論的對偶性、鏡對稱及拓?fù)涓淖兊鹊难芯?，?995年五種超弦微擾理論的統(tǒng)一性問題獲得重大突破，從此第二次超弦革命開始出現(xiàn)。

1995年，Witten在南加州大學(xué)舉行的95年度弦會議上發(fā)表演講，點(diǎn)燃起第二次超弦革命。Witten根據(jù)諸種超弦間的對偶性及其在不同弦真空中的關(guān)聯(lián)，猜測存在某一個根本理論能夠把它們統(tǒng)一起來，這個根本理論Witten取名為M理論。這一年內(nèi)Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，給出ⅡA型弦和M理論間的關(guān)系[8]、I型弦和雜化SO(32)型弦間的關(guān)系、雜化弦E[，8]×E[，8]型和M理論間的關(guān)系等。

1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人認(rèn)識到D-branes的重要性。積極進(jìn)行D-branes動力學(xué)研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe應(yīng)用D-brane思想，計算了黑洞這種極端情形的熵和面積關(guān)系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面積的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena對具有不同角動量與電荷的黑洞所計算的結(jié)果指出，黑洞遵從量子力學(xué)的一般原理。G.Collins探討了量子黑洞信息損失問題。

1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩陣弦理論，研究了M理論和矩陣模型間的聯(lián)系和區(qū)別。

同年，Maldacena提出AdS/CFT對偶性[11]，即一種Anti-de Sitter空間中的IIB型超弦及其邊界上的共形場論之間的對偶性假設(shè)，人們稱為Maldacena猜測。這個猜測對于我們世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking確立果殼中宇宙的思想，都有不少的啟示。

2.圈量子引力方面[12]

1)二十世紀(jì)80年代

1982年，印度物理學(xué)家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相繼發(fā)表兩篇文章，把廣義相對論引力場方程表述成簡單而精致的形式。

1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，認(rèn)為該方程已經(jīng)表述了廣義相對論的核心內(nèi)容。一年后，他給出了廣義相對論新的流行形式，從而對于在Planck標(biāo)度的空間時間幾何量，可以進(jìn)行具體計算，并作出精確的數(shù)量性預(yù)言。這種表述是此后正則量子引力進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引進(jìn)經(jīng)典Ashtekar變量后，他們在圈為光滑且非自相交情形下，求出了正則量子引力的WDW方程解。此后，他們又找到了即使在圈相交情況下的更多解。

1987年，由于Hamiltonian約束的Wilson圈解的發(fā)現(xiàn)，C.Revolli和Smolin引進(jìn)觀測量的經(jīng)典Possion代數(shù)的圈表示，并使微分同胚約束用紐結(jié)(knot)態(tài)完全解出。

1988年，V.Husain等人用紐結(jié)理論(knot theory)，研究了量子約束方程的精確解及諸解間的關(guān)系，從而認(rèn)為紐結(jié)理論支配引力場的物理量子態(tài)。同年，Witten引進(jìn)拓樸量子場論(TQFT)的概念。

2)二十世紀(jì)90年代

1990年，Rovelli和Smolin指出，對于在大尺度幾何近似變?yōu)槠街睍r態(tài)的研究，可以預(yù)言Planck尺度空間具有幾何斷續(xù)性。對于編織的這些態(tài)，在微觀很小尺度上具有“聚合物”的類似結(jié)構(gòu)，可以看作為J.Wheeler時空泡沫的形式化。

1993年，J.Iwasaki和Rovelli探討了量子引力中引力子的表示，引力子顯示為時空編織纖維的拓樸修正。

1994年，Rovelli和Smolin第一次計算了面積算子和體積算子的本征值[13]，得出它們的本征譜為斷續(xù)的重大結(jié)論。此后不久，物理學(xué)者曾用多種不同方法證明和推廣這個結(jié)論，指出在Planck標(biāo)度，空間面積和體積的本征譜，確實具有分立性。

1995年，Rovelli和Smolin利用自旋網(wǎng)絡(luò)基[14]，解決了關(guān)于用圈基所長期存在的不完備性困難。此后不久，自旋網(wǎng)絡(luò)形式體系，便由J.Baez徹底闡明。

1996年，Rovelli應(yīng)用K.Krasnov觀念，從圈量子引力基本上導(dǎo)出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。

1998年，Smolin研究圈和弦間的相似性，開始探討圈量子引力和弦論的統(tǒng)一問題。

三、當(dāng)代量子引力理論主要成就

1.超弦／M理論方面

1)弦及brane概念的提出

廣義相對論中的奇性困難、量子場論中的紫外發(fā)散本質(zhì)、樸素量子引力中的重正化問題，看來都起源于理論的純粹幾何的點(diǎn)模型。超弦理論提出輕子、夸克、規(guī)范粒子等微觀粒子都是延伸在空間的一個區(qū)域中，它們都是1維的廣延性物質(zhì)，類似于弦狀，其特征長度為Planck長度。M理論更推廣了弦的概念，認(rèn)為粒子類似于多維的brane，其線度大小為Planck長度。為簡單起見，我們把brane也稱作膜。超弦／M理論中，用有限大小的微觀粒子替代粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中純粹幾何的點(diǎn)粒子，這是極為重要且富有成效的革命性觀念。

2)五種微擾超弦理論

這五種超弦的不同在于未破缺的超對稱荷的數(shù)目和所具有的規(guī)范群。I型有N=1超對稱性，含有開弦和閉弦，開弦零模描述楊－Mills場，閉弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超對稱性，旋量為Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自動無反常，只含有閉弦，零模描述N=2超引力。IIB型同樣有N=2超對稱性，具有手征性。雜化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦雜化而成，只包含可定向閉弦，有手征性和N=1超對稱性，可以描述引力及楊－Mills作用。

3)超弦唯象學(xué)

從唯象學(xué)角度來看，雜化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由緊致16維右旋坐標(biāo)場(26-10=16)而產(chǎn)生的，即由16維內(nèi)部空間緊致化而得到，也就是說在緊致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理論。

但是迄今為止，物理學(xué)根據(jù)實驗認(rèn)定我們的現(xiàn)實空間是三維的，時間是一維的，把四維時空(D=4)作為我們的現(xiàn)實時空。因此我們必須把10維時空緊致化得到低能有效四維理論，為此人們認(rèn)為從D=10維理論出發(fā)，通過緊致化有

M[10]M[4]×K

此中K為C－丘流形，此內(nèi)部緊致空間維數(shù)為10-4=6，M[4]為Minkowski空間，從而得到4維Minkowski空間低能有效理論。其重要結(jié)論有：

(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理論（M[10]中規(guī)范群為E[，8]×E[，8]）緊致化為D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超對稱理論。

(2)夸克和輕子的代數(shù)Ng完全由K流形的拓樸性質(zhì)決定：為Euler示性數(shù)χ，系拓樸不變量。

(3)對稱破缺問題。已知超弦四維有效理論為N=1，規(guī)范群為E[，6]×E[，8]的超對稱楊—Mills理論，現(xiàn)實模型要求破缺。首先由第二個E[，8]進(jìn)行超對稱破缺，然后對大統(tǒng)一群E[，6]已進(jìn)行破缺，從而引力作用在E[，8]中，弱、電、強(qiáng)作用在E[，6]中，實現(xiàn)了四種作用的統(tǒng)一。

4)T和S′對偶性

盡管五種超弦理論在廣義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)合上，取得了不少進(jìn)展，但是五種超弦理論則是相互獨(dú)立的，理論卻是微擾的。盡管在超弦唯象學(xué)中，原則上－丘流形K一旦固定下來，在D=4時空中所有零質(zhì)量費(fèi)米子和玻色子（包括Higgs粒子）就會被確定下來，但是－丘真空態(tài)總數(shù)則可多到數(shù)百萬個，應(yīng)該根據(jù)什么原則來選取－丘真空態(tài)，目前還不清楚。T對偶性和S對偶性的提出，正是五種超弦理論融通的主要橋梁。

在M理論的孕育過程中，對偶性起了重要作用。弦論中存在著一種在大小緊致空間之間的對偶性。例如ⅡA型弦在某一半徑為R[，A]的圓周上緊致化和ⅡB型在另一半徑為R[，8]的圓周上緊致化，兩者是等效的，則有關(guān)系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是當(dāng)R[，A]從無窮大變到零時，R[，B]從零變到無窮大。這給出了ⅡA弦和ⅡB弦之間的聯(lián)系。兩種雜化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在類似聯(lián)系，盡管在技術(shù)性細(xì)節(jié)上有些差別，但本質(zhì)上卻是同樣的。

A.Sen證明，在超對稱理論中，必然存在著既帶電荷又帶磁荷的粒子。當(dāng)這一猜測推廣到弦論后，它被稱作為S對偶性。S對偶性是強(qiáng)耦合與弱耦合間的對稱性，由于耦合強(qiáng)度對應(yīng)于膨脹子場，雜化弦SO(32)和I型弦可通過各自的膨脹子連系起來。

5)M理論和五種超弦、11維超引力間的聯(lián)系

M理論作為10維超弦理論的11維擴(kuò)展，包含了各種各樣維數(shù)的brane，弦和二維膜只是它的兩種特殊情況。M理論的最終目標(biāo)，是用一個單一理論來描述已知的四種作用。M理論成功的標(biāo)志，在于把量子力學(xué)和廣義相對論的新理論框架中相容起來。

附圖

上面給出五種超弦理論、11維超引力和M理論相容的一個框架示意圖[16]，即M理論網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)揭示了五種超弦理論、11維超引力都是單一M理論的特殊情形。當(dāng)然至今M理論的具體形式仍未給出，它還處于初級階段。

6)推導(dǎo)量子黑洞的熵－面積公式。

在某些情形下，D-branes可以解釋成黑洞，或者說是黑branes，其經(jīng)典意義是任何物質(zhì)（包括光在內(nèi)）都不能從中逃逸出的客體。于是開弦可以看成是具有一部分隱藏在黑branes之內(nèi)的閉弦。Hawking認(rèn)為黑洞并不完全是黑的，它可以輻射出能量。黑洞有熵，熵是用量子態(tài)來衡量一個系統(tǒng)的無序程度。在M理論之前，如何計算黑洞量子態(tài)數(shù)目是沒有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，計算了黑－branes中的量子態(tài)數(shù)目，發(fā)現(xiàn)計算所得的的熵－面積公式，和Hawking預(yù)言的精確一致，即Bekenstein-Hawking公式，這無疑是M理論的一個卓越成就。

對于具有不同角動量和電荷的黑洞所計算結(jié)果指出，黑洞遵從量子力學(xué)的一般原理，這說明黑洞和量子力學(xué)是十分融洽的。

2.圈量子引力方面

1)Hamiltonian約束的精確解。

圈量子引力驚人結(jié)果之一，是可以求出Hamiltonian約束的精確解。其關(guān)鍵在于Hamiltonian約束的作用量，只是在s－紐結(jié)的結(jié)點(diǎn)處不等于零。所以不具有結(jié)點(diǎn)的s－紐結(jié)，才是量子Einstein動力學(xué)求出的物理態(tài)。但是這些解的物理詮釋，至今還是模糊不清的。

其它的多種解也已求得，特別是聯(lián)系連絡(luò)表示的陳－Simons項和圈表示中的Jones多項式解，J.Pullin已經(jīng)詳細(xì)研究過。Witten用圈變換把這兩種解聯(lián)系起來。

2)時間演化問題

人們試圖通過求解Hamiltonian約束，獲得在概念上是很好定義的、并排除凍結(jié)時間形式來描述量子引力場的時間演化。一種選擇是研究和某些物質(zhì)變量相耦合的引力自由度隨時間演化，這種探討會導(dǎo)致物理Hamiltonian的試探性定義的建立，并在強(qiáng)耦合微擾展開中，對S紐結(jié)態(tài)間的躍遷振幅逐級進(jìn)行考查。

3)楊－Mills理論的重正化問題

T.Thiemann把含有費(fèi)米子圈的量子引力，探索性地推廣到楊－Mills理論進(jìn)行研究。他指出在量子Hamiltonian約束中，楊－Mills項可以嚴(yán)格形式給出定義。在這個探索中，紫外發(fā)散看來不再出現(xiàn)，從而強(qiáng)烈支持在量子引力中引進(jìn)自然切割，即可擺脫傳統(tǒng)量子場論的紫外發(fā)散困難。

4)面積和體積量度的斷續(xù)性

圈量子引力最著名的物理成果，是給出了在Planck標(biāo)度的空間幾何量具有分立性的論斷。例如面積

此中l(wèi)p是Planck長度，j[，i]是第i個半整數(shù)。體積也有類似的量子化公式。

這個結(jié)論表明對應(yīng)于測量的幾何量算子，特別是面積算子和體積算子具有分立的本征值譜。根據(jù)量子力學(xué)，這意味著理論所預(yù)言的面積和體積的物理測量必定產(chǎn)生量子化的結(jié)果。由于最小的本征值數(shù)量級是Planck標(biāo)度，這說明沒有任何途徑可以觀測到比Planck標(biāo)度更小的面積（～10[-66]厘米[2]）和體積（～10[-99]厘米[3]）。從此可見，空間由類似于諧振子振動能量的量子所構(gòu)成，其幾何量本征譜具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

5)推導(dǎo)量子黑洞的熵－面積公式

已知Schwarzchild黑洞熵S和面積A的關(guān)系，是Bekenstein和Hawking所給出，其公式為：

附圖

這里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]為牛頓引力常量，c為光速。對這個關(guān)系式的深層理解和由物理本質(zhì)上加以推導(dǎo)，M理論已經(jīng)作過，現(xiàn)在我們看下圈量子引力的結(jié)果。

應(yīng)用圈量子引力，通過統(tǒng)計力學(xué)加以計算，Krasnov和Rovelli導(dǎo)出

附圖

此處γ為任意常數(shù)，β是實數(shù)(～1/4π)，顯然如果取γ＝β，則由式(3)即可得到式(2)。這就是說，從圈量子引力所得出的黑洞熵－面積關(guān)系式，在相差一個常數(shù)值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面積公式是相容的。

Bekenstein-Hawking熵公式的推導(dǎo)，對圈量子引力理論是一個重大成功，盡管這個事實的精確含義目前還在議論，而且γ的意義也還不夠清楚。

四、量子引力理論的哲學(xué)反思

我們從空間和時間的斷續(xù)性、運(yùn)動（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本單元的存在性三個方面進(jìn)行哲學(xué)探討。

1.空間和時間的斷續(xù)性

當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)的核心問題，是在Planck標(biāo)度破除空間時間連續(xù)性的經(jīng)典觀念，而代之以斷續(xù)性的量子繪景。量子引力理論對空間分立性的揭示和論證，看來是最為成功的。

超弦／M理論認(rèn)為，我們世界是由弦和brane構(gòu)成的。根據(jù)弦論中給出的新的不確定性關(guān)系，弦必然有位置的模糊性，其線度存在一有限小值，弦、膜、或brane的線度是Planck長度，從而一維空間是量子化的。由此推知，面積和體積也應(yīng)該是量子化的。二維面積量子的數(shù)量級為10[-66]厘米[2]，三維體積量子的數(shù)量級為10[-99]厘米[3]等。

對于圈量子引力，其最突出的物理成果是具體導(dǎo)出了計算面積和體積的量子化公式。粗略說來，面積的數(shù)量級是Planck長度lp的二次方，體積的數(shù)量級是lp的三次方。這就令人信服地論證了在Planck標(biāo)度，面積和體積具有斷續(xù)性或分立性，從而根本上否定了空間在微觀上為連續(xù)性的經(jīng)典觀念。

依據(jù)空間和時間量度的量子性，芝諾悖論就是不成立的，阿基里斯在理論上也完全可以追上在他前面的烏龜。類似的，《莊子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，萬世不竭”這個論斷在很小尺度上顯然也是不成立的。古代哲學(xué)中這兩個難題的困人之處，從空間時間斷續(xù)性來看，是由于預(yù)先設(shè)定了空間和時間的度量，始終是連續(xù)變化的經(jīng)典性質(zhì)。實際上在微觀領(lǐng)域，空間和時間存在著不可分的基本單元。

2.運(yùn)動（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性

20世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)巨大成功之一，就是建立了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，理論上它是筑基于量子規(guī)范場論的。這個模型給出了夸克、輕子層次強(qiáng)、弱、電作用的SU(3)×SU(2)×U(1)規(guī)范群結(jié)構(gòu)，在一定程度上統(tǒng)一了強(qiáng)、弱、電三種相互作用的規(guī)律。但是它不含有引力作用。

超弦／M理論的探討，在于構(gòu)建包含引力在內(nèi)的四種作用統(tǒng)一的物理理論。傳遞不同相互作用的粒子如光子（電磁作用）、弱玻色子（弱作用）、膠子（強(qiáng)作用）和引力子（引力作用），對應(yīng)于弦的各種不同振動模式，夸克、輕子層次粒子間的作用，就是弦間的相互作用。在Planck標(biāo)度，超弦／M理論是四種基本作用統(tǒng)一理論的最佳侯選者，也就是所說的萬物理論(Theory of everything)的最佳侯選者。

在Planck時期，物質(zhì)運(yùn)動或四種作用基本規(guī)律的統(tǒng)一性，正是反映了我們宇宙在眾多復(fù)雜性中所顯現(xiàn)的一種基本簡單性。

3.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基本單元的存在性[17]

世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)通常是有結(jié)構(gòu)的，但是物質(zhì)結(jié)構(gòu)在層次上是否具有基本單元，即德謨克利特式的“原子”是否存在？這是一個長期反復(fù)爭論而又常新的課題。當(dāng)代幾種不同的量子引力，盡管對某些問題存在著不同的見解，但是關(guān)于這個問題從實質(zhì)上來看，卻給出了一致肯定的回答。

超弦／M理論認(rèn)為，構(gòu)成我們世界的物質(zhì)微觀基本單元是具有廣延性的弦和brane，并非所謂的只有位置沒有大小的數(shù)學(xué)抽象點(diǎn)粒子。粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子，都是弦或brane的激發(fā)。弦和brane的線度是有限短的Planck長度，它們正是構(gòu)成我們世界的物質(zhì)基本單元，即德謨克利特式的“原子”，這是超弦／M理論為現(xiàn)今所有粒子提供的本體性統(tǒng)一。

圈量子引力給出了在Planck標(biāo)度面積和體積的量子化性質(zhì)，即斷續(xù)的本征值譜，面積和體積分別存在著最小值。由于在圈量子引力中，脫離引力場的背景空間是不存在的，而引子場是物質(zhì)的一種形態(tài)，因此脫離物質(zhì)的純粹空間也就是不存在的?？臻g體積和面積的不連續(xù)性和基本單元的存在，正是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的斷續(xù)性和基本單元的存在性的最有力論據(jù)。

總之，超弦／M理論和圈量子引力從不同的側(cè)面，對量子引力的本質(zhì)和規(guī)律作出了一定的揭示，它們在Planck標(biāo)度領(lǐng)域一致地得出了空間量子化和物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基本單元存在的結(jié)論。這無疑是人們在20世紀(jì)末期對我們世界空間時間經(jīng)典觀念的重大突破，也是廣義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)合的成果；同時更是哲學(xué)上關(guān)于空間和時間是物質(zhì)存在的客觀形式，沒有無物質(zhì)的空間和時間，也沒有無空間和時間的物質(zhì)學(xué)說的一曲凱歌！

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篇5

量子計算機(jī)的秘密武器：疊加和糾纏

一方面，量子效應(yīng)對現(xiàn)代電子學(xué)來說非常重要，它能使晶體管變得非常小；但另一方面，量子效應(yīng)也是一個惹人討厭的“調(diào)皮鬼”，由于電子的位置并非確定不變，它能讓晶體管內(nèi)的電子簡單地從一個地方消失并在另外一個地方再次出現(xiàn)，這樣會使得電流泄漏出來，導(dǎo)致信號衰減。

不過，有些科學(xué)家卻從中看到了機(jī)會。他們認(rèn)為，量子尺度上發(fā)生的一些詭異事件可以被利用起來，讓人們能以一種全新且更快的方式進(jìn)行計算并發(fā)送信息，至少從理論上而言，這些信息不可能被攔截。幾個對此感興趣的科研團(tuán)體希望建造出量子計算機(jī)，以解決目前的計算機(jī)無法解決的問題，諸如找出幾百位數(shù)的質(zhì)因子或?qū)⒋蟮臄?shù)據(jù)庫一網(wǎng)打盡等等。這些研究計劃和成果都在AAAS的年度大會上得到了展示。

這些科學(xué)家們努力的核心是量子疊加和量子糾纏這兩種量子力學(xué)現(xiàn)象。普通的數(shù)字計算機(jī)以位的形式操縱信息，位的值要么是1，要么是0。在計算機(jī)內(nèi)，不同的電流電壓分別表示1和0，這同電子的電荷有關(guān)。電荷是所有電子的固定特征，每個電子的電荷數(shù)目是一樣的。但是，電子也擁有其他特征，比如自旋，自旋的方向可以表示為“向上”、“向下”或者模糊不清的“既向上又向下”。這種既向上又向下的狀態(tài)就被稱為疊加，疊加能被用來構(gòu)建量子力學(xué)中的位量子位（量子比特）。

與此同時，糾纏使粒子捆綁在一起以增加更多量子位。在量子機(jī)器中，每增加一個量子位會讓它能同時進(jìn)行的操作翻番，這就是量子計算機(jī)之所以擁有強(qiáng)大計算能力的“秘訣”。比如，2個相互糾纏的量子位可以進(jìn)行4個操作；3個量子位可以進(jìn)行8個操作，等等，依此類推。那么，一個擁有300個量子位的計算機(jī)能同時執(zhí)行的操作數(shù)就比可見宇宙中的原子數(shù)還多。

疊加和糾纏并不穩(wěn)定

然而，不幸的是，這樣的機(jī)器對我們來說仍是“羚羊掛角，無跡可尋”。糾纏和疊加都是非常精細(xì)的活，即使最輕微的擾動都會導(dǎo)致“量子位”失去這種相干性，讓它們的神奇屬性消失殆盡。為了建造出一臺能工作的量子計算機(jī)，量子位將不得不變得更加靈活，更容易恢復(fù)相干性，但迄今為止，這方面的進(jìn)步一直不大。

1995年，科學(xué)家們首次在實驗室內(nèi)實現(xiàn)了量子計算，從那時起，有科研團(tuán)隊已經(jīng)設(shè)法讓14個量子位發(fā)生了糾纏。這項紀(jì)錄的保持者是來自德國因斯布魯克的一個科研團(tuán)隊，他們使用了一個名為離子陷阱的設(shè)備，并讓以處于不同能量狀態(tài)的銣原子的疊加形式而存在的量子位在其間發(fā)生了糾纏。而加拿大滑鐵盧大學(xué)的雷蒙德·拉弗莫和同事則設(shè)法使用同樣的技巧讓12個量子位發(fā)生了糾纏，讓特定的原子在名為組氨酸的氨基酸單分子內(nèi)發(fā)生了糾纏，組氨酸的特征使它非常適合這樣的實驗。

這些方法存在的問題是，它們并不容易進(jìn)行升級和擴(kuò)展。離子陷阱位于大的真空室內(nèi)，不能輕易地收縮。另外，一個組氨酸分子包含的適合原子數(shù)量也有限，因此，科學(xué)家們一直在搜尋更實用的量子位。

各出奇招制造穩(wěn)定的量子位

一種有潛力解決這一問題的方法是在半導(dǎo)體內(nèi)蝕刻量子位。查爾斯·馬庫斯以前是哈佛大學(xué)的教授，現(xiàn)在是哥本哈根大學(xué)的教授，他一直試圖使用電子自旋做到這一點(diǎn)。單電子制造的量子位很快會失去相干性，因此，他的研究團(tuán)隊決定使用兩個電子制造出一個量子位，他們將其稱為“量子點(diǎn)”，這是一塊細(xì)小的半導(dǎo)體晶體（馬庫斯使用的半導(dǎo)體是砷化鎵）。當(dāng)兩個這樣的量子點(diǎn)相互靠近時，能讓一個電子陷入一個量子點(diǎn)內(nèi)以彈出并同另一個量子點(diǎn)內(nèi)相鄰的電子相結(jié)合，兩個電子自旋的這種疊加就產(chǎn)生了量子位。

迄今為止，馬庫斯團(tuán)隊已設(shè)法讓4個這樣的量子位結(jié)合在一起，而且，使用了一套靈敏的技巧將其壽命延伸至10微秒，這一時間足以用來執(zhí)行簡單的代數(shù)操作，代數(shù)操作是計算的命脈。他們希望使用硅或碳，進(jìn)一步延長其壽命，硅或碳的原子核對糾纏電子的干擾比砷化鎵要小。

另外，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的約翰·馬提尼斯和同事試圖從超導(dǎo)電路打造出量子位。在超導(dǎo)體內(nèi)，電子并不會單獨(dú)旅行，相反，因為復(fù)雜的量子力學(xué)原因，它們會成雙成對地出現(xiàn)（也因為同樣的原因，這對電子之間不會有電阻）。當(dāng)它們成雙成對旅行時，這對電子的行為就像單個粒子一樣，這就出現(xiàn)了疊加傾向。例如，這個“超粒子”實際上一次能朝兩個方向移動，當(dāng)這對電子移動時，它們就制造出了一個磁場。接著，制造一個超導(dǎo)閉環(huán)，科學(xué)家們就得到了一個能同時朝上和朝下的磁場，馬提尼斯團(tuán)隊現(xiàn)在已設(shè)法讓5個這樣的超導(dǎo)量子位發(fā)生了糾纏。

馬提尼斯團(tuán)隊還使用一套名為共振腔的設(shè)備，將信息從電路傳送到單個光子并將光子捕獲在一個空腔內(nèi)，并持續(xù)幾微秒。換句話說，他們已經(jīng)制造出了一個量子存儲設(shè)備。幾微秒聽起來很短暫，但足以執(zhí)行很多基本操作。

前路漫漫任重而道遠(yuǎn)

所有上述方法面臨的問題是，他們賴以依靠的量子狀態(tài)非常脆弱，很容易出現(xiàn)錯誤。一種確保他們能用量子位進(jìn)行計算的方法是用幾個量子位而非僅用一個量子位來對同樣的信息進(jìn)行編碼。因此，馬庫斯、馬提尼斯以及拉夫莫不得不在他們的系統(tǒng)中建立一些多余的量子位。這樣，對于每個計算所需要的每一個“邏輯”量子位來說，都存在著幾個其他的物理量子位，所有這些量子位都需要被糾纏在一起。

微軟公司研究中心的米歇爾·弗里德曼正試圖另辟蹊徑來解決這一問題，他和同事正在建造他們稱為拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)的機(jī)器，這臺機(jī)器在一層名為銻化銦的奇異材料上方使用了一個超導(dǎo)體。當(dāng)朝這套系統(tǒng)施加電壓時，整個系統(tǒng)就變成了一個能以疊加狀態(tài)而存在的量子系統(tǒng)。

弗里德曼的量子位與馬提尼斯的量子位的不同之處在于，它們對干涉反應(yīng)的方式不同。在馬提尼斯的量子系統(tǒng)中，刺激一個超導(dǎo)電路中的任何電子，整個系統(tǒng)都會失去相干性。然而，弗里德曼的設(shè)計對這樣的本地破壞活動“刀槍不入”，因為它采用一種特殊的方式讓能量遍布于整個銻化銦上。迄今為止，微軟公司的團(tuán)隊還沒有制造出一個起作用的量子位，但他們希望很快能做到，他們也正在尋找其他材料來重復(fù)同樣的實驗。

篇6

1.1量子計算機(jī)量子計算機(jī)可簡單理解為遵循量子力學(xué)能夠進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲和處理信息的計算機(jī)，它是在社會對高速度、保密好、容量大的通訊及計算提出較高要求的情況下產(chǎn)生的。物理主體主要包括：液態(tài)核磁共振量子計算機(jī)、(固態(tài))硅晶體核磁共振量子計算機(jī)、離子陷阱、量子光學(xué)、腔室量子電動力學(xué)、超導(dǎo)體方案等。量子計算機(jī)的功能在于進(jìn)行大數(shù)的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式，此外還可以用來做量子系統(tǒng)的模擬。但是在昨晚高難度運(yùn)算后，能耗高、壽命短，散熱量大等缺點(diǎn)則暴露出來，真正有價值的量子計算機(jī)還有待繼續(xù)研究。

1.2光子計算機(jī)光子計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯等內(nèi)容利用的是光信號，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，主要由激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件設(shè)備組成。它具有運(yùn)算、處理能力極強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時，兼具容錯性，能夠進(jìn)行模糊處理，但并不影響運(yùn)算結(jié)果，智能化更高端。它主要具有以下好處：光子不帶電荷，不產(chǎn)生磁場，也不受磁場作用影響；光子也不具有靜止質(zhì)量，可以在真空和介質(zhì)兩種狀態(tài)下傳播；信息存儲容量大，通道寬，通信能力強(qiáng)；能量耗用低，散熱量小，節(jié)能環(huán)保性較強(qiáng)，也避免了計算機(jī)運(yùn)行時內(nèi)部過熱的情況。目前雖然光子計算機(jī)在功能和運(yùn)算速度方面和電子計算機(jī)有一定差距，但光子計算機(jī)的進(jìn)一步研制、完善，在對圖像處理、目標(biāo)識別和人工智能等方面發(fā)揮重大作用。

1.3生物計算機(jī)生物計算機(jī)也叫做放生計算機(jī)，是以仿生學(xué)研究為基礎(chǔ)而形成的新型計算機(jī)技術(shù)，它以生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白分子制成生物芯片作為基礎(chǔ)元件。它具有并行處理的功能，運(yùn)行速度比普通的電子計算機(jī)要快10萬倍，存儲空間占用更是少之又少。它具有的優(yōu)點(diǎn)很多，首先，體積小、功效高，比集成電路小很多，可以隱藏在地板、墻壁等地方；其次，具有自我修復(fù)功能，它的內(nèi)部芯片出現(xiàn)故障時，不需要人工修理，能自我修復(fù)，永久性、可靠新高；再者，能耗很低，能量消耗僅占普通電子計算機(jī)的10億分之1，散熱量很??；第四，不受電路間信號干擾。目前，這種計算機(jī)還在研制階段，存在技術(shù)不成熟、信息提取難等問題，還需要繼續(xù)優(yōu)化。

1.4納米計算機(jī)納米計算機(jī)研制是計算機(jī)發(fā)展過程中的一場革命，它以納米技術(shù)為基礎(chǔ)研制出計算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積相當(dāng)于發(fā)絲直徑的千分之一，生產(chǎn)成本非常低，不需要建造超潔凈生產(chǎn)車間，也不需要昂貴的實驗設(shè)備和人數(shù)眾多的生產(chǎn)團(tuán)隊，同時，納米計算機(jī)也需要耗費(fèi)能源可以忽略不計，但是對其強(qiáng)大其性能的發(fā)揮絲毫不產(chǎn)生影響。納米計算機(jī)可以應(yīng)用到微型機(jī)器人，以至于日用電子設(shè)備，甚至玩具中，都能獲得強(qiáng)大的微處理功能，其應(yīng)用范圍也涉及到現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、建筑學(xué)、材料學(xué)等各個學(xué)科領(lǐng)域。這項新的課題技術(shù)也在不斷的完善和發(fā)展，將為計算機(jī)發(fā)展帶來新的內(nèi)容。

2云技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展

2.1云技術(shù)云計算是分布式計算的一種形式，它通過將計算拆散計算再進(jìn)行組合回傳的方式進(jìn)行，可以達(dá)到和超級計算機(jī)同樣強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這是云技術(shù)的根本。云技術(shù)不僅僅作為資料搜集手段，它是集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、整合技術(shù)管理平臺技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)為一體的綜合資源池，靈活便捷。云技術(shù)作為一種商業(yè)模式的體現(xiàn)方式，其應(yīng)用非常廣泛，目前，已經(jīng)在搜索引擎、網(wǎng)絡(luò)信箱等領(lǐng)域投入使用，未來在手機(jī)、GPS等行動裝置上也可實現(xiàn)。云技術(shù)正以它的可靠、實用、安全等性能逐漸被人們所接受，云物聯(lián)、云存儲、云呼叫、私有云、云游戲、云教育、云會議以及云社交等正逐步強(qiáng)化它的服務(wù)功能。

2.2網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展有賴于光纖技術(shù)的快速發(fā)展。光導(dǎo)纖維技術(shù)在通信、電子和電力等領(lǐng)域日益擴(kuò)展，成為大有前途的新型基礎(chǔ)材料，與之相伴的光纖技術(shù)也以新奇、便捷贏得人們的青睞。它具有耐濕、耐輻射、易于安裝和保養(yǎng)、24小時的連續(xù)工作等性能被廣泛應(yīng)用。尤其在塑料光纖產(chǎn)生后，海底光纜工程得以順利實施，對世界范圍網(wǎng)絡(luò)通信起到良好的推動作用。

3移動計算機(jī)技術(shù)發(fā)展

目前最熱門的是wifi無線技術(shù)，而最新的是4G通信技術(shù)，這兩項技術(shù)對移動計算機(jī)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的支撐作用。4G網(wǎng)絡(luò)時代剛剛開啟，目前開始應(yīng)用于移動設(shè)備上，但是在微型便攜計算機(jī)上的應(yīng)用尚未起步。如何將移動計算機(jī)等終端產(chǎn)品通過芯片等形式與4G網(wǎng)絡(luò)完沒相連接，如發(fā)展移動電視、移動電腦、成為一項熱門話題，有待進(jìn)一步研究探索。

4結(jié)束語

篇7

關(guān)鍵詞:量子計算;遺傳算法;智能優(yōu)化;考試系統(tǒng)

中圖分類號:TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-7068-03

Optimal Knowledge Distribution Based on the Quantum Genetic Algorithm

ZHANG Wei, HE Rong

(Yunnan Medical College, Kunming 650051, China)

Abstract: Researched the question about knowledge distribution of intelligent examination system, based on the theory of quantum computing, applied quantum genetic algorithm, to improve the strategy of knowledge distribution optimization for better coverage and efficiency.

Key words: quantum algorithm; genetic algorithm; intelligent optimization; test system

智能組卷是一種新型的計算機(jī)考試系統(tǒng)。試卷由撒布在測試區(qū)域內(nèi)的考題按一定出題規(guī)則自組織而成, 這些考題具有一定的代表性,能檢測出學(xué)生對考察科目知識的學(xué)習(xí)掌握情況?？荚囅到y(tǒng)中,考題的分布以及組織對于提高系統(tǒng)的測試水平具有重要的意義。傳統(tǒng)的考試系統(tǒng)知識分布有兩種策略,一種是人工規(guī)劃(Planning模式),另一種是大規(guī)模的隨機(jī)分散(Scattering模式)。前者缺乏靈活性與多樣性,且效率低下,不適宜計算機(jī)組卷等大規(guī)?？荚?。而后者若要取得較好的分布,就必須設(shè)置遠(yuǎn)多于實際需要的考題才能較完整地覆蓋考察科目的測試區(qū)域,這與試卷中題目數(shù)量的有限性是相互矛盾的,試卷中可能存在考題不合理分布造成的測試陰影和盲區(qū)。因此考題的合理分布對智能考試系統(tǒng)的測試效果有重要的作用。盡管針對考試系統(tǒng)國內(nèi)外進(jìn)行大量的組卷算法研究,但對于知識點(diǎn)的分布優(yōu)化問題研究工作還很少,很多研究運(yùn)用傳統(tǒng)遺傳算法組卷[1],優(yōu)化效果不盡理想。針對此問題,本文應(yīng)用量子遺傳算法優(yōu)化知識點(diǎn)的分布,克服測試陰影和盲區(qū),使考試系統(tǒng)更大范圍地測試到更有效的學(xué)生學(xué)習(xí)信息。

1 知識覆蓋問題

通過對考試科目的學(xué)習(xí),學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的知識儲存在頭腦中。由于學(xué)生個體之間的學(xué)習(xí)差異,導(dǎo)致每個學(xué)生大腦中儲存和掌握的情況具有不確定性?？荚嚨哪康脑谟?通過試卷測試對學(xué)生學(xué)習(xí)情況做出相對確定的評價。科目知識是相對固定的,我們總是將科目知識當(dāng)作圖譜,按圖索驥地構(gòu)造出試卷去測試學(xué)生大腦中相關(guān)區(qū)域中知識的學(xué)習(xí)掌握情況,即是否掌握,掌握水平如何等。但在目標(biāo)試卷生成以前,題庫中的考題相對與目標(biāo)試卷而言表現(xiàn)為存在或不存在兩種可能形態(tài)?；诖?本文引入量子態(tài)對考題進(jìn)行描述、編碼和處理。

1.1 試卷分布構(gòu)成

試卷覆蓋是指由計算機(jī)考試系統(tǒng)生成一組考題集合(試卷)對測試區(qū)域各個知識點(diǎn)的涵蓋。試卷的目的是系統(tǒng)地測試和評價試卷覆蓋知識區(qū)域內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息,傳送到需要這些信息的教師和教學(xué)管理部門。

考題是由考點(diǎn)以問題的形式構(gòu)成的。其中考點(diǎn)與考試科目的相關(guān)知識點(diǎn)對應(yīng)。因此考題的分布是考試系統(tǒng)獲取學(xué)生學(xué)習(xí)信息的關(guān)鍵因素之一,其覆蓋范圍以及分布優(yōu)化也隨之成為研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)。

1.2 試卷覆蓋問題

試卷由數(shù)量有限的考題組成,每道考題包含若干有針對性的知識點(diǎn)所設(shè)置的考點(diǎn)。這些考點(diǎn)形成了考題的測試范圍。如何組織試卷完成對目標(biāo)區(qū)域的檢測,就是考試系統(tǒng)覆蓋性的問題?？碱}分布優(yōu)化的任務(wù)就是在保持試卷結(jié)構(gòu)完整的前提下,動態(tài)調(diào)整考題組成,以獲得盡可能大的覆蓋率,也就是使試卷能獲得更廣泛的信息。在保持考點(diǎn)充分覆蓋的前提下,引入以下定義。

假設(shè)考察科目所涵蓋的知識范圍用集合S表示,組成每套試卷的考題用集合Q={qi,i=1,2,...,n}表示,每道考題測試的知識范圍為ci,試卷的測試目標(biāo)知識區(qū)域為A,(A?哿S),則理想的探測效果為。設(shè)為試卷有效覆蓋知識區(qū)域的度量(考點(diǎn)數(shù)),d2=A為目標(biāo)科目知識區(qū)域的度量(知識點(diǎn)數(shù)),則稱ρ=d1/d2為試卷覆蓋度。

覆蓋性問題不僅反映了試卷所能測試的范圍,而且通過合理的覆蓋控制還可以使試卷中的考題組合得到優(yōu)化,提高試卷的命題質(zhì)量。

1.3 約束條件

我們采用以下公理化方式對知識覆蓋問題進(jìn)行描述(目標(biāo)):在考題集合Q={q1,q2,...,qn}中求一個子集T作為試卷,使得滿足以下約束條件。

① 各考題滿足試卷總體約束條件;

② 試卷覆蓋度ρ最大;

③ 考題數(shù)目T為最少。

3 量子遺傳算法的考題分布優(yōu)化

試卷的考題分布優(yōu)化是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題 ,需要在考題數(shù)與知識覆蓋率之間達(dá)到平衡。即在保持試卷中考題數(shù)目與題型符合命題要求的情況下,盡可能增加試卷的知識覆蓋度,使考題獲取最廣泛的測試信息。

3.1 量子遺傳算法

量子遺傳算法是量子計算與遺傳算法相結(jié)合的產(chǎn)物。它以量子計算的一些概念和理論為基礎(chǔ),用量子比特編碼來表示染色體,用量子門作用和量子門更新來完成進(jìn)化搜索[2]。

我們根據(jù)考題在科目知識中的分布和權(quán)重(主要是指命題價值)按字典序編號,形成知識地圖的坐標(biāo)。由于題庫中的考題在目標(biāo)試卷生成以前具有不確定性,即在目標(biāo)試卷中既可能存在,也可能不存在。這符合量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原則。我們對這些編號進(jìn)行量子編碼,并用量子遺傳算法在命題規(guī)則的約束下進(jìn)行知識分布優(yōu)化。

3.1.1 量子編碼

1) 量子態(tài)引入

我們用Dirac算符|>和|>分別表示考題在目標(biāo)試卷中表現(xiàn)為存在或不存在的兩種可能形態(tài)。若用“1”表示存在,用“0”表示不存在?？碱}以疊加態(tài)的形式存在。即將一個量子比特可能處于|0>和|1>之間的中間態(tài)。可表示為:

|Ψ>=α|0>+β|1> (2)

其中α和β分別是|0>和|1>的概率幅,且滿足下列歸一化條件:

|α|2+|β|2=1(3)

式(3)中,|α|2表示量子比特的觀測值在|0>狀態(tài)的概率投影,|β|2表示量子比特的觀測值在|1>狀態(tài)的概率投影。

定義2.1滿足式(2)和式(3)的一對實數(shù)α、β稱為一個量子比特的概率幅,記為[α,β]T。

定義2.2角度ζ(ζ∈[-π/2,π/2])定義為一個量子比特的相位,即ζ=arctan(β/α)。

2) 染色體量子編碼

我們從題型、章節(jié)、考題三個方面對試卷的染色體及種群進(jìn)行量子編碼。

其中,m為染色體的基因個體表示知識分布數(shù)量(章節(jié)數(shù));k為每個基因的量子比特數(shù)表示每道題的屬性數(shù)量。n個這樣的個體構(gòu)成的種群Q(t)={q1t,q2t,...,qnt}表示試卷,其中n為題型數(shù)量。

3.1.2 量子旋轉(zhuǎn)門

量子旋轉(zhuǎn)門是實現(xiàn)演化操作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。[3-5]圖1為量子旋轉(zhuǎn)門示意圖。

其操作規(guī)律如下:

θi=k*f(αi,βi) (6)

其中k是一個與算法收斂速度有關(guān)的系數(shù),k的取值必須合理選取,如果k的取值過大,算法搜索的網(wǎng)格就很大,容易出現(xiàn)早熟現(xiàn)象,算法易于收斂于局部極值點(diǎn),反之,如果 k 的取值過小,則搜索速度太慢甚至?xí)幱谕顟B(tài)。因此,本文將k視為一個變量,將k定義為一個與進(jìn)化代數(shù)有關(guān)的變量,如,其中t為進(jìn)化代數(shù),max t是根據(jù)待求解的具體問題而設(shè)定的一個常數(shù),因此k可以根據(jù)進(jìn)化代數(shù)合理地調(diào)整網(wǎng)格大小。

函數(shù)f(αi,βi)的作用是使算法朝著最優(yōu)解得方向搜索。本文采用表1的搜索策略。其原理是使當(dāng)前解逐漸逼近搜索到的最佳解,從而確定量子旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)方向。其中符號e表示α和β的乘積,即e=α*β,e的正負(fù)值代表此量子比特的相位ζ在平面坐標(biāo)中所處的象限。 如果 e的值為正,則表示ζ處于第一、三象限,否則處于第二或第四象限。

在表1中,α1和β1是搜索到的最佳節(jié)的概率幅,α2和β2是當(dāng)前解的概率幅,當(dāng)e1,e2同時大于0時,意味著當(dāng)前解和搜索到的最佳解均處于第一或第三象限。當(dāng)|ζ1|>|ζ2|時,表明當(dāng)前解應(yīng)朝著逆時針方向旋轉(zhuǎn),其值為 +1,反之為 -1。同理可推出其他三種情況。

這樣,量子門的更新過程可以描述為qjt+1=G(t)*qjt其中,上標(biāo)t為進(jìn)化代數(shù),G(t)為第t代量子門,為第t代某個個體的概率幅,qjt+1為第t+1代相應(yīng)個體的概率幅。

3.1.3 量子遺傳算法流程(見圖2)

①初始化種群,種群Q={q1,q2,...,qn},其中qj為種群中的第 j 個個體。 令種群中全部的染色體基因(αi,βi) (i=1,2,...,m)都被初始化為,這意味著一個染色體所表達(dá)的是其所有可能狀態(tài)的等概率疊加。同時初始化進(jìn)化代數(shù)t=0。

②量子坍塌法測量:對處于疊加態(tài)的量子位進(jìn)行觀測時,疊加態(tài)將因此受到干擾,并發(fā)生變化,稱為坍塌。擾動使為疊加態(tài)坍縮為基本態(tài)。確定種群大小n和量子位的數(shù)目m,包含n個個體的種群通過量子坍塌,得到P(t),其中為第t代種群的第j個解(即第j個個體的測量值),表現(xiàn)形式為長度m為的二進(jìn)制串,其中每一位為0或1。(量子坍塌即對Q進(jìn)行測量,測量的步驟是生成一個[0,1] 之間的隨機(jī)數(shù),若其大于概率幅的平方,則測量結(jié)果值取1,否則取0。

③群體的適應(yīng)度評價,保存最優(yōu)解作為下一步演化的目標(biāo)值。

④算法進(jìn)入循環(huán)。首先判斷是否滿足算法終止條件,如果滿足,則程序運(yùn)行結(jié)束;否則對種群中個體實施一次測量,獲得一組解及其相應(yīng)的適應(yīng)度。

⑤根據(jù)當(dāng)前的演化目標(biāo),運(yùn)用量子旋轉(zhuǎn)門進(jìn)行調(diào)整更新,獲得子代種群。調(diào)整過程為根據(jù)式(6)計算量子旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)角,并應(yīng)用式(5)作用于種群中的所有個體的概率幅,即更新Q。

⑥群體災(zāi)變:當(dāng)接連數(shù)代的最優(yōu)個體為局部極值,這時就實行群體災(zāi)變操作,即對進(jìn)化過程中的種群施加一個較大擾動,使其脫離局部最優(yōu)點(diǎn),開始新的搜索。具體操作為:只保留最優(yōu)值,重新生成其余個體。

⑦迭代與終止進(jìn)化代數(shù)t'=t+1,算法轉(zhuǎn)至式(2)繼續(xù)執(zhí)行,直到算法結(jié)束。

4 仿真試驗

為了驗證算法的有效性,我們對傳統(tǒng)遺傳算法(CGA)與量子遺傳算法(QGA)所獲得的考題知識覆蓋度進(jìn)行仿真對比。我們將考題對考查科目所含知識的覆蓋問題簡化為:用12個半徑為200的圓所代表的考題去覆蓋一塊1200×1000的二維平面內(nèi)用矩形代表的知識區(qū)域;種群個體數(shù) P = 45,量子位數(shù)目 m = 30,運(yùn)行 600 代。算法運(yùn)行結(jié)果對照如下。

從圖3所示考題知識分布優(yōu)化中覆蓋度的變化特性可以看出在不同階段的變化中,量子遺傳算法優(yōu)化性能高于傳統(tǒng)遺傳算法而且穩(wěn)定性也更強(qiáng)。

5 結(jié)論

在試卷中存在考題不合理分布造成的測試陰影和盲區(qū)。通過量子遺傳算法優(yōu)化考題分布,使其在保證命題要求的情況下,用最少的考題取得最大的覆蓋率,可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。仿真結(jié)果也表明,算法能夠較好地完成試卷考題的分布優(yōu)化,從而有效提高試卷的測試能力,對于實際的試卷命制提供了可靠的解決方案和調(diào)整依據(jù)。本文提出了創(chuàng)新性的考題分布的優(yōu)化方法,即確立了試卷的覆蓋模型,并以此為目標(biāo)函數(shù),運(yùn)用量子遺傳算法對考題分布進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn):

[1] 張維,何蓉. 基于參數(shù)估計的遺傳算法組卷研究[J]. 云南民族大學(xué)學(xué)報,2009,18(3):276-278.

[2] Donald A.Prospective Algorithms for Quantum Evolutionary Computation[C].Proc of the 2nd Quantum Interaction Symposium (QI-2008), College Publications, UK, 2008.

[3] 黃友銳. 智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2008:38-40.

篇8

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

0 引 言

保密通信在人類社會中有著重要的地位，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)。密碼是一個涉及互相不信任的兩方或多方的通信或計算問題。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，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，每個字母用其后的第[n]個字母表示，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，同一個字母在明文的不同位置時，可以被不同的字母替換。而密文中不同位置的同一個字母，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公布一個公鑰，Alice用這個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算的復(fù)雜性。雖然原理上可以計算出，但是計算出來也需要幾萬年的時間。然而，隨著量子計算機(jī)理論的成熟，RSA密碼體受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，隨著計算時間的縮短，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：首先選擇一個隨機(jī)位串作為密鑰，然后將明文轉(zhuǎn)變成一個位串，比如使用明文的ASCII表示法。最后，逐位計算這兩個位串的異或值，結(jié)果得到的密文不可能被破解，因為即使有了足夠數(shù)量的密文樣本，每個字符的出現(xiàn)概率都是相等的，每任意個字母組合出現(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。科學(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]，時隔5年后有了實驗原型[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，因為，經(jīng)典保密通信依賴于計算的復(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算機(jī)上可以被加速，論證了量子計算機(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，一個未知的量子態(tài)不能被完全拷貝，由某一個確定的算符去測量量子系統(tǒng)，可能會導(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，實現(xiàn)絕對無竊聽保密通信。量子密碼的安全性不是靠計算的復(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，量子密碼不會受到計算速度提高的威脅，并且可以檢測到竊聽者的存在，在提出近30年的時間里，逐漸從理論轉(zhuǎn)化為實驗，有望為下一代保密通信提供保障，實現(xiàn)無條件安全的保密通信。

參考文獻(xiàn)

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

[3] 王偉，郭錫泉.一次一密DES算法的設(shè)計[J].計算機(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.

篇9

關(guān)鍵詞：電子商務(wù)；電子支付；量子通信；量子密碼

電子商務(wù)的產(chǎn)生，是由兩個“全球化”――經(jīng)濟(jì)全球化和信息全球化促成的。而電子支付，則構(gòu)成電子商務(wù)的核心，即實現(xiàn)電子商務(wù)交易中，買賣雙方之間的資金快速轉(zhuǎn)移和流動。電子商務(wù)的發(fā)展，正在以其獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)方式，展現(xiàn)出巨大的市場、無限的商機(jī)和豐厚利潤，形成全球新的經(jīng)濟(jì)市場份額，改變著全球的經(jīng)濟(jì)構(gòu)架，直接影響和改變著全球經(jīng)濟(jì)的各個方面，給整個世界帶來一場史無前例的深刻變化的革命。那么，電子支付，則是實現(xiàn)電子商務(wù)目標(biāo)的重中之重。

所謂電子支付，是指電子商務(wù)交易的當(dāng)事人，使用信息化手段，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交易支付。使用電子支付能夠有效減少商務(wù)成本，加快處理速度，方便全球的客戶，擴(kuò)展貿(mào)易業(yè)務(wù)，使得消費(fèi)者可以在任何地方、任何時間、通過互聯(lián)網(wǎng)快速獲得各國銀行系統(tǒng)的支付服務(wù)，而無需再到當(dāng)?shù)劂y行的傳統(tǒng)營業(yè)柜臺辦理繁瑣的交易手續(xù)。隨著各國電子商務(wù)的快速發(fā)展，電子支付成為國際貿(mào)易結(jié)算的不可缺少手段。

對電子商務(wù)而言，其最重要的特征還是商務(wù)性。商務(wù)的實質(zhì)，是商品交換，以盈利為經(jīng)營目的，也就是說，商務(wù)活動的最大作用，就是通^商品換取資金的轉(zhuǎn)移和流動。

在電子商務(wù)的運(yùn)作過程中，貨幣的支付與結(jié)算必不可少，資金流是商品交易的目的。電子支付是交易的貨幣從一方主體轉(zhuǎn)移和流動到另一方主體或經(jīng)由第三方進(jìn)行中轉(zhuǎn)，實現(xiàn)交易的最終也是最關(guān)鍵的步驟。既然在電子商務(wù)中，電子支付涉及到的是資金流的流動，也就是金錢的運(yùn)動，故在電子支付這一環(huán)節(jié)，危機(jī)四伏，各種各樣的詐騙問題層出不窮，也就是電子支付系統(tǒng)運(yùn)行的必然結(jié)果?？梢钥吹剑^大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全問題，特別是涉及到資金被盜、被轉(zhuǎn)移的網(wǎng)絡(luò)安全問題，都是由電子支付系統(tǒng)引發(fā)或者導(dǎo)致產(chǎn)生的。

但電子商務(wù)畢竟又不同于傳統(tǒng)的商務(wù)。電子商務(wù)有別于其他傳統(tǒng)商務(wù)的關(guān)鍵就是其電子化，即使用電子化手段，傳遞貿(mào)易信息，使支付更方便、更快捷、更高效和更經(jīng)濟(jì)，所以，電子商務(wù)才能夠得以在短短時間內(nèi)，在全世界廣大范圍快速發(fā)展，使貿(mào)易市場突破國界與疆域，構(gòu)筑全球的營銷網(wǎng)，這就是電子支付成為電子商務(wù)發(fā)展重中之重的根本原因所在。沒有電子支付，電子商務(wù)就只是一種電子商情，電子合同；同時，離開電子商務(wù)，電子支付也只是單調(diào)的金融支付手段。電子商務(wù)與電子支付是相伴相生，相輔相成，缺一不可的。

電子支付是伴隨電子商務(wù)電子化、網(wǎng)絡(luò)化形成的，雖然不同于傳統(tǒng)的商務(wù)支付，但卻是從傳統(tǒng)的支付方式發(fā)展而來的。電子支付方式與傳統(tǒng)支付方式最關(guān)鍵的差別就是它們的運(yùn)行環(huán)境不同。傳統(tǒng)的支付方式是運(yùn)行在較為封閉的系統(tǒng)之中，而電子支付目前卻是運(yùn)行在一個開放的系統(tǒng)平臺之上，以公共網(wǎng)絡(luò)作為通信媒介，通過數(shù)字技術(shù)來完成貿(mào)易信息交換和交易資金流動。因此，電子支付系統(tǒng)不僅要面臨著傳統(tǒng)支付方式所具有的安全問題，還要面臨著其系統(tǒng)本身特有的風(fēng)險，而這種特有的風(fēng)險，因為現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)系統(tǒng)的開放性，是現(xiàn)在所使用的電子支付系統(tǒng)根本無法規(guī)避的。所以，隨著我國電子商務(wù)發(fā)展進(jìn)入快車道，作為電子商務(wù)的重中之重，電子支付，當(dāng)前也暴露出越來越多亟待解決的網(wǎng)絡(luò)安全問題。

解析花樣不斷翻新、層出不窮的電商詐騙、網(wǎng)上銀行被盜、銀行卡被刷事件，利用電子支付系統(tǒng)所使用的互聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)系統(tǒng)的缺陷、漏洞，來進(jìn)行新的金錢犯罪。電商網(wǎng)絡(luò)詐騙，也同樣使用了快捷、方便的電子手段，以更快更隱蔽的方式。

如何使電子支付更安全，怎樣才能保障我國的電子商務(wù)快速健康發(fā)展下去？筆者認(rèn)為要依靠更加先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)即量子通信。

量子衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運(yùn)行，將有助于我國在量子通信技術(shù)實用化整體水平上保持和擴(kuò)大國際領(lǐng)先地位，實現(xiàn)國家信息安全和信息技術(shù)水平跨越式提升，有望推動我國科學(xué)家在量子科學(xué)前沿領(lǐng)域取得重大突破。屆時網(wǎng)上銀行、手機(jī)支付、信用卡等就再也不怕被盜號、泄密了。量子通信的安全性是基于量子物理基本原理，可從根本上、永久性解決信息安全問題。我國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈。

量子通信是近20發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是國際量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。量子通信主要是利用量子特性（不可克隆，疊加態(tài)，糾纏態(tài)，不可準(zhǔn)確完整觀測），來實現(xiàn)量子秘鑰分發(fā)和通信安全。

為了滿足電子商務(wù)活動對機(jī)密性、完整性、身份確認(rèn)陛和不可抵賴性，必須對其活動進(jìn)行安全控制，通常電子商務(wù)的安全控制是借助密碼技術(shù)來實現(xiàn)的。即互聯(lián)網(wǎng)世界的商務(wù)通信加密和傳輸安全，依賴于復(fù)雜的加密算法。自20世紀(jì)初起，研究人員就開始致力于編碼加密方法以及信息的安全傳輸方式的研究。但是這當(dāng)中卻有兩個關(guān)鍵的缺陷：其一是，當(dāng)有一臺擁有足夠計算能力的設(shè)備時，保密程序?qū)黄平?。量子計算機(jī)就是現(xiàn)代密碼技術(shù)的克星，在量子計算機(jī)面前，再復(fù)雜的加密算法，頃刻之間就被完全破譯；其二則是，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸信道被“竊聽”，就會造成信息的丟失被盜。所以，傳統(tǒng)通信，即便是再高級的保密通信，只要通過當(dāng)前的電話線、無線電、光纖等通信設(shè)施，都會面臨被破譯和竊聽的可能。所以，在計算能力兇猛的量子計算機(jī)面前，傳統(tǒng)傳輸?shù)拿芗?，就像在裸奔一樣。而現(xiàn)在電子商務(wù)所使用的電子支付系統(tǒng)，是借助于開放的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，借助于信息共享的計算機(jī)系統(tǒng)，使用密碼技術(shù)來實現(xiàn)電子商務(wù)的貿(mào)易信息傳遞和支付，之所以出現(xiàn)形形的安全問題，直言不諱地說，就是現(xiàn)在電子商務(wù)系統(tǒng)所憑借的網(wǎng)絡(luò)平臺、計算機(jī)系統(tǒng)和密碼技術(shù)，由于其本身存在的缺陷、漏洞、公開性、遠(yuǎn)程登錄等，無法承載高度機(jī)密的電子商務(wù)信息傳輸和大量高額錢幣的流動和轉(zhuǎn)移。也就是說，現(xiàn)在的電子支付系統(tǒng)，無法保證電子商務(wù)運(yùn)行不出安全問題！

量子通信的關(guān)鍵要素是量子密鑰，即以具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼，信息被截獲或被測量時，其自身形狀立刻改變，所以，截獲者只能得到無效信息。與現(xiàn)階段成熟的通信技術(shù)相比，量子通信的工作機(jī)制，一次一密，完全可以實現(xiàn)，由此可見，量子通信極其安全，任何微小的干擾都可以被發(fā)現(xiàn)，雙方共享的密鑰被編碼進(jìn)極化的光子序列中，任何竊聽活動都會留下其痕跡。

我國這次成功發(fā)射的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子”，質(zhì)量640Kg，傾角97.37，在軌設(shè)計壽命2年，具備2套獨(dú)立的有效載荷指向機(jī)、4個有效載荷，即量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏原、量子實驗控制與處理機(jī)。量子衛(wèi)星在軌期間，執(zhí)行四大任務(wù)，即：星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗，星地量子糾纏分發(fā)實驗和地星量子隱形傳態(tài)實驗。

量子通信網(wǎng)最核心的競爭力，就是信息傳遞過程中的絕對安全，是迄今為止被驗證過的唯一可提供“信息理論安全”級別的“無條件安全”的通信方式，同時還有著通信容量大、傳輸速率快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可實現(xiàn)抵御任何竊聽的密鑰分發(fā)，進(jìn)而保證其加密的內(nèi)容不可破譯。而量子密碼，被證明是永遠(yuǎn)無法破解的密碼。

量子密碼之所以能夠成為斬斷伸向電子支付的罪惡魔掌，正是由于量子通信網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)格遵循了海森堡通用原則中不允許“第三方”從通訊信道中獲取信息數(shù)據(jù)，甚至取得密碼等保密信息這一固守原則。量子通信網(wǎng)絡(luò)，才是能夠承載起電子商務(wù)發(fā)展所需要的通信網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)全世界信息化和數(shù)字化所需要的通信網(wǎng)絡(luò)。

篇10

 

0引言

 

近幾年來，隨著人們對于網(wǎng)絡(luò)信息傳輸質(zhì)量的要求越來越高，并且各種應(yīng)用的增加導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)信息量增大，亟需有效提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量?；诹孔蛹m纏態(tài)理論，在數(shù)據(jù)鏈路層對通信協(xié)議進(jìn)行分析，得到停等協(xié)議和選擇重傳量子通信協(xié)議，可以明顯減少信息在鏈路中的傳輸時延，有效提高信息在鏈路中的傳輸速率[12]。但是，選擇自動重傳協(xié)議對于每一個發(fā)送的數(shù)據(jù)幀都要求進(jìn)行應(yīng)答，一定程度上加重了通信負(fù)擔(dān);滑動窗口協(xié)議只要求對于一定量的數(shù)據(jù)幀發(fā)送一個應(yīng)答即可，將有效簡化通信過程。因此，研究基于量子糾纏態(tài)的滑動窗口通信協(xié)議具有一定的意義。本文利用量子理論中量子糾纏態(tài)，提出一種基于數(shù)據(jù)鏈路層的滑動窗口量子通信協(xié)議，并對該協(xié)議進(jìn)行分析。

 

1量子糾纏態(tài)

 

量子信息學(xué)是近20多年來由量子理論、信息科學(xué)以及計算機(jī)科學(xué)相結(jié)合起來的新型學(xué)科[3]，主要利用量子態(tài)的特性，探索以全新的方式對信息進(jìn)行存儲、計算、編碼和傳輸?shù)目赡苄訹45]。量子糾纏態(tài)是量子光學(xué)和量子信息學(xué)領(lǐng)域中的一個重要概念，量子態(tài)的糾纏是量子信息工程中的重要資源，并廣泛應(yīng)用于量子通信和量子計算的理論研究中[67]。量子糾纏現(xiàn)象最先是由(einsteinpodolskyrosen，EPR)發(fā)現(xiàn)的量子力學(xué)的特殊現(xiàn)象，對于2個或多個量子系統(tǒng)之間的非定域、非經(jīng)典的關(guān)聯(lián)性描述，是量子系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)或各自由度之間關(guān)聯(lián)的力學(xué)屬性。那么，量子糾纏態(tài)是實現(xiàn)信息高速傳輸?shù)牟豢善谱g通信的理論基礎(chǔ)[4]。由量子糾纏交換實現(xiàn)量子遠(yuǎn)程通信，表明量子狀態(tài)的轉(zhuǎn)移是瞬間實現(xiàn)的，極大縮短了通信時間。

 

2滑動窗口通信協(xié)議

 

滑動窗口協(xié)議是基于數(shù)據(jù)鏈路層允許多個數(shù)據(jù)幀同時進(jìn)行信息傳輸以此來提高傳輸效率而提出的[8]。對于每一個數(shù)據(jù)幀用一定位數(shù)的二進(jìn)制標(biāo)識，并限定每個窗口的最大傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀數(shù)。同時，分別在發(fā)送方設(shè)置發(fā)送窗口，接收方設(shè)置相應(yīng)的接收窗口;接收方不必對每一個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行應(yīng)答，只需對這個窗口的最后一個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行應(yīng)答，表示整個窗口的所有數(shù)據(jù)幀接收正確，之后接收下一個窗口的數(shù)據(jù)。對于當(dāng)產(chǎn)生錯誤或者丟失一個、多個數(shù)據(jù)幀時，需要重傳這個窗口的所有數(shù)據(jù)幀。

 

對于滑動窗口協(xié)議，假如待傳送的數(shù)據(jù)幀為m個，每個滑動窗口最多N個數(shù)據(jù)幀，且每個數(shù)據(jù)幀在傳輸?shù)倪^程中出錯和丟失的概率為p。假定每個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時延為ta，數(shù)據(jù)幀沿發(fā)送鏈路從發(fā)送端到接收端的傳輸時延為tp，接收端接收到數(shù)據(jù)幀的所用的處理時延為tpr，接收端發(fā)送確認(rèn)幀的發(fā)送時延為 tb，確認(rèn)幀在鏈路中的傳輸時延為tp，假設(shè)發(fā)送端的處理時延也同為tpr。由于數(shù)據(jù)幀的傳輸過程中是連續(xù)發(fā)送，則存在數(shù)據(jù)幀之間傳輸時間的重疊。即設(shè)時間重疊的系數(shù)為β，則0≤β<1，重疊時間為βt，當(dāng)β=0時，重疊時間為0，即只一個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸;同時數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間有先后順序，不可能同時發(fā)送所有數(shù)據(jù)幀，那么數(shù)據(jù)幀之間的發(fā)送時間不能完全重疊，β不能等于1。因此，一個數(shù)據(jù)幀從發(fā)送端到接收端的傳輸時間為

 

也就是說，如果出錯或丟失的數(shù)據(jù)幀越多，則滑動窗口量子通信協(xié)議將越有效;并且在無差錯信息傳輸中滑動窗口量子通信協(xié)議也將比選擇連續(xù)重傳量子通信協(xié)議更好。可得出：在單一一個窗口的出錯或丟失需要重傳的數(shù)據(jù)幀的概率為p1=y/x，那么對于所有的數(shù)據(jù)幀有：當(dāng)p1> c+1xt4+t5(t4+t5)x-1時，滑動窗口量子通信協(xié)議比選擇連續(xù)重傳量子通信協(xié)議更優(yōu)。因此，滑動窗口量子通信協(xié)議在遠(yuǎn)程通信和通信信道較差、出錯率很高以及傳輸時延很高的情況下具有更明顯的優(yōu)勢。

 

3結(jié)論

 

利用量子力學(xué)中的量子糾纏態(tài)，提出了一種基于數(shù)據(jù)鏈路層的滑動窗口量子通信協(xié)議。該協(xié)議在鏈路的空閑時段通過量子糾纏態(tài)的分發(fā)建立量子信道，信息的發(fā)送通過經(jīng)典信道進(jìn)行傳輸，而后通過量子信道進(jìn)行反饋確認(rèn)信息來完成。由于確認(rèn)量子信息傳輸?shù)乃矔r性，可有效減少信息的傳輸時間，提高了鏈路的吞吐量。通過與選擇連續(xù)重傳量子通信協(xié)議對比，滑動窗口量子通信協(xié)議在十分嚴(yán)峻的環(huán)境和遠(yuǎn)程通信中能夠更好地提高信息的傳輸效率，特別是在衛(wèi)星通信方面將有更大作用。但是對于所需要重傳的數(shù)據(jù)幀是整個窗口的所有數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重傳，但是整個窗口的所有數(shù)據(jù)幀并不是全部都出錯或丟失需要重傳，有的數(shù)據(jù)幀是完整接收依然被丟棄重傳，造成了一些不必要的數(shù)據(jù)幀的傳輸，信道的利用率下降。如果能夠?qū)τ诨瑒哟翱诹孔油ㄐ艆f(xié)議中需要重傳的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行選擇性重傳將是更有效的解決方案。

 

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