量子计算的基本原理精选(九篇)

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第1篇：量子计算的基本原理范文

本书将从物理、技术和设备操作方面对使用硅及相关合金制备的光子器件进行概述，包括以下内容：1硅光子学概述，从介绍VLSI的发展过程以及存在的问题出发引出本书将要讲述的内容；2硅的基本性能，介绍了硅能带结构、状态密度函数和杂质，并讲述了硅基异质结和异质结构的性质；3量子结构，对量子阱、量子线和点、超晶格、Si基量子结构进行了讲述；4光学过程，主要讲述了半导体中相关光学过程基本理论，包括光学常数、基本概念以及光吸收、发射等理论；5量子结构中的光学过程，主要讲述量子井、量子线和量子点这些纳米结构中的光学过程的基本原理；6硅光发射器，主要讲述了半导体发光基本原理，以及具体半导体光发射器，并对激发光发射进行展望；7硅光调制器，主要讲述了光调制相关的一些基本物理效应以及硅的电折射效应和热光效应，介绍了光调制器一些特性以及相关的光、电结构，最后讲述了高带宽光调制器；8硅光电检测器，介绍了光电检测器原理以及重要性质，讲述了一些具体的光电检测器；9拉曼激光，主要讲述了拉曼激光的概念、简化理论、硅的拉曼效应，并对拉曼系数进行了介绍，最后具体讲述了一种连续波拉曼激光；10导光波导言，介绍了光导的射线光理论以及反射系数，讲述了集中具体的波导：平面波导模型、光导波理论、3D光波导，最后讲述了波导损耗、波导与光器件的耦合；11平面波导器件原理，讲述了平面波导耦合模型、直接耦合器、分布式布拉格反射镜，并具体讲述了一些平面波导器件；12用于密集波分复用系统的波导，主要讲述了阵列波导光栅的结构、工作原理和特性，介绍了提高阵列波导光栅性能的方法，列举了具体应用；13制备工艺及材料系统，主要讲述了光电子器件制备的主要工艺及材料处理方法。

本书描绘了硅光子学器件的基本工作原理和结构，并深入讲述了硅光子学现在发展以及展望了硅光子学未来，可以作为高等院校高年级本科生和研究生的教材和参考书，也可作为半导体光子学、光电集成、光电子器件、信息网络系统、计算机光互连及相关技术领域的科研人员、工程技术人员的参考书。

作者M. Jamal Deen是加拿大McMaster大学的教授， IEEE Transactions on Electron Devices的编辑，Fluctuations and Noise Letters的执行编辑，加拿大皇家学会会士，加拿大工程院院士， IEEE院士， 美国物理学会会士。他目前的研究领域是：微米纳米电子学、光电子学及其在生命和环境科学中的应用。

第2篇：量子计算的基本原理范文

关键词：量子力学；教学探索；普通高校

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）50-0212-02

一、概论

量子力学从建立伊始就得到了迅速的发展，并很快融合其他学科，发展建立了量子化学、分子生物学等众多新兴学科。曾谨言曾说过，量子力学的进一步发展，也许会对21世纪人类的物质文明有更深远的影响[1]。

地处西部地区的贵州省，基础教育水平相对落后。表1列出了2005年到2012年来的贵州省高考二本理科录取分数线，从中可知：自2009年起二本线已经低于60%的及格线，并呈显越来越低的趋势。对于地方性新升本的普通本科学校来讲，其生源质量相对较低。同时，在物理学（师范）专业大部分学生毕业后的出路主要是中学教师、事业单位一般工作人员及公务员，对量子力学的直接需求并不急切。再加上量子力学的“曲高和寡”，学生长期以来形成学之无用的观念，学习意愿很低。在课时安排上，随着近年教育改革的推进，提倡重视实习实践课程、注重学生能力培养的观念的深入，各门课程的教学时数被压缩，量子力学课程课时从72压缩至54学时，课时被压缩25%。

总之，在学校生源质量逐年下降、学生学习意愿逐年降低，且课时量大幅减少的情况下，教师的教学难度进一步增大。以下本人结合从2005至10级《量子力学》的教学经验，谈一下教学方面的思考。

二、依据学生情况，合理安排教学内容

1.根据班级的基础区别化对待，微调课程内容。考虑到我校学生的实际情况和需要，教学难度应与重点院校学生有差别。同时，通过前一届的教学积累经验，对后续教学应有小的调整。在备课时，通过微调教学内容来适应学习基础和能力不同的学生。比如，通过课堂教学及作业的反馈，了解该班学生的学习状态，再根据班级学习状况的不同，进行后续课程内容的微调。教学中注重量子力学基本概念、规律和物理思想的展开，降低教学内容的深度，注重面上的扩展，进行全方位拓宽、覆盖，特别是降低困难题目在解题方面要求，帮助学生克服学习的畏难心理。

2.照顾班内大多数，适当降低数学推导难度。对于教学过程中将要碰到的数学问题，可采取提前布置作业的方法，让学生主动去复习，再辅以教师课堂讲解复习，以解决学生因为数学基础差而造成的理解困难。同时，可以通过补充相关数学知识，细化推导过程，降低推导难度来解决。比如：在讲解态和力学量的表象时[2]，要求学生提前复习线性代数中矩阵特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使学生掌握相关的数学知识，这对理解算符本征方程的本征值和本征函数起了很大的推动作用。

3.注重量子论思想的培养。量子论的出现，推动了哲学的发展，给传统的时空观、物质观等带来了巨大的冲击，旧的世界观在它革命性的冲击下分崩离析，新的世界观逐渐形成。量子力学给出了一套全新的思维模式和解决问题的方法，它的思维模式跟人们的直觉和常识格格不入，一切不再连续变化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或减少。地方高校的学生数学基础较差，不愿意动手推导，学习兴趣较低，量子力学的教学，对学生量子论思维方式的培养就显得尤为重要。为了完成从经典理论到量子理论思维模式的转变，概念的思维方式是基础、是重中之重。通过教师的讲解，使学生理解量子力学的思考方式，并把经典物理中机械唯物主义的绝对的观念和量子力学中的概率的观念相联系起来，在生活中能够利用量子力学的思维方式思考问题，从而达到学以致用的目的。

4.跟踪科学前沿，随时更新科研进展。科学是不断向前发展的，而教材自从编好之后多年不再变化，致使本领域的最新研究成果，不能在教材中得到及时体现。而发生在眼下的事件，最新的东西才是学生感兴趣的。因此，我们可以利用学生的这种心理，通过跟踪科学前沿，及时补充量子力学进展到教学内容中的方式，来提高学习量子力学的兴趣。教师利用量子力学基本原理解释当下最具轰动性的科技新闻，提高量子力学在现实生活中出现的机会，同时引导学生利用基本原理解释现实问题，从而培养学生理论联系实际的能力。

三、更新教学手段，提高教学效率

1.拓展手段，量子力学可视化。早在上世纪90年代初，两位德国人就编制完成了名为IQ的量子力学辅助教学软件，并在此基础上出版了《图解量子力学》。该书采用二维网格图形和动画技术，形象地表述量子力学的基本内容，推动了量子力学可视化的前进。近几年计算机运算速度的迅速提高，将计算物理学方法和动画技术相结合，再辅以数学工具模拟，应用到量子力学教学的辅助表述上，使量子力学可视化。通过基本概念和原理形象逼真的表述，学生理解起来必将更加轻松，其理解能力也会得到提高。

2.适当引入英语词汇。在一些汉语解释不是特别清楚的概念上，可以引入英文的原文，使学生更清晰的理解原理所表述的含义。例如，在讲解测不准关系时，初学者往往觉得它很难理解。由于这个原理和已经深入人心经典物理概念格格不入，因此初学者往往缺乏全面、正确的认识。有学生根据汉语的字面意思认为，测量了才有不确定度，不测量就不存在不确定。这时教师引入英文“Uncertainty principle”可使学生通过英文原意“不确定原理”知道，这个原理与“测量”这个动作的实施与否并没有绝对关系，也就是说并不是测量了力学量之间才有不确定度，不测量就不存在，而是源于量子力学中物质的波粒二象性的基本原理。

3.提出问题，引导学生探究。对于学习能力较强的学生，适当引入思考题，并指导他们解决问题，从而使学生得到基本的科研训练。比如，在讲解氢原子一级斯塔克效应时，提到“通常的外电场强度比起原子内部的电场强度来说是很小的”[2]。这时引入思考题：当氢原子能级主量子数n增大时，微扰论是否还适用？在哪种情况下可以使用，精确度为多少？当确定精度要求后，微扰论在讨论较高激发态时，这个n能达到多少？学生通过对问题的主动探索解决，将进一步熟悉微扰论这个近似方法的基本过程，理解这种近似方法的精神。这样不仅可以加深学生对知识点的理解，还可以得到基本的科研训练，从而引导学生走上科研的道路。

4.师生全面沟通，及时教学反馈。教学反馈是教学系统有效运行的关键环节，它对教和学双方都具有激发新动机的作用。比如：通过课堂提问及观察学生表情变化的方式老师能够及时掌握学生是否理解教师所讲的内容，若不清楚可以当堂纠正。由此建立起良好的师生互动，改变单纯的灌输式教学，在动态交流中建立良好的教学模式，及时调整自己的教学行为。利用好课程结束前5分钟，进行本次课程主要内容的回顾，及时反馈总结。通过及时批改课后作业，了解整个班级相关知识及解题方法的掌握情况。依据反馈信息，对后续课程进行修订。

通过双方的反馈信息，教师可以根据学生学习中的反馈信息分析、判定学生学习的效果，学生也可以根据教师的反馈，分析自己的学习效率，检测自己的学习态度、水平和效果。同时，学生学习行为活动和结果的反馈是教师自我调控和对整个教学过程进行有效调控的依据[6]。

四、结论

量子力学作为传统的“难课”，一直是学生感到学起来很困难的课程。特别是高校大扩招的背景下，很多二本高校都面临着招生生源质量下降、学生学习意愿不高的现状，造成了教师教学难度进一步增大。要增强学生的学习兴趣，提高教学质量，教师不仅要遵循高等教育的教学规律，不断加强自身的学术水平，讲课技能，适时调整教学内容，采取与之相对应的教学手段，还需要做好教学反馈，加强与学生的沟通交流，了解学生的真实想法，并有针对性的引入与生活、现实相关的事例，提高学生学习量子力学的兴趣。

参考文献：

[1]曾谨言.量子力学教学与创新人才培养[J].物理，2000，（29）：436.

[2]周世勋，陈灏.量子力学教程[M].高等教育出版社，2009：101.

[3]杨林.氢原子电子概率分布可视化及其性质研究[J].绥化学院学报，2009，（29）：186.

[4]常少梅.利用Mathematica研究量子力学中氢原子问题[J].科技信息，2011，（26）：012.

[5]喻力华，刘书龙，陈昌胜，项林川.氢原子电子云的三维空间可视化[J].物理通报，2011，（3）：9.

第3篇：量子计算的基本原理范文

关键词：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能计算

【分类号】：TM743

1.概述

量子计算是计算机科学与量子力学相结合的产物，根据Moore定律可知：当计算机的存储单元达到原子层次时，显著地量子效应将会严重影响计算机性能，计算机科学的进一步发展需要借助新的原理和方法【1】，量子计算为这一问题的解决提供了一个可能的途径。

根据量子计算原理设计的量子计算机是实现量子计算的最好体现。量子计算机是利用微观粒子状态来进行存储和处理信息的计算工具【2】。其基本原理是通过物理手段制备可操作的量子态，并利用量子态的叠加性、纠缠性和相干性等量子力学的特性进行信息的运算、保存和处理操作，从本质上改变了传统的计算理念。

量子通信是量子理论与信息理论的交叉学科，是指利用量子的纠缠态实现信息传递的通讯方式。量子的纠缠态是指：相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象。量子通信主要包括两类：用于量子密钥的传输，和用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。与传统的通信技术相比，量子通信具有容量大，传输距离远和保密性强的特点。

2.量子计算基础

2.1 量子位

计算机要处理数据，必须把数据表示成计算机能够识别的形式。与经典计算机不同，量子计算机用量子位来存储信息，量子位的状态既可以是0态或1态，也可以是0态和1态的任意线性叠加状态。一个n位的量子寄存器可以处于 个基态的相干叠加态 中，即可以同时存储 种状态。因此，对量子寄存器的一次操作就相当于对经典计算机的 次操作，也就是量子的并行性。

2.2.量子逻辑门

对量子位的态进行变换，可以实现某些逻辑功能。变化所起到的作用相当于逻辑门的作用。因此，提出了“量子逻辑门”【3】的概念，为：在一定时间间隔内，实现逻辑变换的量子装置。

量子逻辑门在量子计算中是一系列的酉变换，将酉矩阵作为算符的变换被成为酉变换。量子位的态 是希尔伯特空间（Hilbert空间）的单位向量，实现酉变换后希尔伯特空间，在希尔伯特空间内仍为单位向量。【4】

3.量子算法

量子算法的核心就是利用量子计算机的特性加速求解的速度，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。目前大致五类优于已知传统算法的量子算法：基于傅里叶变换的量子算法，以Grover为代表的量子搜素算法，模拟量子力学体系性质的量子仿真算法，“相对黑盒”指数加速的量子算法和相位估计量子算法。

3.1基于傅里叶变换的量子算法

Shor于1994年提出大数质因子分解量子算法，而大数质因子分解问题广泛应用在RSA公开密钥加密算法之中，该问题至今仍属于NP难度问题。但是Shor算法可以在量子计算的条件下，在多项式时间内很有效地解决该问题。这对RSA的安全性有着巨大的挑战。

Shor算法的基本思想是：利用数论相关知识，通过量子并行特点，获得所有的函数值；再随机选择比自变量小且互质的自然数，得到相关函数的叠加态；最后进行量子傅里叶变换得最后结果。构造如下函数：

就目前而言，该算法已经相对成熟，对其进行优化的空间不大。目前研究者的改进工作主要是：通过对同余式函数中与N互质的自然数选择的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其实现，对量子密码学和量子通信的发展有着极重要的价值。[7]

3.2以Grover为代表的量子搜素算法

3.2.1 Grover算法

Grover算法属于基于黑箱的搜索算法，其基本思想为：在考虑含有 个数据库的搜索问题，其中搜索的解恰好有 个，将数据库中的每个元素进行量化后，存储在 个量子位中， 与 满足关系式 。【8】将搜索问题表示成从0到 的整数 ，其中函数 定义为：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 。【12】

具体算法如下：

（1）初始化。应用Oracle算子 ，检验搜索元素是否是求解的实际问题中需要搜索的解。

（2）进行Grover迭代。将结果进行阿达马门（Hadamard门）变换。

（3）结果进行 运算。

（4）结果进行阿达马门变换。【12】

4. 量子智能计算

自Shor算法和Grover算法提出后，越来越多的研究员投身于量子计算方法的计算处理方面，同时智能计算向来是算法研究的热门领域，研究表明，二者的结合可以取得很大的突破，即利用量子并行计算可以很好的弥补智能算法中的某些不足。

目前已有的量子智能计算研究主要包括：量子人工神经网络，量子进化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神经网络算法和量子进化算法已经成为目前学术研究领域的热点，并且取得了相当不错的成绩，下面将以量子进化算法为例。

量子进化算法是进化算法与量子计算的理论结合的产物，该算法利用量子比特的叠加性和相干性，用量子比特标记染色体，使得一个染色体可以携带大数量的信息。同时通过量子门的旋转角度表示染色体的更新操作，提高计算的全局搜索能力。

目前量子进化算法已经应用于许多领域，例如：工程问题、信息系统、神经网络优化等。同时，伴随着量子算法的理论和应用的进一步发展，量子进化算法等量子智能算法有着更大的发展前景和空间。

参考文献

1.王书浩，龙桂鲁.大数据与量子计算

2.张毅，卢凯，高颖慧.量子算法与量子衍生算法

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

4.吴楠，宋方敏。量子计算与量子计算机

5.苏晓琴，郭光灿。量子通信与量子计算。量子电子学报，2004，21（6）：706-718

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

7.王蕴，黄德才，俞攸红.量子计算及量子算法研究进展.

8.孙吉贵，何雨果.量子搜索算法.软件学报，2003，14（3）：334-344

9.龙桂鲁.量子计算算法介绍

10.解光军，范海秋，操礼程.一种量子神经计算网络模型

第4篇：量子计算的基本原理范文

关键词：量子点 发光 量子点尺寸效应

近几年来，宽禁带半导体发光材料引起人们极大的兴趣，是因为这些材料在蓝光及紫外光发光二极管、半导体激光器和紫外光探测器上有重要的应用价值。这些器件在光信息存储、全色显示和紫外光探测上有巨大的市场需求，人们已经制造出III族氮化物和ZnSe等蓝光材料，并用这些材料制成了高效率的蓝光发光二极管和激光器，这使全色显示成为可能。量子点（QuantumDot）凭借自身独特的光电特性越来越受到人们的重视，成为研究的热点。

由于量子点所具有的量子尺寸、量子隧穿、库仑阻塞、量子干涉、多体关联和非线性光学效应非常明显，故在低维量子结构的研究中，对载流子施以尽可能多的空间限制，制备零维量子点结构并开发其应用，受到世界各国科学家和企业家的高度重视。

1、半导体量子点的制备方法

高质量半导体量子点材料的制备是量子器件和电路应用的基础，如何实现对无缺陷量子点的形状、尺寸、面密度、体密度和空间分布有序性等的可控生长，一直是材料科学家追求的目标和关注的热点。

应变自组装量子点结构生长技术是指在半导体外延生长过程中，由于衬底和外延层的晶格失配及表面、界面能不同，导致外延层岛状生长而制得量子点的方法。这种生长模式被称为SK生长模式。外延过程的初期为二维平面生长，平面生长厚度通常只有几个原子层厚，称为浸润层。随浸润层厚度的增加，应变能不断积累，当达到某一临界层厚度时，外延生长则由二维平面生长向三维岛状生长过渡，由此形成直径为几十纳米、高度为几纳米的小岛，这种材料若用禁带较宽的材料包围起来，就形成量子点。用这种方法制备的量子点具有尺寸小、无损伤的优点。用这种方法已经制备出了高质量的GaN量子点激光器。

化学自组装量子点制备方法是一种通过高分子偶联剂将形成量子点的团簇或纳米颗粒联结起来，并沉积在基质材料上来制备量子点低维材料的方法。随着人们对量子线、量子点制备和应用的迫切需求，以上物理制备方法显得费时费力，特别是在批量制备时更是如此，化学自组装为纳米量子点的平面印刷和纳米有机-无机超晶格的制备提供了可能。由于化学自组装量子点的制备具有量子点均匀有序、制备速度快、重复性好等优点，且选用不同的偶联剂可以对不同的量子点前驱颗粒进行不同对称性的组装，从而能制备出不同的量子点。它的出现为批量制备高功率半导体量子器件和激光器提供了一种有效的途径，因此这种方法被认为是制备量子点最有前途的方法之一。

2、 II-VI族半导体量子点的发光原理和发光特性

2.1 发光原理

半导体量子点的发光原理（如图1-1所示），当一束光照射到半导体材料上，半导体材料吸收光子后，其价带上的电子跃迁到导带，导带上的电子还可以再跃迁回价带而发射光子，也可以落入半导体材料的电子陷阱中。当电子落入较深的电子陷阱中的时候，绝大部分电子以非辐射的形式而猝灭了，只有极少数的电子以光子的形式跃迁回价带或吸收一定能量后又跃迁回到导带。因此当半导体材料的电子陷阱较深时，它的发光效率会明显降低。

2.2 发光特性

由于受量子尺寸效应和介电限域效应的影响，半导体量子点显示出独特的发光特性。主要表现为：（1）半导体量子点的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来加以调控；（2）半导体量子点具有较大的斯托克斯位移和较窄而且对称的荧光谱峰（半高全宽只有40nm）；（3）半导体量子点具有较高的发光效率。半导体量子点的发光特性，除了量子点的三维量子限制作用之外，还有其他诸多因素需要考虑。不过人们通过大胆尝试与努力探索，已在量子点的发光特性研究方面取得了很大的进展。

3、量子点材料的应用

鉴于量子点的独特理化性质，科学工作者就量子点材料的应用研究开展了大量的工作，研究领域主要集中在纳米电子学、光电子学、生命科学和量子计算等领域，下面介绍一下量子点在这些方面的应用。

3.1量子点激光器

用量子线或量子点设计并制作微结构激光器的新思想是由日本的两名年轻的科学家在1982年提出了，但是由于制备工艺的难度很大而搁浅。随着技术的进步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技术，通过 Stranski―Krastanow（S―K）模式生长In（Ga）As/GaAs自组装量子点等零维半导体材料有了突破性的进展，生长出品格较完整，尺寸较均匀，且密度和发射率较高的InAs量子点，并于1994年制备出近红外波段In（Ga）As/GaAs量子点激光器。

3.2量子点红外探测器

半导体材料红外探测器的研究一直吸引人们非常广泛的兴趣。以量子点作为有源区的红外探测器从理论上比量子阱红外探测器具有更大的优势，这些优势包括：（1）量子点探测器可以探测垂直入射的光，无需像量子阱探测器那样要制作复杂的光栅；（2）量子点分立态的间隔大约为50meV-70meV，由于声子瓶颈效应，电子在量子点分立态上的弛豫时间比在量子阱能态上长，这有利于制造工作温度高的器件；（3）三维载流子限制降低了热发射和暗电流；（4）探测器不需冷却，这将会大大减少阵列和成像系统的尺寸及成本。因此，量子点探测器已经成为光探测器研究的前沿，并取得了重大进展。

3.3 单电子器件

电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本原理，通过控制在微小隧道结体系中单个电子的隧穿过程来实现特定功能的器件，是一种新型的纳米电子器件。

3.4 量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合单电子量子点上的自旋态来构造量子比特，实现信息传递的方法。

除此之外，量子点在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。

结束语 我们相信量子点技术应用的未来出现很多奇迹，随着对量子点的深入研究，其在各个领域的应用前景还将更加广阔。

参考文献

[1] Hong S， Hanada T， Makino H， Chen Y， Ko H， Yao T， et al. Band alignment at a ZnO/GaN （0001） heterointerface [J]. Appl. Phys. Lett. ， 2001， 78（21）： 3349-3351.

[2] Yarelha D A， Vicet A， Perona A， Glastre G， Fraisse B， Rouillard Y， et al. High efficiency GaInSbAs/GaSb type-II quantum well continuous wave lasers [J]. Semicond. Sci. Technol. ， 2000， 15（4）： 390-394.

第5篇：量子计算的基本原理范文

Gabriel, USA

The Shaggy Steed of Physics

Mathematical Beauty in

the Physical World

Second Edition

2004, 300 pp.

Hardcover EUR 54.95

ISBN 0-387-40307-8

戴维.奥立弗 著

宇宙为我们呈现出很多感性的存在，在这些感性的存在中隐藏了物理学内部的景象；这些宇宙的内部图景虽然被遮在面纱下，却吸引着我们，引导着我们寻找太阳、月亮、星星运动背后的潜在原因，探索所有物质运动的基本形态，发现所有地球上纷繁芜杂的物质背后所隐藏的统一性。宇宙的内部特性是包裹在其外部灿烂外表之下的充满精密和美的图景，这个关于物质和运动，无论是可感知还是不可感知的图景就是数学。

当我们感知到世界是数学的，已经令我们惊讶不已。自然世界为我们呈现出一种充满数学对称的美；然而，自然界的粗糙外部表象所创造出来的层层迷雾，屏蔽了我们对于数学的精妙的认知，这些迷雾却往往是物理的。数学和物理的共鸣，创造性的发展着彼此。于是，虽然宇宙的感性表象以一种开放的方式呈现出来，但是，宇宙的物理表象，正如其隐藏在数学中一样，需要我们通过研究来发现出来。这就是本书想要告诉读者的大部分思想。

全书共分7章。第1章物理的野马，引用了一则爱尔兰传说，为我们回顾了物理学的历史；第2章天堂和元素，概述了宏观世界和微观世界所遵循的不同物理原则；第3章运动定律，描述了运动学的基本原理；第4章经典力学：天堂，描述了宏观世界物质和运动所遵循的物理原理――经典力学；第5章量子力学：元素，描述了微观世界粒子所遵循的物理原理――量子力学；第6章时空的潜在统一性，介绍高速情况下物质所体现出的相对论特性；第7章多维的宇宙，主要介绍混沌所表现出来的无序和惊人的物理效应。

本书适合物理学研究生和研究人员阅读，也适合对物理学感兴趣的人员阅读参考。

丁丹，硕士生

(中国科学院计算技术研究所)

第6篇：量子计算的基本原理范文

关键词：有限元方法；电动力学；应用

中图分类号：O442-4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）35-0113-02

光量子就是一种“左”和“右”的奇异偏振粒子，由于偏振的对称或不对称，而发生光波在干涉过程中的系统偏振化。苏联科学家瓦维洛夫设计的许多光学实验，十分有趣地说明了光的偏振是光学过程的基本现象之一。所有的实验都表明，光是一种粒子现象，而一切单色的运动的微观粒子群都表现为粒子的波的本性。

1 电动力学原理

1.1 光量子

电子是一个小旋涡体。光量子是由2个质量相等、自旋相反的电子在小黄道面（E平面）上结合的双粒子。

以化学键结合的电子偶，由于在双电子中间结合带，质点所受向心力被抵消，使质点沿圆切线方向被抛出，在反冲力推动下，光量子会沿曲率半径为无限大的圆“自己运动”，因此，光量子的静止质量等于零。在处理光量子运动学问题时，可将它比成一个按周期间歇振荡，在时间与空间中补充燃料质量近似等于喷出燃料质量，自己推进的小火箭。因为光量子是由2个电子在E平面上结合而成的，所以它是偏振的，有EHc。图1表示电子偶在小黄道面上的物质旋涡运动呈疏密相间的条带分布（类似太阳系中的小行星环缝）。由于共振效应，双电子只能停留在各物质环缝上结合。这些环缝是光量子的能级En。处于不同分立能级状态下结合的双电子的中心距an不同，其电子的质量亏损也不同。an愈小的光量子有愈大的能级。光量子的能级表征了它特有的固有振动频率。是每个光量子的固有振动频率决定了光的颜色，并与光波波长有密切关系。

自旋电子的场的开放性使单个电子很难单独游离存在，所以，电子团一般都是由偶数个“左”和“右”自旋的单电子在E平面上结合形成的。而由奇数个单电子组成的总自旋角动量不为零的电子链条通常是不稳定的衰变粒子团。每一个电子团的固有振动频率为vc，其中每个电子的瞬时振动速度为光速±C并具有内能mec2。不同的光量子所需外场激发能量不同。在电场中的电子团受电场力被加速。外场所做的功除表现为电子团的动能增加外，由于阻力，所以还表现在对电子团压缩变形的质量亏损上。因此，在电场中运动的电子团，根据瞬时速度不同，被压缩的能级状态也不同。不同能级状态下的电子团有不同的固有振动频率vc，恰恰是这个固有振动频率vn记忆了能量压缩过程。取在放电管中电子团的固有振动频率最大值vmax，平均振动频率v=■，当时v=c，就有下面电动力学的基本方程：

式中，me为单电子的质量，h为普朗克常数。

当在放电管中充满某种气体分子，且在气体第一电离电位临界点上，气体电离原子的主振频率等于电子团的平均固有振动频率vn时，则发生电子团在共振中被破坏，分散成在一个平面上对称辐射的2个或3个光量子（单态或三重态），形成最强的线状光谱的辐射。

1.2 粒子的干涉和光波的内部结构

因为微观粒子质量很小，粒子之间开放键的作用相对很强，所以，任何两个电子团或光量子，在小夹角的碰撞中都表现为粒子最原始的干涉形式。我们把这种碰撞叫做“吸引碰撞”或“排斥碰撞”。例如，两个沿同方向，在E平面上以小夹角相遇的光量子，因为互相靠近的电子自旋方向相反则互相吸引，使在“吸引碰撞”后的两个光量子沿其速度矢量夹角平分线ψ方向运动。而两个向反方向运动的光量子在E平面上相遇时，由于互相靠近的电子自旋方向相同而发生“排斥碰撞”相互分离。其他各种偏振的、对称或是不对称的碰撞形式，读者可以自己研究。例如，偏振面互相垂直的两个光量子，相互碰撞就不能发生干涉现象。光量子在干涉或界面反射过程中往往发生系统的偏振化，成为圆偏振光或椭圆偏振光。

在空间中任何按一定平均自由程分布的“单色偏振态相同或相近微观粒子群”都能发生上述粒子的干涉现象。光波就是由光量子组成的、自己推进的粒子波。在光源的附近就已经发生干涉所形成的光线上，包含着许多长程无序分布的“线波包”。在每个“线波包”内是由光源在一次辐射，经过干涉而聚集的光量子。光量子在“线波包”内排列是有序的，前后两组光量子之间的距离为 mλ（m是正整数，λ是波长）。

如图2所示，由一次辐射所分开的两条相干光线上，当“线波包”之间的光程差小于它本身的长度时，在一定干涉孔径条件下，两条光线能够发生干涉。在图2中给定的初始条件下，从小孔光源S或S’毫无规律地向任意方向辐射的光量子，只能在与S7或S两个点的理论波阵面上，光程差L=mλ上各点相遇，相遇后的两组光量子在干涉后沿其速度矢量夹角平分线上的ψ方向运动，这个方向就是光线干涉后的传播方向。光波的干涉不是充满在整个空间的粒子毫无规则的弹性碰撞，而是以“线波包”中光量子相遇的“吸引碰撞”或“排斥碰撞”发生的光量子在光线方向上的集中，这表现为光波能量在干涉过程中的重新分布。

2 有限元法及其在“电动力学”中的应用

有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是20世纪50年代首先在连续体力学领域应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法的基本思想是：在变分法或加权余量法基础上，采用分块逼近而形成的系统化的数值计算方法。有限元法的基本原理是：首先将求解区域进行离散化，其次剖分成若干互相连接而又不重叠的一定几何形状的子区域，这样的子区域称为单元（二维问题的子区域，一般取为三角形区域或矩形区域）。在单元体中选择基函数，用单元基函数的线性组合来逼近单元中的真解，而总体基函数可以由单元基函数组成。也就是说，有限元方法是根据变分原理和方程余量与权函数正交化原理建立起的积分表达式为出发点，将整个积分区域中的求解函数离散为若干单元区域中的连续函数，再通过单元积分，总体合成为代数方程形式的有限方程。对于二维情况，拉普拉斯方程及边界关系为：

与有限差分法等其他数值方法相比，有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，但局限性在于只适用于相对小的子域。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）形象地将其描绘为：“有限元法——Ray—leigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。与求解满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法（往往是很困难的）相比，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。由于有限元法的重要应用，现在已经开发出了许多关于有限元法的通用程序与软件。

与差分法比较，有限元素法的节点配置方式比较灵活，因此适用于处理形状比较复杂的区域。它的边界节点完全处在区域的边界上，从而在边界上可以给出较好的逼近。当边界比较复杂的时候，有限差分法是很难处理的，而且误差也较大，有限元素法还可以根据具体情况的需要，在一部分求解区域中配置较密的节点，而在另一部分求解区域中配置较稀疏的节点，以便在尽量不增加过多的节点总数下，提高计算精度，这些长处是有限差分法很难实现的。当然，差分法采用直交网格，列计算格式比较简便，而有限元素法由于节点配置比较任意，列计算格式就要复杂得多，不过这些计算格式都可以在电子计算机上自动运算。

参考文献：

[1] 沈丰，王辉.电磁散射问题中的频域有限元算法[J].通信技术，2011，（3）.

[2] 陈杰夫，郑长良，钟万勰.电磁波导的奇异元与对偶有限元分析[J].计算力学学报，2007，（2）.

[3] 帅词俊，段吉安，王炯，等.光纤耦合器熔融拉锥粘弹性建模与分析[J].中南大学学报（自然科学版），2006，（1）.

[4] 郑成博，刘彬，王作君，等.电动力学电磁场边值问题的广义变分原理[J].应用数学和力学，2010，（4）.

第7篇：量子计算的基本原理范文

【关键词】超声波；测距；定位

1.前言

本设计的主要应用是eBeam白板，该系统是通过吸附于普通白板左右上角的两个接受器接受并传送白板笔在书写时发出的超声波至本地计算机，从而将写于白板的任何笔迹及现场声音记录于本地计算机，并可通过internet及时传送给远端计算机。

2.总体方案设计

本设计采用超声波发生与接收一体的装置，通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后计算出相应的距离。

假设声波室温下在空气中的速度为340米/秒，AT89CC51计算系统与目标间的距离并采用LED将其显示在四位的LED显示器上。距离以米为单位显示，精度为1cm。

本系统由超声波测距系统及定位系统两部分组成。

3.超声波测距系统的设计

3.1 系统概述

单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后计算出相应的距离。

3.2 系统硬件设计

本系统主要电路又单片机主机系统电路、超声波发射、接收电路、LED显示电路。

3.2.1 单片机主机系统电路

本电路由AT89C51主机、时钟、复位电路及报警电路组成。

3.2.2 超声波发射电路

超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头选用CSB40T，可利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。

3.2.3 超声波接收电路

超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波接收电路的作用是对接收的超声波信号进行放大，并将该信号处理成系统可以接收的电平信号。

3.2.4 LED显示电路

常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器（简称LED或数码管）和液晶显示器（简称LCD）。由于系统要显示的内容比较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。

3.3 系统软件设计

本设计采用模块化设计，由主程序、发射子程序、查蟓接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成，软件原理图如图2—1。

3.3.1 系统主程序设计

本设计首先对计时器和计数器进行初始化，将超声波发射端和接受端全部置1，接着检查按键，然后开始进行测量子程序，测量之后再将数据用LED数码管显示出来。

3.3.2 超声波测距程序主程序流程图如图2—2

主程序调用测量子程序，计算子程序，显示子程序完成一个测量周期。

3.3.3 测量子程序流程图如图2—3

4.超声波定位系统的设计

4.1 基本原理

在空间的某些固定位置上设立超声波发射装置，主体上设立接收器（反之亦可）。分别测量主体到各发射点的距离，经过计算后便可得到主体的位置。

根据三角形的稳定性，发生器1和发生器2的距离是固定的，那么如果测出物体到发生器1和发生器2的距离，就可以确定了三角形的三边，那么三角形也就是固定的，从而达到定位的目的。

4.2 系统硬件设计

超声波的定位系统的硬件电路图实际上是由两个超声波测距组合而成，根据一个三角形的三边长度确定，那么这个三角形就确定的原理，从而达到定位的目的，因此我需要两套超声波发生器和两套接收器，并且可选择AT89C51的P2接口当作超声波发射和接收的接口，P1口用来驱动LED数码管，P0接口用作位选。

4.3 系统软件设计（程序流程图如图3—2）

5.结语

本设计描述了一种采用AT89C51超低功耗微控制器的基于超声波的定位系统。该系统不受光线、电磁波、粉尘等的影响，且其精度能达到厘米数量级，设计简单，适用范围广。

附图：系统的电路总图如图5—1。

参考文献

[1]何立民.MCS—51单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.

[2]张毅刚，彭喜源.单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社，2003.

[3]张海涛.基于多超声波传感器的避障系统设计[J].山西科技，2006，3（01）.

[4]赵广涛，程荫杭.基于超声波传感器的测距系统设计[J].微计算机信息，2006，5（01）.

第8篇：量子计算的基本原理范文

Derivation of The Laplace-Operator in Curvilinear Orthogonal Coordinates by Matrix Method

Shen-zhuang Lu

College of Chemistry Leshan Normal college

Abstract The Laplace operator is a second order differential operator often used in theoretical Chemistry applications. The Laplace-operator in curvilinear orthogonal coordinates is derivated by matrix method.

1. 引言

在量子化学中，根据体系得对称性，常采用不同的正交曲线坐标系，如对于原子体系时采用球坐标系，对于双原子分子体系时采用椭球坐标系。在解Schr？idinger方程时需要Laplace算符在相应坐标系得表达式。推导Laplace算符在正交曲线坐标系得表达式通常有三种方法：（1）利用散度的性质[1]；（2）利用外微分形式的方法[2]；（3）使用多元复合函数微分法则[3，4]。前两种方法推导比较简洁，各种正交曲线坐标系Laplace算符采用拉梅系数有统一的表达式，但这两种方法先要介绍散度或外微分形式的概念，学化学的人一般没有学习过这两个概念；第三种方法比较繁琐。本文提出了一种新的方法，利用Jacobi矩阵推导。

2. 正交曲线坐标系Laplace算符的矩阵表达式

3. 球坐标系中的应用

直角坐标系与球坐标系的变换关系为，

4. 结论

本文提出了用矩阵方法推导正交曲线坐标系中的Laplace算符，此方法虽然与使用多元复合函数微分法则推导的量没有减少，但思路清晰，使人能把主要精力放在系数处理上。

参考文献

1. 徐光宪，黎乐民，王德民 量子化学―基本原理和从头计算法（中册） 科学出版社 1999。

2. 郭城 基于外微分形式的一般坐标系下梯度、旋度、散度的统一推导 学园 2011，60-61。

3. 江俊勤 柱面坐标系和球面坐标系中的拉普拉斯算符 广东教育学院学报 2003 23（2） 32-34。

4. 姚久民，石凤良 球坐标系中拉普拉斯算符表达式的推导 唐山师范学院学报 2005 27（5） 67-71。

第9篇：量子计算的基本原理范文

【关键词】 激光原理与技术课程；教学内容；教学方法；实验教学

【中图分类号】G632.010 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）29-00-01

一、教学现状

“激光原理与技术”是应用物理学本科专业的专业课，是一门理论性很强的专业基础课。通过本课程的学习可以为学生今后从事激光技术、光通信、信息处理、红外探测、环境检测、激光医疗诊断和材料加工等方面的相关光学工程研究打下基础。由于该课程物理概念抽象并且理论性强，基础知识面广，不易理解，感到难学，畏难情绪严重，学习这门课程时的兴趣就不如其它普通物理课程；此外，由于学生对激光应用方面的知识了解较少，往往因缺乏感性认识，不能充分体会到该课程的重要性，导致学生在学习中没有一个积极的态度；再次，“激光原理与技术”需要讲授激光的基本原理、基本技术以及激光的应用三部分内容，知识点多，逻辑关系也不像力学、电磁学等那么明显，再加上该课程总的学时数只有32学时，所以大部分学生在学习中会感觉到有些凌乱，理不清头绪，最终导致不能巩固和深化所有的知识点。基于以上问题，如何在教学中合理的处理教学内容以及采取合理的教学方法，做到重点突、详略得当，既要让学生掌握基本原理和基本技术，又要了解激光的具体应用是目前教学过程中急待解决的主要问题。

二、对教学内容适当删减

《激光原理与技术》是一门理论性很强的专业基础课，该课程涉及的基础知识面广，需要应用原子物理、量子力学、热力学统计物理、光学和高等数学等课程的结论和基础，公式繁多、推导复杂、理论抽象，具有较大的难度和深度。要在32学时内完成教学任务，就必须选择合适的教材并且合理的安排教学内容。在教学中我们选择的是上海理工大学陈家璧教授编写的《激光原理及应用》（电子工业出版社）作为教材。这本教材的特点在于内容章节安排合理，知识点覆盖面广，理论体系较为完整，避免过多的理论公式推导和计算，而把重点放在阐明物理概念以及激光输出特性与激光器的参数之问的关系，帮助学生了解和掌握最基本的激光原理和技术，学会如何根据不同应用范围选择合适的激光器。因此这本教材的内容很对工科类的学生的胃口，尤其是具有一定物理基础的应用物理系学生来说所讲授的内容比较容易掌握。我们根据教材的安排将教学内容主要分为三个大的部分：激光的基本原理包括激光的产生条件、激光器的工作原理和激光器的输出特性；激光技术部分包括激光的选模技术、稳频技术、激光束的光束变换，调Q、锁模技术以及激光的内调制、外调制等技术；激光的应用部分主要包括各种常见激光器介绍和激光在不同领域内的应用。关于激光的其他方面的知识将不再安排进课堂教学，主要供学生自学。

三、教学手段多样化

激光原理与技术内容繁多并且教材中包含大量图片，只靠“一支粉笔一张嘴”的教学手段很难在有限的课时内完成教学任务。因此在科技发展的今天，我们必须借助现代化的多媒体教学手段。在教学中通过PPT、Flash以及小电影等多中形式，使学生获得对激光更为直观、感性的认识，增强课程的趣味性和直观性。例如在激光的应用方面，我们通过小电影播放激光雕刻、汽车车身的激光焊接以及激光的医学应用等视频，可以很直接引起学生的兴趣和好奇心，充分调动学生的积极性。在此基础上，教师再具体介绍在不同应用背景下激光器的选择、各项技术参数等知识，这样可以在感性认识的基础之上更好的掌握激光器的主要知识点。

此外，在教学中将部分教学内容以专题的形式提供给学生，学生通过自己的探索和实践过程中掌握科学研究的方法，在研究中获得知识。例如可以在讲授谐振腔结构对激光输出特性的影响时，在学习了开放式光腔与高斯光束、激光振荡特性章节内容后，结合具体的激光器He―Ne气体激光器，让学生探索腔型结构对He―Ne气体激光器激光输出性能的影响和高斯光束聚焦特性的研究以及振腔设计和激光输出特性测试等工作。通过专题研究，有效地促进了在教学活动中培养学生具有能从物理学的角度对激光有深入的理解的能力，使学生对“激光原理”的学习有了感性认识，将被动的接受变为主动的获取，并启发他们做一些创新性科学研究，培养本科生敢于开辟激光应用新领域的开拓精神，解决学生对激光物理知识内容的深入理解与创新思维之间的联系。在此基础上，还可以选拔出优秀的学生，让他们参与到教师的科研项目和研究中，开展初步的科学研究和探索，以此提高优秀本科生的创新思维发展、理论学习和实践相结合的能力。

四、注重实验教学

激光原理实验是“激光原理与技术”教学的重要组成部分，让学生接触真正的激光器，并在实验中通过练习掌握调试、测试激光器的各种方法，可以帮助学生真正理解激光理论、认识和应用激光器，在教学过程中必须两者兼顾，不可偏废。可见激光原理实验对于帮助学生真正掌握这门课程无疑是有重要意义。因此在教学中必须开设能够涵盖理论课涉及到的主要原理、技术和应用方面的基础性实验，如激光器谐振腔设计、调整、横模观察、发散角测量、纵模间隔测量（He―Ne）和半导体激光器特性（GaAs）以及半导体激光器在通讯领域内的应用等实验。通过这些实验的教学，提高了学生的学习兴趣，进而增加了学生的学习积极性，培养了学生观察问题、思考问题、解决问题的能力，也促进了理论教学质量的提高。在实验条件允许的条件下，还可以开展一些设计性、研究性实验，如研究激光与原子、分子的相互作用、激光在化学反应动力学的应用等方面的实验。当然，这要根据学校自身条件和教师科研情况自行决定，总的目标是培养学生的创新思维和分析、解决问题的能力以及初步的科研能力。

五、结语

根据对《激光原理与技术》课程教学现状的分析，从教学内容、教学方法和实验教学三个方面探讨了“激光原理与技术”课程改革的一些想法和体会。在教学内容上要合理删减，突出重点，将最基本的原理和技术传授给学生；在教学方法上要结合多媒体教学，利用生动的动画、影视等使课程形象、生动，并且激发学生的学习兴趣和学习的主动性；实验教学是该课程的重要一环，既要加强基础实验教学也要开设一些设计研究型实验，培养学生的探索精神和创新能力。

参考文献

[1]陈家璧，彭润玲主编.激光原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]周炳琨，高以智，陈倜嵘等.激光原理（第6版）[M].北京：国防工业出版社，2009