時(shí)間：2023-05-30 10:00:28
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇量子科學(xué)應(yīng)用，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞: 《量子力學(xué)》 物理圖像 創(chuàng)新思維 培養(yǎng)
《量子力學(xué)》是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程,其教學(xué)質(zhì)量的高低不僅影響到其他后續(xù)課程的學(xué)習(xí),而且直接影響到物理學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。衡量物理教學(xué)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該有三個(gè)維度,一是知識(shí)與技能維度,二是物理思想和方法論維度,三是物理品格維度。過(guò)去的教學(xué),我們往往過(guò)多地重視第一維度,而忽視第二、第三個(gè)維度。在量子力學(xué)教學(xué)中,我們結(jié)合量子力學(xué)及其發(fā)展歷史所涵含的豐富的物理思想與方法,開(kāi)展了學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐研究。
一、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求
考慮到培養(yǎng)21世紀(jì)需要的應(yīng)用型人才目標(biāo)的要求,而且結(jié)合新建本科院校的課程設(shè)置的特點(diǎn),《量子力學(xué)》課程的教學(xué)方法和教學(xué)體系建設(shè)應(yīng)從以下兩方面著手:一方面,著重量子力學(xué)概念、規(guī)律和物理思想的展現(xiàn),使學(xué)生在知識(shí)層面上夠用并且能用,并注意科學(xué)人文精神的闡發(fā),為進(jìn)行物理素質(zhì)教育與物理教學(xué)研究提供量子力學(xué)方面的科學(xué)素養(yǎng),如勇于創(chuàng)新、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)取Ａ硪环矫?培養(yǎng)學(xué)生建立正確的量子力學(xué)概念和物理圖像,掌握基本規(guī)律,廣泛了解量子力學(xué)在推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步方面的作用,開(kāi)拓思路,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理規(guī)律解決應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題的能力。
二、《量子力學(xué)》教學(xué)中創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)
根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo),我們一直致力于探索一套合適的物理學(xué)專(zhuān)業(yè)量子力學(xué)課程教學(xué)的共享數(shù)字化教學(xué)體系,創(chuàng)建完整的教學(xué)資源,力求使學(xué)生在學(xué)習(xí)這門(mén)課程的同時(shí)受到實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。相應(yīng)措施主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。
(一)創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)情景,以實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐為基礎(chǔ)深化量子力學(xué)的原理。
由于量子力學(xué)主要研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,理論太抽象,許多量子現(xiàn)象和日常的生活經(jīng)驗(yàn)不符合甚至相違背,因此在教學(xué)中教師必須強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)首先是一門(mén)試驗(yàn)性的科學(xué),應(yīng)從實(shí)驗(yàn)事實(shí)去推理分析,不直接與主觀經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系,并時(shí)時(shí)將新的概念和結(jié)論與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)果作比較,使學(xué)生能正確理解量子力學(xué)的基本概念,從而學(xué)會(huì)處理具體問(wèn)題的方法,掌握量子力學(xué)的精髓。在講述量子力學(xué)基本內(nèi)容的時(shí)候,尋找合適的接口與量子力學(xué)原理在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用相聯(lián)系。通過(guò)這兩方面的著重討論,學(xué)生能感受到量子力學(xué)的抽象原理是實(shí)實(shí)在在的、來(lái)源于實(shí)踐又回到實(shí)踐中得到檢驗(yàn)的、正確的理論。
量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)從可操作的層面上可大致分為三類(lèi),一類(lèi)是僅存在于人們想象中或目前還不能實(shí)現(xiàn)的理想實(shí)驗(yàn),一類(lèi)是在高水平的實(shí)驗(yàn)室中可以實(shí)現(xiàn)的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn),一類(lèi)是我們讓學(xué)生自己動(dòng)手做的有關(guān)教學(xué)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。但無(wú)論何種實(shí)驗(yàn),我們都可以利用多媒體技術(shù)在課堂上將其生動(dòng)形象的展現(xiàn)出來(lái),讓學(xué)生不僅深刻認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)在量子力學(xué)發(fā)展中的重要作用,而且培養(yǎng)用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和驗(yàn)證假說(shuō)的能力。例如在講解物質(zhì)粒子的波粒二象性時(shí),我們用多媒體課件演示單電子衍射實(shí)驗(yàn)。單電子發(fā)射時(shí),在熒屏上出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn),說(shuō)明電子的粒子性;再發(fā)射大量電子,屏幕上出衍射條紋,說(shuō)明了電子的波動(dòng)性。這樣,難以講解清楚的知識(shí)變得生動(dòng)活潑,使學(xué)生能更快地理解所學(xué)的知識(shí),且加深了學(xué)生的認(rèn)知印象,大大提高了學(xué)習(xí)效率。
(二)充分利用現(xiàn)代媒體的作用,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造興趣。
以電腦和互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)已演變?yōu)槔^傳統(tǒng)媒體后的“現(xiàn)代媒體”。現(xiàn)代媒體將為教學(xué)過(guò)程提供新的教學(xué)手段,并為培養(yǎng)創(chuàng)新人才奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),學(xué)生可以突破傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空限制,不但可以享受本校教學(xué)資源,而且可以享受到全國(guó)高水平的教學(xué)資源,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享,也為各學(xué)校的師生討論交流提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。
對(duì)于《量子力學(xué)》這樣一門(mén)抽象的理論課,多媒體技術(shù)將圖、文、聲、像等各種教學(xué)信息有機(jī)的組合在一起,直觀、形象、生動(dòng),即使對(duì)那些比較抽象,難以理解的理論和日常看不到或拍攝不到的情景,也可以通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)虛擬實(shí)現(xiàn)。多媒體豐富的表現(xiàn)力不僅能打破人類(lèi)視覺(jué)上的樊籬,使得學(xué)生從科學(xué)與藝術(shù)相融的視覺(jué)信息中感知抽象、復(fù)雜的理論,而且能引發(fā)學(xué)生無(wú)限的遐想,極大地激發(fā)了他們的想象力。學(xué)生的思維高度活躍從而激發(fā)創(chuàng)新火花。
(三)密切結(jié)合當(dāng)前的科技前沿和高新技術(shù),將量子力學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。
量子力學(xué)在各學(xué)科中已經(jīng)有很多成功的應(yīng)用并催生了許多交叉學(xué)科及現(xiàn)代高新技術(shù)的產(chǎn)生。在教學(xué)中,教師應(yīng)盡可能進(jìn)行知識(shí)的滲透和遷移,及時(shí)將當(dāng)前與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入到教學(xué)中,一些知識(shí)可以作為簡(jiǎn)單的介紹,也可以就某個(gè)方面詳細(xì)分析,闡明其量子力學(xué)原理。例如量子力學(xué)與非線性科學(xué)的關(guān)系,量子理論在耗散系統(tǒng)、納米技術(shù)、分子生物學(xué)中的應(yīng)用,量子力學(xué)與正在研究的量子計(jì)算機(jī)、量子保密通信的關(guān)系,等等。在教學(xué)中教師適當(dāng)?shù)卮┎暹@些知識(shí),既不會(huì)花費(fèi)太多的時(shí)間,又能使教學(xué)更生動(dòng)、易于理解,而且可使學(xué)生開(kāi)拓視野,活躍思維,激發(fā)興趣。這樣學(xué)生不僅可以學(xué)到運(yùn)用基礎(chǔ)理論指導(dǎo)科學(xué)研究的方法,而且可以克服原有的“量子力學(xué)就是一種純理論的學(xué)科”的片面認(rèn)識(shí)。如我們?cè)谥v解一維無(wú)限深勢(shì)阱時(shí),將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一現(xiàn)代科學(xué)的前沿相聯(lián)系;在講解隧道效應(yīng)時(shí),將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系,進(jìn)而可以介紹掃描探針操縱單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)。我們通過(guò)這種方式使學(xué)生對(duì)這一部分的知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí),從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味。
參考文獻(xiàn):
[1]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].物理,2000,(7).
[2]錢(qián)伯初.我的教學(xué)生涯[C].2003.
[3]謝希德.創(chuàng)造學(xué)習(xí)的新思路[N].人民日?qǐng)?bào),1998-12-25,(10).
關(guān)鍵詞：智能信息處理技術(shù)；量子計(jì)算智能導(dǎo)論；教學(xué)實(shí)踐
人類(lèi)正被數(shù)據(jù)淹沒(méi)，卻饑渴于知識(shí)。面臨浩瀚無(wú)際而被污染的數(shù)據(jù)，人們呼喚從數(shù)據(jù)中來(lái)一個(gè)去粗取精、去偽存真的技術(shù)。而數(shù)據(jù)挖掘就是從大量數(shù)據(jù)中識(shí)別出有效的、新穎的、潛在有用的，以及最終可理解的知識(shí)和模式的高級(jí)操作過(guò)程，所以數(shù)據(jù)挖掘也可以說(shuō)是一個(gè)模式識(shí)別的過(guò)程，因此模式識(shí)別領(lǐng)域的許多技術(shù)經(jīng)過(guò)一定的改進(jìn)便可以在數(shù)據(jù)挖掘中起重要的作用。計(jì)算智能(Computational Intelligence-CI)方法是傳統(tǒng)人工智能(Artificial Intelligence，AI)的擴(kuò)展，它是模式識(shí)別技術(shù)發(fā)展的新階段[1]。
科學(xué)家預(yù)言：“21世紀(jì)，人類(lèi)將從經(jīng)典信息時(shí)代跨越到量子信息時(shí)代”。創(chuàng)立了一個(gè)世紀(jì)的量子力學(xué)隨著20世紀(jì)90年代與信息科學(xué)交叉融合誕生的量子信息學(xué)，已成為量子信息時(shí)代來(lái)臨的重要標(biāo)志[2]。量子計(jì)算智能導(dǎo)論作為信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能信息處理、人工智能等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生專(zhuān)業(yè)課程，已經(jīng)在越來(lái)越多的高等學(xué)校開(kāi)設(shè)。
由于量子計(jì)算智能是一門(mén)跨越包括物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子機(jī)械、通訊、生理學(xué)、進(jìn)化理論和心理學(xué)等學(xué)科在內(nèi)的深?yuàn)W科學(xué)，因此量子計(jì)算智能導(dǎo)論的教學(xué)內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)的安排目前仍處在探索階段，尤其作為研究生課程如何使得學(xué)生在掌握深?yuàn)W理論的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，將理論轉(zhuǎn)化為技術(shù)與工具，從而提高動(dòng)手能力，這是每個(gè)研究生專(zhuān)業(yè)課任課老師的核心探索所在，因此就要求老師在授業(yè)解惑的同時(shí)關(guān)注前沿，以該學(xué)科的前沿領(lǐng)域?yàn)榻虒W(xué)指引，進(jìn)而更好的培養(yǎng)研究生主動(dòng)探索知識(shí)的能力。
1教材選擇
一本好的教材為教學(xué)起到了畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用，因此教材的選擇即是老師對(duì)教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法的選擇。我們選擇教材，期望該教材由淺入深、深入淺出、可讀性好，具有系統(tǒng)性、交叉性、前沿性等特點(diǎn)。由于量子計(jì)算智能導(dǎo)論為全校研究生的專(zhuān)業(yè)課程，而量子計(jì)算智能是一門(mén)多學(xué)科交叉的綜合型學(xué)科，因此我們要考慮到來(lái)自學(xué)校不同專(zhuān)業(yè)背景，以及在物理，數(shù)學(xué)，工程優(yōu)化和進(jìn)化理論基礎(chǔ)有限的兩難困境，所以首先選擇了一本關(guān)于量子計(jì)算的英文原版書(shū)作為教材之一，Michael Nielsen等人所著的《Quantum Computation and Quantum Information》[3]，2003年高等教育出版社出版，該書(shū)全面介紹了量子計(jì)算與量子信息學(xué)領(lǐng)域的主要思想與技術(shù)。到目前為止，該領(lǐng)域的高速進(jìn)展與學(xué)科交叉的特性使得初學(xué)者感到困惑而不易對(duì)其主要技術(shù)與結(jié)論有綜合性的認(rèn)識(shí)，而該書(shū)特色在于對(duì)量子機(jī)制和計(jì)算機(jī)科學(xué)給予了指導(dǎo)性介紹，使得那些沒(méi)有物理學(xué)或計(jì)算機(jī)科學(xué)背景的學(xué)生對(duì)此也易于接受，為學(xué)生提供了詳實(shí)的關(guān)于量子計(jì)算的物理原理和基本概念；另外考慮到這門(mén)課程面向研究生，無(wú)論將來(lái)他們是直接就業(yè)還是繼續(xù)深造，都要注重實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，要能夠?qū)⒆约核鶎W(xué)的書(shū)本知識(shí)轉(zhuǎn)化為技術(shù)和工具，去解決實(shí)際的工程和科研問(wèn)題，因此我們還選擇了另外一門(mén)書(shū)，由李士勇教授所著的《量子計(jì)算與量子優(yōu)化算法》[4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社于2009年出版，該書(shū)著重講解了量子優(yōu)化算法，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了新的思路，并啟發(fā)大家在量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有走出實(shí)驗(yàn)室的今天，如何利用現(xiàn)有的數(shù)字式計(jì)算機(jī)構(gòu)造具有量子特性的快速算法。當(dāng)然考慮到全校研究生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)背景不同，我們也推薦了中南大學(xué)蔡自興教授等編著，2004年由清華大學(xué)出版社出版的《人工智能及其應(yīng)用：研究生用書(shū)(第三版)》[5]，該書(shū)是蔡自興為主講教授的國(guó)家精品課程人工智能的配套教材，該本書(shū)中系統(tǒng)全面的講解了高級(jí)知識(shí)推理、分布式人工智能與艾真體、計(jì)算智能、進(jìn)化計(jì)算、群智能優(yōu)化、自然計(jì)算、免疫計(jì)算以及知識(shí)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘等近年的熱點(diǎn)智能方法，從而輔助學(xué)生了解人工智能，以及人工智能如何發(fā)展到計(jì)算智能，使得學(xué)生全面認(rèn)識(shí)學(xué)科的發(fā)展和傳承性，為今后學(xué)習(xí)量子計(jì)算智能打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
2教學(xué)內(nèi)容
本課程從量子計(jì)算的基本概念和原理出發(fā)，重點(diǎn)講解量子計(jì)算基礎(chǔ)和基本的量子算法；并從量子優(yōu)化算法拓展開(kāi)來(lái)。該門(mén)課程我們安排了46學(xué)時(shí)，具體安排如下：第1章，量子力學(xué)基礎(chǔ)(2學(xué)時(shí))；第2章，量子計(jì)算基礎(chǔ)(4學(xué)時(shí))；第3章，基本量子算法(4學(xué)時(shí))；第4章，Grover量子搜索算法的改進(jìn)(4學(xué)時(shí))；第5章，量子遺傳算法(8學(xué)時(shí))；第6章，量子群智能優(yōu)化算法(8學(xué)時(shí))；第7章，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與算法(8學(xué)時(shí))；第8章，量子遺傳算法在模糊神經(jīng)控制中的應(yīng)用(8學(xué)時(shí))。
3教學(xué)方法
3.1理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法
量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門(mén)多學(xué)科交叉的綜合型學(xué)科。選課的同學(xué)來(lái)自全校，各個(gè)的專(zhuān)業(yè)背景不同，但是大家的共同需求是一樣的，就是從課程中掌握一種用于解決實(shí)際問(wèn)題的工程技術(shù)，但是工程技術(shù)的掌握也需要理論的支撐，因此我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中總結(jié)出了一套方法，具體做法是將教學(xué)內(nèi)容劃分為：理論型和實(shí)踐型。
理論型教學(xué)指的是發(fā)展完善的量子計(jì)算基本原理和方法。其內(nèi)容包括：量子位、量子線路、量子Fourier 變換、量子搜索算法和量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)等。而其中量子位、量子線路以及量子算法都是以量子相對(duì)論為基礎(chǔ)的，這也是量子計(jì)算的本質(zhì)原理，而較之我們熟悉的數(shù)字式計(jì)算機(jī)和計(jì)算方式有著本質(zhì)的區(qū)別。我們?cè)诮虒W(xué)中由淺入深，通過(guò)PPT授課，采取理論與實(shí)例相結(jié)合的講授方式。下面給出了一個(gè)我們?cè)诮虒W(xué)中的實(shí)例：將量子計(jì)算問(wèn)題形象化。具體內(nèi)容如下。
讓我們想象一下下面這個(gè)問(wèn)題。我們要找一條穿過(guò)復(fù)雜迷宮的路。每次我們沿著一條路走，很快就會(huì)碰到新的岔路。即使知道出去的路，還是容易迷路。換句話說(shuō)，有一個(gè)著名的走迷宮算法就是右手法則――順著右手邊的墻走，直到出去(包括繞過(guò)絕路)。這條路也許并不很短，但是至少您不會(huì)反復(fù)走相同的過(guò)道。以計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)表述，這條規(guī)則也可以稱作遞歸樹(shù)下行。現(xiàn)在讓我們想象另外一種解決方案。站在迷宮入口，釋放足夠數(shù)量的著色氣體，以同時(shí)充滿迷宮的每條過(guò)道。讓一位合作者站在出口處。當(dāng)她看到一縷著色氣體出來(lái)時(shí)，就向那些氣體粒子詢問(wèn)它們走過(guò)的路徑。她詢問(wèn)的第一個(gè)粒子走過(guò)的路徑最有可能是穿過(guò)迷宮的所有可能路徑中最短的一條。當(dāng)然，氣體顆粒絕不會(huì)給我們講述它們的旅行。但是 量子算法以一種同我們的方案非常類(lèi)似的方式運(yùn)作。即，量子算法先把整個(gè)問(wèn)題空間填滿，然后只需費(fèi)心去問(wèn)問(wèn)正確的解決方案(把所有的絕路排除在答案空間以外)。這樣以來(lái)，一個(gè)枯燥晦澀的量子算法就被很形象的解釋?zhuān)虼嗽鰪?qiáng)了學(xué)生的記憶也加深了理解，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
實(shí)踐型教學(xué)指的是正在發(fā)展中的量子計(jì)算智能方法的熱點(diǎn)問(wèn)題。其內(nèi)容包括：量子遺傳算法，混沌量子免疫算法，量子蟻群算法，量子粒子群算法，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與算法，和這些算法在實(shí)際工程優(yōu)化中的應(yīng)用。這部分內(nèi)容屬于本學(xué)科的前沿，但也是熱點(diǎn)問(wèn)題，因此這部分我們?cè)诮虒W(xué)中忽略理論推導(dǎo)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實(shí)際操作，在PPT課件中增加仿真實(shí)例的講解；并在課下布置相應(yīng)的上機(jī)操作習(xí)題，配合上機(jī)實(shí)踐課程，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)也引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注這些前沿，從而培養(yǎng)他們的科研素養(yǎng)。
為了體現(xiàn)該門(mén)課的教學(xué)特點(diǎn)，我們?cè)诳己朔绞缴希扇】荚嚺c報(bào)告相結(jié)合的方式，其中理論部分我們采取閉卷考試，占總考評(píng)分?jǐn)?shù)的40%；實(shí)踐部分采取上機(jī)技術(shù)報(bào)告考核，內(nèi)容為上機(jī)實(shí)踐課程布置的大作業(yè)，給出詳實(shí)的算法流程圖和仿真結(jié)果與分析，占總考評(píng)分?jǐn)?shù)的40%；出勤率占總考評(píng)分?jǐn)?shù)的20%。
3.2科研素養(yǎng)的培養(yǎng)與實(shí)踐能力的提高
科研素養(yǎng)的最核心部分，就是一個(gè)人對(duì)待科研情感態(tài)度和價(jià)值觀，科研素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅使學(xué)生獲得知識(shí)和技能，更重要的是使其獲得科學(xué)思想、科學(xué)精神和科學(xué)方法的熏陶和培養(yǎng)。正如溫總理說(shuō)的那樣：“教是為了不教，學(xué)是為了會(huì)學(xué)”，當(dāng)學(xué)生將課本內(nèi)容遺忘后，遺留下來(lái)的東西即是他們所具備的科研素養(yǎng)。因此，在教學(xué)中，我們的宗旨也是提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門(mén)理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的學(xué)科，該學(xué)科的發(fā)展日新月異，在信息處理領(lǐng)域的關(guān)注度也越來(lái)越高。在教學(xué)實(shí)踐中，我們采用了上機(jī)實(shí)踐和技術(shù)報(bào)告相結(jié)合的教學(xué)方式。掌握各種量子計(jì)算智能方法的原理和流程是這門(mén)課程教學(xué)的首要任務(wù)，因此學(xué)生結(jié)合各自研究方向?qū)崿F(xiàn)量子智能算法在實(shí)際科研任務(wù)中的優(yōu)化問(wèn)題求解。在上機(jī)實(shí)踐中，學(xué)生不僅要掌握該智能算法的流程而且重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)
自己科研任務(wù)的建模，學(xué)會(huì)系統(tǒng)分析問(wèn)題，建立合理的數(shù)學(xué)模型，并給出理論分析。上機(jī)實(shí)踐驗(yàn)收中，我們不但考察其結(jié)果展示，更增加了上機(jī)實(shí)踐的技術(shù)報(bào)告，用來(lái)分析模型建立的合理性，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)待科研問(wèn)題的分析素養(yǎng)和建模素養(yǎng)。在技術(shù)報(bào)告中，我們要求學(xué)生給出幾種可供參考的建模模型，并分析各自的優(yōu)勢(shì)，和選擇這一解決方案的依據(jù)。由于量子計(jì)算智能導(dǎo)論是面向研究生開(kāi)設(shè)的課程，在教學(xué)中，我們更佳關(guān)注其分析問(wèn)題的能力，和解決問(wèn)題的合理性的思考能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。
4結(jié)語(yǔ)
把教學(xué)當(dāng)做一門(mén)藝術(shù)，是我們作為高校老師畢生追求的目標(biāo)，如何做到重點(diǎn)講透，難點(diǎn)講通，要點(diǎn)講清，這也是我們多年教學(xué)中一直關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)。我們?cè)诮虒W(xué)中反對(duì)“灌輸式”，強(qiáng)調(diào)“啟發(fā)式”，以實(shí)際應(yīng)用先導(dǎo)教學(xué)是非常可取的，也收到了良好的效果。量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門(mén)綜合型交叉學(xué)科，且面向研究生開(kāi)設(shè)，因此在教學(xué)實(shí)踐中，我們十分重視學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。通過(guò)上機(jī)實(shí)踐和技術(shù)報(bào)告的形式引導(dǎo)學(xué)生積極動(dòng)手，積極思考。希望這些教學(xué)中的點(diǎn)滴供同行們交流探討。
參考文獻(xiàn)：
[1] 焦李成,劉芳,緱水平,等. 智能數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.
[2] 田新華. 跟蹤國(guó)際學(xué)術(shù)前沿迎接量子信息時(shí)代:《量子計(jì)算與量子優(yōu)化算法》評(píng)介[J]. 科技導(dǎo)報(bào),2010,28(6):122.
[3]Michael A. Nielsen ,Isaac L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information [M]. 北京:高等教育出版社,2003.
[4] 李士勇,李盼池. 量子計(jì)算與量子優(yōu)化算法[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2009.
[5] 蔡自興,徐光v. 人工智能及其應(yīng)用:研究生用書(shū)[M]. 3版. 北京:清華大學(xué)出版社,2004.
Exploration on Introduction to Quantum Computational Intelligence
LI Yangyang, SHANG Ronghua, JIAO Licheng
(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)
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(wàn)只飛鳥(niǎo)同時(shí)升上天空與萬(wàn)只蝸牛排隊(duì)過(guò)獨(dú)木橋的區(qū)別。
20世紀(jì)70年代，英國(guó)和美國(guó)最早開(kāi)始對(duì)量子計(jì)算的研究。近年來(lái)，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(cè)，未來(lái)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(duì)稱密鑰系統(tǒng)生成的密碼。
面對(duì)量子計(jì)算未來(lái)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(wèn)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(duì)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(guó)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(guó)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(zhēng)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(zhuān)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(chǎng)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(kāi)網(wǎng)絡(luò)的支持。安全可靠的戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)是保證自身作戰(zhàn)體系穩(wěn)定，在體系對(duì)抗中謀取勝勢(shì)的重要前提，而戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)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(zhēng)中投入使用，將與對(duì)手形成巨大的“技術(shù)差”，在保持自身網(wǎng)絡(luò)通信絕對(duì)安全的同時(shí)，可隨時(shí)破譯對(duì)方網(wǎng)絡(luò)通信密碼，洞悉對(duì)手的一舉一動(dòng)，從而占據(jù)絕對(duì)信息優(yōu)勢(shì)，甚至可以直接癱瘓和控制對(duì)方網(wǎng)絡(luò)，由此將置作戰(zhàn)對(duì)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(jiàn)戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)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(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)和主動(dòng)，避免對(duì)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(guó)家軍隊(duì)已把量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來(lái)軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。例如，美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局專(zhuān)門(mén)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(guó)正加速推進(jìn)量子信息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，美國(guó)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(guó)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。
【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算；量子計(jì)算機(jī)；量子算法；量子信息處理
1、引言
在人類(lèi)剛剛跨入21山_紀(jì)的時(shí)刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子計(jì)算機(jī)的誕生。德國(guó)科學(xué)家已在實(shí)驗(yàn)室研制成功5個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，而美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行7個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)。它預(yù)示著人類(lèi)的信息處理技術(shù)將會(huì)再一次發(fā)生巨大的飛躍，而研究面向量子計(jì)算機(jī)以量子計(jì)算為基礎(chǔ)的量子信息處理技術(shù)已成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。
2、子計(jì)算的物理背景
任何計(jì)算裝置都是一個(gè)物理系統(tǒng)。量子計(jì)算機(jī)足根據(jù)物理系統(tǒng)的量子力學(xué)性質(zhì)和規(guī)律執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的裝置。量子計(jì)算足以量子計(jì)算目L為背景的計(jì)算。是在量了力。4個(gè)公設(shè)（postulate）下做出的代數(shù)抽象。Feylllilitn認(rèn)為，量子足一種既不具有經(jīng)典耗子性，亦不具有經(jīng)典渡動(dòng)性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級(jí)）的取值的離散性。其離散值之問(wèn)的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學(xué)原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級(jí)。而某個(gè)物理客體（如電子）在另一個(gè)客體（姻原子棱）的離散能級(jí)之間躍遷（transition。粒子在不同能量級(jí)分布中的能級(jí)轉(zhuǎn)移過(guò)程）時(shí)將會(huì)吸收或發(fā)出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發(fā)生躍遷的兩個(gè)能級(jí)的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問(wèn)產(chǎn)生了一個(gè)相互溝通和轉(zhuǎn)化的橋梁；愛(ài)因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系也提示了物質(zhì)和能量在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的因此。量子的這兩種定義方式是對(duì)市統(tǒng)并可以相互轉(zhuǎn)化的。量子的某些獨(dú)特的性質(zhì)為量了計(jì)算的優(yōu)越性提供了基礎(chǔ)。
3、量子計(jì)算機(jī)的特征
量子計(jì)算機(jī)，首先是能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器，是以原子量子態(tài)為記憶單元、開(kāi)關(guān)電路和信息儲(chǔ)存形式，以量子動(dòng)力學(xué)演化為信息傳遞與加工基礎(chǔ)的量子通訊與量子計(jì)算，是指組成計(jì)算機(jī)硬件的各種元件達(dá)到原子級(jí)尺寸，其體積不到現(xiàn)在同類(lèi)元件的1%。量子計(jì)算機(jī)是一物理系統(tǒng)，它能存儲(chǔ)和處理關(guān)于量子力學(xué)變量的信息。量子計(jì)算機(jī)遵從的基本原理是量子力學(xué)原理：量子力學(xué)變量的分立特性、態(tài)迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學(xué)變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲(chǔ)、寫(xiě)入、讀出信息，信息的一個(gè)量子位是一個(gè)二能級(jí)（或二態(tài)）系統(tǒng)，所以一個(gè)量子位可用一自旋為1/2的粒子來(lái)表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個(gè)極化方向來(lái)表示0和1；或用一原子的基態(tài)代表0第一激發(fā)態(tài)代表1。就是說(shuō)在量子計(jì)算機(jī)中，量子信息是存儲(chǔ)在單個(gè)的自旋’、光子或原子上的。對(duì)光子來(lái)說(shuō)，可以利用Kerr非線性作用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)一光束使之線性極化，以獲取寫(xiě)入、讀出；對(duì)自旋來(lái)說(shuō)，則是把電子（或核）置于磁場(chǎng)中，通過(guò)磁共振技術(shù)來(lái)獲取量子信息的讀出、寫(xiě)入；而寫(xiě)入和讀出一個(gè)原子存儲(chǔ)的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來(lái)完成的。量子計(jì)算機(jī)使用兩個(gè)量子寄存器，第一個(gè)為輸入寄存器，第二個(gè)為輸出寄存器。函數(shù)的演化由幺正演化算符通過(guò)量子邏輯門(mén)的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。單量子位算符實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子位的翻轉(zhuǎn)。兩量子位算符，其中一個(gè)是控制位，它確定在什么情況下目標(biāo)位才發(fā)生改變；另一個(gè)是目標(biāo)位，它確定目標(biāo)位如何改變；翻轉(zhuǎn)或相位移動(dòng)。還有多位量子邏輯門(mén)，種類(lèi)很多。要說(shuō)清楚量子計(jì)算，首先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行交換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有如下特點(diǎn)：
a）其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號(hào)，用量子力學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述，也即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。如輸入二進(jìn)制序列0110110，用量子記號(hào)，即10110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。
b）經(jīng)典計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步變換都將正交態(tài)演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒(méi)有這個(gè)性質(zhì)，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的變換（或計(jì)算）只對(duì)應(yīng)一類(lèi)特殊集。
相應(yīng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的以上兩個(gè)限制，量子計(jì)算機(jī)分別作了推廣。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)的量子系統(tǒng)來(lái)描述，如二能級(jí)系統(tǒng)（稱為量子比特），量子計(jì)算機(jī)的變換（即量子計(jì)算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)為：
a）量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；
b）量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計(jì)算機(jī)對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量，給出計(jì)算結(jié)果。由此可見(jiàn)，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類(lèi)特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和相干性。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來(lái)，給出量子計(jì)算的輸出結(jié)果。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，量子并行處理大大提高了量子計(jì)算機(jī)的效率，使得其可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的工作，這是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性之一。
4、量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用
量子計(jì)算機(jī)驚人的運(yùn)算能使其能夠應(yīng)用于電子、航空、航人、人文、地質(zhì)、生物、材料等幾乎各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，尤其是信息領(lǐng)域更是迫切需要量子計(jì)算機(jī)來(lái)完成大量數(shù)據(jù)處理的工作。信息技術(shù)與量子計(jì)算必然走向結(jié)合，形成新興的量子信息處理技術(shù)。目前，在信息技術(shù)領(lǐng)域有許多理論上非常有效的信息處理方法和技術(shù)，由于運(yùn)算量龐大，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性差，不能滿足實(shí)際需要，因此制約了信息技術(shù)的發(fā)展。量子計(jì)算機(jī)自然成為繼續(xù)推動(dòng)計(jì)算速度提高，進(jìn)而引導(dǎo)各個(gè)學(xué)科全面進(jìn)步的有效途徑之一。在目前量子計(jì)算機(jī)還未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的情況下，深入地研究量子算法是量子信息處理領(lǐng)域中的主要發(fā)展方向，其研究重點(diǎn)有以下三個(gè)方面；
（1）深刻領(lǐng)悟現(xiàn)有量子算法的木質(zhì)，從中提取能夠完成特定功能的量子算法模塊，用其代替經(jīng)典算法中的相應(yīng)部分，以便盡可能地減少現(xiàn)有算法的運(yùn)算量；
（2）以現(xiàn)有的量子算法為基礎(chǔ)，著手研究新型的應(yīng)用面更廣的信息處理量子算法；
（3）利用現(xiàn)有的計(jì)算條件，盡量模擬量子計(jì)算機(jī)的真實(shí)運(yùn)算環(huán)境，用來(lái)驗(yàn)證和開(kāi)發(fā)新的算法。
5、量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景
目前經(jīng)典的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，解決很多難題。但依然存在一些難解問(wèn)題，它們的計(jì)算需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，以致在宇宙時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成。量子計(jì)算研究的一個(gè)重要方向就是致力于這類(lèi)問(wèn)題的量子算法研究。量子計(jì)算機(jī)首先可用于因子分解。因子分解對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言是難解問(wèn)題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎(chǔ)。按照Shor的量子算法，量子計(jì)算機(jī)能夠以多項(xiàng)式時(shí)間完成大數(shù)質(zhì)因子的分解。量子計(jì)算機(jī)還可用于數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索。1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)Ⅳ的平方根量級(jí)加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經(jīng)典上所謂的NP問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)另一個(gè)重要的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)視覺(jué)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一種通過(guò)二維圖像理解三維世界的結(jié)構(gòu)和特性的人工智能。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)重要領(lǐng)域是圖像處理和模式識(shí)別。由于圖像包含的數(shù)據(jù)量很大，以致不得不對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。這種壓縮必然會(huì)損失一部分原始信息。
作者簡(jiǎn)介：
賽迪智庫(kù)網(wǎng)絡(luò)空間研究所認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的成熟和大規(guī)模應(yīng)用還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但我們必須著眼未來(lái)，做好以下工作：持續(xù)跟蹤和支持量子計(jì)算機(jī)研究，推動(dòng)形成商業(yè)化量子計(jì)算機(jī)研究機(jī)制，積極應(yīng)對(duì)專(zhuān)用量子計(jì)算C沖擊。
量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展顯著
量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)的疊加原理和量子糾纏等性質(zhì)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的計(jì)算機(jī)，在密碼學(xué)、科學(xué)模擬、大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，具有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
歐美科學(xué)界和企業(yè)界不斷加大投入，并有了重大進(jìn)展。一是研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)投入力度不斷加大。微軟研究院2012年成立了量子體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算研究組；谷歌公司與美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）于2013 年聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室。此外，歐盟2016年4月宣布，將于2018年啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目；澳大利亞政府2016 年4 月宣布，將在澳大利亞量子計(jì)算與通信技術(shù)中心成立量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步加大對(duì)半導(dǎo)體硅基量子芯片等研究的集中投入。
二是取得了一系列重大突破。在量子芯片方面，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校實(shí)現(xiàn)了9量子比特的超導(dǎo)量子芯片，新南威爾士大學(xué)實(shí)現(xiàn)了2量子比特的硅基半導(dǎo)體量子芯片，牛津大學(xué)實(shí)現(xiàn)了5量子比特的離子阱量子芯片。
在量子計(jì)算機(jī)方面，谷歌于2015年推出了聲稱比其它計(jì)算機(jī)快1億倍的量子退火機(jī)D-Wave；IBM于2016年5月了5超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，谷歌和西班牙巴斯克大學(xué)于2016 年6 月公布了具有9超導(dǎo)量子比特的模擬量子計(jì)算機(jī)，馬里蘭大學(xué)與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院于2016年8月了5個(gè)量子比特的可編程量子計(jì)算機(jī)。
目前我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域部分研究成果已達(dá)到國(guó)際一流水平，但總體上基礎(chǔ)較為薄弱，與歐美等國(guó)家和地區(qū)仍有一定差距。
量子計(jì)算機(jī)距離可用仍有較大距離
雖然在研究方面取得了較大進(jìn)展，但量子計(jì)算機(jī)在理論層面和物理實(shí)現(xiàn)方面均面臨諸多難題，距離可用仍有很長(zhǎng)的路要走。
在理論層面，量子計(jì)算機(jī)需要特定的量子算法才能發(fā)揮強(qiáng)大性能，但并不是所有的計(jì)算都可以用量子算法加速，類(lèi)似Shor算法（用于大數(shù)質(zhì)因子分解）和Grover 算法（用于無(wú)序數(shù)據(jù)庫(kù)搜索）等完全超越傳統(tǒng)算法的仍較少。
在物理實(shí)現(xiàn)層面，科學(xué)家普遍認(rèn)為，可用的量子計(jì)算機(jī)至少應(yīng)具有幾十個(gè)以上的量子比特、比特邏輯門(mén)的保真度達(dá)到99%，以及操作速度和退相干時(shí)間在合理范圍，但目前國(guó)際最先進(jìn)的水平都未達(dá)到這一要求。與此同時(shí)，量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環(huán)境變化都可能對(duì)其造成破壞性影響，量子計(jì)算機(jī)的核心部件通常處于比太空更加寒冷的密封極低溫環(huán)境中。
量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用將產(chǎn)生巨大影響
一、量子計(jì)算機(jī)將影響國(guó)際政治格局。量子計(jì)算技術(shù)關(guān)系到一個(gè)國(guó)家未來(lái)的基礎(chǔ)計(jì)算能力，擁有了這種能力才可能迅速建立起全方位的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)量子信息時(shí)代的國(guó)際發(fā)展。
二、量子計(jì)算機(jī)將顛覆IT產(chǎn)業(yè)格局。一方面，作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的顛覆者，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)會(huì)像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣形成龐大的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，為信息和材料等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟?gòu)V闊空間，帶動(dòng)包括材料、信息、技術(shù)、能源在內(nèi)的一大批產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展。另一方面，量子計(jì)算機(jī)技術(shù)也為IT產(chǎn)業(yè)各參與方提供了彎道超車(chē)的機(jī)會(huì)。
三、量子計(jì)算機(jī)將首先從專(zhuān)用領(lǐng)域取得突破。根據(jù)現(xiàn)有研況，量子計(jì)算機(jī)將首先在密碼、人工智能等專(zhuān)用領(lǐng)域出現(xiàn)，并產(chǎn)生顛覆性影響。
【關(guān)鍵詞】量子通信；量子信息學(xué)；量子信道；光子探測(cè)
1.引言
量子通信是量子力學(xué)和通信科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息論不能完成的信息處理任務(wù)。量子通信以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，其研究包括：量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信等研究方向，對(duì)現(xiàn)有信息技術(shù)帶來(lái)了重大突破，引起了學(xué)術(shù)界高度重視。近年來(lái)，有關(guān)量子計(jì)算機(jī)、量子相干性、量子通信、量子密碼等理論和研究大熱，其中，量子通信作為量子信息研究的內(nèi)容之一，成為物理學(xué)等領(lǐng)域最活躍的研究熱點(diǎn)。量子通信理論上可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信過(guò)程，最初是利用光纖完成的，但由于光纖受地理和自身限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信，不利于全球化量子通信。1993年，6位來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)提出了利用量子隱形傳送方案，構(gòu)建了一種脫離實(shí)物的量子通信系統(tǒng)，以量子態(tài)作為信息載體，通過(guò)量子態(tài)的傳送完成了大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可被破譯的通信技術(shù)。由于存在不可避免的環(huán)境噪聲，量子的糾纏態(tài)品質(zhì)會(huì)隨著傳送距離的增加而變得越來(lái)越差。因此，量子通信不可避免地首先要解決傳輸距離的限制才能具有良好的應(yīng)用前景。空間量子通信技術(shù)利用分發(fā)糾纏光子的方法為遠(yuǎn)程量子通信的研究提供了一種途徑。
2.空間量子通信技術(shù)原理
量子通信具有“容量大、速度快、保密性好”的優(yōu)點(diǎn)，其過(guò)程遵從量子力學(xué)原理。典型的量子通信系統(tǒng)包括：量子態(tài)發(fā)生器、通道和量子測(cè)量裝置。具有量子效應(yīng)的粒子如：光子、電子、原子等，都可以作為實(shí)現(xiàn)量子通信的量子信號(hào)[1]。由于光信號(hào)具有良好的傳輸特性，我們現(xiàn)在通常所說(shuō)的量子通信系統(tǒng)均為量子光通信系統(tǒng)。單光子（糾纏光子對(duì)）的分發(fā)是實(shí)現(xiàn)空間量子通信的前提，空間量子通信技術(shù)可以通過(guò)空間技術(shù)實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信，克服自由空間鏈路帶來(lái)的距離限制，圖1給出了典型量子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成。
使用糾纏量子信號(hào)的量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)是未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)[2]，其原理如下：根據(jù)量子力學(xué)理論，由兩個(gè)光子組成的糾纏光子對(duì)（薛定諤將多體量子狀態(tài)的不可分的相互關(guān)聯(lián)稱為量子糾纏），無(wú)論其在宇宙中相隔多遠(yuǎn)，其狀態(tài)均不可分割。單獨(dú)測(cè)量其中一個(gè)光子狀態(tài)，會(huì)得到完全隨機(jī)的結(jié)果，根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，一旦測(cè)量了其中一個(gè)光子的狀態(tài)，即使其發(fā)生了變化，那么另一個(gè)光子也會(huì)發(fā)生同樣的變化，即“塌縮”到相同的狀態(tài)。利用這一特性，通信者Alice隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)比特，再隨機(jī)改變自己的基來(lái)制備傳輸量子態(tài)，并重復(fù)多次，接收者Bob通過(guò)量子信道進(jìn)行接收，他測(cè)量每個(gè)光子，也隨機(jī)改變自己的基，當(dāng)兩人的基相同時(shí)，就得到了一組互補(bǔ)的隨機(jī)數(shù)。一旦竊聽(tīng)者Eve進(jìn)行竊聽(tīng)，糾纏光子對(duì)的特性就被破壞，Alice和Bob就會(huì)發(fā)覺(jué)，因此利用這種方式的通信是絕對(duì)安全的。
3.量子通信的研究進(jìn)展和趨勢(shì)
人們最初對(duì)量子的研究是基于對(duì)光的研究進(jìn)行的，由于量子通信可以建立無(wú)法被破譯的通信系統(tǒng)，因此受到美國(guó)、歐盟、日本等國(guó)在內(nèi)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)的大力研究和發(fā)展，我國(guó)在這方面的研究成果也受到了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。特別是在量子通信的演示驗(yàn)證試驗(yàn)方面，學(xué)術(shù)界已經(jīng)由地面自由空間傳輸試驗(yàn)向空間傳輸試驗(yàn)發(fā)展[1][3]。
（1）分發(fā)協(xié)議的發(fā)展
1984年，IBM公司的Chales H.Bennet和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Gilles Brassard提出了第一個(gè)分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議[4]。在1992年，他們又提出了EPR協(xié)議，又稱E91協(xié)議，將糾纏態(tài)首次與量子通信聯(lián)系起來(lái)[5]。2002年，Bostrom和Felbinger提出了Ping-pong協(xié)議[6]，這是一個(gè)十分重要的協(xié)議，其信息可以被確定性的直接傳輸，明顯提高了傳輸相率，受到人們的重視。目前所有實(shí)驗(yàn)基本上基于上述協(xié)議進(jìn)行的[7]。
（2）地面自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)進(jìn)展
1993年，美國(guó)IBM公司基于糾纏態(tài)交換的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸距離32cm，傳輸速率10bps，從此拉開(kāi)了量子通信實(shí)驗(yàn)研究的序幕[1]。表1給出了現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外較著名的地面自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)及成果[2][8-10]。
其中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授、清華大學(xué)彭承志教授等人于2005年至2009年間一系列的研究成果表明量子隱態(tài)傳輸穿越大氣層是可行的，糾纏光子在穿透等效于整個(gè)大氣厚度的地面大氣后，其糾纏特性仍可以保持，這為未來(lái)空間量子通信技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[7]。2007年，Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在奧地利兩海島間實(shí)現(xiàn)了跨越144km距離的基于誘騙態(tài)和糾纏態(tài)量子通信，是目前為止自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)距離的世界紀(jì)錄[7]。該實(shí)驗(yàn)的單光子源采用弱相干脈沖[10]，鏈路采用雙向主動(dòng)望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)，包括一臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（可發(fā)送單光子同時(shí)接收信標(biāo)激光信號(hào)）及一架CCD相機(jī)等部件，如圖2所示。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)空間量子通信的重要基石。
由于量子通信的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，許多國(guó)家都把其列入重點(diǎn)研究范圍，縱觀各國(guó)研究現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)，美國(guó)側(cè)重研究量子理論，正在大力研究和發(fā)展量子計(jì)算機(jī)和量子通信的理論和技術(shù)，希望在十年內(nèi)有所突破。歐洲則對(duì)星地量子通信等空間應(yīng)用較感興趣，善于聯(lián)合各國(guó)力量推動(dòng)量子通信技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)已開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。日本則重點(diǎn)致力于提高量子通信傳輸速率，并致力于量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建和研究。我國(guó)目前已經(jīng)在自由空間量子通信上取得了一系列世界領(lǐng)先的科研成果，需要廣大科研人員繼續(xù)努力，保持我國(guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
（3）量子通信在空間的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃
歐空局（ESA）自2002年以來(lái)資助了一系列空間量子通信研究，如QSpace項(xiàng)目（2002年-2003年），ACCOM項(xiàng)目（2004年），QIPS（2005年-2007年）。QSpace項(xiàng)目一來(lái)是為了驗(yàn)證基于量子物理學(xué)的空間通信技術(shù)的可行性，二來(lái)是為了驗(yàn)證空間量子通信較地面量子通信的優(yōu)勢(shì)，如可避免大氣擾動(dòng)和吸收的影響等[11]。為此該項(xiàng)目進(jìn)行了一些列的試驗(yàn)，獲得了空間量子通信四項(xiàng)主要應(yīng)用方向，對(duì)空間量子通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了歸納總結(jié)。ACCOM項(xiàng)目主要包括一個(gè)空-地單向通信實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)基于當(dāng)時(shí)的星間光通信技術(shù)，利用一個(gè)空基發(fā)射機(jī)對(duì)多個(gè)分布式地基接收機(jī)間進(jìn)行自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，首次研發(fā)出了一種可重復(fù)使用光學(xué)收發(fā)終端。該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在經(jīng)典光學(xué)通信系統(tǒng)上進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)后改建的。QIPS項(xiàng)目即為上面描述的Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的144km量子通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，144km地面水平傳輸實(shí)驗(yàn)量子信道傳輸損耗約為25-30dB，這一數(shù)值與低軌衛(wèi)星與地面間傳輸損耗大致相當(dāng)，由此可見(jiàn)，同樣的技術(shù)應(yīng)用于空-地系統(tǒng)更具發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢(shì)。
基于上述研究成果，維也納大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2004年提出了Space-QUEST計(jì)劃。審核該計(jì)劃的ELIPS-2項(xiàng)目組認(rèn)為該計(jì)劃具有非常巨大的優(yōu)勢(shì)并強(qiáng)烈推薦ESA進(jìn)行資助并實(shí)施。Space-QUEST實(shí)驗(yàn)旨在首次驗(yàn)證如下內(nèi)容[11]：
1）基于新型量子通信技術(shù)（QKD）的全球無(wú)條件安全空間信息傳輸技術(shù)。
2）利用空間環(huán)境優(yōu)勢(shì)，突破地基量子通信瓶頸，實(shí)現(xiàn)空間量子通信。
如圖4所示，該計(jì)劃擬采用國(guó)際空間站（ISS）上搭載的量子通信終端設(shè)備向地面發(fā)送糾纏態(tài)光子來(lái)進(jìn)行，搭載的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑僅10-15cm，載荷總重小于100kg，峰值功率小于250W，收發(fā)終端間距離大于1000km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有地基實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳輸距離。該計(jì)劃最終將于2015年實(shí)施完成。
（4）空間量子通信技術(shù)存在的主要問(wèn)題
一是空間量子通信噪聲干擾消除問(wèn)題。由于現(xiàn)實(shí)通訊狀況的不完美和噪聲干擾，所有的量子密碼協(xié)議的噪聲干擾如果跟有竊聽(tīng)者存在所帶來(lái)的噪聲沒(méi)有差別[1]，通信連路是無(wú)法建立起來(lái)的；二是自由空間量子信道的傳輸特性問(wèn)題。不同地面環(huán)境對(duì)光子傳播的影響，包括大氣衰減和退極化效應(yīng)。4.總結(jié)
如上所述，近年來(lái)量子通信由于其安全性引起了研究人員廣泛地興趣，目前在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展，其中量子態(tài)的隱形傳輸，量子網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)正逐步走向?qū)嵱谩Ｕ且驗(yàn)榱孔訐碛袕V袤的實(shí)用前景，各國(guó)均在量子通信技術(shù)方面加大科研投入。但是在降低單光子源成本、加大通信傳輸距離、增強(qiáng)檢測(cè)概率等一些關(guān)鍵性問(wèn)題上還需要進(jìn)一步研究。本文主要闡述了空間量子通信技術(shù)的產(chǎn)生、基本原理、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，并對(duì)空間量子通信技術(shù)存在的問(wèn)題和難點(diǎn)進(jìn)行了介紹。筆者相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，量子通信技術(shù)實(shí)用化、商用化指日可待。
參考文獻(xiàn)
[1]閻毅.自由空間量子通信若干問(wèn)題研究[J].西安電子科技大學(xué)，2009.
[2]CZ Peng，T Yang，et al.Experimental free-space distribution of entangled photon pairs over 13km：towards satellite-based global quantum communication[J].PhysicalReviewLetters，2005（94）.
[3]金賢敏.遠(yuǎn)程量子通信的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.
[4]C.H.Bennett and G.Brassard，in Proc.IEEE Int.Conf.on Computers，Systems and Signal Processing Bangalore，India，pp.175-179.
[5]C.H.Bennett，Quantum cryptography using any two nonorthogonal states.Phys.Rev.Lett.68：3121-3124，1992.
[6]Bostrom K，F(xiàn)elbinger T.Deterministic Secure Direct Communication Using Entanglement[J].Phys Rev Lett，2002，89（18）：187-902.
[7]何玲燕，王川.量子通信原理及進(jìn)展概述[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2012，7（5）：466-471.
[8]Richard J Hughes，Jane E Nordholt et al.Practical Free-Space Quantum Key Distribution over 10km in Daylight and at Night[J].New Journal of Physics，2002（4）.
[9]RarityJ G，Gorman P M，et al.Secure Key Exchanger Over 1.9km Free-Space Range Using Quantum Crypto-graphy[J].Electronics Letters，2001，37（8）：512-514.
關(guān)鍵詞 量子力學(xué) 量子教育學(xué) 主觀性
中圖分類(lèi)號(hào)：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
量子力學(xué)所涵蓋的一些思想，在哲學(xué)的研究中體現(xiàn)比較廣泛，也對(duì)教學(xué)理論方面起了重要的作用，可以說(shuō)量子力學(xué)對(duì)哲學(xué)思想的發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用。量子力學(xué)著重利用圖景等表象來(lái)認(rèn)識(shí)周?chē)氖澜纾瑥?qiáng)調(diào)因果關(guān)系的認(rèn)識(shí)，對(duì)后期形成的教育學(xué)理論具有參考性。但是，借助量子力學(xué)所形成的“量子教育學(xué)”則有很大的不同，這一教育學(xué)對(duì)原來(lái)的量子理論認(rèn)識(shí)存在較大的偏差，充分強(qiáng)調(diào)自然科學(xué)。
1量子力學(xué)的緣起
1900年，量子假說(shuō)出現(xiàn)在眾人的認(rèn)知里，現(xiàn)在的量子力學(xué)仍在不斷完善，為后期的科學(xué)發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)，可以說(shuō)量子力學(xué)是量子理論的中心，它促進(jìn)了原子能等一些先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，為社會(huì)的重大發(fā)明打下基礎(chǔ)，使人們更加清晰地認(rèn)識(shí)到微觀世界，并利用微觀運(yùn)動(dòng)來(lái)更好地服務(wù)社會(huì)，是人類(lèi)的重要發(fā)現(xiàn)，也是社會(huì)的偉大進(jìn)步。
2量子力學(xué)的宇宙觀
在宇宙世界中，對(duì)量子理論有較多的探討，從已經(jīng)存在的氫原子中，找到了量子級(jí)別的狀態(tài)。對(duì)于電子而言，比原子更為復(fù)雜，這就要求必須要滿足求解該原子的特定的方程來(lái)解出，并且要求其 場(chǎng)剛好環(huán)繞原子核產(chǎn)生駐波而求得。此外，量子態(tài)與別的駐波不一樣，都有自己特定的頻率，并與所蘊(yùn)含的能量有關(guān)，每種量子狀態(tài)都有所表征的能量。這就是說(shuō)，預(yù)期任何一個(gè)態(tài)的能量都是一個(gè)具體量子所確定的，并不是模棱兩可的，只要是有理論依據(jù)，就可以科學(xué)地估測(cè)態(tài)的能量多少。由于質(zhì)子與電子之間存在著相互吸引的力，要想移動(dòng)一個(gè)電子就必須要克服引力做功。
3量子的思維方式
人類(lèi)思想總是處于不斷發(fā)展中，當(dāng)兩種思想發(fā)生交集時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)比較完整的、令人驚嘆的思想成果，正如牛頓的世界觀與量子理論產(chǎn)生彼此彌合的交集，才會(huì)讓思想發(fā)展得如此迅速，才會(huì)讓社會(huì)發(fā)展如此的快。量子思維方式給人類(lèi)一個(gè)重要的啟示，要求以人為中心，以人為主體。隨著時(shí)代的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，信息技術(shù)逐漸融入了人的智慧和思想，他們彼此都是看不見(jiàn)的，沒(méi)有確定的形狀，但彼此交匯起來(lái)以后，就成了一種可以量化的物質(zhì)，這是由于物質(zhì)性比較弱。其實(shí)，量子物理學(xué)所產(chǎn)生相關(guān)的科學(xué)智慧，是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要因素，也是文明進(jìn)步的重要保障，可以說(shuō)，量子物理學(xué)是計(jì)算機(jī)重要的組成部分，所形成的計(jì)算機(jī)芯片是重要的思維體現(xiàn)，量子物理學(xué)不僅是科學(xué)進(jìn)步的前提，更是信息發(fā)展的重要保障，量子思維更是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必要方式。
4“量子教育學(xué)”的唯心主義
從產(chǎn)生量子力學(xué)后，“量子教育學(xué)”也隨之不斷發(fā)展，雖然也涉及到一些教育學(xué)方面的觀點(diǎn)，但這些觀點(diǎn)都是被眾人早就接受了。如：學(xué)習(xí)是一個(gè)整體的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中各知識(shí)點(diǎn)是相互聯(lián)系、彼此交錯(cuò)的，以及還談到了關(guān)鍵詞：服務(wù)、個(gè)性化、互補(bǔ)等，但是，這些所謂的觀點(diǎn)及結(jié)論不是原汁原味的，也不是從量子力學(xué)中演變而來(lái)，而是與它的原理相悖，從本質(zhì)上講，“量子教育學(xué)”就是一種唯心主義的表現(xiàn)。
貝克萊比較重視經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為所學(xué)的知識(shí)來(lái)源于經(jīng)驗(yàn)，但是他卻犯了一個(gè)致命的錯(cuò)誤，認(rèn)為感覺(jué)是世界真正存在的東西，其他的都是看不見(jiàn)的。他認(rèn)為，知識(shí)是一切力量之源，但感覺(jué)是我們?nèi)ヌ剿魑粗澜纾非笾粮哒胬淼奈ㄒ皇侄危挥心芨杏X(jué)到，才能被發(fā)現(xiàn)。也就是說(shuō)：我們的主觀性決定了我們所看見(jiàn)的世界，這也是量子教育學(xué)詮釋的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，只要消除了事物與觀念的差異，認(rèn)同事物等同于所謂的觀念，并且觀念可以感知任何世界上存在的事物，這樣才會(huì)讓我們的知識(shí)更加具有生命力。
5“量子教育學(xué)”的曲解
正所周知，量子力學(xué)不可能槲ㄐ鬧饕搴筒豢芍論創(chuàng)造理論基礎(chǔ)，而“量子教育學(xué)”卻是唯心主義的重要思想來(lái)源，這是“量子教育學(xué)”對(duì)量子力學(xué)核心思維的歪曲，或者說(shuō)對(duì)量子力學(xué)沒(méi)有正確的認(rèn)識(shí)，造成思想上出現(xiàn)截然不同的主張，另外，“量子教育學(xué)”過(guò)分強(qiáng)調(diào)感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致偏向于不可知論，與量子力學(xué)的思想相悖而馳。
“量子教育學(xué)”對(duì)量子力學(xué)概念和方法認(rèn)識(shí)的偏差表現(xiàn)有。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)特性，提出了波粒二象性的觀念。此后，玻爾提出了“氣補(bǔ)原理”，再一次詮釋了波粒二象性的本質(zhì)。“測(cè)不準(zhǔn)”原理而是在某一個(gè)方面有較大的缺陷，不是粒子在宏觀世界的不適用，只是說(shuō)明不能單一地應(yīng)用某一個(gè)方面，只有同時(shí)應(yīng)用時(shí)才能為物理現(xiàn)象提高全面的解釋。玻爾認(rèn)為，波粒二象性在整個(gè)量子力學(xué)中的地位較高，它是一種可以很好地描述一種物理現(xiàn)象的原理，也可以說(shuō)是解釋因果關(guān)系的一種原理，它可以相互促進(jìn)、相互排斥，這種互斥的關(guān)系不可或缺，這種互補(bǔ)關(guān)系后來(lái)被廣大學(xué)者所接受。
6結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)，量子力學(xué)逐漸被廣大研究者重視起來(lái)，探討量子力學(xué)的基本原理以及與量子教育學(xué)的重要關(guān)系，在量子理論的發(fā)展過(guò)程中，這已經(jīng)留下了較多的論爭(zhēng)。可以肯定的是量子力學(xué)對(duì)于科學(xué)的進(jìn)步貢獻(xiàn)了一份力量，把微觀世界與宏觀世界聯(lián)系起來(lái)，而量子教育學(xué)并不是量子力學(xué)的正確認(rèn)識(shí)，就本身的發(fā)展情況來(lái)看，量子教育學(xué)認(rèn)同了后現(xiàn)代主義，成為了唯心主義的重要依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
[1] 賀天平.量子力學(xué)多世界解釋的哲學(xué)審視[J].中國(guó)社會(huì)科學(xué)，2012（01）：48-61，207.
[2] 烏云高娃.量子力學(xué)發(fā)展綜述[J].信息技術(shù)，2006（06）：154-157.
[3] 母小勇.量子力學(xué)與“量子教育學(xué)”[J].教育理論與實(shí)踐，2006（07）：1-5.
加拿大籍華裔杰出科學(xué)家、北京寬特量子科技有限公司首席科學(xué)家、北京曠特量子科學(xué)研究所所長(zhǎng)武華文研究員在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了創(chuàng)新性的突破,并且在國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。
這是一項(xiàng)堪稱神奇的技術(shù)。專(zhuān)家指出:這種傳遞技術(shù)已經(jīng)超出人們的學(xué)識(shí)范圍,物質(zhì)的信息被傳遞后可以在另一處與其它物質(zhì)發(fā)生合成、分解、記憶效應(yīng),而物質(zhì)本身并不減少。
從2003年開(kāi)始至2010年武華文研究員主持了五屆北京地區(qū)的量子信息研討會(huì),并在2007年第四屆研討會(huì)上提出了量子信息對(duì)應(yīng)效應(yīng)理論。他認(rèn)為量子信息有五種特征,分別為放大性、縮小性、存儲(chǔ)性、全息性和傳遞性。對(duì)量子信息施加能量后可以有針對(duì)性的傳遞,產(chǎn)生的量子效應(yīng)可以使物質(zhì)結(jié)構(gòu)含量增多、減少、合成新物質(zhì)和存儲(chǔ)信息場(chǎng)。這個(gè)創(chuàng)新理論完全來(lái)源于量子信息技術(shù)的多種領(lǐng)域的上千次實(shí)驗(yàn)。
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得驗(yàn)證
通常提高動(dòng)物血清酮含量只有注射或服用酮類(lèi)藥物。而采用量子信息技術(shù),接收固體粉未狀素的本體信息,作為量子治療儀的信號(hào)源,以電磁波為載體,通過(guò)電磁波的能量和所攜帶的固體素的本體信息,傳送給小鼠。在不消耗固體酮的情況下,大幅度提高了小鼠血清血睪含量。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:
小鼠來(lái)源于中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物室,隨機(jī)分成兩組,每組30只。一組為實(shí)驗(yàn)組,另一組為對(duì)照組。排除飲食等因素的干擾,兩組具有可比性。
對(duì)照組不進(jìn)行任何治療,實(shí)驗(yàn)組每天連續(xù)傳遞酮本體信息6小時(shí)共5天,從第六天開(kāi)始每天每組隨機(jī)取6只小鼠,摘除睛球取血,分離血清測(cè)出血清血睪酮含量(nmol/L),共取血5天結(jié)束。
所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。
利用武華文的專(zhuān)利產(chǎn)品――量子治療儀采用最佳輸出強(qiáng)度對(duì)小鼠血清酮有明顯提高,應(yīng)用量子治療儀治療5天后,實(shí)驗(yàn)組小鼠血清酮連續(xù)5天均高于對(duì)照組,最高可達(dá)到對(duì)照組的20倍以上,并且在治療后第4、5天仍然高于對(duì)照組,兩組差別極其顯著。
以上內(nèi)容發(fā)表于中國(guó)科技核心期刑《中國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)報(bào)》2008年第1期。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí):量子信息效應(yīng)可以使物質(zhì)含量增多,即信號(hào)源物質(zhì)是什么,經(jīng)量子儀器傳遞后的波動(dòng)能量使其它物質(zhì)含量增多的也是什么,信號(hào)源與反應(yīng)結(jié)果有對(duì)應(yīng)效應(yīng)。
酒業(yè)實(shí)驗(yàn)顯奇效
新疆三臺(tái)酒業(yè)有限公司有一批700余件,已庫(kù)存的三臺(tái)白酒(一件6瓶酒)。此酒是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),總酯≥2.50g/L生產(chǎn)的。現(xiàn)在是2.378g/L,不能按優(yōu)級(jí)酒出售,只級(jí)按一級(jí)酒出售,利潤(rùn)大幅度下降。當(dāng)時(shí)只能按照次品存放在倉(cāng)庫(kù)內(nèi),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如下:
白酒在原地不動(dòng),不打開(kāi)包裝的情況下采用脂類(lèi)信息傳遞給白酒,總酯由2.378g/I升高到2.5102g/I,超過(guò)了優(yōu)級(jí)酒的標(biāo)準(zhǔn),為了觀察總酯是否穩(wěn)定,放置6個(gè)月后再檢測(cè),符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),按照優(yōu)級(jí)酒價(jià)格進(jìn)入市場(chǎng)。
為了從理論上認(rèn)識(shí)酒的變化,武華文來(lái)到中國(guó)科學(xué)院物理所光物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行激光拉曼光譜測(cè)量,分析報(bào)告中指出:“對(duì)原酒和應(yīng)用量子技術(shù)處理后酒的拉曼散射光譜分析對(duì)照;發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)量子技術(shù)處理后的酒,它的拉曼光譜與原酒的拉曼光譜有明顯的變化,說(shuō)明量子技術(shù)對(duì)酒類(lèi)的處理是有作用的。”
上述實(shí)驗(yàn)不僅客觀上論證了量子信息對(duì)應(yīng)效應(yīng)的存在,也為酒業(yè)的工藝修正提供了一條新路子。
消除建筑材料、服裝材料甲
甲是裝修的主要污染源,2007年武華文研制出能消除甲的量子儀器。它可以消除刨花板、密度板、木板、室內(nèi)游離甲。它的最大特點(diǎn)是:(1)量子儀器傳遞的量子信息波動(dòng)能量可以穿透家具等實(shí)體物質(zhì),從源頭分解甲污染;(2)絕對(duì)不會(huì)造成因?yàn)閲姕於喾N溶液而產(chǎn)生的二次污染;(3)治理施工方便、快捷、基本上無(wú)需挪動(dòng)家具;(4)治理空間大;(5)治理費(fèi)用低于其它技術(shù);(6)適用范圍廣,如家具、玩具、服裝、皮革材料等。
消除甲種類(lèi)表如下:
這證實(shí)量子信息效應(yīng)可以使物質(zhì)含量減少,即有分解物質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用。既信號(hào)源是什么物質(zhì),有什么功能,傳遞后也具有它的功能特性。
量子功能水的推出
2010年5月,曠特牌礦泉水、曠特牌山藥糖脂康片正式成為商品,這兩種都是食品,但是把山藥糖脂康溶解在曠特礦泉水中成為量子順勢(shì)產(chǎn)品(中國(guó)第一個(gè)順勢(shì)療法產(chǎn)品),有降低血溏、調(diào)整便秘等作用。由于是全新科技,很多人還不能理解接受這種新理念。
《科學(xué)通報(bào)雜志》2015年第Z2期
大量的天文觀測(cè)證據(jù)表明宇宙正處于加速膨脹時(shí)期.為解釋這一現(xiàn)象,在廣義相對(duì)論框架下,通常需要引入一種稱為暗能量的未知的能量成分.最簡(jiǎn)單的暗能量模型是具有常數(shù)狀態(tài)方程(w1)的真空能.這一模型能滿足大多數(shù)的天文觀測(cè)檢驗(yàn),但是面臨著宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題和年齡問(wèn)題.因此,人們很自然地去考慮更為復(fù)雜一些的情形.最流行的做法是采用Ricci標(biāo)量的不同函數(shù)形式去替代愛(ài)因斯坦-希爾伯特拉格朗日量,即著名的f(R)理論.這一理論受到了非常廣泛的研究.然而,f(R)理論的四階方程使得它很難進(jìn)行解析分析.與f(R)理論相類(lèi)似,人們提出一種基于修改teleparallel引力的方案,即f(T)理論,來(lái)解釋宇宙近期加速膨脹現(xiàn)象.最近,國(guó)外學(xué)者的研究表明,可以從海森伯非微擾量子化方法出發(fā),得到修改引力理論.
根據(jù)這一方法,用場(chǎng)的算符代替場(chǎng)方程中出現(xiàn)的相應(yīng)的經(jīng)典場(chǎng)。然后,考察度規(guī)的量子漲落對(duì)宇宙演化的影響.顯然,如果1,修改的拉格朗日密度近似為希爾伯特-愛(ài)因斯坦拉格朗日密度,也就是說(shuō)這里考慮的修改引力近似為廣義相對(duì)論.為了充分考慮度規(guī)的量子漲落對(duì)宇宙演化的影響,或者認(rèn)真對(duì)待從海森伯非微擾量子化方法得到修改引力的方案,本文將考慮的所有可能取值.
1修改引力的場(chǎng)方程
對(duì)于拉格朗日密度(6),唯象考慮一種最簡(jiǎn)單的文獻(xiàn)[10]中提出的情況。一般而言,應(yīng)該是時(shí)空坐標(biāo)的函數(shù).對(duì)于這一比較復(fù)雜的情形,需要另起一文進(jìn)行詳細(xì)的討論。文獻(xiàn)[15~18]對(duì)能量-動(dòng)量張量的不守恒情形進(jìn)行了詳細(xì)的討論.如果1,量子漲落甚至可以抵消引力作用.但是,如果很小,度規(guī)的量子漲落的影響也就很微弱,拉格朗日密度(6)近似為希爾伯特-愛(ài)因斯坦拉格朗日密度.為了充分考察度規(guī)的量子漲落的影響,本文將考慮參數(shù)所有可能取值,并將在下一章進(jìn)行詳細(xì)的討論.
2宇宙學(xué)上的應(yīng)用
把修改引力的場(chǎng)方程(13)應(yīng)用到均勻各向同性的Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker(FLRW)宇宙在廣義相對(duì)論中,所有這些不同形式導(dǎo)致相同的場(chǎng)方程和能量-動(dòng)量張量.2種拉格朗日密度,mLp和mL,得到廣泛地討論和應(yīng)用.文獻(xiàn)[16]詳細(xì)討論了物質(zhì)的拉格朗日密度mL作為物質(zhì)能量密度的任意函數(shù)的情形.在本文研究中,物質(zhì)的拉格朗日密度在場(chǎng)方程中出現(xiàn),所有相關(guān)結(jié)果都很大程度上依賴于mL的選擇.一般而言,物質(zhì)的拉格朗日密度沒(méi)有一個(gè)唯一確定的選擇,而且仍是一個(gè)值得研究的問(wèn)題.按照文獻(xiàn)[14]的做法。有了這些基本方程,現(xiàn)在可以來(lái)考察度規(guī)的量子漲落對(duì)早期宇宙、暴脹、輻射主導(dǎo)、塵埃主導(dǎo)和暗能量主導(dǎo)時(shí)期的影響.首先考察量子漲落對(duì)很早時(shí)期的宇宙的影響.從方程(21)和(22)很容易看出,發(fā)現(xiàn)可以滿足條件H0和H0,也就是說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)反彈宇宙,從而避免大爆炸奇點(diǎn).如果只有正常物質(zhì),如輻射,這反彈宇宙不可能在廣義相對(duì)論中實(shí)現(xiàn).
3討論和結(jié)論
本文考慮了一種基于海森伯度規(guī)非微擾量子化方法的修改引力.得到了修改引力的場(chǎng)方程并應(yīng)用到FLRW時(shí)空.考察了度規(guī)的量子漲落對(duì)早期宇宙、暴脹、輻射主導(dǎo)、塵埃主導(dǎo)和暗能量主導(dǎo)時(shí)期宇宙演化的影響.發(fā)現(xiàn),由于度規(guī)的量子漲落,在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)反彈宇宙.討論了量子漲落對(duì)暴脹參數(shù)(如慢滾參數(shù)、光譜指數(shù)和原初曲率擾動(dòng)譜)的影響.如果量子漲落比較大,在輻射主導(dǎo)或塵埃主導(dǎo)的時(shí)期,也可以實(shí)現(xiàn)宇宙加速膨脹.但事實(shí)上,的值理論上應(yīng)該比較小,也就是說(shuō)度規(guī)的量子漲落對(duì)輻射和物質(zhì)主導(dǎo)時(shí)期的宇宙演化影響比較微弱.在暗能量主導(dǎo)的時(shí)期,比較小的度規(guī)的量子漲落也可能導(dǎo)致宇宙膨脹減速的情形.
作者：楊榮佳 單位：河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所
關(guān)鍵詞： 量子力學(xué) 教學(xué)方法改革 創(chuàng)新思維
量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，自誕生以來(lái)它就成功地說(shuō)明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導(dǎo)等物理現(xiàn)象。作為物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)理論課，量子力學(xué)在物理學(xué)專(zhuān)業(yè)中具有極其重要的地位。現(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，并且已經(jīng)滲透到化學(xué)和生物學(xué)等其他學(xué)科。同時(shí)量子理論還具有巨大的實(shí)用價(jià)值，半導(dǎo)體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。
通過(guò)對(duì)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)理論，還可以提高科學(xué)素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學(xué)中的概念和解決問(wèn)題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學(xué)生普遍反映量子力學(xué)抽象、枯燥、難理解、抓不住重點(diǎn)，學(xué)習(xí)起來(lái)非常困難。針對(duì)以上問(wèn)題，我對(duì)教學(xué)進(jìn)行了思考和探討，采用了一些切實(shí)可行的措施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握了量子力學(xué)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。
一、教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題
在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題。
1.量子力學(xué)是一門(mén)十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學(xué)從概念到解決問(wèn)題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學(xué)生習(xí)慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學(xué)，這樣就不自覺(jué)地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是互不相關(guān)的、相互獨(dú)立的，而量子力學(xué)認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是微觀粒子同時(shí)具備的兩種屬性。
2.學(xué)習(xí)量子力學(xué)，數(shù)學(xué)知識(shí)是必不可少的。量子力學(xué)中有著繁雜的數(shù)學(xué)知識(shí)，例如，數(shù)學(xué)分析中的微積分，代數(shù)學(xué)中的矩陣論，數(shù)學(xué)物理方程的微分方程，復(fù)變函數(shù)，等等。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對(duì)已學(xué)過(guò)的數(shù)學(xué)知識(shí)掌握得不是很牢固，在推導(dǎo)公式的過(guò)程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對(duì)量子力學(xué)知識(shí)的理解。
3.由于量子力學(xué)的課時(shí)緊張，教學(xué)過(guò)程中采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，由教師到學(xué)生的“單向傳授”的教學(xué)形式。學(xué)生失去了主體地位，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高，導(dǎo)致教學(xué)效率降低。
二、量子力學(xué)的教學(xué)方法改革
1.采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式。由于量子力學(xué)的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)生很難接受，甚至認(rèn)為這門(mén)課程沒(méi)有用處。在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，由單一的教師講授過(guò)渡到板書(shū)、錄像、課件、演示實(shí)驗(yàn)等各種手段相結(jié)合的教學(xué)模式，將圖、文、聲、像等信息有機(jī)地組合在一起，形象、直觀、生動(dòng)，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以享受到本校的教學(xué)資源，還可以突破空間的限制，享受到全國(guó)高水平的教學(xué)資源，從而豐富學(xué)生的資料庫(kù)，也為各學(xué)校的師生討論交流提供一個(gè)很好的平臺(tái)。
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，知識(shí)更新非常快。在教學(xué)中，教師應(yīng)及時(shí)將與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入教學(xué)中，介紹與量子力學(xué)密切相關(guān)的課題，闡明科學(xué)技術(shù)中所蘊(yùn)含的量子力學(xué)原理。如我們?cè)谥v解一維無(wú)限深勢(shì)阱時(shí)，將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一科學(xué)前沿相聯(lián)系；在講解隧道效應(yīng)時(shí)，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進(jìn)而介紹掃描探針操縱單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在教學(xué)中，我們理論聯(lián)系實(shí)際，多介紹量子力學(xué)知識(shí)與材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其他學(xué)科之間的密切聯(lián)系，重點(diǎn)介紹在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，包括新材料設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過(guò)這種方式，學(xué)生對(duì)這一部分的知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí)，從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味，同時(shí)也提高了接受新知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)的意識(shí)和能力。
2.結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，把物理情境的建立作為教學(xué)的重點(diǎn)。量子力學(xué)可以說(shuō)無(wú)處不數(shù)學(xué)，這門(mén)學(xué)科對(duì)高級(jí)數(shù)學(xué)語(yǔ)言的成功運(yùn)用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)雖然加深了物理問(wèn)題的難度，卻維護(hù)了理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。當(dāng)然這不是要求老師從頭到尾、長(zhǎng)篇冗重地推演計(jì)算，合理地修剪枝杈既能讓學(xué)生抓住重點(diǎn)，又免使學(xué)生感到量子力學(xué)只是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。對(duì)于學(xué)習(xí)量子力學(xué)的同學(xué)，可以著重于對(duì)物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過(guò)數(shù)學(xué)分析難點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)化模型、對(duì)稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級(jí)估計(jì)、概念延拓對(duì)比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡(jiǎn)單的高數(shù)和微積分、常見(jiàn)的常微分方程，對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以不做講解，只對(duì)少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學(xué)個(gè)別輔導(dǎo)。例如，在求解本征方程時(shí)，只介紹動(dòng)量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解；對(duì)無(wú)限深勢(shì)阱情況，薛定諤方程可類(lèi)比普通物理中的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程；對(duì)氫原子和諧振子的能量本征值問(wèn)題，只重點(diǎn)介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細(xì)推導(dǎo)。
3.充分應(yīng)用類(lèi)比法，講述量子力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況，在教授過(guò)程中，應(yīng)盡可能找到“經(jīng)典”對(duì)應(yīng)，應(yīng)用類(lèi)比方法講述量子力學(xué)中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學(xué)的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說(shuō)明光的波動(dòng)性，用光電效應(yīng)、康普頓散射說(shuō)明光的粒子性，運(yùn)用這種方法有利于學(xué)生掌握光的波粒二象性。在將量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類(lèi)比的同時(shí)，還要清楚量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學(xué)用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學(xué)用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)；經(jīng)典力學(xué)用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學(xué)用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對(duì)于量子力學(xué)中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計(jì)原理等都要與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開(kāi)來(lái)，類(lèi)比說(shuō)明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。
4.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。量子力學(xué)的現(xiàn)代教學(xué)多以“教師講授”為主，同時(shí)配合多媒體課件輔助教學(xué)，教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)有所變化，多媒體課件教學(xué)雖然能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但仍然是“填鴨式”的教學(xué)法，沒(méi)能真正地改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。因此在教學(xué)過(guò)程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)，激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境使師生互動(dòng)起來(lái)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性，加深學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的理解。還要組織學(xué)生開(kāi)展相關(guān)課題討論，引導(dǎo)學(xué)生自主能動(dòng)地思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
三、結(jié)語(yǔ)
“量子力學(xué)”是物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程中教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，建立新的教學(xué)模式，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握這門(mén)課程。
參考文獻(xiàn)：
［1］曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)［M］.科學(xué)出版社，1997.
［2］周世勛.量子力學(xué)教程［M］.高等教育出版社，1979.
［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，（2）：29.
[關(guān)鍵詞]量子計(jì)算 量子通信 通信效率 安全通信
中圖分類(lèi)號(hào)：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）09-0128-01
引言
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，量子信息學(xué)逐漸得到人們的關(guān)注與重視，在近代物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域都有所涉及。通過(guò)量子力學(xué)的基礎(chǔ)，不斷的發(fā)展與延伸。量子信息學(xué)，是量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以量子力學(xué)的態(tài)疊加原理為基礎(chǔ)，研究信息處理的一門(mén)新興前沿科學(xué)。包括量子密碼術(shù)、量子通信、量子計(jì)算機(jī)等幾個(gè)方面。我們?cè)谶@里，著重的了解一些量子通信。
一、 量子通信協(xié)議概念
1，量子通信協(xié)議定義
量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測(cè)量裝置。按其所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子而分為兩類(lèi)。前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。其中隱形傳送是指脫離實(shí)物的一種“完全”的信息傳送。可以想象：先提取原物的所有信息，然后將這些信息傳送到接收地點(diǎn)，接收者依據(jù)這些信息，選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的復(fù)制品。實(shí)際上是一種對(duì)于通信地保密性的傳輸。是一種在理論上可以保證通信絕對(duì)安全的一種通信方式。由于量子力學(xué)中的不確定性原理，是不允許精確地提取原物的全部信息，因此長(zhǎng)期以來(lái)，隱形傳送不過(guò)是一種幻想而已。
2，量子通信與光通信的區(qū)別
量子通信與光通信的區(qū)別，在于在通信中用的光的強(qiáng)度是不同的。光通信一般采用是強(qiáng)光，包括無(wú)線電、微波、光纜、電纜等具體形式。通過(guò)偏振或相位等的調(diào)制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。量子通信討論的是光子級(jí)別的很弱的光，通過(guò)對(duì)光子態(tài)的調(diào)制，但是主要利用了光子的特性，量子態(tài)不可克隆原理和海森堡不確定性關(guān)系。這也是區(qū)別于光通信的重點(diǎn)。
二、量子通信基本方式
量子通信在量子力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)量子態(tài)編碼和攜帶信息進(jìn)行加工處理，將信息進(jìn)行傳遞。只要包括：量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)等，下面主要介紹這兩個(gè)組成部分：
1，量子隱形傳態(tài)
量子隱形傳態(tài)，又稱量子遙傳、量子隱形傳輸。經(jīng)由經(jīng)典通道和EPR 通道傳送未知量子態(tài)。利用分散量子纏結(jié)與一些物理訊息的轉(zhuǎn)換來(lái)傳送量子態(tài)至任意距離的位置的技術(shù)。它傳輸是量子態(tài)攜帶的量子信息。想要實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，要求接收方和發(fā)送方擁有一對(duì)共享的EPR對(duì)，即BELL態(tài)（貝爾態(tài)）。發(fā)送方對(duì)他的一半EPR對(duì)與發(fā)送的信息所在的粒子進(jìn)行結(jié)合，而接收方所有的另一半EPR對(duì)將在瞬間坍縮為另一狀態(tài)。根據(jù)這條信息，接收方對(duì)自己所擁有的另一半EPR對(duì)做相應(yīng)幺正變換即可恢復(fù)原本信息。到乙地，根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。量子隱形傳態(tài)大致可以這樣描述：準(zhǔn)備一對(duì)糾纏光子對(duì)，一個(gè)光子發(fā)送給有原始量子態(tài)（即第三個(gè)光子）的甲方，另一個(gè)光子發(fā)送給要復(fù)制第三光子的量子態(tài)的乙方。甲方讓收到的一個(gè)光子與第三光子相互干涉（“再糾纏”），再隨機(jī)選取偏振片的方向測(cè)量干涉的結(jié)果，將測(cè)量方向與結(jié)果通過(guò)普通信道告訴乙方；乙方據(jù)此選擇相應(yīng)的測(cè)量方向測(cè)量他收到的光子，就能使該光子處于第三光子的量子態(tài)。
量子隱形傳態(tài)作為量子通信中最簡(jiǎn)單的一種，是實(shí)現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性的前提研究。它的存在與應(yīng)用，可以完全的保證用戶的信息安全，通信保密，同時(shí)如果出現(xiàn)有人竊聽(tīng)的現(xiàn)象，將會(huì)及時(shí)的進(jìn)行信息的改變，保證內(nèi)容的“獨(dú)一無(wú)二”。
2，量子密鑰分發(fā)
量子密鑰分發(fā)以量子物理與信息學(xué)為基礎(chǔ)，是量子密碼研究方向中不可缺少的重要部分。被認(rèn)為是安全性最高的加密方式，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的密碼體制。當(dāng)然這只是理論上的內(nèi)容，在現(xiàn)實(shí)生活中還是有一定的差距。只是理論上具有無(wú)條件的安全性。1969年提出用量子力學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行加密信息處理。到了1984年，第一次提出量子密鑰分發(fā)協(xié)議，即BB84協(xié)議。隨后又提出B92協(xié)議。2007年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)院士潘建偉小組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)，解決了非理想單光子源帶來(lái)的安全漏洞。后又與美國(guó)斯坦福大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了國(guó)際上迄今為止最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測(cè)器――基于周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)的上轉(zhuǎn)換探測(cè)器。解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測(cè)系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患。保證了非理想光源系統(tǒng)的安全性。生成量子密鑰大致為：準(zhǔn)備一批糾纏光子對(duì)，一個(gè)光子發(fā)送給發(fā)信方，另一個(gè)光子發(fā)送給收信方。測(cè)量光子極化方向的偏振片的方位約定好兩種。兩人每次測(cè)量一個(gè)光子時(shí)選擇的方向都是隨機(jī)的，但要記錄下每次選擇的方向，當(dāng)然也要記錄下每次測(cè)量的結(jié)果，有光子通過(guò)偏振片就記1，無(wú)光子通過(guò)則記0。通過(guò)普通信道兩人交換測(cè)量方向的記錄，那些測(cè)量方向不一致的測(cè)量結(jié)果的記錄都舍去不要，剩下的那些測(cè)量方向相同所對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果，兩人應(yīng)一致，這一致的記錄就可作為兩人共同的密鑰。
總結(jié)
經(jīng)典通信較光量子通信相比，量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對(duì)安全特性。具有保密性強(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。量子通信不僅在軍事、國(guó)防等領(lǐng)域具有重要的作用，而且會(huì)極大地促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。逐漸走進(jìn)人們的日常生活。為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實(shí)，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國(guó)IBM的研究人員提出量子通信理論以來(lái)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局都對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行了深入的研究，歐盟在1999年集中國(guó)際力量致力于量子通信的研究，研究項(xiàng)目多達(dá)12個(gè)，日本郵政省把量子通信作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究，近幾年來(lái)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績(jī)。
參考文獻(xiàn)
[1]莫玲 - 基于專(zhuān)利分析的歐盟量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究《淮北師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版》 - 2015.
[2]徐兵杰，劉文林，毛鈞慶，量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題研究《通信技術(shù)》 - 2014.
[3]胡廣軍，王建 -量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究 《中國(guó)新通信》 - 2014.
[4]肖玲玲，金成城 - 基于專(zhuān)利分析的量子通信技術(shù)發(fā)展研究《全球科技經(jīng)濟(jì)t望》 - 2015.
[5]宋斌 - 空間量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀《移動(dòng)信息》 - 2015.
摘要：本文以目前中藥信息素材的現(xiàn)狀為出發(fā)點(diǎn)，分析和研究了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有中藥信息及相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，探討了如何對(duì)中藥信息素材進(jìn)行“量子化”處理，以及對(duì)中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：中藥量子信息素材；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；頁(yè)面實(shí)現(xiàn)doi： 10.3969/j.issn.2095-5707.2014.02.002The Design and Implementation of Traditional Chinese Medicine Quantum Information Material Database SystemXiao Fenfen， Zhang Xinyou*， Luo Shanshui， Li Weiwei（Jiangxi University of Traditional Chinese Medicine， Nanchang Jiangxi 330004， China）Abstract： Based on the current situation of Traditional Chinese Medicine （TCM） information materials， this article analyzed and researched the existing domestic and foreign Chinese medicine information and related information database system， discussed the Quantization of TCM information materials， designed and implemented TCM quantum information materials database system.Key words： TCM quantum information materials； database system； system design； page implementation 中醫(yī)藥學(xué)是我國(guó)寶貴的文化遺產(chǎn)，隨著中醫(yī)藥在長(zhǎng)期實(shí)踐中的應(yīng)用以及中藥現(xiàn)代進(jìn)程的不斷推進(jìn)，中藥信息素材呈指數(shù)遞增趨勢(shì)。由于中藥本身的復(fù)雜性和臨床應(yīng)用的廣泛性，以及在中藥現(xiàn)代化的進(jìn)程中對(duì)中藥信息的不斷挖掘，發(fā)現(xiàn)其潛在的中藥信息素材具有多學(xué)科的相互交融，這些現(xiàn)象均造成了中藥信息素材存在著分散性和模糊不確定性，本研究是將這些海量的數(shù)據(jù)通過(guò)分析、整理、量子化處理、補(bǔ)充和完善，使原來(lái)內(nèi)涵比較龐雜的中藥信息解析成若干個(gè)具有獨(dú)立概念的“量子”，并將這些所謂的“量子”中藥信息存入特定的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，將先進(jìn)的智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與浩如煙海的中藥信息有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，按照科學(xué)研究、教學(xué)和決策等的需要，建成一套具有大量中藥信息支持的中藥量子信息計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，這將對(duì)促進(jìn)中醫(yī)藥信息資源的開(kāi)發(fā)、利用基金項(xiàng)目：江西省衛(wèi)生廳中醫(yī)藥科研計(jì)劃項(xiàng)目（2010A008）；江西省研究生創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（YC2012-S105）；江西中醫(yī)學(xué)院研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目（JZYC11B05）第一作者：肖芬芬，碩士研究生，研究方向：中藥信息資源管理。E-mail： *通訊作者：章新友，教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用與中藥信息資源管理。E-mail： xinyouzhang@ 和共享，加快中醫(yī)藥信息化的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)藥現(xiàn)代化等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1 國(guó)內(nèi)外中藥數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)狀分析中藥數(shù)據(jù)庫(kù)是現(xiàn)代信息技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用，在當(dāng)前的信息化建設(shè)中，將中藥信息進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的管理，使用戶能更高效地掌握或者搜索自己所需要的知識(shí)。也就是說(shuō)管理信息系統(tǒng)（Management Information Systems，MIS）正深入到醫(yī)藥行業(yè)中，它為信息化的建設(shè)提供了有力的理論和技術(shù)支持。至20世紀(jì)末以來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼建立了大量的中藥信息數(shù)據(jù)庫(kù)以及天然產(chǎn)物的數(shù)據(jù)庫(kù)。在國(guó)內(nèi)建立的中藥數(shù)據(jù)庫(kù)有中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中醫(yī)藥信息研究所的中國(guó)中藥數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)中藥化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、民族醫(yī)藥（包括藏藥、蒙藥、維吾爾藥、苗藥、傣藥、瑤藥）數(shù)據(jù)庫(kù)等，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所的中草藥數(shù)據(jù)庫(kù)、中醫(yī)藥成果數(shù)據(jù)庫(kù)、全國(guó)中藥材資源普查資料數(shù)據(jù)庫(kù)等[1-2]。還有近期的維吾爾醫(yī)常用藥材及新疆特有植物化合物樣品數(shù)據(jù)庫(kù)，它收集和整理了眾多維醫(yī)藥現(xiàn)代和古秘方文獻(xiàn)，以數(shù)字化形式系統(tǒng)地記載了常用維藥藥材的特征、不同部位的提取物制備方法。在國(guó)外，有美國(guó)化學(xué)文摘數(shù)據(jù)庫(kù)、美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的植物藥化學(xué)庫(kù)、韓國(guó)漢城大學(xué)的天然藥物數(shù)據(jù)庫(kù)等[3]。以上數(shù)據(jù)庫(kù)均可在網(wǎng)絡(luò)上檢索使用。還有很多都是自建自用的，其聯(lián)合建庫(kù)的少，專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)比較多，缺乏一定的統(tǒng)一性、規(guī)范性、兼容性[4-6]。本課題將以2010年版《中華人民共和國(guó)藥典》（以下簡(jiǎn)稱《中國(guó)藥典》）為藍(lán)本，以國(guó)內(nèi)外權(quán)威著作為數(shù)據(jù)源，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行“量子化”分析處理，提高信息獲取效率，有助于從中挖掘出有用信息和未曾被人發(fā)現(xiàn)的隱含信息。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整理，對(duì)中藥信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2 中藥信息素材的“量子化”處理方法數(shù)據(jù)庫(kù)是知識(shí)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)工程，要獲得高信息含量、有用的知識(shí)，必須要更好地處理數(shù)據(jù)，理想情況是原始數(shù)據(jù)為不含噪音的數(shù)據(jù)。建立良好的中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的科學(xué)管理，要求我們首先將中藥信息素材進(jìn)行“量子化”處理。中藥信息素材“量子化”是指通過(guò)合理地分析、整理，將中藥信息素材原始數(shù)據(jù)細(xì)化成由若干漢字或者數(shù)字組成的不可再行細(xì)分的、并且具有相對(duì)獨(dú)立內(nèi)涵及排他作用的最小信息單位[7-10]。中藥的“五味”經(jīng)“量子化”后被解析為甘、辛、咸、淡、澀、苦、微苦、酸、微酸9個(gè)“量子”。在中藥炮制中，根據(jù)不同中藥飲片所采用的炮制方法，進(jìn)行分類(lèi)與分析，分為清炒、麩炒、米炒、土炒、砂炒、蛤粉炒、滑石粉炒、炒炭、酒炙、醋炙、鹽炙、姜炙、蜜炙、油炙、煅炭、明煅、淬煅、蒸、煮、燉、煨21個(gè)“量子”。通過(guò)將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行“量子化”處理，不僅使中藥信息素材具有獨(dú)立性、排他性，更是為中藥數(shù)據(jù)的挖掘奠定良好的基礎(chǔ)。這些不可再分的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，可轉(zhuǎn)換成一組可供計(jì)算機(jī)識(shí)別、計(jì)算的代碼即“數(shù)字”后，計(jì)算機(jī)即可對(duì)這些“量子”進(jìn)行“數(shù)字化”處理[7]。3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具的選擇在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選用了比較先進(jìn)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，來(lái)適應(yīng)對(duì)系統(tǒng)需求關(guān)系的梳理、細(xì)化與分割，達(dá)到條理清晰、易于編程、便于檢測(cè)、方便擴(kuò)充功能等要求。本系統(tǒng)是在微軟Windows 8操作系統(tǒng)下，采用Microsoft SQL Sever 2012并應(yīng)用Dephi和Visual Basic（VB）進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。Microsoft Visual Studio 2012是目前比較流行、全面高效的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，針對(duì)不同的開(kāi)發(fā)人員，它提供了不同的版本，旨在幫助軟件開(kāi)發(fā)人員更好地應(yīng)對(duì)一些比較復(fù)雜的挑戰(zhàn)，并且創(chuàng)建新的解決方案，可以減少在關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境中的平靜修復(fù)時(shí)間（MTTR），增加團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)力。Visual Studio的目的是改進(jìn)開(kāi)發(fā)流程，幫助人們更輕松地實(shí)現(xiàn)突破、獲得更令人滿意的結(jié)果，它能夠提高工作效率，從單一集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（Integrated Develop- ment Environment，簡(jiǎn)稱IDE）中的高效代碼編輯器、IntelliSense、向?qū)Ш投喾N編碼語(yǔ)言，到Microsoft®； Visual Studio®； Team System中的高端應(yīng)用程序生命周期管理 （Application Lifecycle Management，簡(jiǎn)稱ALM）產(chǎn)品。
數(shù)據(jù)庫(kù)則采用SQL Server 2012，可幫助處理每年大量數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)，相對(duì)于其它版本，它具備可伸縮性、更加可靠以及前所未有的高性能，可提供一個(gè)非常便于使用的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，并且能使應(yīng)用的部署和維護(hù)、數(shù)據(jù)的管理和備份得到簡(jiǎn)化，這樣管理數(shù)據(jù)及用戶訪問(wèn)更加容易。4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用了分布式多層結(jié)構(gòu)。第一層是客戶層，客戶通過(guò)使用Graphical User Interface（GUI）可以與應(yīng)用程序進(jìn)行交互；第二層是中間層，通常由一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器組成，應(yīng)用服務(wù)器處理客戶的請(qǐng)求，然后將結(jié)果返回客戶層；第三層為數(shù)據(jù)層，是維護(hù)、更新、駐留業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的地方，在處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)中間層訪問(wèn)數(shù)據(jù)層。通過(guò)采用多層結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)庫(kù)操作和事務(wù)管理轉(zhuǎn)移到中間層中處理，可以避免在WEB應(yīng)用程序中進(jìn)行直接操作和事務(wù)管理。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)運(yùn)行在Windows平臺(tái)環(huán)境中，選用Component Object Model/Microsoft Distributed Component Object Model（COM/DCOM）為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。采用Microsoft的COM/DCOM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，我們不需要考慮兼容性問(wèn)題，而且系統(tǒng)會(huì)很穩(wěn)定。把多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與COM/DCOM結(jié)合起來(lái)，將分布式組件對(duì)象技術(shù)引入多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，一定程度上提高系統(tǒng)的可管理性、可維護(hù)性、可伸縮性和可集成性等，使中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、使用和維護(hù)都變得簡(jiǎn)單。4.2 系統(tǒng)模塊組成與功能4.2.1 系統(tǒng)總功能的設(shè)計(jì) 中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要由八個(gè)模塊組成，包括中藥基本信息模塊、中藥鑒定模塊、中藥炮制模塊、配伍應(yīng)用模塊、中藥現(xiàn)代研究模塊、中醫(yī)藥文獻(xiàn)模塊、中藥市場(chǎng)模塊、留言本模塊，如圖2所示。圖2 中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)總體功能模塊圖4.2.2 系統(tǒng)模塊詳細(xì)功能 8個(gè)系統(tǒng)模塊功能各異。①中藥基本信息模塊。本模塊提供中藥的基本信息，包括中藥的名稱、拉丁名稱、別名、藥性、藥效、主治功能等信息；與中藥治病本源有關(guān)的信息素材，如藥理、臨床、專(zhuān)家論述等信息。以《中國(guó)藥典》為藍(lán)本，中醫(yī)藥典籍為依據(jù)，對(duì)由多個(gè)漢字組合而成的大文本復(fù)雜數(shù)據(jù)或圖片進(jìn)行量子化處理，有利于將紛繁復(fù)雜的中藥信息處理成簡(jiǎn)潔、有效的信息單位，在一定程度上解決了信息量大、數(shù)據(jù)復(fù)雜不易處理的困境，提高了中藥數(shù)據(jù)庫(kù)的智能化水平。②中藥鑒定模塊。本模塊主要包括了中藥的來(lái)源鑒定、性狀鑒定、顯微鑒定、理化鑒定以及其他方法。來(lái)源鑒定包含中藥材原植物的圖片、中藥材植物形態(tài)、核對(duì)標(biāo)本、核對(duì)文獻(xiàn)；性狀鑒定包含藥材的性狀、大小、顏色、表面特征、氣味等；顯微鑒定包括組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞內(nèi)含物、細(xì)胞壁性質(zhì)等；理化鑒定包括一般常數(shù)的測(cè)定、一般的理化鑒別等信息素材。用戶可以通過(guò)該模塊辨別中藥材的真?zhèn)巍＂壑兴幣谥颇K。該模塊主要包含了中藥炮制方法、炮制目的、炮制對(duì)中藥化學(xué)成分的影響，以及炮制品的質(zhì)量要求和藥材的貯藏條件等信息。可以收錄或提供藥名、炮制品名、炮制歷史、炮制方法、炮制意義、飲片性狀、儲(chǔ)藏方法、炮制研究等各個(gè)方面的數(shù)據(jù)。若暫無(wú)某項(xiàng)目的古今資料，待有新的發(fā)現(xiàn)后可隨時(shí)增補(bǔ)。④配伍應(yīng)用模塊。用戶在此模塊可以查找到中成藥、組方、處方來(lái)源、功能禁忌等。⑤中藥現(xiàn)代研究模塊。本模塊包括生物技術(shù)、現(xiàn)代藥理與毒性研究、引種栽培、中藥化學(xué)成分分析及其圖譜等。⑥中醫(yī)藥文獻(xiàn)模塊。本模塊包括中文文獻(xiàn)、外文文獻(xiàn)兩部分，用戶可以通過(guò)此模塊查詢到有關(guān)中藥的典籍及文獻(xiàn)。⑦中藥市場(chǎng)模塊。本模塊包括中藥材市場(chǎng)、中成藥市場(chǎng)、中醫(yī)藥法規(guī)三個(gè)部分，用戶可以檢索到中藥、中成藥的價(jià)格變化、生產(chǎn)地點(diǎn)和廠家、管理等信息。⑧留言本模塊。本模塊主要用于用戶留言，提供用戶與管理員之間的交流通道。進(jìn)入此模塊，必須進(jìn)行注冊(cè)。本數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有維護(hù)更新功能，系統(tǒng)管理人員可以隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、更新、刪除工作，以確保中藥量子信息素材數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性、新穎性。4.3 系統(tǒng)頁(yè)面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.3.1 系統(tǒng)首頁(yè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)首頁(yè)及子系統(tǒng)界面顏色的設(shè)計(jì)中，為體現(xiàn)出我國(guó)中藥的韻味，本系統(tǒng)主要采用了淡綠色、白色的搭配，圖片上采用了銀杏葉、人參花等中藥原植物等素材，充分體現(xiàn)了本系統(tǒng)的主題是中藥。系統(tǒng)前臺(tái)頁(yè)面的首頁(yè)也就是一級(jí)頁(yè)面，是每一個(gè)用戶均可瀏覽查看的界面，主要包括：簡(jiǎn)單搜索欄、網(wǎng)站介紹、登錄口、友情鏈接欄，通過(guò)首頁(yè)上方的導(dǎo)航可分別進(jìn)入中藥基本信息、中藥鑒定、中藥炮制和中藥現(xiàn)代研究等頁(yè)面。系統(tǒng)前臺(tái)總頁(yè)面如圖3所示。 圖3 中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)前臺(tái)主頁(yè)面 4.3.2 系統(tǒng)后臺(tái)頁(yè)面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 針對(duì)中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理，經(jīng)過(guò)權(quán)限設(shè)定分為系統(tǒng)管理員和普通會(huì)員，普通會(huì)員經(jīng)登錄后可以實(shí)現(xiàn)查看信息及留言等功能。后臺(tái)頁(yè)面功能主要是針對(duì)系統(tǒng)管理員，系統(tǒng)管理員可以對(duì)普通會(huì)員、通知通告、中藥信息數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行新增、修改、刪除等系列管理。系統(tǒng)后臺(tái)功能邏輯如圖4所示。圖4 中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)后臺(tái)功能邏輯圖通過(guò)分析、整理中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的整體功能，我們實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)后臺(tái)管理，系統(tǒng)后臺(tái)頁(yè)面如圖5所示。 圖5 中藥量子信息素材數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)后臺(tái)管理頁(yè)面5 總結(jié)中藥信息素材的量子化處理，大大提高了計(jì)算機(jī)的處理效率，為中藥的信息化、數(shù)字化做準(zhǔn)備，加速了“數(shù)字化”進(jìn)程，為知識(shí)發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，中藥數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)也在不斷更新完善，并在科研中發(fā)揮重要的作用。本課題旨在建立與完善中藥素材基本量子數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，但是應(yīng)該看到，這類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)水平也有待提高，中藥數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)思想也值得深入探討。同時(shí)，伴隨著中藥信息素材數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，將量子化技術(shù)應(yīng)用于中藥信息素材的分析、加工和整理，雖然可以使一些復(fù)雜的中藥數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔化、精確化和規(guī)范化，但同時(shí)也帶來(lái)了中藥信息素材損失率增加的情況。將中藥量子化技術(shù)與中藥全文檢索技術(shù)相結(jié)合，可在一定程度上解決該問(wèn)題。我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究方法的日益創(chuàng)新，中藥的現(xiàn)代化和國(guó)際化進(jìn)程將逐步加快。最誠(chéng)摯地感謝江西中醫(yī)藥大學(xué)研究生院柯瑜及其他老師們，在申報(bào)、開(kāi)展創(chuàng)新課題及撰寫(xiě)論文期間，給予我耐心的指導(dǎo)和真誠(chéng)的幫助；并定期組織座談會(huì)及交流會(huì)，保證了更好地完成課題、論文。參考文獻(xiàn)[1]萬(wàn)仁甫，徐偉亞.中藥數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].中國(guó)藥房，2006，17（10）：794-796.[2]彭勇，黨毅，梁少偉，等.國(guó)內(nèi)醫(yī)藥信息數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介[J].中國(guó)中醫(yī)藥信息雜志，1999，6（1）：73-75.[3]陳峰，崔蒙.中藥信息系統(tǒng)建立初探[J].中草藥，2000， 31（11）：81-83.[4]吳錦屏，簡(jiǎn)云江.中國(guó)自建醫(yī)藥數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)狀分析及對(duì)策探討[J].衛(wèi)生軟科學(xué)，2001，15（6）：52-56. [5]方曉陽(yáng)，朱江，梅軍，等.中藥信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中草藥，2001，32（9）：860-861.[6]顧東蕾.淺議網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的中醫(yī)藥學(xué)古籍文獻(xiàn)資源共
享[J].中國(guó)中醫(yī)藥信息雜志，2005，12（1）：109-110.[7]章新友，吳園園，周敏.中藥量子信息系統(tǒng)的研制[J].時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥，2010，21（12）：3326-3328.[8]吳園園，章新友.中藥信息量子化研究[J].江西中醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，20（2）：56-57.[9]吳園園，章新友.我國(guó)中藥信息系統(tǒng)存在的問(wèn)題與對(duì)策[J].時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥，2009，21（10）：2583-2584.[10]章新友，肖芬芬.中藥材電子商務(wù)系統(tǒng)的需求分析與設(shè) 計(jì)[J].時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥，2012，23（10）：2621-2623.（收稿日期：2013-11-01，編輯：李琳）
