量子计算论文范文

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井字梁的计算及施工图处理

1、井字梁与柱子采取“避”的方式，调整井字梁间距以避开柱位；避免在井字梁与柱子相连处井字梁的支座配筋计算结果容易出现的超限情况；减少梁柱节点在荷载作用下，由于两者刚度相差悬殊而成为受力薄弱点以致首先破坏，由于井字梁避开了柱位，靠近柱位的区格板需另作加强处理。

2、"井字梁与柱子采取“抗”的方法，把与柱子相连的井字梁设计成大井字梁，其余小井字梁套在其中，形成大小井字梁相嵌的结构形式，使楼面荷载从小井字梁传递至大井字梁，再到柱子。

3、井字梁截面高度的取值以刚度控制为主，除考虑楼盖的短向跨度和计算荷载大小外，还应考虑其周边支承梁抗扭刚度的影响。

4、由于井字梁楼盖的受力及变形性质与双向板相似，井字梁本身有受扭成分，故宜将梁距控制在3m以内。

5、井字梁一般可按简支端计算。

6、当井字梁周边有柱位时，可调整井字梁间距以避开柱位，靠近柱位的区格板需作加强处理，若无法避开，则可设计成大小井字梁相嵌的结构形式。

7、钢筋混凝土井字梁是从钢筋混凝土双向板演变而来的一种结构形式。双向板是受弯构件，当其跨度增加时，相应板厚也随之加大。但板的下部受拉区的混凝土一般都不考虑它起作用，受拉主要靠下部钢筋承担。因此，在双向板的跨度较大时，为了减轻板的自重，我们可以把板的下部受拉区的混凝土挖掉一部分，让受拉钢筋适当集中在几条线上，使钢筋与混凝土更加经济、合理地共同工作。这样双向板就变成为在两个方向形成井字式的区格梁，这两个方向的梁通常是等高的，不分主次梁，一般称这种双向梁为井字梁(或网格梁)。

8、井字梁的支承井字梁楼盖四周可以是墙体支承，也可以是主梁支承。墙体支承的情况是符合计算图表的假定条件：井字梁四边均为简支。当只有主梁支承时，主梁应有一定的刚度，以保证其绝对不变形。

9、井字梁楼盖两个方向的跨度如果不等，则一般需控制其长短跨度比不能过大。长跨跨度L1与短跨跨度L2之比L1/L2最好是不大于1.5，如大于1.5小于等于2，宜在长向跨度中部设大梁,形成两个井字梁体系或采用斜向布置的井字梁，井字梁可按45°对角线斜向布置。

10、两个方向井字梁的间距可以相等，也可以不相等。如果不相等，则要求两个方向的梁间距之比a/b=1.0~2.0。实际设计中应尽量使a/b在1.0~1.5之间为宜，最好按井字梁计算图表中的比值来确定，应综合考虑建筑和结构受力的要求,一般取值在1

2～3m较为经济,但不宜超过3.5m。

11、两个方向井字梁的高度h应相等，可根据楼盖荷载的大小，取h=L2/20,但最小h不得小于短跨跨度1/30.

12、梁宽=取梁高1/3（h较小时）1/4（h较大时），但梁宽不宜小于120mm。

13、井字梁的挠度f一般要求f≤1/250，要求较高时f≤1/400。

14、井字梁的楼板井字梁现浇楼板按双向板计算，不考虑井字梁的变形，即假定双向板支承在不动支座上。双向板的最小板厚为80mm，且应大于等于板较小边长的1/40。

15、井字梁的配筋井字梁的配筋和一般梁的配筋基本上要求相同。但在设计中必须注意以下几点：

a.在两个方向梁交点的格点处，短跨度方向梁下面的纵向受拉钢筋应放在长跨度方向梁下面的纵向受拉钢筋的下面，这与双向板的配筋方向相同。

b.在两个方向梁交点的格点处不能看成是梁的一般支座，而是梁的弹性支座，梁只有在两端支承处的两个支座。因此，两个方向的梁在布筋时，梁下面的纵向受拉钢筋不能在格点处断开，而应直通两端支座。钢筋不够长时，必须采用焊接，其焊接质量必须符合有关规范要求。C.由于两个方向的梁并非主、次梁结构，所以两个方向的梁在格点处不必设附加横向钢筋。但是在格点处，两个方向的梁在其上部应配置适量的构造负钢筋，不宜少于2根Ф12，以防在荷载不均匀分布时可能产生的负弯矩，这种负钢筋一般相当于其下部纵向受拉钢筋的1/3。

16、井字梁楼盖的混凝土强度等级不应低于C20。为了避免和减小楼盖混凝土的收缩裂缝,混凝土的强度等级不宜太高。

17、井字梁和边梁的节点宜采用铰接节点,但边梁的刚度仍要足够大,并采取相应的构造措施。若采用刚接节点,边梁需进行抗扭强度和刚度计算。边梁的截面高度大于或等于井字梁的截面高度,并最好大于井字梁高度的20%～30%。

18、与柱连接的井字梁或边梁按框架梁考虑,必须满足抗震受力(抗弯、抗剪及抗扭)要求和有关构造要求。梁截面尺寸不够时,梁高不变,可适当加大梁宽。

19、对于边梁截面高度的选取,应按单跨梁的规定执行,一般可取h=L/8～L/12(L为边梁跨度)。梁柱截面及区格尺寸确定后可进行计算,根据计算情况,对截面再作适当调整。

20、在边梁内应按计算配置附加的抗扭纵筋和箍筋,以满足边梁的延性和裂缝宽度限制要求。21、在节点两边,边梁要增设附加吊筋或吊箍,将交叉梁的全部支座反力传到边梁的受压区;在楼面梁端部(一倍梁高的范围)需加密箍筋,且不少于Φ8@100。

22、井字梁最大扭矩的位置,一般情况下四角处梁端扭矩较大,其范围约为跨度的1/4～1/5。建议在此范围内适当加强抗扭措施

井式梁板结构的布置方式：

井式梁板结构的布置一般有以下五种，下面分别于以说明。

1、正式网格梁

网格梁的方向与屋盖或楼板矩形平面两边相平行。正向网格梁宜用于长边与短边之比不大于1.5的平面，且长边与短边尺寸越接近越好

2、斜向网格梁

当屋盖或楼盖矩形平面长边与短边之比大于1.5时，为提高各项梁承受荷载的效率，应将井式梁斜向布置。该布置的结构平面中部双向梁均为等长度等效率，于矩形平面的长度无关。当斜向网格梁用于长边与短边尺寸较接近的情况，平面四角的梁短而刚度大，对长梁起到弹性支承的作用，有利于长边受力。为构造及计算方便，斜向梁的布置应与矩形平面的纵横轴对称，两向梁的交角可以是正交也可以是斜交。此外斜向矩形网格对不规则平面也有较大的适应性。

3、三向网格梁

当楼盖或屋盖的平面为三角形或六边形时，可采用三向网格梁。这种布置方式具有空间作用好、刚度大、受力合理、可减小结构高度等优点。

4、设内柱的网格梁

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二、试验

该试验利用自主研发的“GIS综合试验系统”进行了载负量计算模型的嵌入实现。选择郑州地区的4个不同区域，在同一比例尺下进行电子地图的绘制(如图2所示)，并实时利用载负量计算模型得出4个不同区域内电子地图载负量的值。为了对比，将试验区域内的4幅电子地图输出成为BMP格式的图像，并利用Photoshop软件进行色彩处理，获得每幅图像中非底色(白色)部分的像素个数(该部分为目标颜色值)，除以图像像素总个数，从而获得每幅地图的载负量。上述获得的两组载负量的值见表4。从表4可以看出，在图2(a)中，模型计算方法获得的载负量比色差识别法获得的载负量要小，而图(c)中模型计算方法获得的载负量比色差识别方法计算的载负量要大。经过分析，由于图2(a)中含有面对象，而面的普染色在利用色差识别方法时将面要素的内部填充色也作为要素载负量进行了计算，但地图学理论［2］中一般不将面要素的色彩填充作为地图面积载负量，因此造成了图2(a)中载负量的差值;图2(c)中，由于没有面要素内部色彩被计算成载负量，而模型计算方法在计算过程中考虑了要素的空白位置，造成了模型计算方法计算的结果比色差识别法计算的结果值要略大，类似的情况在图2(c)中也出现了。图2(d)中由于面要素的区域稍大，而整体图面内要素数量较少，造成了利用色差识别法计算的载负量比模型计算方法计算的结果值稍大。

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1994年7月毕业于南京大学物理系；1999年在中科院物理所获博士学位；1999年9月至2001年7月在清华大学高等研究中心完成博士后研究工作；2001年起在北京师范大学任教。

这就是寇谡鹏的求学、治学之路：水到渠成、充实而不平庸。早在青少年时期，寇谡鹏就对物理产生了浓厚的兴趣，对科研发自心底的热爱。当时，物理学在国内很有影响力，全国到处都在宣传像李政道、杨振宁这些获得诺贝尔奖的华裔物理学家，国内很多优秀学生在大学阶段都选择了攻读物理，寇谡鹏也是其中之一。但是，他的选择却并非跟风的盲目之举，而是基于发自心底的对物理学科的热爱，他说，　“只有真正的兴趣使然，才会深入的、耐得住寂寞的钻研学问”。

也正是由于兴趣使然，寇谡鹏学习刻苦、成绩优异，在中国科学院物理研究所攻读博士学位期间，他被评为中国科学院研究生院优秀研究生，曾获得中国科学院院长奖学金优秀奖。

1999年，寇谡鹏进入清华大学高等研究中心做博士后研究工作，那里有世界一流大学的研究模式和条件，有宽松自由的学术环境，在那里，寇谡鹏结识了当今华人物理界的众多精英，采访中他就反复提及翁征宇、文小刚等人的名字，称赞他们在物理研究中的杰出成就。和众多大师级的人物近距离的接触，也增加了他们之间合作的机会。2004年，寇谡鹏作为北京师范大学物理学科学术带头人的培养对象，在“杰出青年学者数学物理研修项目”资助下被派往美国麻省理工学院研修，合作导师就是文小刚教授。

刻苦求索，玉汝于成。多年来，寇谡鹏始终瞄准理论物理的前沿尖端方向做研究，他的研究领域涉及强关联电子系统、高温超导理论、介观物理、量子场论、拓扑序和拓扑量子计算等。至今，他已在强关联电子系统、高温超导体机制、拓扑量子态等研究领域中取得了若干创造性的成果，在国际国内重要期刊60余篇，其中美国物理评论快报（PRL）3篇、美国物理评论（PR）27篇、欧洲物理快报（EPL）3篇。目前主持国家自然科学基金一项，科技部973项目量子调控子项目两项，主持博士点基金（博导类）一项，国内、国际学术会议邀请报告近二十余次。并担任美国物理评论快报、美国物理评论、中国科学、中国物理、理论物理通讯、物理学报、物理学前沿等国际、国内杂志审稿人。

科研篇――瞄准前沿发展尖端

一心做学问、专注自己有兴趣的领域，也使寇谡鹏得到了同行的认可，入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”并获得第十三届茅以升北京青年科技奖。以下是他的代表性成果：

在拓扑序的分类及拓扑量子相变研究中，发现了一类二维Z2拓扑数，可以利用这种新的拓扑数对拓扑序、拓扑超导进行分类，另外，还发现Z2拓扑序可以由MutuaI-Chern-Simons场论描述，包括拓扑简并、手征边缘态等。获得完整的有效理论可以使得我们很方便的描述拓扑序的低能物理行为。还利用分数量子霍尔态中的hierarchy　theory提出了Mutual　Chern-Simons　Landau-Ginzburg方法，得到了一类拓扑序量子相变的普适性原理。还运用对偶方法得到了基于自旋模型的Z2拓扑序的量子相变的一些严格结果，通过引入了闭弦算符描述该相变，发现这类量子相变开弦和闭弦的对偶关系。

在拓扑量子计算中，提出了一种新的拓扑量子计算方案，通过控制拓扑序基态的量子隧道效应进行拓扑量子计算，解决了如何控制拓扑序基态的难题。为此系统化的研究了拓扑序的量子隧道效应，在此基础上进一步提出更适合进行拓扑量子计算的表面码的拓扑量子计算方案，该工作被多个虚拟网络杂志多次选录。

在相互作用电子系统中的新奇量子态领域，系统化的研究了一类关联费米系统：Nodal绝缘体。这是在六角格子或丌-磁通格子中的相互作用电子系统。发现在金属绝缘体转变附近可能存在一种新的物态：nodal自旋液体，一种具有自旋旋转对称性、又有空间平移对称性的非磁绝缘体。发现其中的拓扑元激发是无质量的费米激发，存在电荷自旋分离现象。相关工作作为“Review　article”被邀请写入Nova　science　Publishers的新书“Insulators：Types，Properties　and　Uses”。另外，基于关联拓扑绝缘体，从理论上预言了可能存在的三种新奇量子态：手征自旋液体、拓扑自旋密度波、复合自旋液体。其中，复合自旋液体态不同于已知的所有自旋液体，其元激发为电子和skyrmion拓扑激发的复合体，没有自旋电荷分离。

在高温超导体的拓扑理论领域，从高温超导体的微观模型出发，得到了一个有效场论模型。利用随机重整化群技术研究了高温超导体绝缘体一超导转变的物理机制，发现该转变的物理本质是一个量子临界点，在该量子临界点发生对偶禁闭退禁闭转变。并在此基础上解释了高温超导体中条纹相不稳定性的起源。另外，从低能有效场论出发，预言在赝能隙区，在外加电磁场的情况下，高温超导体存在守恒的无耗散自旋流。

树人篇――用心育人凝练队伍

人才培养方面，寇谡鹏每年讲授本科生基础课“电磁学”将前沿知识融入教学中，取得了很好的教学效果，同时指导了十多个本科毕业论文和两个本科生校级科研基金项目。另外参与教学改革：主持校级精品课“电磁学”，还参与北京市精品课“固体物理”和北师大“电磁学网络课程”的建设。因此，他于2006年获得北京师范大学励耘奖优秀青年教师奖二等奖，2007年获得北京市教育创新标兵。

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【论文摘要】本文首先探讨了近似计算在静态分析中的应用问题，其次分析了纳米电子技术急需解决的若干关键问题和交互式电子技术应用手册，最后电子技术在时间与频率标准中的应用进行了相关的研究。因此，本文具有深刻的理论意义和广泛的实际应用价值。

一、近似计算在静态分析中的应用

在电子技术中应运中，近似计算贯穿其始终。然而，没有近似计算是不可想象的。而精确计算在电子技术中往往行不通，也没有其必要。尽管近似计算会引入一定的误差，但这个误差控制得好，不会对分析其它电路产生大的影响。所以关键在于我们如何掌握，特别是如何应用近似计算。

在工作点稳定电路中的应用要进行静态分析，就必须求出三极管的基电压，必须忽略三极管静态基极电流。这样，我们得到三极管的基射电子的相关过程及结论。

二、纳米电子技术急需解决的若干关键问题

由于纳米器件的特征尺寸处于纳米量级，因此，其机理和现有的电子元件截然不同，理论方面有许多量子现象和相关问题需要解决，如电子在势阱中的隧穿过程、非弹性散射效应机理等。尽管如此，纳米电子学中急需解决的关键问题主要还在于纳米电子器件与纳米电子电路相关的纳米电子技术方面，其主要表现在以下几个方面。

（1）纳米Si基量子异质结加工

要继续把现有的硅基电子器件缩小到纳米尺度，最直截了当的方法是采用外延、光刻等技术制造新一代的类似层状蛋糕的纳米半导体结构。其中，不同层通常是由不同势能的半导体材料制成的，构建成纳米尺度的量子势阱，这种结构称作“半导体异质结”。

（2）分子晶体管和导线组装纳米器件即使知道如何制造分子晶体管和分子导线，但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个非常棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜把分子元件排列在一个平面上；另一种组装较大电子器件的可能途径是通过阵列的自组装。尽管，PurdueUniversity等研究机构在这个方向上取得了可喜的进展，但该技术何时能够走出实验室进入实用，仍无法断言。

（3）超高密度量子效应存储器

超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件，它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。但是，有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，如何用这种器件组装成超高密度存储的量子效应存储器阵列或芯片同样给纳米电子学研究者提出了新的挑战。

（4）纳米计算机的“互连问题”

一台由数万亿的纳米电子元件以前所未有的密集度组装成纳米计算机注定需要巧妙的结构及合理整体布局，而整体结构问题中首当其冲需要解决的就是所谓的“互连问题”。换句话说，就是计算结构中信息的输入、输出问题。纳米计算机要把海量信息存储在一个很小的空间内，并极快地使用和产生信息，需要有特殊的结构来控制和协调计算机的诸多元件，而纳米计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大量的连接。就现有传统计算机设计的微型化而言，由于电线之间要相互隔开以避免过热或“串线”，这样就有一些几何学上的考虑和限制，连接的数量不可能无限制地增加。因此，纳米计算机导线间的量子隧穿效应和导线与纳米电子器件之间的“连接”问题急需解决。

（5）纳米/分子电子器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境

当前，分子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速发展，利用这些技术建立一个能够完成纳米电子器件制备、操纵、设计与性能分析的模拟虚拟环境，并使纳米技术研究人员获得虚拟的体验已成为可能。但由于现有计算机的速度、分子力学与量子力学算法的效率等问题，目前建立这种迅速、敏感、精细的量子模拟虚拟环境还存在巨大困难。

三、交互式电子技术手册

交互式电子技术手册经历了5个发展阶段，根据美国国防部的定义：加注索引的扫描页图、滚动文档式电子技术手册、线性结构电子技术手册、基于数据库的电子技术手册和集成电子技术手册。目前真正意义上的集成了人工智能、故障诊断的第5类集成电子技术手册并不存在，大多数电子技术手册基本上位于第4类及其以下的水平。需要声明的是，各类电子技术手册虽然代表不同的发展阶段，但是各有优点，较低级别的电子技术手册目前仍然有着各自的应用价值。由于类以上的电子技术手册在信息的组织、管理、传递、获取方面具有明显的优点。简单的说，电子技术手册就是技术手册的数字化。为了获取信息的方便，数字化后的数据需要一个良好的组织管理和提供给用户的形式，电子技术手册的发展就是围绕这一过程来进行的。

四、电子技术在时间与频率标准中的应用

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化学反应微分截面的实验测量能够最细致地反映一个化学反应的本质特征，而通过求解在势能面上运动的原子核的薛定谔方程来得到基元化学反应的微分截面则是量子动力学理论计算的终极目标。   在过去的几十年间，经过包括中科院大连化学物理研究所杨学明、张东辉等研究组在内的科学家们的不懈努力，人们已经基本解决了三原子化学体系的量子动力学难题，能够定量地计算三原子体系的微分散射截面。然而，从三原子体系发展到更多更复杂的反应体系，则是一个巨大的挑战。作为向前发展第一步的四原子体系相对于三原子体系，体系的自由度从3增加到6，这意味着无论是势能面的构造还是散射动力学的计算，从难度到计算量都有巨大的增加。譬如，对于势能面的计算，如果每个维度计算100个位点，那么四原子体系的6个自由度相对于三原子体系的3个自由度，所需计算的位点数量就增加了一百万倍！而每个位点的能量计算、势能面的拟合等的难度和计算量都因为原子核和电子数量增加而急剧增大，由此可知量子动力学理论计算从3原子体系发展到4原子体系，困难之大超乎想像。   H2 + OH → H2O + H反应体系是四原子反应体系的基本范例，是燃烧化学和星际化学中的重要反应，其逆反应则是选模化学的研究样板。在过去的几年间，大连化物所杨学明、张东辉研究组对该反应的同位素替代反应HD + OH → H2O + D进行了反应动力学研究。理论上，他们发展出一套非常有效的含时波包方法，能够对六个自由度的四原子反应进行精确的计算，同时用更精确的方法构造了该反应体系的势能面，从而完成了该体系的第一个全维量子态分辨的动力学计算。实验上，他们采用高分辨的交叉分子束—里德堡氘原子飞行时间谱方法测量了HD + OH → H2O + D在不同反应能下的微分截面及其随碰撞能的变化关系。实验结果和理论计算结果高度吻合。   这是首次对一个四原子反应体系的态-态微分截面取得理论和实验高度吻合的研究结果，是分子反应动力学研究的一个重要突破，也意味着大连化物所在分子反应动力学领域继续牢固占据着国际领先地位。   该项研究得到了科技部和国家自然科学基金委的资助，研究成果发表在7月22日出版的美国《科学》杂志上（Science 333，440(2011)）。（来源：中科院大连化学物理研究）

      硕士论文、职称论文、医学职称毕业论文、、、，更多详细信息请关注。   原文链接：《科学》摘要（英文）   英文摘要：   Quantum dynamical theories have progressed to the stage in which state-to-state differential cross sections can now be routinely computed with high accuracy for three-atom systems since the first such calculation was carried out more than 30 years ago for the H + H2 system. For reactions beyond three atoms, however, highly accurate quantum dynamical calculations of differential cross sections have not been feasible. We have recently developed a quantum wave packet method to compute full-dimensional differential cross sections for four-atom reactions. Here, we report benchmark calculations carried out for the prototypical HD + OH → H2O + D reaction on an accurate potential energy surface that yield differential cross sections in excellent agreement with those from a high-resolution, crossed–molecular beam experiment.

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1背景

智能科学与技术是人工智能方向的重点交叉学科，是一个包含了认知科学、脑科学、计算机科学的新兴学科。按照教育部学科专业目录，智能科学与技术是一级学科计算机科学与技术下的二级学科。如何在4年的本科教学过程中，既立足于计算机学科内容，又突出智能专业的特点，体现该专业区别于计算机科学专业的特色，培养一流的智能人才，是众多智能专业积极探索的问题。

本着帮助学生建立宽广厚实的知识基础，使学生将来能向本专业任何一个分支方向发展，并能掌握本学科发展的最新动态和发展趋势，深刻领会本学科与其他相关学科区别的目标，厦门大学智能科学与技术系于2012年合理调整了专业培养方案，制定了一套突出专业特色和个性的教学大纲，课程体系分为学科通修课程、专业必修课程、专业选修课程。其中，专业必修课程细分为智能基础类课程、软件理论类课程及硬件基础类课程3个不同类别。在智能基础类课程中，开设非经典计算课程。该课程是厦门大学智能科学与设计系最具特色的课程。

该课程以软件理论类课程算法设计与分析为先导课程，在本科三年级的第一学期先讲授算法知识，在同一学年度第三学期讲授非经典计算的内容。教师首先介绍经典算法设计与分析中的各种传统算法，借由经典算法发展过程中遇到的困境问题引出非经典计算的内容，前后呼应，有助于学生在智能计算上获得完整的系统学习。

2非经典计算在智能科学与技术专业本科教学算法体系中的地位

算法设计是智能科学与技术专业中的核心内容。本科专业4年的专业教学计划由4门核心课程构成算法体系的主线，包括高级语言程序设计（本科一年级学科通修课程）、数据结构（本科二年级方向必修课程）、算法设计与分析（本科三年级方向必修课程）、非经典计算（本科三年级方向限选课程）。这4门课程的教学内容和组织结构完整地构成了算法体系结构。以图灵奖获得者、pascal之父Niklaus Wirth提出的著名公式为参照，即Algorithm+Data Structures=Programs，算法体系以培训计算机方向学生掌握编程能力，独立完成分析问题、设计方案、解决问题的综合能力为主要目标；在这个体系中，程序语言是基础，数据结构是内涵，算法是框架。

在算法体系中，这4门课程以循序渐进的方式展开，注重对学生算法思维的培训。

（1）高级语言程序设计讲授的是c语言程序设计，通过对C语言的详细介绍，让学生掌握程序设计方法和编程技巧。作为初始启蒙课程，选择C语言作为程序教学语言，是因为C语言的使用广泛，拥有严格完整的语法结构，适合教学。

（2）数据结构重点讲授各种常用的数据表示逻辑结构、存储结构及其基本的运算操作，并介绍相关算法及效率分析。教师通过在一年级对包括C语言在内的其他程序设计过程的训练，加人对数据结构中各种数据的逻辑、存储结构的表示和运算操作，从数据结构的角度阐述典型算法，并简单介绍算法的效率分析，这是对程序设计训练的进阶内容。

（3）算法设计和分析主要介绍算法设计与分析的基本方法以及算法复杂性理论基础。我们在本科三年级引入算法设计与分析课程，从算法的抽象角度总结和归纳各种算法思想，包括递归与分治法、贪心法、动态规划法、回溯法、分支定界法、高级图论算法、线性规划算法等，最后阐述算法复杂性的分析方法、NP完全性理论基础等计算复杂性的基本知识及完备性证明概要，重点阐述算法思想，从复杂性角度比较和分析不同的算法。上述（1）、（2）和（3）的内容构成了计算机学科通用算法体系的教学过程。

（4）非经典计算主要讨论何为计算的本质以及经典计算在计算能力上遇到的困境，以此为契机讨论自然计算――生物计算、集群计算、量子计算等内容。算法设计和分析的最后一个章节是对算法复杂性的分析方法及NP完全性理论基础的介绍，不可避免地会讨论到现代电子数字计算机体系在计算能力上的瓶颈以及由NP完全问题（Non-deterministic Polynomial），号称世界七大数学难题之一的经典问题，引出对经典计算机体系的深层思考，进一步引导学生思考如何解决计算能力的瓶颈问题。这是教师设计非经典计算课程的出发点，也是对算法体系更完整的补充和更深层次的探讨。

此外，我们还需要对授课学期选择进行考虑。厦门大学实行三学期制度，在第三学期内开设的课程大多是实践类课程及前沿技术介绍课程。在本科三年级的小学期阶段，学生基本完成了智能专业大部分必修课程的学习，拥有了一定的计算机基础和学科素养。这时，依赖学生已经具有的数据结构与算法的基本知识，可以将学生的学习引向如何理解计算的本质；再从计算本质出发，由易到难，介绍采用非计算机的不同计算媒介和方法，例如DNA计算、元胞自动机、集群计算等知识，结合计算机模拟程序加深认识。在逐步加深学生对非经典方法计算的理解之后，再引入量子信息与量子计算。至此，智能专业关于算法体系的整体构建已基本完成。

3非经典计算课程内容大纲

非经典计算课程的主体课程内容以专题形式展开，分为5个部分。

第一部分：计算本质。从什么是计算人手，列举各种计算的形式，由数字的计算到命题的证明，由数值计算到符号推导，引出计算本质的广义定义，“计算是从一个符号串f变换成另一个符号串g”，即从已知符号（串）开始，一步一步地改变符号（串），经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号（串）的变换过程；进一步展开对什么是计算、什么是可计算性的讨论，展开介绍计算理论上4个著名的计算模型――般递归函数、λ可计算函数、图灵机和波斯特系统；最后归结到丘奇・图灵论点。以上是第一条主线，第二条主线从计算复杂性角度人手，讨论在经典算法中难解决的NP完全问题，提出在经典计算体系中随着输入数据规模增大而难以计算的瓶颈，从而引发学生对于经典计算的思考。

第二部分：智能计算机的发展。这个部分主要讨论计算机硬件的发展历史，即从原始时期的计算工具，到现代计算机的4个发展阶段：史前期、机械式计算机、机电式计算机、电子计算机。教师从模拟型计算机到数字型计算机，阐述冯・诺依曼关于计算机五大基本组成对现代计算机体系结构的影响及其带来的限制；从硬件角度提出非经典计算机的讨论，鼓励学生对现代智能计算机硬件进行调查。

第三部分：DNA计算。主要阐述DNA计算的基本原理，并以旅行商问题为引子，展开经典计算难解决问题的讨论，重点介绍第一个由DNA计算模型解决的问题――L.Adleman构建的7个节点的DHP，并着重指出DNA计算潜在的巨大并行性和待研究的问题；然后介绍R.Lipton用DNA实验解决的另一个NP问题――可满足性问题（SAT）；最后将DNA计算与软计算结合，阐述粘贴模型以及DNA的软计算模拟与遗传算法的对比。对于DNA计算强大的并行性，以具体的算法实例加以详细阐述和说明，教师应指出分子计算的优缺点以及在计算能力上的巨大潜力。

第四部分：细胞自动机和集群计算。这个部分主要讨论群体计算，一方面，从细胞自动机的形式化阐述及其所带来的哲学意义出发，描述细胞自动机在计算机交叉学科上的运用；另一方面，介绍集群计算，以欧盟“蓝脑计划”为出发点，阐述如何从硬件体系和软件体系上用计算机架构类神经元的协同合作方式。

第五部分：量子计算。从基本的量子力学知识开始，完整阐述量子计算的基本概念、量子信息、量子计算机和量子通信。量子计算机的构建除了要包含最基本的操作外，还需要介绍基本的量子计算机体系结构、计算载体等知识，加深对量子计算的理解，最后介绍的量子通信。这种已经应用在实际生活中的量子计算，更贴合实际。

以上5个专题，结构清晰，分工明确。第一部分讨论经典计算的困境，第二部分讨论经典计算机的发展瓶颈，从第三部分开始，引入非经典计算模型，分别从生物学和计算机科学的交叉学科DNA计算、细胞自动机和集群计算、量子计算3个方面进行学习。5个专题，完成了对非经典计算中前沿热门计算模式的阐述，引导了学生对于前沿学科的认识和思考。

4非经典计算课程授课方式

本课程属于本科三年级第三学期的课程，授课除了上文提到的内容之外，另一个更重要的方面是引导学生对学科前沿以及热点内容的跟踪和思考。因此在教学方式上，我们采取了教师授课及学生调查报告相结合的形式。教师上课对应课程的基本内容，学生调查报告对应学科前沿跟踪与思考。

5个专题内容的授课经过了如下设计。在每个专题的授课结束后，布置相关专题内的一些热点、难点问题供学生课后查阅、讨论和思考。每个专题由学生自主报名，学生需要对相关内容进行跟踪，查阅近5年的科技文献，总结出论文综述，并准备10分钟左右的课堂报告，教师针对课堂报告指出相关的问题，由学生课后进行进一步的思考和再次的文献查阅，形成最终报告后提交课程论文。

这样的课程设计安排，可以很好地实现教学相长。在学生方面，促使学生除了上课听课，必须主动参与文献的查询过程，主动对授课内容或延展部分的概念进行思考。由于提供给学生选择专题的自由，所以也可以大大提高学生的积极性，让学生可以从感兴趣的角度对本门课程涵盖的内容进行调查，从而获得更加深刻的上课体验。最后，由于每个学生选择的题目必须提前汇总，不能与别人重复，所以在其听取其他学生的报告过程中，学生可以更广地拓展自己的知识面。对于授课教师而言，能够保持对该门课程研究现状的实时性跟踪，更加全面地更新课程内容，还可以将学生查阅的重要理论和知识补充到课程基本内容中，同时促进教师与学生之间的互动，活跃课堂气氛，提高教学质量。

5关于非经典计算课程的几点思考

课程从厦门大学智能科学与技术系建系之初开始构思和授课，在授课过程中不断调整教学内容和课程设计，紧紧围绕学生的反馈完善课程建设。关于非经典计算课程的几点教学经验可以总结如下。

1）增加课时，优化对课程设计的安排。

2015年开始，由于学科教学计划的调整，非经典计算课程由最初的20课时拓展为30课时，集中在本科三年级第三学期进行讲授，一共5周，每周6课时。课时安排上，除了增加教学内容，更加强了对学生的文献查阅和报告部分的考查。在论文报告环节，争取做到有目标、有指导、有结论、有总结。学生所做的报告除了在初始选题阶段要有区别之外，还要求有一定的文献查阅难度。从选题确定，到针对报告指出具体的问题，要求学生根据教师指出的问题进行进一步的思考和资料查阅，最后形成论文。这样的安排贯穿整个课程的全过程，学生的参与度获得了极大的提高。对于教师而言，在学期末总结学生所做的报告内容，并增加本门课的知识点覆盖程度，对教学也有比较大的促进作用。

2）课程考核方式上的设计。

非经典课程属于必修课程，在考核方式上除了提交论文外，也必须要有必要的考试环节。在考试环节中，主要考查学生对教师上课内容的理解。在具体授课中，教师从经典计算到非经典计算进行讲解，也从算法角度给出了非经典计算强大计算力带来的改变，既延续了经典算法课程中对算法的介绍和讨论方式，又对比了典型问题在经典算法和非经典算法中的不同解决方式。这样的授课内容作为对算法体系基本知识点的考查，以闭卷考试内容来设计，是十分合适的。课程延展部分的开放知识点由学生的论文及报告内容进行评分衡量。最后，我们将两个部分的成绩作为本门课程的最终成绩。

3）课程教材的选定。

篇7

【关键词】简谐振动；洛伦茨变换；单摆周期；共振现象；波动函数值方程式；物质场的质量

单摆是初中以及高中物理教学中的一个重要实验，它揭示了一个重要的规律：单摆的等时性，即在摆角很小的情况下（＜10度），忽咯空气阻力等外部因素。在遵守胡克定律的范围之下，单摆的周期只与摆长（L）及摆球所处的位置的重力加速度（G）有关。单摆的周期公式：T=2∏√L/G。这是加利洛在小时候根据灯的晃动逐渐等到的规律；单摆的等时性。并制作了时钟。

爱因斯坦说他最大的错误是引进了宇宙常数，其实那是小问题。他的二个更大的错误：1.他认为时间可以倒流；2.他把光速当成宇宙的限速而且把它当成相对论的基础。

说一下爱因斯坦的理论依据，那就是著名的洛伦茨变换。利用这个变换可以解释运动物体的时间和尺寸变化了。我们看一下他的公式和推导过程；　狭义相对论中关于不同惯性系之间物理事件时空坐标变换的基本关系式。设两个惯性系为S系和S′系，它们相应的笛卡尔坐标轴彼此平行，S′系相对于S系沿x方向运动，速度为v，且当t=t′=0时，S′系与S系的坐标原点重合，则事件在这两个惯性系的时空坐标之间的洛伦兹变换为　x′=γ（x－vt），y′=y，z′=z，t′=γ（t－vx/（c*c）），式中γ=（1－v2/c2）^-1/2；c为真空中的光速。不同惯性系中的物理定律必须在洛伦兹变换下保持形式不变。

在相对论以前，H.A.洛伦兹从存在绝对静止以太的观念出发，考虑物体运动发生收缩的物质过程得出洛伦兹变换　。在洛伦兹理论中，变换所引入的量仅仅看作是数学上的辅助手段，并不包含相对论的时空观。爱因斯坦与洛伦兹不同，以观察到的事实为依据，立足于两条基本原理：相对性原理和光速不变原理，着眼于修改运动、时间、空间等基本概念，重新导出洛伦兹变换，并赋予洛伦兹变换崭新的物理内容。在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式，狭义相对论的运动学结论和时空性质，如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出

大家看二个问题：1.相对性原理即S与S’二个惯性系等价，而且各惯性系内各点也等价。这是一个错误的假设，因为在空间中S与S’不等价，各点也不会等价。（当然，在后来的广义相对论中他又说因为时空弯曲，各点不能等价，前后相左）；2.光速不变　以光速不变确定常数γ，如果物质运动超过光速，物质就不存在了。也就是限定物质的运动不能超过光速，我无语。可怜的爱因斯坦。

可是测量我们做过的许多实验，发现物质在运动时：时间在测量上真的改变了，尺子也真的变短了。好像时间真的可以倒流，物质运动时特别高速运动时，时间真的变化了。

我来和大家解释一下吧：不是时间变化了，而是时钟真的变化了。因为时钟变化了，所以所有的洛伦茨变换中时间变换应该看成时钟变化。时钟的运动是有规律的，当你改变它的一些因素，它就发生变化。单摆的T=2∏√L/G，当L变化时T变化，当G变化时T也变化的。所以这一个时钟在运动时，和静止时周期T是不同的。你想已经变化了的时钟，你如何测出不变的结果。你的一秒已经变成人家的一年，你还当成时间可以改变，时空可以倒流了。二个坐标系也是如此道理，已经变化了，你还说可以等价，时空只好变化了。这是爱因斯坦的悲哀。时空里的物质变化了，当成时空变化。时间不会变，空间也不会变，但是这里面的物质可以发生改变，而且可以任意变化。

爱因斯坦认为不需要引力，但他用G（重力加速度）。我是根本不存在万有引力，但我也用G。不同的是我的G是物质场之间的一个相互作用，由整体到局部，由微观到宏观，物质场之间的一个作用（下面会详细说明这一原理）。所以在惯性系内的各点作用也不会相同，任一点都不会相同。为什么说的那么复杂呢？我也不想，可是我们这世界就是这么：在任一点上并不等价。所有的物质都按照自己的规律运行着，在任一点上都有不同的量子运行方式。所以我们研究物质运动一定看什么环境，什么地点，以及物质的量子运行方式。否则，我们得不到正确的解释。

当物质从S运动到S’点对于观测者而言时钟的T（周期）不同的，时钟可以变快也可以变化慢。这一点我们可以做试验的，而且我们有太多的时钟或者罗盘失灵的情况了。在遵守胡克定律的范围之内时钟麼名奇妙的变化，因为√L/G变化了，变化的越大，他的反应就越大，这是时钟变化的原因。我们再说一下尺子为什么变短。

上世纪，爱因斯坦和玻尔的论战持续了几十年，直到他们都去世也没有结束。他们的争论，玻尔一直占了上风。为此阿斯派特做了一系列著名的实验，阿斯派特的实验详细地证明了量子理论的正确性。当然，还有争议，但是人们开始相信这个世界是有量子组成的了。运动的尺子的确可能变短，但是也有可能变长。先不要争论，我给大家来认真的分析一下：尺子是不是由量子组成的？一个尺子是不是可以分成无数的小尺子？一个小尺子是不是可以看成一个量子？如果这些都可以的话：一个尺子是不是可以看成是大量的量子在运动，就是说L=∑DL。如果我们只给尺子一个方向的力，尺子只有一个方向的运动时，那么在胡克定律的范围之内，所有量子尺子会压缩尺寸，尺子会变短。

但是我今天给大家设计一个实验，让运动的尺子变长（这是相对论无法解释的）。高速来拉动尺子，并且在尺子的后面加一个物体并和尺子同时运动，但是只拉尺子。如果这样实验的话，我告诉大家：尺子会变长。因为所有的小尺子在拉力的作用下拉长了，那么反应到全部，尺子马上变长。当然大家可能会笑的：我的绝对论，里面什么样外面什么样；大的什么样，小的什么样。其实，这篇论文也是要把绝对论的原则给大家解释清楚的，免得大家认为我是在说哲理。爱因斯坦真的不知道这个世界是有量子来组成的，也不知道所有的量子都有自己的运行方式；更不知道所有的量子运行方式只能在一定的范围存在，超过这个范围量子运行方式就会改变。

我们再说一个现象：拉箱子。一下不动，二下不动，那么三下就可以拉动；推物体也是一样原理。大家一定听过这么一件事：一个人用小锤击打大块铁的事，他打了一二个小时上万次。当然，他也一定要按照一定规律才可以实现，如果乱来那就永远不会实现的。如果用牛顿的F=ma来看，这永远不会动。力不在了就没有作用力了，再打也是白搭，如何打也是白搭。再说一个画外话：任何人不准说我没有实验基础。我的实验基础就是生活的点点滴滴，无穷无尽。不需要精密的仪器，我也能完成最高级的实验。水滴穿石，已经几千万年了，比那个实验室都准确。绿豆只煮难烂，大钟不击自鸣，还要我再举例吗？

物质的运动是有小的物质运动来完成的，大物质是有小物质组成的，物质的运动是所有的量子共同完成的。我们击打一次，物质不动但是有一部分量子动了，但是大多量子没动它也动不了。当越来越多的量子，最后当所有的量子动了，那么物质的整体也就动了。牛顿力学的物质运动规律太硬性了，所以在处理微观粒子上不是太理想。既然今天我们认可物质是量子来组成的，那么我们在研究物质运动时就要从量子说起，那我们就要用到统计学∑，研究物质就要用到高等数学微积分原理。其实这正是量子力学的魅力：把大的变小，有小成大

我一直不用太多方程式，是因为这世界是真实的生命，无时无刻不在运动。但方程式是计算工具，在一定程度上使用是完全有必要的，方程式是人们认识世界的一个依据。我在这里列几个力学方程式供大家研究认证，同时与经典力学比较一下，重新理解物质运动规律。

1　F=ma变换式：F∑F，F∫DF，∫df=ma，ma∫dma，ma∑dma。（这里M是物质场的质量特性，以下雷同）。

2　W=FS　变化式：W=∫DFS，FS∑FS，S∫DS，F∫DF

3　P=MV　变换式：P=∫DMV，P∑P，依次类推把经典力学的公式建在大量的量子运动的基础上去研究。物质的运动是在量子运动的基础上进行的，物质运动不是连续的，但是是有规律的。

爱因斯坦的E=mc2，其实错到天边了。不是我不给他留面子，我也知道人们会说原子弹如何如何。我只说一句：原子弹释放的能量一定大于E=MC2。人们没有把所有能量计算在内，只是估算罢了。如果还有人不服，我再提醒一句：真空不空。水变成冰释放能量了，为什么质量没减少（当然也会有变化，但不是E=mc2，那是质量特性的波动函数变化）。

物质释放的能量与质量的关系并不大，也不能说没有关系。一斤木材和一百斤木材如果燃烧，的确不同。但是那是质变，我这里主要说量变（量子运行方式的改变）。在上篇中我说一个瓶子可以装下一个恒星的能量，那么在这篇我更近一步：一个量子就可以拥有一个恒星的力量。说一句让人吃惊的话，我们每个人的身体都可以拥有十个太阳的能量。大家想想物质有多大的能量或能释放多大的能量根本是不是取决于物质的量子运行方式？，结合一下传统的质量概念，我们还是使用物质场的概念来理解吧。

木材和钢铁以及石头这些物质从量子上看组成可以说是相同的，都是质子，中子，电子等等组成的。（这一点如果有人和我争论的话，我没时间）但是量子运行方式的不同造成了我们看到的截然不同的物质。大家高兴吗？因为这才是真正的物理理论，这才是真正解释物质和物质运动的原理。这世界是由量子来组成的，所有的量子都有自己的运行方式。这是经得起考验的真理，我们做实验吧。

再列一个公式；波动函数方程式H=E∝KC。H：波动函数值

E：能量（包括物质内部和外加能量）　K：系数

C：物质场（包括物质场的质量特性以及物质场的一定范围内的量子运行方式）。上篇论文没列这个方程式，是因为大家对量子运行方式的认识不是太深刻。我从来不大包大揽，量子运行方式的不同，物质和物质运动完全不同。

时间永远不会倒流，只会不停的向前走，即使我们运行的比光速快一万倍，我们依然不停的衰老。所以我们都要珍惜生命，爱惜时间。爱因斯坦把光速限为宇宙的最高速，基础不对，结果还用说吗？对相对论我再也不想说什么了。现在全世界都知道相对论不对了，那大家就尝试一下理解我的论文吧。我们要肯定爱因斯坦是一个真正的科学家，因为他努力去尝试了一种认识世界的方法，而且爱因斯坦一直是一个诚实谦虚的人，不像我如此的肆无忌惮，口无遮拦。

空气动力学的原理和我们用石头在水面上打水漂难道不是一样吗？我们没发明飞机时，古人就已经在打水漂了。认识世界不一定需要我们的精密仪器，但我不是反对使用精密仪器，只是说一种思维方法。所有的物理定律应该是相通的，我们再来看看光电效应现象吧。

其实，这是爱因斯坦的一个认识的局限：光电效应方程式E=hv。E：光子能量　h：普朗克常量　v。：光子的频率。E=hv-W。（W。=hv。）

不一一解释了。爱因斯坦的光子说很好的，我不明白后来他为什么限定光速。光不是连续的，也是量子组成的，光的确以量子的形式存在的。我现在更进一步，把这个方程式和牛顿力学连起来：E=hv-W。=1/2MV2（M：电子的质量特性）。大家看这个方程式，是不是太眼熟了。大笑吧，亲爱的朋友，因为你很快就可以得到比光速快的物质了；马上你就可以看到光速不过是一个普通的掉渣的速度了。狂舞吧，我的读者，你已经开始认识这个世界不过是一粒微尘了，一点都不神秘。时间和空间都不过是一个测量工具，量子的运行方式才是物质的源头。

篇8

神秘大门透出的亮光

1999年山西大学本科毕业后，张国锋师从梁九卿教授进行硕博连读的学习。当时我国对量子信息的研究基本处于萌芽阶段，梁九卿教授认为这将会是一个新的研究方向，在张国锋的师兄师姐都跟着老师做磁宏观量子效应研究的时候，老师毅然决定让他去湖南师范大学的暑期班里学习和量子理论相关的知识，量子信息这道神秘的大门缓缓打开。

张国锋本硕博就读的山西大学物理电子工程学院师资雄厚、设备齐全。硕博连读期间，为拓展视野、丰富知识，他还专门前往中国科学院学习。在交通落后的情况下，北京、山西两头跑，校内扎实的基础知识以及校外新的理论知识的加固，使得张国锋在量子信息基础研究方面有了很大的提升。对张国锋的联合培养，中国科学院也承担着重要的角色，博士毕业后，张国锋到中国科学院半导体研究所进行博士后研究工作，在李树深院士的指导下，张国锋的研究兴趣进一步拓宽到基于固态体系为载体的量子信息研究。从2006年到北京航空航天大学任教以来，更是把他的研究方向细化到光力耦合体系的量子物理相关问题。

在量子相关研究中，量子调控是国家的重大科研计划，是构建未来信息技术的理论基础。张国锋围绕“如何制备、控制及应用具有高鲁棒性的量子纠缠态”这一科学问题展开了具体细致的工作，并取得了不错的成绩。

量子纠缠是量子力学的最神奇的特性之一。它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。张国锋形象地解释了量子纠缠：“就像是手机用户和移动联通等签的协议，也就是手机卡，当两个粒子处于纠缠态，只有借助这个协议（纠缠态），才能进行量子通信。”腔OED系统是目前最有前景的硬件系统之一，它被广泛地应用于量子态的制备和操控。为此，张国锋系统考察了旋波近似下腔OED体系中的量子纠缠、量子关联的产生与演化以及与量子相位之间的联系。研究发现：量子纠缠猝死现象不仅依赖于体系初始态的纠缠，而且还依赖于初始态，且原子间偶极一偶极相互作用可以削弱这种现象，光场的损耗可以很明显地延缓纠缠猝死。张国锋在此基础上就固态自旋体系提出了一套抑制量子纠缠猝死和量子态传输的优化方案。

众所周知，实现量子信息处理的必需资源是量子纠缠态。而量子纠缠态是非常脆弱的，张国锋在前人研究工作的基础上进一步探讨了固态两量子比特自旋模型中的热纠缠，将自旋所处磁场分为均匀和非均匀两部分，发现磁场的非均匀部分使量子纠缠的演化出现双峰结构，也详细研究了Heisenberg交换相互作用对量子热纠缠的临界行为的影响。随后更引发了国内外关于量子热纠缠的研究。

Dzyaloshinski-Moriya（DM）相互作用来自自旋轨道之间的耦合，是一种各项异性相互作用，在许多磁性材料中都存在。张国锋将DM相互作用引入两自旋量子比特链中，结合Heisenberg相互作用研究了DM相互作用对量子热纠缠的影响，发现DM相互作用可以激发量子热纠缠的产生，可以使铁磁耦合的自旋体系成为好的量子态传输的通道，且能显著提高态传输的保真度。以这一研究成果为代表的论文获得“中国百篇最具影响国际学术论文”，被引150多次，为ESI高引论文。与此同时，张国锋把自己的研究推广到量子关联，得到一些量子关联度量量间的因子化公式，同时也比较了量子关联和量子纠缠在实现量子算法、构建量子逻辑门的异同。

神秘的量子世界透出的光让张国锋雀跃不已，他饱含热情地走在研究量子世界的大道上，默默耕耘，静静享受这神秘带来的不一样的世界。

光亮指引前进的方向

一分耕耘一分收获。张国锋在量子研究这条道路上不仅收获了具有创新意义的科研成果，而且多次主持包括国家自然科学基金青年基金、面上基金等项目在内的多项科研项目；发表多篇代表性论文，并多次被他引；在教学上成果也很显著，多次获得各种校内优秀教师奖励。

但是张国锋并没有止步于此，神秘的量子世界还等待着他去进一步破解其中的奥秘，在长期量子光学基础理论、自旋模型中量子纠缠、量子关联动力学研究的相关基础上，依托北航和中科院的两个重点实验室和三个重量级的研究团队共同合作，将就全耦合区量子比特与光场动力学行为及应用这一热点问题展开深入研究。

构造量子比特是量子信息处理的首要，实现量子比特有很多种物理方案，量子比特与光场相互作用体系是量子光学甚至凝聚态物理的一个重要研究内容，同时也是实现量子计算的重要途径。看见量子世界发出的神秘的光，张国锋对接下来的工作重心有了清晰的规划：（1）进一步求解两量子比特与光场相互作用强耦合体系的动力学演化，尤其是两个量子比特的闩abi模型的近似求解；（2）根据系统演化性质，选择合适的初始条件和反应时间，构建超快两量子比特逻辑门和进行相干量子态的超快传输等研究；（3）寻找新奇的特殊量子本征态，并通过研究包括耗散在内的动力学，考察这些具有特殊性质的量子态（比如：暗态）在量子信息中的应用。张国锋不仅把自己接下来的工作定位在这三方面，还就这三方面的研究拟定了初步研究方案。

篇9

结果有些出入意料，希格斯老爷爷遗憾落选，奖项授予美国的大卫·维兰德（david j.wineland）和法国的塞尔日·阿罗什（serge haroche）。这两名实验物理学家在过去20多年的研究中开创了测量与操纵单个量子系统的实验方法。阿罗什的实验方法是用原子测量单个光子，而维兰德的实验是用激光控制单个离子。他本文由收集整理们都反复进行了一系列实验，并发表了大量论文。

科学背景

高中物理讲过，原子中间是一个极小的原子核，外围是电子，不过原子层次的物理现象没法用牛顿的经典力学解释，为了说清楚原子的事儿，物理学家们创立了量子理论。这个理论认为物质粒子也具有波的性质；粒子也不像皮球那样缺乏个性地沿着确定的路径运动，而是可以同时处于多种状态，循着无穷多的任意路径达到最终状态。物理过程必须考虑所有可能路径的总汇。

量子理论虽然如天书，却是微观世界真实的客观规律。它不但用于原子能级、光谱、半导体、超导等现象，也被用于化学、生物等领域，还用来计算分子结构以及解释生物化学过程。没有量子理论，孰不会有晶体管、集成电路、激光，也就不会有计算机与计算机通讯。可以说，量子的宏观应用已经使人类从电气时代进入了微电子时代。

晕死人的量子世界

维兰德来自于美国加州，中学时并不是最优秀学生，在高中最后一年才对物理产生了兴趣。大学原本读的数学专业，后来才改学物理，拿到物理博士学位后在美国国家标准技术研究所当研究员。他在那里干了37年，主要研究用离子束缚（iontrap）探索量子世界。

维兰德与阿罗什的研究是直接操控并测试单个粒子的量子系统。对于维兰德的实验，他的方法是用电场把单个离子（如汞离子）限制在一个势阱（可以把它想象成一个无

转贴于

形牢笼）内，就像用磁场把磁悬浮列车悬在空中一样。这个离子在势阱里只能来回运动，无法逃逸出去。

被束缚在势阱里的离子整体只能来回振动（你可以理解为折返跑），而离子内部的电子也有不同的能级。这个振动的能量是量子化的，也就是一级一个台阶，只能在不同的能级之间跳跃。离子内部的能量也是量子化的，也是一级一个台阶。

维兰德的秘诀是调节激光的频率，迫使离子内部能级跳上一个台阶的同时让它的振动能级跳下一阶，这样离子就会从内部高能级回落到低能级，不断重复下去达到降低振动能级的效果，使离子处于运动能量最低的状态。离子从高能级向低能级跃迁的时候释放的能量转换为一个光子，而光子的频率正比于它的能量。在固体与气体中，原子能级跃迁时的发光受到其他原子以及自身运动的影响，导致频率的扰动。而单个孤立的离子则不受这些因素的干扰，因而可以实现很高的频率精度。在另一个实验中，通过不同的激光对离子照射，使它同时处于两个量子状态——这就是量子力学里“薛定谔的猫”，而且进行了相应的测量。在更为复杂的实验中，三个离子形成量子缠绕状态，构成三个可以用于量子计算的量子位元（qubit）……过去对量子力学的检验大多是基于统计结果，而通过对单个离子的精准控制，维兰德等人的各种实验与测量直接从微观层次验证了量子力学。

阿罗什与维兰德殊途同归。他的实验是通过两面镜子来回反射把光子关进一个空腔，通过测量这些光子对高能级原子的影响得出光子的量子信息。

篇10

论文摘要：1947年goos和hä·nchen两位物 理学 家发现：光束在两种介质界面上发生全反射时，反射点相对于入射点在相位上有一突变，而反射光线相对于入射光线在空间上有一段距离。这一现象称为：古斯--汉申位移（goos--hanchen shift）。另外，光束在两种界面上发生全反射时，入射波的能量不是在界面处立即反射的，而是穿透到另一介质一定深度后逐渐反射的，而且在此深度内能量流还沿界面切向传播了一个波长数量级的距离。人们把这样一种波称为隐失波。再次，掠入射时，光从光疏介质到光密介质时反射光有半波损失，从光密介质到光疏介质时反射光无半波损失，在任何情况下透射光都没有半波损失。以上各种现象表明对于光量子仍有一些性质不为我们所掌握。

如果我们抛弃了光量子的没有形状的观点而认为光量子在传播过程中始终存在宽度（此宽度不同于振幅，对于同频率的光量子是一个定值，并且光量子的宽度可以互相叠加），就能很好的理解以上这些现象。按照这种假设，光从光源发出后，每个光量子在均匀的各向同性介质中传播时的路径就不能简单的看作一条直线或一列波，而是时刻保持一定宽度的‘波带’的直线传播过程。下面我将叙述一下我的假设性观点，援引并解释一下能用此观点解释的一些事实，我希望我的这个观念对一些研究工作者在他们的研究中或许会显得有用。

1 用惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律时需要的条件和忽略的事实

我们首先通过惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律。

如图1所示，设想有一束平行光线（平行波）以入射角 由介质1射向它与介质2的界面上，其边缘光线1到达 点。作通过 点的波面，它与所有的入射光线垂直。光线1到达 点的同时，光线2、3、···、n到达此波面上的点 、 、···、 点。设光在介质1中的速度为 ，则光线2、3、···、n分别要经过一段时间 、 、···、 后才能到达分界面 、 、···、 各点，每条光线到达分界面上时都同时发射两个次波，一个是向介质1内发射的反

图1

射次波，另一个是向介质2内发射的透射次波。设光在介质2内速度为 ,在第n条光线到达 的同时，由 点发射的反射次波面和透射次波面分别是半径为 和 的半球面。在此同时，光线2、3、···传播到 、 、···各点后发出的反射次波面的半径分别为 、 、···，而透射次波面的半径为 、 、···。这些次波面一个比一个小，直到 处缩成一个点。根据惠更斯原理，这些总扰动波面是这些次波面的包络面。不难证明反射次波和透射次波的包络面都是通过 的平面。设反射次波总扰动的波面与各次波面相切于 、 、 、···各点，而透射次波总扰动的波面与各次波面相切于 、 、 、···各点，联接次波源和切点，既得到总扰动的波线，亦即， 、 、 、···为反射光线， 、 、 、···为折射光线。

由于 ，直角三角形 和 全同，因而 = ，由图1不难看出， =入射角 ， =反射角 ，故得到

这样便导出了反射定律。由图1还可以看出 =折射角 ，因此

 

此外 ，于是

.

由此可见，入射角与折射角正玄之比为一常数，这样我们便通过惠更斯原理导出了折射定律。

用惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律是以1、2、3、···、n条平行光线为研究对象，这就是论证需要的条件。如果不以多条平行光线为研究对象，而只给定一个光量子，比如此量子沿光线1传播，以上论证中将无法确定 点和 点的位置，就不能确定次波的总扰动波线，就无法确定反射光线和折射光线，再用惠更斯原理来解释这一个光量子在界面处的反射定律和折射定律，将显得无从下手。

所以说，用惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律至少需要两个或两个以上的光量子，这就是用惠更斯原理解释光的反射定律和折射定律时需要的条件。

另外如果考虑到古斯--汉申位移和半波损失，用惠更斯原理作出的光的反射光线将不是光的实际路线，而是反射光线的平行光线，虽然不影响论证光的反射定律，但是这也确实是它忽略的一个事实。

2用光量子的传播宽度解释光的折射定律

如果假设光量子在传播过程中始终保持一定的宽度（此宽度不同于振幅，且不随电场振动而变动），此宽度远大于原子直径，并且光量子传播过程中的每个边缘都平行等光程且能体现光量子在介质中传播的所有特性，那么折射定律就可以做如下论证：

如图2设想有一个光量子（任意的一个）以入射角 ，由介质1射向它与介质2的分界面上，光量子边缘1到达介质分界面上 ，同时边缘2到达 ，联接 ，则 即为光量子的传播宽度且 垂直边缘1和边缘2，设光在介质1中速度 大于光在介质2中速度 ，当光量子边缘1由 进入介质2后速度突变为 ，边缘2速度仍为 ，由于光量子传播宽度的边缘必须保持同等光程，于是光量子传播方向向法线方向发生偏转，当边缘2经过时间 到达介质分

图2

界面上 时边缘1到达 ，又因为边缘2速度 和边缘1速度 之比为定值且光量子宽度不变，所以边缘1的路径 和边缘2的路径 是以 延长线上某点 为圆心的同心圆弧，且同等圆心角，所以 延长线定过圆心 。边缘2经过 后进入介质2速度突变为 ，与边缘1变为同速，光量子传播方向不再偏转，边缘1和边缘2分别沿 、 上 、 点的切线方向传播，可以看出光量子完全进入介质2后边缘1和边缘2依然平行。设边缘1在介质2内以后的路径上有一点 ，我们过 点向下作法线的平行线并取这条线上 下方一点 ，则 垂直于介质分界面，且 为光量子的折射角，设为 ，再过 作分界面的垂线交与分界面于点 。

在图2中不难证明： 和

又有

于是

，

由于相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比，又得到

于是我们得到

由此可见，对于任意一光量子的入射角与折射角的正玄之比为一常数，这样我们便通过光量子宽度的假设用一个光量子导出了光的折射定律。

3在光的全反射现象中用光量子传播宽度解释

古斯--汉申位移、隐失波以及光的反射定律和折射定律光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大至某一数值时，折射光线消失，光线全部反射，这种现象称为全反射，此时的入射角度称为全反射临界角。

如图3，设想有一光量子以全反射临界角 入射，由介质2射向它与介质1的分界面上，设光在介质1中的速度 大于光在介质2中速度 ，当光量子边缘1到达介质分界面上 时，边缘2到达 ，联接 ，则 即为光量子的传播宽度且 垂直于边缘1和边缘2，当边缘1通过 进入介质1后速度突变为 ，边缘2速度仍为 ，由于光量子传播宽度的边缘必须保持同等光程，于是光量子传

图3

播发生偏转，当边缘2经过时间 到达分界面 时，光量子边缘1到达 ，因为边缘1速度和边缘2速度 之比为定值且光量子宽度不变，所以 、 是以 延长线上某点 为圆心的同心圆弧，又由于 为全反射临界角，所以此时 恰好与分界面相切与 点，也就是说此时光量子边缘1与边缘2传播方向都与分界面平行。此后光量子的传播可能发生两种情况：

1、发生反射，反射光线发位移

如果边缘2速度没有发生突变，就是说边缘2恰好与分界面相切于介质2的界面上一点 ，则光量子传播就会继续偏转，当边缘1经过时间 到达分界面上一点 时，边缘2到达 ，边缘1经过 点后重新回到介质2，速度又突变为 ，与边缘2同速，光量子传播方向不再发生偏转。因为此前边缘1速度 和边缘2速度 之比为定值且光量子宽度不变，所以 、 同样是以 为圆心的同心圆弧，此后光量子的边缘1和边缘2分别沿着 、 上 、 点的切线方向直线传播。此后的光量子路径就相当于入射光线的反射光线路径，由此我们可以看到反射光线相对于入射光线发生了从 到 的位移，并找出了发生位移的原因，通过光量子宽度的假设我们还可以求出位移 的长度。

如图3不难看出 、 同圆， 、 同圆，我们再设光量子传播宽度为 。

由相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比，得到

不难看出 垂直界面于 点，于是有

又有

由以上三式我们得到

不难看出

所以在光以全反射临界角入射并发生全反射时发生的位移长度为

    此位移或许就是我们所说的古斯—汉申位移，如果是这样我们便能通过光量子传播宽度的假设在光的全反射现象中解释发生古斯--汉申位移的原因并求出位移的长度。

2、发生折射，折射光线急剧衰减

如果此时边缘2的速度发生突变，就是说边缘2与分界面恰好切于介质1界面上一点 时，边缘2速度突变为 ，与边缘1同速，则光量子传播不再偏转，边缘1和边缘2分别沿 、 在 、 点的切线方向传播，且分别为折射光的两个边，而此时两切线刚好平行于分界面，所以折射光平行于分界面，所以此时折射角为 。一般来说我们做实验所用的介质1与介质2的分界面不可能是一个严格的平面（这里严格是绝对的意思），所以边缘2沿介质1的分界面表面传播时一旦遇见分界面的凹点时就会再次进入介质2，速度突变为 ，使光量子的传播再次发生偏转，从而使光量子再次进入介质2传播，折射光强度就会急剧衰减，但是由于凹点的位置及大小的随机性较大，所以再次进入介质2的光很难再进行准确测量。

这里的折射光也许就是我们所说的隐失波，此时波的穿透深度可以用光量子的传播宽度 来表示。

3、光的反射定律的论证

在图3中，不难看出

于是我们就不难求出

即反射角等于入射角，这样在光的全反射现象中我们用光量子传播宽度的假设用一个光量子论证了光的反射定律。

4、光的折射定律的论证

由于折射角等于 ，所以折射角的正玄值为1

于是

由图不难看出

又有

由相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比，得到

于是得到

即入射角与折射角的正玄之比为一常数，这样我们又通过光量子宽度的假设在光的全反射现象中用一个光量子论证了光的折射定律。

5、关于在反射过程中的半波损失的解释

1、掠入射时，光从光密介质到光疏介质时反射光无半波损失的解释。

在图3中我们可以看到光量子边缘1的实际路径大于边缘2的实际路径，使得两个边缘出现路程差，但由于边缘1的实际速度 大于边缘2的实际速度 ，使得边缘1从 传播到 与边缘2从 传播到 用的时间相等，也就是说光量子的两个边缘虽然路程不等但是光程相等。这里需要指出：在此 论文 以前我们通常 计算 的几何光程没有考虑到光量子的传播宽度，但是要考虑的到光量子的传播宽度，这种计算方法有时就是不准确的。光的实际光程要以光量子的远边的光程来决定。在研究光从光密介质到光疏介质时反射光时我们计算的几何光程等于光边缘2的光程也等于光的实际光程，然后再通过几何光程计算预期的相位与观测到的相位（也就是实际相位）相符，所以我们就说光的反射光没有出现半波损失。

2、掠入射时，光从光疏介质到光密介质时反射光有半波损失的解释。

如果在图3中，介质1的绝对折射率大于介质2的绝对折射率，当光掠入射时，由于光量子的两边缘速度的差异，光量子本应该偏转进入介质2，但是由于介质2内的一些性质（我也不知道什么性质）使得光并没能进入介质2，反而被反射回介质1。（这种情况很难理解。）但是在这种情况下假设了光量子的传播宽度将比较好理解反射光的半波损失。在反射过程中光量子边缘1的实际路径大于边缘2的实际路径，两边缘出现路程差，由于边缘1在介质1中传播速度突然变慢为 （这里是在介质1的绝对折射率大于介质2的绝对折射率的前提下的），但是如果边缘2的速度不发生突变仍为 的话，的边缘1和边缘2将出现光程差，但是由于两边缘传播的同时性，光程差将是不被允许的，这就意味这边缘2必须降低到一个比 更低的速度 ，也许只有这样该光量子才能不过被吸收，而是被反射。（不要问我为什么会这样，其实这就跟光从光疏介质入射到光密介质没发生折射而是发生反射一样不好理解，或许是由于光量子的某些微观结构能够识别介质1的某些性质而阻止了光量子的折射的发生，比如某一物体由于反射某一特定波长的光而呈现出特定颜色。）这样以来，光的光程将变长并等于光边缘1的实际光程，也等于变慢后的边缘2的实际光程，但是大于我们通过以前的方法求得的几何光程半个波长的时间。这时问题就出现了，由于我们求得的几何光程小于光线的实际光程半个波长时间，然后再通过几何光程计算预期的相位就会与观测到的相位（就是实际相位）出现不符，但我们坚信这种计算方法没有错误，于是我们就把这种现象描述为光经过反射后发生了相位跃变，同时反射光有半波损失。其实光并没有发生波长损失，只是延迟了半个波长的时间。

3、任何情况下，透射光都没有半波损失的解释。

由图1，光量子的光线边缘1的实际路程小于边缘2的实际路程，出现路程上的差异，但是边缘2的实际速度 大于边缘1的实际速度 ，使得边缘2从 传播到 所用时间与边缘1从 传播到 所用时间相等，就是说两边缘路程虽然不等但是光程相等，我们通过以前方法求得的几何光程等于光线边缘1的几何光程，就等于光的实际光程，通过几何光程计算预期的相位与观测到的相位（就是实际相位）相符，所以我们就说透射光没有半波损失。

如果我的见解是符合实际的，那么很多像以上援引的光学现象将都比较好理解，并希望这一观点能给一些研究工作者带来一些方便。

另外，关于质量和能量如何扭曲时间的？

篇11

用宏观物理学的方法研究原子的性质及其相互作用时，只能通过测量微观量的平均值，大平均过程掩盖了原子水平上的重要效应。操控单个微观粒子，研究单个粒子的行为和性质以及少数粒子的相互作用，一直是就是物理学家梦寐以求的事。随着实验技术的发展，控制单个微观粒子的愿望成为可能。特别是1960年激光的发明和在这以后激光技术的发展，可以随我们所需改变激光的频率，控制激光束的延续时间并使激光束聚焦到一个原子大小的范围。从这以后，实验技术和实验方法有了极大的发展，利用激光可以使原子或离子冷却到接近绝对零度，就是使它们的运动速度减到非常小，直至几乎停止。还实现了利用特殊的电磁场来陷俘单个原子或离子。物理实验技术的进展使研究单个或少数几个粒子的性质、深入研究光子和物质粒子的相互作用有了可能。这不仅打开了高科技应用的广阔前景，还为证实和发展量子物理学的基本原理提供了实验基础。

量子力学已有100多年历史，量子力学理论取得了辉煌的成功。现代的高科技产品，如计算机芯片、激光、医用磁共振等等无不是在量子力学理论基础上发展起来的。量子力学被认为是最精确、最成功的物理理论，可是人们对量子力学的基本原理始终存在着疑问，那些创立量子力学的物理大师们自己都不满意量子力学的基本假设。在这些大师之间以及他们的后继者中，关于量子力学的理论基础是否完善的问题争论不休，新的解释层出不穷，至今还没有得出令人满意的结论。

量子力学描写微观世界的规律，但人类的直接经验都是关于宏观世界的。我们的测量仪器以及人类感官本身都是宏观物体，仪器测量到的和我们直接感知的都是大量原子组成的宏观物体。在经典物理学中，观察不影响被观察对象的运动状态，例如，我们能够观察一个行星的运动，追随它的运动轨迹，行星的状态变化与观察者无关，不受我们观察的影响。可是，对微观世界的观察就完全不是这样，当我们研究一个量子体系时，经过测量后的量子体系原来的状态总是被破坏了。例如，光子进入光电探测器后，光子就被吸收；电子被探测器件接收后，该电子原来的状态就改变了。宏观仪器对量子系统测量的结果，都必须转换为经典物理学的语言。要直接观察并且非破坏性（non-demolition）地测量量子体系的量子性质是难以做到的事情，所以，量子力学所预言的量子世界的奇特性质一直令物理学家和公众感到神秘难解。

2012年诺贝尔物理奖获得者和他们的同事们的工作，突破了经典物理学实验和人类直接经验的限制，他们直接观察到了个别粒子的量子行为。瓦因兰德小组做的是在电场中陷俘离子，用光子对它做非破坏性的操控。阿罗什小组是在空腔中陷俘单个光子，用原子进行非破坏性的测量。他们异曲同工，都对单个量子粒子进行实验测量，研究量子力学的基本原理。这些研究不仅对量子理论的基本原理的进一步阐明有重要意义，并且有广阔的应用前景。

阿罗什：把光子囚禁起来

阿罗什毕业于法国高等师范学校。1971年他在巴黎第六大学获得博士学位，导师是柯亨-塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年诺贝尔物理学奖得主。从20世纪60年代开始阿罗什就在法国高等师范学校物理系的卡斯特勒-布罗塞尔实验室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。该实验室是以获诺贝尔物理学奖的阿尔夫莱德・卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿罗什曾到美国斯坦福大学，在诺贝尔物理学奖获得者肖洛的实验室中工作。

阿罗什说，他们的成功主要得益于卡斯特勒-布罗塞尔实验室特有的学术环境和物质条件。他们组成了极其出色的研究小组，并且将共同积累的知识和技能传授给一代又一代的学生。阿罗什还说，他给研究生和本科生的讲课也有助于研究工作，在准备新课的过程中他注意到了光和物质相互作用的不同方面。阿罗什认为，国际交流学者参加研究不仅带来专门的知识和技能，也带来不同的科学文化以补充他们自身的不足。他觉得幸运的是，在长期的微观世界探索中，他和他的同事们能够自由地选择他们的研究方向，而不必勉强地提出可能的应用前景作为依据。

阿罗什小组的主要成就是发展了非破坏性的方法检测单个光子。用通常的方法检测光子，都是吸收光子并把它转换为电流（光电探测器）或转化为化学能量（照相底片）（动物的眼睛是将光子转化为神经的电脉冲的）。总之，光子被测量到后立即消失。近半个世纪以来，虽然人类发展出了量子非破坏性测量，但这些测量只能用于大量光子的情况。而阿罗什和同事们做到了反复测量记录同一个光子。

光的速度非常快，达每秒30万公里，所以要控制、测量单个光子，必须将光子关闭在一个小的区域内，并使其在足够长的时间内不逃逸或被吸收。阿罗什小组实验成功的关键是制成反射率极高的凹面镜。反射镜是在金属底板上镀以超导材料铌，镜面抛光到不平整度只有几个纳米（1纳米=100万分之一毫米），光子因镜面不平而散射逃逸的机会非常小。空腔由两个凹面镜相对安放组成，镜间距离27毫米。整个设备安置在绝对温度1度以下的环境中。一个微波光子在腔中停留时间可达十分之一秒，即在两面镜子之间来回反射10 亿次以上，差不多相当于绕地球一周。可以说阿罗什小组创造了限制在很小的有限体积内的光子寿命的世界纪录。

阿罗什小组的另一项创造性贡献是利用利用里德伯原子作为探测器，实现非破坏性测量单个光子。所谓里德伯原子，是激发到很高的能量轨道上的原子，这种原子的体积比正常原子大许多。他们用铷（原子序数37）原子，把它的价电子激发到第50层的圆形轨道上（主量子数n=50）。这种情况下，外层电子从n=50 的轨道跃迁到相邻的轨道n=49和n=51，发射或吸收微波光子频率分别为54.3GHz（千兆赫兹）和51.1GHz。正常的原子半径在0.1纳米以下，铷原子中电子占据的最外层轨道为n=5；当它的最外面的电子跑到n=50的圆形轨道上时，原子的半径达到100多纳米，原子半径增大了1000倍以上。这样的原子好比一个很大的无线电天线，容易和电磁场相互作用。

瓦因兰德：让离子停下来

瓦因兰德和阿罗什同年，都生于1944年。1965年，瓦因兰德毕业于美国加利福尼亚大学伯克利分校；1970年在哈佛大学获博士学位，博士论文题目是“氘原子微波激射器”，导师是拉姆齐（Norman Ramsey）。以后他到华盛顿大学，在德默尔特（Hans Dehmelt）的实验室做博士后研究。德默尔特是1989年诺贝尔物理奖获得者。1975年，瓦因兰德和德默尔同发表了讨论激光冷却离子的论文，这是有关激光致冷的开创性论文，被学术界同仁广泛引用，其中包括获1977年诺贝尔物理学奖的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔诺季等。

1975年，瓦因兰德到隶属于美国商业部的美国国家标准与技术研究所工作。在那里，他创建了储存离子研究小组。在过去多年的工作中，他做出了多项世界第一的研究成果，终于获得了诺贝尔物理学奖。他是15年来美国国家标准与技术研究所第四位获诺贝尔物理奖的研究人员之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。

制造量子计算机的建议方法有多种，许多科学家正在对不同的方案进行实验研究。瓦因兰德小组从事的陷俘离子的方法是最成功的方法之一。他们利用特殊排列的几个电极组合产生特定的电场，形成陷阱，将汞的一价离子限制在三个电极组成的空间中。三个电极包括两端各有一个相对的电极和一个环形电极，离子由激光束控制。

在常温下，原子运动的平均速度为每秒数百米，以这种速度运动的离子会立即逃逸出陷阱。要将离子陷俘在电场陷阱中，离子的运动速度必须非常小。只有在极低的温度下，离子或原子的运动速度才能变得很小。可以利用激光使离子冷却，使离子的速度减小到几乎停止的状态。将特定频率的激光束对着原子或离子射来的方向照射时，原子在迎面射来的光子的一次次冲击下，速度就慢了下来。当然，原子或离子吸收了光子又要再把它发射出去，发射光子时原子也要受到反冲。但原子或离子发射光子的方向是随机的，各种方向都有，结果反冲效应平均为零，只有迎面射来的光子被吸收后起到了减速的作用。但仅仅用这种方法还不能使原子速度降低到近乎停止，还要加上其他方法。速度已经很小的离子在陷阱中受电场的作用，还在以一定的频率振动，这种振动的能量和离子内部的能量状态耦合起来，形成复杂的能级。在适当频率的激光束照射下，离子吸收光子后又重新放出光子，落回原来内部能量最低的状态，同时带动离子振动能量的变化。在适当控制的条件下，重复这样的过程，就可以使离子振动能量逐步减少，直到振动能量达到最低的量子状态，离子近于完全停止。这时，离子就可以随意操控了。

瓦因兰德小组利用利用陷俘离子做成一个量子可控非门（Controlled NOT）。当然可控非门只是最简单的量子计算机的元件，一台能工作的计算机需要多得多的元件，离制成实用的量子计算机还非常遥远。然而前景是光明的，包括瓦因兰德在内的许多科学家正积极研究，攻克难关，希望在本世纪内将量子计算机研制成功。

瓦因兰德和同事们还利用陷俘的离子制造出了当今世界上最精确的原子钟。他的研究工作也可以检验量子力学基本原理，如进行“薛定谔猫”的实验。

不为盛名所惑

阿罗什和瓦因兰德有许多相同的地方。他们都在世界第一流的实验室中工作；巧的是，他们每人各有两位获诺贝尔物理学奖的老师；他们都有合作30年以上的同事组成的稳定的研究小组，还有许多优秀的学生和合作者，其中包括外国的访问学者。在他们的诺贝尔奖报告中，他们的老师、同事以及和他们的工作有密切关系的、前人的研究都一一提到。两人都还提到有100多位学生、博士后和访问学者也做出了贡献，强调成绩是大家努力的结果。

瓦因兰德和阿罗什也有一点很大的不同。阿罗什的研究目的偏重于探索自然界的奥秘，没有非常明确的应用目标，虽然他知道自己的研究成果肯定有长远的应用前景。他所属的卡斯特勒-布罗塞尔实验室也没有要求其研究一开始就必须有明确的应用目的。不过，即使在法国高等师范学校，这种待遇也只有像阿罗什这样的资深科学家才能得到。而瓦因兰德所在的美国国家标准与技术研究所本身就具有明确的实用目标：促进美国的创新和产业竞争能力，开创新的测量科学，推进美国的技术水平。该研究所的研究都是目标长远，技术含量高，能在世界上领先的项目。这些项目实际上都是结合远期应用的基础性研究。

瓦因兰德和阿罗什还有一个共同点，就是除了做研究以外，都在大学教课。阿罗什认为备课的过程促使他从多方面考虑基本原理，也有助于研究工作。而从学生的角度来看，能听到优秀的科学家讲课，和他们直接交流，不仅能学到当今前沿的科学知识，还可以学习到优秀科学家的治学精神和思想方法。

荣摘诺奖桂冠是否改变了科学家本人的生活呢？据英国广播公司（BBC）在线版消息称，阿罗什本人仅仅提前了20分钟被组委会告知自己获奖的消息。

“我很幸运，”阿罗什说，但他指的并不是自己得奖这回事，“（接到来电时）我正在一条街上，旁边就有个长椅，所以我第一时间就坐了下来。”他形容那一刻的心情，“当我看到是瑞典的来电区号，我意识到这是真实的，那种感觉，你知道，真是势不可挡。”

不过据诺奖官网的推特称，阿罗什接到获奖的确切消息后，打了个电话给自己的孩子，然后开了瓶香槟庆祝。再然后，他又回实验室工作去了。

（作者单位：复旦大学物理系）

篇12

一、关于信息本质和信息本体论

北京邮电大学的钟义信教授以《再探“信息”》为题做了本次研讨会的首场主题报告，他认为信息概念是一类与物质和能量都很不相同的复杂对象，只能采取主客互动的研究视角加以研究。在信息的本体论定义和认识论定义中，前者是后者的源头，后者是前者被认识主体所感知的结果，人类能够获得、处理和利用的只能是认识论信息。 基于此，他探讨了信息运动的基本规律，即“信息转换定律”，并强调了其超过能量转换定律的重要性。

中国人民大学的苗东升教授首先对当前学术界关于“信息”概念的多维理解进行了评述，赞赏了由此而产生的世界信息科学和哲学的多元协同发展现状。其中，他尤其强调了当前中国信息科学和哲学研究仍然存在着唯西学马首是瞻的诸多弊端，而事实上，中国学术界已经取得了一些优秀的、很有价值的研究成果，例如邬教授在信息哲学研究中，历经30多年的辛苦而创立的思想体系，已然形成了能与西方分庭抗礼的“中国学派”。苗教授还意味深长地呼吁广大学者立足自身，心无旁骛搞研究，力争信息科学与哲学的“中国学派”的长足发展，相信在不久的将来，中国的信息科学和哲学研究必然有所成就，为西方所不可及。

北京大学的罗先汉教授以《物信论及其应用》为题做了主题报告。他首先指出广义信息可由物质的实在状态及其相关规律来表示，由此，他所提出的物信论认为在存在上，信息要依赖于物质；而在运动变化上，物质则要依赖于信息，物质与信息既彼此不同又相辅相成的对立统一规律，才是宇宙的根本规律。

莱顿大学的詹姆斯・W・麦卡利斯特对经验数据的信息内容：方法论和形而上学意义进行了详述，他认为经验数据是科学观察和测量的结果，包含着关于世界的信息，表达着世界的结构。科学定律的功能并不在于精简经验数据集，而是表征其中的意义模式，且正是这些模式对应着现象。那么，多少模式能够真正地表征现象呢？这里并没有一个确定的标准，科学实践表明具有所有可信属性的模式都对应着现象，所以世界也就具有所有可能的结构。

俄罗斯科学院的康斯坦丁・科林（由约瑟夫・ E・布伦纳代讲）提交了题为《信息的现实结构、科学世界观和哲学根本问题》的论文。他提出了一种关于科学化世界和哲学基本问题内容的新理解，基于对现实结构的多元组分中的具体信息现象的分析，他认为除了物质客体、过程和事件之外，在现实世界中，还存在着不可见客体、过程和条件等信息内容。所以，哲学的基本问题研究应将关系看作一种关于现实的可见与不可见的构成要素。

武汉大学的李宗荣等人认为，在计算机芯片植入人体体内以后，能够与人的神经系统联合工作，这个事实告诉我们，处于信息进化论过程的这两个极端被连通起来了。这样，宇宙间的“信息统一性”被无可怀疑地以理论与实践相结合的方式证明了。宇宙万物都具有“物质―信息二重性”，对它们既可以进行物质与信息的一分为二，又可以进行物质与信息的合二为一。信息具有非物质的特征，但它又必须具有物质的载体，因而信息也是物质的。

二、 关于哲学发展和信息哲学研究方法论

西安交通大学的邬教授做了题为《哲学的发展与哲学的根本转向》的主题报告，他首先指出现代主流哲学数次转向的倾向性实质，乃是沿着向认识主体内部日益狭隘的因素的追求来限定哲学研究的主题内容，如此，哲学必将丧失其应有的功能。人类哲学的发展还有另外一条路径，这就是在一般科学发展的过程中所孕育和展现出来的哲学自身的发展。按照信息本体论的理论，世界（存在）是由物质和信息两大领域构成的，物质和意识之间通过自在信息的中介相互过渡和转化。由此，信息本体论学说的建立为变革哲学的所有其他领域提供了一个统一的基础。由于信息哲学首先在存在领域的分割方式这一哲学最高范式的层面上把传统哲学的“存在=物质+精神”的一般信条改变成了“存在=物质+信息”，并在信息活动高级形态的意义上重新解读了精神活动的本质，所以，当代信息哲学的诞生导致了人类哲学的第一次根本性转向。

华中科技大学的欧阳康教授以《前提性反思与合理性评价――信息哲学研究的方法论问题》为题做了主题报告。他首先提出哲学思考的最大特点是致极性与超越性，寻找信息问题的极限与边界，进而从发生学、社群学、存在论、认识论、价值论等角度，阐释了事物与信息的同时同步关系、信息作为环境或存在领域的本质构成、信息作为认识过程的介质及其与价值世界的相关性等论题。最后，他还指出信息的哲学思考具有非常广阔的领域，包含非常丰富的内容，面临非常复杂的挑战，需要非常多维的视角，尤其是综合化和整体性的研究。

西班牙萨拉格萨大学的佩德罗・C・马里胡安作为外方主席，做了本次研讨会的第二场主题报告。他认为，随着越来越多的研究实践转向信息科学中的诸多论题，一门严格的信息科学能否最终产生，不仅仅依赖于信息哲学的积极讨论，最重要的是要在信息科学自身中构造一种新的思维方法。它建基于主体/客体、元观察者、自创生、传播和信息流等方面进行思考，其要点在于关注通向信息实体的经验性进路；将信息的“不可见的手”作为包括不同信息领域中所有复杂性的巨大成形器；考察信息在其所激发的转换和不同主体或行动者领域之中的符号化流动，以及在适应性地调整物质结构与自创生过程中的自身呈现。

三、关于信息哲学与其他哲学的关系

汉密尔顿学院的肯・赫罗尔德针对时间和计算的哲学问题，追溯至笛卡尔，强调其时间概念建基于一种行动的同步观念，因而减少了对于记忆的依赖。而图灵，还有维纳，都探讨了经验的纵向维度。由此出发，他采用格鲁普的时间替论，解释了数据和信息之间的一种经由直觉和计算的不同步的逻辑界面。这种时间的界域哲学导向了一种对在吉尔伯特的共同知识的信息结构中的状态和共同回忆的阐释。

哥本哈根商学院的索伦・布赫尔考量的问题在于能否通过将基于现象学的符号学与基于系统和控制论的信息概念结合起来获得一个关于认知和通讯的跨学科理论。生物符号学就是这么一种试图整合生物学和符号学的发现，以构造一个关于生命和意义作为自然世界的内在特征的新观点。生物符号学家强调编码是三元符号化过程的一部分，在这个过程中，解释项在对象和符号（表征项）之间建立动机化的连接。

山西大学的魏屹东教授从信息哲学的视角出发，揭示了信息与认知或者心灵、表征与语言和知识的相关性，认为信息是认知与表征的内容，认知是一种信息处理过程，而表征则是信息的再描述。在本体论上，信息是构成物理世界的一种存在形式（form），“inform”就是“在形式中”，因此，“形式”就是信息的根隐喻，柏拉图的形式理论是信息哲学的基础。由此，信息是心灵对自然现象的认知与表征，它似乎是无处不在的、半透明的、非绝对的、离散的、无维的和难以言明的，但可以肯定，信息哲学将与认知哲学联手探讨信息问题。

法国跨学科研究中心的约瑟夫・布伦纳就“人格同一性的信息过程”进行了详细的报告。他认为，人格同一性作为一种复杂现象，对它的思考不能离开对同一性和多元性，以及作为动态过程的二者关系的理解。而他所倡导的现实逻辑恰恰提供了一种对同一性和多元性之间的本体论关系的新理解。同时，邬先生所创立的信息哲学和元哲学则首先从本体论上对此给予了支持。基于二者的综合，他指出人格同一性现象的稳定与变化的复杂性乃是一种本体论过程。邬所提供的人类信息活动的等级结构图景，有助于人格同一性的建构，而这正是他所建议的一种人格同一性的本体―认识论之路。

四、关于信息社会、互联网及其伦理问题

维也纳技术大学的沃尔夫冈・霍夫基希纳（由罗伯特・雅恩代讲）提交了题为《“全球性可持续信息社会”――对未来的展望》的论文。他认为社会系统是一种另类的多元进化系统，其所具有的综合效果便是所谓的共同性。社会系统表现着个体化和社会化的辩证关系，如果个体因素处于中心舞台，那么共同性则是其附属。今天，在全球化挑战的时代，共同性附属变得不再稳定，因此需要建构一种超系统，以关照所有演员之间的多元化的整体关系，而这正是一种全球稳定的信息社会视野的理论依据所在。

重庆邮电大学的徐仲伟教授在对大数据时代互联网本质的思考中认为，“大数据”的本质就是对社会事物从量的角度，通过今天的互联网等技术所产生的，让我们认识到的，体量浩大、类型复杂、迅速生成、价值巨大的社会事物量的表现（或者说记载、信息）。大数据的出现，是人们对社会事物从量的角度对许许多多的社会事物认识和反映的结果，有自身内在的规律和外在的形式。互联网在人们的当代生活和工作中从多个维度展现着其巨大魅力，如果从互联网所表现内容的角度看，其本质实际上就是它的社会性，它所反映的完全就是我们的现实社会。从技术手段的角度看，互联网的本质仍然是它的工具性。

重庆邮电大学的代金平教授从价值哲学层面对网络化传播境域下的信息文化进行了深入分析，他指出网络时代滋生出诸多问题或矛盾，其中最为突出的当属人类在网络化传播境域下信息化生存所面临的全新的价值判断、选择和重构等问题。网络文化作为信息文化在网络化传播境域下的具体表现形式，以自由为根本旨向，然而这种网络自由必须是在一定的网络规范约束下的自由，由此便构成了网络化传播境域下信息文化的基本价值冲突，进而影响着网络时代信息文化的其他二元价值冲突。基于信息文化视角的深入分析，他总结认为网络行为主体的自律才是解决网络自由与网络规范冲突的重要途径，构建和谐的信息文化环境才是解决网络自由与网络规范冲突的必由之路。

印第安纳大学的科林・艾伦认为，在互联网时代，能够获得极大数量学术文本的数字途径为人文学科研究者提供了机遇和挑战。而应对这些挑战，需要拥有适合机器和人们使用的高质量的数字资源的内容说明。对这些内容的不同归类方式必然建基于不同目的，因此会导致不同归类图式之间更进一步的问题出现。他讨论了哲学概念的归类根据，并分析了一些主要的归类途径是如何处理不断变化的资料的，进而描述了印第安纳哲学本体论计划的目标和方法，并提供了这类利用模型方法的分析案例。

维也纳技术大学的罗伯特・雅恩就内在价值本体论进行了探讨，他认为技术和社会经济的快速变化引起了困惑，使得哲学尤其是伦理的复兴成为必要。假定道德价值不是物质 （根据物质一元论），而是道德评价者的一种内在的偶发属性，那么信息伦理必须建基于这些价值，因为对于人类来讲，这些价值仍然与信息时代之前的道德普遍原则相契合。信息有其不同的定义，作为一个价值事物的潜在组成，它影响价值的具体性，也就是说信息和通信技术作为评价主题必须展现自己的价值，而道德行为者也必须证明他所认知的属性是充分的。

五、关于量子信息、信息量子和计算问题

华南理工大学的吴国林教授以《量子信息与不确定性的哲学思考》为题做了主题报告。他首先将量子信息与经典信息区别开来，指出本体论量子信息是微观事物的状态与关联方式的自我显现，认识论量子信息是微观事物的状态与关联方式对认识主体的显现。进而，他从量子纠缠的关联程度和量子信息的度量入手，阐述了量子信息和不确定性之间的关系，即前者是后者的消除。量子信息表达了量子系统的确定性，不确定性在量子信息（量子技术）作用下可以发生改变，而量子世界又是确定性与不确定性的统一，因此量子世界的不确定性可以受到量子信息的控制。由此，普遍而言，物质与信息是统一的。

四川社会科学院的有梁教授对“质量―信息关系式与信息量子”进行了深入的哲学思考。他首先从香农―维纳公式推导出一般不确定原理，以及作为一般不确定原理的特殊情况的海森伯不确定原理。基于此，他又结合爱因斯坦的质能关系式得到质量与信息、能量与信息的关系式，阐明了质量、能量、信息三者之间的关系。此外，他还提出了“信息量子”、“信息寿命”、“信息长度”的新概念和新公式，进而分析了引力波的“信息量子”及探测引力波困难的原因。

希伯来大学的以色列・贝尔夫对“信息―计算的转向：哈金式革命”进行了探讨。他所提倡的哈金式革命的标准是跨学科的，能够集中体现新的研究机构的建立和新的研究方向，而且与重大的社会实质性变革息息相关，所以也应是无边界的。概括而言，此革命实质在于计算模型和模拟的革命，涉及混沌、复杂性和系统理论中的涌现和还原论中的诸多论题。基于此，他揭示了一个比特的新语义场，其中，信息化手段和计算复杂程度是新的语言，量子比特、黑洞熵和全息原理是新的对象，信息时代（空间/时间/虚拟）则是社会变迁的标志。

亚眠大学的柳渝基于对“信息”与“问题”的西文字源与汉字基因的分析，认为P versus NP问题认知的困惑来自概念认知的困惑：“基于验证的定义”取代“基于求解的定义”，造成了NP欲捕捉的“不确定性”消失了。结合中国古代哲学家公孙龙提出的著名的逻辑问题“白马非马”，她指出P versus NP的关系只能从相对比较的角度来认知，在中国思想里，此认知表达为“阴阳互补原理”，这样不仅从整体观出发，能够解读P versus NP问题，而且能探讨科学与人文相结合的意义以及中西文化的互补性。

六、关于信息、智能与逻辑的关系

西安交通大学的王小红教授就人工智能问题，提出机器发现系统检验了以及正在检验着实在论者与反实在论者在观察与理论陈述的争辩中的立场。当数据和假设之间的严格边界崩溃之后，机器发现系统重新发现了更多的经验定律。她对旧的争辩和机器发现应用语义信息理论的生产，与应用于厘清人工智能系统和自然智能系统之间差别的成果进行了解释。