量子計算的基本原理精選(九篇)

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第1篇：量子計算的基本原理范文

本書將從物理、技術(shù)和設(shè)備操作方面對使用硅及相關(guān)合金制備的光子器件進(jìn)行概述，包括以下內(nèi)容：1硅光子學(xué)概述，從介紹VLSI的發(fā)展過程以及存在的問題出發(fā)引出本書將要講述的內(nèi)容；2硅的基本性能，介紹了硅能帶結(jié)構(gòu)、狀態(tài)密度函數(shù)和雜質(zhì)，并講述了硅基異質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)；3量子結(jié)構(gòu)，對量子阱、量子線和點、超晶格、Si基量子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了講述；4光學(xué)過程，主要講述了半導(dǎo)體中相關(guān)光學(xué)過程基本理論，包括光學(xué)常數(shù)、基本概念以及光吸收、發(fā)射等理論；5量子結(jié)構(gòu)中的光學(xué)過程，主要講述量子井、量子線和量子點這些納米結(jié)構(gòu)中的光學(xué)過程的基本原理；6硅光發(fā)射器，主要講述了半導(dǎo)體發(fā)光基本原理，以及具體半導(dǎo)體光發(fā)射器，并對激發(fā)光發(fā)射進(jìn)行展望；7硅光調(diào)制器，主要講述了光調(diào)制相關(guān)的一些基本物理效應(yīng)以及硅的電折射效應(yīng)和熱光效應(yīng)，介紹了光調(diào)制器一些特性以及相關(guān)的光、電結(jié)構(gòu)，最后講述了高帶寬光調(diào)制器；8硅光電檢測器，介紹了光電檢測器原理以及重要性質(zhì)，講述了一些具體的光電檢測器；9拉曼激光，主要講述了拉曼激光的概念、簡化理論、硅的拉曼效應(yīng)，并對拉曼系數(shù)進(jìn)行了介紹，最后具體講述了一種連續(xù)波拉曼激光；10導(dǎo)光波導(dǎo)言，介紹了光導(dǎo)的射線光理論以及反射系數(shù)，講述了集中具體的波導(dǎo)：平面波導(dǎo)模型、光導(dǎo)波理論、3D光波導(dǎo)，最后講述了波導(dǎo)損耗、波導(dǎo)與光器件的耦合；11平面波導(dǎo)器件原理，講述了平面波導(dǎo)耦合模型、直接耦合器、分布式布拉格反射鏡，并具體講述了一些平面波導(dǎo)器件；12用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)的波導(dǎo)，主要講述了陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性，介紹了提高陣列波導(dǎo)光柵性能的方法，列舉了具體應(yīng)用；13制備工藝及材料系統(tǒng)，主要講述了光電子器件制備的主要工藝及材料處理方法。

本書描繪了硅光子學(xué)器件的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，并深入講述了硅光子學(xué)現(xiàn)在發(fā)展以及展望了硅光子學(xué)未來，可以作為高等院校高年級本科生和研究生的教材和參考書，也可作為半導(dǎo)體光子學(xué)、光電集成、光電子器件、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計算機光互連及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員的參考書。

作者M(jìn). Jamal Deen是加拿大McMaster大學(xué)的教授， IEEE Transactions on Electron Devices的編輯，F(xiàn)luctuations and Noise Letters的執(zhí)行編輯，加拿大皇家學(xué)會會士，加拿大工程院院士， IEEE院士， 美國物理學(xué)會會士。他目前的研究領(lǐng)域是：微米納米電子學(xué)、光電子學(xué)及其在生命和環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用。

第2篇：量子計算的基本原理范文

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)探索；普通高校

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0212-02

一、概論

量子力學(xué)從建立伊始就得到了迅速的發(fā)展，并很快融合其他學(xué)科，發(fā)展建立了量子化學(xué)、分子生物學(xué)等眾多新興學(xué)科。曾謹(jǐn)言曾說過，量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，也許會對21世紀(jì)人類的物質(zhì)文明有更深遠(yuǎn)的影響[1]。

地處西部地區(qū)的貴州省，基礎(chǔ)教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分?jǐn)?shù)線，從中可知：自2009年起二本線已經(jīng)低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學(xué)校來講，其生源質(zhì)量相對較低。同時，在物理學(xué)（師范）專業(yè)大部分學(xué)生畢業(yè)后的出路主要是中學(xué)教師、事業(yè)單位一般工作人員及公務(wù)員，對量子力學(xué)的直接需求并不急切。再加上量子力學(xué)的“曲高和寡”，學(xué)生長期以來形成學(xué)之無用的觀念，學(xué)習(xí)意愿很低。在課時安排上，隨著近年教育改革的推進(jìn)，提倡重視實習(xí)實踐課程、注重學(xué)生能力培養(yǎng)的觀念的深入，各門課程的教學(xué)時數(shù)被壓縮，量子力學(xué)課程課時從72壓縮至54學(xué)時，課時被壓縮25%。

總之，在學(xué)校生源質(zhì)量逐年下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿逐年降低，且課時量大幅減少的情況下，教師的教學(xué)難度進(jìn)一步增大。以下本人結(jié)合從2005至10級《量子力學(xué)》的教學(xué)經(jīng)驗，談一下教學(xué)方面的思考。

二、依據(jù)學(xué)生情況，合理安排教學(xué)內(nèi)容

1.根據(jù)班級的基礎(chǔ)區(qū)別化對待，微調(diào)課程內(nèi)容?？紤]到我校學(xué)生的實際情況和需要，教學(xué)難度應(yīng)與重點院校學(xué)生有差別。同時，通過前一屆的教學(xué)積累經(jīng)驗，對后續(xù)教學(xué)應(yīng)有小的調(diào)整。在備課時，通過微調(diào)教學(xué)內(nèi)容來適應(yīng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力不同的學(xué)生。比如，通過課堂教學(xué)及作業(yè)的反饋，了解該班學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，再根據(jù)班級學(xué)習(xí)狀況的不同，進(jìn)行后續(xù)課程內(nèi)容的微調(diào)。教學(xué)中注重量子力學(xué)基本概念、規(guī)律和物理思想的展開，降低教學(xué)內(nèi)容的深度，注重面上的擴展，進(jìn)行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)的畏難心理。

2.照顧班內(nèi)大多數(shù)，適當(dāng)降低數(shù)學(xué)推導(dǎo)難度。對于教學(xué)過程中將要碰到的數(shù)學(xué)問題，可采取提前布置作業(yè)的方法，讓學(xué)生主動去復(fù)習(xí)，再輔以教師課堂講解復(fù)習(xí)，以解決學(xué)生因為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差而造成的理解困難。同時，可以通過補充相關(guān)數(shù)學(xué)知識，細(xì)化推導(dǎo)過程，降低推導(dǎo)難度來解決。比如：在講解態(tài)和力學(xué)量的表象時[2]，要求學(xué)生提前復(fù)習(xí)線性代數(shù)中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學(xué)生掌握相關(guān)的數(shù)學(xué)知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數(shù)起了很大的推動作用。

3.注重量子論思想的培養(yǎng)。量子論的出現(xiàn)，推動了哲學(xué)的發(fā)展，給傳統(tǒng)的時空觀、物質(zhì)觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學(xué)給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識格格不入，一切不再連續(xù)變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，不愿意動手推導(dǎo)，學(xué)習(xí)興趣較低，量子力學(xué)的教學(xué)，對學(xué)生量子論思維方式的培養(yǎng)就顯得尤為重要。為了完成從經(jīng)典理論到量子理論思維模式的轉(zhuǎn)變，概念的思維方式是基礎(chǔ)、是重中之重。通過教師的講解，使學(xué)生理解量子力學(xué)的思考方式，并把經(jīng)典物理中機械唯物主義的絕對的觀念和量子力學(xué)中的概率的觀念相聯(lián)系起來，在生活中能夠利用量子力學(xué)的思維方式思考問題，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

4.跟蹤科學(xué)前沿，隨時更新科研進(jìn)展?？茖W(xué)是不斷向前發(fā)展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領(lǐng)域的最新研究成果，不能在教材中得到及時體現(xiàn)。而發(fā)生在眼下的事件，最新的東西才是學(xué)生感興趣的。因此，我們可以利用學(xué)生的這種心理，通過跟蹤科學(xué)前沿，及時補充量子力學(xué)進(jìn)展到教學(xué)內(nèi)容中的方式，來提高學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。教師利用量子力學(xué)基本原理解釋當(dāng)下最具轟動性的科技新聞，提高量子力學(xué)在現(xiàn)實生活中出現(xiàn)的機會，同時引導(dǎo)學(xué)生利用基本原理解釋現(xiàn)實問題，從而培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

三、更新教學(xué)手段，提高教學(xué)效率

1.拓展手段，量子力學(xué)可視化。早在上世紀(jì)90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學(xué)輔助教學(xué)軟件，并在此基礎(chǔ)上出版了《圖解量子力學(xué)》。該書采用二維網(wǎng)格圖形和動畫技術(shù)，形象地表述量子力學(xué)的基本內(nèi)容，推動了量子力學(xué)可視化的前進(jìn)。近幾年計算機運算速度的迅速提高，將計算物理學(xué)方法和動畫技術(shù)相結(jié)合，再輔以數(shù)學(xué)工具模擬，應(yīng)用到量子力學(xué)教學(xué)的輔助表述上，使量子力學(xué)可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學(xué)生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會得到提高。

2.適當(dāng)引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學(xué)生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準(zhǔn)關(guān)系時，初學(xué)者往往覺得它很難理解。由于這個原理和已經(jīng)深入人心經(jīng)典物理概念格格不入，因此初學(xué)者往往缺乏全面、正確的認(rèn)識。有學(xué)生根據(jù)漢語的字面意思認(rèn)為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時教師引入英文“Uncertainty principle”可使學(xué)生通過英文原意“不確定原理”知道，這個原理與“測量”這個動作的實施與否并沒有絕對關(guān)系，也就是說并不是測量了力學(xué)量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學(xué)中物質(zhì)的波粒二象性的基本原理。

3.提出問題，引導(dǎo)學(xué)生探究。對于學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生，適當(dāng)引入思考題，并指導(dǎo)他們解決問題，從而使學(xué)生得到基本的科研訓(xùn)練。比如，在講解氫原子一級斯塔克效應(yīng)時，提到“通常的外電場強度比起原子內(nèi)部的電場強度來說是很小的”[2]。這時引入思考題：當(dāng)氫原子能級主量子數(shù)n增大時，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當(dāng)確定精度要求后，微擾論在討論較高激發(fā)態(tài)時，這個n能達(dá)到多少？學(xué)生通過對問題的主動探索解決，將進(jìn)一步熟悉微擾論這個近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學(xué)生對知識點的理解，還可以得到基本的科研訓(xùn)練，從而引導(dǎo)學(xué)生走上科研的道路。

4.師生全面溝通，及時教學(xué)反饋。教學(xué)反饋是教學(xué)系統(tǒng)有效運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對教和學(xué)雙方都具有激發(fā)新動機的作用。比如：通過課堂提問及觀察學(xué)生表情變化的方式老師能夠及時掌握學(xué)生是否理解教師所講的內(nèi)容，若不清楚可以當(dāng)堂糾正。由此建立起良好的師生互動，改變單純的灌輸式教學(xué)，在動態(tài)交流中建立良好的教學(xué)模式，及時調(diào)整自己的教學(xué)行為。利用好課程結(jié)束前5分鐘，進(jìn)行本次課程主要內(nèi)容的回顧，及時反饋總結(jié)。通過及時批改課后作業(yè)，了解整個班級相關(guān)知識及解題方法的掌握情況。依據(jù)反饋信息，對后續(xù)課程進(jìn)行修訂。

通過雙方的反饋信息，教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)中的反饋信息分析、判定學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，學(xué)生也可以根據(jù)教師的反饋，分析自己的學(xué)習(xí)效率，檢測自己的學(xué)習(xí)態(tài)度、水平和效果。同時，學(xué)生學(xué)習(xí)行為活動和結(jié)果的反饋是教師自我調(diào)控和對整個教學(xué)過程進(jìn)行有效調(diào)控的依據(jù)[6]。

四、結(jié)論

量子力學(xué)作為傳統(tǒng)的“難課”，一直是學(xué)生感到學(xué)起來很困難的課程。特別是高校大擴招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質(zhì)量下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿不高的現(xiàn)狀，造成了教師教學(xué)難度進(jìn)一步增大。要增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，教師不僅要遵循高等教育的教學(xué)規(guī)律，不斷加強自身的學(xué)術(shù)水平，講課技能，適時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，采取與之相對應(yīng)的教學(xué)手段，還需要做好教學(xué)反饋，加強與學(xué)生的溝通交流，了解學(xué)生的真實想法，并有針對性的引入與生活、現(xiàn)實相關(guān)的事例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。

參考文獻(xiàn)：

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第3篇：量子計算的基本原理范文

關(guān)鍵詞：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能計算

【分類號】：TM743

1.概述

量子計算是計算機科學(xué)與量子力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，根據(jù)Moore定律可知：當(dāng)計算機的存儲單元達(dá)到原子層次時，顯著地量子效應(yīng)將會嚴(yán)重影響計算機性能，計算機科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展需要借助新的原理和方法【1】，量子計算為這一問題的解決提供了一個可能的途徑。

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

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

2.量子計算基礎(chǔ)

2.1 量子位

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

2.2.量子邏輯門

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

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

3.量子算法

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

3.1基于傅里葉變換的量子算法

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

Shor算法的基本思想是：利用數(shù)論相關(guān)知識，通過量子并行特點，獲得所有的函數(shù)值；再隨機選擇比自變量小且互質(zhì)的自然數(shù)，得到相關(guān)函數(shù)的疊加態(tài)；最后進(jìn)行量子傅里葉變換得最后結(jié)果。構(gòu)造如下函數(shù)：

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

3.2以Grover為代表的量子搜素算法

3.2.1 Grover算法

Grover算法屬于基于黑箱的搜索算法，其基本思想為：在考慮含有 個數(shù)據(jù)庫的搜索問題，其中搜索的解恰好有 個，將數(shù)據(jù)庫中的每個元素進(jìn)行量化后，存儲在 個量子位中， 與 滿足關(guān)系式 ?！?】將搜索問題表示成從0到 的整數(shù) ，其中函數(shù) 定義為：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 ?！?2】

具體算法如下：

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

（2）進(jìn)行Grover迭代。將結(jié)果進(jìn)行阿達(dá)馬門（Hadamard門）變換。

（3）結(jié)果進(jìn)行 運算。

（4）結(jié)果進(jìn)行阿達(dá)馬門變換?！?2】

4. 量子智能計算

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

目前已有的量子智能計算研究主要包括：量子人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，量子進(jìn)化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和量子進(jìn)化算法已經(jīng)成為目前學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的熱點，并且取得了相當(dāng)不錯的成績，下面將以量子進(jìn)化算法為例。

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

目前量子進(jìn)化算法已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如：工程問題、信息系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。同時，伴隨著量子算法的理論和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，量子進(jìn)化算法等量子智能算法有著更大的發(fā)展前景和空間。

參考文獻(xiàn)

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

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9.龍桂魯.量子計算算法介紹

10.解光軍，范海秋，操禮程.一種量子神經(jīng)計算網(wǎng)絡(luò)模型

第4篇：量子計算的基本原理范文

關(guān)鍵詞：量子點 發(fā)光 量子點尺寸效應(yīng)

近幾年來，寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料引起人們極大的興趣，是因為這些材料在藍(lán)光及紫外光發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和紫外光探測器上有重要的應(yīng)用價值。這些器件在光信息存儲、全色顯示和紫外光探測上有巨大的市場需求，人們已經(jīng)制造出III族氮化物和ZnSe等藍(lán)光材料，并用這些材料制成了高效率的藍(lán)光發(fā)光二極管和激光器，這使全色顯示成為可能。量子點（QuantumDot）憑借自身獨特的光電特性越來越受到人們的重視，成為研究的熱點。

由于量子點所具有的量子尺寸、量子隧穿、庫侖阻塞、量子干涉、多體關(guān)聯(lián)和非線性光學(xué)效應(yīng)非常明顯，故在低維量子結(jié)構(gòu)的研究中，對載流子施以盡可能多的空間限制，制備零維量子點結(jié)構(gòu)并開發(fā)其應(yīng)用，受到世界各國科學(xué)家和企業(yè)家的高度重視。

1、半導(dǎo)體量子點的制備方法

高質(zhì)量半導(dǎo)體量子點材料的制備是量子器件和電路應(yīng)用的基礎(chǔ)，如何實現(xiàn)對無缺陷量子點的形狀、尺寸、面密度、體密度和空間分布有序性等的可控生長，一直是材料科學(xué)家追求的目標(biāo)和關(guān)注的熱點。

應(yīng)變自組裝量子點結(jié)構(gòu)生長技術(shù)是指在半導(dǎo)體外延生長過程中，由于襯底和外延層的晶格失配及表面、界面能不同，導(dǎo)致外延層島狀生長而制得量子點的方法。這種生長模式被稱為SK生長模式。外延過程的初期為二維平面生長，平面生長厚度通常只有幾個原子層厚，稱為浸潤層。隨浸潤層厚度的增加，應(yīng)變能不斷積累，當(dāng)達(dá)到某一臨界層厚度時，外延生長則由二維平面生長向三維島狀生長過渡，由此形成直徑為幾十納米、高度為幾納米的小島，這種材料若用禁帶較寬的材料包圍起來，就形成量子點。用這種方法制備的量子點具有尺寸小、無損傷的優(yōu)點。用這種方法已經(jīng)制備出了高質(zhì)量的GaN量子點激光器。

化學(xué)自組裝量子點制備方法是一種通過高分子偶聯(lián)劑將形成量子點的團(tuán)簇或納米顆粒聯(lián)結(jié)起來，并沉積在基質(zhì)材料上來制備量子點低維材料的方法。隨著人們對量子線、量子點制備和應(yīng)用的迫切需求，以上物理制備方法顯得費時費力，特別是在批量制備時更是如此，化學(xué)自組裝為納米量子點的平面印刷和納米有機-無機超晶格的制備提供了可能。由于化學(xué)自組裝量子點的制備具有量子點均勻有序、制備速度快、重復(fù)性好等優(yōu)點，且選用不同的偶聯(lián)劑可以對不同的量子點前驅(qū)顆粒進(jìn)行不同對稱性的組裝，從而能制備出不同的量子點。它的出現(xiàn)為批量制備高功率半導(dǎo)體量子器件和激光器提供了一種有效的途徑，因此這種方法被認(rèn)為是制備量子點最有前途的方法之一。

2、 II-VI族半導(dǎo)體量子點的發(fā)光原理和發(fā)光特性

2.1 發(fā)光原理

半導(dǎo)體量子點的發(fā)光原理（如圖1-1所示），當(dāng)一束光照射到半導(dǎo)體材料上，半導(dǎo)體材料吸收光子后，其價帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上的電子還可以再躍遷回價帶而發(fā)射光子，也可以落入半導(dǎo)體材料的電子陷阱中。當(dāng)電子落入較深的電子陷阱中的時候，絕大部分電子以非輻射的形式而猝滅了，只有極少數(shù)的電子以光子的形式躍遷回價帶或吸收一定能量后又躍遷回到導(dǎo)帶。因此當(dāng)半導(dǎo)體材料的電子陷阱較深時，它的發(fā)光效率會明顯降低。

2.2 發(fā)光特性

由于受量子尺寸效應(yīng)和介電限域效應(yīng)的影響，半導(dǎo)體量子點顯示出獨特的發(fā)光特性。主要表現(xiàn)為：（1）半導(dǎo)體量子點的發(fā)光性質(zhì)可以通過改變量子點的尺寸來加以調(diào)控；（2）半導(dǎo)體量子點具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對稱的熒光譜峰（半高全寬只有40nm）；（3）半導(dǎo)體量子點具有較高的發(fā)光效率。半導(dǎo)體量子點的發(fā)光特性，除了量子點的三維量子限制作用之外，還有其他諸多因素需要考慮。不過人們通過大膽嘗試與努力探索，已在量子點的發(fā)光特性研究方面取得了很大的進(jìn)展。

3、量子點材料的應(yīng)用

鑒于量子點的獨特理化性質(zhì)，科學(xué)工作者就量子點材料的應(yīng)用研究開展了大量的工作，研究領(lǐng)域主要集中在納米電子學(xué)、光電子學(xué)、生命科學(xué)和量子計算等領(lǐng)域，下面介紹一下量子點在這些方面的應(yīng)用。

3.1量子點激光器

用量子線或量子點設(shè)計并制作微結(jié)構(gòu)激光器的新思想是由日本的兩名年輕的科學(xué)家在1982年提出了，但是由于制備工藝的難度很大而擱淺。隨著技術(shù)的進(jìn)步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技術(shù)，通過 Stranski―Krastanow（S―K）模式生長In（Ga）As/GaAs自組裝量子點等零維半導(dǎo)體材料有了突破性的進(jìn)展，生長出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發(fā)射率較高的InAs量子點，并于1994年制備出近紅外波段In（Ga）As/GaAs量子點激光器。

3.2量子點紅外探測器

半導(dǎo)體材料紅外探測器的研究一直吸引人們非常廣泛的興趣。以量子點作為有源區(qū)的紅外探測器從理論上比量子阱紅外探測器具有更大的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括：（1）量子點探測器可以探測垂直入射的光，無需像量子阱探測器那樣要制作復(fù)雜的光柵；（2）量子點分立態(tài)的間隔大約為50meV-70meV，由于聲子瓶頸效應(yīng)，電子在量子點分立態(tài)上的弛豫時間比在量子阱能態(tài)上長，這有利于制造工作溫度高的器件；（3）三維載流子限制降低了熱發(fā)射和暗電流；（4）探測器不需冷卻，這將會大大減少陣列和成像系統(tǒng)的尺寸及成本。因此，量子點探測器已經(jīng)成為光探測器研究的前沿，并取得了重大進(jìn)展。

3.3 單電子器件

電子器件是基于庫侖阻塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本原理，通過控制在微小隧道結(jié)體系中單個電子的隧穿過程來實現(xiàn)特定功能的器件，是一種新型的納米電子器件。

3.4 量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合單電子量子點上的自旋態(tài)來構(gòu)造量子比特，實現(xiàn)信息傳遞的方法。

除此之外，量子點在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應(yīng)用前景。

結(jié)束語 我們相信量子點技術(shù)應(yīng)用的未來出現(xiàn)很多奇跡，隨著對量子點的深入研究，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用前景還將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

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第5篇：量子計算的基本原理范文

Gabriel, USA

The Shaggy Steed of Physics

Mathematical Beauty in

the Physical World

Second Edition

2004, 300 pp.

Hardcover EUR 54.95

ISBN 0-387-40307-8

戴維.奧立弗 著

宇宙為我們呈現(xiàn)出很多感性的存在，在這些感性的存在中隱藏了物理學(xué)內(nèi)部的景象；這些宇宙的內(nèi)部圖景雖然被遮在面紗下，卻吸引著我們，引導(dǎo)著我們尋找太陽、月亮、星星運動背后的潛在原因，探索所有物質(zhì)運動的基本形態(tài)，發(fā)現(xiàn)所有地球上紛繁蕪雜的物質(zhì)背后所隱藏的統(tǒng)一性。宇宙的內(nèi)部特性是包裹在其外部燦爛外表之下的充滿精密和美的圖景，這個關(guān)于物質(zhì)和運動，無論是可感知還是不可感知的圖景就是數(shù)學(xué)。

當(dāng)我們感知到世界是數(shù)學(xué)的，已經(jīng)令我們驚訝不已。自然世界為我們呈現(xiàn)出一種充滿數(shù)學(xué)對稱的美；然而，自然界的粗糙外部表象所創(chuàng)造出來的層層迷霧，屏蔽了我們對于數(shù)學(xué)的精妙的認(rèn)知，這些迷霧卻往往是物理的。數(shù)學(xué)和物理的共鳴，創(chuàng)造性的發(fā)展著彼此。于是，雖然宇宙的感性表象以一種開放的方式呈現(xiàn)出來，但是，宇宙的物理表象，正如其隱藏在數(shù)學(xué)中一樣，需要我們通過研究來發(fā)現(xiàn)出來。這就是本書想要告訴讀者的大部分思想。

全書共分7章。第1章物理的野馬，引用了一則愛爾蘭傳說，為我們回顧了物理學(xué)的歷史；第2章天堂和元素，概述了宏觀世界和微觀世界所遵循的不同物理原則；第3章運動定律，描述了運動學(xué)的基本原理；第4章經(jīng)典力學(xué)：天堂，描述了宏觀世界物質(zhì)和運動所遵循的物理原理――經(jīng)典力學(xué)；第5章量子力學(xué)：元素，描述了微觀世界粒子所遵循的物理原理――量子力學(xué)；第6章時空的潛在統(tǒng)一性，介紹高速情況下物質(zhì)所體現(xiàn)出的相對論特性；第7章多維的宇宙，主要介紹混沌所表現(xiàn)出來的無序和驚人的物理效應(yīng)。

本書適合物理學(xué)研究生和研究人員閱讀，也適合對物理學(xué)感興趣的人員閱讀參考。

丁丹，碩士生

(中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所)

第6篇：量子計算的基本原理范文

關(guān)鍵詞：有限元方法；電動力學(xué)；應(yīng)用

中圖分類號：O442-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）35-0113-02

光量子就是一種“左”和“右”的奇異偏振粒子，由于偏振的對稱或不對稱，而發(fā)生光波在干涉過程中的系統(tǒng)偏振化。蘇聯(lián)科學(xué)家瓦維洛夫設(shè)計的許多光學(xué)實驗，十分有趣地說明了光的偏振是光學(xué)過程的基本現(xiàn)象之一。所有的實驗都表明，光是一種粒子現(xiàn)象，而一切單色的運動的微觀粒子群都表現(xiàn)為粒子的波的本性。

1 電動力學(xué)原理

1.1 光量子

電子是一個小旋渦體。光量子是由2個質(zhì)量相等、自旋相反的電子在小黃道面（E平面）上結(jié)合的雙粒子。

以化學(xué)鍵結(jié)合的電子偶，由于在雙電子中間結(jié)合帶，質(zhì)點所受向心力被抵消，使質(zhì)點沿圓切線方向被拋出，在反沖力推動下，光量子會沿曲率半徑為無限大的圓“自己運動”，因此，光量子的靜止質(zhì)量等于零。在處理光量子運動學(xué)問題時，可將它比成一個按周期間歇振蕩，在時間與空間中補充燃料質(zhì)量近似等于噴出燃料質(zhì)量，自己推進(jìn)的小火箭。因為光量子是由2個電子在E平面上結(jié)合而成的，所以它是偏振的，有EHc。圖1表示電子偶在小黃道面上的物質(zhì)旋渦運動呈疏密相間的條帶分布（類似太陽系中的小行星環(huán)縫）。由于共振效應(yīng)，雙電子只能停留在各物質(zhì)環(huán)縫上結(jié)合。這些環(huán)縫是光量子的能級En。處于不同分立能級狀態(tài)下結(jié)合的雙電子的中心距an不同，其電子的質(zhì)量虧損也不同。an愈小的光量子有愈大的能級。光量子的能級表征了它特有的固有振動頻率。是每個光量子的固有振動頻率決定了光的顏色，并與光波波長有密切關(guān)系。

自旋電子的場的開放性使單個電子很難單獨游離存在，所以，電子團(tuán)一般都是由偶數(shù)個“左”和“右”自旋的單電子在E平面上結(jié)合形成的。而由奇數(shù)個單電子組成的總自旋角動量不為零的電子鏈條通常是不穩(wěn)定的衰變粒子團(tuán)。每一個電子團(tuán)的固有振動頻率為vc，其中每個電子的瞬時振動速度為光速±C并具有內(nèi)能mec2。不同的光量子所需外場激發(fā)能量不同。在電場中的電子團(tuán)受電場力被加速。外場所做的功除表現(xiàn)為電子團(tuán)的動能增加外，由于阻力，所以還表現(xiàn)在對電子團(tuán)壓縮變形的質(zhì)量虧損上。因此，在電場中運動的電子團(tuán)，根據(jù)瞬時速度不同，被壓縮的能級狀態(tài)也不同。不同能級狀態(tài)下的電子團(tuán)有不同的固有振動頻率vc，恰恰是這個固有振動頻率vn記憶了能量壓縮過程。取在放電管中電子團(tuán)的固有振動頻率最大值vmax，平均振動頻率v=■，當(dāng)時v=c，就有下面電動力學(xué)的基本方程：

式中，me為單電子的質(zhì)量，h為普朗克常數(shù)。

當(dāng)在放電管中充滿某種氣體分子，且在氣體第一電離電位臨界點上，氣體電離原子的主振頻率等于電子團(tuán)的平均固有振動頻率vn時，則發(fā)生電子團(tuán)在共振中被破壞，分散成在一個平面上對稱輻射的2個或3個光量子（單態(tài)或三重態(tài)），形成最強的線狀光譜的輻射。

1.2 粒子的干涉和光波的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

因為微觀粒子質(zhì)量很小，粒子之間開放鍵的作用相對很強，所以，任何兩個電子團(tuán)或光量子，在小夾角的碰撞中都表現(xiàn)為粒子最原始的干涉形式。我們把這種碰撞叫做“吸引碰撞”或“排斥碰撞”。例如，兩個沿同方向，在E平面上以小夾角相遇的光量子，因為互相靠近的電子自旋方向相反則互相吸引，使在“吸引碰撞”后的兩個光量子沿其速度矢量夾角平分線ψ方向運動。而兩個向反方向運動的光量子在E平面上相遇時，由于互相靠近的電子自旋方向相同而發(fā)生“排斥碰撞”相互分離。其他各種偏振的、對稱或是不對稱的碰撞形式，讀者可以自己研究。例如，偏振面互相垂直的兩個光量子，相互碰撞就不能發(fā)生干涉現(xiàn)象。光量子在干涉或界面反射過程中往往發(fā)生系統(tǒng)的偏振化，成為圓偏振光或橢圓偏振光。

在空間中任何按一定平均自由程分布的“單色偏振態(tài)相同或相近微觀粒子群”都能發(fā)生上述粒子的干涉現(xiàn)象。光波就是由光量子組成的、自己推進(jìn)的粒子波。在光源的附近就已經(jīng)發(fā)生干涉所形成的光線上，包含著許多長程無序分布的“線波包”。在每個“線波包”內(nèi)是由光源在一次輻射，經(jīng)過干涉而聚集的光量子。光量子在“線波包”內(nèi)排列是有序的，前后兩組光量子之間的距離為 mλ（m是正整數(shù)，λ是波長）。

如圖2所示，由一次輻射所分開的兩條相干光線上，當(dāng)“線波包”之間的光程差小于它本身的長度時，在一定干涉孔徑條件下，兩條光線能夠發(fā)生干涉。在圖2中給定的初始條件下，從小孔光源S或S’毫無規(guī)律地向任意方向輻射的光量子，只能在與S7或S兩個點的理論波陣面上，光程差L=mλ上各點相遇，相遇后的兩組光量子在干涉后沿其速度矢量夾角平分線上的ψ方向運動，這個方向就是光線干涉后的傳播方向。光波的干涉不是充滿在整個空間的粒子毫無規(guī)則的彈性碰撞，而是以“線波包”中光量子相遇的“吸引碰撞”或“排斥碰撞”發(fā)生的光量子在光線方向上的集中，這表現(xiàn)為光波能量在干涉過程中的重新分布。

2 有限元法及其在“電動力學(xué)”中的應(yīng)用

有限元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是20世紀(jì)50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛地應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。有限元法的基本思想是：在變分法或加權(quán)余量法基礎(chǔ)上，采用分塊逼近而形成的系統(tǒng)化的數(shù)值計算方法。有限元法的基本原理是：首先將求解區(qū)域進(jìn)行離散化，其次剖分成若干互相連接而又不重疊的一定幾何形狀的子區(qū)域，這樣的子區(qū)域稱為單元（二維問題的子區(qū)域，一般取為三角形區(qū)域或矩形區(qū)域）。在單元體中選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線性組合來逼近單元中的真解，而總體基函數(shù)可以由單元基函數(shù)組成。也就是說，有限元方法是根據(jù)變分原理和方程余量與權(quán)函數(shù)正交化原理建立起的積分表達(dá)式為出發(fā)點，將整個積分區(qū)域中的求解函數(shù)離散為若干單元區(qū)域中的連續(xù)函數(shù)，再通過單元積分，總體合成為代數(shù)方程形式的有限方程。對于二維情況，拉普拉斯方程及邊界關(guān)系為：

與有限差分法等其他數(shù)值方法相比，有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，但局限性在于只適用于相對小的子域。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫（Clough）形象地將其描繪為：“有限元法——Ray—leigh Ritz法+分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。與求解滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法（往往是很困難的）相比，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。由于有限元法的重要應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了許多關(guān)于有限元法的通用程序與軟件。

與差分法比較，有限元素法的節(jié)點配置方式比較靈活，因此適用于處理形狀比較復(fù)雜的區(qū)域。它的邊界節(jié)點完全處在區(qū)域的邊界上，從而在邊界上可以給出較好的逼近。當(dāng)邊界比較復(fù)雜的時候，有限差分法是很難處理的，而且誤差也較大，有限元素法還可以根據(jù)具體情況的需要，在一部分求解區(qū)域中配置較密的節(jié)點，而在另一部分求解區(qū)域中配置較稀疏的節(jié)點，以便在盡量不增加過多的節(jié)點總數(shù)下，提高計算精度，這些長處是有限差分法很難實現(xiàn)的。當(dāng)然，差分法采用直交網(wǎng)格，列計算格式比較簡便，而有限元素法由于節(jié)點配置比較任意，列計算格式就要復(fù)雜得多，不過這些計算格式都可以在電子計算機上自動運算。

參考文獻(xiàn)：

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第7篇：量子計算的基本原理范文

【關(guān)鍵詞】超聲波；測距；定位

1.前言

本設(shè)計的主要應(yīng)用是eBeam白板，該系統(tǒng)是通過吸附于普通白板左右上角的兩個接受器接受并傳送白板筆在書寫時發(fā)出的超聲波至本地計算機，從而將寫于白板的任何筆跡及現(xiàn)場聲音記錄于本地計算機，并可通過internet及時傳送給遠(yuǎn)端計算機。

2.總體方案設(shè)計

本設(shè)計采用超聲波發(fā)生與接收一體的裝置，通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差，然后計算出相應(yīng)的距離。

假設(shè)聲波室溫下在空氣中的速度為340米/秒，AT89CC51計算系統(tǒng)與目標(biāo)間的距離并采用LED將其顯示在四位的LED顯示器上。距離以米為單位顯示，精度為1cm。

本系統(tǒng)由超聲波測距系統(tǒng)及定位系統(tǒng)兩部分組成。

3.超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)概述

單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差，然后計算出相應(yīng)的距離。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要電路又單片機主機系統(tǒng)電路、超聲波發(fā)射、接收電路、LED顯示電路。

3.2.1 單片機主機系統(tǒng)電路

本電路由AT89C51主機、時鐘、復(fù)位電路及報警電路組成。

3.2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭選用CSB40T，可利用軟件產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。

3.2.3 超聲波接收電路

超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波接收電路的作用是對接收的超聲波信號進(jìn)行放大，并將該信號處理成系統(tǒng)可以接收的電平信號。

3.2.4 LED顯示電路

常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器（簡稱LED或數(shù)碼管）和液晶顯示器（簡稱LCD）。由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容比較簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計采用模塊化設(shè)計，由主程序、發(fā)射子程序、查蟓接收子程序、定時子程序、顯示子程序等模塊組成，軟件原理圖如圖2—1。

3.3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

本設(shè)計首先對計時器和計數(shù)器進(jìn)行初始化，將超聲波發(fā)射端和接受端全部置1，接著檢查按鍵，然后開始進(jìn)行測量子程序，測量之后再將數(shù)據(jù)用LED數(shù)碼管顯示出來。

3.3.2 超聲波測距程序主程序流程圖如圖2—2

主程序調(diào)用測量子程序，計算子程序，顯示子程序完成一個測量周期。

3.3.3 測量子程序流程圖如圖2—3

4.超聲波定位系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 基本原理

在空間的某些固定位置上設(shè)立超聲波發(fā)射裝置，主體上設(shè)立接收器（反之亦可）。分別測量主體到各發(fā)射點的距離，經(jīng)過計算后便可得到主體的位置。

根據(jù)三角形的穩(wěn)定性，發(fā)生器1和發(fā)生器2的距離是固定的，那么如果測出物體到發(fā)生器1和發(fā)生器2的距離，就可以確定了三角形的三邊，那么三角形也就是固定的，從而達(dá)到定位的目的。

4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

超聲波的定位系統(tǒng)的硬件電路圖實際上是由兩個超聲波測距組合而成，根據(jù)一個三角形的三邊長度確定，那么這個三角形就確定的原理，從而達(dá)到定位的目的，因此我需要兩套超聲波發(fā)生器和兩套接收器，并且可選擇AT89C51的P2接口當(dāng)作超聲波發(fā)射和接收的接口，P1口用來驅(qū)動LED數(shù)碼管，P0接口用作位選。

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計（程序流程圖如圖3—2）

5.結(jié)語

本設(shè)計描述了一種采用AT89C51超低功耗微控制器的基于超聲波的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)不受光線、電磁波、粉塵等的影響，且其精度能達(dá)到厘米數(shù)量級，設(shè)計簡單，適用范圍廣。

附圖：系統(tǒng)的電路總圖如圖5—1。

參考文獻(xiàn)

[1]何立民.MCS—51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[2]張毅剛，彭喜源.單片機應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]張海濤.基于多超聲波傳感器的避障系統(tǒng)設(shè)計[J].山西科技，2006，3（01）.

[4]趙廣濤，程蔭杭.基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2006，5（01）.

第8篇：量子計算的基本原理范文

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

Shen-zhuang Lu

College of Chemistry Leshan Normal college

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

1. 引言

在量子化學(xué)中，根據(jù)體系得對稱性，常采用不同的正交曲線坐標(biāo)系，如對于原子體系時采用球坐標(biāo)系，對于雙原子分子體系時采用橢球坐標(biāo)系。在解Schr？idinger方程時需要Laplace算符在相應(yīng)坐標(biāo)系得表達(dá)式。推導(dǎo)Laplace算符在正交曲線坐標(biāo)系得表達(dá)式通常有三種方法：（1）利用散度的性質(zhì)[1]；（2）利用外微分形式的方法[2]；（3）使用多元復(fù)合函數(shù)微分法則[3，4]。前兩種方法推導(dǎo)比較簡潔，各種正交曲線坐標(biāo)系Laplace算符采用拉梅系數(shù)有統(tǒng)一的表達(dá)式，但這兩種方法先要介紹散度或外微分形式的概念，學(xué)化學(xué)的人一般沒有學(xué)習(xí)過這兩個概念；第三種方法比較繁瑣。本文提出了一種新的方法，利用Jacobi矩陣推導(dǎo)。

2. 正交曲線坐標(biāo)系Laplace算符的矩陣表達(dá)式

3. 球坐標(biāo)系中的應(yīng)用

直角坐標(biāo)系與球坐標(biāo)系的變換關(guān)系為，

4. 結(jié)論

本文提出了用矩陣方法推導(dǎo)正交曲線坐標(biāo)系中的Laplace算符，此方法雖然與使用多元復(fù)合函數(shù)微分法則推導(dǎo)的量沒有減少，但思路清晰，使人能把主要精力放在系數(shù)處理上。

參考文獻(xiàn)

1. 徐光憲，黎樂民，王德民 量子化學(xué)―基本原理和從頭計算法（中冊） 科學(xué)出版社 1999。

2. 郭城 基于外微分形式的一般坐標(biāo)系下梯度、旋度、散度的統(tǒng)一推導(dǎo) 學(xué)園 2011，60-61。

3. 江俊勤 柱面坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系中的拉普拉斯算符 廣東教育學(xué)院學(xué)報 2003 23（2） 32-34。

4. 姚久民，石鳳良 球坐標(biāo)系中拉普拉斯算符表達(dá)式的推導(dǎo) 唐山師范學(xué)院學(xué)報 2005 27（5） 67-71。

第9篇：量子計算的基本原理范文

【關(guān)鍵詞】 激光原理與技術(shù)課程；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；實驗教學(xué)

【中圖分類號】G632.010 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）29-00-01

一、教學(xué)現(xiàn)狀

“激光原理與技術(shù)”是應(yīng)用物理學(xué)本科專業(yè)的專業(yè)課，是一門理論性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)可以為學(xué)生今后從事激光技術(shù)、光通信、信息處理、紅外探測、環(huán)境檢測、激光醫(yī)療診斷和材料加工等方面的相關(guān)光學(xué)工程研究打下基礎(chǔ)。由于該課程物理概念抽象并且理論性強，基礎(chǔ)知識面廣，不易理解，感到難學(xué)，畏難情緒嚴(yán)重，學(xué)習(xí)這門課程時的興趣就不如其它普通物理課程；此外，由于學(xué)生對激光應(yīng)用方面的知識了解較少，往往因缺乏感性認(rèn)識，不能充分體會到該課程的重要性，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)中沒有一個積極的態(tài)度；再次，“激光原理與技術(shù)”需要講授激光的基本原理、基本技術(shù)以及激光的應(yīng)用三部分內(nèi)容，知識點多，邏輯關(guān)系也不像力學(xué)、電磁學(xué)等那么明顯，再加上該課程總的學(xué)時數(shù)只有32學(xué)時，所以大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中會感覺到有些凌亂，理不清頭緒，最終導(dǎo)致不能鞏固和深化所有的知識點。基于以上問題，如何在教學(xué)中合理的處理教學(xué)內(nèi)容以及采取合理的教學(xué)方法，做到重點突、詳略得當(dāng)，既要讓學(xué)生掌握基本原理和基本技術(shù)，又要了解激光的具體應(yīng)用是目前教學(xué)過程中急待解決的主要問題。

二、對教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)刪減

《激光原理與技術(shù)》是一門理論性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程涉及的基礎(chǔ)知識面廣，需要應(yīng)用原子物理、量子力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計物理、光學(xué)和高等數(shù)學(xué)等課程的結(jié)論和基礎(chǔ)，公式繁多、推導(dǎo)復(fù)雜、理論抽象，具有較大的難度和深度。要在32學(xué)時內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，就必須選擇合適的教材并且合理的安排教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中我們選擇的是上海理工大學(xué)陳家璧教授編寫的《激光原理及應(yīng)用》（電子工業(yè)出版社）作為教材。這本教材的特點在于內(nèi)容章節(jié)安排合理，知識點覆蓋面廣，理論體系較為完整，避免過多的理論公式推導(dǎo)和計算，而把重點放在闡明物理概念以及激光輸出特性與激光器的參數(shù)之問的關(guān)系，幫助學(xué)生了解和掌握最基本的激光原理和技術(shù)，學(xué)會如何根據(jù)不同應(yīng)用范圍選擇合適的激光器。因此這本教材的內(nèi)容很對工科類的學(xué)生的胃口，尤其是具有一定物理基礎(chǔ)的應(yīng)用物理系學(xué)生來說所講授的內(nèi)容比較容易掌握。我們根據(jù)教材的安排將教學(xué)內(nèi)容主要分為三個大的部分：激光的基本原理包括激光的產(chǎn)生條件、激光器的工作原理和激光器的輸出特性；激光技術(shù)部分包括激光的選模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)、激光束的光束變換，調(diào)Q、鎖模技術(shù)以及激光的內(nèi)調(diào)制、外調(diào)制等技術(shù)；激光的應(yīng)用部分主要包括各種常見激光器介紹和激光在不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。關(guān)于激光的其他方面的知識將不再安排進(jìn)課堂教學(xué)，主要供學(xué)生自學(xué)。

三、教學(xué)手段多樣化

激光原理與技術(shù)內(nèi)容繁多并且教材中包含大量圖片，只靠“一支粉筆一張嘴”的教學(xué)手段很難在有限的課時內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)。因此在科技發(fā)展的今天，我們必須借助現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)手段。在教學(xué)中通過PPT、Flash以及小電影等多中形式，使學(xué)生獲得對激光更為直觀、感性的認(rèn)識，增強課程的趣味性和直觀性。例如在激光的應(yīng)用方面，我們通過小電影播放激光雕刻、汽車車身的激光焊接以及激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用等視頻，可以很直接引起學(xué)生的興趣和好奇心，充分調(diào)動學(xué)生的積極性。在此基礎(chǔ)上，教師再具體介紹在不同應(yīng)用背景下激光器的選擇、各項技術(shù)參數(shù)等知識，這樣可以在感性認(rèn)識的基礎(chǔ)之上更好的掌握激光器的主要知識點。

此外，在教學(xué)中將部分教學(xué)內(nèi)容以專題的形式提供給學(xué)生，學(xué)生通過自己的探索和實踐過程中掌握科學(xué)研究的方法，在研究中獲得知識。例如可以在講授諧振腔結(jié)構(gòu)對激光輸出特性的影響時，在學(xué)習(xí)了開放式光腔與高斯光束、激光振蕩特性章節(jié)內(nèi)容后，結(jié)合具體的激光器He―Ne氣體激光器，讓學(xué)生探索腔型結(jié)構(gòu)對He―Ne氣體激光器激光輸出性能的影響和高斯光束聚焦特性的研究以及振腔設(shè)計和激光輸出特性測試等工作。通過專題研究，有效地促進(jìn)了在教學(xué)活動中培養(yǎng)學(xué)生具有能從物理學(xué)的角度對激光有深入的理解的能力，使學(xué)生對“激光原理”的學(xué)習(xí)有了感性認(rèn)識，將被動的接受變?yōu)橹鲃拥墨@取，并啟發(fā)他們做一些創(chuàng)新性科學(xué)研究，培養(yǎng)本科生敢于開辟激光應(yīng)用新領(lǐng)域的開拓精神，解決學(xué)生對激光物理知識內(nèi)容的深入理解與創(chuàng)新思維之間的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，還可以選拔出優(yōu)秀的學(xué)生，讓他們參與到教師的科研項目和研究中，開展初步的科學(xué)研究和探索，以此提高優(yōu)秀本科生的創(chuàng)新思維發(fā)展、理論學(xué)習(xí)和實踐相結(jié)合的能力。

四、注重實驗教學(xué)

激光原理實驗是“激光原理與技術(shù)”教學(xué)的重要組成部分，讓學(xué)生接觸真正的激光器，并在實驗中通過練習(xí)掌握調(diào)試、測試激光器的各種方法，可以幫助學(xué)生真正理解激光理論、認(rèn)識和應(yīng)用激光器，在教學(xué)過程中必須兩者兼顧，不可偏廢。可見激光原理實驗對于幫助學(xué)生真正掌握這門課程無疑是有重要意義。因此在教學(xué)中必須開設(shè)能夠涵蓋理論課涉及到的主要原理、技術(shù)和應(yīng)用方面的基礎(chǔ)性實驗，如激光器諧振腔設(shè)計、調(diào)整、橫模觀察、發(fā)散角測量、縱模間隔測量（He―Ne）和半導(dǎo)體激光器特性（GaAs）以及半導(dǎo)體激光器在通訊領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用等實驗。通過這些實驗的教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生觀察問題、思考問題、解決問題的能力，也促進(jìn)了理論教學(xué)質(zhì)量的提高。在實驗條件允許的條件下，還可以開展一些設(shè)計性、研究性實驗，如研究激光與原子、分子的相互作用、激光在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的應(yīng)用等方面的實驗。當(dāng)然，這要根據(jù)學(xué)校自身條件和教師科研情況自行決定，總的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和分析、解決問題的能力以及初步的科研能力。

五、結(jié)語

根據(jù)對《激光原理與技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實驗教學(xué)三個方面探討了“激光原理與技術(shù)”課程改革的一些想法和體會。在教學(xué)內(nèi)容上要合理刪減，突出重點，將最基本的原理和技術(shù)傳授給學(xué)生；在教學(xué)方法上要結(jié)合多媒體教學(xué)，利用生動的動畫、影視等使課程形象、生動，并且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的主動性；實驗教學(xué)是該課程的重要一環(huán)，既要加強基礎(chǔ)實驗教學(xué)也要開設(shè)一些設(shè)計研究型實驗，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1]陳家璧，彭潤玲主編.激光原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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