導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇量子計(jì)算的特性，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

摘要：總結(jié)卷云冰晶粒子常用的物理參數(shù)如形狀尺寸以及譜分布，論述卷云冰晶粒子散射特性的常用計(jì)算算法，重點(diǎn)介紹毫米波波段冰晶粒子散射特性的計(jì)算方法如DDA、T矩陣、FDTD方法并研究各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外氣象粒子的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法如微波后向散射測(cè)量裝置、FP腔、雙站RCS快速測(cè)量技術(shù)、

微波暗室測(cè)量方法，最后對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)研究動(dòng)向進(jìn)行概述。

關(guān)鍵詞：卷云；冰晶粒子；物理參數(shù)；理論計(jì)算；實(shí)驗(yàn)測(cè)量

中圖分類號(hào)：TN011 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

卷云平均覆蓋了地球上空20%-30%，其水平范圍從幾公里到上千公里，由于卷云既反射太陽(yáng)的短波輻射又吸收地面的長(zhǎng)波輻射， 對(duì)地球-大氣系統(tǒng)的輻射收支有著重要的影響[1]，因此對(duì)卷云的輻射特性進(jìn)行研究，建立各種非球形冰晶粒子的散射特性數(shù)據(jù)庫(kù)具有十分重要的意義[2]。

目前對(duì)云的探測(cè)手段主要有衛(wèi)星遙感、天氣雷達(dá)、激光雷達(dá)、云冪測(cè)量?jī)x以及高空氣球等。衛(wèi)星遙感探測(cè)間隔時(shí)間長(zhǎng)，空間分辨率低；天氣雷達(dá)對(duì)淺薄云不敏感；激光測(cè)云雷達(dá)、云冪測(cè)量?jī)x以及氣球只能探測(cè)空間某一點(diǎn)的云信息。因此，常規(guī)的探測(cè)云手段雖然可以獲取云信息，但是時(shí)間分辨率和空間分辨率都較低，不能探測(cè)云內(nèi)部結(jié)構(gòu)，難以準(zhǔn)確反映時(shí)刻變化的云參數(shù)信息[3]。作為新型的云探測(cè)工具，毫米波測(cè)云雷達(dá)具有很高的靈敏度和分辨率，可以探測(cè)云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了常規(guī)云探測(cè)的不足。

為了利用毫米波測(cè)云雷達(dá)的回波特性評(píng)估冰云，必須對(duì)毫米波波段云中冰粒子的散射特性進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究[4]。目前理論研究卷云中冰晶粒子散射的方法多集中在FDTD[5]、DDA[6]、T矩陣[7]等，常用的實(shí)驗(yàn)方法主要有微波后向散射測(cè)試方法、FP腔法、雙站RCS快速測(cè)量方法、微波暗室測(cè)量。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料對(duì)冰晶粒子散射理論計(jì)算方法以及實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行綜述，以此為研究毫米波波段卷云冰晶粒子的散射特性提供部分的參考依據(jù)。

2卷云冰晶粒子的物理參數(shù)

冰云主要由比球形粒子復(fù)雜的各種形狀的冰晶粒子組成， 卷云、高積云、高層云上部及雨層云上部等一般由冰晶組成，所以屬于冰云。冰晶粒子的散射特性與其形狀、大小、組成成分、取向以及入射波長(zhǎng)等因素有關(guān)，毫米波散射特性的研究目的，就是分析冰云的特性和云粒子的后向散射特性的關(guān)系，從而利用毫米波雷達(dá)的回波來準(zhǔn)確反演云的特性。

2.1卷云單個(gè)冰晶粒子的尺寸以及形狀

冰晶粒子的形狀和大小是多種多樣的，隨高度變化，它取決于溫度、相對(duì)濕度以及在云中是否經(jīng)歷了碰撞與合并過程[8]，中緯度卷云冰晶粒子的典型尺度變化范圍為10～4000um[9]，Hong gang在研究94GHz頻率下非球形冰晶粒子的散射特性時(shí)將冰晶云的粒子分成了6種形狀，包括六角棱柱、中空六棱柱、六角平板、子彈花環(huán)、聚合物以及過冷水滴，粒子的尺度范圍為2～5500um[10]。Ping Yang等在計(jì)算冰晶粒子單次散射特性時(shí)將冰晶粒子分成了聚合物、實(shí)心以及空心六棱柱、橢球形、六角平板狀、過冷水滴以及子彈花環(huán)，計(jì)算中粒子的尺度范圍為2～10000um[2]。

2.2卷云冰晶粒子的譜分布

云物理中把云中冰晶濃度（單位體積中冰晶的個(gè)數(shù)）隨尺度的變化叫做冰晶譜，冰晶譜N（D）代表了冰晶的大小D與數(shù)量N的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它是一種反映云特征的微物理參量。冰晶譜分布主要有對(duì)數(shù)正態(tài)分布、伽瑪分布、雙峰伽瑪分布、冪指數(shù)分布等[11]，目前云粒子計(jì)算中最常用的是伽瑪粒子譜分布[12]，形式如下所示：

3冰晶粒子的散射理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

3.1卷云冰晶粒子散射的計(jì)算方法

卷云冰晶粒子散射計(jì)算的方法有限時(shí)域法（FDTD）、離散偶極子近似法（DDA） 、T矩陣（T- Matrix）、有限元法（FEM） 、矩量法（Mom）、幾何光學(xué)法（GOM）、異常衍射理論（ADT）等。在毫米波波段下，計(jì)算卷云冰晶粒子最常用的是FDTD、DDA以及T矩陣方法，故對(duì)這三種方法做簡(jiǎn)單的介紹：

3.1.1時(shí)域有限差分（FDTD）法

自1966年Yee首次提出時(shí)域有限差分方法以來，該方法已經(jīng)得到了迅速地發(fā)展以及應(yīng)用。目前公開的FDTD軟件主要有FDTDA、XFDTD、EMA3D、AutoMesh、A Conformal FDTD Software Package等[13]，F(xiàn)DTD方法可以應(yīng)用于各種形狀的粒子，但是當(dāng)尺度參數(shù)χ（χ=2πr/λ，r為粒子的等效半徑，λ為入射電磁波的波長(zhǎng)）大于20時(shí)，計(jì)算所需的CPU的時(shí)間和內(nèi)存空間變得有點(diǎn)不切實(shí)際[2]。

3.1.2離散偶極子近似DDA方法

DDA方法最早是由Purcell和Pennypacker于1973年首次提出，后經(jīng)過Draine等人的進(jìn)一步改進(jìn)，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成一種成熟的算法，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算任意形狀、非均勻和各向異性粒子的散射問題。DDA的基本思想是用有限個(gè)離散的、相互作用的小偶極子的陣列來近似實(shí)際的粒子，這些小偶極子必須在形狀上和電磁特性上足夠描述它們所模擬的粒子，即兩者具有相同的離散關(guān)系從而對(duì)實(shí)際粒子的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)這些小偶極子的研究。任給一粒子，設(shè)其可離散為N個(gè)小立方體，每個(gè)小立方體的散射特性可用一個(gè)偶極子表示。整個(gè)粒子成為含有N個(gè)偶極子的陣列。N越大計(jì)算結(jié)果越精確，但對(duì)計(jì)算要求越高。用這種方法時(shí)離散偶極子的數(shù)目隨散射體的尺度參數(shù)以指數(shù)形式增加，從而進(jìn)行隨機(jī)取向的運(yùn)算量也將快速增大。

3.1.3Tmatrix

該方法最早是由P.C.Waterman提出的，原用來求解導(dǎo)體的散射問題，后來推廣應(yīng)用到求解介質(zhì)體，該方法多用于計(jì)算軸對(duì)稱粒子的散射問題，因?yàn)樯⑸潴w具有軸向?qū)ΨQ（或在空間隨機(jī)取向）時(shí)，可以用互易性定理，即入射光和散射光是可以互易的，這時(shí)T矩陣化為由6個(gè)獨(dú)立元素組成的對(duì)角矩陣，且每個(gè)子矩陣都可獨(dú)立計(jì)算。T矩陣中的每一個(gè)矩陣依賴于散射體的形狀、大小和折射指數(shù)，而與入射場(chǎng)和散射場(chǎng)沒有關(guān)系，因此只要計(jì)算一次T矩陣就可用于任意距離處光散射的計(jì)算。T矩陣方法的優(yōu)點(diǎn)是程序中有自動(dòng)收斂檢測(cè)使計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，速度也很快，但目前的代碼只能用于計(jì)算軸對(duì)稱物體（如橢球體、圓柱體等）的散射。對(duì)尺度參數(shù)較大的粒子，計(jì)算結(jié)果不收斂，對(duì)于取向比遠(yuǎn)偏離1的粒子，T矩陣也只能計(jì)算小尺度參數(shù)粒子的散射[14][11]。

總之，各種計(jì)算方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，而目前還沒有一種方法可以精確快速地求解任意形狀，任意尺寸的非球形粒子散射特性。實(shí)際應(yīng)用中，我們只能根據(jù)粒子的實(shí)際特征來選取合適該類粒子的計(jì)算方法。其中，F(xiàn)DTD 、DDA適用于任意形狀及非均勻的粒子，但是由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存和速度的限制，當(dāng)尺度參數(shù)大于 20 的時(shí)候就不可以使用 FDTD 和 DDA 算法進(jìn)行計(jì)算了，T矩陣精度遠(yuǎn)勝過FDTD和DDA方法，但是這種方法僅適用于計(jì)算軸對(duì)稱的粒子，比如球、橢球、圓柱以及切比雪夫粒子。GOM、ADT適用于尺寸比入射波長(zhǎng)大的粒子，但精度較低，而且這兩種方法在仿真不均勻粒子或者復(fù)雜的粒子模型時(shí)存在著一定的難度[15]。

目前一些常用的商業(yè)軟件也可對(duì)粒子的后向散射進(jìn)行仿真計(jì)算，如HFSS（基于有限元）、CST軟件（基于時(shí)域有限差分）、FEKO（基于矩量法）。

3.2卷云冰晶粒子散射的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)

國(guó)內(nèi)外對(duì)氣象目標(biāo)物如云冰晶粒子、冰雹以及降水粒子散射測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法主要有（1）微波后向散射測(cè)試方法（2）FP腔方法 （3）雙站RCS快速測(cè)量方法（4）微波暗室測(cè)量法等，下面分別對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)述：

4結(jié)論與展望

卷云的輻射特性研究在國(guó)際上是一個(gè)研究的熱點(diǎn)，世界各國(guó)一直非常重視卷云的研究，但是卷云的輻射強(qiáng)弱仍然是一個(gè)尚不能精確確定的影響因子。本文對(duì)卷云中常用的物理參數(shù)進(jìn)行總結(jié)歸納，認(rèn)為卷云冰晶粒子的典型尺度變化范圍為10um～4000um，形狀模型主要有六角棱柱、中空六棱柱、六角平板、子彈花環(huán)、聚合物以及過冷水滴這幾種。實(shí)際的探測(cè)資料表明，云中的粒子遠(yuǎn)比這些模型復(fù)雜，無法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來描述，而且目前的研究中大都認(rèn)為冰晶粒子為均勻各向同性的介質(zhì)，缺少對(duì)各向異性且非均勻情況下的計(jì)算。粒子散射理論計(jì)算中，目前還沒有一種方法可以精確快速地求解任意形狀，任意尺寸的非球形粒子散射特性，因此設(shè)計(jì)一種混合的算法具有十分重要的意義。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量冰晶粒子的散射特性中，本文主要介紹了微波后向散射測(cè)量裝置、FP腔、雙站RCS快速測(cè)量技術(shù)、微波暗室測(cè)量技術(shù)，這些測(cè)試的方法都存在著缺點(diǎn)，如何克服這些缺點(diǎn)，如何真實(shí)地模擬大氣中云的冰晶粒子以及如何利用相關(guān)的測(cè)試儀器準(zhǔn)確地測(cè)量冰晶粒子的散射特性將是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院與中國(guó)氣象局氣象探測(cè)技術(shù)工程中心共建的“毫米波氣象雷達(dá)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”配有毫米波雷達(dá)研究測(cè)試所需的各種實(shí)驗(yàn)裝備，建有大型微波暗室、準(zhǔn)3m法EMC電磁兼容實(shí)驗(yàn)室、電磁仿真實(shí)驗(yàn)室，除此之外還建有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，如何利用微波暗室以及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室完成大氣粒子的散射實(shí)驗(yàn)測(cè)量將是本人博士期間研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

參考文獻(xiàn)

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篇2

關(guān)鍵詞：量子阱 界面聲子 色散關(guān)系 電聲相互作用

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

1、纖鋅礦結(jié)構(gòu)量子阱中的電子-界面聲子相互作用哈密頓

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

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

2、計(jì)算結(jié)果與討論

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

4 主要結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

篇3

關(guān)鍵詞：量子糾纏；特征關(guān)聯(lián)；認(rèn)識(shí)論；波函數(shù)

量子信息研究領(lǐng)域在近幾年發(fā)展迅速，并獲得了諸多突破，推動(dòng)著計(jì)算機(jī)和信息通信領(lǐng)域的發(fā)展，有非常樂觀的應(yīng)用前景。不同于經(jīng)典的信息處理方式，量子信息處理利用了粒子的量子力學(xué)特性。而量子糾纏理論被認(rèn)為量子信息處理的重要理論，是區(qū)別于經(jīng)典力學(xué)的本質(zhì)特性[1]。深入認(rèn)識(shí)和理解量子糾纏的構(gòu)建機(jī)制，能夠?yàn)榱孔有畔㈩I(lǐng)域的理論和技術(shù)研究提供全新的思路，為科技哲學(xué)的認(rèn)識(shí)論帶來深層次的理論依據(jù)，為信息思維、能力思維、物質(zhì)思維和客觀世界的復(fù)雜性思維提供系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)方法。

一、量子糾纏的構(gòu)建

按照量子糾纏的定義[2]，如果復(fù)合系統(tǒng)的純態(tài)不能寫成子系統(tǒng)純態(tài)的直積，即，那么這個(gè)態(tài)為糾纏態(tài)，即

式中，表示子系統(tǒng)的基本屬性簇；由n個(gè)微觀粒子子系統(tǒng)組成復(fù)合純態(tài)系統(tǒng)

，

其中，為希爾伯特空間的直積態(tài)或非糾纏，假設(shè)存在

，，…，

使得不成立，那么就稱這n個(gè)微觀粒子之間糾纏。

如果存在n個(gè)不同的態(tài)，當(dāng)tt0時(shí)，假設(shè)這些態(tài)之間發(fā)生相互作用，形成更大的復(fù)合系統(tǒng)Hi，Hi =H1H2×…Hn，這一系統(tǒng)的狀態(tài)特征可用波函數(shù)表征。若無法將獨(dú)立的狀態(tài)特征分立出來，那么該表征僅僅是描述復(fù)合系統(tǒng)的特征概率。這意味著，若發(fā)生糾纏態(tài)，則至少存在不少于兩個(gè)的量子態(tài)的疊加，構(gòu)成一個(gè)復(fù)合的整體。這種量子糾纏理論說明，發(fā)生相互糾纏的量子態(tài)之間存在特定的關(guān)聯(lián)作用，當(dāng)對(duì)某一實(shí)在進(jìn)行操作時(shí)，與其發(fā)生糾纏的其他實(shí)在的特征也會(huì)發(fā)生變化[3]。這種糾纏關(guān)聯(lián)關(guān)系不僅呈現(xiàn)某一實(shí)在的固有屬性，并且描述了糾纏關(guān)聯(lián)的復(fù)合系統(tǒng)的整體特征。

物質(zhì)實(shí)在的本體具有特殊性的物理屬性，物質(zhì)本體固有屬性的認(rèn)知過程與物理本體有一定區(qū)別。對(duì)于微觀物質(zhì)來說，它除了擁有宏觀物質(zhì)的基本特性以外，還具有波動(dòng)性特征，構(gòu)成微觀物質(zhì)的雙重屬性。量子力學(xué)中的波函數(shù)公設(shè)認(rèn)為：“一個(gè)微觀粒子的狀態(tài)可以用波函數(shù)來完全描述”[4]。從認(rèn)識(shí)論來看，微觀粒子的波函數(shù)具有兩個(gè)維度的涵義：第一，波函數(shù)包含了微觀粒子的全部狀態(tài)特征信息，操作波函數(shù)的過程就是對(duì)微觀粒子的現(xiàn)有狀態(tài)和固有屬性的認(rèn)識(shí)過程；第二，操作波函數(shù)時(shí)，不同波函數(shù)所表征出來的特性有所區(qū)別，只有對(duì)波函數(shù)進(jìn)行多次操作，才能得到微觀粒子的全部特征。

大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，任何實(shí)在本體都具備兩種基本屬性：本體客觀存在的直接屬性和基于或然存在的間接屬性[5]。這兩種基本屬性共同構(gòu)成實(shí)在本體的特征，可通過波函數(shù)進(jìn)行表述。同樣地，復(fù)合系統(tǒng)通過糾纏關(guān)聯(lián)建立系統(tǒng)的整體特征，用復(fù)合系統(tǒng)的波函數(shù)來描述。對(duì)于完全獨(dú)立的多個(gè)實(shí)在本體所組成的復(fù)合系統(tǒng)，可以通過波函數(shù)來表征每個(gè)實(shí)在的屬性。當(dāng)對(duì)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行某種操作后，系統(tǒng)不能將每個(gè)實(shí)在的屬性孤立地表征出來，此時(shí)復(fù)合系統(tǒng)的整體特征通過糾纏的實(shí)在間的關(guān)聯(lián)作用來表征。對(duì)糾纏系統(tǒng)某個(gè)子系統(tǒng)的操作會(huì)使得其他子系統(tǒng)的特征發(fā)生變化，表明量子糾纏是一個(gè)由本體屬性過渡到整體特征的認(rèn)識(shí)過程。

二、量子糾纏的特征關(guān)聯(lián)

量子信息理論的本質(zhì)屬于哲學(xué)范疇[6]，對(duì)量子糾纏的認(rèn)識(shí)，不光要對(duì)實(shí)在本體產(chǎn)生全新的認(rèn)識(shí)，也要對(duì)實(shí)在個(gè)體到整體關(guān)聯(lián)運(yùn)用新的研究思路。

量子糾纏的關(guān)聯(lián)特性凸顯了復(fù)合系統(tǒng)中原獨(dú)立實(shí)在之間的相互作用關(guān)系。狄拉克曾在1931年斷言存在理論上的“磁單極子”[7]，但至今仍未找到足夠的實(shí)證。由單極子組成的磁體所體現(xiàn)的實(shí)在，對(duì)“磁單極子”本體的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于由單極子組成的磁體實(shí)在的整體特征的認(rèn)識(shí)。也就是說，量子糾纏在整體表象與特征關(guān)聯(lián)的關(guān)系上，一方面揭示了實(shí)在本體的關(guān)聯(lián)與內(nèi)在的依存關(guān)系，另一方面體現(xiàn)了本體的固有屬性。

為了量測(cè)相互糾纏的實(shí)在之間的關(guān)聯(lián)程度，由此出現(xiàn)了糾纏度的概念[8]。從認(rèn)識(shí)論來看，它界定了局域空間的有限性，不同的實(shí)在本體在多個(gè)空間形成糾纏關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建我們的世界觀。相互糾纏的實(shí)在之間的糾纏度越大，則邊界越模糊，局域越稀疏，實(shí)在特征屬性的描繪就越復(fù)雜；反之，糾纏度越小，則邊界越明確，局域越緊促，實(shí)在特征描繪越簡(jiǎn)單。量子糾纏是非局域的，是客觀實(shí)在之間主體介入的間接存在。每個(gè)實(shí)在本體包含特征信息，利用糾纏操作實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。所以說，量子糾纏擁有識(shí)別和存儲(chǔ)實(shí)在本體的特性，體現(xiàn)了對(duì)整體關(guān)聯(lián)的認(rèn)識(shí)，代表了統(tǒng)一認(rèn)識(shí)論觀點(diǎn)的形成過程，是哲學(xué)理論在量子信息科技領(lǐng)域的拓展和延伸。

量子糾纏關(guān)聯(lián)是客觀實(shí)體最本質(zhì)的特征，通過這種關(guān)聯(lián)，搭建了實(shí)在本體與主觀存在之間的關(guān)系。從理論技術(shù)的角度來說，如果缺少了量子糾纏關(guān)聯(lián)的研究，那么量子通信只會(huì)是現(xiàn)代信息理論技術(shù)的簡(jiǎn)單發(fā)展。量子糾纏的構(gòu)建機(jī)制與特征關(guān)聯(lián)的研究，向人們展現(xiàn)了經(jīng)典力學(xué)無法描繪的圖景，表明微觀粒子不存在孤立的特征[9]。深入探究量子糾纏的認(rèn)識(shí)論，挖掘新的認(rèn)知方法，對(duì)人類認(rèn)知思維的進(jìn)步具有深刻的意義。

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篇4

【關(guān)鍵詞】 計(jì)算機(jī)發(fā)展方向；微型化計(jì)算能力；新型計(jì)算機(jī)智能

計(jì)算機(jī)在最近的幾十年發(fā)展突飛猛進(jìn)，是在眾多行業(yè)中發(fā)展最快的高新領(lǐng)域之一。上世紀(jì)九十年代的人還難以預(yù)料今天計(jì)算機(jī)會(huì)如此強(qiáng)大，而今天的我們所預(yù)見的未來的計(jì)算機(jī)又將有幾分準(zhǔn)確性呢。不管未來的計(jì)算機(jī)是什么樣的，根據(jù)現(xiàn)在的研究以及人們的需要來看，有幾個(gè)特點(diǎn)可能會(huì)在較近的未來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)將會(huì)更加微型化，計(jì)算能力還會(huì)更加強(qiáng)大，而隨著計(jì)算機(jī)與諸多領(lǐng)域的相互滲透，新型計(jì)算機(jī)也會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。此外，計(jì)算機(jī)的智能化也是人們研究的熱點(diǎn)話題。

美國(guó)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)在2009年第四季度打破記錄，共售出了2070萬臺(tái)計(jì)算機(jī)，比2008年同期上升了24%。繼2009年上半年全球個(gè)人電腦市場(chǎng)發(fā)展遭遇重重限制之后，下半年全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步復(fù)蘇，加上個(gè)人電腦打出大幅折扣，使全球個(gè)人電腦市場(chǎng)出現(xiàn)反彈。全球個(gè)人電腦市場(chǎng)2009年全年增長(zhǎng)率為2.9%。實(shí)際上，全球范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)銷量都出現(xiàn)了一致性的增長(zhǎng)，這自然受益于計(jì)算機(jī)售價(jià)的整體下調(diào)。2009年第四季度，全球計(jì)算機(jī)市場(chǎng)銷量較2008年同期增長(zhǎng)了15.2%。計(jì)算機(jī)銷量的增長(zhǎng)直接讓很多與計(jì)算機(jī)市場(chǎng)相關(guān)的廠商獲得了巨大利益，比如Intel、微軟和惠普。同時(shí)上網(wǎng)本的大受歡迎和Windows 7的都刺激了計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

日益更新的計(jì)算機(jī)，未來將會(huì)是什么樣子？

1 量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)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(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表小開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的PcntiumIII晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國(guó)家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。無論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核白旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。預(yù)計(jì)2030年有可能普及量子計(jì)算機(jī)。

2 光計(jì)算機(jī)

光計(jì)算機(jī)是用光子代替半導(dǎo)體芯片中的電子，以光互連來代替導(dǎo)線制成數(shù)字計(jì)算機(jī)。與電的特性相比光具有無法比擬的各種優(yōu)點(diǎn)：光計(jì)算機(jī)是“光”導(dǎo)計(jì)算機(jī)，光在光介質(zhì)中以許多個(gè)波長(zhǎng)不同或波長(zhǎng)相同而振動(dòng)方向不同的光波傳輸，不存在寄生電阻、電容、電感和電子相互作用問題，光器件有無電位差，因此光計(jì)算機(jī)的信息在傳輸中畸變或失真小，可在同一條狹窄的通道中傳輸數(shù)量大得難以置信的數(shù)據(jù)。

3 化學(xué)、生物計(jì)算機(jī)

在運(yùn)行機(jī)理上，化學(xué)計(jì)算機(jī)以化學(xué)制品中的微觀碳分子作信息載體，來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與存儲(chǔ)。DNA分子在酶的作用下可以從某基因代碼通過生物化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼，轉(zhuǎn)變前的基因代碼可以作為輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼可以作為運(yùn)算結(jié)果，利用這一過程可以制成新型的生物計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是生物芯片的蛋白質(zhì)具有生物活性，能夠跟人體的組織結(jié)合在一起，特別是可以和人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)有機(jī)的連接，使人機(jī)接口自然吻合，免除了繁瑣的人機(jī)對(duì)話，這樣，生物計(jì)算機(jī)就可以聽人指揮，成為人腦的外延或擴(kuò)充部分，還能夠從人體的細(xì)胞中吸收營(yíng)養(yǎng)來補(bǔ)充能量，不要任何外界的能源，由于生物計(jì)算機(jī)的蛋白質(zhì)分子具有自我組合的能力，從而使生物計(jì)算機(jī)具有自調(diào)節(jié)能力、自修復(fù)能力和自再生能力，更易于模擬人類大腦的功能?，F(xiàn)今科學(xué)家已研制出了許多生物計(jì)算機(jī)的主要部件—生物芯片。

4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)

人腦總體運(yùn)行速度相當(dāng)于每妙1000萬億次的電腦功能，可把生物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看做一個(gè)大規(guī)模并行處理的、緊密耦合的、能自行重組的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。從大腦工作的模型中抽取計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型，用許多處理機(jī)模仿人腦的神經(jīng)元機(jī)構(gòu)，將信息存儲(chǔ)在神經(jīng)元之間的聯(lián)絡(luò)中，并采用大量的并行分布式網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。

結(jié)束語(yǔ)：

關(guān)于計(jì)算機(jī)未來的發(fā)展趨勢(shì)，不同的人有不同的看法，不同的人也會(huì)從不同的方面去探討，但無論如何，出發(fā)點(diǎn)都是為了能夠更好地幫助人學(xué)習(xí)、工作、計(jì)算、娛樂等等為了更能方便人的生活，更好地完成更加艱巨復(fù)雜的任務(wù)。所以，計(jì)算機(jī)會(huì)基于這些進(jìn)行不斷地改造與創(chuàng)新，當(dāng)一種技術(shù)或基本架構(gòu)遭遇瓶頸時(shí)，新的技術(shù)就會(huì)誕生，這就是計(jì)算機(jī)不斷改進(jìn)和創(chuàng)新的動(dòng)力。對(duì)于上文的諸多方面，很多已經(jīng)即將或是快要實(shí)現(xiàn)，而有一些則距離現(xiàn)實(shí)還有很大距離，甚至有些研究會(huì)是失敗的，但這完全不能阻擋計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也不會(huì)阻止與計(jì)算機(jī)有關(guān)的新技術(shù)的產(chǎn)生。

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篇5

關(guān)鍵詞: 信息安全;密碼學(xué);量子計(jì)算;抗量子計(jì)算密碼

中圖分類號(hào):TP 183 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1672-8513(2011)05-0388-08

The Challenge of Quantum Computing to Information Security and Our Countermeasures

ZHANG Huanguo, GUAN Haiming, WANG Houzheng

（Key Lab of Aerospace Information Security and Trusted Computing of Ministry of Education, Computer School, Whan University, Wuhan 430072, China）

Abstract: What cryptosystem to use is a severe challenge that we face in the quantum computing era. It is the only correct choice to research and establish an independent resistant quantum computing cryptosystem. This paper introduces to the research and development of resistant quantum computing cryptography, especially the signature scheme based on HASH function，lattice-based public key cryptosystem，MQ public key cryptosystem and public key cryptosystem based on error correcting codes. Also the paper gives some suggestions for further research on the quantum information theory，the complexity theory of quantum computing，design and analysis of resistant quantum computing cryptosystems .

Key words: information security; cryptography; quantum computing; resistant quantum computing cryptography

1 量子信息時(shí)代

量子信息技術(shù)的研究對(duì)象是實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的相干疊加并對(duì)其進(jìn)行有效處理、傳輸和存儲(chǔ)，以創(chuàng)建新一代高性能的、安全的計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng).量子通信和量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)是量子物理學(xué).量子信息科學(xué)技術(shù)是在20世紀(jì)末期發(fā)展起來的新學(xué)科，預(yù)計(jì)在21世紀(jì)將有大的發(fā)展［1］.

量子有許多經(jīng)典物理所沒有的奇妙特性.量子的糾纏態(tài)就是其中突出的一個(gè).原來存在相互作用、以后不再有相互作用的2個(gè)量子系統(tǒng)之間存在瞬時(shí)的超距量子關(guān)聯(lián)，這種狀態(tài)被稱為量子糾纏態(tài)［1］.

量子的另一個(gè)奇妙特性是量子通信具有保密特性.這是因?yàn)榱孔討B(tài)具有測(cè)不準(zhǔn)和不可克隆的屬性，根據(jù)這種屬性除了合法的收發(fā)信人之外的任何人竊取信息，都將破壞量子的狀態(tài).這樣，竊取者不僅得不到信息，而且竊取行為還會(huì)被發(fā)現(xiàn)，從而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比較成熟的技術(shù)是，利用量子器件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按傳統(tǒng)的“一次一密”方式加密.量子糾纏態(tài)的超距作用預(yù)示，如果能夠利用量子糾纏態(tài)進(jìn)行通信，將獲得超距和超高速通信.

量子計(jì)算機(jī)是一種以量子物理實(shí)現(xiàn)信息處理的新型計(jì)算機(jī).奇妙的是量子計(jì)算具有天然的并行性.n量子位的量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)操作能夠處理2n個(gè)狀態(tài)，具有指數(shù)級(jí)的處理能力，所以可以用多項(xiàng)式時(shí)間解決一些指數(shù)復(fù)雜度的問題.這就使得一些原來在電子計(jì)算機(jī)上無法解決的困難問題，在量子計(jì)算機(jī)上卻是可以解決的.

2 量子計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)有密碼提出嚴(yán)重挑戰(zhàn)

針對(duì)密碼破譯的量子計(jì)算機(jī)算法主要有以下2種.

第1種量子破譯算法叫做Grover算法［3］.這是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Grover在1996年提出的一種通用的搜索破譯算法，其計(jì)算復(fù)雜度為O(N).對(duì)于密碼破譯來說，這一算法的作用相當(dāng)于把密碼的密鑰長(zhǎng)度減少到原來的一半.這已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有密碼構(gòu)成很大的威脅，但是并未構(gòu)成本質(zhì)的威脅，因?yàn)橹灰衙荑€加長(zhǎng)1倍就可以了.

第2種量子破譯算法叫做Shor算法［4］.這是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Shor在1997年提出的在量子計(jì)算機(jī)上求解離散對(duì)數(shù)和因子分解問題的多項(xiàng)式時(shí)間算法.利用這種算法能夠?qū)δ壳皬V泛使用的RSA、ECC公鑰密碼和DH密鑰協(xié)商體制進(jìn)行有效攻擊.對(duì)于橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子計(jì)算機(jī)上可以容易地求解k比特的橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.對(duì)于整數(shù)的因子分解問題，Beauregard指出：在N量子位的量子計(jì)算機(jī)上可以容易地分解k比特的整數(shù)［5］，其中N≈2k.根據(jù)這種分析，利用1448qbit的計(jì)算機(jī)可以求解256位的橢圓曲線離散對(duì)數(shù)，因此也就可以破譯256位的橢圓曲線密碼，這可能威脅到我國(guó)第2代身份證的安全.利用2048qbit的計(jì)算機(jī)可以分解1024位的整數(shù)，因此也就可以破譯1024位的RSA密碼，這就可能威脅到我們電子商務(wù)的安全

Shor算法的攻擊能力還在進(jìn)一步擴(kuò)展，已從求廣義解離散傅里葉變換問題擴(kuò)展到求解隱藏子群?jiǎn)栴}(HSP)，凡是能歸結(jié)為HSP的公鑰密碼將不再安全.所以，一旦量子計(jì)算機(jī)能夠走向?qū)嵱?，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的許多公鑰密碼將不再安全，量子計(jì)算機(jī)對(duì)我們的密碼提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).

3 抗量子計(jì)算密碼的發(fā)展現(xiàn)狀

抗量子計(jì)算密碼（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3類：

第1類，量子密碼；第2類，DNA密碼；第3類是基于量子計(jì)算不擅長(zhǎng)計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼.

量子保密的安全性建立在量子態(tài)的測(cè)不準(zhǔn)與不可克隆屬性之上，而不是基于計(jì)算的［1,6］.類似地，DNA密碼的安全性建立在一些生物困難問題之上，也不是基于計(jì)算的［7-8］.因此，它們都是抗量子計(jì)算的.由于技術(shù)的復(fù)雜性，目前量子密碼和DNA密碼尚不成熟.

第3類抗量子計(jì)算密碼是基于量子計(jì)算機(jī)不擅長(zhǎng)的數(shù)學(xué)問題構(gòu)建的密碼.基于量子計(jì)算機(jī)不擅長(zhǎng)計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題構(gòu)建密碼，就可以抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊.本文主要討論這一類抗量子計(jì)算密碼［9］.

所有量子計(jì)算機(jī)不能攻破的密碼都是抗量子計(jì)算的密碼.國(guó)際上關(guān)于抗量子計(jì)算密碼的研究主要集中在以下4個(gè)方面.

3.1 基于HASH函數(shù)的數(shù)字簽名

1989年Merkle提出了認(rèn)證樹簽名方案(MSS)［10］. Merkle 簽名樹方案的安全性僅僅依賴于Hash函數(shù)的安全性.目前量子計(jì)算機(jī)還沒有對(duì)一般Hash函數(shù)的有效攻擊方法, 因此Merkle簽名方案具有抗量子計(jì)算性質(zhì).與基于數(shù)學(xué)困難性問題的公鑰密碼相比,Merkle簽名方案不需要構(gòu)造單向陷門函數(shù),給定1個(gè)單向函數(shù)(通常采用Hash函數(shù))便能造1個(gè)Merkle簽名方案.在密碼學(xué)上構(gòu)造1個(gè)單向函數(shù)要比構(gòu)造1個(gè)單向陷門函數(shù)要容易的多,因?yàn)樵O(shè)計(jì)單向函數(shù)不必考慮隱藏求逆的思路, 從而可以不受限制地運(yùn)用置換、迭代、移位、反饋等簡(jiǎn)單編碼技巧的巧妙組合,以簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)指令或廉價(jià)的邏輯電路達(dá)到高度復(fù)雜的數(shù)學(xué)效果.新的Hash標(biāo)準(zhǔn)SHA-3［11］的征集過程中,涌現(xiàn)出了許多新的安全的Hash函數(shù),利用這些新的Hash算法可以構(gòu)造出一批新的實(shí)用Merkle簽名算法.

Merkle 簽名樹方案的優(yōu)點(diǎn)是簽名和驗(yàn)證簽名效率較高，缺點(diǎn)是簽名和密鑰較長(zhǎng),簽名次數(shù)受限.在最初的Merkle簽名方案中, 簽名的次數(shù)與需要構(gòu)造的二叉樹緊密相關(guān).簽名的次數(shù)越多,所需要構(gòu)造的二叉樹越大,同時(shí)消耗的時(shí)間和空間代價(jià)也就越大.因此該方案的簽名次數(shù)是受限制的.近年來,許多學(xué)者對(duì)此作了廣泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了簽名的次數(shù), 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR樹算法［12,15］,只需要采用抗原像攻擊和抗第2原像攻擊的Hash函數(shù),便能構(gòu)造出安全的簽名方案.而在以往的Merkle簽名樹方案中,則要求Hash函數(shù)必須是抗強(qiáng)碰撞的.這是對(duì)原始Merkle簽名方案的有益改進(jìn).上述這些成果,在理論上已基本成熟,在技術(shù)上已基本滿足工程應(yīng)用要求, 一些成果已經(jīng)應(yīng)用到了Microsoft Outlook 以及移動(dòng)路由協(xié)議中［16］.

雖然基于Hash函數(shù)的數(shù)字簽名方案已經(jīng)開始應(yīng)用，但是還有許多問題需要深入研究.如增加簽名的次數(shù)、減小簽名和密鑰的尺寸、優(yōu)化認(rèn)證樹的遍歷方案以及如何實(shí)現(xiàn)加密和基于身份的認(rèn)證等功能，均值得進(jìn)一步研究.

3.2 基于糾錯(cuò)碼的公鑰密碼

基于糾錯(cuò)碼的公鑰密碼的基本思想是: 把糾錯(cuò)的方法作為私鑰, 加密時(shí)對(duì)明文進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，并主動(dòng)加入一定數(shù)量的錯(cuò)誤, 解密時(shí)運(yùn)用私鑰糾正錯(cuò)誤, 恢復(fù)出明文.

McEliece利用Goppa碼有快速譯碼算法的特點(diǎn), 提出了第1個(gè)基于糾錯(cuò)編碼的McEliece公鑰密碼體制［17］.該體制描述如下, 設(shè)G是二元Goppa碼［n;k;d］的生成矩陣,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分別為GF(2)k和GF(2)n.隨機(jī)選取有限域GF(2)上的k階可逆矩陣S和n階置換矩陣P,并設(shè)G′=SGP,則私鑰為,公鑰為G′.如果要加密一個(gè)明文m∈GF(2)k,則計(jì)算c=mG′+z,這里z∈GF(2)n是重量為t的隨機(jī)向量.要解密密文c, 首先計(jì)算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置換矩陣, 顯然z與zP-1的重量相等且為t,于是可利用Goppa的快速譯碼算法將cP-1譯碼成m′= mS,則相應(yīng)明文m= m′S-1.

1978年Berlekamp等證明了一般線性碼的譯碼問題是NPC問題［18］，McEliece密碼的安全性就建立在這一基礎(chǔ)上.McEliece密碼已經(jīng)經(jīng)受了30多年來的廣泛密碼分析,被認(rèn)為是目前安全性最高的公鑰密碼體制之一.雖然McEliece 公鑰密碼的安全性高且加解密運(yùn)算比較快, 但該方案也有它的弱點(diǎn), 一是它的公鑰尺寸太大，二是只能加密不能簽名.

1986年Niederreiter提出了另一個(gè)基于糾錯(cuò)碼的公鑰密碼體制［19］. 與McEliece密碼不同的是它隱藏的是Goppa碼的校驗(yàn)矩陣.該系統(tǒng)的私鑰包括二元Goppa碼［n;k;d］的校驗(yàn)矩陣H以及GF(2)上的可逆矩陣M和置換矩陣P.公鑰為錯(cuò)誤圖樣的重量t和矩陣H′=MHP.假如明文為重量為t 的n 維向量m, 則密文為c=mH′T .解密時(shí),首先根據(jù)加密表達(dá)式可推導(dǎo)出z(MT )-1=mPTHT,然后通過Goppa碼的快速譯碼算法得到mPT,從而可求出明文m .1994年我國(guó)學(xué)者李元興、王新梅等［20］證明了Niederreiter密碼與McEliece密碼在安全性上是等價(jià)的.

McEliece密碼和Niederreiter密碼方案不能用于簽名的主要原由是,用Hash算法所提取的待簽消息摘要向量能正確解碼的概率極低.2001年Courtois等提出了基于糾錯(cuò)碼的CFS簽名方案［21］.CFS 簽名方案能做到可證明安全, 短簽名性質(zhì)是它的最大優(yōu)點(diǎn). 其缺點(diǎn)是密鑰量大、簽名效率低，影響了其實(shí)用性.

因此, 如何用糾錯(cuò)碼構(gòu)造一個(gè)既能加密又簽名的密碼, 是一個(gè)相當(dāng)困難但卻非常有價(jià)值的開放課題.

3.3 基于格的公鑰密碼

近年來,基于格理論的公鑰密碼體制引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.格上的一些難解問題已被證明是NP難的，如最短向量問題(SVP)、最近向量問題(CVP)等.基于格問題建立公鑰密碼方案具有如下優(yōu)勢(shì):①由于格上的一些困難性問題還未發(fā)現(xiàn)量子多項(xiàng)式破譯算法，因此我們認(rèn)為基于格上困難問題的密碼具有抗量子計(jì)算的性質(zhì).②格上的運(yùn)算大多為線性運(yùn)算,較RSA等數(shù)論密碼實(shí)現(xiàn)效率高,特別適合智能卡等計(jì)算能力有限的設(shè)備.③根據(jù)計(jì)算復(fù)雜性理論,問題類的復(fù)雜性是指該問題類在最壞情況下的復(fù)雜度.為了確?；谠擃惱щy問題的密碼是安全的，我們希望該問題類的平均復(fù)雜性是困難的，而不僅僅在最壞情況下是困難的.Ajtai在文獻(xiàn)［22］中開創(chuàng)性地證明了:格中一些問題類的平均復(fù)雜度等于其最壞情況下的復(fù)雜度.Ajtai和Dwork利用這一結(jié)論設(shè)計(jì)了AD公鑰密碼方案［23］.這是公鑰密碼中第1個(gè)能被證明其任一隨機(jī)實(shí)例與最壞情況相當(dāng).盡管AD公鑰方案具有良好的安全性, 但它的密鑰量過大以及實(shí)現(xiàn)效率太低、而缺乏實(shí)用性.

1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公鑰密碼［24］. 這是目前基于格的公鑰密碼中最具影響的密碼方案.NTRU的安全性建立在在一個(gè)大維數(shù)的格中尋找最短向量的困難性之上.NTRU 密碼的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)空間小.然而, 基于NTRU的數(shù)字簽名方案卻并不成功.

2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS簽名體制［25］, 這個(gè)體制在簽名時(shí)泄露了私鑰信息,導(dǎo)致了一類統(tǒng)計(jì)攻擊,后來被證明是不安全的.2001年設(shè)計(jì)者改進(jìn)了NSS 體制,提出了R-NSS 簽名體制［26］,不幸的是它的簽名仍然泄露部分私鑰信息.Gentry 和Szydlo 結(jié)合最大公因子方法和統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)R-NSS 作了有效的攻擊.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign數(shù)字簽名體制［27］.NTRUSign 簽名算法較NSS與R-NSS兩個(gè)簽名方案做了很大的改進(jìn),在簽名過程中增加了對(duì)消息的擾動(dòng), 大大減少簽名中對(duì)私鑰信息的泄露, 但卻極大地降低了簽名的效率, 且密鑰生成過于復(fù)雜.但這些簽名方案都不是零知識(shí)的,也就是說,簽名值會(huì)泄露私鑰的部分相關(guān)信息.以NTRUSign 方案為例,其推薦參數(shù)為(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),設(shè)計(jì)值保守推薦該方案每個(gè)密鑰對(duì)最多只能簽署107 次,實(shí)際中一般認(rèn)為最多可簽署230次.因此，如何避免這種信息泄露缺陷值得我們深入研究.2008 年我國(guó)學(xué)者胡予濮提出了一種新的NTRU 簽名方案［28］，其特點(diǎn)是無限制泄露的最終形式只是關(guān)于私鑰的一組復(fù)雜的非線性方程組，從而提高了安全性.總體上這些簽名方案出現(xiàn)的時(shí)間都還較短，還需要經(jīng)歷一段時(shí)間的安全分析和完善.

由上可知，進(jìn)一步研究格上的困難問題，基于格的困難問題設(shè)計(jì)構(gòu)造既能安全加密又能安全簽名的密碼，都是值得研究的重要問題.

3.4 MQ公鑰密碼

MQ公鑰密碼體制, 即多變量二次多項(xiàng)式公鑰密碼體制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下簡(jiǎn)稱為MQ密碼.它最早出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代,由于早期的一些MQ密碼均被破譯,加之經(jīng)典公鑰密碼如RSA算法的廣泛應(yīng)用,使得MQ公鑰算法一度遭受冷落.但近10年來MQ密碼的研究重新受到重視,成為密碼學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一.其主要有3個(gè)原因:一是量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典公鑰密碼的挑戰(zhàn);二是MQ密碼孕育了代數(shù)攻擊的出現(xiàn)［29-31］,許多密碼(如AES)的安全性均可轉(zhuǎn)化為MQ問題,人們?cè)噲D借鑒MQ密碼的攻擊方法來分析這些密碼,反過來代數(shù)攻擊的興起又帶動(dòng)了MQ密碼的蓬勃發(fā)展;三是MQ密碼的實(shí)現(xiàn)效率比經(jīng)典公鑰密碼快得多.在目前已經(jīng)構(gòu)造出的MQ密碼中, 有一些非常適用于智能卡、RFID、移動(dòng)電話、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算能力有限的設(shè)備, 這是RSA等經(jīng)典公鑰密碼所不具備的優(yōu)勢(shì).

MQ密碼的安全性基于有限域上的多變量二次方程組的難解性.這是目前抗量子密碼學(xué)領(lǐng)域中論文數(shù)量最多、最活躍的研究分支.

設(shè)U、T 是GF(q)上可逆線性變換(也叫做仿射雙射變換),而F 是GF(q)上多元二次非線性可逆變換函數(shù),稱為MQ密碼的中心映射.MQ密碼的公鑰P為T 、F 和U 的復(fù)合所構(gòu)成的單向陷門函數(shù),即P = T•F•U,而私鑰D 由U、T 及F 的逆映射組成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何構(gòu)造具有良好密碼性質(zhì)的非線性可逆變換F是MQ密碼設(shè)計(jì)的核心.根據(jù)中心映射的類型劃分,目前MQ密碼體制主要有:Matsumoto-Imai體制、隱藏域方程(HFE) 體制、油醋(OV)體制及三角形(STS)體制［32］.

1988年日本的Matsumoto和Imai運(yùn)用"大域-小域"的原理設(shè)計(jì)出第1個(gè)MQ方案,即著名的MI算法［33］.該方案受到了日本政府的高度重視,被確定為日本密碼標(biāo)準(zhǔn)的候選方案.1995年P(guān)atarin利用線性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密碼是多變量公鑰密碼發(fā)展的一個(gè)里程碑,為該領(lǐng)域帶來了一種全新的設(shè)計(jì)思想,并且得到了廣泛地研究和推廣.改進(jìn)MI算法最著名的是SFLASH簽名體制［35］,它在2003年被歐洲NESSIE 項(xiàng)目收錄,用于智能卡的簽名標(biāo)準(zhǔn)算法.該標(biāo)準(zhǔn)簽名算法在2007年美密會(huì)上被Dubois、Fouque、Shamir等徹底攻破［36］.2008年丁津泰等結(jié)合內(nèi)部擾動(dòng)和加模式方法給出了MI的改進(jìn)方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、張煥國(guó)也給出了一種SFLASH的改進(jìn)方案［39-40］，改進(jìn)后的方案可以抵抗文獻(xiàn)［36］的攻擊.但這些改進(jìn)方案的安全性還需進(jìn)一步研究.

1996年P(guān)atarin針對(duì)MI算法的弱點(diǎn)提出了隱藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作為是對(duì)MI的實(shí)質(zhì)性改進(jìn).2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE體制的Challenge-1［42］.HFE主要有2種改進(jìn)算法.一是HFEv-體制,它是結(jié)合了醋變量方法和減方法改進(jìn)而成,特殊參數(shù)化HFEv-體制的Quartz簽名算法［43］.二是IPHFE體制［44］,這是丁津泰等結(jié)合內(nèi)部擾動(dòng)方法對(duì)HFE的改進(jìn).這2種MQ密碼至今還未發(fā)現(xiàn)有效的攻擊方法.

油醋(OilVinegar)體制［45］是Patarin在1997年利用線性化方程的原理,構(gòu)造的一種MQ公鑰密碼體制.簽名時(shí)只需隨機(jī)選擇一組醋變量代入油醋多項(xiàng)式,然后結(jié)合要簽名的文件,解一個(gè)關(guān)于油變量的線性方程組.油醋簽名體制主要分為3類:1997年P(guān)atarin提出的平衡油醋(OilVinegar)體制, 1999年歐密會(huì)上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)體制［46］以及丁津泰在ACNS2005會(huì)議上提出的彩虹(Rainbow)體制［47］.平衡的油醋體制中,油變量和醋變量的個(gè)數(shù)相等，但平衡的油醋體制并不安全.彩虹體制是一種多層的油醋體制,即每一層都是油醋多項(xiàng)式,而且該層的所有變量都是下一層的醋變量,它也是目前被認(rèn)為是相對(duì)安全的MQ密碼之一.

三角形體制是現(xiàn)有MQ密碼中較為特殊的一類,它的簽名效率比MI和HFE還快,而且均是在較小的有限域上進(jìn)行.1999年Moh基于Tame變換提出了TTM 密碼體制［48］,并在美國(guó)申請(qǐng)了專利.丁津泰等指出當(dāng)時(shí)所有的TTM實(shí)例均滿足線性化方程.Moh等隨后又提出了一個(gè)新的TTM 實(shí)例,這個(gè)新的實(shí)例被我國(guó)學(xué)者胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破［49］.目前三角形體制的設(shè)計(jì)主要是圍繞鎖多項(xiàng)式的構(gòu)造、結(jié)合其它增強(qiáng)多變量密碼安全性的方法如加減(plus-minus) 模式以及其它的代數(shù)結(jié)構(gòu)如有理映射等.

我國(guó)學(xué)者也對(duì)MQ密碼做了大量研究，取得了一些有影響的研究成果.2007年管海明引入單向函數(shù)鏈對(duì)MQ密碼進(jìn)行擴(kuò)展,提出了有理分式公鑰密碼系統(tǒng)［50］.胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破了Moh提出的一個(gè)TTM新實(shí)例［51］.2010年本文作者王后珍、張煥國(guó)給出了一種SFLASH的改進(jìn)方案［39-40］.2010年王后珍、張煥國(guó)基于擴(kuò)展MQ，設(shè)計(jì)了一種Hash函數(shù)［52-53］，該Hash函數(shù)具有一些明顯的特點(diǎn).同年，王后珍、張煥國(guó)借鑒有理分式密碼單向函數(shù)鏈的思想［52］，對(duì)MQ密碼進(jìn)行了擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了一種新的抗量子計(jì)算擴(kuò)展MQ密碼［54］.這些研究對(duì)于擴(kuò)展MQ密碼結(jié)構(gòu)，做了有益的探索.但是這些方案提出的時(shí)間較短，其安全性有待進(jìn)一步分析.

根據(jù)上面的介紹,目前還沒有一種公認(rèn)安全的MQ公鑰密碼體制.目前MQ公鑰密碼的主要缺點(diǎn)是:只能簽名,不能安全加密(加密時(shí)安全性降低)，公鑰大小較長(zhǎng)，很難設(shè)計(jì)出既安全又高效的MQ公鑰密碼體制.

3.5 小結(jié)

無論是量子密碼、DNA密碼，還是基于量子計(jì)算不擅長(zhǎng)計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼，都還存在許多不完善之處，都還需要深入研究.

量子保密通信比較成熟的是，利用量子器件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按“一次一密”方式加密.在這里，量子的作用主要是密鑰產(chǎn)生和密鑰分配，而加密還是采用的傳統(tǒng)密碼.因此，嚴(yán)格說這只能叫量子保密，尚不能叫量子密碼.另外，目前的量子數(shù)字簽名和認(rèn)證方面還存在一些困難.

對(duì)于DNA密碼，目前雖然已經(jīng)提出了DNA傳統(tǒng)密碼和DNA公鑰密碼的概念和方案，但是理論和技術(shù)都還不成熟［9-10］.

對(duì)于基于量子計(jì)算不擅長(zhǎng)計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼，現(xiàn)有的密碼方案也有許多不足.如，Merkle樹簽名可以簽名，不能加密；基于糾錯(cuò)碼的密碼可以加密，簽名不理想；NTRU密碼可以加密，簽名不理想；MQ密碼可以簽名，加密不理想.這說明目前尚沒有形成的理想的密碼體制.而且這些密碼的安全性還缺少嚴(yán)格的理論分析.

總之，目前尚未形成理想的抗量子密碼.

4 我們的研究工作

我們的研究小組從2007年開始研究抗量子計(jì)算密碼.目前獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持，并取得了以下2個(gè)階段性研究成果.

4.1 利用多變量問題，設(shè)計(jì)了一種新的Hash函數(shù)

Hash 函數(shù)在數(shù)字簽名、完整性校驗(yàn)等信息安全技術(shù)中被廣泛應(yīng)用.目前 Hash 函數(shù)的設(shè)計(jì)主要有3類方法:①直接構(gòu)造法.它采用大量的邏輯運(yùn)算來確保Hash函數(shù)的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函數(shù)均是采用這種方法設(shè)計(jì)的.②基于分組密碼的Hash 函數(shù)，其安全性依賴于分組密碼的安全性.③基于難解性問題的構(gòu)造法.利用一些難解性問題諸如離散對(duì)數(shù)、因子分解等來構(gòu)造Hash 函數(shù).在合理的假設(shè)下，這種Hash函數(shù)是可證明安全的，但一般來講其效率較低.

我們基于多變量非線性多項(xiàng)式方程組的難解性問題，構(gòu)造了一種新的Hash 函數(shù)［54-55］.它的安全性建立在多變量非線性多項(xiàng)式方程組的求解困難性之上.方程組的次數(shù)越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取決多變量方程組的稀疏程度，方程組越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我們可以權(quán)衡安全性和效率來控制多變量多項(xiàng)式方程組的次數(shù)和稠密度，以構(gòu)造出滿足用戶需求的多變量Hash 函數(shù).

4.2 對(duì)MQ密碼進(jìn)行了擴(kuò)展，把Hash認(rèn)證技術(shù)引入MQ密碼，得到一種新的擴(kuò)展MQ密碼

擴(kuò)展MQ密碼的基本思想是對(duì)傳統(tǒng)MQ密碼的算法空間進(jìn)行拓展. 如圖1所示, 我們通過秘密變換L將傳統(tǒng)MQ密碼的公鑰映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隱藏到更大算法空間中得到新的公鑰映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的輸入輸出空間是不對(duì)稱的, 原像空間大于像空間(δ＞|μ|), 即具有壓縮性, 但卻并未改變映射G的可逆性質(zhì). 同時(shí), 算法空間的拓展破壞了傳統(tǒng)MQ密碼的一些特殊代數(shù)結(jié)構(gòu)性質(zhì), 從攻擊者的角度, 由于無法從G′中成功分解出原公鑰映射G, 因此必須在拓展空間中求解更大規(guī)模的非線性方程組G′, 另外, 新方案中引入Hash認(rèn)證技術(shù), 攻擊者偽造簽名時(shí), 偽造的簽名不僅要滿足公鑰方程G′、 還要通過Hash函數(shù)認(rèn)證, 雙重安全性保護(hù)極大地提升了傳統(tǒng)MQ公鑰密碼系統(tǒng)的安全性. 底層MQ體制及Hash函數(shù)可靈活選取, 由此可構(gòu)造出一類新的抗量子計(jì)算公鑰密碼體制.這種擴(kuò)展MQ密碼的特點(diǎn)是，既可安全簽名，又可安全加密［56］.

我們提出的基于多變量問題的Hash函數(shù)和擴(kuò)展MQ密碼，具有自己的優(yōu)點(diǎn)，也有自己的缺點(diǎn).其安全性還需要經(jīng)過廣泛的分析與實(shí)踐檢驗(yàn)才能被實(shí)際證明.

5 今后的研究工作

5.1 量子信息論

量子信息建立在量子的物理屬性之上，由于量子的物理屬性較之電子的物理屬性有許多特殊的性質(zhì)，據(jù)此我們估計(jì)量子的信息特征也會(huì)有一些特殊的性質(zhì).這些特殊性質(zhì)將會(huì)使量子信息論對(duì)經(jīng)典信息論有一些新的擴(kuò)展.但是，具體有哪些擴(kuò)展，以及這些新擴(kuò)展的理論體系和應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在哪里？我們尚不清楚.這是值得我們研究的重要問題.

5.2 量子計(jì)算理論

這里主要討論量子可計(jì)算性理論和量子計(jì)算復(fù)雜性理論.

可計(jì)算性理論是研究計(jì)算的一般性質(zhì)的數(shù)學(xué)理論.它通過建立計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，精確區(qū)分哪些是可計(jì)算的，哪些是不可計(jì)算的.如果我們研究清楚量子可計(jì)算性理論，將有可能構(gòu)造出量子計(jì)算環(huán)境下的絕對(duì)安全密碼.但是我們目前對(duì)量子可計(jì)算性理論尚不清楚，迫切需要開展研究.

計(jì)算復(fù)雜性理論使用數(shù)學(xué)方法對(duì)計(jì)算中所需的各種資源的耗費(fèi)作定量的分析，并研究各類問題之間在計(jì)算復(fù)雜程度上的相互關(guān)系和基本性質(zhì).它是密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，公鑰密碼的安全性建立在計(jì)算復(fù)雜性理論之上.因此，抗量子計(jì)算密碼應(yīng)當(dāng)建立在量子計(jì)算復(fù)雜性理論之上.為此，應(yīng)當(dāng)研究以下問題.

1） 量子計(jì)算的問題求解方法和特點(diǎn).量子計(jì)算復(fù)雜性建立在量子圖靈機(jī)模型之上，問題的計(jì)算是并行的.但是目前我們對(duì)量子圖靈機(jī)的計(jì)算特點(diǎn)及其問題求解方法還不十分清楚，因此必須首先研究量子計(jì)算問題求解的方法和特點(diǎn).

2） 量子計(jì)算復(fù)雜性與傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性之間的關(guān)系.與電子計(jì)算機(jī)環(huán)境的P問題、NP問題相對(duì)應(yīng), 我們記量子計(jì)算環(huán)境的可解問題為QP問題, 難解問題為QNP問題.目前人們對(duì)量子計(jì)算復(fù)雜性與傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性的關(guān)系還不夠清楚，還有許多問題需要研究.如NP與QNP之間的關(guān)系是怎樣的？ NPC與QP的關(guān)系是怎樣的？NPC與QNP的關(guān)系是怎樣的？能否定義QNPC問題？這些問題關(guān)系到我們應(yīng)基于哪些問題構(gòu)造密碼以及所構(gòu)造的密碼是否具有抗量子計(jì)算攻擊的能力.

3） 典型難計(jì)算問題的量子計(jì)算復(fù)雜度分析.我們需要研究傳統(tǒng)計(jì)算環(huán)境下的一些NP難問題和NPC問題，是屬于QP還是屬于QNP問題？

5.3 量子計(jì)算環(huán)境下的密碼安全性理論

在分析一個(gè)密碼的安全性時(shí)，應(yīng)首先分析它在電子計(jì)算環(huán)境下的安全性，如果它是安全的，再進(jìn)一步分析它在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性.如果它在電子計(jì)算環(huán)境下是不安全的，則可肯定它在量子計(jì)算環(huán)境下是不安全的.

1） 現(xiàn)有量子計(jì)算攻擊算法的攻擊能力分析.我們現(xiàn)在需要研究的是Shor算法除了攻擊廣義離散傅里葉變換以及HSP問題外，還能攻擊哪些其它問題？如果能攻擊，攻擊復(fù)雜度是多大？

2) 尋找新的量子計(jì)算攻擊算法.因?yàn)槊艽a的安全性依賴于新攻擊算法的發(fā)現(xiàn).為了確保我們所構(gòu)造的密碼在相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是安全的，必須尋找新的量子計(jì)算攻擊算法.

3) 密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性分析.目前普遍認(rèn)為, 基于格問題、MQ問題、糾錯(cuò)碼的譯碼問題設(shè)計(jì)的公鑰密碼是抗量子計(jì)算的.但是，這種認(rèn)識(shí)尚未經(jīng)過量子計(jì)算復(fù)雜性理論的嚴(yán)格的論證.這些密碼所依賴的困難問題是否真正屬于QNP問題？這些密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的實(shí)際安全性如何？只有經(jīng)過了嚴(yán)格的安全性分析，我們才能相信這些密碼.

5.4 抗量子計(jì)算密碼的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù)

通過量子計(jì)算復(fù)雜性理論和密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性分析的研究，為設(shè)計(jì)抗量子計(jì)算密碼奠定了理論基礎(chǔ)，并得到了一些可構(gòu)造抗量子計(jì)算的實(shí)際困難問題.但要實(shí)際設(shè)計(jì)出安全的密碼，還要研究抗量子計(jì)算密碼的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù).

1) 量子計(jì)算環(huán)境下的單向陷門設(shè)計(jì)理論與方法.理論上，公鑰密碼的理論模型是單向陷門函數(shù).要構(gòu)造一個(gè)抗量子計(jì)算公鑰密碼首先就要設(shè)計(jì)一個(gè)量子計(jì)算環(huán)境下的單向陷門函數(shù).單向陷門函數(shù)的概念是簡(jiǎn)單的，但是單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)是困難的.在傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性下單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)已經(jīng)十分困難，我們估計(jì)在量子計(jì)算復(fù)雜性下單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)將更加困難.

2） 抗量子計(jì)算密碼的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù).有了單向陷門函數(shù)，還要進(jìn)一步設(shè)計(jì)出密碼算法.有了密碼算法，還要有高效的實(shí)現(xiàn)技術(shù).這些都是十分重要的問題.都需要認(rèn)真研究才能做好.

6 結(jié)語(yǔ)

量子計(jì)算時(shí)代我們使用什么密碼，是擺在我們面前的重大戰(zhàn)略問題.研究并建立我國(guó)獨(dú)立自主的抗量子計(jì)算密碼是我們的唯一正確的選擇.本文主要討論了基于量子計(jì)算機(jī)不擅長(zhǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的一類抗量子計(jì)算的密碼，介紹了其發(fā)展現(xiàn)狀，并給出了進(jìn)一步研究的建議.

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收稿日期:2011-04-20.

篇6

關(guān)鍵詞：量子密碼；量子加密；測(cè)不準(zhǔn)原理；EPR關(guān)聯(lián)；量子糾纏

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2007)03-10732-02

1 引言

傳統(tǒng)的加密系統(tǒng)，不管是對(duì)密鑰技術(shù)還是公鑰技術(shù)，其密文的安全性完全依賴于密鑰的秘密性。密鑰必須是由足夠長(zhǎng)的隨機(jī)二進(jìn)制串組成，一旦密鑰建立起來，通過密鑰編碼而成的密文就可以在公開信道上進(jìn)行傳送。然而為了建立密鑰，發(fā)送方與接收方必須選擇一條安全可靠的通信信道，但由于截收者的存在，從技術(shù)上來說，真正的安全很難保證，而且密鑰的分發(fā)總是會(huì)在合法使用者無從察覺的情況下被消極監(jiān)聽。

近年來，由于量子力學(xué)和密碼學(xué)的結(jié)合，誕生了量子密碼學(xué)，它可完成僅僅由傳統(tǒng)數(shù)學(xué)無法完成的完善保密系統(tǒng)。量子密碼學(xué)是在量子理論基礎(chǔ)上提出了一種全新的安全通信系統(tǒng)，它從根本上解決量子特性不可忽視，測(cè)量動(dòng)作是量子力學(xué)的一個(gè)組成部分。在這些規(guī)律中，對(duì)量子密碼學(xué)起關(guān)鍵作用的是Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理，即測(cè)量量子系統(tǒng)時(shí)通常會(huì)對(duì)該系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，并產(chǎn)生出關(guān)于該系統(tǒng)測(cè)量前狀態(tài)的不完整信息，因此任何對(duì)于量子信道進(jìn)行監(jiān)測(cè)的努力都會(huì)以某種檢測(cè)的方式干擾在此信道中傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

本文內(nèi)容安排如下：第二部分回顧經(jīng)典的密碼術(shù)，第三部分說明基于EPR糾纏對(duì)的量子加密原理和技術(shù)，第四部分介紹量子密碼術(shù)，最后給出結(jié)論。

2 經(jīng)典密碼術(shù)

一般而言，加密體系有兩大類別，公鑰加密體系與私鑰加密體系。經(jīng)典保密通信原理如圖1所示：

圖1經(jīng)典保密通信原理圖

密碼通信是依靠密鑰、加密算法、密碼傳送、解密、解密算法的保密來保證其安全性.它的基本目的使把機(jī)密信息變成只有自己或自己授權(quán)的人才能認(rèn)得的亂碼。具體操作時(shí)都要使用密碼講明文變?yōu)槊芪模Q為加密，密碼稱為密鑰。完成加密的規(guī)則稱為加密算法。講密文傳送到收信方稱為密碼傳送。把密文變?yōu)槊魑姆Q為解密，完成解密的規(guī)則稱為解密算法。如果使用對(duì)稱密碼算法，則K＝K’ , 如果使用公開密碼算法，則K 與K’ 不同。整個(gè)通信系統(tǒng)得安全性寓于密鑰之中。

公鑰加密體系基于單向函數(shù)(one way function)。即給定x，很容易計(jì)算出F (x)，但其逆運(yùn)算十分困難。這里的困難是指完成計(jì)算所需的時(shí)間對(duì)于輸入的比特?cái)?shù)而言呈指數(shù)增加。舉例而言，RSA (Rivest, Shamir, Adleman ) 即是具有代表性的公開密鑰算法，其保密性建立在分解有大素?cái)?shù)因子的合數(shù)的基礎(chǔ)上。公鑰體系由于其簡(jiǎn)單方便的特性在最近20年得以普及，現(xiàn)代電子商務(wù)保密信息量的95%依賴于RSA算法。但其存在以下主要缺陷。首先，人們尚無法從理論上證明算法的不可破性，盡管對(duì)于己知的算法，計(jì)算所需的時(shí)間隨輸入的比特?cái)?shù)呈指數(shù)增加，我們只要增加密鑰的長(zhǎng)度即可提高加密體系的安全性，但沒人能夠肯定是否存在更為先進(jìn)的快速算法。其次，隨著量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以往經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以求解的問題，量子計(jì)算機(jī)可以迎刃而解。例如應(yīng)用肖氏(Shor's )量子分解因式算法可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)輕易破解加密算法。

另一種廣泛使用的加密體系則基于公開算法和相對(duì)前者較短的私鑰。例如DES (Data Encryption Standard, 1977)使用的便是56位密鑰和相同的加密和解密算法。這種體系的安全性，同樣取決于計(jì)算能力以及竊聽者所需的計(jì)算時(shí)間。事實(shí)上，1917年由Vernam提出的“一次一密碼本”(one time pad) 是唯一被證明的完善保密系統(tǒng)。這種密碼需要一個(gè)與所傳消息一樣長(zhǎng)度的密碼本，并且這一密碼本只能使用一次。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于合法的通信雙方(記做Alice和Bob)在獲取共享密鑰之前所進(jìn)行的通信的安全不能得到保證，這一加密體系未能得以廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)代密碼學(xué)認(rèn)為，任何加密體系的加密解密算法都是可以公開的，其安全性在于密鑰的保密性。實(shí)際上，由于存在被動(dòng)竊聽的可能性，如果通信雙方完全通過在經(jīng)典信道上傳輸經(jīng)典信息，則在雙方之間建立保密的密鑰是不可能的。然而，量子物理學(xué)的介入徹底改變了這一狀況。

3 量子加密的原理和技術(shù)

量子加密是目前科學(xué)界公認(rèn)唯一能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信方式。它依賴于兩點(diǎn)：一是基本量子力學(xué)效應(yīng)(如測(cè)不準(zhǔn)原理,Bell 原理量子不可克隆定理)；二是量子密鑰分配協(xié)議量子密碼系統(tǒng)能夠保證：(1)合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應(yīng)的措施；（2）使竊聽者無法破解量子密碼，無論破譯者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力。同時(shí)，量子密碼通信不是用來傳送密文或明文，而是用來建立和傳送密碼本，這個(gè)密碼本是絕對(duì)安全的。到目前為止，實(shí)現(xiàn)量子加密的方案主要有如下幾種：

(1)基于兩組共扼正交基的四狀態(tài)方案，其代表為BB84協(xié)議；

(2)基于兩個(gè)非正交態(tài)的二狀態(tài)方案，其代表為B92協(xié)議；

(3)基于EPR糾纏對(duì)的方案，其代表為E91協(xié)議；

(4)基于BB84協(xié)議與B92協(xié)議的4＋2協(xié)議。

在這里我們主要介紹一下基于EPR糾纏對(duì)的方案，Ekert 于1991年提出的基于EPR的量子密鑰分配協(xié)議(E91)充分利用了量子系統(tǒng)的糾纏特性，通過糾纏量子系統(tǒng)的非定域性來傳遞量子信息，取代了BB84 協(xié)議中用來傳遞量子位的量子信道，因而可以更加靈活地實(shí)現(xiàn)密鑰分配。此外，與BB84 不同的是，E91協(xié)議借助于Bell 不等式來驗(yàn)證是否存在竊聽者，而在BB84 和B92 中，都是通過隨機(jī)校驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)竊聽驗(yàn)證。

雖然量子密鑰分配協(xié)議的安全性與Bell不等式之間的確切關(guān)系尚不清楚，但是利用Bell不等式的確可以保證量子密鑰分配是無條件安全的。也就是說無論Eve采取多么高明的竊聽策略，采用多么精密的竊聽設(shè)備，她的竊聽行為必然影響糾纏態(tài)，進(jìn)而使Bell不等式成立。

其中任意角度均表示光子的偏振方向。量子位的信息編碼規(guī)則為：

相應(yīng)的測(cè)量算子為：

根據(jù)上述設(shè)置，E91密鑰分配的操作按如下步驟實(shí)施：

(1)Alice等概率的從{│ω0＞，│ω1＞，│ω2＞}中隨機(jī)選取一個(gè)糾纏態(tài)│ωj＞ ，保留第一個(gè)量子位，并把第二個(gè)量子位發(fā)送給Bob. Alice沒有必要記住│ωj＞究竟處于什么態(tài)， 只要保證三種糾纏態(tài)被等概率的選取。該過程可以在密鑰分配前任何方便的時(shí)候進(jìn)行，而且還可以有Bob或者可靠的第三方執(zhí)行。

(2)Alice和Bob各自獨(dú)立地測(cè)量自己的量子位，測(cè)量算子等概率地從{M0,M1,M2}中隨機(jī)選取。

(3)Alice直接記錄測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的編碼信息比特，Bob則記錄編碼信息比特的反碼。

(4)Alice和Bob在公開的經(jīng)典信道公布自己所選取的測(cè)量算子。當(dāng)然，Alice和Bob 都不透露自己的測(cè)量結(jié)果。

(5)Alice和Bob保留相同的測(cè)量算子所對(duì)應(yīng)的信息比特作為原始密鑰(raw key)。其余的信息比特記為排異位(rejected bits)，與BB84和B92不同，排異位不再被丟棄，而是被公布以用來驗(yàn)證Bell不等式是否成立，并以此判斷是否存在竊聽者。

然而根據(jù)量子力學(xué)，對(duì)于上述糾纏純態(tài)，應(yīng)有β= -0.5，Alice和Bob可以利用公布的排異位分別計(jì)算β ，若Bell不等式成立，即β≥0 ，則表明糾纏態(tài)已經(jīng)被破壞，原始密鑰是不可靠的; Bell不等式不成立，即 β

最后，Alice和Bob利用經(jīng)典糾錯(cuò)碼對(duì)密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)，最后施行保密增強(qiáng)生成最終密鑰。

4 量子密碼術(shù)

考慮到環(huán)境噪聲和竊聽者的作用，以防止竊聽者獲得盡可能多信息從而實(shí)現(xiàn)高效的量子密碼傳輸通信。因此在實(shí)際通信系統(tǒng)中，所有量子密鑰分發(fā)協(xié)議都要完成以下四個(gè)過程：

4.1 量子傳輸

不同量子密碼協(xié)議有不同的量子傳輸方式，但它們有一個(gè)共同點(diǎn):都是利用量子力學(xué)原理(如海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理)。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，在量子信道中Alice隨機(jī)選取單光子脈沖的光子極化態(tài)和基矢，將其發(fā)送給Bob, Bob再隨機(jī)選擇基矢進(jìn)行測(cè)量，測(cè)到的比特串記為密碼本。但由于噪聲和Eve的存在而使接受信息受到影響，特別是Eve可能使用各種方法對(duì)Bob進(jìn)行干擾和監(jiān)聽，如量子拷貝，截取轉(zhuǎn)發(fā)等，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，外界的干擾必將導(dǎo)致量子信道中光子極化態(tài)的改變并影響B(tài)ob的測(cè)量結(jié)果，由此可以對(duì)竊聽者的行為進(jìn)行檢測(cè)和判定。這也是量子密碼區(qū)別于其它密碼體制的重要特點(diǎn)。

4.2 篩選數(shù)據(jù)

在量子傳輸中由于噪聲，特別是Eve 的存在，將使光子態(tài)序列中光子的偏振態(tài)發(fā)生變化。另外，實(shí)際系統(tǒng)中，Bob 的檢測(cè)儀也不可能百分之百正確地記錄測(cè)量結(jié)果，所以，A1ice 和Bob 比較測(cè)量基后會(huì)放棄所有那些在傳送過程中沒有收到或測(cè)量失誤，或由于各種因素的影響而不合要求的測(cè)量基，然后，他們可以公開隨機(jī)的選擇一些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再丟棄，計(jì)算出錯(cuò)誤率，若錯(cuò)誤率超過一定的閾值，應(yīng)考慮竊聽者的存在。A1ice和Bob放棄所有的數(shù)據(jù)并重新傳光子序列，若是可以接收的結(jié)果，則A1ice和Bob將剩下的數(shù)據(jù)保存下來，所獲得數(shù)據(jù)稱為篩選數(shù)據(jù)。假設(shè)量子傳輸中A1ice傳給Bob的量子比特(Qubit)為m bit，篩選掉m-n bit，則得到的原數(shù)據(jù)為n bit。在這個(gè)過程中可以檢測(cè)出明顯的Eve的存在。

4.3 數(shù)據(jù)糾錯(cuò)

所得到的n bit的篩選數(shù)據(jù)并不能保證A1ice和Bob各自保存完全的一致性，通信雙方仍不能保證各自保存的全部數(shù)據(jù)沒被竊聽。因此要對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)。人們提出了幾種方法，經(jīng)研究后提出以下方法：

(1)A1ice和Bob約定好隨機(jī)的變換他們bit 串的位置來打亂錯(cuò)誤的位置；

(2)將bit 串分成大小為K 的區(qū)，K的選取應(yīng)使每一個(gè)區(qū)的錯(cuò)誤盡可能的?。?/p>

(3)對(duì)于每一個(gè)區(qū)，A1ice和Bob計(jì)算并公開宣布了奇偶校驗(yàn)結(jié)果；

(4)若相同，A1ice和Bob約定放棄該區(qū)的最后一個(gè)比持；

(5)若不同，用log(K)反復(fù)查找來定位和糾正區(qū)中的錯(cuò)誤；

(6)由于奇偶校驗(yàn)只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個(gè)同時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，所以仍會(huì)有小部分錯(cuò)誤存在，為了解決這種情況，反復(fù)以上步驟，不斷地增加區(qū)的大小。

4.4 保密增強(qiáng)

保密加強(qiáng)是為了進(jìn)一步提高所得密鑰的安全性，它是一種非量子方法，其具體實(shí)現(xiàn)為假設(shè)Alice 發(fā)給Bob 一個(gè)隨機(jī)變量W , 如一個(gè)隨機(jī)的n bit 串，在隨機(jī)變量V 中，竊聽者Eve 獲得一個(gè)正確的隨機(jī)變量V, 設(shè)對(duì)應(yīng)的比特為t

4.5 身份認(rèn)證

經(jīng)過以上的過程，獲得了一個(gè)對(duì)竊聽者Eve完全安全的密鑰，但他假定朋Alice和Bob都是合法的，并沒有對(duì)A1ice和Bob的身份認(rèn)證?？赡軙?huì)出現(xiàn)A1ice或M是假冒的情況，因此我們?cè)谠瑽M4協(xié)議中加人身份認(rèn)證這一過程：我們可以從量子密鑰中獲取認(rèn)證密鑰而實(shí)現(xiàn)。將以上過程所得到的密鑰稱為原密鑰(Raw Key)rK，將其分成三個(gè)部分：rK＝Ka+Kb+K，其中Ka，Kb用于身份確認(rèn)。具體過程如下：A1ice秘密地從rK中選取Ka，并發(fā)送給Bob，同時(shí)Bob秘密地從rK中選取Kb并發(fā)送給A1ice，然后A1ice和Bob分別以Kb，Ka利用單向哈希函數(shù)獲得各自的秘密密鑰Ka'，Kb'。最后A1ice和Bob利用雙鑰認(rèn)證體制實(shí)現(xiàn)身份確認(rèn)。

5 結(jié)論

量子密碼術(shù)是量子物理學(xué)和密碼學(xué)相結(jié)合的一門新興科學(xué)，它成功地解決了傳統(tǒng)密碼學(xué)中單靠數(shù)學(xué)無法解決的問題并引起國(guó)際上高度重視，是主要應(yīng)用于量子信息領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。近年來，許多國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)量子密碼通信的研究非?；钴S，這種新的密碼通信不同于經(jīng)典的密碼通信，有著絕對(duì)安全的優(yōu)點(diǎn)。

總之，隨著單光子探測(cè)等技術(shù)的不斷發(fā)展，量子密碼通信技術(shù)在全光網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力會(huì)不斷挖掘并成為現(xiàn)實(shí)，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)時(shí)經(jīng)典密碼體制將無安全可言，量子密碼術(shù)將成為保護(hù)數(shù)據(jù)安全的最佳選擇之一。因此，對(duì)量子保密通信技術(shù)以及為合法通信者間的安全通信的進(jìn)一步研究將是一項(xiàng)非常有意義的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nicolas Gisin, Gre′ goire Ribordy, Wolfgang Tittel, and Hugo Zbinden，Quantum cryptography[J], REVIEWS OF MODERN PHYSICS, VOLUME 74, JANUARY 2002.

[2]DAVID S. PEARSON, CHIP ELLIOTT, ON THE OPTIMAL MEAN PHOTON NUMBER FOR QUANTUM CRYPTOGRAPHY[J], Quantum Information and Computation, Vol. 0, No. 0 (2003) 000C000.

[3]Chip Elliott，Dr. David Pearson，Dr. Gregory Troxel，Quantum Cryptography in Practice[J], PREPRINT C May 1, 2003

[4]Daniel Collins, Nicolas Gisin and Hugues de Riedmatten，Quantum Relays for Long Distance Quantum Cryptography[R]，14 November 2003.

[5]Norbert Lu¨tkenhaus，Security against individual attacks for realistic quantum key distribution[J]，PHYSICAL REVIEW A, VOLUME 61, 052304.

篇7

關(guān)鍵詞:量子遺傳算法;多目標(biāo)分配;最優(yōu)化

中圖分類號(hào):TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-7712 (2012) 12-0176-01

一、引言

遺傳算法不同于傳統(tǒng)尋優(yōu)算法的特點(diǎn)在于:遺傳算法在尋優(yōu)過程中,僅需要得到適應(yīng)度函數(shù)的值作為尋優(yōu)的依據(jù);同時(shí)使用概率性的變換規(guī)則,而不是確定性的變換規(guī)則;遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算相對(duì)于尋優(yōu)過程是獨(dú)立的;算法面對(duì)的是參數(shù)的編碼集合,而并非參數(shù)集合本身,通用性強(qiáng)。它尤其適用于處理傳統(tǒng)優(yōu)化算法難于解決的復(fù)雜和非線性問題。[1]

目前,GA已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用,但隨著問題規(guī)模的不斷擴(kuò)大和搜索空間的更加復(fù)雜,GA在求解很多具體問題時(shí)往往并不能表現(xiàn)出其優(yōu)越性。于是,近年來便出現(xiàn)了遺傳算法與其它理論相結(jié)合的實(shí)踐,其中遺傳算法與量子理論的結(jié)合是一個(gè)嶄新的、極富前景和創(chuàng)意的嘗試。

量子遺傳算法QGA是量子計(jì)算特性與遺傳算法相結(jié)合的產(chǎn)物。基于量子比特的疊加性和相干性,在遺傳算法中借鑒量子比特的概念,引入了量子比特染色體。由于量子比特染色體能夠表征疊加態(tài),比傳統(tǒng)GA具有更好的種群多樣性,同時(shí)QGA也會(huì)具有更好的收斂性,因此在求解優(yōu)化問題時(shí),QGA在收斂速度、尋優(yōu)能力方面比GA都將有較大的提高。QGA的出現(xiàn)結(jié)合了量子計(jì)算和遺傳算法各自的優(yōu)勢(shì),具有很高的理論價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

本論文提出用量子遺傳算法處理和解決多目標(biāo)分配問題,為多目標(biāo)問題的解決提供一種新的思路。

二、量子遺傳算法

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中,信息存儲(chǔ)是以二進(jìn)制來表示,不是“0”就是“1”態(tài),但是在量子計(jì)算機(jī)中,充當(dāng)信息存儲(chǔ)單元的物質(zhì)是一個(gè)雙態(tài)量子系統(tǒng),稱為量子比特(qubit),量子比特與比特不同之就在于它可以同時(shí)處在兩個(gè)量子態(tài)的疊加態(tài),量子進(jìn)化算法建立在量子的態(tài)矢量表述基礎(chǔ)上,將量子比幾率幅表示應(yīng)用于染色體的編碼,使得一條染色體可以表示個(gè)態(tài)的疊加,并利用量子旋轉(zhuǎn)門更新染色體,從而使個(gè)體進(jìn)達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的目的。

一個(gè) 位的量子位染色體就是一個(gè)量子位串,其表示如下:

其中 。在多目標(biāo)優(yōu)化中,一個(gè)量子染色體代表一個(gè)決策向量,在量子態(tài)中一個(gè) 位的量子染色體可以表達(dá) 個(gè)態(tài),采用這種編碼方式使得一個(gè)染色體可以同時(shí)表達(dá)多個(gè)態(tài)的疊加,使得量子進(jìn)化算法比傳統(tǒng)遺傳算法擁有更好的多樣性特征。

為了實(shí)現(xiàn)個(gè)體的進(jìn)化,經(jīng)典進(jìn)化算法中通過染色體的交叉、變異操作推進(jìn)種群的演化,而對(duì)量子進(jìn)化算法而言,量子染色體的調(diào)整主要是通過量子旋轉(zhuǎn)門實(shí)現(xiàn)的,算法流程如下:

(1)進(jìn)化代數(shù)初始化: ;

(2)初始化種群 ,生成并評(píng)價(jià) ;

(3)保存 中的最優(yōu)解 ;

(4) ;

(5)由 生成 ;

(6)個(gè)體交叉、變異等操作,生成新的 (此步可省評(píng)價(jià));

(7)評(píng)價(jià) ,得到當(dāng)前代的最優(yōu)解 ;

(8)比較 與 得到量子概率門 ,保存最優(yōu)解于 ;

(9)停機(jī)條件 當(dāng)滿足停機(jī)條件時(shí),輸出當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體,算法結(jié)束,否則繼續(xù);

(10)以 更新 ,轉(zhuǎn)到4)。

三、基于量子遺傳算法的多目標(biāo)分配應(yīng)用

如今為了滿足市場(chǎng)的需要,很多工廠的生產(chǎn)種類多、生產(chǎn)量大,從而設(shè)置了不同的生產(chǎn)車間,根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)分配生產(chǎn)車間合理與否直接影響工廠的經(jīng)濟(jì)收益,這同樣可采用遺傳算法的目標(biāo)分配方法進(jìn)行分配。

模型構(gòu)建:設(shè)工廠有i個(gè)生產(chǎn)車間。 為在第i個(gè)車間生產(chǎn)第j種產(chǎn)品的收益, 為第j種產(chǎn)品的需求量;如果第j種產(chǎn)品被選中,則 為在第i個(gè)車間生產(chǎn)該產(chǎn)品的總收益。由題意知為求解 最大問題。

仿真實(shí)例:設(shè)有10個(gè)生產(chǎn)車間,要生產(chǎn)15種產(chǎn)品,用Matlab程序編程,設(shè)定40個(gè)粒子,迭代200次,代溝0.9。運(yùn)行結(jié)果如下:

此圖表明經(jīng)200次迭代后的目標(biāo)分配方案為:第1種產(chǎn)品由第3個(gè)車間生產(chǎn),以此類推,車間5生產(chǎn)第2種產(chǎn)品,車間8生產(chǎn)第3種產(chǎn)品,……。次方案對(duì)應(yīng)的車間總收益值為2.7030e+003,成功進(jìn)行了多目標(biāo)分配問題的解決。

四、結(jié)論

基于量子遺傳算法的多目標(biāo)分配,為多目標(biāo)分配突破傳統(tǒng)尋優(yōu)模式找到了一個(gè)可行的解決方法。根據(jù)這種方法實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果可以看出,基本符合要求,并且能夠在一定的時(shí)間內(nèi)得到最優(yōu)的分配方案,因此,本文在探索多目標(biāo)分配問題上找到了一種新的解決思路。

參考文獻(xiàn):

[1]吉根林.遺傳算法研究綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2004,21(2):69-73

[2]肖曉偉,肖迪.多目標(biāo)優(yōu)化問題的研究概述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,3,28(3):805-808

[3]原銀忠,韓傳久.用遺傳算法實(shí)現(xiàn)防空導(dǎo)彈體系的目標(biāo)分配[J].火力與指揮控制,2008,3,33(3):80-83

篇8

【關(guān)鍵詞】：量子通信技術(shù)；電力信息；保密傳輸；應(yīng)用

1、技術(shù)原理

1.1量子通信原理

量子通信技術(shù)以量子密鑰分配技術(shù)為基礎(chǔ)，該技術(shù)利用單光子不可分割、量子態(tài)不可復(fù)制的特性實(shí)現(xiàn)通信、雙方的安全密鑰分配，結(jié)合“一次一密”實(shí)現(xiàn)不可破譯的無條件安全加密通信。光在沿著傳播方向前進(jìn)的同時(shí)，也在垂直的方向上振動(dòng)，該振動(dòng)是一種量子狀態(tài)。不同于傳統(tǒng)數(shù)字光通信，量子通信能夠?qū)⑿畔⒕幋a并加載到單光子的振動(dòng)方向上，根據(jù)單光子不可分割、量子態(tài)不可復(fù)制的特性，量子狀態(tài)是無法被精確復(fù)制的。在量子加密的傳輸過程中，任何的竊聽行為都會(huì)對(duì)量子狀態(tài)造成擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了通信雙方對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)監(jiān)視，能夠察覺到數(shù)據(jù)被竊聽并進(jìn)行規(guī)避。因此，通過量子狀態(tài)的傳輸，雙方可根據(jù)量子狀態(tài)協(xié)商將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)，形成完全隨機(jī)的加密密鑰，以實(shí)現(xiàn)對(duì)原數(shù)據(jù)“一次一密”的加密保護(hù)。即使密文在傳輸過程被竊取，竊取者也無法計(jì)算出完全隨機(jī)的密鑰并對(duì)其破解，由此最大限度地保障了數(shù)據(jù)的安全性。

1.2量子加密系統(tǒng)

量子保密通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的基本模型如圖1所示。該系統(tǒng)需要兩種信道，一種是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)原來傳輸所用的經(jīng)典信道，一種是量子密鑰傳輸所用的單獨(dú)信道，目前該信道必須為裸纖直連。雙方密鑰生成器通過對(duì)發(fā)送單光子量子態(tài)的判斷，將量子態(tài)按協(xié)商的規(guī)律轉(zhuǎn)為二進(jìn)制碼，因?yàn)閱喂庾拥臓顟B(tài)發(fā)送是完全隨機(jī)的，且在傳輸過程中不可能被竊取，因此雙方最終能夠生成相同的完全隨機(jī)的二進(jìn)制密鑰。通過量子加密機(jī)，將原數(shù)據(jù)與密鑰進(jìn)行“一次一密”，加密后經(jīng)發(fā)送機(jī)在原來的經(jīng)典信道上進(jìn)行傳輸。對(duì)方用相同的密鑰解密即可。、 圖1量子加密系統(tǒng)基本模型

2、量子通信技術(shù)的應(yīng)用

2.1應(yīng)用場(chǎng)景

將量子通信技術(shù)應(yīng)用于電力信息系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)和管理信息業(yè)務(wù)的信息數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)。首先，針對(duì)電力行業(yè)中的電網(wǎng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)生產(chǎn)的安全保護(hù)。如涉及電網(wǎng)生產(chǎn)的保護(hù)、安控、調(diào)度電話、調(diào)度自動(dòng)化等，這些數(shù)據(jù)網(wǎng)是電力安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，承載著電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)與控制指令，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。采用量子通信方式保護(hù)電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、配網(wǎng)自動(dòng)化等，可實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)信息的安全傳輸。其次，電力系統(tǒng)企業(yè)管理信息，如企業(yè)人力資源、辦公系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)、電視電話系統(tǒng)、營(yíng)銷系統(tǒng)等，承載著重要敏感數(shù)據(jù)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行也起著重要支撐作用，這些數(shù)據(jù)的泄露會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)的危險(xiǎn)。因此在該場(chǎng)景下，利用量子加密技術(shù)M行數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)同樣具備可行性。最后，電力數(shù)據(jù)的信息災(zāi)備是保障電網(wǎng)安全的最后一道防線，當(dāng)出現(xiàn)自然原因或人為因素導(dǎo)致電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)癱瘓時(shí)，異地的信息數(shù)據(jù)災(zāi)備就起了重要作用，及時(shí)的數(shù)據(jù)恢復(fù)能夠保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所以對(duì)于電力系統(tǒng)異地或同城的數(shù)據(jù)災(zāi)備，仍然也需要高可靠的加密方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。同樣量子保密通信系統(tǒng)可應(yīng)用于該場(chǎng)景中。

2.2物理架構(gòu)部署

對(duì)于目前的量子保密通信系統(tǒng)，除經(jīng)典信道傳輸密文外，還需要一條專門用于傳輸量子密鑰的光纖信道。由于技術(shù)發(fā)展的局限性，該信道的限制條件比較嚴(yán)格。首先，量子密鑰信道必須是裸纖傳輸，即兩點(diǎn)間傳輸?shù)墓饫w不能經(jīng)過光放大器、光交換、路由器等設(shè)備，只能通過物理方式進(jìn)行跳接，且不能與其他承載業(yè)務(wù)共用光纖。所以若在電力行業(yè)應(yīng)用量子通信技術(shù)，必須提前考慮量子信道是否具有纖芯資源。其次，單站點(diǎn)之間的光纖距離在50km左右、總損耗在13dB內(nèi)，如果距離遠(yuǎn)大于此，就會(huì)使得量子密鑰在傳輸中因過大損耗產(chǎn)生精確度的缺失。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信，就必須建立中繼站實(shí)現(xiàn)量子密鑰的中轉(zhuǎn)，保證發(fā)端與接收端最終能夠生成相同的加密/解密密鑰。

2.3電力系統(tǒng)量子通信網(wǎng)規(guī)劃

第一，利用量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，建立遠(yuǎn)距離、跨大區(qū)，甚至跨大洲的國(guó)際量子通信互聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)目前國(guó)家已部署的量子衛(wèi)星地面接收站情況，可考慮將新疆南山接收站與河北興隆地面接收站作為跨省互聯(lián)試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)東西部的電力信息傳輸，并作為東西部其他城域網(wǎng)接入的集合點(diǎn)。同時(shí)，利用國(guó)家建立的京滬干線，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在京滬主干線的接入，完成南北部互通，并在京滬沿線將經(jīng)過的各網(wǎng)省以量子通信方式接入，實(shí)現(xiàn)從干線到各點(diǎn)的擴(kuò)散和延長(zhǎng)。

第二，前期可在重要城市建立城域內(nèi)的量子通信網(wǎng)，對(duì)電力重要業(yè)務(wù)的保護(hù)進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，為后續(xù)量子通信在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用提供試點(diǎn)基礎(chǔ)。利用國(guó)家建立的城市量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)資源并考慮政治、經(jīng)濟(jì)重要地區(qū)，可選取北京、濟(jì)南、合肥、上海等地自主建立區(qū)域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)語(yǔ)

量子通信技術(shù)作為信息通信領(lǐng)域重要的發(fā)展方向，探索其在電力信息系統(tǒng)中的應(yīng)用是非常有意義和前瞻性的工作。本文通過對(duì)量子通信技術(shù)原理和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合電力行業(yè)中對(duì)重要數(shù)據(jù)的安全傳輸需求性，提出將量子通信技術(shù)應(yīng)用于電力信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程。借助量子通信的高可靠性和不可破譯性，為電力信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全提供了一種可適用的解決方案。通過對(duì)電力行業(yè)的現(xiàn)狀分析，提出了量子通信在電力行業(yè)的適用場(chǎng)景，為后續(xù)的實(shí)際建設(shè)和驗(yàn)證提供了指導(dǎo)方向。同時(shí)針對(duì)目前存在的問題給出了后續(xù)的建議和量子通信網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃。

【參考文獻(xiàn)】：

[1]周正威，陳巍，孫方穩(wěn)，等.量子信息技術(shù)縱覽[J].科學(xué)通報(bào)，2012（12）：10-12.

篇9

本書將從物理、技術(shù)和設(shè)備操作方面對(duì)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(duì)量子阱、量子線和點(diǎn)、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(diǎn)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(duì)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(cè)器，介紹了光電檢測(cè)器原理以及重要性質(zhì)，講述了一些具體的光電檢測(cè)器；9拉曼激光，主要講述了拉曼激光的概念、簡(jiǎn)化理論、硅的拉曼效應(yīng)，并對(duì)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(jí)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(jì)算機(jī)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(huì)會(huì)士，加拿大工程院院士， IEEE院士， 美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)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。

篇10

關(guān)鍵詞：布朗運(yùn)動(dòng) 量子力學(xué) 物質(zhì)場(chǎng) 波動(dòng)函數(shù)

引子：這篇論文是洗衣服時(shí)出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，讓我很好奇，所以我開始了對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究。

布朗運(yùn)動(dòng)：懸浮微粒永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象（說明一下：永不停息是不存在的，長(zhǎng)時(shí)間或較長(zhǎng)時(shí)間，人們是可以接受的），很對(duì)不起大家，剛開始就要括號(hào)說明，只是現(xiàn)在的定義，真是永不停息。布朗運(yùn)動(dòng)的例子特別多，大家很容易見到，如把一把泥土扔到水里攪合攪合，或在無風(fēng)的情況下對(duì)著陽(yáng)光觀察空氣中的塵粒等等，現(xiàn)在這些類似運(yùn)動(dòng)都稱為布朗運(yùn)動(dòng)。

1827年，植物學(xué)家R·布朗首先提出發(fā)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)。在他之后的很長(zhǎng)時(shí)間，人們對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)、觀察。最后古伊在1888-1895期間對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)提出自己的認(rèn)識(shí)：

布朗運(yùn)動(dòng)并不是分子運(yùn)動(dòng)，而是從分子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)出的一些結(jié)果能向我們提供直接和可見的證據(jù)，說明對(duì)熱本質(zhì)假設(shè)的正確性。按照這樣的觀點(diǎn)，這一現(xiàn)象的研究承擔(dān)了對(duì)分子物理學(xué)的重要作用。

古伊的文獻(xiàn)產(chǎn)生過重要的影響，后來貝蘭（我們第一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量原子大小的人）把布朗運(yùn)動(dòng)正確解釋的來源歸于古伊。實(shí)話實(shí)說，古伊的文獻(xiàn)太重要了，在我看來：一語(yǔ)中的。太對(duì)了，古伊是歸納總結(jié)的天才，也是真正從實(shí)驗(yàn)的角度來解釋布朗運(yùn)動(dòng)的第一人。

古伊的話有三個(gè)重點(diǎn)：

一、布朗運(yùn)動(dòng)不是分子運(yùn)動(dòng)。

二、說明熱本質(zhì)假設(shè)的正確性(下面會(huì)專門論述熱的本質(zhì)問題）。

三、利用分子布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)果來承擔(dān)對(duì)分子物理學(xué)的研究。

1905年愛因斯坦根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論的原理提出布朗運(yùn)動(dòng)理論，同時(shí)期的斯莫羅霍夫斯基作出同樣的成果。

愛因斯坦在論文中指出：按照熱的分子運(yùn)動(dòng)論，由于熱的分子運(yùn)動(dòng)大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體中，必定會(huì)發(fā)生大小可以用顯微鏡觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)，可能這里所討論的運(yùn)動(dòng)就是布朗運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)這種運(yùn)動(dòng)和預(yù)期的規(guī)律性，就可能精確測(cè)量原子的大小，反之證明熱分子運(yùn)動(dòng)的預(yù)言就不正確。這些是愛因斯坦的研究成果。

現(xiàn)在人們認(rèn)為這是對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的根源及其規(guī)律性的最終解釋，我認(rèn)為不是。這是愛因斯坦成功的利用布朗運(yùn)動(dòng)的原則創(chuàng)造性提出熱分子運(yùn)動(dòng)論，利用這一理論可以測(cè)量分子原子的大小，把布朗運(yùn)動(dòng)近似為熱分子運(yùn)動(dòng)論?；蛟S是天意，愛因斯坦的論文我怎么看都有絕對(duì)論的意思。“有大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體，必定會(huì)發(fā)生大小可以用顯微鏡觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)”。運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性，不過這里他說的是發(fā)生相對(duì)于物質(zhì)本身的運(yùn)動(dòng)，可能這是相對(duì)論的名稱來源吧。我的評(píng)價(jià)：初級(jí)的絕對(duì)論。在絕對(duì)論中只要有物質(zhì)存在就有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的。愛因斯坦的熱分子運(yùn)動(dòng)論：舍本取末，換句話說他把布朗運(yùn)動(dòng)等同于分子運(yùn)動(dòng)了，認(rèn)為熱分子運(yùn)動(dòng)引起了的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，就是觀察到的布朗運(yùn)動(dòng)。既然相對(duì)論是初級(jí)的絕對(duì)論，我今天提出絕對(duì)論，那么所有愛因斯坦做過的事情，我可能都要去做一遍。布朗運(yùn)動(dòng)不是熱分子運(yùn)動(dòng)，但是可以引起熱分子運(yùn)動(dòng)，愛因斯坦的成果只是利用了布朗運(yùn)動(dòng)引起的熱分子運(yùn)動(dòng)，他沒有分析布朗運(yùn)動(dòng)的根源：物質(zhì)為什么會(huì)存在布朗運(yùn)動(dòng)。當(dāng)顯微鏡越來越清晰的時(shí)候，愛因斯坦的擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)方程就不能適用了。

現(xiàn)在隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，量子理論對(duì)真空漲落的認(rèn)識(shí)不斷加深，量子理論也對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的根源給出自己的看法，同樣今天絕對(duì)論也給出自己對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)：

一、布朗運(yùn)動(dòng)不是分子運(yùn)動(dòng)，或者說不是單個(gè)粒子間的運(yùn)動(dòng)。

二、布朗運(yùn)動(dòng)是一個(gè)由點(diǎn)到面，再由面到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式。

三、布朗運(yùn)動(dòng)是與波動(dòng)函數(shù)有關(guān)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特性。

布朗運(yùn)動(dòng)不是分子的運(yùn)動(dòng)或者說不是單個(gè)粒子之間的運(yùn)動(dòng)，為什么這么說呢：一滴水融入大海永不干涸（永字應(yīng)為長(zhǎng)時(shí)間，不過人們習(xí)慣認(rèn)識(shí)，所以沒有改為長(zhǎng)時(shí)間）大海洶涌澎湃，一盤水很容易平靜。相比之下，為什么有如此巨大反差：物質(zhì)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的疊加效應(yīng)，滴水穿石的道理也是如此。

簡(jiǎn)單的一滴水為什么能夠融入大海呢？正像洗衣服為什么能把衣服洗干凈，洗不干凈會(huì)在衣服干后留下許多漬跡一樣。液體的形態(tài)對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了如何的影響呢？這是我們應(yīng)該思考的問題，這里我引入二個(gè)概念：物質(zhì)場(chǎng)與波動(dòng)函數(shù)。

說一下自己的看法：一滴水的運(yùn)動(dòng)比如一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)，大海是一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)，一盆水也是一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)，同樣一滴水也可是一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)，那么一個(gè)電子也可是一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)，也就是說一個(gè)量子可以看作是一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)，量子的運(yùn)動(dòng)可以當(dāng)成物質(zhì)場(chǎng)在運(yùn)動(dòng)。

其實(shí)為了研究布朗運(yùn)動(dòng)，引入物質(zhì)場(chǎng)這個(gè)概念，把物質(zhì)現(xiàn)實(shí)中的存在狀態(tài)看成是一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)的存在，相信大家能夠理解。把物質(zhì)形態(tài)存在的狀態(tài)不去看它把當(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的物質(zhì)場(chǎng)存在，比如一塊鐵、一塊鋼、一塊磚，我們都把它當(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的物質(zhì)場(chǎng)存在，那么這個(gè)物質(zhì)場(chǎng)中的電子、原子、質(zhì)子等粒子都是這物質(zhì)場(chǎng)的一部分，那么這物質(zhì)場(chǎng)中的一切物質(zhì)都應(yīng)是這物質(zhì)場(chǎng)的一部分。

一個(gè)統(tǒng)一的物質(zhì)場(chǎng)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)而言，物質(zhì)場(chǎng)有整體的運(yùn)動(dòng)，也有物質(zhì)場(chǎng)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)：質(zhì)子、電子、中子等微粒之間的運(yùn)動(dòng)，比如我用力去拿一件東西，我的全部身體都在運(yùn)動(dòng)，手的運(yùn)動(dòng)和身體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)時(shí)截然不同的，但作為一個(gè)整體，我把東西拿了起來，而東西作為一個(gè)完整的物質(zhì)場(chǎng)表現(xiàn)是被我拿了起來，整個(gè)的分子、原子、電子構(gòu)成的物質(zhì)場(chǎng)共同被我拿了起來。

諸如這些運(yùn)動(dòng)是整體的完整的物質(zhì)場(chǎng)，對(duì)另一個(gè)完整的物質(zhì)場(chǎng)的作用，牛頓力學(xué)已經(jīng)很好的應(yīng)用到多個(gè)方面，宏觀物理研究的物體很明確，運(yùn)動(dòng)也很明顯，都可以準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算。為什么這里一定要強(qiáng)調(diào)完整的物質(zhì)場(chǎng)呢？一滴水進(jìn)入了大海之后，這一滴水的完整物質(zhì)場(chǎng)依然存在，而變成大海的物質(zhì)場(chǎng)一部分，這一滴水所有的運(yùn)動(dòng)，所有的信息都變成了大海物質(zhì)場(chǎng)的一部分，大海的每一滴水都是一個(gè)完整的物質(zhì)場(chǎng)，但都是大海物質(zhì)場(chǎng)的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但當(dāng)空氣蒸發(fā)水蒸氣時(shí)，大海不會(huì)單獨(dú)讓哪一個(gè)完整的小水滴去蒸發(fā)，而是大海整個(gè)的一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)在做蒸發(fā)這件事，與個(gè)體的物質(zhì)場(chǎng)的狀態(tài)關(guān)系不大。

可能從小水滴到大海大家覺得不直觀，在量子力學(xué)把電子看成小水滴，把一個(gè)物質(zhì)粒子看成大海，或者幾公斤的金屬板看成大海，相信這樣我們的科學(xué)人士都能夠理解。

光電效應(yīng)的原理：把光子看成一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)，把金屬板看成一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)，光照到金屬板上，放出電子（當(dāng)然需要一個(gè)極限頻率）是一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)對(duì)另一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)的反應(yīng)，那么釋放的電子是物質(zhì)場(chǎng)的整體行為，不是單個(gè)電子吸收能量而釋放出來。極限頻率，用水吸收80卡的熱量才能變成水蒸氣來說明吧，80米的水位永遠(yuǎn)流不出100米的大壩。每個(gè)物質(zhì)場(chǎng)都有自己的固有頻率，超過這個(gè)頻率的東西來破壞它，這個(gè)物質(zhì)場(chǎng)就發(fā)生變化用大錘去打東西，物質(zhì)會(huì)反應(yīng)不同的。

另一個(gè)問題：固體微粒之間結(jié)合很好，但是一個(gè)個(gè)的原子又是相互隔開，可是這一個(gè)個(gè)原子又構(gòu)成統(tǒng)一的物體。為什么？：波動(dòng)函數(shù)，物質(zhì)的特性是一個(gè)個(gè)小的原子共同表現(xiàn)出的特性，兩塊鐵融化后能夠形成一塊鐵，人類有無數(shù)的合金材料以及其它合成物質(zhì)，為什么這些材料表現(xiàn)出了原來不同的特性呢，物質(zhì)場(chǎng)的特性為什么變化呢？

物質(zhì)的特性變化了，那么每一個(gè)小的物質(zhì)場(chǎng)的特性也會(huì)變化。一般情況下原子不可能變，合金狀態(tài)的原子也未變，那么什么變化了呢？量子的運(yùn)動(dòng)方式變化了，也就是電子和質(zhì)子以及其它的微粒運(yùn)動(dòng)形式變化了，整個(gè)的物質(zhì)場(chǎng)的量子波動(dòng)函數(shù)變化了。

波動(dòng)函數(shù)是為了形象說明布郎運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)引入的一個(gè)物質(zhì)特征，一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)的波動(dòng)函數(shù)體現(xiàn)物質(zhì)作布郎運(yùn)動(dòng)的能力，也體現(xiàn)了物質(zhì)場(chǎng)內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)能力。波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)之間結(jié)合（疊加）能力的一種體現(xiàn)。一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)中會(huì)有很多不同的波動(dòng)函數(shù)如：分子之間，原子之間，電子之間，質(zhì)子之間，原子于分子之間，電子與原子核之間，質(zhì)子與中子之間等等許許多多的量子之間。波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種能力的體現(xiàn)。

當(dāng)然這個(gè)概念也很符合量子力學(xué)的波動(dòng)方程的需要，那就是所有的物質(zhì)場(chǎng)都有自己的波動(dòng)函數(shù)，而且不止一個(gè)。當(dāng)波動(dòng)函數(shù)達(dá)到一定數(shù)值，物質(zhì)場(chǎng)之間既可融合。這樣雖然原子之間的距離是分開的，但是電子之間的物質(zhì)場(chǎng)卻可以是融合在一起的（當(dāng)然還有比電子更小物質(zhì)，那它們的物質(zhì)場(chǎng)更會(huì)融在一起）

波動(dòng)函數(shù)越高，物質(zhì)融合的越快，反之越慢，諸如擴(kuò)散現(xiàn)象，滲透等等，固體之間的波動(dòng)函數(shù)低，所以最好融化或鍛打成液態(tài)式的結(jié)合，需要外部的力量加大它的波動(dòng)函數(shù)。波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)作布郎運(yùn)動(dòng)的一種能力，我更愿意認(rèn)為波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種能力（在絕對(duì)論中運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的生命）。與物質(zhì)本身的溫度有關(guān)，與外界的干涉有關(guān)。例如：加熱氣體，溶液或用力攪拌溶液等等會(huì)增波動(dòng)函數(shù)值。（下面我們還要專門研究熱的本質(zhì)問題）

用一個(gè)方程式來表達(dá)吧。

H值=H℃溫度+Hoi外部干涉，H：波動(dòng)函數(shù)。其實(shí)我的波動(dòng)函數(shù)和量子力學(xué)中的的物質(zhì)波不是完全相同。

波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)場(chǎng)的特性，是物質(zhì)生命能力的一種體現(xiàn)。表現(xiàn)在粒子上，粒子就具有波動(dòng)性，同時(shí)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)一定需要能量的，也一定出現(xiàn)物質(zhì)的波動(dòng)。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物質(zhì)場(chǎng)具有波動(dòng)函數(shù)。就象一整鐵的內(nèi)部具有輕微的布郎運(yùn)動(dòng)，也就是說這塊鐵的所有原子、分子、電子等等一切粒子都在做一定的布郎運(yùn)動(dòng)。所有的粒子都具有這塊鐵的物質(zhì)特性。也就是所有的粒子都有自己相應(yīng)的波動(dòng)函數(shù)。這與這塊鐵的運(yùn)動(dòng)和外界條件都有關(guān)系。就比如大海是所有的水滴和水中的懸浮物體構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的物質(zhì)場(chǎng)，是所有的物質(zhì)場(chǎng)的疊加效應(yīng)，如果你取出一滴水，那么這一滴水就不屬于大海了，它和大海就毫不相干了，完全是不同的物質(zhì)場(chǎng)了。

說到這些，大家可能會(huì)樂了，我也很樂的：這就是我們量子力學(xué)上著名的不確定原理和測(cè)不準(zhǔn)原理，因?yàn)槟阋獙?duì)這一個(gè)量子測(cè)量，那你就要破壞這個(gè)粒子在物質(zhì)場(chǎng)的狀態(tài)，你永遠(yuǎn)不能無法精確測(cè)量一個(gè)量子系統(tǒng)。因?yàn)槟銣y(cè)量一滴水的結(jié)果就會(huì)脫離大海這個(gè)物質(zhì)場(chǎng)。這一滴水在大海里就和大海一樣大，除非有測(cè)大海一樣大的儀器，否則無法測(cè)量這一滴水在大海中運(yùn)行狀態(tài)。但是我們可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)整個(gè)的物質(zhì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。我們可以計(jì)算大海每天蒸發(fā)了多少噸的水，但不可以說是那一噸水。

其實(shí)量子力學(xué)碰到的最大問題，不是實(shí)驗(yàn)不能證明。而是無法說明粒子為什么不可測(cè)，而且無法確定位置，因?yàn)槿魏我粋€(gè)物質(zhì)場(chǎng)都是一個(gè)面，一個(gè)量子只是一個(gè)點(diǎn)，而運(yùn)動(dòng)和變化是物質(zhì)場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)之間發(fā)生的，與單個(gè)的粒子運(yùn)動(dòng)關(guān)系不大。當(dāng)然也不能說一點(diǎn)沒有，就象人與人打架一樣，是兩個(gè)物質(zhì)場(chǎng)在運(yùn)動(dòng)，打在手上，而全身都難受，手痛得最厲害。是整個(gè)物質(zhì)場(chǎng)在對(duì)外界的物質(zhì)場(chǎng)共同的感受?？刹皇侵皇鞘植皇娣晕覀兡軌蚓_地確認(rèn)各個(gè)量子運(yùn)動(dòng)疊加之后統(tǒng)計(jì)結(jié)果（宏觀物理），但我們不能很精確一個(gè)物質(zhì)場(chǎng)內(nèi)部的那一小點(diǎn)起作用。物質(zhì)是整體運(yùn)行的，當(dāng)外部的物質(zhì)變化時(shí)內(nèi)部的物質(zhì)也會(huì)有相應(yīng)變化的，量子運(yùn)行方式會(huì)發(fā)生一些改變。

量子力學(xué)從來沒有從一個(gè)面去研究物體，只注重了一個(gè)點(diǎn)，而經(jīng)典物理只注意宏觀物理現(xiàn)象的規(guī)律性，也就是注意面了。

量子力學(xué)注重研究了物質(zhì)場(chǎng)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)：?jiǎn)蝹€(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)（點(diǎn)）。經(jīng)典物理學(xué)：牛頓力學(xué)，相對(duì)論只注重了物質(zhì)場(chǎng)與物質(zhì)場(chǎng)的外部運(yùn)動(dòng)（面）。

而布郎運(yùn)動(dòng)是把物質(zhì)場(chǎng)的內(nèi)部和外部運(yùn)動(dòng)結(jié)合一起的表現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，是點(diǎn)到面，再面到點(diǎn)全過程，所以對(duì)布郎運(yùn)動(dòng)的研究也是一個(gè)科學(xué)研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)史的一個(gè)縮影。

人對(duì)事物的認(rèn)識(shí)總是漸近的，按照絕對(duì)論的原則，弧立的事情是不存在的，所有的系統(tǒng)都是宇宙整體的一部分，所有的運(yùn)動(dòng)都是宇宙生命的一種體現(xiàn)。

現(xiàn)在用量子理論中的概念說明熱的本質(zhì)問題：熱量只是能量的一種表現(xiàn)形式。熱的來源一般是：化學(xué)反應(yīng)，物理作用（包括核反應(yīng)），能量轉(zhuǎn)化。等等的這一切源于：量子運(yùn)行方式的改變。量子運(yùn)行只會(huì)一個(gè)場(chǎng)，一個(gè)場(chǎng)的變化，也就是說量子運(yùn)動(dòng)只可123456 不會(huì)連續(xù)不斷 沒有0.1，0.2，0.3，0.4等等。量子的運(yùn)行方式改變只可這個(gè)場(chǎng)直接到那個(gè)場(chǎng)，要么吸收一定能量，要么釋放一定能量。水分子或者是固態(tài)，或是氣態(tài)，液態(tài)，沒有中間的狀態(tài)。能量有許多表現(xiàn)形式，而熱量是能量的一種表現(xiàn)形式，所以我們可以測(cè)定溫度等等現(xiàn)象。量子運(yùn)行方式改變了，物質(zhì)的特性也就改變了。燒火做飯，木柴變成灰燼，原子一個(gè)不少，電子一個(gè)不少，可是它們之間的運(yùn)行方式改變了，能量或釋放了或吸收了，物質(zhì)也就變化了。