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量子信息科学(QIS)可能颠覆包括人工智能领域在内的众多科学领域
量子信息科学(QIS)可能颠覆包括人工智能领域在内的众多科学领域
1/30/2018 8:25:16 AM | 浏览:814 | 评论:1

 

量子信息科学(QIS)可能颠覆包括人工智能领域在内的众多科学领域

   量子信息科学(QIS)基于独特的量子现象,如叠加、纠缠、压缩等,以经典理论无法实现的方式来获取和处理信息,技术应用包括量子传感与计量、量子通信、量子模拟及量子计算等方面,它将在传感与测量、通信、仿真、高性能计算等领域拥有广阔的应用前景,并有望在物理、化学、生物与材料科学等基础科学领域带来突破,未来可能颠覆包括人工智能领域在内的众多科学领域。

     量子与计量:用途多多

     QIS在传感与计量领域有多种用途。

     利用纠缠现象,可将不同的量子系统彼此相连,对一个系统的测量会影响另一个系统的结果——即使这些系统在物理上是分开的。两个量子系统处于略有不同的环境中,可通过彼此干涉提供有关环境的信息,从理论上讲,这种原子干涉仪提供的感知性能要比传统技术高出几个数量级。原子干涉仪除用于惯导外,还可改装为重力仪,以及用于地球系统监测、矿物质精确定位等。量子授时装置,如美国国家标准技术研究院(NIST)研制的量子逻辑钟,是目前世界上精度最高的授时装置之一。光子源及单光子探测技术可提高光敏探测器的校准精度,用于微量元素的探测。

     量子加密通信:安全性更高

     传统加密技术使用密钥:发送方使用一个密钥对信息进行编码,接收方使用另一个密钥对信息进行解码,但这样的密钥有可能被泄露,从而不可避免地遭到窃听。不过,信息可以通过量子密钥分布(QKD)进行加密。在QKD中,关于密钥的信息通过随机偏振的光子发送,这限制了光子,使其仅在一个平面中振动。如果此时窃听者测量信息,量子状态就会坍塌!只有拥有确切量子密钥的人,才能够解密信息。

     量子通信还可能应用于虚拟货币防伪和量子指纹鉴定等等。未来,量子网络将连接分布式量子传感器,用于全球的地震监测。而在5年—10年内,有望开发出可靠的光子源及相关技术,实现远距离量子信息传输,并推动量子处理器之间数据共享协议的相关理论研究。

     量子模拟:建模材料最可能

     量子模拟器使用易操控的量子系统,来研究其他难以直接研究的量子系统属性。对化学反应和材料进行建模是量子模拟最有可能的一个应用。研究者可以在计算机中研究数百万美元的候选材料,而无需再花费数年、投入数亿美元,却只能制造和定性少量材料。不管目标是更强的飞机用高分子材料、更有效的车用触媒转化器、更好的太阳能电池材料和医学品,还是更透气的纤维等,开发环节加快将会带来巨大价值。

     基于不同技术的量子模拟器原型已在实验室环境得到了验证。

     量子计算:未来研究显神通

     量子计算是通过叠加原理和量子纠缠等次原子粒子的特性来实现对数据的编码和操纵。在过去的几十年里,量子计算只存在于理论上,但近些年的研究已经开始出现有意义的结果,开发并验证了多种量子算法,研制出了量子计算机实验原型机,未来的5年—15年里,我们很有可能制造出一款有实用意义的量子计算机。

     量子计算机的出现将给气候模拟、药物研究、材料科学等其他科研领域带来巨大的进步。不过,最令人期待的还是量子密码学。一台量子计算机将可以破解目前所有的加密方式,而量子加密也将真正无懈可击。

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王晓明去王晓明家留言留言于2018-02-01 07:08:20(第1条)
孪生素数公式暗示量子分发是可行的。星地高速量子密钥分发就像孪生兄弟一样,是一对一对地分发。我们求得了素数q也就求得了q+2.。但是,如果没有介质是否算量子通信值得商榷。
一,孪生素数的公式
利用素数的判定法则,可以得到以下的结论:「若自然数 q与q+2都不能被任何不大于√(q+2)的素数 整除,则q与q+2都是素数」。(由于根号打不出来,我们用“√”表示根号)
這是因为一个自然数n是素数当且仅当它不能被任何小于等于√n的素數整除。用数学的语言表示以上的结论,就是:
存在一組自然数,B₁,B₂,...,Br使得:
q=P₁M₁+B₁=P₂M₂+B₂=...=PrMr+Br。.....(1)
其中P₂,P₂,...Pr 表示从小到大排列时的前r个素数:2,3,5,....。並且滿足
1≤i≤r; 0<Bi<Pi;B≠0,B≠Pi-2。.
这样解得的自然数q,如果滿足q<P2r+₁ -2, ,则q与q+2是一对孪生素数。
我們可以把(1)式的內容等价转換成为同余方程組表示:
q≡B₁(modP₁),q≡B₂(modP₂) ,.... ,q≡Br(modPr)。....(2)
由于(2)的模P₁,P₂,...,Pr,都是素數,因此两两互素,根据孙子定理(中國剩余定理)知,对于給定的,Bi,(2)式有唯一一个小于P₁P₂...Pr的正整数解。
二,范例
例如 r = 1 时,
q=2M₁+1,解得q=3和5。
由于5<32-2,所以可知3与3+2 ;5与5+2都是孪生素数。这样就求得了(3,32)区间里的全部孪生素数对。
又比如 r = 2 時,
列出方程2M₁+1=3M₂+2,解得q=5,11,17。
由于17<52-2,所以11与 11+2;17与17+2都是孪生素数。
由于这已经是所有可能的B₁,B₂,...,Br值,所以这样就求得了(5,52)区间的全部孪生素数对。
k = 3 時
q=2M₁+1=3M₂+2=5M₃+1=11 和 41,
=2M₁+1=3M₂+2=5M₃+2= 17,
q=2M₁+1=3M₂+2=5M₃+4= 29.。
由于这已经是所有可能的B₁,B₂,....,Br值,所以这样就求得了(7,72)区间的全部孪生素数对。
仿此下去可以一个不漏地求得任意大的数以內的全部孪生素数对。
对于所有可能的值,根据孙子定理得知,(1)和(2)式在...范围內,有
(P₁-1)(P₂-2)(P₃-2)...(Pr-2)。...(3)个解。
注意,由于P₁≠0,P₁≠2是一回事所以第一项(P₁-1)。
三,结论推广
孪生素数猜想就是在k值任意大時(1)和(2)式都有q<P2r+₁-2的解。问题已经转入初等数论范围。
参考文献:
孪生质数公式【中等数学】2000年第一期
 
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