量子退火理论及其应用综述

量子退火算法是在经典模拟退火算法基础上演进出来的一种新的量子优化算法.与经典模拟退火算法利用热波动来搜索问题的最优解不同,量子退火算法利用量子隧穿效应使得量子具有穿透比其自身能量高的势垒的能力,从而使算法摆脱局部极值,以更高概率逼近全局最优.目前,量子退火算法在组合优化类问题中已展现出良好的优化性能.本文系统地综述了D-Wave量子计算机核心原理——量子退火算法的基本概念及其应用领域,较为详细地分析了量子退火算法在密码学、旅行商问题、图着色问题、交通路径等领域的应用,并对未来量子退火算法的更多待深化与探索的方向进行展望.     

基于量子退火算法的配电网故障定位

由于分布式电源在配电网的高渗透给有源配电网的保护技术和策略带来了挑战,致使传统方法在故障诊断中稍显逊色。针对此现状本文提出基于量子隧穿效应的量子退火算法实现故障诊断,并通过对量子退火算法进行优化以改善其在复杂配电网故障诊断中有小概率陷入局部极小值的问题。首先拓展传统故障定位适应度函数为量子退火算法的评价函数;其次,提出混沌优化产生初始磁场强度和初始温度提高搜索效率,利用自适应公式计算扰动次数,并设计陷入局部最优时的扰动方法跳出当前最优可行解;接着构造具备升温特点的温度衰减函数,选择合适形式的磁场衰减函数;最后将改进的量子退火算法进行三种经典函数的测试,并分别应用于33节点单电源和33节点含分布式电源配电网两个故障场景中。模拟仿真表明,改进量子退火算法在故障定位问题中具备可行性,能够适应联络开关的开闭变化和多个含分布式电源的投切,表现出良好的定位准确率,容错性和全局寻优能力等。     

一种改进的量子退火算法

为了进一步提高量子退火算法在优化问题上的计算速度,对量子退火算法如何移动到新解这个问题的方法进行改进,将粒子透射系数引入到量子退火算法中,并通过透射系数来确定是否移动到新解.实验结果表明:通过透射系数确定新解的方法能在更短的计算时间内得到最优解.     

量子点体系中自旋过滤、自旋流产生和自旋注入

自旋电子学是一门新兴的交叉学科,其中心主题就是对固体电子系统中电子的自旋自由度进行有效地操作和控制.量子点体系中的自旋效应近期受到了理论和实验较多的关注.本文着重介绍了自旋轨道耦合效应对量子点体系输运性质的影响,探讨了怎样利用自旋轨道耦合效应来实现对自旋的有效过滤和纯自旋流产生.基于四铁磁端双量子点体系中电子的交换相互作用机制,指出了一种可以显著提高从铁磁金属到半导体量子点自旋注入效率的新方法.     

基于量子退火算法的无线传感器网络节点定位

经典模拟退火、遗传算法等是无线传感器网络节点非测距定位广泛使用的方法,但是它们都存在:①容易陷入局部最优,难以实现全局最优,定位精度不高;②计算较复杂,能耗较多等问题.提出了基于量子退火算法的无线传感器网络节点定位方法,利用量子隧穿效应,可以较快地穿透能量势垒由局部最优到达全局最优,简化了计算,提高了计算速度.通过仿真实验验证,该算法与传统的遗传算法和经典模拟退火算法相比,提高了精度,降低了能耗.     

基于退火加速的差分进化算法改进及应用

差分进化算法(DE)是一种简单有效的启发式全局搜索技术,为解决DE算法运行过程中存在的算法收敛早熟、收敛速度慢和求解精度不高等问题,提出了一种基于退火加速的差分进化算法.该方法在传统DE算法基础上,以退火概率来增强算法的局部开发能力,并利用Hooke-Jeeves算法加快收敛速度,在充分发挥Hooke-Jeeves算法局部探测能力的同时保持了DE算法的全局性能.仿真结果表明,该算法比基本DE算法收敛速度快、精度高,是一种有效的全局优化算法.     

基于格的公钥加密与证书基加密

证书基加密(CBE)结合了基于身份加密和公钥基础设施的各自优点,然而基于传统数学假设的CBE不能有效抵御量子算法的攻击.为此构建了一个基于格的CBE方案,可有效抵御量子算法的攻击.首先构建出一个基于格的公钥加密(PKE)方案,之后利用该PKE构建出基于格的CBE方案.该方案可被规约为格上的学习误差(LWE)问题,因此得到的CBE为随机不可区分选择明文攻击安全的.该方案是目前为止已知的第一个基于格的CBE方案.     

铁磁半导体/半导体/铁磁半导体异质结中光子辅助量子输运特性

基于有效质量近似和Floquet理论,考虑自旋-轨道耦合和外场驱动作用下,研究铁磁半导体/半导体/铁磁半导体异质结中的量子输运特性.结果表明自旋-轨道相互作用不仅使自旋发生翻转,而且束缚态能级发生劈裂,从而使电导率中出现两个Fano共振峰.势阱两边的磁化强度以及两边磁化强度之间的夹角对自旋翻转和共振位置具有调制作用.     

一种量子神经网络说话人识别方法

针对说话人语音特征空间边界存在模糊性的特点,构建了一种量子神经网络识别分类器,用于说话人识别,以改善存在交叉数据的语音特征参数的分类效果。提出了一种基于人工免疫算法的量子间隔训练方法,以改善传统量子神经网络训练算法的不足。以TIMIT语音库为测试语音,与传统BP网络和基于常规梯度下降量子间隔训练算法的量子神经网络做对比实验。实验证明,算法能有效提高说话人识别系统的识别率,同时与高斯混合模型相比,具有更好的抗噪声性能。     

基于格的公钥加密与证书基加密简

证书基加密(CBE)结合了基于身份加密和公钥基础设施的各自优点,然而基于传统数学假设的CBE不能有效抵御量子算法的攻击.为此构建了一个基于格的CBE方案,可有效抵御量子算法的攻击.首先构建出一个基于格的公钥加密(PKE)方案,之后利用该PKE构建出基于格的CBE方案.该方案可被规约为格上的学习误差(LWE)问题,因此得到的CBE为随机不可区分选择明文攻击安全的.该方案是目前为止已知的第一个基于格的CBE方案.     

具有稳定性Ising模型局部场系数h和耦合项系数J的量子退火分布式整数分解研究

分解大整数的困难程度是RSA公钥密码的安全基础,量子退火破译RSA密码与Shor算法有着本质性的不同,将整数分解问题转化为组合优化问题,利用D-Wave量子退火特有的量子隧穿效应跳出局部亚优解.本文提出一种新的分布式量子退火整数分解算法,将任意整数转变为D-Wave量子计算机可执行的稳定性Ising模型的框架.Ising模型局部场系数h、耦合项系数J的稳定性和取值范围是影响到整数分解成功率的重要因素,与普渡大学Jiang等人的算法相比,本文算法在降低使用的逻辑比特数的同时,参数h,J降低程度达到60%和40%以上,且Ising模型系数取值范围稳定;与洛克希德·马丁公司Warren的算法相比,在保证可以达到Ising模型稳定的情况下,本文算法参数h,J从10^6降低到10^2数量级.此外,Warren为了证明其提出的算法的正确性,遍历分解1000以内的整数,本文的算法遍历10000以内的整数,均成功分解.本文算法实验结果超过了目前Shor算法、普渡大学Jiang等人和洛克希德·马丁公司Warren公开文献最大分解规模.     

铁磁合金中的局部内应力问题

通过对 Smith和 Birchak[1,2 ] 理论 ( SB理论 )的剖析 ,归纳总结了该理论中关于局部内应力的量值大小特性、不连续特性和状态分布特性 .比较了各种晶体缺陷对铁磁合金磁畴壁不可逆移动的影响 .提出了溶质原子局部内应力源模型 ,该模型可以很好地解释铁磁合金的阻尼性能 (内耗 )随退火温度升高而增大的实验规律     

磁性薄膜自旋波共振的量子力学研究

本文完全采用量子力学方法研究了体均匀铁磁性薄膜的自旋波共振激发，特别讨论了自旋波间的相互作用对共振谱的影响，在表面自旋完全钉扎的条件下，得到了三种共振激发谱。其中两种的共振谱大至呈现方律关系，但另一种谱吸收能量后从双波态向单波态跃迁，其强度迅速速衰减到最大强度的一半后保持不变，而共振峰的位置大致按照模数的平方增加。     

非对称量子点中弱耦合极化子激发态的性质

采用线性组合算符和幺正变换方法,研究非对称量子点中弱耦合极化子的激发态性质．导出弱耦合极化子的第一内部激发态能量、激发能量和共振频率随量子点的横向和纵向有效受限长度的变化关系以及第一内部激发态能量与电子-声子耦合强度的变化关系．数值计算结果表明：第一内部激发态能量、激发能量和共振频率随量子点的横向和纵向有效受限长度的减小而迅速增大,表现出奇特的量子尺寸效应．     

横磁场中各向同性XY链的基态纠缠研究

分析了横磁场中各向同性XY自旋链的基态能量和纠缠问题。研究发现,三量子比特系统中存在一个相变点,此点上,基态能量和纠缠可发生量子相变,基态从W态进入非纠缠;而四量子比特系统存在两个相变点,基态的能量和纠缠均可在相变点处发生量子相变,使纠缠性质发生改变。随着磁场强度的增大,基态纠缠逐渐减小,直到完全消失。四比特系统纠缠的减小要比三比特系统纠缠减小的速度缓慢。     

Quantum annealing with manufactured spins

Many interesting but practically intractable problems can be reduced to that of finding the ground state of a system of interacting spins; however, finding such a ground state remains computationally difficult. It is believed that the ground state of some naturally occurring spin systems can be effectively attained through a process called quantum annealing. If it could be harnessed, quantum annealing might improve on known methods for solving certain types of problem. However, physical investigation of quantum annealing has been largely confined to microscopic spins in condensed-matter systems. Here we use quantum annealing to find the ground state of an artificial Ising spin system comprising an array of eight superconducting flux quantum bits with programmable spin-spin couplings. We observe a clear signature of quantum annealing, distinguishable from classical thermal annealing through the temperature dependence of the time at which the system dynamics freezes. Our implementation can be configured in situ to realize a wide variety of different spin networks, each of which can be monitored as it moves towards a low-energy configuration. This programmable artificial spin network bridges the gap between the theoretical study of ideal isolated spin networks and the experimental investigation of bulk magnetic samples. Moreover, with an increased number of spins, such a system may provide a practical physical means to implement a quantum algorithm, possibly allowing more-effective approaches to solving certain classes of hard combinatorial optimization problems.     

半导体高功率量子阱激光器退火后的电噪声

在环境温度和工作电流下, 对808 nm高功率量子阱激光器进行老化实验, 发现在老化过程中一些劣质器件电噪声谱密度呈下降趋势, 产生退火效应. 本文应用初始性缺陷（高温高能条件下所形成的缺陷）和非初始性缺陷理论, 探讨了器件发生退火及早期失效的原因.     

退火对非晶态碲镉汞薄膜稳定态光电导的影响

利用射频磁控溅射方法,在宝石衬底上制备了非晶态碲镉汞(a-HgCdTe)薄膜。对原生a-HgCdTe薄膜进行了不同退火时间和不同退火温度的热退火,在80～300K温度范围内,分别测量了原生和退火处理后的a-HgCdTe薄膜样品的稳定态光电导,研究了退火时间和退火温度对非晶态HgCdTe薄膜的稳定态光电导和激活能的影响。结果表明,原生和退火a-HgCdTe薄膜的稳定态光电导具有热激活特性;随着退火时间增加或退火温度升高,a-HgCdTe薄膜的晶化程度提高,导致光电导增大,光电导激活能降低。利用非晶-多晶转变机制讨论了实验结果。