量子计算的意义汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇量子计算的意义范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0295-01

人类的实践活动产生需求，并在具备了一定的技术条件后，就有新的计算机产生。虽然计算机技术取得了非常巨大的进步，但随着人类实践活动的不断拓展，对计算机技术也在不断提出新的需求。现在得到广泛应用的电子计算机提高性能的一个重要途径，就是不断提高集成电路芯片的集成度。但是，受到芯片散热，器件工艺技术及制造成本等因素的制约，芯片集成度的持续提高将会遇到很大的困难，进而影响到计算机速度新的突破。因此量子计算机的研究和探索成为了当今计算机技术发展的一个重要趋势。

基于量子理论的量子计算机，遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机源于对可逆计算机的研究。量子计算机应用的量子比特，可以同时处在多个状态，而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。Qubit，是通过囚禁原子技术，降低原子温度让原子保持量子形态。量子的最大特点是其包罗万象，可以根据用户所提取信息而定。这种设置从根本上提升了计算机的运行速度。量子计算机可同时处理0及1以上，只需3个Byte（字节）便可处理1600万项任务，理论上，现时最快的超级计算机需要花10亿年处理那极端复杂的排程运算，量子计算机只1分钟即可完成。

原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。对量子来说，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算。

一、关于量子计算机在信息传输安全的问题

量子计算机对信息传输的帮助。“就是绝对的安全。”用量子加密通信就能保证绝对的安全！在光缆传输信息的时候，由单个光子作为信息的载体，携带所需的信息。因此从光子角度看。

尝试窃听信息

窃听信息首先就意味着光子被截获，接收方将无法获得信息。按照目前的科技水平，光子的捕获是可行的，但并不能达到窃听信息的目的。

2012年诺贝尔物理学奖得主阿罗什已经发现一种超高Q值的腔体，能够将光子存储在镜子之间，时间超过0.1秒。这就意味着人们对信息的截获，而且并不影响接收端的接受，因为网络信息的传输本身就存在延迟的问题，而且0.1秒人们的感官一般是感觉不到这种细微的差别的。同时这个代价是巨大的，只有著名的学术机构才可能拥有这套设备，并且在上万次的实验中才有可能成功一次。而且将光量子储存在腔体之后，就可以无破坏地对相同的场进行重复测量，将场投影到具有确定光子数数目的状态上（即Fock态），同时可以观察腔体获得或丢失单个光子时引发的光量子跃迁。因此这种信息的捕获和解读并不会影响下文中所提到的光子状态的改变.但是这里又会出现另一个问题，一个光子所携带的信息是有限的，若想同时捕获两个光子的概率为10^（-34），而且捕获一个光子所需的时间为10^（-11）秒。因此，若想捕获由量子计算机传输的全部信息，对于现在的人类来说是完全不可能的，正如潘建伟院士所说，这就是完全的加密。

二、尝试克隆信息

尝试克隆信息则意味着单个光子的状态改变，接收方一样会发现问题。根据海森堡不确定性原理，量子的不可分割和量子的不可克隆，决定了在绝大多数情况下窃听必然被发现（除了上文中提到的特殊情况）。在此基础上，量子密钥分发“一次一密，完全随机”，就保证了加密内容不可破译，也就是理论上的绝对安全。但是还有另一种极为特殊的情况，“除非改变熵增不可减这一宇宙法则被改变，这种逆过程在目前人类所处的三维空间世界里还无法想象，毕竟，多维平行世界目前还无法体验。就如牛顿经典力学适用于低速宏观世界，在高速微观世界就得用爱因斯坦相对论和量子理论一样。至少在目前人类已经感知的世界中，绝对的安全就出现了。

关于量子隐形传态和量子计算。

利用量子纠缠技术，借助卫星网络、光纤网络等信道，传输量子态携带的量子信息。量子态就可以在一个地方消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间出现。这就可以极大的加快现在的信息传输速度。根据海森堡的不确定性关系，量子本身是可以同时存在于两个地方的。一般情况来说量子波是可以瞬间展开充满宇宙的。

数据是不会丢失的。如果用光子作为信息的载体，就很有可能面临信息的丢失。但是这一点目前可以结合伦纳德・欧拉的最小作用量原理，粒子的运行轨迹是使得此路线上的任何两点之间的作用总是尽可能小。同时加上海森堡的不确定性原理，ΔPΔX～h当量子想要跃迁到更远的地方时，由于量子干涉的规模也会变大，所以量子本身只会运动很小的距离（这是在极大概率下发生的） 。例如，在一个0.0009m2的空间中，让1微克的物体完全移动出去大概需要10^21秒。这个数值是宇宙年龄的1000倍，因此数据的丢失是几乎不会发生的，光子可以几乎按照人们预先设计好的路线，完成信息的传输，因此量子计算机的实现，对信息的传输是绝对安全的。

关于量子通信的实际应用

在量子通信的实际应用中，我们则需要保证终端的安全，身份的安全，传输途径的安全，以及相关软件和云应用环境的安全，因此理论上的绝对安全在实际应用中会受到这样那样的条件限制。

2015年12月11日，谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展：在两次测试中D-Wave2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。

这项突破性的成果打破了业内对于量子计算机真伪的存疑。这次，谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。

由于量子形态的不稳定，量子计算机只是在理论层面可行，加上能够用运用量子计算的算法有限相对编程也较传统计算机难度更大，因此并不具备可行性。这次的2X系统，采用了1152Qubit的架构，对比之前的系统，研发团队重点从提升量子的运行速度转移到保持量子稳定性以提升性能上。

即便克服了量子稳定性的问题，量子计算机在实际落地推广方面会遇到一些实质问题，如何在实验上实现对微观量子态的操纵。已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。也许我们需要一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。但摩尔定律的失效，对半导体行业和量子计算机的发展无疑又产生了一个更大的障碍。研究量子计算机的目的绝不是要用它来取代现有的计算机，而是为了在某些方面满足人类对实践活动的需要。随着科技的发展，量子计算机将变成可能。

篇（2）

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）15-3596-03

在多机器人系统中，单个机器人个体的资源、能力与智能都是有限的，往往不能独自完成特定的任务。为了完成任务，机器人之间就必须相互协作，通过结成联盟来提高求解问题的能力[1]。因此联盟是多机器人系统的重要合作方式，而机器人联盟生成问题（Multi-Robot Coalition Formation）则成为多机器人系统研究中一个关键的基础性问题，主要研究如何在多机器人系统中动态生成面向任务的最优机器人联盟。从1993年提出联盟方法以来，国内外学者对面向任务的联盟生成进行了大量的研究工作，其中智能进化算法由于具有全局寻优能力强、收敛速度快等优点，在近年来更是被广泛地应用到机器人联盟问题的求解中，如蒋建国、夏娜、李杰等[2-4]基于粒子群和蚁群算法、许波等人[5-6]基于量子粒子群算法，这些方法在可接受时间内获得的解的质量有所提高，仿真实验也验证了智能算法的高效性。

1 机器人联盟问题描述

机器人联盟C是一组相互合作、能共同完成某一任务的一个或多个机器人集合。若系统中有n个机器人集合[R={R1，R2，…，Rn}]，则一个联盟C就是R的一个非空子集。在多机器人系统中，每个机器人[Ri]都具有一个能力向量[Bi=b1i，b2i，…，bri]， [bji≥0，（1≤i≤n，1≤j≤n）]，用于定量描述[Ri]执行某种特定动作的能力大小，若[bji]=0，则表示[Ri]不具备能力[bji]。任务t具有一定的能力需求[Bt=b1t，b2t，…，brt]。联盟C具有一个能力向量[BC=b1C，b2C，…，brC]，BC是联盟中所有机器人能力向量的总和，即[BC=Ri∈CBi]，联盟C能完成任务t的必要条件是：[BC≥Bt]。

任何一个联盟C都有联盟代价CostC、联盟收益ProfitC和联盟值ValueC，若联盟C不能完成任务，则联盟值ValueC为0，否则，ValueC为一正数，并且随着ProfitC值的递增而递增，随着CostC的递增而递减。因此在本文中我们将联盟值定义为：ValueC=ProfitC /CostC（当联盟C不能完成任务时，ProfitC=0）。机器人联盟问题就是要求出能完成任务的并拥有最大ValueC值的最优联盟。

2 量子蚁群算法（QACA）

2.1编码方式

2.2 量子信息素

量子蚂蚁[QAtk]的量子信息素值[Qτtk]的具体表示如下：

[Qτtk=βt112βt122…βt1n2βt212βt222…βt212??βtij2?βtn12βtn12…βtnn2] （2）

通过上面公式可以发现，量子信息素量直接通过相应的量子蚂蚁就可获得，采用这种量子信息素表示方式使得信息素的更新操作变得非常简单，不需要任何参数，对于各路径上信息素的挥发和增强完全可以通过对量子蚂蚁的更新来完成，例如：若蚂蚁在机器人 i 上选择了机器人 j 作为盟友，并成为较优的联盟组合，则机器人 i 到机器人 j 就是用来更新量子蚂蚁的较优路径中的一条边，通过更新量子蚂蚁，会使得其概率幅[βtij]的值增加，从而[βtij2]也增加，即使得机器人 i 到 机器人 j 路径上的信息素得以增强；反之，该路径上的信息素会有所挥发。

2.3 多种群并行搜索及量子交叉

为了避免算法陷入局部最优，我们采用多种群并行搜索策略，得到解空间中不同区域的最优值。在进化初期，以各种群最优值为进化目标引导搜索方向。每进化一定代数后，比较各种群的最优值，保留全局最优个体，并以该最优个体取代各种群中最差个体。若某种群连续若干代仍没有找到更优个体时，则利用量子信息的纠缠和干涉特性执行一种量子交叉策略，以促进种群内部的信息交流，增强种群多样性。量子交叉的具体做法如下：

2.4 算法流程

求解机器人联盟问题的量子蚁群算法（QACA）具体操作步骤如下：

1） 初始化N组量子蚁群；

2） 分别计算各组种群的量子信息素[Qτ（t）=Qτtk，k=1，2，…m]；

3） 构建路径，计算适应度；

4） 判断是否满足终止条件，若满足，则算法终止，否则执行下一步；

5） 采用量子旋转门[7]更新量子蚁群[QA（t）]；

6） 进化每间隔D代，记录所有种群中全局最优个体，并以全局最优个体取代各种群中最差个体。若某种群连续D代没有找到更优个体，则执行量子交叉操作；

7） t=t+1，算法转到（2）继续执行，直到算法结束。

3 仿真实验

为了验证算法的有效性，将QACA与文献[3]中基本蚁群算法（BACA）和文献[8]中的量子遗传算法（QGA）进行比较。实验中机器人个数、能力向量及任务等相关参数选用文献[5]中给定的实验数据，其它参数设定为：种群规模100，进化代数1000，[α]=1，[β]=2，D=10。针对给定的联盟问题，分别采用QGA、BACA和QACA三种算法进行50次独立实验，并记录下50次实验中各算法找到的最优联盟值、最差联盟值、平均联盟值，及最快搜索到最优解的迭代次数和50次实验平均搜索到最优解的迭代次数。通过考察这几个参数指标，可以实现对算法全局寻优性能及收敛性能的比较，其对比实验结果见表1。

从表1的统计结果可以看出， QACA算法无论在最好情况、最差情况还是平均情况下都要明显优于QGA和BACA算法。这表明在相同的迭代条件下QACA算法能够搜索到较高质量的解，具有较好的全局寻优能力。而通过搜索到最优解的迭代次数，可以表明QACA算法的收敛速度较快，且收敛稳定性较高。

4 结束语

将蚁群算法与量子进化算法思想相结合，提出了一种求解机器人联盟问题的量子蚁群算法（QACA）。算法中根据量子编码的多样性特性，设计了一种新的信息素表示及更新方式；为了避免搜索陷入局部最优，设计了一种多种群并行搜索和量子交叉策略。最后将QACA与BACA和QGA进行仿真实验比较，测试结果也表明了算法具有一定的优势。在QACA基础上的多任务联盟问题求解将是我们下一步研究工作的重点。

参考文献：

[1] Lovekech V， Julie A. Multi-robot coalition formation[J]. IEEE Transactions on Robotics， 2006， 22（4）： 637–649.

[2] 蒋建国，张国富，齐美彬，等.基于离散粒子群求解复杂联盟的并行生成[J].电子与信息学报， 2009， 31（30）： 519-522.

[3] 夏娜，蒋建国，魏星，等.改进型蚁群算法求解单任务agent联盟[J].计算机研究与发展，2005，42（5） ：734-739.

[4] 李杰，王爱民，于金刚，等.一种非线性动态自适应的Agent联盟生产算法[J].小型微型计算机系统， 2012， 33（8）： 1792-1794.

[5] 许波，余建平.基于QPSO 的单任务Agent 联盟形成[J].计算机工程， 2010， 36（19）： 168-170.

篇（3）

文章编号：1008-0546（2017）05-0035-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.011

“同课异构”就是选用同一知识内容，根据教学实际进行的不同教学设计。它作为一种新的教学研究方式，在近几年的中小学教科研中经常出现，对提升教师业务水平和学校科研能力有重要推动作用。

“有关相对分子质量的计算”是人教版初三化学计算中的重要基础知识点之一，是在学生对化学物质有过宏观和微观认识的基础上，通过理解尝试建立对物质的定量认识。教学的基本要求是“了解相对分子质量的含义，并能利用相对原子质量和相对分子质量计算物质的组成”[1]。通常“有关相对分子质量的计算”教学的重点是在对物质的组成和构成理解之后，掌握有关相对分子质量计算的方法。通过同课异构教学过程中的共性与差异，可以加深教师对教学知识的理解，多角度看待教学，整合多方面资源，创造出更合适学生发展的教学方案。笔者选取本学校所在区的一次优质课赛课中三位有代表性的教学过程简要罗列，教学方法不同，但都实现了教学目标，拓宽了教师的教学思路，期待能为一线教师提供借鉴。

一、案例呈现

案例1：生活物质贯穿

（1）探索物质构成

始于生活，展示过氧化氢溶液引导学生思考其组成成分，提问H2O和H2O2的微观构成，并请同学猜测一个水分子和一个过氧化氢分子，哪个质量大？以H2O和H2O2为例计算相对分子质量，进而介绍相对分子质量的概念。学生实战计算NH4NO3、CO（NH2）2的相对分子质量，公布答案。

（2）探索物质组成

继续以消毒剂为例，提问H2O和H2O2的组成有什么共同点？其中氢元素、氧元素的质量比关系如何？以H2O和H2O2中mH：mO为例进行计算，讲解计算方法。学生实战计算NH4NO3、CO （NH2）2中各元素的质量比。将学生错题投影，集体订正，说明计算中的易错点。

（3）引出质量分数

以消毒剂为例，展示H2O和H2O2中氢氧元素质量比，提问：现行资料中常会介绍H2O2是含氧量最高的氧化物，这里的含氧量大家猜想指的是什么？提出这种说法的依据是什么？以H2O和H2O2为例计算其中氧元素的质量分数，解决之前的问题。学生实战NH4NO3、CO（NH2）2中氮元素质量分数，找学生错题投影，指出易错点。

（4）知识拓展

投影消毒剂标签，请同学回答溶液中H2O2的含量，并尝试计算该瓶消毒剂中H2O2的质量。以“计算3.5g过氧化氢中氢元素的质量，计算96.5g水中氢元素的质量”为例说明元素质量=物质的质量×该元素的质量分数。学生实战计算160g NH4NO3中含氮多少克？计算120g CO（NH2）2中含氮多少克？集体纠错。

（5）解决实际问题

回归生活，以“圣牧有机纯牛奶”中主要成分及含钙量等展开一系列计算。

案例2：水果类比贯穿

课前将学生分为三组

（1）构成类比，计算相对分子质量

以一个盛有“1个火龙果+2个橙子”的果盘与一个水分子（“1个氧原子+2个氢原子”）从“构成、质量”角度类比，引出相对分子质量的概念和计算方法。练习计算H2O、H2SO4、Ca（OH）2的相对分子质量，请不同小组同学黑板演算，纠错。

（2）组成类比，计算质量比

以果盘中m橙子：m火龙果和水分子中mH：mO进行类比，引出物质中各元素的质量比计算方法。练习C6H12O6、CO（NH2）2、NH4NO3中各元素的质量比，各组出代表黑板演算，集体纠错。

（3）占比类比，计算质量分数

以果盘中橙子的质量占水果总质量的比和水分子中氢元素的质量分数类比，引出物质中某元素的质量分数计算方法。练习Fe2O3中铁元素的质量分数，NH4NO3中氮元素的质量分数，小组派代表演算并集体纠错。

（4）知识顺延

提问“100g NH4NO3中氮元素的质量为多少”引出元素质量=物质的质量×该元素的质量分数。练习18g水中氢元素的质量为多少？共同纠错。

（5）解决实际问题

课堂练习，酒精、某钙片等展开一系列计算。

案例3：设定未知量贯穿

（1）原子个数的计算

知识回顾，“H2O”化学式表示的意义引出物质AxBy中A、B原子个数比可以表示为x：y。举例：H2O中氢氧原子的个数比，检测石英、云母中各原子的个数比是多少？请同学们思考回答。此计算是教师在教材基础上新增的，为后续计算做铺垫。

（2）相Ψ肿又柿康募扑

给出相对分子质量的概念，以O2和H2O的相对分子质量为例计算，练习SiO2、Al2O3的相对分子质量，投影学生答案，纠错。

（3）元素质量比的计算

给出AxBy中mA：mB的计算方法。以CO2中mC：mO为例计算，练习SiO2、Al2O3中各元素的质量比，投影学生答案，纠错。

（4）元素质量分数的计算

给出某元素质量分数的计算方法并说明其意义，以H2O中氢元素的质量分数为例计算，练习NH4NO3中氮元素的质量分数。

（5）解决实际问题 小结并以“钙尔奇”为例进行系列计算。

二、案例共性分析

以上三个教学案例均实现了教学目标，其中教学设计的共性有以下几点：①三种方案在教学组织的逻辑结构上是一致的，知识点走向都是相对分子质量的计算组成元素的质量比的计算元素的质量分数计算元素质量的求法等。教师要勤用教材、善用教材、深刻研究教材、创新教材内容[3]，按照教材中此知识点的介绍方式，知识点螺旋式上升，符合学生的思维逻辑。且符合学生的最近发展区，利于知识的顺应和同化。②三种方案都强化了学生的动手计算能力，在体验中发现问题、总结规律，有利于学生计算能力的提升。③仅就练习习题而言，三种方案均尝试将计算以生活中的例子为载体。方案中涉及的计算拉近了化学与生活的距离，同时体现了化学在解决生活实际问题中的巨大作用。④方案中教师均重视学生的反馈，均尝试多角度多方式了解学生的学习效果，并及时对课上学生未完全掌握的知识予以补救。

三、案例比较，启发教学

上述教学案例在具体操作上各有侧重，各有优势，但也存在不足。下面从以下几点分析方案的不同点：

1. 知识推进

方案1：以过氧化氢溶液为贯穿线，单个知识点的推进如下：理解物质的微观构成或宏观组成举例如何计算给出知识点概念练习纠错。贯穿线贴近生活，吸引学生注意力，同时对过氧化氢溶液的研究问题深入透彻，为学生的新知识建构做足了铺垫。不同知识点之间转换过程逻辑性强，有利于提高学生对计算知识的整体认知。但是，知识推进速度稍快，学生在最后的知识检测中总体表现出来的效果不好。

方案2：以水果盘和水分子为类比，单个知识点的推进如下：类比概念练习纠错；通过类比可以方便学生对知识点的理解，但学生对物质的组成和构成仅通过类比的方法理解过于表面化，让本次计算缺少了理论支撑。

方案3：回顾化学式意义后，单个知识点的推进如下：概念练习纠错，教学从原子个数比入手，降低了学生的入门台阶。但是教学设计中以单纯计算为主，强调规律的总结，对生活的依附性不高，计算设计略显苍白。

智慧的课堂不是把书本知识简单地搬到学生的头脑中，而是需要用教师的智慧点燃学生的智慧。[2]比较而言，方案1的知识推进更重视学生的理解，例子先行引出概念，在学生对知识有过理论支撑理解后，用实例促进学生对知识的感性认识，加快学生对知识的认识。

2. 方法引导

课堂教学应以内容为主导，选择方法。[4]本次同课异构中课题内容相同，方案1强调学生在计算之前对深层次知识的理解；方案2以水果为类比，吸引学生兴趣，有利于学生对计算方法的掌握，但这种方法没有落到物质的组成、构成的基本点上；方案3侧重本节课知识，注重学生对新知识的掌握以及规律和方法的掌握，但忽视了与生活的联系。

3. 练习及效果反馈

方案1中教师主要通过问答及学案投影的方式掌握学生学习效果，方案2中教师组织学生分小组，请组内代表黑板演算，方案3中教师主要通过学案投影方式了解学生学习效果。相较而言，投影学案方便快捷，获得信息精准，而分小组演算所需时间较长，并不能完全体现合作学习的优势。

综上可见，同课是方法构建的基础，异构是方法构建的差异性体现。课同是教材及教学目标的基本要求而构异是教师个体教学风格的独特体现。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[M].北京：北京范大学出版社，2012

篇（4）

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2010)20-5584-02

An Algorithm of Digital Watermarking Based on ICA

ZHAO Wei, CHEN Wei-jie, CHEN Ren-an

(Chengyi College of Jimei University, Xiamen 361021, China)

Abstract: An algorithm of digital watermarking based on Independent Component Analysis (ICA) is proposed to improve the robustness of digital watermarking. Firstly, At first the original image is decomposed by DWT, then the approximation image is embedded with pre-processed watermark. The watermark is abstracted resorting to Fast Independent Component Analysis (FastICA). The results of emulation under Matlab have demonstrated that the proposed approach is robust against common signal processing such as JPEG compression, noise, cropping and so on.

Key words: digital watermarking; ICA; DWT

1 概述

随着计算机和Internet的普及数字产品的复制和传播变得越来越方便。这就使得数字产品的信息安全问题日益突出。如何有效地防止数据的非法复制和鉴别数字媒体的知识产权，成为亟待解决的问题。数字水印技术应运而生成为研究的热点，是版权保护的有效方法[1-2]。水印的鲁棒性是衡量水印算法性能的一个重要指标，水印在经受大量有意或无意的攻击和失真之后，应该仍然能够提取出水印或者能够证明水印的存在。

数字水印技术按水印嵌入的位置分为空间域算法和变换域算法。空间域算法是将水印直接嵌入到原始图像的空间域上，该算法运算速度快，但鲁棒性较差。变换域算法是将水印嵌入到原始图图像的变换域（DCT域、DFT域、DWT域、ICA域等）上，该算法具有较强的鲁棒性。小波变换因其很好地匹配人类视觉系统特性及与JPEG2000标准相兼容，因此在数字水印上有着广泛的应用。

独立分量分析（ICA）[3]是一种基于高阶统计量的信号分析方法，它可以找到隐含在数据中的独立分量,已广泛应用于信号处理领域，在图像处理方面的应用有：图像特征提取、图像去噪、人脸识别和检测、图像分离、图像水印和遥感图像处理等，并且取得了令人满意的结果[4]。

2 独立分量分析

独立分量分析以非高斯源信号为研究对象，在对它们作统计独立假设条件下，将观测到的多路混合信号变换到相互独立的方向上，使经过变换所得到的各个分量之间不仅正交，而且相互独立。

ICA的数学模型为：假设n个相互独立的源信号s=[s1,s2,…sn]T经过线性系统A混合后得到m个观测信号x=[x1,x2,…xm]T，即：x=As。ICA的3个基本假设如下：1、m≥n，通常令m=n即混合矩阵A为满秩矩阵；2、源信号s的各个分量之间相互统计独立；3、源信号s的各分量最多只允许有一个是高斯分布的。

ICA是在s和A未知并在以上三个假设的条件下，仅通过观测信号x将源信号s估计出来的一种算法。因此ICA的问题可视为求解一个解混矩阵w,使得y=wx=wAs=Gs=的各分量尽可能相互独立，并把y作为源信号s的估计。

常用的ICA算法有：非线性去相关算法、最大似然算法、Jutten-Herault算法以及FastICA[5]算法。FastICA算法因其具有较快的收敛速度，而成为目前ICA使用的主流算法。

3 算法分析

本文提出了一种基于独立分量分析(ICA)的数字水印算法,即将预处理过的水印嵌入到图像的小波低频子图得到含水印的图像，采用FastICA算法提取水印，并对提取出的水印进行适当的增强处理。仿真实验表明，该算法具有较强的鲁棒性。

3.1 水印预处理

为了对提高水印的鲁棒性和隐蔽性，在水印嵌入前先对水印进行过采样和置乱等预处理。过采样即将原始水印按自身进行复制扩展。为了提高水印的安全性及隐蔽性，采用Arnold置乱算法将水印置乱成难以辨认的图像，并将置乱频率f作为密钥k1用于还原水印图像。

3.2 水印嵌入算法

原始图像经过小波变换后，主要能量集中在低频子图，细节部分集中在高频子图。为了提高水印的鲁棒性，嵌入算法（如图1所示）将水印图像嵌入到二级小波分解的低频子图，具体流程如下：1）将水印图像w进行过采样和Arnold置乱处理，得到处理过的水印图像w2；2）将原始图像S进行二级小波分解，并把低频子图LL2作为密钥k2保存起来，用于提取水印；3）将w2嵌入到LL2，即LL2'=LL2+α×w2，其中α为嵌入强度；4）进行逆小波变换即可得到含水印信息的图像S1；

图1 水印嵌入算法 图2 水印提取算法

3.3 水印提取算法

水印提取算法（如图2所示）采用独立分量分析技术从受攻击图S2中提取出水印信息，并通过还原和增强处理，获得效果良好的水印图像。提取算法的具体流程如下：

1）将受攻击的图像进行二级小波分解，得到低频子图LL2”；2）将LL2”与密钥k2视为两个观测信号，利用FastICA算法进行分离变量，得到水印图像w3；3）利用密钥k1对w3进行置乱还原，得到w4；4）将w4中各位置上的水印进行加权平均，各位置上水印的权重相同，得到w5；5）对w5进行平滑和二值化等增强处理，即可得到效果良好的水印图像w’。

4 算法仿真

本文采用256×256大小的Lena图像作为原始图像S(如图3所示)，采用36×36大小的二值图像(汉字“水”)作为水印，在Matlab下进行仿真实验。水印嵌入强度α=0.1，含水印的图像S1与S的峰值信噪比(PSNR)为42.9548。由图3可见，人眼不易察觉S与S1间存在差异，说明这种嵌入算法具有较高的隐蔽性。水印及其预处理图像如图4所示，经过扩展及预处理后水印信息人眼根本无法辨别，因而使得水印具有较高的安全性。

对含水印的图像S1进行常用的攻击实验(中值滤波、高斯滤波、盐攻击、裁减攻击)，得到受攻击图S2(如图5所示)。表1列出了受攻击图S2与原始图像S的PSNR值。提取出的水印图像如图6所示。

图5 常见攻击获得的图像 图6 从常见攻击中提取的水印图像

表1 本算法对常见方式攻击的鲁棒性检测

采用JPEG压缩方式对含水印图像S1进行攻击，源图像与攻击后的图像的PSNR值如表2所示，提取出的水印图像如图7所示，其中Q为品质因子。

表2 本算法对JPEG压缩的鲁棒性检测

5 结束语

本文提出的一种基于独立分量分析的数字水印算法，具有如下特点：1）由于采用独立分量分析，水印提取过程中不需要原始水印参与；2）水印嵌入在二级小波变换的低频子图，具有较强的鲁棒性；3）水印预处理阶段采用过采样和置乱处理，提高了水印的抗攻击性和安全性；4）水印提取后的增强处理，使得提取出的水印效果良好。仿真实验表明，该算法对JPEG攻击及常见的攻击方式具有较强的鲁棒性。

参考文献：

[1] 高玉娜,杨忠根.基于DCT域的数字水印算法[J].电脑知识与技术,2009,5(4):868-870,876.

[2] 汤震浩,雍士华,马小虎.基于DWT和SVD的数字水印算法[J].电脑知识与技术,2009,5(25):7208-7210.

篇（5）

[中图分类号]R113[文献标识码]B [文章编号]1674-4721（2009）05（a）-117-02

Effect of molecular weight of poly(Lactic-co-Glycolide) on properties of exenatide-loaded microspheres

SHI Lin1, LIU Bin1, 2, WANG Mengshu1, WANG Chunyu3, KONG Wei1, CHEN Yan1*

(1.College of Life Science, Jilin University, Changchun 130012, China；2.State Key Laboratory of Supramolecular Structure & Materials, Jilin University, Changchun 130012, China；3.Changchun Institute of Biological Products, Changchun 130062, China）

[Abstract] Objective：To prepare exenatide-loaded poly (lactic-co-glycolide acid) (PLGA) microsphere, to evaluate the effect of molecular weight of PLGA on properties of these microspheres. Methods: The exenatide-loaded PLGA microspheres were prepared by double emulsion method with PLGA of different molecular weight. Parameters including particle size, drug loading, encapsulation , and releasing in vitro were determined. Results: The molecular weight of PLGA showed a significant effect on the property of exenatide-loaded PLGA microspheres. Conclusion: The expected characteristics of the microspheres can be realized by adjusting the molecular weight of PLGA.

[Key words] Exenatide; Microspheres; Poly(lactic-co-glycolide)acid; Molecular weight

Exendin-4是胰高血糖素样肽-1（GLP-1）类似物，具有刺激胰岛素分泌、抑制胰高血糖素分泌、抑制胰岛B细胞凋亡、减缓胃排空等生理活性[1-2]。艾塞那肽(exenatide)为人工合成的exendin-4，是由39个氨基酸组成的多肽类药物，用于2 型糖尿病的治疗，临床效果显著，但与其他蛋白多肽类药物一样，存在频繁注射不便的问题（每天两次的皮下注射给药）[3-4]。本实验室以乳酸/羟基乙酸共聚物[poly (lactic-co-glycolic acid)，PLGA]为载体材料制备缓释拟达1个月的exenatide微球，考察了PLGA分子量对微球性质的影响。

1 仪器与试药

MICCRA D-8高速匀浆器（德国ART公司）；XL30 ESEM FEG扫描电镜（美国FEI公司）；MS2000粒径测定仪（英国Malvern公司）；冷冻干燥机（德国Christ公司）。

艾塞那肽（吉林大学生命科学学院肽合成研究室提供，纯度>98%）；PLGA（乳酸/羟基乙酸比为50/50, MW分别为10 000、20 000、30 000，山东岱罡生物科技有限公司）； Micro-BCA蛋白检测试剂盒（美国Pierce公司）；其他试剂均为分析纯。

2 方法与结果

2.1 微球的制备

采用复乳溶剂挥发法制备艾塞那肽PLGA微球[5]。以醋酸钠溶液溶解艾塞那肽作为内水相，与PLGA的二氯甲烷溶液混合，高速匀浆器搅拌制得初乳，在匀浆器高速搅拌下快速滴加到1％PVA水溶液中，得到复乳，继续搅拌4 h，离心收集微球，蒸馏水洗涤3次，冷冻干燥，即得。

2.2 微球的形态观察

取微球粉末少许，XL30 ESEM FEG扫描电镜下观察微球的表面形态。扫描电镜照片（图1）显示所制备的微球形态圆整，表面光滑，大小均匀。

2.2 微球的粒径测定

将微球在水中均匀分散，MS2000测定微球粒径大小，结果见表1。可见，随着PLGA分子量的增大，所制备微球的粒径也随之增大。

2.3微球载药量及包封率的测定

精密称取适量微球，用0.1 mol/L NaOH（含5％SDS）溶液混悬，在100 rpm、37℃水浴摇床中震荡24 h，8 000 rpm离心10 min，micro-BCA试剂盒测定上清液中的艾塞那肽含量[6]。按如下公式计算：载药量%=（微球中所含药物重量/微球的总重量）×100%，包封率%=（微球的实际载药量/微球的理论载药量）×100%，结果见表1。可见，随着PLGA分子量的增大，微球的载药量及包封率随之提高。

2.4微球体的外释放试验

精密称取适量艾塞那肽微球于离心管中，加 10 mmol/L

pH 7.4磷酸盐缓冲液混悬(含0.01%叠氮钠和2 mmol/L SDS)，37℃、100 rpm水浴震荡,于指定时间取出，4 000 rpm离心10 min，吸出全部上清液, micro-BCA试剂盒测定上清液中艾塞那肽的含量，计算累积释放量，结果见图2。可见，PLGA分子量对exenatide的释放速率有明显的影响，分子量越低，药物释放越快。PLGA分子量为10 000的微球，突释严重（60%）。而PLGA分子量为20 000及30 000的微球，突释相对较小，可缓慢释放药物达30 d。

3 讨论

PLGA是一种可生物降解的合成高分子材料，被广泛应用于微球的制备[7]。已知，PLGA的分子量和乳酸/羟基乙酸的比例对于微球的性质影响较大[8]。本研究选用分子量分别为1 000、2 000和3 000的PLGA，采用复乳法成功地制备了可以缓释30 d的艾塞那肽PLGA微球，国内未见报道。研究表明，在上述分子量范围内，PLGA分子量越大，微球的粒径越大、包封率越高、exenatide的释放越慢，可通过对PLGA分子量的调节对微球的性质进行有目的的调控，为艾塞那肽PLGA微球的处方优化提供了依据。

[参考文献]

[1]谭兴容.Exendin-4与糖尿病治疗[J].重庆医学, 2006, 35(10):904.

[2]Yu BS, Wang AR.Glucagon-like peptide 1 based therapy for type 2 diabetes[J].World J Pediatr,2008, 4(1):8-13.

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[6]Van der Walle CF, Sharma G, Ravi Kumar M. Current approaches to stabilising and analysing proteins during microencapsulation in PLGA[J]. Expert Opin Drug Deliv,2009, 6(2):177-86.

篇（6）

Abstract: The development of the computer technology, and infiltrated all walks of life and computer graphic design technology promotion, the computer graphics technology is applied to the calculation of engineering quantity possible, automatic calculation software application and development is the inevitable trend of the building engineering budget.

Key words : the project pre-settlement; automatic calculation software

中图分类号：F811.3文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）

建筑工程预结算是建筑行业中非常重要的一项工作，而工程量计算又是这项工作中至关重要的一部分。如何提高工程量计算的效率、减少其工作量，做到准确无误，一直是工程预算行业急待解决的一个课题。

计算机技术的日益发展，并渗入到各行各业中以及计算机平面设计技术的推广，使得计算机绘图技术应用到工程量计算中成为可能，工程量自动计算软件的应用和发展是建筑工程预结算的必然趋势。

2003年7月我在公司预算处开始从事工程预算工作，刚参加工作时，工程预算对我来说非常陌生，书本理论与实际应用之间差距太大。经过很长一段努力，我的预算技能虽然有所提高，但对于计算规则和定额的深入理解以及计算速度的有效提高等方面仍有相当的不足。

2007年，在参与我公司内蒙古商厦的审计结算工作中，我接触到了鲁班算量软件，同时，在学习和应用当中感受到它给我的工作带来了很大的方便。

（一）在工作方式上，鲁班软件采用的是AutoCad界面和绘图方式，这正是我在校期间的学习内容，所以感觉上手很快，达到熟练程度也比较容易。

当然对于很多初学者来说，软件入门的确有一定的困难，但这只是暂时的，只要我们把握正确的方法，通过正确的渠道，再加上自己的努力就一定能掌握它。

（二）对于工程量计算规则，其中大部分已经在鲁班软件中设置完毕，我们只要稍做修改就可以正确应用。

显而易见，工程量计算软件为预算初学者提供了学习的捷径。因为老预算员精通定额，熟练掌握计算规则，但计算机水平都不是很高，而对于初学者来说计算机操作是我们的优势，计算规则已经由软件定义，我们就可以先入门学习软件再逐渐熟悉定额和计算规则。通过这种方式我感到预算水平提高很快。

（三）在工作步骤上，使用工程量计算软件省略了原先的计算书汇总、上表套定额的手工工序，完全由计算机自动完成，极大程度上节省了时间。

在工作效率上，以前用手工算量大约用一星期才能完成的工程量，用算量软件五天就能完成。

（四）在采用的工作方式上，鲁班软件采用AutoCad绘图方式，省略了手工计算时使用的铅笔、橡皮、计算器和大量的工程量计算书等耗材，简化了手写计算式的步骤和手按计算器计算的繁复工作，在极大程度上实现了无纸办公。

（五）在打印输出格式上，鲁班软件打印输出的整洁版面是手工书写无法比拟的，其格式明确，计算公式详细，汇总方式合理，做为预算资料的保存和查阅十分适用。

另外，在核对工程量时，还可以利用电子计算书的分类汇总和条件汇总功能，在计算机中随时调用有用的数据，减少了手工计算书不易分类、不易汇总的麻烦。

再有，软件提供了自动输出到TXT、EXCEL、XML多种文件形式，极大程度上方便了各种用户的转化与应用。

（六）图形算量软件作为一种高科技含量的新兴技术产业，具有很大的发展前景，通过每一次的软件不定期升级，软件必将越做越成熟，越做越合乎人性化设计。到目前为止，该软件已经由最初的2007版升级到2008版，而且2009版已经在网上公布并进入全国巡回展览阶段。

篇（7）

中图分类号：TP181

0引言

不确定性问题知识表示和推理是人工智能领域中的一个研究热点，贝叶斯网（BayesianNetwork，BN）是处理该问题的一个非常重要的理论模型。近年来，随着搜索技术的发展和数据挖掘的兴起，贝叶斯网结构的学习引起了国内外学者的广泛兴趣。到目前为止，人们已经提出了一些学习贝叶斯网结构的方法，其中基于蚁群算法[1]、遗传算法[2-4]和粒子群算法[5]的贝叶斯网结构学习是比较新的一些实用而有效的方法。例如，基于蚁群算法的贝叶斯网结构学习算法I ACO B[1]首先用0阶条件独立性测试发现一些潜在的条件——独立知识并用之压缩搜索空间，然后利用改进的启发函数使蚁群算法的搜索能力得到提高。文献[5]提出了一种新的基于粒子群的学习贝叶斯网结构的算法——C PSO B，该算法利用定义的规则链模型度量拓扑序列优劣，有利于发现较高质量的拓扑序列；然后通过给粒子位置可选择更新的粒子群优化算法加上动态权重系数，提高了算法的搜索性能。这两种算法都取得了比较好的成果，但是它们在学习贝叶斯网结构时仍存在求解精度不高、收敛速度慢等不足。

篇（8）

[中图分类号] R765.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2013）03（a）-0099-03

过敏性鼻炎是临床高发病，其治疗方法较多，多数效果不甚理想。国内外的较多研究认为，此类疾病与患者机体中的较多检测指标有一定的相关性，其中微量元素及炎性因子，还有其他较多指标均是对疾病诊断和发展转归有较高检测价值的指标，因此认为其可以作为了解治疗干预方案是否有效的检测项目[1-2]。本研究就咪唑斯汀对过敏性鼻炎患者血清元素及特异性免疫球蛋白E（sIgE）、嗜酸性粒细胞阳离子蛋白（ECP）、炎性因子的影响进行分析探讨，并将分析步骤及结果报道如下：

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2010年6月～2012年5月重庆医科大学附属永川医院收治的84例过敏性鼻炎患者，将其分为对照组（42例）和观察组（42例）。对照组中男23例，女19例；年龄15～71岁，平均（34.1±5.2）岁；病程10.0～88.5个月，平均（45.3±3.7）个月。观察组中男24例，女18例；年龄16～72岁，平均（34.3±5.1）岁；病程11.0～88.0个月，平均（45.5±3.6）个月。两组患者的男女所占比例、年龄及病程比较，差异均无统计学意义（均P > 0.05），具有可比性。

1.2 方法

1.2.1 治疗方法 两组患者均无1个月内用药治疗史。对照组采用伯克纳进行治疗，以伯克纳鼻喷雾剂进行喷鼻治疗，2揿/次，2次/d，较为严重者可加至3～4次/d。观察组则采用伯克纳联合咪唑斯汀进行治疗，伯克纳用药方法与对照组一致，同时给予咪唑斯汀10 mg/次口服，1次/d。两组均根据治疗情况治疗7～14 d。后将两组患者的治疗总有效率及治疗前，治疗后7、14 d的血清锌（Zn）、铜（Cu）、锰（Mn）、sIgE、ECP及白介素4（IL-4）、白介素6（IL-6）、白介素8（IL-8）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）、γ干扰素（IFN-γ）水平进行比较。

1.2.2 检测方法 两组患者均于用药前1 d空腹状态下采集静脉血5.0 mL进行检测血清Zn、Cu、Mn、sIgE、ECP及IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α、IFN-γ，其中血清Zn、Cu、Mn采用DS-3B微量元素分析仪进行检测；sIgE及ECP则采用上海逸晗生物科技有限公司的sIgE ELISA试剂盒及ECP ELISA检测试剂盒进行检测；IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α、IFN-γ则均采用上海丽臣生物科技有限公司的相应酶联免疫定量试剂盒进行检测，最后将上述所有检测项目所得检测数据进行统计分析。

1.3 疗效评价标准

以经治疗后患者的所有症状体征消失，同时实验室检测指标均恢复正常为显效，以患者所有症状体征及实验室检测指标均明显改善为有效，以患者所有症状体征及实验室检测指标均无改善、轻微改善或加重为无效[3]，且以显效例数和有效例数相加之和为总有效例数。

1.4 统计学方法

软件包为SAS 8.0，计量资料采用均数±标准差（x±s）表示，组间比较采用t检验，重复测量的计量资料采用重复测量方差分析，以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组临床疗效比较

治疗后7、14 d统计数据显示，观察组的总有效率显著高于对照组，差异有统计学意义（P < 0.05）。

2.2 两组治疗前后血清微量元素及sIgE、ECP比较

观察组患者治疗前的血清Zn、Cu、Mn、sIgE及ECP与对照组比较，差异均无统计学意义（均P > 0.05），而治疗后7、14 d观察组血清Zn高于对照组，Cu、Mn、sIgE、ECP低于对照组，差异均有统计学意义（均P < 0.05）。见表2。

2.3 两组治疗前后炎性因子指标比较

治疗前两组患者的IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ比较，差异均无统计学意义（均P > 0.05），而治疗后7、14 d观察组血清IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ低于对照组，差异均有统计学意义（均P < 0.05）。见表3。

3 讨论

过敏性鼻炎是由IgE介导的I型变态反应性疾病，临床发病率较高，且具有反复发作的特点，严重影响到患者的生存状态。另外，较多研究认为本类疾病发生过程中多种免疫活性细胞和细胞因子等均发生一定的变化[4]。另外，国内外一些研究认为[5-6]，机体某些微量元素的异常与本病有较为明显的相关性，其中Zn的降低和Cu、Mn的升高可导致机体功能的异常，甚至影响到机体的免疫状态，因此患者更易发生一些疾病。再者，临床中对于sIgE及ECP在本病患者中存在异常升高的情况已经基本得到肯定[7-8]，均与其特异性抗原引起的免疫性反应有关，其在疾病发生的过程中起到敏感症状介质的作用。同时，较多研究显示，此类患者存在明显的炎性指标的异常升高的状况，其中IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ均是临床研究基本肯定的参与本病的指标[9-10]。综合这些因素认为，上述项目均可在患者治疗的过程中给予细致的监测，以利于了解病情的发展转归。

伯克纳是临床中对于过敏性鼻炎治疗较受肯定的药物之一，其为糖皮质激素类药物，主要为通过收缩皮肤血管来达到抗炎及抗过敏的作用，从而对过敏性鼻炎发挥治疗效果。咪唑斯汀是临床中较为常用的一类治疗变态反应的药物，具有抗组胺和抗变态反应活性，还可抑制活化的肥大细胞释放组胺以及抑制嗜中性粒细胞等炎症细胞的趋化作用，而这些作用均有效针对了过敏性鼻炎的发病机制，因此认为效果较为可靠。

本研究就咪唑斯汀对过敏性鼻炎患者血清元素及sIgE、ECP、炎性因子的影响进行观察，以从这些指标的变化方面进一步了解咪唑斯汀的疗效，结果显示，加用咪唑斯汀的患者较未加用咪唑斯汀的患者，其血清微量元素及sIgE、ECP、炎性因子的变化幅度更大，且这些变化呈现出持续性，因此从这些方面肯定了其疗效。

综上所述，本研究认为咪唑斯汀对过敏性鼻炎患者血清元素及SIgE、ECP、炎性因子的影响较为明显，其可有效改善患者的疾病状态。

[参考文献]

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篇（9）

他说，量子通信的竞赛自1995年欧洲科研人员在日内瓦湖底进行量子密钥分发的最初演示时就开始了。在那以后，英国、美国、日本、中国等国家都在探索城市间的量子通信网络，而现在这场竞赛从地面进入了太空，因为卫星能连接相距遥远的不同都市。中国在发射量子卫星方面走在了前面。

感到激动的还有英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安・肯特，他说：“我对中国发射量子卫星这事感到很兴奋。”他认为，这是为使用量子技术构建全球性安全通信网络迈出的“第一步”。

德国整合量子科学和技术中心负责人托马索・卡拉尔科说：“中国发射全球首颗量子卫星意义重大，在实现全球安全量子通信的道路上迈出了决定性的一步。”

解读卫星意义

科学家们还从不同角度解读了量子卫星的意义。美国马萨诸塞大学的量子专家王晨说，用卫星参与量子通信，主要是可以减少搭载信号的光子在远距离传输中的损耗。因为与在光纤和地面空气中传播相比，光子在太空中的传输损耗更小。

谢尔吉延科给出了更详细的解释。他说，地面上量子通信的主要限制是距离，因为即便最好的光纤也有固有损耗，目前量子通信通常的运行距离只有50到100公里。虽然也有一些量子通信实验的距离达到了250到300公里，但没有太大实际用处，因为这是以可用性极低的密钥分发速率作为代价换取的。通过使用卫星，可以把地球表面距离相当遥远的两个点通过天上的一个节点连接起来。

有的科学家则提到中国量子卫星影响的不只是量子通信，还有量子计算。阿德里安・肯特说，中国的量子卫星“对未来最终形成一个分布式的量子计算网络也非常重要”。

肯特还提到了中国卫星对国际科学合作的意义，因为这个卫星项目中还有奥地利科学家是合作方。肯特说：“科学是无边界的，中国和奥地利科学家合作的这个量子卫星项目正是让人兴奋的明证。”

奥地利著名量子科学家安东・蔡林格参与了中国量子卫星项目，他认为中国卫星会带动全球相关领域的发展，因为如果中国团队取得成功，那么其他团队将更容易获得对量子卫星的资助。

如何影响生活

那量子卫星会怎样影响我们的生活呢？卡拉尔科说：“基于量子的技术如今已进入我们的日常生活，没有量子力学，我们就不会有晶体管和激光器，也不会有计算机和互联网。”他说，量子卫星可能会促进相关领域进一步发展，令现有技术更加准确、灵敏、安全且性能更佳。

篇（10）

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

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