量子搜索及量子智能优化研究进展

为了提高智能优化算法的收敛速度及优化性能,目前国内外将量子计算机制和传统智能优化相融合,研究和提出了多种量子进化算法及量子群智能优化算法;为了进一步推动该领域的研究进展,系统地介绍了国内外提出的多种量子搜索及量子智能优化算法,其中包括量子搜索、量子衍生进化、量子神经网络三个方面内容;总结出目前改进量子搜索算法的主要机制和量子计算与传统智能计算的主要融合方式,并展望了量子搜索和量子智能优化有待进一步研究和需要解决的问题。     

量子算法与量子衍生算法

随着经典计算发展日趋缓慢,量子计算正逐渐成为研究领域的关注热点.该文简要介绍了量子计算的基本原理.接着,从当前量子计算领域中的两个活跃研究方向——量子算法和量子衍生技术研究出发对整个量子算法领域主要发展脉络进行梳理并总结目前量子计算研究的发展规律.最后,该文针对这两个方向提出了若干量子计算领域的发展趋势.通过对量子计算研究领域的综述和展望,对后续量子计算研究发展具有一定的指导意义.     

基于量子漫步的图形匹配算法进展与展望

图形匹配是图形研究中的重要问题,目前的经典算法受限于存储资源和计算复杂度,未能提供有效的解决方法.基于量子效应,将图形信息存储于量子比特,不仅能够极大减少存储资源的消耗,而且对量子比特进行操作可实现对存储信息的并行计算,从而为有效解决图形匹配问题提供了新的可能.量子漫步作为量子计算中的重要模型,是分析研究图形问题的有效工具.总结了量子计算的特点,介绍了量子漫步的2种模型并对二者进行了比较.然后对目前已有的基于量子漫步的图形匹配算法进行了介绍,对其算法思想、计算过程和优缺点进行了描述,同时还提出了相应的改进思路.在总结分析目前研究存在问题的基础上,探讨了今后的研究方向.     

量子群智能优化算法综述

随着科学技术的不断发展,最优化理论及其衍生出的算法已经广泛应用于人们的日常工作与生活当中,现实世界中的很多问题都可以被描述为组合优化问题。群智能优化算法这些年来被证明在解决组合优化问题方面效果显著,将当下处于研究热点的量子计算概念引入群智能优化算法形成的量子群智能优化算法,为更好地解决组合优化问题提出了一个新的研究方向。在过去的二十多年里,许多量子群智能优化算法被不断开发出来,同时在此基础上进行了大量改进与应用。综述了量子蚁群算法、量子粒子群算法、量子人工鱼群算法、量子人工蜂群算法、量子布谷鸟搜索算法、量子混合蛙跳算法、量子萤火虫算法、量子蝙蝠算法等量子群智能优化算法,并对量子群智能优化算法面临的问题以及未来研究方向进行了深入探讨。     

量子模拟器优化综述

近年来, 不断发展的量子计算已成为众人关注的焦点. 然而, 量子硬件存在稀缺性和噪声等问题, 这使得研究量子算法、验证量子芯片等行为都依赖运行在经典计算机上的量子模拟器. 本文讨论了不同量子模拟器使用的主要模拟方法, 并讨论了主流的全振幅状态向量模拟器和基于张量网络的量子模拟器的各种优化. 最后, 我们总结了量子模拟器的现状和未来发展方向.     

求解背包问题的混合量子进化算法

针对量子进化计算中反馈信息利用不充分并容易早熟的不足,将量子进化计算与及蚂蚁寻优策略融合,提出了一种新的优化方法—混合量子进化算法(HQEA).以量子染色体表示智能蚂蚁所有可能的搜索路径,初始阶段采用量子进化学习,设计了智能蚂蚁网络及衔接算子,进化学习所得结果表示智能蚂蚁路径选择的概率,并利用蚁群寻优策略继续搜索求精确解.理论证明该算法具有全局收敛性.最后以背包问题对算法进行了测试.     

一种实数编码的量子差分进化算法

量子进化方法是受量子计算思想的启发而产生的一种新型的高效算法,在计算效率和避免陷入局部极值问题上有着卓越的成效.因此,量子机制与智能优化算法的组合,将进一步扩展智能优化算法的应用领域,提高优化算法解决问题的能力.为此,将量子计算引入到差分进化算法中,提出一种新型的进化算法一量子差分进化算法.该方法将量子比特的概率幅表示应用于染色体的实数编码,用量子变异、量子交叉、量子选择操作实现染色体位置的更新,用量子非门进行量子位两个概率幅互换,能在防止算法早熟的同时使算法更快收敛.并分别以函数极值和TSP问题为例进行了仿真,验证了算法的有效性.     

量子计算机的研究与应用

介绍了量子计算的最新研究方向,简述了量子计算和量子信息技术在保密通信、量子算法、数据库搜索等重要领域的应用。分析了量子计算机与经典计算机相比所具有的优点和目前制约量子计算机应用发展的主要因素,最后展望了其未来发展趋势。     

量子计算技术在金融领域的应用探索

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算机制,被认为在特定算法上可实现并行处理能力,对信息领域技术变革有着重要意义。针对近年来量子计算在金融领域应用进展进行梳理总结。首先,从量子计算基本原理出发阐述了量子比特、量子逻辑门、量子线路等基础理论,重点分析了实现量子计算几种技术路线优缺点;其次,归纳总结了量子计算在衍生品定价、投资组合优化、风险计量、欺诈检测和市场预测方面算法研究进展,以及量子金融软件开发的主要组成架构;最后,分析了目前量子计算技术在金融领域应用发展的三大挑战：人才问题、效率问题、合规性问题,并对未来发展趋势进行展望,为相关领域研究提供参考。     

量子进化算法研究现状综述

在介绍基本量子进化算法(QEA)的基础上,重点归纳总结了最近几年量子进化算法在算法机理和性能方面以及在算法的种群改进、编码扩展、算子创新、算法融合等应用方面的研究成果,进而提出了量子进化算法在模式理论、多目标进化、算法研究、应用等方面进一步的研究内容.     

量子计算的研究与应用

对量子计算的最新研究方向进行了介绍,简述了量子计算和量子信息技术的重要应用领域。分析了量子计算机与经典计算机相比所具有的优点和目前制约量子计算机应用发展的主要因素,最后展望了其未来发展趋势。     

Editorial

Quantum technology is recognized as one of the most promising directions for our future technologies. By exploiting the unique features of quantum effects, emerging quantum technology is rapidly progressing around the world including quantum computation, quantum communication, quantum metrology and quantum simulation. The development of quantum control plays a grounding role in enabling the preservation and manipulation of quantum states that are used in various quantum technologies. This special issue will focus on new development in relevant topics of estimation and control methods in quantum systems, and provide a forum for idea exchange in this dynamic research area. Particularly, Ian R. Petersen, a key figure in the development of robust and quantum control theory, just turned 60 in the past year. We propose to celebrate this occasion with this special issue on quantum control, one of his main research focuses in the last fifteen years....     

量子计算及量子算法研究进展

量子相干性和量子纠缠等特性为量子计算带来了完全不同于经典计算的独特运算方式,量子计算表现出的并行性更是令经典运算望尘莫及。Shor算法的提出完全展示了量子算法在解决某些经典问题时的优势,接踵而至的Grover搜索算法进一步诠释了量子计算的威力。此后,算法“量子化”在国际上掀起了研究的热潮,尤其在量子智能算法方面取得了不错的成果。文章首先介绍量子计算的发展现状和基本原理;然后列举三种典型的量子算法,展示量子计算的优越性;最后介绍该领域的研究进展。     

Beyond bits: the future of quantum information processing

Today's computers operate on the same fundamental principle as the mechanical devices dreamed up by Charles Babbage in the 19th century and later formalized by Alan Turing: one stable state of the machine represents one number. Even seemingly nonstandard computation models, such as the one based on DNA, share this basic principle. Recently, physicists and computer scientists have realized that not only do their ideas about computing rest on partly accurate principles, but they miss out on a whole class of computation. Quantum physics offers powerful methods of encoding and manipulating information that are not possible within a classical framework. The potential applications of these quantum information processing methods include provably secure key distribution for cryptography, rapid integer factoring, and quantum simulation. The authors discuss the directions that quantum information theory appears to be heading and the research and applications it has accrued     

Physical quantum algorithms

I review the differences between classical and quantum systems, emphasizing the connection between no-hidden variable theorems and superior computational power of quantum computers. Using quantum lattice gas automata as examples, I describe possibilities for efficient simulation of quantum and classical systems with a quantum computer. I conclude with a list of research directions.     

量子计算与不确定性原理

对量子计算的计算潜力的高度期望源于量子力学的各种特性,如叠加原理、纠缠现象、破坏性和建设性的量子干扰。相对于经典计算,量子计算具有某些假定的优势,例如量子算法的运行速度比经典算法快;但另一方面却似乎存在影响经典算法但不影响量子算法的障碍,障碍之一是传统上归因于Werner Heisenberg的两个不确定性原理。Heisenberg最初制定的不确定性原理涉及用于测量量子系统的非量子仪器必然会对该系统造成影响。这个原理与其后来的发展有所不同,因为后来发现的不确定性所假定的是不交换可观察量在测量方面存在固有的不能精确测量的特性。在目前的技术发展状况以及当前对量子力学的形式表述与诠释的情况下,这两种不确定性皆有可能对量子计算的速度造成不良影响。近年来,针对这两种不确定性原理有了新的研究成果:1)Ozawa对Heisenberg原理提出了修改,将两种不确定性纳入其内进行并列考虑,从而可以减小Heisenberg原理的不确定性程度;2)在考虑到熵不确定性的情况下,Heisenberg不确定性可被视为Hirschmann不确定性的下界,因此除了在测量上的不确定性之外,量子计算还必须考虑来自其他如信息学的不确定性因素。     

基于编码的数字签名综述

量子计算理论和实践的快速发展导致基于传统数论困难问题的密码安全性存在很大不确定性.编码困难问题是公认的NP完全问题,求解复杂度呈指数级增长,且目前未发现量子计算对基于编码密码算法的威胁.因此,基于编码的密码算法有望抵抗量子算法攻击,是抗量子密码的主流方向之一.设计安全高效的基于编码的数字签名一直是公开问题.多年来,国内...     

量子程序验证

量子硬件设计与制造技术的飞速发展使得人们开始预言大于一百个量子比特的特定用途的量子计算机有望在5-10年内实现.可以想见,到那时候,量子软件的开发将变成真正发挥这些计算机能力的关键.然而,由于量子信息的不可克隆性和纠缠的非局域作用等量子特征,如何设计正确高效的量子程序和量子通信协议将是一个富有挑战性的课题.形式化验证方法,特别是模型检测技术,已经在经典软件设计和系统建模方面被证明行之有效,因此量子软件的形式化验证也开始受到越来越多的关注.本文从量子顺序程序验证和量子通信协议验证两方面,对近年来国内外学者,特别是两位作者所在的研究组在该研究领域取得的一些成果进行了系统的总结.最后,对未来可能的研究方向和面临的挑战进行了简单展望.