人类对地球内部物理性质以及矿产资源分布的了解，大多来自地表地质和地球物理、地球化学资料的反演和解释。地震资料反演的目的是提取地震波所携带的地下岩层的几何结构和物性参数空间分布的信息，从而服务于资源的勘探开发，以及地球深部结构和动力学过程的研究。　　 上世纪中叶以来，地震参数反演的研究取得了很大进展，但由于反问题本身的非线性和不适定性，在实际应用中还存在一些问题：大部分基于模型迭代的反演，其反演结果严重依赖于初始模型的假设和约束条件的准确性，再加上受激发、传播和接收过程中各种因素影响，实际地震数据含有大量噪声，难以获得可信的反演结果；基于地震资料的反演是一个典型的非线性反演问题，其目标函数大多是多极值函数，常规的线性化或拟线性化反演算法面临求解的局部收敛性问题，而非线性全局搜索算法的计算量则又往往令人难以承受。　　 围绕上述问题，结合其它学科的一些最新研究成果，本论文尝试将量子蒙特卡罗这样一种兼具高效率和高精度的全局优化方法引入到地球物理非线性反演计算中。量子蒙特卡罗方法是研究量子多体系统的有效数值计算方法，通常以蒙特卡罗方法求解量子系统的薛定谔方程。基于温度为零与否，量子蒙特卡罗方法可分为零温方法和有限温度方法两大类。本论文具体思路如下：　　 首先，对量子蒙特卡罗方法体系的四种方法的原理进行了系统研究，找出和地球物理非线性反问题以及其它非线性优化过程的衔接点，建立相应的反演方法，并给出了算法的具体实现流程。　　 其次，将基于量子蒙特卡罗的反演方法应用于一维波动方程波阻抗反演中，从收敛速度、计算精度等方面对四种方法进行了综合比较，定量的讨论了量子蒙特卡罗四种方法的优劣。模拟结果表明，将量子蒙特卡罗方法从量子范畴加以转化应用于地球物理非线性反问题和其它非线性最优化计算是可行的，且在一定程度上有很好的计算效率和精度，以及较强的抗噪能力和稳定性。综合言之，扩散蒙特卡罗方法和格林函数蒙特卡罗方法实际应用性相对较高。　　 最后，本论文提出了以群体搜索思想构建的串行量子蒙特卡罗方法的并行算法，将其应用于二维地震波速度反演，并初步应用于实际地震资料的反演，进一步探讨量子蒙特卡罗方法的抗噪性及全局性。结果显示了量子蒙特卡罗方法在二维波动方程反演和实际资料反演中的可行性，以及串行蒙特卡罗方法的并行算法的有效性，该并行算法也适合于其它非线性优化问题和其它串行方法。　　 理论分析和模型计算结果的比较表明，把量子蒙特卡罗的思想引入到地球物理反问题的求解是成功的，它是一种不依赖于初始模型的高效的、稳定的，且具有较强抗噪能力的非线性反演方法，适合非线性、多极值的地球物理反演问题，也适用于其他领域非线性最优化问题的求解，其算法具有较强的通用性。