導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇量子計(jì)算的發(fā)展，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量 計(jì)算機(jī)視覺(jué) 多目立體視覺(jué) 影像匹配

引言

攝影測(cè)量學(xué)是一門(mén)古老的學(xué)科，若從1839年攝影術(shù)的發(fā)明算起，攝影測(cè)量學(xué)已有170多年的歷史，而被普遍認(rèn)為攝影測(cè)量學(xué)真正起點(diǎn)的是1851―1859年“交會(huì)攝影測(cè)量”的提出。在這漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，攝影測(cè)量學(xué)經(jīng)歷了模擬法、解析法和數(shù)字化三個(gè)階段。模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量分別是以立體攝影測(cè)量的發(fā)明和計(jì)算機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志，因此很大程度上，計(jì)算機(jī)的發(fā)展決定了攝影測(cè)量學(xué)的發(fā)展。在解析攝影測(cè)量中，計(jì)算機(jī)用于大規(guī)模的空中三角測(cè)量、區(qū)域網(wǎng)平差、數(shù)字測(cè)圖，還用于計(jì)算共線方程，在解析測(cè)圖儀中起著控制相片盤(pán)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，交會(huì)空間點(diǎn)位的作用。而出現(xiàn)在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站（digital　photogrammetry　workstation，DPW）就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)+各種功能的攝影測(cè)量軟件。如果說(shuō)從模擬攝影測(cè)量到解析攝影測(cè)量的發(fā)展是一次技術(shù)的進(jìn)步，那么從解析攝影測(cè)量到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展則是一場(chǎng)技術(shù)的革命。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與模擬、解析攝影測(cè)量的最大區(qū)別在于：它處理的是數(shù)字影像而不再是模擬相片，更為重要的是它開(kāi)始并將不斷深入地利用計(jì)算機(jī)替代作業(yè)員的眼睛。[1-2]毫無(wú)疑問(wèn)，攝影測(cè)量進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代已經(jīng)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)緊密聯(lián)系在一起了[2]。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一個(gè)相對(duì)年輕而又發(fā)展迅速的領(lǐng)域。其目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)具有通過(guò)二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力，這種能力將不僅使機(jī)器能感知三維環(huán)境中物體的幾何信息，包括它的形狀、位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)等，而且能對(duì)它們進(jìn)行描述、存儲(chǔ)、識(shí)別與理解[3]。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量具有類似的目標(biāo)，也面臨著相同的基本問(wèn)題。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科，如圖像處理、模式識(shí)別以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等。由于它與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的聯(lián)系十分緊密，有些專家將其看做是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的分支。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展已經(jīng)借鑒了許多計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究成果[4]。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量發(fā)展導(dǎo)致了實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的出現(xiàn)，所謂實(shí)時(shí)攝影測(cè)量是指利用多臺(tái)CCD數(shù)字?jǐn)z影機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行影像獲取，并直接輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在實(shí)時(shí)軟件的幫助下，立刻獲得和提取需要的信息，并用來(lái)控制對(duì)目標(biāo)的操作[1]。在立體觀測(cè)的過(guò)程中，其主要利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)代替人眼。隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字近景攝影測(cè)量已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。近景攝影測(cè)量是利用近距離攝影取得的影像信息，研究物體大小形狀和時(shí)空位置的一門(mén)新技術(shù)，它是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取手段。量測(cè)型的計(jì)算機(jī)視覺(jué)與數(shù)字近景攝影測(cè)量的學(xué)科交叉將會(huì)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中形成一個(gè)新的分支――攝影測(cè)量的計(jì)算機(jī)視覺(jué)，但是它不應(yīng)僅僅局限于地學(xué)信息[2]。

1.　計(jì)算機(jī)視覺(jué)與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的差異

1.1　目的不同導(dǎo)致二者的坐標(biāo)系和基本公式不同

攝影測(cè)量的基本任務(wù)是嚴(yán)格建立相片獲取瞬間所存在的像點(diǎn)與對(duì)應(yīng)物點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)利用攝影片上的影像信息測(cè)制各種比例尺地形圖，建立地形數(shù)據(jù)庫(kù)，為各種地理信息系統(tǒng)建立或更新提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，它是在測(cè)繪領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科。

而計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的突出特點(diǎn)是其多樣性與不完善性。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場(chǎng)景的三維信息，因此直到計(jì)算機(jī)的性能提高到足以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)它才得到正式的關(guān)注和發(fā)展，而這些發(fā)展往往起源于其他不同領(lǐng)域的需要。比如在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用計(jì)算機(jī)來(lái)替代人工視覺(jué)。

由于攝影測(cè)量是測(cè)繪地形圖的重要手段之一，為了測(cè)繪某一地區(qū)而攝影的所有影像，必須建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系。而計(jì)算機(jī)視覺(jué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)模擬人的眼睛，因此它是以眼睛（攝影機(jī)中心）與光軸構(gòu)成的坐標(biāo)系為準(zhǔn)。因此，攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)目的不同，導(dǎo)致它們對(duì)物體與影像之間關(guān)系的描述也不同。

1.2　二者處理流程不同

2.　可用于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論――立體視覺(jué)

2.1　立體視覺(jué)

立體視覺(jué)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的一個(gè)重要分支，一直是計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，在20多年的發(fā)展過(guò)程中，逐漸形成了自己的方法和理論。立體視覺(jué)的基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算像像素間的位置偏差（即視差）來(lái)獲取景物的三維信息，這一過(guò)程與人類視覺(jué)的立體感知過(guò)程是類似的。一個(gè)完整的立體視覺(jué)系統(tǒng)通常可分為圖像獲取、攝像機(jī)定標(biāo)、特征提取、影像匹配、深度確定及內(nèi)插等6個(gè)大部分[5]。其中影像匹配是立體視覺(jué)中最重要也是最困難的問(wèn)題，也是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的核心問(wèn)題。

2.2　影像匹配

立體視覺(jué)的最終目的是為了恢復(fù)景物可視表面的完整信息。當(dāng)空間三維場(chǎng)景被投影為二維圖像時(shí)，同一景物在不同視點(diǎn)下的圖像會(huì)有很大不同，而且場(chǎng)景中的諸多因素，如光照條件，景物幾何形狀和物理特性、噪聲干擾和畸變以及攝像機(jī)特性等，都被綜合成單一的圖像中的灰度值。因此，要準(zhǔn)確地對(duì)包含了如此之多不利因素的圖像進(jìn)行無(wú)歧義的匹配，顯然是十分困難的。

在攝影測(cè)量中最基本的過(guò)程之一就是在兩幅或者更多幅的重疊影像中識(shí)別并定位同名點(diǎn)，以產(chǎn)生立體影像。在模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量中，同名點(diǎn)的識(shí)別是通過(guò)人工操作方式完成的；而在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中則利用計(jì)算機(jī)代替人工解決同名點(diǎn)識(shí)別的問(wèn)題，即采用影像匹配的方法。

2.3　多目立體視覺(jué)

根據(jù)單張相片只能確定地面某個(gè)點(diǎn)的方向，不能確定地面點(diǎn)的三維空間位置，而有了立體像對(duì)則可構(gòu)成與地面相似的立體模型，解求地面點(diǎn)的空間位置。雙目立體視覺(jué)由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī)（CCD）經(jīng)過(guò)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景，就像人有了兩只眼睛，才能看三維立體景觀一樣，然后通過(guò)計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值?，F(xiàn)在的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中的立體像對(duì)技術(shù)通常是在一條基線上進(jìn)行的，但是由于采用計(jì)算機(jī)匹配替代人眼測(cè)定影像同名像對(duì)時(shí)存在大量的誤匹配，使自動(dòng)匹配的結(jié)果很不可靠。其存在的問(wèn)題主要是，對(duì)存在特殊結(jié)構(gòu)的景物，如平坦、缺乏紋理細(xì)節(jié)、周期性的重復(fù)特征等易產(chǎn)生假匹配；在攝像機(jī)基線距離增大時(shí)，遮擋嚴(yán)重，能重建的空間點(diǎn)減少。為了解決這些問(wèn)題，降低雙目匹配的難度，自1986年以來(lái)出現(xiàn)了三目立體視覺(jué)系統(tǒng)，即采用3個(gè)攝像機(jī)同時(shí)攝取空間景物，通過(guò)利用第三目圖像提供的信息來(lái)消除匹配的歧義性[5]。采用“多目立體視覺(jué)技術(shù)”可以利用攝影測(cè)量的空中三角測(cè)量原理，對(duì)多度重疊點(diǎn)進(jìn)行“多方向的前方交會(huì)”，既能較有效地解決隨機(jī)的誤匹配問(wèn)題，同時(shí)又能增加交會(huì)角，提高高程測(cè)量的精度[2]。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將很大程度地解決自動(dòng)匹配結(jié)果的不可靠性，提高數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

篇2

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 趨勢(shì) 發(fā)展

一、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化的超級(jí)計(jì)算

可能你不知道，超高速計(jì)算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令或同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機(jī)）組成，能完成普通計(jì)算機(jī)和服務(wù)器不能計(jì)算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級(jí)計(jì)算機(jī)獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域高精尖項(xiàng)目的研算、傳翰和存儲(chǔ)。光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升?？傊?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化的超級(jí)計(jì)算。

（二）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分子計(jì)算機(jī)

大家都知道，分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過(guò)程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過(guò)程。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來(lái)。生物分子組成的計(jì)算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無(wú)法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動(dòng)機(jī)模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬(wàn)倍。分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ)1萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國(guó)已研制出分子計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)人實(shí)用階段。也就是說(shuō)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分子計(jì)算機(jī)。

（三）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅(jiān)固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)?！凹{米”是一個(gè)計(jì)量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子算機(jī)也會(huì)像現(xiàn)在的馬達(dá)一樣，存在于家中的各種電器中，那時(shí)問(wèn)你家里有多少計(jì)算機(jī)，你也數(shù)不清，你的筆記本，書(shū)籍都已電子化。再過(guò)十幾、二十幾年，可能學(xué)生們上課用的不再是教科書(shū)，而只是一個(gè)筆記本大小的計(jì)算機(jī)，不同的學(xué)生可以根據(jù)自己的需要方便地從中查到想要的資料所以有人預(yù)言未來(lái)計(jì)算機(jī)可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計(jì)算機(jī)將成為不被人注意的最常用的日用品。

（四）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)。使信息沿著聚合物移動(dòng)。從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國(guó)家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。無(wú)論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新。

二、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將朝著向信息的智能化發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的大多數(shù)領(lǐng)域以應(yīng)用學(xué)科和工程學(xué)科的出現(xiàn)為標(biāo)志，這些學(xué)科的職責(zé)是促進(jìn)與實(shí)踐有關(guān)的認(rèn)識(shí)的發(fā)展，這些學(xué)科常吸收更為基礎(chǔ)的學(xué)科，提高就能有實(shí)踐的進(jìn)步，在對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)常有另外一條路徑，這個(gè)過(guò)程存在著強(qiáng)烈的相互作用，有關(guān)半導(dǎo)體是如何運(yùn)行的理論也建立了起來(lái)，這是用它們能夠使計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)踐中普遍存在的問(wèn)題得到解決，或者說(shuō)是促進(jìn)實(shí)踐的發(fā)展。能實(shí)現(xiàn)或更困難一些。顯然，選擇機(jī)制在計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)踐進(jìn)化和認(rèn)識(shí)進(jìn)化之間明顯地提供了一種雙向的連接，推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。參考文獻(xiàn)：

[1]王華.計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展[J].電腦與電信，2013（02）.

篇3

[關(guān)鍵詞]：計(jì)算科學(xué)　計(jì)算工具　圖靈模型　量子計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：1003-8809(2010)-09-0004-01

1、“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”

人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無(wú)止境地提升?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒(méi)有極限?對(duì)此問(wèn)題，學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無(wú)限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果――造成熵的降低，這種向低熵方向無(wú)限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律――牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行，而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)此問(wèn)題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說(shuō)，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信，通過(guò)追尋“夢(mèng)想―發(fā)現(xiàn)―解釋―夢(mèng)想”的不斷循環(huán)，我們可以開(kāi)拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域，世界最終會(huì)變得越來(lái)越清晰，我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！盵論/文/網(wǎng)LunWenNe#Com]

2、量子計(jì)算系統(tǒng)

量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問(wèn)題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過(guò)程中，相互作用的光子每增加一個(gè)，有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍，也就是問(wèn)題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了，不過(guò)，在費(fèi)曼眼里，這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫?，量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測(cè)性：在干涉實(shí)驗(yàn)中，只要給定初始條件，就可以推測(cè)出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算，那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其結(jié)果，就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此，只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國(guó)牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇――圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的，即把計(jì)算看作由“神諭”來(lái)實(shí)現(xiàn)的：這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng)，例如，現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)典型的“困難問(wèn)題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒(méi)有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來(lái)來(lái)計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問(wèn)題，大約需要28萬(wàn)年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類所能夠等待的時(shí)間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大，也就是說(shuō)如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。

3、量子計(jì)算中的神諭

人類的計(jì)算工具，從木棍、石頭到算盤(pán)，經(jīng)過(guò)電子管計(jì)算機(jī)，晶體管計(jì)算機(jī)，到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)，再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過(guò)程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算，隨后，人們發(fā)明了算盤(pán)，來(lái)幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”，機(jī)器也可以用來(lái)搬動(dòng)“算珠”，而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機(jī)械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí)，數(shù)學(xué)家們開(kāi)始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開(kāi)了研究，圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。

量子計(jì)算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算?？梢哉f(shuō)，這是一種革命性的思考與解決問(wèn)題的方式。

因?yàn)樵诖酥?，所有?jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤(pán)”，即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部，64位的寄存器(register)，也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤(pán)。量子計(jì)算則完全不同，對(duì)于量子計(jì)算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒(méi)有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理，卻對(duì)“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子，人們通過(guò)輸入，可以得到輸出，但是對(duì)于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

4、“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)人類的思考能力

隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力，那么，量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生，會(huì)給人類整體帶來(lái)更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”。不僅如此，量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì)，把人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。

如果觀察歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認(rèn)清并解決了許多問(wèn)題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律：

篇4

關(guān)鍵詞:計(jì)算科學(xué)計(jì)算工具圖靈模型量子計(jì)算

1計(jì)算的本質(zhì)

抽象地說(shuō),所謂計(jì)算,就是從一個(gè)符號(hào)串f變換成另一個(gè)符號(hào)串g。比如說(shuō),從符號(hào)串12+3變換成15就是一個(gè)加法計(jì)算。如果符號(hào)串f是x2,而符號(hào)串g是2x,從f到g的計(jì)算就是微分。定理證明也是如此,令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則,令g是一個(gè)定理,那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個(gè)角度看,文字翻譯也是計(jì)算,如f代表一個(gè)英文句子,而g為含意相同的中文句子,那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點(diǎn)？為什么把它們都叫做計(jì)算？因?yàn)樗鼈兌际菑募褐?hào)(串)開(kāi)始,一步一步地改變符號(hào)(串),經(jīng)過(guò)有限步驟,最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)(串)的變換過(guò)程。

從類型上講,計(jì)算主要有兩大類:數(shù)值計(jì)算和符號(hào)推導(dǎo)。數(shù)值計(jì)算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運(yùn)算、開(kāi)方運(yùn)算、方程的求解等。符號(hào)推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明,幾何命題的證明等。但無(wú)論是數(shù)值計(jì)算還是符號(hào)推導(dǎo),它們?cè)诒举|(zhì)上是等價(jià)的、一致的,即二者是密切關(guān)聯(lián)的,可以相互轉(zhuǎn)化,具有共同的計(jì)算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展,還可能出現(xiàn)新的計(jì)算類型。

2遠(yuǎn)古的計(jì)算工具

人們從開(kāi)始產(chǎn)生計(jì)算之日,便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計(jì)算的工具。因此,計(jì)算和計(jì)算工具是息息相關(guān)的。

早在公元前5世紀(jì),中國(guó)人已開(kāi)始用算籌作為計(jì)算工具,并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后來(lái),人們發(fā)明了算盤(pán),并在15世紀(jì)得到普遍采用,取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的,比算籌更加方便實(shí)用,同時(shí)還把算法口訣化,從而加快了計(jì)算速度。

3近代計(jì)算系統(tǒng)

近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展:在1614年,對(duì)數(shù)被發(fā)明以后,乘除運(yùn)算可以化為加減運(yùn)算,對(duì)數(shù)計(jì)算尺便是依據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。1620年,岡特最先利用對(duì)數(shù)計(jì)算尺來(lái)計(jì)算乘除。1850年,曼南在計(jì)算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時(shí)科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機(jī)械式計(jì)算器是與計(jì)算尺同時(shí)出現(xiàn)的,是計(jì)算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年,萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計(jì)算器,是長(zhǎng)1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過(guò)人們?cè)谶@方面多年的研究,特別是經(jīng)過(guò)托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后,出現(xiàn)了多種多樣的手搖計(jì)算器,并風(fēng)行全世界。

4電動(dòng)計(jì)算機(jī)

英國(guó)的巴貝奇于1834年,設(shè)計(jì)了一部完全程序控制的分析機(jī),可惜礙于當(dāng)時(shí)的機(jī)械技術(shù)限制而沒(méi)有制成,但已包含了現(xiàn)代計(jì)算的基本思想和主要的組成部分了。此后,由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展,電動(dòng)式計(jì)算器便慢慢取代以人工為動(dòng)力的計(jì)算器。1941年,德國(guó)的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過(guò)程控制計(jì)算器,實(shí)現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。

5電子計(jì)算機(jī)

20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計(jì)算器的改革有了新的發(fā)展,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,也當(dāng)之無(wú)愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。

在電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過(guò)程中,因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對(duì)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言:半導(dǎo)體芯片的集成度將每?jī)赡攴环?。事?shí)證明,自20世紀(jì)60年代以后的數(shù)十年內(nèi),芯片的集成度和電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度實(shí)際是每十八個(gè)月就翻一番,而價(jià)格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”。

6“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”

人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無(wú)止境地提升?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒(méi)有極限?對(duì)此問(wèn)題,學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無(wú)限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無(wú)限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代,芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米),此時(shí),導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律——牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行,而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作;同樣,芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后,晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)此問(wèn)題的看法十分一致:摩爾定律不久將不再適用。也就是說(shuō),電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家,哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過(guò)追尋“夢(mèng)想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢(mèng)想”的不斷循環(huán),我們可以開(kāi)拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域,世界最終會(huì)變得越來(lái)越清晰,我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的7量子計(jì)算系統(tǒng)

量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問(wèn)題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例,在干涉過(guò)程中,相互作用的光子每增加一個(gè),有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍,也就是問(wèn)題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了,不過(guò),在費(fèi)曼眼里,這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫?量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測(cè)性:在干涉實(shí)驗(yàn)中,只要給定初始條件,就可以推測(cè)出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算,那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn),測(cè)量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此,只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中,允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn),并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下,1985年英國(guó)牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇——圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí),不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的,即把計(jì)算看作由“神諭”來(lái)實(shí)現(xiàn)的:這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng),例如,現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)典型的“困難問(wèn)題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒(méi)有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來(lái)來(lái)計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問(wèn)題,大約需要28萬(wàn)年,這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類所能夠等待的時(shí)間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大,也就是說(shuō)如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī),我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。

8量子計(jì)算中的神諭

人類的計(jì)算工具,從木棍、石頭到算盤(pán),經(jīng)過(guò)電子管計(jì)算機(jī),晶體管計(jì)算機(jī),到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī),再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過(guò)程讓人思考:首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算,隨后,人們發(fā)明了算盤(pán),來(lái)幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”,機(jī)器也可以用來(lái)搬動(dòng)“算珠”,而且效率更高,速度更快。隨后,人們用繼電器替代了純機(jī)械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí),數(shù)學(xué)家們開(kāi)始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開(kāi)了研究,圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。

量子計(jì)算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算?？梢哉f(shuō)。這是一種革命性的思考與解決問(wèn)題的方式。

因?yàn)樵诖酥?所有計(jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤(pán)”,即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤(pán)。量子計(jì)算則完全不同,對(duì)于量子計(jì)算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒(méi)有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理,卻對(duì)“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子,人們通過(guò)輸入,可以得到輸出,但是對(duì)于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

9“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)人類的思考能力,隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力,那么,量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會(huì)給人類整體帶來(lái)更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”。不僅如此,量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì),把人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。

如果觀察歷史,會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大,隨著該系統(tǒng)的不斷增大,人們認(rèn)清并解決了許多問(wèn)題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律:

“計(jì)算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強(qiáng)—公理系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。

無(wú)論量子計(jì)算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會(huì)妨礙量子計(jì)算時(shí)代的到來(lái)。量子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問(wèn)題,將會(huì)隨著量子計(jì)算機(jī)工具的發(fā)展而得到解決,它將“計(jì)算科學(xué)”從牛頓時(shí)代引向量子時(shí)代,并會(huì)給人類文明帶來(lái)更加深刻的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation[M].CambridgeUniversityPress,2000.

篇5

抽象地說(shuō)，所謂計(jì)算，就是從一個(gè)符號(hào)串f變換成另一個(gè)符號(hào)串g.比如說(shuō)，從符號(hào)串12+3變換成15就是一個(gè)加法計(jì)算。如果符號(hào)串f是x2,而符號(hào)串g是2x,從f到g的計(jì)算就是微分。定理證明也是如此，令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則，令g是一個(gè)定理，那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個(gè)角度看，文字翻譯也是計(jì)算，如f代表一個(gè)英文句子，而g為含意相同的中文句子，那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點(diǎn)？為什么把它們都叫做計(jì)算？因?yàn)樗鼈兌际菑募褐?hào)（串）開(kāi)始，一步一步地改變符號(hào)（串），經(jīng)過(guò)有限步驟，最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)（串）的變換過(guò)程。

從類型上講，計(jì)算主要有兩大類：數(shù)值計(jì)算和符號(hào)推導(dǎo)。數(shù)值計(jì)算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運(yùn)算、開(kāi)方運(yùn)算、方程的求解等。符號(hào)推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明，幾何命題的證明等。但無(wú)論是數(shù)值計(jì)算還是符號(hào)推導(dǎo)，它們?cè)诒举|(zhì)上是等價(jià)的、一致的，即二者是密切關(guān)聯(lián)的，可以相互轉(zhuǎn)化，具有共同的計(jì)算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展，還可能出現(xiàn)新的計(jì)算類型。

2遠(yuǎn)古的計(jì)算工具

人們從開(kāi)始產(chǎn)生計(jì)算之日，便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計(jì)算的工具。因此，計(jì)算和計(jì)算工具是息息相關(guān)的。

早在公元前5世紀(jì)，中國(guó)人已開(kāi)始用算籌作為計(jì)算工具，并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用，一直沿用了二千年。后來(lái)，人們發(fā)明了算盤(pán)，并在15世紀(jì)得到普遍采用，取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的，比算籌更加方便實(shí)用，同時(shí)還把算法口訣化，從而加快了計(jì)算速度。

3近代計(jì)算系統(tǒng)

近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展：在1614年，對(duì)數(shù)被發(fā)明以后，乘除運(yùn)算可以化為加減運(yùn)算，對(duì)數(shù)計(jì)算尺便是依據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。1620年，岡特最先利用對(duì)數(shù)計(jì)算尺來(lái)計(jì)算乘除。1850年，曼南在計(jì)算尺上裝上光標(biāo)，因此而受到當(dāng)時(shí)科學(xué)工作者，特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機(jī)械式計(jì)算器是與計(jì)算尺同時(shí)出現(xiàn)的，是計(jì)算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年，萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計(jì)算器，是長(zhǎng)1米的大盒子。自此以后，經(jīng)過(guò)人們?cè)谶@方面多年的研究，特別是經(jīng)過(guò)托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后，出現(xiàn)了多種多樣的手搖計(jì)算器，并風(fēng)行全世界。

4電動(dòng)計(jì)算機(jī)

英國(guó)的巴貝奇于1834年，設(shè)計(jì)了一部完全程序控制的分析機(jī)，可惜礙于當(dāng)時(shí)的機(jī)械技術(shù)限制而沒(méi)有制成，但已包含了現(xiàn)代計(jì)算的基本思想和主要的組成部分了。此后，由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展，電動(dòng)式計(jì)算器便慢慢取代以人工為動(dòng)力的計(jì)算器。1941年，德國(guó)的楚澤采用了繼電器，制成了第一部過(guò)程控制計(jì)算器，實(shí)現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。

5電子計(jì)算機(jī)

20世紀(jì)初，電子管的出現(xiàn)，使計(jì)算器的改革有了新的發(fā)展，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，也當(dāng)之無(wú)愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。

在電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過(guò)程中，因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GodonMoore）對(duì)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言：半導(dǎo)體芯片的集成度將每?jī)赡攴环?。事?shí)證明，自20世紀(jì)60年代以后的數(shù)十年內(nèi)，芯片的集成度和電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度實(shí)際是每十八個(gè)月就翻一番，而價(jià)格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”.

6“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”

人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無(wú)止境地提升？傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒(méi)有極限？對(duì)此問(wèn)題，學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無(wú)限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果--造成熵的降低，這種向低熵方向無(wú)限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道（R.Landauer）為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度（1納米=10-9米），此時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律--牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行，而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸（約5納米）后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)此問(wèn)題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說(shuō)，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授威爾遜（EdwardO.Wilson）指出：“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想（形而上學(xué)）。它純粹是人為的。但我們相信，通過(guò)追尋”夢(mèng)想-發(fā)現(xiàn)-解釋-夢(mèng)想“的不斷循環(huán)，我們可以開(kāi)拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域，世界最終會(huì)變得越來(lái)越清晰，我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。”

7量子計(jì)算系統(tǒng)

量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問(wèn)題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過(guò)程中，相互作用的光子每增加一個(gè)，有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍，也就是問(wèn)題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了，不過(guò)，在費(fèi)曼眼里，這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫妫孔恿W(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測(cè)性：在干涉實(shí)驗(yàn)中，只要給定初始條件，就可以推測(cè)出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算，那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其結(jié)果，就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此，只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國(guó)牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇--圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的，即把計(jì)算看作由“神諭”來(lái)實(shí)現(xiàn)的：這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”（Oracle）。種種跡象表明：量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng)，例如，現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)（如1024位的十進(jìn)制數(shù)）分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)典型的“困難問(wèn)題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒(méi)有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來(lái)來(lái)計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問(wèn)題，大約需要28萬(wàn)年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類所能夠等待的時(shí)間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大，也就是說(shuō)如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。

8量子計(jì)算中的神諭

人類的計(jì)算工具，從木棍、石頭到算盤(pán)，經(jīng)過(guò)電子管計(jì)算機(jī)，晶體管計(jì)算機(jī)，到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)，再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過(guò)程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算，隨后，人們發(fā)明了算盤(pán)，來(lái)幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”,機(jī)器也可以用來(lái)搬動(dòng)“算珠”,而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機(jī)械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí)，數(shù)學(xué)家們開(kāi)始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開(kāi)了研究，圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。

量子計(jì)算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算?？梢哉f(shuō)。這是一種革命性的思考與解決問(wèn)題的方式。

因?yàn)樵诖酥?，所有?jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤(pán)”,即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部，64位的寄存器（register），也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤(pán)。量子計(jì)算則完全不同，對(duì)于量子計(jì)算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”,沒(méi)有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理，卻對(duì)“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子，人們通過(guò)輸入，可以得到輸出，但是對(duì)于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

9“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)

人類的思考能力，隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力，那么，量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生，會(huì)給人類整體帶來(lái)更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”.不僅如此，量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì)，把人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。

如果觀察歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認(rèn)清并解決了許多問(wèn)題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律：

篇6

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；發(fā)展史；前景展望

1 前言

計(jì)算機(jī)由機(jī)械技術(shù)向電子技術(shù)以及生物技術(shù)、智能技術(shù)的轉(zhuǎn)變，為我們的生活帶來(lái)了巨大的變化。計(jì)算機(jī)已經(jīng)擁有了60年的發(fā)展歷程，共經(jīng)歷了5個(gè)重要的發(fā)展階段，將在不久的未來(lái)經(jīng)歷第六個(gè)發(fā)展階段。

2 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史

（1）電子管計(jì)算機(jī)（1946-1958年）

用陰極射線管或汞延尺線作主存儲(chǔ)器，外存主要使用紙帶、卡片等，程序設(shè)計(jì)主要使用機(jī)器指令或符號(hào)指令，應(yīng)用鄰域主要是科學(xué)計(jì)算。

（2）晶體管計(jì)算機(jī)（1958-1964年）

主存儲(chǔ)器均采用磁蕊存儲(chǔ)器，磁鼓和磁盤(pán)開(kāi)始用作主要的外存儲(chǔ)器，程序設(shè)計(jì)使用了更接近于人類自然語(yǔ)言的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也從科學(xué)計(jì)算擴(kuò)展到了事務(wù)處理，工程設(shè)計(jì)等各個(gè)方面。

（3）小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1964-1971年)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器逐步取代了磁芯存儲(chǔ)器的主存儲(chǔ)地位，磁盤(pán)成了不可缺少的輔助存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)也進(jìn)入了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的發(fā)展時(shí)期，使計(jì)算機(jī)使用效率明顯提高。

（4）大規(guī)模集成電路（1972年-至今）

大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路應(yīng)用的一個(gè)直接結(jié)果是微處理器和微型計(jì)算機(jī)的誕生。微處理器自1971年誕生以來(lái)幾乎每隔二至三年就要更新?lián)Q代，以高檔微處理器為核心構(gòu)成的高檔微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已達(dá)到和超過(guò)了傳統(tǒng)超極小型計(jì)算機(jī)水平，其運(yùn)算速度可以達(dá)到每秒數(shù)億次。由于微型計(jì)算機(jī)體積小、功耗低、其性能價(jià)格比占有很大優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

（5）人工智能計(jì)算機(jī)——神經(jīng)計(jì)算機(jī)。

其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)分布式聯(lián)想記憶．并能在一定程度上模擬人和動(dòng)物的學(xué)習(xí)功能。它是一種有知識(shí)、會(huì)學(xué)習(xí)、能推理的計(jì)算機(jī)，具有能理解自然語(yǔ)言、聲音、文字和圖像的能力，并且具有說(shuō)話的能力，使人機(jī)能夠用自然語(yǔ)言直接對(duì)話，它可以利用已有的和不斷學(xué)習(xí)到的知識(shí)，進(jìn)行思維、聯(lián)想、推理，并得出結(jié)論，能解決復(fù)雜問(wèn)題，具有匯集、記憶、檢索有關(guān)知識(shí)的能力。

3 計(jì)算機(jī)發(fā)展前景展望

計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。計(jì)算發(fā)展如此之快，計(jì)算機(jī)界據(jù)此總結(jié)出了“ 摩爾法則”，該法則認(rèn)為每 18個(gè)月左右計(jì)算機(jī)性能就會(huì)提高一倍。因此，在未來(lái)，第六代計(jì)算機(jī)發(fā)展方向如下：

（1）分子計(jì)算機(jī)

分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過(guò)程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過(guò)程。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來(lái)。生物分子組成的計(jì)算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無(wú)法替代的作用。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高， 分子計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10 微微秒，比人的思維速度快 100 萬(wàn)倍。分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ) 1 萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。

（2）光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過(guò)電子“0”和“1” 狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算, 可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

（3）量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此, 一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的 PentiumⅢ晶片快10億倍。

（4）納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍, 質(zhì)地堅(jiān)固,有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性, 能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)?！凹{米”是一個(gè)計(jì)量單位, 一個(gè)納米等于10-9米, 大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源， 而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。

（5）生物計(jì)算機(jī)[1]

20世紀(jì)80年代以來(lái)，生物工程學(xué)家對(duì)人腦、神經(jīng)元和感受器的研究?jī)A注了很大精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高教的第六代計(jì)算機(jī)——生物計(jì)算機(jī)。用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片，存儲(chǔ)量可以達(dá)到普通電腦的10億倍。生物電腦元件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬(wàn)倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬(wàn)倍。

篇7

量子計(jì)算機(jī)（Qantum computer），遵循量子力學(xué)的規(guī)律，進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算，是存儲(chǔ)和處理量子信息的裝置。如果裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法，那這個(gè)裝置就是我們下面要談的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，研究可逆計(jì)算機(jī)的目的就是為了解決計(jì)算機(jī)中的能耗問(wèn)題。

只聞其名，量子計(jì)算機(jī)，大概就能猜到它是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器。要說(shuō)清楚量子計(jì)算，首先要先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法是由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1920年，奧地利人薛定諤、愛(ài)因斯坦、德國(guó)人海森伯格和狄拉克共同創(chuàng)建了一個(gè)前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。量子力學(xué)的誕生為人類未來(lái)的第四次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)新技術(shù)，那就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)概念最早由理查得·費(fèi)曼提出的，后來(lái)經(jīng)過(guò)若干年的研究，這項(xiàng)技術(shù)已初見(jiàn)成效了。

2013年5月23日，Google與NASA（美國(guó)宇航局）合作建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，其目的就是研究量子計(jì)算機(jī)。Google與高?？臻g研究協(xié)會(huì)（與NASA有密切合作的非盈利組織）購(gòu)買了量子計(jì)算機(jī)，開(kāi)始進(jìn)行量子計(jì)算的研究工作。

量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算的區(qū)別

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)利用幾百萬(wàn)個(gè)電子晶體管進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，將0和1作為基本元素。量子計(jì)算則完全不同，它更有彈性，不再使用二進(jìn)位代碼，取而代之的是量子位元，又叫量子比特，它可以同時(shí)代表0和1。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，但量子計(jì)算機(jī)要更為強(qiáng)大，它可以在量子比特上運(yùn)算，可以計(jì)算0和1之間的數(shù)值。假想一個(gè)放置在磁場(chǎng)中的原子，像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。按常識(shí)理解原子的旋轉(zhuǎn)可能向上，可能向下，但不可能既向上又向下。但在量子世界里，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，它一個(gè)向上轉(zhuǎn)的原子和一個(gè)向下轉(zhuǎn)的原子的總和，即每一種物體都可以被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來(lái)描述。

換一種表述，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能使用“開(kāi)”和“關(guān)”兩種狀態(tài)來(lái)控制電流，而量子計(jì)算機(jī)具有“開(kāi)”和“關(guān)”同時(shí)存在的第三種狀態(tài)，這是量子世界不同于粒子世界的特性。使用量子計(jì)算機(jī)能并行處理更多的信息，計(jì)算速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。要進(jìn)行量子計(jì)算并不容易，但在某些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)容易失敗的領(lǐng)域，它卻可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算機(jī)依賴的是量子機(jī)制來(lái)提高其計(jì)算速度，量子機(jī)制決定了所有物質(zhì)和能量的行為表現(xiàn)，即使只利用量子機(jī)制的簡(jiǎn)單特性，構(gòu)造出的計(jì)算機(jī)表現(xiàn)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何一臺(tái)超級(jí)電子計(jì)算機(jī)。加拿大公司D-Wave表示，它的“Orion”只是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，并不是要取代誰(shuí)。換句話說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有發(fā)展到可以“獨(dú)領(lǐng)”的地步。

用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)描述量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的差別：在一個(gè)虛擬界面上存在山岡和低谷，目標(biāo)是找到最低點(diǎn)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始尋找，不斷搜索，有系統(tǒng)地搜索：是這里嗎？這里呢？查找的過(guò)程很慢，除非有無(wú)限的時(shí)間和無(wú)窮的耐心，否則就只能選擇“足夠好”?，F(xiàn)在的答案固然不錯(cuò)，但新的、更低的點(diǎn)也許在幾次計(jì)算后才出現(xiàn)。相比量子計(jì)算機(jī)的效率就要高得多了，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估，從而大大改進(jìn)計(jì)算的效率。

量子計(jì)算機(jī)無(wú)法替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)

IBM和微軟等許多公司都在研究量子計(jì)算技術(shù)。D-Wave是唯一銷售量子計(jì)算機(jī)硬件的廠商，公司表示，在少數(shù)復(fù)雜問(wèn)題上，量子計(jì)算機(jī)的速度要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快5萬(wàn)倍。但需要注意的是，“高速”是有前提的，因此所謂的高速是受條件限制的。如果你只想發(fā)個(gè)郵箱、聽(tīng)首音樂(lè)，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)讓你覺(jué)得有什么太大的區(qū)別，但要完成復(fù)雜任務(wù)就不同了。Google Research工程主管表示，希望量子計(jì)算機(jī)可以讓研究人員更有效率地工作，更準(zhǔn)確地為一切研究建模，包括語(yǔ)音識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)搜索、蛋白質(zhì)折疊等。

因此，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)很快淘汰傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，它有自己的限制，而且它很難建造，價(jià)格很高。到目前，量子計(jì)算機(jī)大多是基于理論的，量子人工實(shí)驗(yàn)室設(shè)立的目的之一就是推動(dòng)理論的發(fā)展。它的目標(biāo)是將理論用于實(shí)踐，解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，為真正的量子設(shè)備編寫(xiě)代碼。

Google為什么對(duì)量子計(jì)算機(jī)感興趣

Google對(duì)新技術(shù)一直很癡迷，社交網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、自駕汽車，現(xiàn)在又是量子計(jì)算機(jī)。這些項(xiàng)目的相似之處，就是它們都可以強(qiáng)化公司的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。

Google希望利用量子計(jì)算更好地理解人類的語(yǔ)音提問(wèn)，這項(xiàng)技術(shù)不只可以用在搜索引擎上，還可以用在移動(dòng)應(yīng)用上，如Google Now和Google Maps。

Google稱：“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)一些量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。當(dāng)中一些可以提高識(shí)別能力，比如在移動(dòng)設(shè)備電源不足時(shí)識(shí)別。一些可以處理高度污染的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實(shí)世界中，許多時(shí)候數(shù)據(jù)被貼錯(cuò)標(biāo)簽。我們還可以從中學(xué)習(xí)到一些經(jīng)驗(yàn)，比如，純粹使用量子計(jì)算不會(huì)得到最好的結(jié)果，將量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)合會(huì)更好。”

在谷歌的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，量子計(jì)算機(jī)會(huì)先進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，這是電腦學(xué)習(xí)的信息模式，可以提高它們的輸出“吞吐量”。然后，量子計(jì)算機(jī)要負(fù)責(zé)進(jìn)行個(gè)性化的互聯(lián)網(wǎng)搜索和以GPS數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)交通的擁堵情況。另外，還要進(jìn)行面部或語(yǔ)音的識(shí)別、生物行為，或者是龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)管理工作。

Google官方博客表示，如果世界需要建立有效的環(huán)境政策，就需要建立更好的模型來(lái)描述全球的天氣和氣候，否則就不會(huì)有令人信服的證據(jù)。

谷歌已經(jīng)為量子計(jì)算機(jī)修改了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種算法原本由D-Wave系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)。D-Wave向洛克希德·馬丁公司出售了首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)，洛克希德公司官員表示，計(jì)算機(jī)會(huì)被用于測(cè)試和測(cè)量工作，如噴氣飛機(jī)的設(shè)計(jì)或衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。

量子計(jì)算機(jī)的廣闊前景

近年來(lái)，由于社會(huì)對(duì)高速、保密、大容量的通訊和計(jì)算的需求，促進(jìn)了量子信息、量子計(jì)算理論和實(shí)驗(yàn)的迅速發(fā)展。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

2009年11月，世界首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)正式在美國(guó)誕生，這一量子計(jì)算機(jī)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制，可處理兩個(gè)量子比特的數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的0和1比特，量子比特能存儲(chǔ)更多的信息，其性能大大超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

2010年3月，德國(guó)某研究中心發(fā)表公報(bào)稱其超級(jí)計(jì)算機(jī)成功仿真42位量子計(jì)算機(jī)。在此基礎(chǔ)上，研究人員首次可以仔細(xì)地研究高位數(shù)量子計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)特性。

IBM的科學(xué)家在量子計(jì)算方面取得重大突破，2012年1月完成系列量子計(jì)算試驗(yàn)，在絕對(duì)零度條件下證實(shí)了通過(guò)量子技術(shù)一秒鐘可以進(jìn)行億萬(wàn)次運(yùn)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位非0即1，而一個(gè)量子可以擁有0、1以及同時(shí)0與1三種狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)突破允許科學(xué)家在初步計(jì)算中減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率，同時(shí)在量子位中保持量子機(jī)械屬性的完整性。

量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行大數(shù)的因式分解和Grover搜索破譯密碼，但是同時(shí)也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對(duì)進(jìn)行量子通訊的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對(duì)的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽(tīng)者都不能獲得完全的量子信息。正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實(shí)現(xiàn)的量子通訊才是真正不會(huì)被破解的保密通訊。此外量子計(jì)算機(jī)還可以用來(lái)做量子系統(tǒng)的模擬，一旦有了量子模擬計(jì)算機(jī)，就無(wú)需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上做數(shù)值計(jì)算，便可精確地研究量子體系特征。

篇8

關(guān)鍵詞：計(jì)算科學(xué)　工具　圖靈模型　量子計(jì)算

所謂計(jì)算，就是從一個(gè)符號(hào)串f 變換成另一個(gè)符號(hào)串g。比如說(shuō)，從符號(hào)串12+3變換成15就是一個(gè)加法計(jì)算。如果符號(hào)串f是x2，而符號(hào)串g是2x，從f到g的計(jì)算就是微分。定理證明也是如此，令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則，令g是一個(gè)定理，那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個(gè)角度看，文字翻譯也是計(jì)算，如f代表一個(gè)英文句子，而g為含意相同的中文句子，那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點(diǎn)？為什么把它們都叫做計(jì)算？因?yàn)樗鼈兌际菑募褐?hào)(串) 開(kāi)始，一步一步地改變符號(hào)(串)，經(jīng)過(guò)有限步驟，最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)(串) 的變換過(guò)程。

從類型上講，計(jì)算主要有兩大類: 數(shù)值計(jì)算和符號(hào)推導(dǎo)。數(shù)值計(jì)算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運(yùn)算、開(kāi)方運(yùn)算、方程的求解等；符號(hào)推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明，幾何命題的證明等。但無(wú)論是數(shù)值計(jì)算還是符號(hào)推導(dǎo)，它們?cè)诒举|(zhì)上是等價(jià)的、一致的，即二者是密切關(guān)聯(lián)的，可以相互轉(zhuǎn)化，具有共同的計(jì)算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展，還可能出現(xiàn)新的計(jì)算類型。

以IBM 研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為，到21世紀(jì)30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度，此時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律——牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行，而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作; 同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米) 后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)此問(wèn)題的看法十分一致: 摩爾定律不久將不再適用。也就是說(shuō)，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家、哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))”，它純粹是人為的。但我們相信，通過(guò)追尋“夢(mèng)想——發(fā)現(xiàn)——解釋——夢(mèng)想”的不斷循環(huán)，我們可以開(kāi)拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域，世界最終會(huì)變得越來(lái)越清晰，我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。

在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國(guó)牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch 提出：是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇——圖靈論題？費(fèi)曼指出，使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的，即把計(jì)算看作由“神諭”來(lái)實(shí)現(xiàn)的: 這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明: 量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng)，例如，現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù)) 分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)典型的“困難問(wèn)題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒(méi)有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。 目前，就是將全世界所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來(lái)來(lái)計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問(wèn)題，大約需要28萬(wàn)年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類所能夠等待的時(shí)間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大，也就是說(shuō)如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。

人類的計(jì)算工具，從木棍、石頭到算盤(pán)，經(jīng)過(guò)電子管計(jì)算機(jī)，晶體管計(jì)算機(jī)，到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)，再到量子計(jì)算，筆者發(fā)、這其中的過(guò)程讓人思考: 首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算，隨后，人們發(fā)明了算盤(pán)，來(lái)幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”，機(jī)器也可以用來(lái)搬動(dòng)“算珠”，而且效率更高、速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機(jī)械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí)，數(shù)學(xué)家們開(kāi)始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開(kāi)了研究，圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。量子計(jì)算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性，試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算?？梢哉f(shuō)，這是一種革命性的思考與解決問(wèn)題的方式。

如果觀察歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷地增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認(rèn)清并解決了許多問(wèn)題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律:

“計(jì)算工具不斷發(fā)展— 整體思維能力的不斷增強(qiáng)——公理系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大——舊的神諭被解決——新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。

篇9

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無(wú)疑將從更高的理論起點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對(duì)材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門(mén)學(xué)科，經(jīng)過(guò)化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計(jì)算方法在近幾十年來(lái)取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級(jí)問(wèn)題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對(duì)量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開(kāi)始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對(duì)摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見(jiàn)運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[6]閔新民.化學(xué)學(xué)報(bào),1992,50(5):449

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[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

篇10

關(guān)健詞：生物計(jì)算機(jī)；分子計(jì)算機(jī)；光計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)；量子計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào)：TP38文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2007)04-11136-01

1 引言

自從1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)， 電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)走過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的歷程。從第一代電子管計(jì)算機(jī)到現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)的第六代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的體積不斷變小，但性能、速度卻在不斷提高。自計(jì)算機(jī)問(wèn)世50多年來(lái)，運(yùn)算速度已提高了約10億倍。在最新一代芯片中，晶體管之間的連接導(dǎo)線的厚度已被蝕刻到只有0.03微米，是人頭發(fā)的1/4500。然而，原有發(fā)展起來(lái)的以硅為基礎(chǔ)的芯片制造技術(shù)的發(fā)展不是無(wú)限的，由于存在磁場(chǎng)效應(yīng)、熱效應(yīng)、量子效應(yīng)以及制作上的困難，當(dāng)線寬低于0.1mm以后將不可避免地達(dá)到僅有單個(gè)分子大小的物理學(xué)極限。越來(lái)越多的專家認(rèn)識(shí)到，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上大幅度提高計(jì)算機(jī)的性能必將遇到難以逾越的障礙，從其它技術(shù)方面尋找計(jì)算機(jī)發(fā)展的突破口才是正確的道路。目前至少有5種可能的技術(shù)來(lái)生產(chǎn)出未來(lái)的計(jì)算機(jī)，它們是：生物計(jì)算機(jī)，分子計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)。就像電子計(jì)算機(jī)對(duì)20世紀(jì)產(chǎn)生了重大影響一樣，各種新穎的計(jì)算機(jī)也必將對(duì)未來(lái)產(chǎn)生重大影響。

2 生物計(jì)算機(jī)

DNA生物計(jì)算機(jī)是美國(guó)南加州大學(xué)阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想。由于蛋白質(zhì)分子中的氫也有兩種電態(tài)。因此，一個(gè)蛋白質(zhì)分子就是一個(gè)開(kāi)關(guān)。從理論上講，用蛋白質(zhì)分子作為元件，就能制造出蛋白質(zhì)型的計(jì)算機(jī)，又被稱作“生物計(jì)算機(jī)”?？茖W(xué)家設(shè)計(jì)的生物計(jì)算機(jī)模型中DNA絕大多數(shù)都是懸浮于充滿液體的試管之內(nèi)來(lái)執(zhí)行運(yùn)算。與傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)以“0”和“1”來(lái)代表信息不同，在DNA計(jì)算機(jī)中，信息將以分子代碼的形式排列于DNA上，特定的酶可充當(dāng)“軟件”來(lái)完成所需的各種信息處理工作。DNA計(jì)算機(jī)技術(shù)的誘惑力，在于其和傳統(tǒng)硅技術(shù)相比所具有的巨大存儲(chǔ)能力：一克DNA所能存儲(chǔ)的信息量，估計(jì)可與1萬(wàn)億張CD光盤(pán)相當(dāng)；數(shù)百萬(wàn)億個(gè)DNA分子擁有可感受和回應(yīng)周圍環(huán)境的所有計(jì)算結(jié)構(gòu)，可在一個(gè)狹小的表面區(qū)域通過(guò)生物化學(xué)反應(yīng)來(lái)協(xié)調(diào)工作，這一并行處理能力據(jù)認(rèn)為可與目前功能最為強(qiáng)大的超級(jí)電子計(jì)算機(jī)媲美。

生物計(jì)算機(jī)具有三大顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)信息以波的形式傳播，運(yùn)算速度比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍；

(2)只需很少能量就可工作，不存在發(fā)熱問(wèn)題。并且擁有巨大的存儲(chǔ)能力；

(3)由于蛋白質(zhì)分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能自動(dòng)修復(fù)芯片發(fā)生的故障，還能模仿人腦的思考機(jī)制。

3 分子計(jì)算機(jī)

分子計(jì)算機(jī)是在納米電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)在的納米電子技術(shù)有望水到渠成地成為目前以硅等為基礎(chǔ)的微米級(jí)集成電路技術(shù)的“接班人”。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行靠的是分子晶體可以吸收以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。憑借著分子納米級(jí)的尺寸，分子計(jì)算機(jī)的體積將劇減。此外，分子計(jì)算機(jī)耗電可大大減少并能更長(zhǎng)期地存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。

與目前的計(jì)算機(jī)相比，分子計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的電力將大大減少，并且有可能永久保存大量數(shù)據(jù)，從而使用戶不必進(jìn)行刪除文檔的操作。此外，這些計(jì)算機(jī)還能免受計(jì)算機(jī)病毒、系統(tǒng)死機(jī)或其他故障的影響。

4 光學(xué)計(jì)算機(jī)

所謂光計(jì)算機(jī)，就是利用光作為信息的傳輸媒體。未來(lái)的光計(jì)算機(jī)可能是混合型的，即把極細(xì)的激光束與快速的芯片相結(jié)合。那時(shí)，計(jì)算機(jī)將不采用金屬引線，而是以大量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個(gè)芯片傳送到另一個(gè)芯片。這種傳送方式稱為自由空間光學(xué)技術(shù)。

光計(jì)算機(jī)有三大優(yōu)勢(shì)：

(1)光子的傳播速度無(wú)與倫比，電子在導(dǎo)線中的運(yùn)行速度與其相比就像蝸牛爬行那樣。今天電子計(jì)算機(jī)的傳送速度最高為每秒109個(gè)字節(jié)，而采用硅－光混合技術(shù)后，其傳送速度就可達(dá)到每秒萬(wàn)億字節(jié)；

(2)更重要的是光子不像帶電的電子那樣相互作用，因此經(jīng)過(guò)同樣窄小的空間通道可以傳送更多數(shù)據(jù)；

(3)尤其值得一提的是光無(wú)須物理連接。如能將普通的透鏡和激光器做得很小，足以裝在微芯片的背面，那么明天的計(jì)算機(jī)就可以通過(guò)稀薄的空氣傳送信號(hào)了。

5 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

導(dǎo)體在溫度下降到某一值時(shí)，電阻會(huì)突然消失，這一奇妙的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象。它是在1911年由荷蘭物理學(xué)家昂尼斯首先發(fā)現(xiàn)的。具有超導(dǎo)性的物質(zhì)稱之為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)下電阻為零，可輸送大電流而不發(fā)熱、不損耗，具有高載流能力，可長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損耗地儲(chǔ)存大量的電能以及能產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)。1962年，正在英國(guó)劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位的研究生約瑟夫遜提出了超導(dǎo)效應(yīng)（亦稱約瑟夫遜效應(yīng)）的原理，超導(dǎo)技術(shù)自此開(kāi)始嶄露頭角，展現(xiàn)出引人注目的前景。利用約瑟夫遜效應(yīng)，在約瑟夫遜結(jié)上加電源，當(dāng)電流低于某一個(gè)臨界值時(shí)，絕緣層上不出現(xiàn)電壓降，此時(shí)結(jié)處于超導(dǎo)態(tài)；當(dāng)電流超過(guò)臨界值時(shí)，結(jié)呈現(xiàn)電阻，并產(chǎn)生幾毫伏的電壓降，即轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。如在結(jié)上加一個(gè)控制極來(lái)控制通過(guò)結(jié)的電流或利用外加磁場(chǎng)，可使結(jié)在兩 個(gè)工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，這就成了典型的超導(dǎo)開(kāi)關(guān)。利用超導(dǎo)開(kāi)關(guān)可制成超導(dǎo)存儲(chǔ)器、超導(dǎo)大規(guī)模集成電路，這是計(jì)算機(jī)中理想的超高速器件。

利用超導(dǎo)器件制成的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)相比具有諸多優(yōu)勢(shì)：(1)運(yùn)行速度快。超導(dǎo)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度目前已達(dá)幾微微秒（1微微秒＝10的12次方秒），這使得超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度將比目前的計(jì)算機(jī)快100倍。二是功耗低，集成度高。由于電流在超導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)不發(fā)熱，也不損耗，超導(dǎo)集成電路的功耗僅為硅集成電路的幾百分之一，為一般晶體管的二千分之一，因此其集成度可望做得很高。目前已達(dá)到大規(guī)模集成電路的水平；(2)超導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)基本上可用現(xiàn)行大規(guī)模集成電路工藝制作，因而無(wú)需花費(fèi)大量的財(cái)力與人力；(3)利用超導(dǎo)傳輸線來(lái)完成計(jì)算機(jī)中元器件之間的信號(hào)傳輸時(shí)具有信號(hào)無(wú)損耗和低色散的特點(diǎn)。

6 量子計(jì)算機(jī)

什么是量子計(jì)算機(jī)呢？把量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)的可能性是在1982年由美國(guó)著名物理學(xué)家理查德?費(fèi)因曼首次提出的。隨后，英國(guó)牛津大學(xué)物理學(xué)家戴維?多伊奇于1985年初步闡述了量子計(jì)算機(jī)的概念。量子計(jì)算機(jī)是利用處于多現(xiàn)實(shí)態(tài)的原子作為數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，這是一種采用基于量子力量的深層次的計(jì)算模式的計(jì)算機(jī)。這一模式只由物質(zhì)世界中一個(gè)原子的行為所決定，而不是像傳統(tǒng)的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)那樣將信息分為0和1，用晶體管的開(kāi)與關(guān)來(lái)處理這些信息。在量子計(jì)算機(jī)中最小的信息單元是一個(gè)量子比特(quantum bit)。量子比特不只是開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，而是以多種狀態(tài)同時(shí)出現(xiàn)。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)使用并行結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)來(lái)處理信息是非常有利的。

與傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)有以下優(yōu)勢(shì)：(1)解題速度快。傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)用“1”和“0”表示信息，而量子粒子可以有多種狀態(tài)，使量子計(jì)算機(jī)能夠采用更為豐富的信息單位，從而大大加快了運(yùn)行速度。例如，電子計(jì)算機(jī)使用的RSA公鑰加密系統(tǒng)是以巨大數(shù)的質(zhì)因子非常難以分解為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一種多達(dá)400位長(zhǎng)的“天文數(shù)字”，如果要對(duì)其進(jìn)行因子分解，即使使用目前世界上運(yùn)算速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也需要耗時(shí)10億年。如果用量子計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行因子分解，則只需10個(gè)月左右；(2)存儲(chǔ)量大。電子計(jì)算機(jī)用二進(jìn)制存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，量子計(jì)算機(jī)用量子位存儲(chǔ)，具有疊加效應(yīng)，有m個(gè)量子位就可以存儲(chǔ)2m個(gè)數(shù)據(jù)。因此，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力比電子計(jì)算機(jī)大得多；(3)搜索功能強(qiáng)勁。美國(guó)朗訊科技公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的洛夫?格羅佛教授發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)能夠組成一種量子超級(jí)網(wǎng)絡(luò)引擎，可輕而易舉地從浩如煙海的信息海洋中快速搜尋出特定的信息。其方法是采用不同的量子位狀態(tài)組合，分別檢索數(shù)據(jù)庫(kù)里的不同部分，其中必然有一種狀態(tài)組合會(huì)找到所需的信息；(4)安全性較高?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果過(guò)往的原子因發(fā)生碰撞而導(dǎo)致信息丟失時(shí)，量子計(jì)算機(jī)能自動(dòng)擴(kuò)展信息，與家族伙伴成為一體，于是系統(tǒng)可以從其家族伙伴中找到替身而使丟失的信息得以恢復(fù)。

7 誰(shuí)將是未來(lái)的計(jì)算機(jī)