導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子計算的發(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影測量 計算機視覺 多目立體視覺 影像匹配

引言

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

計算機視覺是一個相對年輕而又發(fā)展迅速的領(lǐng)域。其目標(biāo)是使計算機具有通過二維圖像認(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)、運動等，而且能對它們進(jìn)行描述、存儲、識別與理解[3]。數(shù)字?jǐn)z影測量具有類似的目標(biāo)，也面臨著相同的基本問題。數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)涉及多個學(xué)科，如圖像處理、模式識別以及計算機圖形學(xué)等。由于它與計算機視覺的聯(lián)系十分緊密，有些專家將其看做是計算機視覺的分支。

數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展已經(jīng)借鑒了許多計算機視覺的研究成果[4]。數(shù)字?jǐn)z影測量發(fā)展導(dǎo)致了實時攝影測量的出現(xiàn)，所謂實時攝影測量是指利用多臺CCD數(shù)字?jǐn)z影機對目標(biāo)進(jìn)行影像獲取，并直接輸入計算機系統(tǒng)中，在實時軟件的幫助下，立刻獲得和提取需要的信息，并用來控制對目標(biāo)的操作[1]。在立體觀測的過程中，其主要利用計算機視覺方法實現(xiàn)計算機代替人眼。隨著數(shù)碼相機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字近景攝影測量已經(jīng)成為必然趨勢。近景攝影測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空位置的一門新技術(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。量測型的計算機視覺與數(shù)字近景攝影測量的學(xué)科交叉將會在計算機視覺中形成一個新的分支――攝影測量的計算機視覺，但是它不應(yīng)僅僅局限于地學(xué)信息[2]。

1.　計算機視覺與數(shù)字?jǐn)z影測量的差異

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與對應(yīng)物點之間的幾何關(guān)系，最終實現(xiàn)利用攝影片上的影像信息測制各種比例尺地形圖，建立地形數(shù)據(jù)庫，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，它是在測繪領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展起來的一門學(xué)科。

而計算機視覺領(lǐng)域的突出特點是其多樣性與不完善性。計算機視覺的主要任務(wù)是通過對采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場景的三維信息，因此直到計算機的性能提高到足以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時它才得到正式的關(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)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用計算機來替代人工視覺。

由于攝影測量是測繪地形圖的重要手段之一，為了測繪某一地區(qū)而攝影的所有影像，必須建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系。而計算機視覺是研究怎樣用計算機模擬人的眼睛，因此它是以眼睛（攝影機中心）與光軸構(gòu)成的坐標(biāo)系為準(zhǔn)。因此，攝影測量與計算機視覺目的不同，導(dǎo)致它們對物體與影像之間關(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影測量領(lǐng)域的計算機視覺理論――立體視覺

2.1　立體視覺

立體視覺是計算機視覺中的一個重要分支，一直是計算機視覺研究的重點和熱點之一，在20多年的發(fā)展過程中，逐漸形成了自己的方法和理論。立體視覺的基本原理是從兩個（或多個）視點觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計算像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。一個完整的立體視覺系統(tǒng)通常可分為圖像獲取、攝像機定標(biāo)、特征提取、影像匹配、深度確定及內(nèi)插等6個大部分[5]。其中影像匹配是立體視覺中最重要也是最困難的問題，也是計算機視覺和數(shù)字?jǐn)z影測量的核心問題。

2.2　影像匹配

立體視覺的最終目的是為了恢復(fù)景物可視表面的完整信息。當(dāng)空間三維場景被投影為二維圖像時，同一景物在不同視點下的圖像會有很大不同，而且場景中的諸多因素，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)確地對包含了如此之多不利因素的圖像進(jìn)行無歧義的匹配，顯然是十分困難的。

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

2.3　多目立體視覺

根據(jù)單張相片只能確定地面某個點的方向，不能確定地面點的三維空間位置，而有了立體像對則可構(gòu)成與地面相似的立體模型，解求地面點的空間位置。雙目立體視覺由不同位置的兩臺或者一臺攝像機（CCD）經(jīng)過移動或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場景，就像人有了兩只眼睛，才能看三維立體景觀一樣，然后通過計算空間點在兩幅圖像中的視差，獲得該點的三維坐標(biāo)值。現(xiàn)在的數(shù)字?jǐn)z影測量中的立體像對技術(shù)通常是在一條基線上進(jìn)行的，但是由于采用計算機匹配替代人眼測定影像同名像對時存在大量的誤匹配，使自動匹配的結(jié)果很不可靠。其存在的問題主要是，對存在特殊結(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；在攝像機基線距離增大時，遮擋嚴(yán)重，能重建的空間點減少。為了解決這些問題，降低雙目匹配的難度，自1986年以來出現(xiàn)了三目立體視覺系統(tǒng)，即采用3個攝像機同時攝取空間景物，通過利用第三目圖像提供的信息來消除匹配的歧義性[5]。采用“多目立體視覺技術(shù)”可以利用攝影測量的空中三角測量原理，對多度重疊點進(jìn)行“多方向的前方交會”，既能較有效地解決隨機的誤匹配問題，同時又能增加交會角，提高高程測量的精度[2]。這項技術(shù)的應(yīng)用，將很大程度地解決自動匹配結(jié)果的不可靠性，提高數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

篇2

關(guān)鍵詞：計算機 趨勢 發(fā)展

一、計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢

（一）計算機科學(xué)與技術(shù)實現(xiàn)了智能化的超級計算

可能你不知道，超高速計算機采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計算機結(jié)構(gòu)，使計算機系統(tǒng)同時執(zhí)行多條指令或同時對多個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計算機運行速度。超級計算機通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機）組成，能完成普通計算機和服務(wù)器不能計算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級計算機獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動各個領(lǐng)域高精尖項目的研算、傳翰和存儲。光子計算機即全光數(shù)字計算機，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速地并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升?？傊?，計算機科學(xué)與技術(shù)實現(xiàn)了智能化的超級計算。

（二）計算機科學(xué)與技術(shù)實現(xiàn)了分子計算機

大家都知道，分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運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。分子計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。轉(zhuǎn)換開關(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。生物分子組成的計算機具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機體中運行，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、自動機模型、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，分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計算機既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內(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)成的微型分子計算機。預(yù)計20年后，分子計算機將進(jìn)人實用階段。也就是說計算機科學(xué)與技術(shù)實現(xiàn)了分子計算機。

（三）計算機科學(xué)與技術(shù)實現(xiàn)了納米計算機

納米計算機是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅固，有著極強的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計算機?！凹{米”是一個計量單位，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原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。現(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子算機也會像現(xiàn)在的馬達(dá)一樣，存在于家中的各種電器中，那時問你家里有多少計算機，你也數(shù)不清，你的筆記本，書籍都已電子化。再過十幾、二十幾年，可能學(xué)生們上課用的不再是教科書，而只是一個筆記本大小的計算機，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)言未來計算機可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計算機將成為不被人注意的最常用的日用品。

（四）計算機科學(xué)與技術(shù)實現(xiàn)了量子計算機

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)。使信息沿著聚合物移動。從而進(jìn)行運算。量子計算機中的數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏嬎?，其運算速度可能比目前計算機的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，量子計算機還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識產(chǎn)生重大的沖擊。無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。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、量子點操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機使計算的概念煥然一新。

二、計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢總結(jié)

計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將朝著向信息的智能化發(fā)展。計算機技術(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)與實踐有關(guān)的認(rèn)識的發(fā)展，這些學(xué)科常吸收更為基礎(chǔ)的學(xué)科，提高就能有實踐的進(jìn)步，在對計算機技術(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)常有另外一條路徑，這個過程存在著強烈的相互作用，有關(guān)半導(dǎo)體是如何運行的理論也建立了起來，這是用它們能夠使計算機技術(shù)的實踐中普遍存在的問題得到解決，或者說是促進(jìn)實踐的發(fā)展。能實現(xiàn)或更困難一些。顯然，選擇機制在計算機技術(shù)的實踐進(jìn)化和認(rèn)識進(jìn)化之間明顯地提供了一種雙向的連接，推動計算機技術(shù)的快速發(fā)展。參考文獻(xiàn)：

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

篇3

[關(guān)鍵詞]：計算科學(xué)　計算工具　圖靈模型　量子計算

中圖分類號：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　文章編號：1003-8809(2010)-09-0004-01

1、“摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題，學(xué)者們在進(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。

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，導(dǎo)線內(nèi)運動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)家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發(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)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想―發(fā)現(xiàn)―解釋―夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領(lǐng)域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。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、量子計算系統(tǒng)

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發(fā)生的情況就會多出一倍，也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了，不過，在費曼眼里，這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面，量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性：在干涉實驗中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實驗，測量其結(jié)果，就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計算。因此，只要在計算機運行的過程中，允許它在真實的量子力學(xué)對象上完成實驗，并把實驗結(jié)果整合到計算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。

在費曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學(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)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇――圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的，即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強，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大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進(jìn)行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題，大約需要28萬年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大，也就是說如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。

3、量子計算中的神諭

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經(jīng)過電子管計算機，晶體管計算機，到現(xiàn)在的電子計算機，再到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計算，隨后，人們發(fā)明了算盤，來幫助人們進(jìn)行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”，機器也可以用來搬動“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械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計算工具的同時，數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復(fù)雜的大量運算?？梢哉f，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”，即使是最先進(jìn)的電子計算機的CPU內(nèi)部，64位的寄存器(register)，也是等價于一個有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機理，卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內(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

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

如果觀察歷史，會發(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)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識模式似乎符合下面的規(guī)律：

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關(guān)鍵詞:計算科學(xué)計算工具圖靈模型量子計算

1計算的本質(zhì)

抽象地說,所謂計算,就是從一個符號串f變換成另一個符號串g。比如說,從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。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。從這個角度看,文字翻譯也是計算,如f代表一個英文句子,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？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串)開始,一步一步地改變符號(串),經(jīng)過有限步驟,最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號(串)的變換過程。

從類型上講,計算主要有兩大類:數(shù)值計算和符號推導(dǎo)。數(shù)值計算包括實數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導(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。但無論是數(shù)值計算還是符號推導(dǎo),它們在本質(zhì)上是等價的、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)新的計算類型。

2遠(yuǎn)古的計算工具

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

早在公元前5世紀(jì),中國人已開始用算籌作為計算工具,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,人們發(fā)明了算盤,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,比算籌更加方便實用,同時還把算法口訣化,從而加快了計算速度。

3近代計算系統(tǒng)

近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計算工具的發(fā)展:在1614年,對數(shù)被發(fā)明以后,乘除運算可以化為加減運算,對數(shù)計算尺便是依據(jù)這一特點來設(shè)計。1620年,岡特最先利用對數(shù)計算尺來計算乘除。1850年,曼南在計算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現(xiàn)的,是計算工具上的一大發(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算的手搖計算器,是長1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過人們在這方面多年的研究,特別是經(jīng)過托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后,出現(xiàn)了多種多樣的手搖計算器,并風(fēng)行全世界。

4電動計算機

英國的巴貝奇于1834年,設(shè)計了一部完全程序控制的分析機,可惜礙于當(dāng)時的機械技術(shù)限制而沒有制成,但已包含了現(xiàn)代計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,電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計算器,實現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。

5電子計算機

20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計算器的改革有了新的發(fā)展,美國賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進(jìn)入了一個全新的時代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,也當(dāng)之無愧地被認(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。

在電子計算機和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中,因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對電子計算機產(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兩年翻一番。事實證明,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算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番,而價格卻隨之降低一倍。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“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題,學(xué)者們在進(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。

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,導(dǎo)線內(nèi)運動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)家對此問題的看法十分一致:摩爾定律不久將不再適用。也就是說,電子計算機計算能力飛速發(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)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢想”的不斷循環(huán),我們可以開拓一個個新領(lǐng)域,世界最終會變得越來越清晰,我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的7量子計算系統(tǒng)

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例,在干涉過程中,相互作用的光子每增加一個,有可能發(fā)生的情況就會多出一倍,也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了,不過,在費曼眼里,這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面,量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性:在干涉實驗中,只要給定初始條件,就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算,那么搭建這樣一個實驗,測量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計算。因此,只要在計算機運行的過程中,允許它在真實的量子力學(xué)對象上完成實驗,并把實驗結(jié)果整合到計算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。

在費曼設(shè)想的啟發(fā)下,1985年英國牛津大學(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)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇——圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時,不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的,即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的:這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強,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大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進(jìn)行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題,大約需要28萬年,這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大,也就是說如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機,我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。

8量子計算中的神諭

人類的計算工具,從木棍、石頭到算盤,經(jīng)過電子管計算機,晶體管計算機,到現(xiàn)在的電子計算機,再到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考:首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計算,隨后,人們發(fā)明了算盤,來幫助人們進(jìn)行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“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械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計算工具的同時,數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究,圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復(fù)雜的大量運算?？梢哉f。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前,所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進(jìn)的電子計算機的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價于一個有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計算則完全不同,對于量子計算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機理,卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對于黑盒子內(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,隨著計算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強了人類整體的科研能力,那么,量子計算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時代的量子“神諭”。不僅如此,量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質(zhì),把人類對計算本質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴充到量子世界中。

如果觀察歷史,會發(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)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識模式似乎符合下面的規(guī)律:

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

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

參考文獻(xiàn)

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

篇5

抽象地說，所謂計算，就是從一個符號串f變換成另一個符號串g.比如說，從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。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。從這個角度看，文字翻譯也是計算，如f代表一個英文句子，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？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號（串）開始，一步一步地改變符號（串），經(jīng)過有限步驟，最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號（串）的變換過程。

從類型上講，計算主要有兩大類：數(shù)值計算和符號推導(dǎo)。數(shù)值計算包括實數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導(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。但無論是數(shù)值計算還是符號推導(dǎo)，它們在本質(zhì)上是等價的、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)新的計算類型。

2遠(yuǎn)古的計算工具

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

早在公元前5世紀(jì)，中國人已開始用算籌作為計算工具，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，人們發(fā)明了算盤，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，比算籌更加方便實用，同時還把算法口訣化，從而加快了計算速度。

3近代計算系統(tǒng)

近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計算工具的發(fā)展：在1614年，對數(shù)被發(fā)明以后，乘除運算可以化為加減運算，對數(shù)計算尺便是依據(jù)這一特點來設(shè)計。1620年，岡特最先利用對數(shù)計算尺來計算乘除。1850年，曼南在計算尺上裝上光標(biāo)，因此而受到當(dāng)時科學(xué)工作者，特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現(xiàn)的，是計算工具上的一大發(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算的手搖計算器，是長1米的大盒子。自此以后，經(jīng)過人們在這方面多年的研究，特別是經(jīng)過托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后，出現(xiàn)了多種多樣的手搖計算器，并風(fēng)行全世界。

4電動計算機

英國的巴貝奇于1834年，設(shè)計了一部完全程序控制的分析機，可惜礙于當(dāng)時的機械技術(shù)限制而沒有制成，但已包含了現(xiàn)代計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，電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年，德國的楚澤采用了繼電器，制成了第一部過程控制計算器，實現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。

5電子計算機

20世紀(jì)初，電子管的出現(xiàn)，使計算器的改革有了新的發(fā)展，美國賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，使人類進(jìn)入了一個全新的時代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，也當(dāng)之無愧地被認(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。

在電子計算機和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中，因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GodonMoore）對電子計算機產(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兩年翻一番。事實證明，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算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番，而價格卻隨之降低一倍。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“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升？傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限？對此問題，學(xué)者們在進(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果--造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。

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，導(dǎo)線內(nèi)運動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)家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發(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)代表著一個時代最為大膽的猜想（形而上學(xué)）。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋”夢想-發(fā)現(xiàn)-解釋-夢想“的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領(lǐng)域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！?/p>

7量子計算系統(tǒng)

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發(fā)生的情況就會多出一倍，也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了，不過，在費曼眼里，這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面，量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性：在干涉實驗中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實驗，測量其結(jié)果，就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計算。因此，只要在計算機運行的過程中，允許它在真實的量子力學(xué)對象上完成實驗，并把實驗結(jié)果整合到計算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。

在費曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學(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)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇--圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的，即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”（Oracle）。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強，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大整數(shù)（如1024位的十進(jìn)制數(shù)）分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進(jìn)行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題，大約需要28萬年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大，也就是說如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。

8量子計算中的神諭

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經(jīng)過電子管計算機，晶體管計算機，到現(xiàn)在的電子計算機，再到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計算，隨后，人們發(fā)明了算盤，來幫助人們進(jìn)行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“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械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計算工具的同時，數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復(fù)雜的大量運算。可以說。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進(jìn)的電子計算機的CPU內(nèi)部，64位的寄存器（register），也是等價于一個有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機理，卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內(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，隨著計算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加強了人類整體的科研能力，那么，量子計算系統(tǒng)的產(chǎn)生，會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當(dāng)今時代的量子“神諭”.不僅如此，量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質(zhì)，把人類對計算本質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴充到量子世界中。

如果觀察歷史，會發(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)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識模式似乎符合下面的規(guī)律：

篇6

關(guān)鍵詞：計算機；發(fā)展史；前景展望

1 前言

計算機由機械技術(shù)向電子技術(shù)以及生物技術(shù)、智能技術(shù)的轉(zhuǎn)變，為我們的生活帶來了巨大的變化。計算機已經(jīng)擁有了60年的發(fā)展歷程，共經(jīng)歷了5個重要的發(fā)展階段，將在不久的未來經(jīng)歷第六個發(fā)展階段。

2 計算機發(fā)展歷史

（1）電子管計算機（1946-1958年）

用陰極射線管或汞延尺線作主存儲器，外存主要使用紙帶、卡片等，程序設(shè)計主要使用機器指令或符號指令，應(yīng)用鄰域主要是科學(xué)計算。

（2）晶體管計算機（1958-1964年）

主存儲器均采用磁蕊存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的外存儲器，程序設(shè)計使用了更接近于人類自然語言的高級程序設(shè)計語言，計算機的應(yīng)用領(lǐng)域也從科學(xué)計算擴展到了事務(wù)處理，工程設(shè)計等各個方面。

（3）小規(guī)模集成電路計算機(1964-1971年)

半導(dǎo)體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，計算機也進(jìn)入了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的發(fā)展時期，使計算機使用效率明顯提高。

（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)用的一個直接結(jié)果是微處理器和微型計算機的誕生。微處理器自1971年誕生以來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)成的高檔微型計算機系統(tǒng)已達(dá)到和超過了傳統(tǒng)超極小型計算機水平，其運算速度可以達(dá)到每秒數(shù)億次。由于微型計算機體積小、功耗低、其性能價格比占有很大優(yōu)勢，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

（5）人工智能計算機——神經(jīng)計算機。

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

3 計算機發(fā)展前景展望

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

（1）分子計算機

分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運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。分子計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。轉(zhuǎn)換開關(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。生物分子組成的計算機具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機體中運行，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， 分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10 微微秒，比人的思維速度快 100 萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲 1 萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計算機既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。

（2）光子計算機

光子計算機利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計算機中通過電子“0”和“1” 狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運算, 可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

（3）量子計算機

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

（4）納米計算機

納米計算機是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍, 質(zhì)地堅固,有著極強的導(dǎo)電性, 能代替硅芯片制造計算機?！凹{米”是一個計量單位, 一個納米等于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)正從微電子機械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計算機內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源， 而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。

（5）生物計算機[1]

20世紀(jì)80年代以來，生物工程學(xué)家對人腦、神經(jīng)元和感受器的研究傾注了很大精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高教的第六代計算機——生物計算機。用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片，存儲量可以達(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100萬倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬倍。

篇7

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

只聞其名，量子計算機，大概就能猜到它是實現(xiàn)量子計算的機器。要說清楚量子計算，首先要先看經(jīng)典計算。經(jīng)典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進(jìn)行變換的機器，其算法是由計算機的內(nèi)部邏輯電路來實現(xiàn)的。1920年，奧地利人薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克共同創(chuàng)建了一個前所未有的新學(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)了一項新技術(shù)，那就是量子計算機。量子計算機的技術(shù)概念最早由理查得·費曼提出的，后來經(jīng)過若干年的研究，這項技術(shù)已初見成效了。

2013年5月23日，Google與NASA（美國宇航局）合作建立了一個實驗室，其目的就是研究量子計算機。Google與高?？臻g研究協(xié)會（與NASA有密切合作的非盈利組織）購買了量子計算機，開始進(jìn)行量子計算的研究工作。

量子計算與傳統(tǒng)計算的區(qū)別

傳統(tǒng)計算機利用幾百萬個電子晶體管進(jìn)行數(shù)字運算，將0和1作為基本元素。量子計算則完全不同，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，它可以同時代表0和1。

傳統(tǒng)計算機在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運行，但量子計算機要更為強大，它可以在量子比特上運算，可以計算0和1之間的數(shù)值。假想一個放置在磁場中的原子，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，它一個向上轉(zhuǎn)的原子和一個向下轉(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)的總和來描述。

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

量子計算機依賴的是量子機制來提高其計算速度，量子機制決定了所有物質(zhì)和能量的行為表現(xiàn)，即使只利用量子機制的簡單特性，構(gòu)造出的計算機表現(xiàn)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何一臺超級電子計算機。加拿大公司D-Wave表示，它的“Orion”只是傳統(tǒng)計算機的補充和增強，并不是要取代誰。換句話說，量子計算機還沒有發(fā)展到可以“獨領(lǐng)”的地步。

用一個簡單的例子來描述量子計算機和傳統(tǒng)計算機的差別：在一個虛擬界面上存在山岡和低谷，目標(biāo)是找到最低點。傳統(tǒng)計算機是從一個點開始尋找，不斷搜索，有系統(tǒng)地搜索：是這里嗎？這里呢？查找的過程很慢，除非有無限的時間和無窮的耐心，否則就只能選擇“足夠好”。現(xiàn)在的答案固然不錯，但新的、更低的點也許在幾次計算后才出現(xiàn)。相比量子計算機的效率就要高得多了，因為它可以同時用多個標(biāo)準(zhǔn)來評估，從而大大改進(jìn)計算的效率。

量子計算機無法替代傳統(tǒng)計算機

IBM和微軟等許多公司都在研究量子計算技術(shù)。D-Wave是唯一銷售量子計算機硬件的廠商，公司表示，在少數(shù)復(fù)雜問題上，量子計算機的速度要比傳統(tǒng)計算機快5萬倍。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)個郵箱、聽首音樂，量子計算機不會讓你覺得有什么太大的區(qū)別，但要完成復(fù)雜任務(wù)就不同了。Google Research工程主管表示，希望量子計算機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，包括語音識別、網(wǎng)絡(luò)搜索、蛋白質(zhì)折疊等。

因此，量子計算機不會很快淘汰傳統(tǒng)計算機，它有自己的限制，而且它很難建造，價格很高。到目前，量子計算機大多是基于理論的，量子人工實驗室設(shè)立的目的之一就是推動理論的發(fā)展。它的目標(biāo)是將理論用于實踐，解決現(xiàn)實問題，為真正的量子設(shè)備編寫代碼。

Google為什么對量子計算機感興趣

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

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

Google稱：“我們已經(jīng)開發(fā)一些量子機器學(xué)習(xí)算法。當(dāng)中一些可以提高識別能力，比如在移動設(shè)備電源不足時識別。一些可以處理高度污染的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實世界中，許多時候數(shù)據(jù)被貼錯標(biāo)簽。我們還可以從中學(xué)習(xí)到一些經(jīng)驗，比如，純粹使用量子計算不會得到最好的結(jié)果，將量子計算與傳統(tǒng)計算結(jié)合會更好?！?/p>

在谷歌的量子人工智能實驗室當(dāng)中，量子計算機會先進(jìn)行機器學(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，量子計算機要負(fù)責(zé)進(jìn)行個性化的互聯(lián)網(wǎng)搜索和以GPS數(shù)據(jù)預(yù)測交通的擁堵情況。另外，還要進(jìn)行面部或語音的識別、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描述全球的天氣和氣候，否則就不會有令人信服的證據(jù)。

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

量子計算機的廣闊前景

近年來，由于社會對高速、保密、大容量的通訊和計算的需求，促進(jìn)了量子信息、量子計算理論和實驗的迅速發(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)量子計算機。

2009年11月，世界首臺量子計算機正式在美國誕生，這一量子計算機由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制，可處理兩個量子比特的數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)計算機中的0和1比特，量子比特能存儲更多的信息，其性能大大超越傳統(tǒng)計算機。

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

IBM的科學(xué)家在量子計算方面取得重大突破，2012年1月完成系列量子計算試驗，在絕對零度條件下證實了通過量子技術(shù)一秒鐘可以進(jìn)行億萬次運算。傳統(tǒng)計算機數(shù)據(jù)位非0即1，而一個量子可以擁有0、1以及同時0與1三種狀態(tài)。這項技術(shù)突破允許科學(xué)家在初步計算中減少數(shù)據(jù)錯誤率，同時在量子位中保持量子機械屬性的完整性。

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

篇8

關(guān)鍵詞：計算科學(xué)　工具　圖靈模型　量子計算

所謂計算，就是從一個符號串f 變換成另一個符號串g。比如說，從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2，而符號串g是2x，從f到g的計算就是微分。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。從這個角度看，文字翻譯也是計算，如f代表一個英文句子，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？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串) 開始，一步一步地改變符號(串)，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號(串) 的變換過程。

從類型上講，計算主要有兩大類: 數(shù)值計算和符號推導(dǎo)。數(shù)值計算包括實數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等；符號推導(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。但無論是數(shù)值計算還是符號推導(dǎo)，它們在本質(zhì)上是等價的、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，導(dǎo)線內(nèi)運動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)家對此問題的看法十分一致: 摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發(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)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))”，它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想——發(fā)現(xiàn)——解釋——夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領(lǐng)域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。

在費曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學(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)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇——圖靈論題？費曼指出，使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的，即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的: 這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明: 量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強，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大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù)) 分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進(jìn)行。 目前，就是將全世界所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題，大約需要28萬年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大，也就是說如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經(jīng)過電子管計算機，晶體管計算機，到現(xiàn)在的電子計算機，再到量子計算，筆者發(fā)、這其中的過程讓人思考: 首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計算，隨后，人們發(fā)明了算盤，來幫助人們進(jìn)行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”，機器也可以用來搬動“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械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計算工具的同時，數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。量子計算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性，試圖利用一個實驗來代替一系列復(fù)雜的大量運算。可以說，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

如果觀察歷史，會發(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)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識模式似乎符合下面的規(guī)律:

“計算工具不斷發(fā)展— 整體思維能力的不斷增強——公理系統(tǒng)的不斷擴大——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)域中無疑將從更高的理論起點來認(rèn)識微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學(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)生的一門學(xué)科，經(jīng)過化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經(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，并對實際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對量子化學(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，計算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實際問題。

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

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實驗結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(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)合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在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)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫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，計算機時少而廣泛應(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，同時由于電子計算機的飛速發(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)機理和動力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

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

量子化學(xué)計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了計算。由理論計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)果與實驗數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(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

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點，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，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進(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和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結(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]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識和計算機水平的更高發(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)計算一直是一個具有挑戰(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別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，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)合過程和作用特點設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學(xué)的手段來研究生命現(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，由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計算變得更加迅速和方便。可以預(yù)言，在不久的將來，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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[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學(xué)學(xué)報,1990,48(10):973

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[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

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

篇10

關(guān)健詞：生物計算機；分子計算機；光計算機超導(dǎo)計算機；量子計算機

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

1 引言

自從1946年世界上第一臺電子計算機誕生以來， 電子計算機已經(jīng)走過了半個多世紀(jì)的歷程。從第一代電子管計算機到現(xiàn)在正在開發(fā)的第六代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機，計算機的體積不斷變小，但性能、速度卻在不斷提高。自計算機問世50多年來，運算速度已提高了約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)展起來的以硅為基礎(chǔ)的芯片制造技術(shù)的發(fā)展不是無限的，由于存在磁場效應(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)到僅有單個分子大小的物理學(xué)極限。越來越多的專家認(rèn)識到，在傳統(tǒng)計算機的基礎(chǔ)上大幅度提高計算機的性能必將遇到難以逾越的障礙，從其它技術(shù)方面尋找計算機發(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)來生產(chǎn)出未來的計算機，它們是：生物計算機，分子計算機、光計算機、超導(dǎo)計算機和量子計算機。就像電子計算機對20世紀(jì)產(chǎn)生了重大影響一樣，各種新穎的計算機也必將對未來產(chǎn)生重大影響。

2 生物計算機

DNA生物計算機是美國南加州大學(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，一個蛋白質(zhì)分子就是一個開關(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)型的計算機，又被稱作“生物計算機”?？茖W(xué)家設(shè)計的生物計算機模型中DNA絕大多數(shù)都是懸浮于充滿液體的試管之內(nèi)來執(zhí)行運算。與傳統(tǒng)電子計算機以“0”和“1”來代表信息不同，在DNA計算機中，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”來完成所需的各種信息處理工作。DNA計算機技術(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能力：一克DNA所能存儲的信息量，估計可與1萬億張CD光盤相當(dāng)；數(shù)百萬億個DNA分子擁有可感受和回應(yīng)周圍環(huán)境的所有計算結(jié)構(gòu)，可在一個狹小的表面區(qū)域通過生物化學(xué)反應(yīng)來協(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大的超級電子計算機媲美。

生物計算機具有三大顯著優(yōu)點：

(1)信息以波的形式傳播，運算速度比當(dāng)今最新一代計算機快10萬倍；

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

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

3 分子計算機

分子計算機是在納米電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，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)的微米級集成電路技術(shù)的“接班人”。分子計算機的運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。憑借著分子納米級的尺寸，分子計算機的體積將劇減。此外，分子計算機耗電可大大減少并能更長期地存儲大量數(shù)據(jù)。

與目前的計算機相比，分子計算機運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，這些計算機還能免受計算機病毒、系統(tǒng)死機或其他故障的影響。

4 光學(xué)計算機

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

光計算機有三大優(yōu)勢：

(1)光子的傳播速度無與倫比，電子在導(dǎo)線中的運行速度與其相比就像蝸牛爬行那樣。今天電子計算機的傳送速度最高為每秒109個字節(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，那么明天的計算機就可以通過稀薄的空氣傳送信號了。

5 超導(dǎo)計算機

導(dǎo)體在溫度下降到某一值時，電阻會突然消失，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，可長時間無損耗地儲存大量的電能以及能產(chǎn)生極強的磁場。1962年，正在英國劍橋大學(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)電流低于某一個臨界值時，絕緣層上不出現(xiàn)電壓降，此時結(jié)處于超導(dǎo)態(tài)；當(dāng)電流超過臨界值時，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)上加一個控制極來控制通過結(jié)的電流或利用外加磁場，可使結(jié)在兩 個工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，這就成了典型的超導(dǎo)開關(guān)。利用超導(dǎo)開關(guān)可制成超導(dǎo)存儲器、超導(dǎo)大規(guī)模集成電路，這是計算機中理想的超高速器件。

利用超導(dǎo)器件制成的超導(dǎo)計算機與普通計算機相比具有諸多優(yōu)勢：(1)運行速度快。超導(dǎo)開關(guān)的開關(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)計算機的運行速度將比目前的計算機快100倍。二是功耗低，集成度高。由于電流在超導(dǎo)體中流動時不發(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，因而無需花費大量的財力與人力；(3)利用超導(dǎo)傳輸線來完成計算機中元器件之間的信號傳輸時具有信號無損耗和低色散的特點。

6 量子計算機

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

與傳統(tǒng)的電子計算機相比，量子計算機有以下優(yōu)勢：(1)解題速度快。傳統(tǒng)的電子計算機用“1”和“0”表示信息，而量子粒子可以有多種狀態(tài)，使量子計算機能夠采用更為豐富的信息單位，從而大大加快了運行速度。例如，電子計算機使用的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)計的一種多達(dá)400位長的“天文數(shù)字”，如果要對其進(jìn)行因子分解，即使使用目前世界上運算速度最快的超級計算機，也需要耗時10億年。如果用量子計算機來進(jìn)行因子分解，則只需10個月左右；(2)存儲量大。電子計算機用二進(jìn)制存儲數(shù)據(jù)，量子計算機用量子位存儲，具有疊加效應(yīng)，有m個量子位就可以存儲2m個數(shù)據(jù)。因此，量子計算機的存儲能力比電子計算機大得多；(3)搜索功能強勁。美國朗訊科技公司貝爾實驗室的洛夫?格羅佛教授發(fā)現(xiàn)，量子計算機能夠組成一種量子超級網(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)庫里的不同部分，其中必然有一種狀態(tài)組合會找到所需的信息；(4)安全性較高?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果過往的原子因發(fā)生碰撞而導(dǎo)致信息丟失時，量子計算機能自動擴展信息，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 誰將是未來的計算機