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量子計(jì)算的運(yùn)用范文第1篇

如果有人說(shuō)，在物理世界中有一個(gè)百歲的“幽靈”，你會(huì)相信嗎？

一百多年前，愛因斯坦也曾一直為這個(gè)“幽靈”――量子理論產(chǎn)生的種種現(xiàn)象所困惑。

如今，愛因斯坦逝世已逾六十載，可謎團(tuán)仍未完全破解。因此，可以毫不夸張地說(shuō)，量子理論就是這么一個(gè)“幽靈”。

在量子理論對(duì)世界的描述中，一個(gè)物體可以同時(shí)處于多個(gè)位置，粒子也可以無(wú)阻礙似地穿過(guò)障礙物，所有的物體都有“波粒二象性”，它既是粒子又是波，兩個(gè)分得很開的物體也可以進(jìn)行某種類似“精神性”的合作……

這些描述聽上去令人毛骨悚然，不可捉摸。難怪量子理論創(chuàng)立者之一的玻爾說(shuō)過(guò)：“如果一個(gè)人沒(méi)有被量子力學(xué)所震驚，那么他就沒(méi)有真正懂得量子力學(xué)。”

什么是“量子”

“量子”不是一種粒子，它是一個(gè)能量的最小單位。所有的微觀粒子（包括分子、原子、電子、光子）都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

眾所周知，世界是由微觀粒子組成的。因此從某種意義上來(lái)說(shuō)，世界本身就是由量子組成的。在物理學(xué)中提到“量子”時(shí)，實(shí)際上指的是微觀世界的一種行為傾向：物質(zhì)或者說(shuō)粒子的能量和其他一些性質(zhì)（統(tǒng)稱為可觀測(cè)物理量）都傾向于不連續(xù)的變化。

以光為例，我們說(shuō)一個(gè)“光量子”，是因?yàn)橐粋€(gè)光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的，例如，在沒(méi)有被電離的原子中，繞核運(yùn)動(dòng)的電子的能量是“量子化”的，也就是說(shuō)電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩(wěn)定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量，對(duì)于原子中的電子，角動(dòng)量也不再是連續(xù)變化的。

量子物理學(xué)告訴我們，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)也只能處在一些特定的運(yùn)動(dòng)模式上。在這些模式上，電子的角動(dòng)量分別具有特定的數(shù)值，介于這些模式之間的運(yùn)動(dòng)方式是極不穩(wěn)定的。即使電子暫時(shí)以其他的方式繞核運(yùn)動(dòng)，很快就必須回到特定運(yùn)動(dòng)模式上來(lái)。

實(shí)際上在量子物理學(xué)中，所有的物理量的值都可能必須不連續(xù)地、離散地變化。在上世紀(jì)初，物理學(xué)家馬克斯?普朗克最早猜測(cè)到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的。

出生于德國(guó)傳統(tǒng)保守家庭的普朗克從小受到良好的教育，雖然具有音樂(lè)天賦，十分迷戀音樂(lè)，但仍舊立志獻(xiàn)身于科學(xué)，研究物理。當(dāng)他去慕尼黑大學(xué)時(shí)，一位物理學(xué)教授曾勸說(shuō)他不要學(xué)習(xí)物理，因?yàn)椤斑@門科學(xué)中的一切都已經(jīng)被研究過(guò)了，只有一些不重要的空白需要填補(bǔ)”。教授的一席話正代表了當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家的心態(tài)。

然而執(zhí)著的普朗克卻表示：“我并不期望發(fā)現(xiàn)新大陸，只希望能理解已經(jīng)存在的美麗的物理理論，或許能將其加深和發(fā)展那么一點(diǎn)點(diǎn)?！泵\(yùn)總是喜歡開玩笑。本來(lái)并未期望在物理研究中“發(fā)現(xiàn)新大陸”的普朗克，卻在不經(jīng)意間成為了量子力學(xué)的創(chuàng)始人。

當(dāng)時(shí)，解釋熱力學(xué)中的輻射問(wèn)題，主要有瑞利-金斯定律和維恩位移定律，前者適用于低頻輻射，卻無(wú)法解釋高頻率下的測(cè)量結(jié)果；而維恩位移定律可以正確反映高頻率下的結(jié)果，但無(wú)法符合低頻率下的結(jié)果。

如何才能導(dǎo)出一個(gè)新的公式，使得高頻、低頻下都能符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢？普朗克使用了一種巧妙新穎的方法：運(yùn)用玻爾茲曼的統(tǒng)計(jì)物理，把光當(dāng)成一個(gè)一個(gè)的諧振子。在他的假設(shè)中，既然輻射的是一個(gè)一個(gè)的諧振子，也就是說(shuō)在黑體輻射時(shí)，能量就不是連續(xù)地，而是一份一份地發(fā)射出來(lái)的。

據(jù)此，普朗克導(dǎo)出了一個(gè)新公式，這個(gè)公式在頻率較小時(shí)自動(dòng)回到瑞利-金斯公式，在頻率較大時(shí)又自動(dòng)回到維恩公式。因此，新公式能在所有的頻率范圍與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。

1900年12月14日，在柏林亥姆霍茲研究所的德國(guó)物理學(xué)會(huì)上，普朗克宣讀了關(guān)于這一結(jié)果的論文。而這一天也被物理學(xué)家們定為量子力學(xué)的誕生之日。

然而，這一發(fā)現(xiàn)并不是普朗克的初衷。作為一名傳統(tǒng)而保守的物理學(xué)家，他只是按照科學(xué)方法辦事，并未想要掀起一場(chǎng)革命，連他自己都不知道，自己已經(jīng)把量子這個(gè)“妖精”引進(jìn)了物理學(xué)。

普朗克有些后悔，認(rèn)為自己制造的這個(gè)量子“妖精”破壞了物理學(xué)的完美。他曾歷經(jīng)15年的時(shí)間，試圖尋求一種經(jīng)典物理方法來(lái)導(dǎo)出同樣的公式，解決黑體輻射問(wèn)題，以便挽回“局面”。

然而，他沒(méi)有成功。直到1905年，26歲的愛因斯坦利用光量子的假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)；1913年，28歲的玻爾提出了量子化的原子結(jié)構(gòu)理論；1923年，31歲的德布羅意提出了德布羅意波；1925年，24歲的海森堡創(chuàng)立了矩陣力學(xué)；1926年，37歲的薛定諤建立了薛定諤方程……量子力學(xué)才逐漸羽翼豐滿，真正使人們看到了量子概念所閃現(xiàn)的耀眼光芒。

說(shuō)一說(shuō)“量子疊加”

量子有一個(gè)非常奇怪的特性――量子疊加。

什么是量子疊加？經(jīng)典事件里可以用某個(gè)物體的兩個(gè)狀態(tài)代表0或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時(shí)處于死和活的狀態(tài)中間。

但在量子世界，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時(shí)候像原子、分子、光子可以同時(shí)處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時(shí)候，可以沿水平方向振動(dòng)，可以沿豎直方向振動(dòng)，也可以處于45°斜振動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個(gè)狀態(tài)的相干疊加。

這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。

著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個(gè)佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。那么這只量子“薛定諤貓”到底是死的還是活的呢？

量子測(cè)量原理給出的答案是，如果你不去看這只貓，它既不是死的也不是活的！如果你去看這只貓，那么它也許是死的，也許是活的！

正因?yàn)橛辛孔盈B加狀態(tài)，才導(dǎo)致量子力學(xué)不確定原理，即如果事先不知道單個(gè)量子狀態(tài)，就不可能通過(guò)測(cè)量把狀態(tài)的信息完全讀取；不能讀取就不能復(fù)制。這是量子的兩個(gè)基本特性。

在量子疊加原理基礎(chǔ)之上，衍生出了量子的另一個(gè)奇妙特性，叫做“量子糾纏”。比方說(shuō)，甲、乙兩人分處異地，兩人同時(shí)玩一個(gè)游戲――擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率隨機(jī)得到1到6結(jié)果中的某一個(gè)；同時(shí)，乙在另一地?cái)S骰子，盡管兩人每一次單邊結(jié)果都是隨機(jī)的，但每一次的結(jié)果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應(yīng)一樣。這就是“量子糾纏”。

若兩個(gè)量子粒子處在特殊的狀態(tài)（俗稱“糾纏態(tài)”）中，不管其空間分離得多遠(yuǎn)，當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子施行操作或測(cè)量，遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)地發(fā)生相應(yīng)的改變，愛因斯坦稱這個(gè)現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。當(dāng)時(shí)，愛因斯坦認(rèn)為，怎么會(huì)允許兩個(gè)客體在遙遠(yuǎn)的兩地之間有這種詭異的互動(dòng)呢？據(jù)此，他質(zhì)疑量子理論的完備性。

1982年，法國(guó)物理學(xué)家Alain Aspect和他的小組證實(shí)了“量子糾纏”的超距作用確實(shí)存在。

但直到2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)物理學(xué)家Ronald Hanson領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)被他們稱之為“無(wú)漏洞貝爾測(cè)試”的實(shí)驗(yàn)，“幽靈般的超距作用”才得到比較嚴(yán)格的驗(yàn)證。

有了量子糾纏，量子隱形傳輸?shù)母拍畋愫糁觥?/p>

通俗來(lái)講，量子隱形傳輸是將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來(lái)。由于量子力學(xué)的不確定原理和量子態(tài)不可克隆原理，限制我們將原量子態(tài)的所有信息精確地全部提取出來(lái)。因此必須將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別由經(jīng)典通道和量子通道送到乙地。根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。

1997年，在奧地利留學(xué)的中國(guó)青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國(guó)際首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。

量子也可以“接地氣”

多年來(lái)，科學(xué)家們努力運(yùn)用量子世界種種奇異的性質(zhì)開拓出適用于經(jīng)典世界的新技術(shù)，將向來(lái)被公眾認(rèn)為高深莫測(cè)“詭異”的量子物理從云端落地到人世間，服務(wù)社會(huì)大眾。

其實(shí)，量子理論是一門非常實(shí)用的學(xué)科。

早在第二次世界大戰(zhàn)之前，它的原理就已經(jīng)被運(yùn)用于分析金屬和半導(dǎo)體的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。戰(zhàn)后，晶體管和激光器這兩個(gè)運(yùn)用量子理論原理且廣為人知的裝置，更是極大地推動(dòng)了信息革命的發(fā)展。

到本世紀(jì)初，在我們的周圍隨處可見直接或間接運(yùn)用量子理論的技術(shù)和裝置。從常見的CD唱片機(jī)到龐大的現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)、從無(wú)水涂料到激光制動(dòng)車閘、從醫(yī)院的核磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術(shù)已經(jīng)滲透到我們的生活中。

另外，計(jì)算能力的飛躍也是量子理論的重要應(yīng)用之一。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，每個(gè)比特都只有0和1這兩種狀態(tài)。但在量子計(jì)算中，每個(gè)比特可以處在0和1的疊加狀態(tài)，一旦操縱的量子數(shù)目增多，它就會(huì)以指數(shù)增長(zhǎng)的形式來(lái)提升運(yùn)算速度，有并行運(yùn)算的能力。

比如，利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬(wàn)年，利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需要1秒。同樣，在大數(shù)據(jù)和人工智能里，求解一個(gè)億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號(hào)”計(jì)算機(jī)大概需要100年左右，但是如果利用萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)，只需要0.01秒。

量子計(jì)算的應(yīng)用非常廣泛，不僅可以解決大規(guī)模的計(jì)算機(jī)難題，破解經(jīng)典密碼，進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜的物理機(jī)制。不過(guò)，量子糾纏“分身術(shù)”的特性有一個(gè)更為直接的應(yīng)用，便是量子保密通信。

現(xiàn)在被認(rèn)為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個(gè)傳輸被認(rèn)為是安全的。但隨著科技發(fā)展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號(hào)。

這是因?yàn)榻?jīng)典通信的信號(hào)只有0和1，發(fā)生竊聽時(shí)，這兩種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)。比方說(shuō)，兩人打電話時(shí)，他人可通過(guò)竊聽器從通信線路中的上千萬(wàn)個(gè)電子中分出一些電子，使其進(jìn)入另一根線路，從而實(shí)現(xiàn)竊聽，而通話者無(wú)法察覺?！袄忡R門”等事件的曝光便是最好的例證。

而量子通信則完全不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，這是因?yàn)槠涿荑€具有不可復(fù)制性和絕對(duì)安全性。一旦有人竊取密鑰，整個(gè)通信信息就會(huì)“自毀”并告知使用者。比如，甲、乙二人要進(jìn)行安全通信，甲發(fā)出的光子信息狀態(tài)有水平、豎直、45°等，假設(shè)有人竊聽，由于光子不可分割，首先竊聽者根本無(wú)法分割出“半個(gè)光子”；其次，因?yàn)閱未螠y(cè)量測(cè)不準(zhǔn)、不可克隆的量子態(tài)特性，竊聽者無(wú)法復(fù)制信息；倘若竊聽者截獲光子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。

量子計(jì)算的運(yùn)用范文第2篇

高性能計(jì)算能力是國(guó)家重要科技實(shí)力的體現(xiàn)，中科院、科技部率先部署和支持了高性能計(jì)算相關(guān)規(guī)劃與建設(shè)。到2016年，中國(guó)科學(xué)院高性能計(jì)算環(huán)境已為我國(guó)科研服務(wù)20年，支撐了多個(gè)國(guó)家重大規(guī)劃、千余項(xiàng)國(guó)家各類科研項(xiàng)目。

雖然中國(guó)高性能計(jì)算已經(jīng)取得了里程碑性的成績(jī)，但是科研工作者的腳步不會(huì)停止。他們已經(jīng)在思考未來(lái)的發(fā)展方向在哪里，并將目光瞄向了“天然的超級(jí)計(jì)算機(jī)”―量子計(jì)算機(jī)。

“杞人憂天”的物理學(xué)家們與量子計(jì)算機(jī)的誕生

量子計(jì)算機(jī)的誕生和著名的摩爾定律有關(guān)，還和“杞人憂天”的物理學(xué)家們有關(guān)。

眾所周知，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度（單位芯片的晶體管數(shù)）。集成度不斷提高，速度就不斷加快，我們的手機(jī)、電腦就能不斷更新?lián)Q代。

20世紀(jì)80年代，摩爾定律很貼切地反映了信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，但“杞人憂天”的物理學(xué)家們卻提出了一個(gè)“大煞風(fēng)景”的問(wèn)題： 摩爾定律有沒(méi)有終結(jié)的時(shí)候？

之所以提出這個(gè)問(wèn)題，是因?yàn)槟柖傻募夹g(shù)基礎(chǔ)天然地受到兩個(gè)主要物理限制。

一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險(xiǎn)。芯片發(fā)熱主要是因?yàn)橛?jì)算機(jī)門操作時(shí)，其中不可逆門操作會(huì)丟失比特。物理學(xué)家計(jì)算出每丟失一個(gè)比特所產(chǎn)生的熱量，操作速度越快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越多，算機(jī)溫度必然迅速上升，這時(shí)必須消耗大量能量來(lái)散熱，否則芯片將被燒壞。

二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當(dāng)小到只有一個(gè)電子時(shí)，量子效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。此時(shí)電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應(yīng)，本來(lái)無(wú)法穿過(guò)的壁壘也穿過(guò)去了，所以量子效應(yīng)會(huì)阻礙信息技術(shù)繼續(xù)按照摩爾定律發(fā)展。

所謂隧道效應(yīng)，即由微觀粒子波動(dòng)性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢(shì)壘貫穿。它在本質(zhì)上是量子躍遷，粒子迅速穿越勢(shì)壘。在勢(shì)壘一邊平動(dòng)的粒子，當(dāng)動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí)，按照經(jīng)典力學(xué)的說(shuō)法，粒子是不可能越過(guò)勢(shì)壘的；而對(duì)于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢(shì)壘，實(shí)際上也的確如此。

這兩個(gè)限制就是物理學(xué)家們預(yù)言摩爾定律會(huì)終結(jié)的理由所在。

雖然這個(gè)預(yù)言在當(dāng)時(shí)沒(méi)有任何影響力，但“杞人憂天”的物理學(xué)家們并不“死心”，繼續(xù)研究，提出了第二個(gè)問(wèn)題：如果摩爾定律終結(jié)，在后摩爾時(shí)代，提高運(yùn)算速度的途徑是什么？

這就導(dǎo)致了量子計(jì)算概念的誕生。

量子計(jì)算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會(huì)出現(xiàn)非可逆操作，所以耗能很??；而量子效應(yīng)正是提高量子計(jì)算并行運(yùn)算能力的物理基礎(chǔ)。

甲之砒霜，乙之蜜糖。它們對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是障礙的量子效應(yīng)，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，反而成了資源。

量子計(jì)算的概念最早是1982年由美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼提出的。1985年，英國(guó)物理學(xué)家又提出了“量子圖靈機(jī)”的概念，之后許多物理學(xué)家將“量子圖靈機(jī)”等效為量子的電子線路模型，并開始付諸實(shí)踐。但當(dāng)年這些概念的提出都沒(méi)有動(dòng)搖摩爾定律在信息技術(shù)領(lǐng)域的地位，因?yàn)樵谙喈?dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，摩爾定律依然在支撐著電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度的飛速提高。

直到今年，美國(guó)政府宣布，摩爾定律終結(jié)了。微電子未來(lái)的發(fā)展是低能耗、專用這兩個(gè)方向，而不再是追求速度。

由此可見，基礎(chǔ)研究可能在當(dāng)時(shí)看不到有什么實(shí)際價(jià)值，但未來(lái)卻會(huì)發(fā)揮出巨大作用。

量子計(jì)算機(jī)雖然好，研制起來(lái)卻非常難

量子計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)一樣，其功用在于計(jì)算具體數(shù)學(xué)問(wèn)題。不同的是，電子計(jì)算機(jī)所用的電子存儲(chǔ)器在某個(gè)時(shí)間只能存一個(gè)數(shù)據(jù)，它是確定的，操作一次就把一個(gè)比特（bit，存儲(chǔ)器最小單元）變成另一個(gè)比特，實(shí)行串行運(yùn)算模式；而量子計(jì)算機(jī)利用量子性質(zhì)，一個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)值，N個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方數(shù)據(jù)，操作一次會(huì)將這個(gè)2的N次方數(shù)據(jù)變成另外一個(gè)2的N次方數(shù)據(jù)，以此類推，運(yùn)行模式為一個(gè)CPU的并行運(yùn)算模式，運(yùn)行操作能力指數(shù)上升，這是量子計(jì)算機(jī)來(lái)自量子性的優(yōu)點(diǎn)。量子計(jì)算本來(lái)就是并行運(yùn)算，所以說(shuō)量子計(jì)算機(jī)天然就是“超級(jí)計(jì)算機(jī)”。

要想研制量子計(jì)算機(jī)，除了要研制芯片、控制系統(tǒng)、測(cè)量裝置等硬件外，還需要研制與之相關(guān)的軟件，包括編程、算法、量子計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)等。

一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)輸入后，被編制成量子體系的初始狀態(tài)，按照量子計(jì)算機(jī)欲計(jì)算的函數(shù)，運(yùn)用相應(yīng)的量子算法和編程，編制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作變換，將量子計(jì)算機(jī)的初態(tài)變成末態(tài)，最后對(duì)末態(tài)實(shí)施量子測(cè)量，讀出運(yùn)算的結(jié)果。

一臺(tái)有N個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，要保證能夠?qū)嵤┮粋€(gè)量子比特的任意操作和任意兩個(gè)量子比特的受控非操作，才能進(jìn)行由這兩個(gè)普適門操作的組合所構(gòu)成的幺正操作，完成量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算任務(wù)。這是量子芯片的基本要求。如果要超越現(xiàn)有電子計(jì)算水平，需要多于1000個(gè)量子比特構(gòu)成的芯片。目前，這還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這種基于“量子圖靈機(jī)”的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算是量子計(jì)算機(jī)研制的主流。

除此以外，還有其他量子計(jì)算模型，如單向量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算，但其研制的困難程度并沒(méi)有減小。另外，還有拓?fù)淞孔佑?jì)算、絕熱量子計(jì)算等。

由于對(duì)硬件和軟件的全新要求，量子計(jì)算機(jī)的所有方面都需要重新進(jìn)行研究，這就意味著量子計(jì)算是非常重要的交叉學(xué)科，是需要不同領(lǐng)域的人共同來(lái)做才能做成的復(fù)雜工程。

把量子計(jì)算機(jī)從“垃圾桶”撿回來(lái)的量子編碼與容錯(cuò)編碼

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算最困難的地方在于，這種宏觀量子系統(tǒng)是非常脆弱的，周圍的環(huán)境都會(huì)破壞量子相干性（消相干），一旦量子特性被破壞，將導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)并行運(yùn)算能力基礎(chǔ)消失，變成經(jīng)典的串行運(yùn)算。

所以，早期許多科學(xué)家認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)只是紙上談兵，不可能被制造出來(lái)。直到后來(lái)，科學(xué)家發(fā)明了量子編碼。

量子編碼的發(fā)現(xiàn)等于把量子計(jì)算機(jī)從“垃圾桶”里又撿回來(lái)了。

采用起碼5個(gè)量子比特編碼成1個(gè)邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯(cuò)誤。

不僅如此，為了避免在操作中的錯(cuò)誤，使其能夠及時(shí)糾錯(cuò)，科學(xué)家又研究容錯(cuò)編碼，在所有量子操作都可能出錯(cuò)的情況下，它仍然能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)糾回理想的狀態(tài)。這是非常關(guān)鍵的。

什么條件下能容錯(cuò)呢？這里有個(gè)容錯(cuò)閾值定理。每次操作，出錯(cuò)率要低于某個(gè)閾值，如果大于這個(gè)閾值，則無(wú)法容錯(cuò)。

這個(gè)閾值具體是多大呢？

這與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，考慮到量子計(jì)算的實(shí)際構(gòu)型問(wèn)題，在一維或準(zhǔn)一維的構(gòu)型中，容錯(cuò)的閾值為10^-5，在二維情況（采用表面碼來(lái)編碼比特）中，閾值為10^-2。

目前，英國(guó)Lucas團(tuán)隊(duì)的離子阱模型、美國(guó)Martinis團(tuán)隊(duì)的超導(dǎo)模型在單、雙比特下操作精度已達(dá)到這個(gè)閾值。

所以，我們的目標(biāo)就是研制大規(guī)模具有容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)的“量子芯”

量子芯片的研究已經(jīng)從早期對(duì)各種可能的物理系統(tǒng)的廣泛研究，逐步聚焦到了少數(shù)物理系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代時(shí)，美國(guó)不知道什么樣的物理體系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，發(fā)現(xiàn)許多體系根本不可能最終做成量子計(jì)算機(jī)，所以他們轉(zhuǎn)而重點(diǎn)支持固態(tài)系統(tǒng)。

固態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于集成（能夠升級(jí)量子比特?cái)?shù)目），但缺點(diǎn)是容錯(cuò)性不好，固態(tài)系統(tǒng)的消相干特別嚴(yán)重，相干時(shí)間很短，操控誤差大。

2004年以來(lái)，世界上許多著名的研究機(jī)構(gòu)，如美國(guó)哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)，日本東京大學(xué)，荷蘭Delft大學(xué)等都做了很大的努力，在半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為未來(lái)量子芯片的研究方面取得了一系列重大進(jìn)展。最近幾年，半導(dǎo)體量子芯片的相干時(shí)間已經(jīng)提高到200微秒。

國(guó)際上，在自旋量子比特研究方面，于2012年做到兩個(gè)比特之后，一直到2015年，還是停留在四個(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)自旋量子比特研究上，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)比特的CNOT（受控非）。

雖然國(guó)際同行關(guān)于電荷量子比特的研究比我們?cè)?，但是至今也只做到四個(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)比特。我們研究組在電荷量子比特上的研究，2010年左右制備單個(gè)量子點(diǎn)，2011年實(shí)現(xiàn)雙量子點(diǎn)，2012～2013年實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子點(diǎn)編碼的單量子比特， 2014～2015年實(shí)現(xiàn)四量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)電荷量子比特。目前，已研制成六個(gè)量子點(diǎn)編碼為三個(gè)量子比特，并實(shí)現(xiàn)了三個(gè)比特量子門操作，已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

超導(dǎo)量子芯片要比半導(dǎo)體量子芯片發(fā)展得更快。

近幾年，科學(xué)家使用各種方法把超導(dǎo)的相干時(shí)間盡可能拉長(zhǎng)，到現(xiàn)在已達(dá)到了100多微秒。這花了13年的基礎(chǔ)研究，相干時(shí)間比原來(lái)提高了5萬(wàn)倍。

超導(dǎo)量子計(jì)算在某些指標(biāo)上有更好的表現(xiàn)，比如：

1.量子退相干時(shí)間超過(guò)0.1ms，高于邏輯門操作時(shí)間1000倍以上，接近可實(shí)用化的下限。

2.單比特和兩比特門運(yùn)算的保真度分別達(dá)到99.94%和99.4%，達(dá)到量子計(jì)算理論的容錯(cuò)率閾值要求。

3.已經(jīng)實(shí)現(xiàn)9個(gè)量子比特的可控耦合。

4.在量子非破壞性測(cè)量中，達(dá)到單發(fā)測(cè)量的精度。

5.在量子存儲(chǔ)方面，實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子諧振腔。

美國(guó)從90年代到現(xiàn)在，在基礎(chǔ)研究階段超導(dǎo)領(lǐng)域的突破已經(jīng)引起了企業(yè)的重視。美國(guó)所有重大的科技公司，包括微軟、蘋果、谷歌都在量子計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域投入了巨大的力量，盡最大的努力來(lái)爭(zhēng)奪量子計(jì)算機(jī)這塊“巨大的蛋糕”！

其中，最典型的就是谷歌在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的布局。它從加州大學(xué)圣芭芭拉分校高薪引進(jìn)國(guó)際上超導(dǎo)芯片做得最好的J. Matinis團(tuán)隊(duì)（23人），從事量子人工智能方面的研究。

他們制定了一個(gè)目標(biāo)―明年做到50個(gè)量子比特。定這個(gè)目標(biāo)是因?yàn)椋绻茏?9個(gè)量子比特的話，在大數(shù)據(jù)處理等方面，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子計(jì)算機(jī)所有可能的能力。

整體來(lái)看，量子計(jì)算現(xiàn)在正處于“從晶體管向集成電路過(guò)渡階段”。

尚未研制成功的量子計(jì)算機(jī)，我們?nèi)杂袡C(jī)會(huì)！

很多人都問(wèn)，實(shí)際可用的量子計(jì)算機(jī)究竟什么時(shí)候能做出來(lái)？

中國(guó)和歐洲估計(jì)需要15年，美國(guó)可能會(huì)更快，美國(guó)目前的發(fā)展確實(shí)也更快。

量子計(jì)算是量子信息領(lǐng)域的主流研究方向，從90年代開始，美國(guó)就在這方面花大力氣進(jìn)行研究，在硬件、軟件、材料各個(gè)方面投入巨大，并且它有完整的對(duì)量子計(jì)算研究的整體策劃，不僅各個(gè)指標(biāo)超越世界其他國(guó)家，各個(gè)大公司的積極性也被調(diào)動(dòng)了起來(lái)。

美國(guó)的量子計(jì)算機(jī)研制之路分三個(gè)階段：第一階段，由政府主導(dǎo)，主要做基礎(chǔ)研究；第二階段，企業(yè)開始投入；第三階段，加快產(chǎn)出速度。

反觀中國(guó)的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展，明顯落后于其他國(guó)家，軟件、材料幾乎沒(méi)有人做，軟硬件是相輔相成的，材料研究也需提早做準(zhǔn)備。作為“十三五”重大科技目，量子計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)“三駕馬車”一起發(fā)展，硬件、軟件、材料三個(gè)都要布局。

量子計(jì)算的運(yùn)用范文第3篇

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最將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果一造成熵的降低，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mM研究中心朗道為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到2l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)律一牛頓力學(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2l世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授威爾遜指出：“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想。它純粹是人為的。但我們相信，通過(guò)追尋“夢(mèng)想一發(fā)現(xiàn)一解釋一夢(mèng)想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個(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。”

二、各種新型計(jì)算機(jī)

硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，也意味看硅技術(shù)越來(lái)越接近其物理極限。為此，世界各國(guó)的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等，將會(huì)在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。

（1）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)(quorum computer)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。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)是通過(guò)量子分裂式、量子修補(bǔ)式來(lái)進(jìn)行一系列的大規(guī)模高精確度的運(yùn)算的。其浮點(diǎn)運(yùn)算性能是普通家用電腦的CPU所無(wú)法比擬的。量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模運(yùn)算的方式其實(shí)就類似于普通電腦的批處理程序，其運(yùn)算方式簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)大量的量子分裂，再進(jìn)行高速的量子修補(bǔ)，但是其精確度和速度是普通電腦望塵莫及的。

（2）光子計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)是由電子來(lái)傳遞和處理信息。電場(chǎng)在導(dǎo)線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運(yùn)載工具運(yùn)動(dòng)的速度都快。但是，從發(fā)展高速率計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，采用電子做輸運(yùn)信息載體還不能滿足快的要求，提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度也明顯表現(xiàn)出能力有限了。而光子計(jì)算機(jī)以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線瓦連，以光硬件代替電子硬件，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，利用激光來(lái)傳送信號(hào)，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，從而進(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)、頻率、偏振態(tài)及相位的光代表不同的數(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）分子計(jì)算機(jī)。分子計(jì)算計(jì)劃就是嘗試?yán)梅肿佑?jì)算的能力進(jìn)行信息的處理。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。

三、探究研究策略的依據(jù)

筆者認(rèn)為開展計(jì)算機(jī)發(fā)展史研究的一種思路是：本著實(shí)用主義的態(tài)度，分階段提取計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。圍繞這些問(wèn)題展開研究，尤其要著力于問(wèn)題解決過(guò)程中碰到的困難，以及問(wèn)題解決后發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題。

（1）“實(shí)用主義”無(wú)褒貶之分。彌補(bǔ)對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史認(rèn)知，不宜再去重做實(shí)驗(yàn)，推倒人類已有的技術(shù)規(guī)范重來(lái)：只能進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究，在研究和學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找出規(guī)律。同時(shí)，“實(shí)用’，也是發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)有之義。

（2）緊緊圍繞“問(wèn)題”。在科學(xué)發(fā)展的歷史進(jìn)程中，問(wèn)題要比問(wèn)題的解決更重要，“一個(gè)好的問(wèn)題堪比一所好的大學(xué)”計(jì)算機(jī)的發(fā)展也是在不斷地提出問(wèn)題、解決問(wèn)題中發(fā)展進(jìn)步，每一次問(wèn)題的提煉和解決都促進(jìn)了計(jì)算機(jī)水平得到一次升華和提高。

（3）事物的發(fā)展是動(dòng)態(tài)的，已有問(wèn)題的解決必然帶來(lái)新的問(wèn)題新的問(wèn)題是對(duì)已有問(wèn)題解決方法的挑戰(zhàn)與審視，抑或是新科學(xué)新技術(shù)尋找用武之地發(fā)揮作用的要求，嘗試主動(dòng)提出可預(yù)見的問(wèn)題并設(shè)法解決是現(xiàn)代思維方式的一個(gè)顯著特征，愛岡斯坦曾說(shuō)：提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，正是這個(gè)意思。提新的問(wèn)題、新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，這一切需要有創(chuàng)造性的想象力。往往是獲得認(rèn)識(shí)突破的契機(jī)，這種習(xí)慣或者素養(yǎng)是極其寶貴的。

四、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。在這個(gè)世紀(jì)之交，知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代呼嘯而來(lái)，作為知識(shí)和信息的處理、傳輸和存儲(chǔ)之載體的計(jì)算機(jī)。在即將來(lái)臨的2I世紀(jì)，將會(huì)不斷地開發(fā)出新的品種。而這些新穎的計(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。為達(dá)到預(yù)想的目的各種新型材料將被運(yùn)用到新型計(jì)算機(jī)的開發(fā)當(dāng)中，如量子、光子分子等。未來(lái)量子、光子和分子計(jì)算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語(yǔ)言能力，使計(jì)算機(jī)進(jìn)人人工智能時(shí)代。這種新型計(jì)算機(jī)將推動(dòng)新一輪計(jì)算技術(shù)革命，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉科偉等．量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002(38)

[2]王延?。?wù)劰庾佑?jì)算機(jī)．現(xiàn)代物理知識(shí)，2004，(16)．

量子計(jì)算的運(yùn)用范文第4篇

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)技術(shù) 發(fā)展 趨勢(shì)

1、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷史

為了計(jì)算導(dǎo)彈的運(yùn)行彈道,歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（肯尼亞克）于1946年2月14日在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生。到20世紀(jì)60年代和80年代后,計(jì)算機(jī)除應(yīng)用于軍用單位以外,很多政府部門和大型的科研機(jī)構(gòu),甚至一些比較有實(shí)力的企業(yè)部門也開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理。之后,Intel4位中央處理器的問(wèn)世讓計(jì)算機(jī)的普及與發(fā)展更深入,并于1982年創(chuàng)造了第一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī),促使了計(jì)算機(jī)成本的飛速降低,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)除有能力的單位或研究組織和軍事機(jī)構(gòu)之外的家庭和小型企業(yè)也能使用。20世紀(jì)90年代開始,很多企業(yè)和家庭也使用了計(jì)算機(jī)。同時(shí)計(jì)算機(jī)向兩極分化:一方面是往微、往小、往便宜發(fā)展進(jìn)入家庭;另一個(gè)向高、向難、向大發(fā)展,仍然運(yùn)用于軍事、科學(xué)技術(shù)?，F(xiàn)在,計(jì)算機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)、公司、政府機(jī)關(guān)、家庭等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

從計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史我們不難發(fā)現(xiàn),計(jì)算機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)歷史突破性技術(shù),不斷的在快速成長(zhǎng)、更新和發(fā)展,而它的每次更新也都必然促進(jìn)它自身的發(fā)展與推廣。

2、新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)

2.1 光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)是以光子代替電子,將光子作為計(jì)算機(jī)的傳導(dǎo)粒子,將傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接創(chuàng)新為光互連接,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件也將被光硬件設(shè)備取代。在運(yùn)算形式上,光子計(jì)算機(jī)能夠在并行度及運(yùn)行速度上得到飛躍式提高。光子計(jì)算機(jī)的通訊量也是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)望塵莫及的,此外,光子計(jì)算機(jī)還具有十分強(qiáng)大的糾錯(cuò)特性,能夠確保當(dāng)某一計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),其他的計(jì)算機(jī)能夠繼續(xù)安全運(yùn)行,從而在一定程度上保護(hù)的計(jì)算機(jī)是計(jì)算結(jié)果的正確程度。

2.2 納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)使計(jì)算機(jī)在外觀上大有改變,在能源的消耗方面,納米技術(shù)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。納米計(jì)算機(jī)技術(shù)使電腦耗材的使用量大大減少,提高了相關(guān)硬件的使用年限。因此,在諸多新興計(jì)算機(jī)當(dāng)中,納米計(jì)算機(jī)可以說(shuō)是最先進(jìn)。

2.3 分子計(jì)算機(jī)

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。計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來(lái)充當(dāng),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)。DNA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,由于生物芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子,所以生物計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能,又可直接與生物活體相聯(lián)。

2.4 量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)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(lái)表示開與關(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)在特征上介于器件與架構(gòu)之間,量子計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。

3、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3.1 納米技術(shù)將廣泛發(fā)展和應(yīng)用

由于納米技術(shù)突破了計(jì)算機(jī)集成和處理速度的雙重限制,因此需要大力發(fā)展該項(xiàng)技術(shù),它也將隨著科技發(fā)展的大趨勢(shì)成為未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可達(dá)每秒1萬(wàn)億次,儲(chǔ)存容量可達(dá)到1萬(wàn)億億二進(jìn)位。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,可以產(chǎn)生量子計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī),而它們的運(yùn)算速度,存儲(chǔ)能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前的計(jì)算機(jī),因而納米技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用,將是未來(lái)的一個(gè)重要方向。

3.2 改善計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)是一個(gè)組合體,是一個(gè)具有不同功能的體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)前計(jì)算機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要是進(jìn)行多任務(wù)的并行計(jì)算,這樣可以利用同一臺(tái)機(jī)器進(jìn)行多個(gè)任務(wù)的處理。對(duì)于大型電腦來(lái)說(shuō),另一種發(fā)展趨勢(shì)是集群系統(tǒng),它能夠給用戶提高可靠性以及相融性。因此,為了提升當(dāng)前計(jì)算機(jī)和用戶之間的交互性,應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展集群性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),強(qiáng)化系統(tǒng)的可靠性以及兼容性。

3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛,與人們的生活息息相關(guān),這最主要的原因就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。正是網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)與快速發(fā)展使得計(jì)算機(jī)有了更加廣闊的發(fā)展空間。當(dāng)前計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)離不開網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷的成熟和發(fā)展,人們和網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系也在不斷的密切。這就使得未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。因此,大力發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有利于計(jì)算機(jī)的發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步,人們將步入物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)的時(shí)代,這些都必須基于先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

3.4 軟件技術(shù)

對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō),軟件是非常重要的。目前主流的操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件性能作對(duì)比,軟件性能作用不小。用實(shí)際使用系統(tǒng)來(lái)說(shuō),屬于Microsoft的都形成了工業(yè)臺(tái)式計(jì)算機(jī)的占多數(shù)的實(shí)際使用系統(tǒng),還能促進(jìn)對(duì)企業(yè)工程區(qū)域進(jìn)展。數(shù)據(jù)庫(kù)的作用越來(lái)越完整,不過(guò)針對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的解決會(huì)脫離僅僅限制在數(shù)字與符號(hào)等,對(duì)于多媒體消息的解決還可以超過(guò)仍然還處于單一的進(jìn)制代碼文件的儲(chǔ)備。程序語(yǔ)言是

軟件性能的主要構(gòu)成類別,因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)的通用性,多種類的語(yǔ)言逐一實(shí)行支撐互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)。計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)工作性能同樣仍然是現(xiàn)在軟件技術(shù)進(jìn)展的相同目標(biāo)。

3.5 多媒體性能

多媒體性能的開拓與進(jìn)展把服務(wù)器、路由器以及轉(zhuǎn)換器諸多互聯(lián)網(wǎng)需要的設(shè)施的技術(shù)明顯提高,其中包含有用戶端、內(nèi)存、圖形片諸多硬件性能?；ヂ?lián)網(wǎng)使用人不再像原來(lái)一樣被動(dòng)地接受解決信息的形態(tài),而是更加以踴躍主動(dòng)的形式來(lái)進(jìn)入現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)空間。除此以外還有藍(lán)牙技能的發(fā)明運(yùn)用,令多媒體通信技能無(wú)線電、數(shù)字信息、個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線寬帶局域網(wǎng)等快速更新。

事實(shí)上,多媒體性能數(shù)字化是促使將來(lái)技能擴(kuò)展的主要方面。由于多媒體性能是電腦賴以生存與發(fā)展的基礎(chǔ),數(shù)字多媒體芯片性能就會(huì)變成將來(lái)多媒體性能生命里的核心。

4、結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)技術(shù)是一個(gè)自我生存能力、自我發(fā)展能力極其強(qiáng)大、前途無(wú)量的一門新技術(shù),軟件、互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組織、納米等技術(shù)的運(yùn)用,不僅是實(shí)現(xiàn)發(fā)展高速化、智能化、多元化和微型化的前提,還是未來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)提高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,總結(jié)和了解計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè),能夠有助于我們進(jìn)一步發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè),更好地讓計(jì)算機(jī)技術(shù)服務(wù)于我們的生產(chǎn)和生活。

參考文獻(xiàn)

[1]彭斌.計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中的創(chuàng)造與選擇[D].南京:東南大學(xué),2004.

量子計(jì)算的運(yùn)用范文第5篇

人物篇――興趣使然躬耕物理

1994年7月畢業(yè)于南京大學(xué)物理系；1999年在中科院物理所獲博士學(xué)位；1999年9月至2001年7月在清華大學(xué)高等研究中心完成博士后研究工作；2001年起在北京師范大學(xué)任教。

這就是寇謖鵬的求學(xué)、治學(xué)之路：水到渠成、充實(shí)而不平庸。早在青少年時(shí)期，寇謖鵬就對(duì)物理產(chǎn)生了濃厚的興趣，對(duì)科研發(fā)自心底的熱愛。當(dāng)時(shí)，物理學(xué)在國(guó)內(nèi)很有影響力，全國(guó)到處都在宣傳像李政道、楊振寧這些獲得諾貝爾獎(jiǎng)的華裔物理學(xué)家，國(guó)內(nèi)很多優(yōu)秀學(xué)生在大學(xué)階段都選擇了攻讀物理，寇謖鵬也是其中之一。但是，他的選擇卻并非跟風(fēng)的盲目之舉，而是基于發(fā)自心底的對(duì)物理學(xué)科的熱愛，他說(shuō)，　“只有真正的興趣使然，才會(huì)深入的、耐得住寂寞的鉆研學(xué)問(wèn)”。

也正是由于興趣使然，寇謖鵬學(xué)習(xí)刻苦、成績(jī)優(yōu)異，在中國(guó)科學(xué)院物理研究所攻讀博士學(xué)位期間，他被評(píng)為中國(guó)科學(xué)院研究生院優(yōu)秀研究生，曾獲得中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金優(yōu)秀獎(jiǎng)。

1999年，寇謖鵬進(jìn)入清華大學(xué)高等研究中心做博士后研究工作，那里有世界一流大學(xué)的研究模式和條件，有寬松自由的學(xué)術(shù)環(huán)境，在那里，寇謖鵬結(jié)識(shí)了當(dāng)今華人物理界的眾多精英，采訪中他就反復(fù)提及翁征宇、文小剛等人的名字，稱贊他們?cè)谖锢硌芯恐械慕艹龀删?。和眾多大師?jí)的人物近距離的接觸，也增加了他們之間合作的機(jī)會(huì)。2004年，寇謖鵬作為北京師范大學(xué)物理學(xué)科學(xué)術(shù)帶頭人的培養(yǎng)對(duì)象，在“杰出青年學(xué)者數(shù)學(xué)物理研修項(xiàng)目”資助下被派往美國(guó)麻省理工學(xué)院研修，合作導(dǎo)師就是文小剛教授。

刻苦求索，玉汝于成。多年來(lái)，寇謖鵬始終瞄準(zhǔn)理論物理的前沿尖端方向做研究，他的研究領(lǐng)域涉及強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)、高溫超導(dǎo)理論、介觀物理、量子場(chǎng)論、拓?fù)湫蚝屯負(fù)淞孔佑?jì)算等。至今，他已在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)、高溫超導(dǎo)體機(jī)制、拓?fù)淞孔討B(tài)等研究領(lǐng)域中取得了若干創(chuàng)造性的成果，在國(guó)際國(guó)內(nèi)重要期刊60余篇，其中美國(guó)物理評(píng)論快報(bào)（PRL）3篇、美國(guó)物理評(píng)論（PR）27篇、歐洲物理快報(bào)（EPL）3篇。目前主持國(guó)家自然科學(xué)基金一項(xiàng)，科技部973項(xiàng)目量子調(diào)控子項(xiàng)目?jī)身?xiàng)，主持博士點(diǎn)基金（博導(dǎo)類）一項(xiàng)，國(guó)內(nèi)、國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告近二十余次。并擔(dān)任美國(guó)物理評(píng)論快報(bào)、美國(guó)物理評(píng)論、中國(guó)科學(xué)、中國(guó)物理、理論物理通訊、物理學(xué)報(bào)、物理學(xué)前沿等國(guó)際、國(guó)內(nèi)雜志審稿人。

科研篇――瞄準(zhǔn)前沿發(fā)展尖端

一心做學(xué)問(wèn)、專注自己有興趣的領(lǐng)域，也使寇謖鵬得到了同行的認(rèn)可，入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”并獲得第十三屆茅以升北京青年科技獎(jiǎng)。以下是他的代表性成果：

在拓?fù)湫虻姆诸惣巴負(fù)淞孔酉嘧冄芯恐?，發(fā)現(xiàn)了一類二維Z2拓?fù)鋽?shù)，可以利用這種新的拓?fù)鋽?shù)對(duì)拓?fù)湫颉⑼負(fù)涑瑢?dǎo)進(jìn)行分類，另外，還發(fā)現(xiàn)Z2拓?fù)湫蚩梢杂蒑utuaI-Chern-Simons場(chǎng)論描述，包括拓?fù)浜?jiǎn)并、手征邊緣態(tài)等。獲得完整的有效理論可以使得我們很方便的描述拓?fù)湫虻牡湍芪锢硇袨?。還利用分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)中的hierarchy　theory提出了Mutual　Chern-Simons　Landau-Ginzburg方法，得到了一類拓?fù)湫蛄孔酉嘧兊钠者m性原理。還運(yùn)用對(duì)偶方法得到了基于自旋模型的Z2拓?fù)湫虻牧孔酉嘧兊囊恍﹪?yán)格結(jié)果，通過(guò)引入了閉弦算符描述該相變，發(fā)現(xiàn)這類量子相變開弦和閉弦的對(duì)偶關(guān)系。

在拓?fù)淞孔佑?jì)算中，提出了一種新的拓?fù)淞孔佑?jì)算方案，通過(guò)控制拓?fù)湫蚧鶓B(tài)的量子隧道效應(yīng)進(jìn)行拓?fù)淞孔佑?jì)算，解決了如何控制拓?fù)湫蚧鶓B(tài)的難題。為此系統(tǒng)化的研究了拓?fù)湫虻牧孔铀淼佬?yīng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出更適合進(jìn)行拓?fù)淞孔佑?jì)算的表面碼的拓?fù)淞孔佑?jì)算方案，該工作被多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)雜志多次選錄。

在相互作用電子系統(tǒng)中的新奇量子態(tài)領(lǐng)域，系統(tǒng)化的研究了一類關(guān)聯(lián)費(fèi)米系統(tǒng)：Nodal絕緣體。這是在六角格子或丌-磁通格子中的相互作用電子系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)在金屬絕緣體轉(zhuǎn)變附近可能存在一種新的物態(tài)：nodal自旋液體，一種具有自旋旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性、又有空間平移對(duì)稱性的非磁絕緣體。發(fā)現(xiàn)其中的拓?fù)湓ぐl(fā)是無(wú)質(zhì)量的費(fèi)米激發(fā)，存在電荷自旋分離現(xiàn)象。相關(guān)工作作為“Review　article”被邀請(qǐng)寫入Nova　science　Publishers的新書“Insulators：Types，Properties　and　Uses”。另外，基于關(guān)聯(lián)拓?fù)浣^緣體，從理論上預(yù)言了可能存在的三種新奇量子態(tài)：手征自旋液體、拓?fù)渥孕芏炔?、?fù)合自旋液體。其中，復(fù)合自旋液體態(tài)不同于已知的所有自旋液體，其元激發(fā)為電子和skyrmion拓?fù)浼ぐl(fā)的復(fù)合體，沒(méi)有自旋電荷分離。

在高溫超導(dǎo)體的拓?fù)淅碚擃I(lǐng)域，從高溫超導(dǎo)體的微觀模型出發(fā)，得到了一個(gè)有效場(chǎng)論模型。利用隨機(jī)重整化群技術(shù)研究了高溫超導(dǎo)體絕緣體一超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)變的物理本質(zhì)是一個(gè)量子臨界點(diǎn)，在該量子臨界點(diǎn)發(fā)生對(duì)偶禁閉退禁閉轉(zhuǎn)變。并在此基礎(chǔ)上解釋了高溫超導(dǎo)體中條紋相不穩(wěn)定性的起源。另外，從低能有效場(chǎng)論出發(fā)，預(yù)言在贗能隙區(qū)，在外加電磁場(chǎng)的情況下，高溫超導(dǎo)體存在守恒的無(wú)耗散自旋流。

樹人篇――用心育人凝練隊(duì)伍

人才培養(yǎng)方面，寇謖鵬每年講授本科生基礎(chǔ)課“電磁學(xué)”將前沿知識(shí)融入教學(xué)中，取得了很好的教學(xué)效果，同時(shí)指導(dǎo)了十多個(gè)本科畢業(yè)論文和兩個(gè)本科生校級(jí)科研基金項(xiàng)目。另外參與教學(xué)改革：主持校級(jí)精品課“電磁學(xué)”，還參與北京市精品課“固體物理”和北師大“電磁學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程”的建設(shè)。因此，他于2006年獲得北京師范大學(xué)勵(lì)耘獎(jiǎng)優(yōu)秀青年教師獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，2007年獲得北京市教育創(chuàng)新標(biāo)兵。

大學(xué)教育是高層次的教育，寇謖鵬講課不僅重視系統(tǒng)性、清晰性和層次性，更重要的是在教學(xué)中獨(dú)具匠心，采用“滲透現(xiàn)代物理前沿”的教學(xué)模式，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。滲透現(xiàn)代前沿的教學(xué)模式關(guān)鍵在于采取理論學(xué)習(xí)和科研相結(jié)合的方式，使學(xué)生進(jìn)行“有目的”的學(xué)習(xí)。面對(duì)一年級(jí)的本科生他大膽介紹物理專業(yè)國(guó)內(nèi)外發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，讓學(xué)生不僅了解物理的過(guò)去、現(xiàn)在而且可以暢想未來(lái)。通過(guò)生動(dòng)的多媒體課件直觀地介紹，充分發(fā)揮老師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主動(dòng)性。他認(rèn)為物理教學(xué)應(yīng)開闊而非僵化學(xué)生的思維?，F(xiàn)代物理的思想與方法滲透于日常教學(xué)中，讓學(xué)生盡可能多地接觸學(xué)科前沿，開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生興趣，并啟發(fā)他們學(xué)會(huì)如何“發(fā)現(xiàn)”物理問(wèn)題，分析問(wèn)題，討論解決問(wèn)題，有利于激發(fā)創(chuàng)造性。