量子計算的作用精選(九篇)

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第1篇：量子計算的作用范文

關鍵詞：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能計算

【分類號】：TM743

1.概述

量子計算是計算機科學與量子力學相結合的產物，根據Moore定律可知：當計算機的存儲單元達到原子層次時，顯著地量子效應將會嚴重影響計算機性能，計算機科學的進一步發展需要借助新的原理和方法【1】，量子計算為這一問題的解決提供了一個可能的途徑。

根據量子計算原理設計的量子計算機是實現量子計算的最好體現。量子計算機是利用微觀粒子狀態來進行存儲和處理信息的計算工具【2】。其基本原理是通過物理手段制備可操作的量子態，并利用量子態的疊加性、糾纏性和相干性等量子力學的特性進行信息的運算、保存和處理操作，從本質上改變了傳統的計算理念。

量子通信是量子理論與信息理論的交叉學科，是指利用量子的糾纏態實現信息傳遞的通訊方式。量子的糾纏態是指：相互糾纏的兩個粒子無論被分離多遠，一個粒子狀態的變化都會立即使得另一個粒子狀態發生相應變化的現象。量子通信主要包括兩類：用于量子密鑰的傳輸，和用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。與傳統的通信技術相比，量子通信具有容量大，傳輸距離遠和保密性強的特點。

2.量子計算基礎

2.1 量子位

計算機要處理數據，必須把數據表示成計算機能夠識別的形式。與經典計算機不同，量子計算機用量子位來存儲信息，量子位的狀態既可以是0態或1態，也可以是0態和1態的任意線性疊加狀態。一個n位的量子寄存器可以處于 個基態的相干疊加態 中，即可以同時存儲 種狀態。因此，對量子寄存器的一次操作就相當于對經典計算機的 次操作，也就是量子的并行性。

2.2.量子邏輯門

對量子位的態進行變換，可以實現某些邏輯功能。變化所起到的作用相當于邏輯門的作用。因此，提出了“量子邏輯門”【3】的概念，為：在一定時間間隔內，實現邏輯變換的量子裝置。

量子邏輯門在量子計算中是一系列的酉變換，將酉矩陣作為算符的變換被成為酉變換。量子位的態 是希爾伯特空間（Hilbert空間）的單位向量，實現酉變換后希爾伯特空間，在希爾伯特空間內仍為單位向量。【4】

3.量子算法

量子算法的核心就是利用量子計算機的特性加速求解的速度，可以達到經典計算機不可比擬的運算速度和信息處理功能。目前大致五類優于已知傳統算法的量子算法：基于傅里葉變換的量子算法，以Grover為代表的量子搜素算法，模擬量子力學體系性質的量子仿真算法，“相對黑盒”指數加速的量子算法和相位估計量子算法。

3.1基于傅里葉變換的量子算法

Shor于1994年提出大數質因子分解量子算法，而大數質因子分解問題廣泛應用在RSA公開密鑰加密算法之中，該問題至今仍屬于NP難度問題。但是Shor算法可以在量子計算的條件下，在多項式時間內很有效地解決該問題。這對RSA的安全性有著巨大的挑戰。

Shor算法的基本思想是：利用數論相關知識，通過量子并行特點，獲得所有的函數值；再隨機選擇比自變量小且互質的自然數，得到相關函數的疊加態；最后進行量子傅里葉變換得最后結果。構造如下函數：

就目前而言，該算法已經相對成熟，對其進行優化的空間不大。目前研究者的改進工作主要是：通過對同余式函數中與N互質的自然數選擇的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其實現，對量子密碼學和量子通信的發展有著極重要的價值。[7]

3.2以Grover為代表的量子搜素算法

3.2.1 Grover算法

Grover算法屬于基于黑箱的搜索算法，其基本思想為：在考慮含有 個數據庫的搜索問題，其中搜索的解恰好有 個，將數據庫中的每個元素進行量化后，存儲在 個量子位中， 與 滿足關系式 ?！?】將搜索問題表示成從0到 的整數 ，其中函數 定義為：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 ?！?2】

具體算法如下：

（1）初始化。應用Oracle算子 ，檢驗搜索元素是否是求解的實際問題中需要搜索的解。

（2）進行Grover迭代。將結果進行阿達馬門（Hadamard門）變換。

（3）結果進行 運算。

（4）結果進行阿達馬門變換?！?2】

4. 量子智能計算

自Shor算法和Grover算法提出后，越來越多的研究員投身于量子計算方法的計算處理方面，同時智能計算向來是算法研究的熱門領域，研究表明，二者的結合可以取得很大的突破，即利用量子并行計算可以很好的彌補智能算法中的某些不足。

目前已有的量子智能計算研究主要包括：量子人工神經網絡，量子進化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經網絡算法和量子進化算法已經成為目前學術研究領域的熱點，并且取得了相當不錯的成績，下面將以量子進化算法為例。

量子進化算法是進化算法與量子計算的理論結合的產物，該算法利用量子比特的疊加性和相干性，用量子比特標記染色體，使得一個染色體可以攜帶大數量的信息。同時通過量子門的旋轉角度表示染色體的更新操作，提高計算的全局搜索能力。

目前量子進化算法已經應用于許多領域，例如：工程問題、信息系統、神經網絡優化等。同時，伴隨著量子算法的理論和應用的進一步發展，量子進化算法等量子智能算法有著更大的發展前景和空間。

參考文獻

1.王書浩，龍桂魯.大數據與量子計算

2.張毅，盧凱，高穎慧.量子算法與量子衍生算法

3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558

4.吳楠，宋方敏。量子計算與量子計算機

5.蘇曉琴，郭光燦。量子通信與量子計算。量子電子學報，2004，21（6）：706-718

6. White T.Hadoop： The Defintive Guide，California：O’Reilly Media，Inc.2009：12-14

7.王蘊，黃德才，俞攸紅.量子計算及量子算法研究進展.

8.孫吉貴，何雨果.量子搜索算法.軟件學報，2003，14（3）：334-344

9.龍桂魯.量子計算算法介紹

10.解光軍，范海秋，操禮程.一種量子神經計算網絡模型

第2篇：量子計算的作用范文

關鍵詞：計算機網絡；改進量子進化算法；路由選擇

當今社會是一個數據化時代，計算機網絡技術已經應用到社會的各個領域。對于在已知網絡的各個節點的通信需求下，怎樣選擇計算機通信網鏈路的高效路由，這一受到多個條件約束的雜亂非線性規劃問題，在傳統的數學理論中尚未得到有效的解決方法。面對這個問題，傳統的算法都存在一定的局限性，計算也比較復雜，在很多條件限制下都難以發揮其作用，無法給出滿意的解決方案。本文主要是對改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇上的應用進行探究。

一、計算機網絡路由選擇意義

傳統的計算機網絡路由的選擇方式主要有爬山法、梯度法、模擬退算法以及列表尋優法，但其都具有很大程度上的局限性，受到的限制條件也比較多，不能有效地發揮其作用。網絡路由選擇的定義主要有：在已有的計算機網絡拓撲和網鏈路通信容量以及各個節點需求的情況下，對各節點的網絡路由進行確定，以最大限度縮小互聯網的時延性。這種路由選擇方式，可在選擇過程中采取一些簡化工作，假設網絡通信節點的數據包完好無缺，不受通信容量影響，報文長度則以實際指數分布為基準，來進行路由選擇。

二、計算機網絡路由選擇中改進量子進化算法的應用

（一）量子進化算法的概述及算法流程

量子進化算法是由量子計算和進化算法結合而來，其運算方式為，在確定量子矢量的情況下，用量子算法的比特編碼來表示染色體，并以旋轉門和量子非門來進行染色體的更新，據此讓目標得到最優解答。

在進行計算中，可以采用矩形陣表示量子染色體，設其長度為m

量子進化算法流程主要有以下幾個步驟：

首先，將種群Q（t）初始化，設t=0，并測量種群中的每個個體，得到種群的狀態P（t）；其次，對P（t）的適應度進行評估，將最佳個體狀態和適應值進行記錄；最后，采用

While非結束狀態do，

begin

1、t=t+1；

2、對種群進行測量Q（t-1），其狀態為P（t）；

3、進行P（t）的適應度評估；

4、對Q（t）采用量子門進行更新換代，記錄后代種群Q（t+1）；

5、對每個個體的最佳狀態以及適應值進行記錄。

End

End

（二）旋轉角的優化調整

（三）函數調整優化

采用租戶優化的辦法可以知道各基因間的相關性不大，基于這一特點對量子位進行定義：

表1 優化方案

分析表1的內容可以知道，這種旋轉方案能夠讓搜索結構逐漸走向最優化，收斂速度也得到提高，在此表中只列出了第一象限內的 ，其他象限內的 情況可由此進行推斷。

（四）仿真測試

以仿真實驗的方式對以上的分析進行檢驗，與傳統的量子進化算法為比較對象，證明改進量子進化算法在計算機網絡路由的選擇性能存在優越性。仿真實驗的結果如圖1；

圖1 改進算法和傳統算法的對比

根據此圖能夠看到，改進量子進化算法在尋優性和收斂性上明顯優于傳統的量子進化算法，在計算機網絡路由選擇的應用中，改進量子進化算法的綜合性能也比傳統的量子進化算法優秀。

結束語

計算機網絡路由選擇的改進量子進化算法，是在傳統的量子進化算法的基礎上進行改進的，通過仿真測試可以知道，經過改進的量子進化算法在尋優搜索和收斂速度上存在一定優勢，很好的解決了互聯網計算機路由在選擇上面臨的約束條件多、雜亂非線性規劃等問題，很大程度上為互聯網通信網鏈路的最佳路由選擇提供了幫助。

參考文獻

[1]宋明紅，俞華鋒，陳海燕.改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇中的應用研究[J].科技通報，2014（01）：170-173.

[2]趙榮香.改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇中的應用探究[J].科技傳播，2014（24）：148+152.

第3篇：量子計算的作用范文

自1982年理查德·費曼（Richard Feynman）提出“量子計算機”的概念之后，人們對它頗為關注，眾多研究機構更是試圖借此開辟計算機時代的新紀元。但是，任憑人們千呼萬喚、前赴后繼，都沒能夠徹底揭開量子計算機的面紗。那么，量子計算機到底發展到了什么樣的階段？遇到了什么障礙？此次諾貝爾獎會對量子計算機的研發起到什么推動作用？量子計算機一旦面世，隨之而來的會是什么？

量子計算機是大勢所趨

所謂量子計算機，簡單來說就是利用量子攜帶信息、存儲數據，遵循量子算法進行高速的數學和邏輯運算的物理設備。我們熟知的傳統計算機的“心臟”依賴的是硅芯片，但是一個芯片的面積總是有限的。

硅晶體管作為在芯片上傳輸信息、處理信息的微型開關，每年都在縮小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸縮小（現已達到納米級）將限制性能的提升。所以，對晶體管進行傳統的尺寸的擴展和收縮操作，不能再產生行業已經習慣的更低功耗、更低成本、更高速度的處理器的效果。雖然英特爾的22納米處理器已經面世，還計劃于2013年推出14納米處理器，對于10nm、7nm以及5nm的制程研發路線圖也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的負10次方米以下，就會明顯出現量子特性，所以大部分物理學家堅持認為，摩爾定律不可能無限維持。

為了突破這道瓶頸，

IBM一直致力于研發碳納米管芯片，其研究人員在一個硅芯片上放置了1萬多個碳納米晶體管，從而能夠獲得比硅質器件更快的運行速度。IBM聲稱這一成果有望讓摩爾定律在下一個十年中繼續生效。但是，如何獲得高純度的碳、如何實現完美的制造工藝又是不可避免的問題。

因為量子計算機是利用量子攜帶信息的，所以，傳統計算機面臨的挑戰恰恰是量子計算機的優勢所在。量子計算機中的每個數據由不同粒子的量子狀態決定，根據量子力學原理，粒子的量子狀態是不同量子狀態的疊加。所以，量子計算機計算時采用的量子比特在同一時間內能夠呈現出多種狀態——既可以是1也可以是0，傳統計算機在運算中采用的傳統比特在特定時間內只能代表一個狀態——1或者0。這就是量子計算機與傳統計算機最大的不同之處。由于量子疊加狀態的不確定性，量子計算可以同時進行大量運算，它的潛在應用包括搜索由非結構化信息構成的數據庫，進行任務最優化和解決此前無法解答的數學問題。所以，量子計算機是大勢所趨。

實現方案眾多

量子計算機以其獨特的運算邏輯和強大的運算性能吸引了無數研究機構和科學家對其進行研究，也相繼取得了一些成果。量子計算機以處于量子狀態的原子作為中央處理器和內存，所以研制量子計算機，關鍵在于成功操控單個量子。相信大家一定對“薛定諤的貓”這一理論并不陌生，關在密閉籠子里的貓，由于量子狀態的不確定性，人們永遠不知道它是活著還是死亡。所以，處于宏觀世界的我們如何才能夠有效操控微觀世界的粒子，是極大的難題。從理論上講，量子計算機有幾十種體系，從實驗上也有十幾種實現方法。

阿羅什帶領他的團隊利用微米量級的高反射光學微腔實現了單個原子輻射光子的操作；瓦恩蘭的團隊則利用可結合激光冷卻技術，在離子阱中實現了單個離子的囚禁；IBM的托馬斯·沃森研究中心組建了一支龐大的研究團隊，依賴耶魯大學和加州大學圣巴巴拉分校過去幾年在量子計算領域取得的進展，意欲基于微電子制造技術實現量子計算；美國普林斯頓大學物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大學圣巴巴拉分校的科學家利用電子的自旋特性，尋找到了操控電子的方法；利用聲波和超導材料，也可以實現量子計算機的拓展；總部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的鈮金屬（元素符號Nb，一種類似于銀，柔軟的、可延展的金屬）材料，在低溫下呈超導態，其中的電流有順時針、逆時針以及順逆同時存在的混合狀態，而這正可以用來實現量子計算。

眾多方法中，最值得一提的便是阿羅什和瓦恩蘭的做法。阿羅什構造了一個腔，把單個光子囚禁在光腔里，實現量子的操控，再往腔里放入單個原子，使原子和光子相互作用，通過腔的損耗來調控它們的狀態。瓦恩蘭捕獲離子的方法，是用一系列電極營造出一個電場囚籠，離子如被裝進碗里的玻璃球，而后，用激光將離子冷卻，最終，最冷的一個離子安靜地待在碗底。他們獨立發明并優化了測量與操作單個粒子的實驗方法，而且單個粒子在實驗過程中還能保持量子的物理性質。

中國科學院院士郭光燦這樣評價阿羅什和瓦恩蘭的成就：量子計算這個領域已經取得了飛速發展，現在的技術已經超過當初的技術，但是起點是他們。我們現在關注的不是單個離子，而是多個離子的糾纏，比如兩個腔怎么連在一起，這是將來要做的，此外，還會有各種各樣的腔，比如光學腔、物體腔和超導腔等?，F在做量子計算機，實際上就是做芯片，把很多離子糾纏在一起，分到各個區里面，如果這一步能實現，量子計算機有希望在這方面實現實質性突破。

過程艱難 但前景樂觀

自“量子計算機”的概念提出到現在的30年間，科學家們紛紛涉足，不管是在理論方面，還是實踐方面，都取得了一些不可忽視的成就。

近幾年來，量子計算機的領域更是全面開花，量子計算機不再是人們“只聞其名，不見其形”的概念型產品。英國布里斯托爾大學等機構以奧布賴恩為領導的研究人員更是在新一期美國《科學》雜志上宣布，成功研發出一種可用于量子計算的硅芯片。奧布賴恩表示，利用這種芯片技術，10年內可能就會研制出超越傳統計算機的量子計算機。

想要研制出實用的量子計算機，需要面臨科學技術方面的多重挑戰，其中最主要的兩大障礙就是：如何讓粒子長時間保持量子狀態，即保持相干性；如何讓盡量多的粒子實現共同計算，即實現量子糾纏。阿羅什和瓦恩蘭給出的實驗方法均成功地打破了這些障礙，實現了基礎性的突破。近幾年來，研究人員以他們的研究成果為出發點，不斷探索，取得了快速進展，可謂前景樂觀。

需要注意的是，量子計算機的出現會將網絡安全置于非常危險的境地，給現有的社會和經濟體系以及國防帶來潛在威脅。目前大部分的網絡保密是使用“RSA公開碼”的密碼技術。想要破譯這種密碼，就要對大數分解質因子，這是極其困難的。按照現有的理論計算，分解一個400位數的質因子，用目前最先進的巨型計算機也需要用10億年的時間，而人類的歷史才不過幾百萬年。然而，量子計算機能夠借助其強大的運算功能瞬間完成密碼破譯，這嚴重動搖了RSA公共碼的安全性。

目前，量子計算機給人們的印象不過類似于一個玩具，娛樂價值似乎更高一些，但是在不久的將來，它一定能夠引領計算機世界的潮流。

相關鏈接

量子計算機發展簡史

1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）提出“量子計算機”的概念。

1985年，英國牛津大學的D. Deutsch進一步闡述了量子計算機的概念，并且證明了量子計算機比經典圖靈計算機具有更強大的功能。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計算機能夠完成對數運算，而且速度遠勝傳統計算機。

2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，它基本符合了量子力學的全部本質特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。

2009年，世界第一臺通用編程量子計算機在美國國家標準技術研究院誕生。

2010年1月，美國哈佛大學和澳洲昆士蘭大學的科學家利用量子計算機準確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國于利希研究中心發表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。

第4篇：量子計算的作用范文

[關鍵詞] 網絡支付 信息安全 量子計算 量子密碼

目前電子商務日益普及,電子貨幣、電子支票、信用卡等綜合網絡支付手段已經得到普遍使用。在網絡支付中,隱私信息需要防止被竊取或盜用。同時,訂貨和付款等信息被競爭對手獲悉或篡改還可能喪失商機等。因此在網絡支付中信息均有加密要求。

一、量子計算

隨著計算機的飛速發展，破譯數學密碼的難度也在降低。若能對任意極大整數快速做質數分解，就可破解目前普遍采用的RSA密碼系統。但是以傳統已知最快的方法對整數做質數分解，其復雜度是此整數位數的指數函數。正是如此巨額的計算復雜度保障了密碼系統的安全。

不過隨著量子計算機的出現,計算達到超高速水平。其潛在計算速度遠遠高于傳統的電子計算機，如一臺具有5000個左右量子位(qubit)的量子計算機可以在30秒內解決傳統超級計算機需要100億年才能解決的問題。量子位可代表了一個0或1,也可代表二者的結合,或是0和1之間的一種狀態。根據量子力學的基本原理,一個量子可同時有兩種狀態,即一個量子可同時表示0和1。因此采用L個量子可一次同時對2L個數據進行處理,從而一步完成海量計算。

這種對計算問題的描述方法大大降低了計算復雜性，因此建立在這種能力上的量子計算機的運算能力是傳統計算機所無法相比的。例如一臺只有幾千量子比特的相對較小量子計算機就能破譯現存用來保證網上銀行和信用卡交易信息安全的所有公用密鑰密碼系統。因此，量子計算機會對現在的密碼系統造成極大威脅。不過，量子力學同時也提供了一個檢測信息交換是否安全的辦法，即量子密碼技術。

二、量子密碼技術的原理

從數學上講只要掌握了恰當的方法任何密碼都可破譯。此外，由于密碼在被竊聽、破解時不會留下任何痕跡，用戶無法察覺，就會繼續使用同地址、密碼來存儲傳輸重要信息，從而造成更大損失。然而量子理論將會完全改變這一切。

自上世紀90年代以來科學家開始了量子密碼的研究。因為采用量子密碼技術加密的數據不可破譯，一旦有人非法獲取這些信息,使用者就會立即知道并采取措施。無論多么聰明的竊聽者在破譯密碼時都會留下痕跡。更驚嘆的是量子密碼甚至能在被竊聽的同時自動改變。毫無疑問這是一種真正安全、不可竊聽破譯的密碼。

以往密碼學的理論基礎是數學，而量子密碼學的理論基礎是量子力學，利用物理學原理來保護信息。其原理是“海森堡測不準原理”中所包含的一個特性，即當有人對量子系統進行偷窺時，同時也會破壞這個系統。在量子物理學中有一個“海森堡測不準原理”,如果人們開始準確了解到基本粒子動量的變化，那么也就開始喪失對該粒子位置變化的認識。所以如果使用光去觀察基本粒子,照亮粒子的光(即便僅一個光子)的行為都會使之改變路線,從而無法發現該粒子的實際位置。從這個原理也可知，對光子來講只有對光子實施干擾才能“看見”光子。因此對輸運光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關系,通訊會被中斷,這實際上就是一種不同于傳統需要加密解密的加密技術。在傳統加密交換中兩個通訊對象必須事先擁有共同信息――密鑰，包含需要加密、解密的算法數據信息。而先于信息傳輸的密鑰交換正是傳統加密協議的弱點。另外,還有“單量子不可復制定理”。它是上述原理的推論,指在不知道量子狀態的情況下復制單個量子是不可能的,因為要復制單個量子就必須先做測量,而測量必然會改變量子狀態。根據這兩個原理,即使量子密碼不幸被電腦黑客獲取,也會因測量過程中對量子狀態的改變使得黑客只能得到一些毫無意義的數據。

量子密碼就是利用量子狀態作為信息加密、解密的密鑰，其原理就是被愛因斯坦稱為“神秘遠距離活動”的量子糾纏。它是一種量子力學現象，指不論兩個粒子間距離有多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子。因此當使用一個特殊晶體將一個光子割裂成一對糾纏的光子后，即使相距遙遠它們也是相互聯結的。只要測量出其中一個被糾纏光子的屬性，就容易推斷出其他光子的屬性。而且由這些光子產生的密碼只有通過特定發送器、吸收器才能閱讀。同時由于這些光子間的“神秘遠距離活動”獨一無二，只要有人要非法破譯這些密碼，就會不可避免地擾亂光子的性質。而且異動的光子會像警鈴一樣顯示出入侵者的蹤跡，再高明的黑客對這種加密技術也將一籌莫展。

三、量子密碼技術在網絡支付中的發展與應用

由于量子密碼技術具有極好的市場前景和科學價值，故成為近年來國際學術界的一個前沿研究熱點，歐洲、北美和日本都進行了大量的研究。在一些前沿領域量子密碼技術非常被看好，許多針對性的應用實驗正在進行。例如美國的BBN多種技術公司正在試驗將量子密碼引進因特網，并抓緊研究名為“開關”的設施，使用戶可在因特網的大量加密量子流中接收屬于自己的密碼信息。應用在電子商務中，這種設施就可以確保在進行網絡支付時用戶密碼等各重要信息的安全。

2007年3月國際上首個量子密碼通信網絡由我國科學家郭光燦在北京測試運行成功。這是迄今為止國際公開報道的惟一無中轉、可同時任意互通的量子密碼通信網絡，標志著量子保密通信技術從點對點方式向網絡化邁出了關鍵一步。2007年4月日本的研究小組利用商業光纖線路成功完成了量子密碼傳輸的驗證實驗，據悉此研究小組還計劃在2010年將這種量子密碼傳輸技術投入使用，為金融機構和政府機關提供服務。

隨著量子密碼技術的發展，在不久的將來它將在網絡支付的信息保護方面得到廣泛應用，例如獲取安全密鑰、對數據加密、信息隱藏、信息身份認證等。相信未來量子密碼技術將在確保電子支付安全中發揮至關重要的作用。

參考文獻:

[1]王阿川宋辭等:一種更加安全的密碼技術――量子密碼[J].中國安全科學學報,2007,17(1):107～110

第5篇：量子計算的作用范文

【關鍵詞】傳統計算機；發展；量子；納米；新型計算機

自1946年第一臺電子傳統計算機問世以來，傳統計算機技術在元件器件、硬件系統結構、軟件系統、應用等方面，均有驚人進步?，F代傳統計算機系統小到微型傳統計算機和個人傳統計算機，大到巨型傳統計算機及其網絡，形態、特性多種多樣，已廣泛用于科學計算、事務處理和過程控制，日益深入社會各個領域，對社會的進步產生深刻影響。

一、對傳統計算機的認識

傳統計算機是人類腦力的延伸和擴充，是近代科學的重大成就之一。它按人的要求接收和存儲信息，自動進行數據處理和計算，并輸出結果信息。

1.系統組成

傳統計算機系統的層次結構：內核是硬件系統，是進行信息處理的實際物理裝置。最外層是使用傳統計算機的人，即用戶。人與硬件系統之間的接口界面是軟件系統，它大致可分為系統軟件、支援軟件和應用軟件三層。

硬件硬件系統主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出控制系統和各種外部設備組成。中央處理器是對信息進行高速運算處理的主要部件，其處理速度可達每秒幾億次以上操作。存儲器用于存儲程序、數據和文件，常由快速的主存儲器（容量可達數百兆字節，甚至數G字節）和慢速海量輔助存儲器（容量可達數十G或數百G以上）組成。各種輸入輸出外部設備是人機間的信息轉換器，由輸入-輸出控制系統管理外部設備與主存儲器（中央處理器）之間的信息交換。

軟件系統的最內層是系統軟件，它由操作系統、實用程序、編譯程序等組成。操作系統實施對各種軟硬件資源的管理控制。實用程序是為方便用戶所設，如文本編輯等。編譯程序的功能是把用戶用匯編語言或某種高級語言所編寫的程序，翻譯成機器可執行的機器語言程序。支撐軟件有接口軟件、工具軟件、環境數據庫等，它能支持用機的環境，提供軟件研制工具。支援軟件也可認為是系統軟件的一部分。應用軟件是用戶按其需要自行編寫。

2.系統特點

傳統計算機系統的特點是能進行精確、快速的計算和判斷，而且通用性好，使用容易，還能聯成網絡。①計算：一切復雜的計算，幾乎都可用傳統計算機通過算術運算和邏輯運算來實現。②判斷：傳統計算機有判別不同情況、選擇作不同處理的能力，故可用于管理、控制、對抗、決策、推理等領域。③存儲：傳統計算機能存儲巨量信息。④精確：只要字長足夠，計算精度理論上不受限制。⑤快速：傳統計算機一次操作所需時間已小到以納秒計。⑥通用：傳統計算機是可編程的，不同程序可實現不同的應用。⑦易用：豐富的高性能軟件及智能化的人-機接口，大大方便了使用。⑧聯網：多個傳統計算機系統能超越地理界限，借助通信網絡，共享遠程信息與軟件資源。

3.系統局限

傳統計算機，它的心臟依賴的是硅芯片，但是一個芯片的面積總有限。如果繼續使用現在的芯片，15年以后，傳統計算機的發展將走到盡頭。在由上海中國工程院院士中心召開的院士沙龍上，院士們曾預言，10-15年后將是傳統傳統計算機發展的“死限”，院士呼吁我國應加快研制新型計算機。

二、新型高性能計算機

硅芯片技術高速發展的同時，也意味看硅技術越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發新型計算機，計算機的體系結構與技術都將產生一次量與質的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀走進我們的生活，遍布各個領域。

1.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規律進行高速數學和邏輯運算、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基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態.使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲，由于量子疊加效應，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個數據，同樣數量的存儲位，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實行量子并行計算，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據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。

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。

2.光子計算機

光子計算機是利用光子取代電子進行數據運算、傳翰和存儲。光子計算機即全光數字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，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據，可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速地并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。

3.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行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構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境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。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、分子化學反應算法等幾種類型。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，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1萬億億的二進制數據。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分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進人實用階段。

4.納米計算機

納米計算機是用納米技術研發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，質地堅固，有著極強的導電性，能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展來的新的前沿科研領域，最終目標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品。現在納米技術正從微電子機械系統起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。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。美國正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件，發揮電子開關、放大和晶體管的功能。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。

科學在發展，人類在進步，歷史上的新生事物都要經過一個從無到有的艱難歷程。隨著一代又一代科學家們的不斷努力，我們相信，新型計算機與相關技術的研發和應用，必將推進全球經濟社會高速發展，成為二十一世紀科技領域的重大創新，實現人類發展史上的重大突破。人類未來的生活必將在新型計算機的推動下越來越奇妙，越來越優越。

參考文獻

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[2]王延汀.談談光子計算機[J].現代物理知識，2004（16）.

[3]陳連水，袁鳳輝，鄧放.分子計算機[J].分子信息學，2005（3）.

第6篇：量子計算的作用范文

為實現對氫核量子特性的精確探測和描述，江穎課題組和王恩哥課題組近年來在相關實驗技術和理論方法上分別取得突破。他們成功發展了對于氫核敏感的超高分辨掃描探針顯微術，開發了基于第一性原理的路徑積分分子動力學方法（全量子化計算），實現了單個水分子內部自由度的成像和水的氫鍵網絡構型的直接識別，并在此基礎上探測到氫核的動態轉移過程。

上圖左邊為利用掃描隧道顯微鏡測量水的量子效應的示意圖。上圖右邊為單個水分子的非彈性電子隧穿譜，從中可分辨水分子的拉伸、彎曲和轉動等振動模式，這些振動可以作為靈敏的探針來探測氫核的量子運動對氫鍵的影響。

最近，他們又基于掃描隧道顯微鏡研發了一套“針尖增強的非彈性電子隧穿譜”技術，突破了傳統非彈性電子隧穿譜技術在信噪比和分辨率方面的限制，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，并由此測得了單個氫鍵的強度。

通過可控的同位素替換實驗，并結合全量子化計算模擬，研究人員發現氫鍵的量子成分可遠大于室溫下的熱能，表明氫核的量子效應不只是對經典相互作用的簡單修正，其足以對水的結構和性質產生顯著的影響。進一步分析表明，氫核的非簡諧零點運動會弱化弱氫鍵，強化強氫鍵，這個物理圖像對于各種氫鍵體系具有相當的普適性，澄清了學術界長期爭論的氫鍵的量子本質。

第7篇：量子計算的作用范文

【摘要】 本研究在水相中合成了高質量的巰基乙酸包被的CdTe量子點。在pH 5.8～8.0范圍內的PBS緩沖溶液中，CdTe量子點熒光強度與體系酸度存在良好的線性關系。利用NH+4 對量子點熒光的猝滅作用，實現了對水溶液中NH+4 的定量檢測。在最優條件下，CdTe量子點酸度敏感探針熒光的猝滅程度與NH+4濃度呈良好的線性關系，線性范圍為0.05～6.0 mmol/L，檢出限為0.15 μmol/L。對1.0 mmol/L標準溶液平行測定11次，相對標準偏差為3.2%。利用標準加入法對水樣中NH+4含量進行了測定，其結果與蒸餾酸滴定法的結果基本一致。

【關鍵詞】 碲化鎘，量子點，酸度敏感熒光探針，銨根離子

1 引 言

量子點是一種由II～VI族或III～V族元素組成的、穩定的、溶于水的、粒徑介于1～100 nm之間能夠受光激發產生熒光的半導體納米晶粒[1，2]。量子點獨特的性質在于它自身的量子效應。當顆粒尺寸進入納米量級時，尺寸限域將引起尺寸效應、量子限域效應、宏觀量子隧道效應和表面效應。量子點在生命科學、分析科學、材料科學、免疫醫學、檢驗檢疫等研究領域發揮著越來越大的作用[2～4]。

研究表明，量子點的熒光強度通常隨介質pH的改變而變化，這為以量子點作酸度敏感探針提供了理論基礎[5～7]。Susha等[8]發現CdTe量子點的熒光強度在pH 6～12范圍內無明顯變化，在pH值為4～6范圍內隨酸度增強，熒光強度線性猝滅，且最大發射峰位基本不變。據此，他們首先提出水溶性的CdTe量子點將可能成為氫離子探針。以量子點為酸度敏感探針時，硫醇修飾的CdTe量子點比CdSe量子點前景更好，因為前者可以在80～100 ℃下合成，且量子產率較高，粒徑可調，水溶性好，合成過程中很容易被巰基乙酸、L半胱氨酸等生物分子修飾[9，10]而用于生物樣品的測定。更重要的是，巰基乙酸修飾的CdTe量子點不經任何處理就表現出很好的酸度敏感性，而用CdSe量子點制備酸度敏感探針則非常繁瑣[11，12]。本研究使用巰基乙酸修飾的CdTe量子點定量測定了NH+4含量，結果令人滿意。

水中NH+4的來源主要為生活污水中含氮有機物受微生物作用的分解產物和某些工業廢水以及農田排水[13]。在有氧環境中，NH+4含量較高時可轉變為亞硝酸鹽，對魚類有毒害作用，對人體健康也會產生危害。測定水中NH+4含量有助于評價水體被污染和“自凈”狀況。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

LS55熒光分光光度計(美國PE公司);UV2100雙光束紫外可見分光光度計(北京瑞利分析儀器公司); DF101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英峪予華儀器廠); PHS3C數字式pH計(上海理達儀器廠); FA 1004N分析天平，精密度0.0001 g(上海民橋精密科學儀器有限公司); SZ93自動雙重純水蒸餾器(上海亞榮生化儀器廠); CHAS往返氣浴恒溫振蕩器(江蘇金壇大地自動化儀器廠)。

碲粉(Te，上?；瘜W試劑站分裝廠);氯化鎘(CdCl2·2.5H2O，北京化工廠);巰基乙酸(HSCH2COOH，TGA，中國醫藥集團上?；瘜W試劑公司); NaBH4(中國醫藥集團上海化學試劑公司); NaOH(沈陽醫藥股份有限公司化玻公司); NH4Cl(國藥集團化學試劑有限公司);PBS緩沖溶液：分別準確稱取17.91 g Na2HPO4·12H2O和7.80 g NaH2PO4·2H2O溶于水中，均定容至100 mL。調整兩種溶液的混合比，可得到不同pH值的PBS緩沖溶液。所有的試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

2.2 實驗方法

2.2.1 量子點的制備 參考文獻[14]，采用水熱法合成巰基乙酸包被的CdTe量子點。準確稱取適量NaBH4和碲粉于具塞反應瓶中，加入4 mL水后置于冰浴開始反應，得到CdTe量子點的前驅體。將前驅體NaHTe溶液迅速加入到鎘的巰基乙酸溶液中，攪拌通入氮氣10 min，得到了CdTe原溶液。將CdTe原溶液裝入聚四氟乙烯硝化罐中，于100 ℃恒溫干燥箱中加熱2 h，即得到實驗中使用的熒光發射波長為567 nm的量子點膠體，其濃度為5.0×10-3 mol/L(以Te2計算)。用UV2100雙光束紫外可見分光光度計和LS55熒光分光光度計對所合成量子點的光學性質進行表征。

2.2.2 量子點熒光強度與體系酸度關系的考察 取適量量子點用二次蒸餾水稀釋50倍，置陰暗處備用。在4 mL樣品管中依次加入100 μL稀釋后的量子點及1900 μL不同酸度值的PBS緩沖溶液，混合均勻，放置30 min后，用熒光分光光度計測定其熒光強度值。

2.2.3 NH+4含量的測定 在5 mL可密閉樣品管中依次加入100 μL一定濃度的CdTe量子點、400 μL 0.05 mol/LPBS緩沖溶液、二次蒸餾水及不同體積NH+4，通過調整H2O的加入體積，使體系總積為4 mL。將樣品管置于空氣浴搖床中，常溫下低速振蕩15 min使其充分反應。反應結束放置5 min待溶液穩定后于熒光分光光度計測定各組溶液的熒光強度I。計算試劑空白熒光強度與不同濃度NH+4 的熒光強度比值的對數值ln(I0/I)，并考察ln(I0/I)與對應濃度之間的關系。

3 結果與討論

3.1 巰基乙酸包被CdTe量子點的光學性質

按實驗方法合成出了光學性質穩定、發射峰峰位分布范圍寬的水溶性量子點。如圖1所示，實驗中所用量子點紫外吸收光譜寬而且連續，同時還具有很寬的熒光激發波長范圍，其熒光發射峰峰形對稱，半峰寬窄(30～50 nm)，熒光強度高。 圖1 CdTe量子點的紫外可見吸收光譜(a)，熒光激發光譜(b)和熒光發射光譜(c)

3.2 體系酸度對量子點熒光強度的影響

按實驗方法考察了3種緩沖溶液(PBS， BR， TrisHCl)對量子點熒光強度的影響，發現量子點在等濃度、相同體積的3種緩沖溶液中熒光強度依次降低。由于CdTe量子點熒光強度線性變化的酸度范圍大致在pH 5.5～8.0內，與PBS緩沖溶液(pKa=6.80)的緩沖范圍相當，因此在后續實驗中選擇PBS緩沖溶液來維持體系酸度的穩定性。實驗結果表明，在pH 5.8～8.0范圍內隨著酸度的增強，量子點熒光強度被顯著猝滅，并且熒光強度與酸度之間呈良好的線性關系，r= 0.9990(如圖2)。

3.3 NH+4對量子點熒光強度的影響

NH+4在水中可水解生成H+， NH+4濃度越大，體系酸度隨之增強。考察了在相同濃度的量子點溶液(1.25×10-5 mol/L)中加入不同濃度的NH+4后，量子點酸度敏感熒光探針熒光強度的變化。結果表明，在0～5.0 μmol/L范圍內，NH+4能夠使量子點熒光強度增強(圖3b)，而在5.0×10-3～3.0 mmol/L范圍內，隨著NH+4加入量的增大，量子點熒光逐漸被猝滅(圖3a)。

用量子點熒光探針檢測NH+4時，低濃度的NH+4能夠使量子點熒光強度增強。對于1.25×10-5 mol/L的量子點，當NH+4濃度達到5.0 μmol/L后，隨著NH+4的增多，量子點熒光強度則逐漸降低。這種現象既不同于量子點與生物大分子偶聯時所表現出的單一熒光增強作用，也不同于重金屬離子與量子點作用時表現出的單一熒光猝滅作用。所以有必要對NH+4與量子點作用機理進行討論。

本研究所用量子點酸度敏感熒光探針表面修飾有巰基乙酸(HSCH2COOH)，在pH=7.0時其表面帶負電荷，而NH+4帶正電，二者容易受靜電引力作用發生偶聯。NH+4被量子點吸附在其表面之后，將對量子點表面未吸附其它陽離子的缺陷部分進行修飾，從而使量子點的熒光強度增強。當NH+4濃度增加到一定程度時，量子點表面能夠容納NH+4的量達到飽和。此后若繼續增加NH+4濃度，由NH+4水解造成的酸度增強將使量子點表面配體缺失，這時酸效應所產生的熒光猝滅作用使量子點熒光強度顯著降低。

為考察量子點熒光強度增強的機理，分別采用半胱氨酸和半胱胺包被的CdTe量子點與NH+4作用，考察低濃度的NH+4能否對上述兩種量子點產生熒光增敏作用。實驗結果表明， 在0.25～2.0 mmol/L范圍內，半胱氨酸包被的CdTe量子點熒光強度隨NH+4濃度增加而增強; 而半胱胺包被的CdTe量子點在此濃度范圍內未觀察到熒光強度增強，且更低的NH+4濃度也未對半胱胺包被的量子點表現出熒光增強作用。在pH 7.0時，半胱氨酸包被的CdTe量子點同巰基乙酸包被的CdTe量子點一樣，表面帶負電，而半胱胺包被的CdTe量子點帶正電。上述實驗結果表明，NH+4是通過靜電引力作用對表面帶負電荷的量子點表面進行修飾而使其熒光強度增強。

3.4 量子點濃度的選擇、反應時間和反應溫度的影響

等量的NH+4對不同濃度量子點的熒光強度的影響不同。當量子點濃度過高時，NH+4對量子點熒光猝滅作用不明顯，且量子點本身發生自體猝滅作用，不利于熒光強度的檢測且浪費實驗原料;若量子點濃度過低，NH+4對量子點熒光強度猝滅程度過大，導致方法線性范圍過窄，不利于定量檢測。經過實驗優化，選擇稀釋800倍(6.25 μmol/L)的量子點為酸度敏感熒光探針定量檢測痕量NH+4。

量子點熒光強度15 min后趨于穩定，延長反應時間至50 min，熒光強度基本不變。本方法在加入NH+4 20 min后測定。由于反應體系的溫度對體系熒光強度的影響不大，本方法選擇在室溫下進行測定。

3.5 標準曲線及檢出限

實驗結果表明，在0.05～ 6.0 mmol/L范圍內，CdTe量子點的熒光猝滅程度ln(I0/I)與NH+4 濃度存在良好的線性關系，其線性方程為ln(I0/I)=0.05479C + 0.00503(I0為熒光強度最大值，I為不同濃度NH+4 對應的熒光強度值，C為NH+4濃度，單位mmol/L)，線性相關系數為0.9997; 檢出限(3σ)為1.5×10-5 mol/L。對濃度為1.0 mmol/L的標準溶液平行測定11次，得到的相對標準偏差為3.2%。

3.6 共存物質的影響

在NH+4濃度為5.0×10-5 mol/L時，考察了常見共存離子對體系熒光強度的影響。實驗結果表明，50倍的K+， Na+， Mg2+， Ca2+， Fe3+等陽離子; 100倍的Cl-， NO-3， I-等陰離子均不干擾測定。Cu2+， Fe2+， Cd2+， CO2-3等離子對測定有較大干擾，但在所測樣品中通常含量不高，所以可以用本方法測定基體不很復雜的樣品中NH+4含量。

3.7 水樣中NH+4含量測定

用標準曲線法測定實際樣品的回收率較差，這說明存在基體干擾。在實驗中為了消除共存物質的干擾，采用標準加入法對水樣中NH+4進行測定。實驗證明，采用標準加入法對水樣中NH+4進行測定可以得到滿意的結果。向5個盛有1 mL水樣的樣品管中依次加入等量的CdTe量子點(酸度敏感探針)、PBS緩沖溶液及不同濃度的NH4Cl標準溶液，加入不同體積的純水使體系總體積為2 mL。使用熒光分光光度計測定加入不同量NH+4后體系熒光強度I，計算試劑空白熒光強度與其熒光強度比值的對數值ln(I0/I)，并繪制ln(I0/I)與對應濃度之間的校正曲線。對樣品平行測定9次，測得各樣品加標后的熒光強度值，并用外推法算得所測水樣中NH+4含量為(77.2±8.3) μmol/L，即(1.39±0.15) mg/L，與蒸餾酸滴定法所測結果((1.20±0.20) mg/L，n=9)基本一致。

參考文獻

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11 Snee P T， Somers R C， Zimmer J P， Bawendi M G， Nocera D G. J. Am. Chem. Soc.， 2006， 128(41): 13320～13321

12 Tomasulo M， Yildiz I， Raymo F M. J. Phys. Chem. B， 2006， 110(9): 3853～3855

第8篇：量子計算的作用范文

作為量子實驗衛星先導專項首席科學家，潘建偉院士和他的團隊在量子通信的研究道路上遭遇過怎樣不為人知的挫折？在歐美眾多實力強勁的國家中，潘建ネ哦游何選擇奧地利作為量子通信項目的合作伙伴？作為量子通信領域的技術強國，中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的并跑者乃至領跑者，而在此過程中，我國量子通信技術在發展過程中又有著怎樣里程碑式的事件？

為獲取這些問題的答案，我們邀請到了中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉，并對其進行了專題訪問。

尖端科技背后的故事

潘建偉介紹，在量子通信技術的研發過程中，單個光量子的制備和探測是主要的兩個技術難題。首先是制備單個光量子的技術難題。潘建偉舉了一個非常形象的例子來解釋這一關鍵技術的難度：一個十五瓦左右的普通燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可以達到百億億個，要想實現單個光量子的制備就如同在瞬間發射出來的百億億個光量子中捕捉到其中的一個，技術難度可想而知。另一個難題是單光子的探測。單個光子是光能量的最小單元，能量非常微弱，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的制備和探測的能力后，我們就可以實現安全的量子通信了。

量子信息的應用除了實現無條件安全的通信外，還可以帶來計算能力的飛躍，這就需要把一個個的單量子糾纏起來。量子計算機的能力是隨著糾纏粒子數目呈指數增長的，例如，有100個粒子的糾纏，每個粒子可以處于“0”和“1”的相干疊加，100個糾纏的粒子就可以同時處于2100個狀態的疊加，這就相當于同時對2100個數進行操縱，計算能力大幅提升。把一個個粒子糾纏起來需要對它們之間的相互作用進行精確的控制，同時還要保證克服環境的干擾。潘建偉團隊通過一種名為“光晶格”的實驗裝置成功攻克了這一技術難題，而“光晶格”捕捉單個原子的技術原理就如同把雞蛋逐個放入蛋槽的過程，每個光晶格中只能容納一個原子，再通過人為控制這些原子的相互作用，使得它們糾纏起來。雖然現在的技術水平已經發展到可以操縱數百個原子，但要實現數百個原子之間的量子糾纏態還有很長的路要走。潘建偉解釋說，如果將幾百個原子糾纏在一起，就能夠演示量子計算機的基本功能了。

奧地利―夢開始的地方

據了解，此次“墨子號”量子通信衛星包含了國際合作任務，并選擇了奧地利作為首個國際合作伙伴。為何偏偏選擇奧地利？這還要從潘建偉的求學經歷說起。

潘建偉在中國科學技術大學學習期間，第一次領略到量子世界的奇妙。但隨著對量子研究的深入，他越發意識到量子理論中的各種奇特現象需要更加尖端的實驗技術和條件才能夠得到驗證，而當時國內在這方面還相對落后。于是，在1996年潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學，師從奧地利物理學家Anton Zeilinger攻讀博士學位。那時Anton Zeilinger教授已經建立了量子實驗室，并且是量子物理學領域的國際權威。在奧地利，潘建偉和同事們完成了國際上首次實現光子的量子隱形傳態的實驗，這被認為是量子信息實驗領域的開端。此后幾年，潘建偉和同事們又先后實現了一系列量子信息領域的先驅性實驗，這些寶貴的經歷為以后潘建偉在量子通信領域的突破性貢獻奠定了堅實的基礎。潘建偉對奧地利的特殊感情還不止于此。潘建偉在奧地利求學期間，一直得到了奧地利外交部和學術交流機構的資助。博士畢業后，潘建偉又繼續在維也納大學實驗物理所從事博士后研究，而維也納大學正是薛定諤等量子力學的奠基人工作過的地方，無疑是量子力學的“圣地”之一。

所以，當昔日的老師主動提出加入我國的量子衛星計劃時，奧地利便順理成章地成了中國量子科學實驗衛星項目的第一個國際合作伙伴。潘建偉提到，量子科學實驗衛星會向全世界開放，在奧地利之后，德國、意大利、加拿大等國的團隊也主動請求加入。

追尋量子通信發展的軌跡

潘建偉在接受采訪時談到，作為量子通信領域的技術強國，中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的并跑者乃至領跑者。回顧中國量子通信領域的發展歷程，取得的優異成績離不開先輩科學家們孜孜不倦的奮斗與拼搏。

潘建偉表示，我國在量子通信領域的研究起步較早，在上世紀90年代初就有郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學家密切關注該領域的發展，并且中國科學技術大學已經發表了一些該領域的文章。潘建偉強調說，中國量子通信領域能夠發展到今天這一步，與當時中科院與時俱進的敏銳眼光密切相關。他舉例說，在他2001年回國組建實驗室時，一切都是從零開始。當時，他向中科院申請了200萬元的經費，而中科院基礎局卻撥了400萬元。在中科院的重視和支持下，實驗室的發展速度非常快，很快就有了一批由中國人完成的量子信息領域的重要成果。之后，中科院的支持力度又進一步加大，同時，國內其他團隊也發展起來了。在2005年，國家的重大研究計劃也開始注意到了量子調控，在中科院物理所的于淥院士、南京大學的閔乃本院士等科學家的建議下，量子調控成為國家重大研究計劃的內容，到目前這一計劃已經執行了十余年。正是由于國家的重點扶持，我國的量子通信技術才得以快速發展。近年來，中科院啟動量子衛星項目，國家發改委啟動“京滬干線”項目，為量子通信技術實現跨越式的發展注入了長足的動力。但同時潘建偉也表示，歐美等國家也相繼啟動了包括量子通信在內的量子專項計劃，政府也給予了大力支持，所以我國在未來能否持續搶占量子通信領域的領跑地位，還需要不斷創新、不斷前進。

第9篇：量子計算的作用范文

關健詞：生物計算機；分子計算機；光計算機超導計算機；量子計算機

中圖分類號：TP38文獻標識碼：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， 電子計算機已經走過了半個多世紀的歷程。從第一代電子管計算機到現在正在開發的第六代神經網絡計算機，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線的厚度已被蝕刻到只有0.03微米，是人頭發的1/4500。然而，原有發展起來的以硅為基礎的芯片制造技術的發展不是無限的，由于存在磁場效應、熱效應、量子效應以及制作上的困難，當線寬低于0.1mm以后將不可避免地達到僅有單個分子大小的物理學極限。越來越多的專家認識到，在傳統計算機的基礎上大幅度提高計算機的性能必將遇到難以逾越的障礙，從其它技術方面尋找計算機發展的突破口才是正確的道路。目前至少有5種可能的技術來生產出未來的計算機，它們是：生物計算機，分子計算機、光計算機、超導計算機和量子計算機。就像電子計算機對20世紀產生了重大影響一樣，各種新穎的計算機也必將對未來產生重大影響。

2 生物計算機

DNA生物計算機是美國南加州大學阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想。由于蛋白質分子中的氫也有兩種電態。因此，一個蛋白質分子就是一個開關。從理論上講，用蛋白質分子作為元件，就能制造出蛋白質型的計算機，又被稱作“生物計算機”。科學家設計的生物計算機模型中DNA絕大多數都是懸浮于充滿液體的試管之內來執行運算。與傳統電子計算機以“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“軟件”來完成所需的各種信息處理工作。DNA計算機技術的誘惑力，在于其和傳統硅技術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；數百萬億個DNA分子擁有可感受和回應周圍環境的所有計算結構，可在一個狹小的表面區域通過生物化學反應來協調工作，這一并行處理能力據認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點：

(1)信息以波的形式傳播，運算速度比當今最新一代計算機快10萬倍；

(2)只需很少能量就可工作，不存在發熱問題。并且擁有巨大的存儲能力；

(3)由于蛋白質分子能夠自我組合，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，如能發揮生物本身的調節機能自動修復芯片發生的故障，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的基礎上發展起來的，現在的納米電子技術有望水到渠成地成為目前以硅等為基礎的微米級集成電路技術的“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據。

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據，從而使用戶不必進行刪除文檔的操作。此外，這些計算機還能免受計算機病毒、系統死機或其他故障的影響。

4 光學計算機

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，即把極細的激光束與快速的芯片相結合。那時，計算機將不采用金屬引線，而是以大量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數據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技術。

光計算機有三大優勢：

(1)光子的傳播速度無與倫比，電子在導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，而采用硅－光混合技術后，其傳送速度就可達到每秒萬億字節；

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

(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 超導計算機

導體在溫度下降到某一值時，電阻會突然消失，這一奇妙的現象叫做超導現象。它是在1911年由荷蘭物理學家昂尼斯首先發現的。具有超導性的物質稱之為超導體。超導體在超導狀態下電阻為零，可輸送大電流而不發熱、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生極強的磁場。1962年，正在英國劍橋大學攻讀博士學位的研究生約瑟夫遜提出了超導效應（亦稱約瑟夫遜效應）的原理，超導技術自此開始嶄露頭角，展現出引人注目的前景。利用約瑟夫遜效應，在約瑟夫遜結上加電源，當電流低于某一個臨界值時，絕緣層上不出現電壓降，此時結處于超導態；當電流超過臨界值時，結呈現電阻，并產生幾毫伏的電壓降，即轉變為正常態。如在結上加一個控制極來控制通過結的電流或利用外加磁場，可使結在兩 個工作狀態之間轉換，這就成了典型的超導開關。利用超導開關可制成超導存儲器、超導大規模集成電路，這是計算機中理想的超高速器件。

利用超導器件制成的超導計算機與普通計算機相比具有諸多優勢：(1)運行速度快。超導開關的開關速度目前已達幾微微秒（1微微秒＝10的12次方秒），這使得超導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。由于電流在超導體中流動時不發熱，也不損耗，超導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。目前已達到大規模集成電路的水平；(2)超導器件的結構基本上可用現行大規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？把量子力學和計算機結合起來的可能性是在1982年由美國著名物理學家理查德?費因曼首次提出的。隨后，英國牛津大學物理學家戴維?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實態的原子作為數據進行運算，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。這一模式只由物質世界中一個原子的行為所決定，而不是像傳統的二進制計算機那樣將信息分為0和1，用晶體管的開與關來處理這些信息。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、關兩種狀態，而是以多種狀態同時出現。這種數據結構對使用并行結構計算機來處理信息是非常有利的。

與傳統的電子計算機相比，量子計算機有以下優勢：(1)解題速度快。傳統的電子計算機用“1”和“0”表示信息，而量子粒子可以有多種狀態，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公鑰加密系統是以巨大數的質因子非常難以分解為基礎設計的一種多達400位長的“天文數字”，如果要對其進行因子分解，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。電子計算機用二進制存儲數據，量子計算機用量子位存儲，具有疊加效應，有m個量子位就可以存儲2m個數據。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?格羅佛教授發現，量子計算機能夠組成一種量子超級網絡引擎，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組合，分別檢索數據庫里的不同部分，其中必然有一種狀態組合會找到所需的信息；(4)安全性較高?？茖W家們發現，如果過往的原子因發生碰撞而導致信息丟失時，量子計算機能自動擴展信息，與家族伙伴成為一體，于是系統可以從其家族伙伴中找到替身而使丟失的信息得以恢復。

7 誰將是未來的計算機