量子计算的优势范文

导语：如何才能写好一篇量子计算的优势，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】平面机构；自由度计算；局部自由度；复合铰链

计算平面机构自由度的目的是判定一个已有的机构是否正确，确定主动件的个数在进行机构的运动分析时，必须通过机构的结构分析才能进行。如果机构的自由度计算不正确，那么就无法进行机构的结构分析和运动分析，所以平面机构的自由度计算在机构的设计中占有非常重要的地位。它是机构设计中必须的步骤，但在实际计算机构的自由度时，常常存在一些难以确定的问题。

1.复合铰链

复合铰链是指两个以上的构件在同一处组成的转动副。讲授这部分内容时，老师一般强调的是两个以上构件才能形成复合铰链。导致很多学生在分析复合铰链的时候出现问题。复合铰链一定是多构件形成转动副，倘若有两个以上的构件在同一处形成多个低副，而转动副数目小于3的时候，则不能算作复合铰链。

移动副和转动副都是平面低副，由平面机构的演化过程可知：移动副是由转动副演化而来的，所以移动副和转动副的约束数相等，当有多个构件在一点形成多个低副时，此时低副的数目是多少呢？如图1所示，机构在C点和E点构件各有多少个运动低副呢？现在来具体分析一下，在C点构件2和3之间为转动副，3和 4之间为转动副，3与5之间为转动副， 4与8之间为移动副，即在C 点共有五个构件2、3、4、5、8，形成了两个转动副，两个移动副，共 4个低副，同样在 E点有 5、6、7、8，四个构件形成了一个转动副，两个移动副，共三个低副C 点和E点符合复合铰链的计算方法，所以我们不妨把复合铰链的概念推广到一般的情形。

若由两个以上的构件同时在一轴线上（或一点），用转动副和（或）移动副连接就形成复合铰链，若复合铰链由k个构件组成，则连接处形成 k-1 个低副。如图 1所示， C 点共有2、3、4、5、8五个构件形成，所以C点有5-1=4个低副，E点有4-1=3个低副。这样，图 1中：n=7 ，PL=10，F=1。F>0且F等于机构原动件的个数，可以断定该机构具有确定的相对运动。

这样定义复合铰链，对于学习者来说，在计算自由度时就更方便、快捷、可以达到准确无误。

2.局部自由度

如图2所示的凸轮机构，凸轮为主动件，推杆为从动件。凸轮机构的功用是用从动件推杆获得预期的运动，滚子是为减少磨损和摩擦而加入的从动件，滚子与从动件推杆间形成的自由度不会影响输出件的运动，所以滚子与推杆间的自由度为多余的自由度，即局部自由度。在计算机构的自由度时应除去，如果不除去，机构的自由度为2。（根据机构具有确定相对运动的条件：机构的自由度数目等于机构的主动件数目），所以机构是具有不确定的相对运动。

滚子是局部自由度最常见的形式。但是，是不是说我们在计算平面机构自由度时，一碰见滚子就把它视为局部自由度呢？答案是否定的，我们在计算机构自由度时应具体问题具体分析。那么，什么条件下滚子是局部自由度，什么条件下滚子不是局部自由度呢？下面我们具体分析找出其确定条件。

如图3所示这个机构我们很熟悉，它是曲柄滑块机构，它把滑块用一个滚子来代替，把滑动摩擦转化为滚动摩擦。若把构件3视为局部自由度，则构件 3与机架之间为高副：n=2、PL=2、PH=1由公式可知F=3×2-2×2-1=1。根据机构具有确定运动的条件，机构主动件数为1个，好像是正确的，若把构件3视为滑块，则构件3与构件4间为低副 ：n=3、PL=4，同样 F=1，机构的主动件也是一个，两者的计算结果一样，到底哪一种的计算更准确呢？从实际运动分析出发，第二种计算更准确因为这种机构实际的运动是把转动运动转化为直线运动。从机构分析的角度看，若构件3与构件4视为高副，则根据用低副代替高副的方法，其替代效果就是把构件3转化为滑块。

从上述例子可以看出它们有共同之处，滚子不可以看作局部自由度，因为它没有多余的自由度，相对于图2的凸轮机构，图3的两种计算中均没有出现多余的机构自由度，这说明滚子的运动对从动件的输出运动有影响，所以不是局部自由度。滚子不可以去除掉，只能把滚子看作滑块来处理，才是正确的，从而得出滚子不是局部自由度的条件为：（1）机构没有多余自由度出现；（2）滚子与其他构件间有移动导路。满足上述两个条件时：把滚子看作滑块来计算机构自由度，把高副看作低副。

在实际生产中之所以把滑块用滚子来代替，是为了减小摩擦和磨损，这种把滑块用滚子来代替的机构广泛用于传递运动的机构中。

3.结束语

总之，在计算机构自由度时，要注意机构的结构，具体问题具体分析，才能正确计算机构的自由度，从而进行机构的结构分析。

【参考文献】

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关健词：生物计算机；分子计算机；光计算机超导计算机；量子计算机

中图分类号：TP38文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)04-11136-01

1 引言

自从1946年世界上第一台电子计算机诞生以来， 电子计算机已经走过了半个多世纪的历程。从第一代电子管计算机到现在正在开发的第六代神经网络计算机，计算机的体积不断变小，但性能、速度却在不断提高。自计算机问世50多年来，运算速度已提高了约10亿倍。在最新一代芯片中，晶体管之间的连接导线的厚度已被蚀刻到只有0.03微米，是人头发的1/4500。然而，原有发展起来的以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的，由于存在磁场效应、热效应、量子效应以及制作上的困难，当线宽低于0.1mm以后将不可避免地达到仅有单个分子大小的物理学极限。越来越多的专家认识到，在传统计算机的基础上大幅度提高计算机的性能必将遇到难以逾越的障碍，从其它技术方面寻找计算机发展的突破口才是正确的道路。目前至少有5种可能的技术来生产出未来的计算机，它们是：生物计算机，分子计算机、光计算机、超导计算机和量子计算机。就像电子计算机对20世纪产生了重大影响一样，各种新颖的计算机也必将对未来产生重大影响。

2 生物计算机

DNA生物计算机是美国南加州大学阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想。由于蛋白质分子中的氢也有两种电态。因此，一个蛋白质分子就是一个开关。从理论上讲，用蛋白质分子作为元件，就能制造出蛋白质型的计算机，又被称作“生物计算机”。科学家设计的生物计算机模型中DNA绝大多数都是悬浮于充满液体的试管之内来执行运算。与传统电子计算机以“0”和“1”来代表信息不同，在DNA计算机中，信息将以分子代码的形式排列于DNA上，特定的酶可充当“软件”来完成所需的各种信息处理工作。DNA计算机技术的诱惑力，在于其和传统硅技术相比所具有的巨大存储能力：一克DNA所能存储的信息量，估计可与1万亿张CD光盘相当；数百万亿个DNA分子拥有可感受和回应周围环境的所有计算结构，可在一个狭小的表面区域通过生物化学反应来协调工作，这一并行处理能力据认为可与目前功能最为强大的超级电子计算机媲美。

生物计算机具有三大显著优点：

(1)信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快10万倍；

(2)只需很少能量就可工作，不存在发热问题。并且拥有巨大的存储能力；

(3)由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。

3 分子计算机

分子计算机是在纳米电子技术的基础上发展起来的，现在的纳米电子技术有望水到渠成地成为目前以硅等为基础的微米级集成电路技术的“接班人”。分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。此外，分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。

与目前的计算机相比，分子计算机运行所需的电力将大大减少，并且有可能永久保存大量数据，从而使用户不必进行删除文档的操作。此外，这些计算机还能免受计算机病毒、系统死机或其他故障的影响。

4 光学计算机

所谓光计算机，就是利用光作为信息的传输媒体。未来的光计算机可能是混合型的，即把极细的激光束与快速的芯片相结合。那时，计算机将不采用金属引线，而是以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。这种传送方式称为自由空间光学技术。

光计算机有三大优势：

(1)光子的传播速度无与伦比，电子在导线中的运行速度与其相比就像蜗牛爬行那样。今天电子计算机的传送速度最高为每秒109个字节，而采用硅－光混合技术后，其传送速度就可达到每秒万亿字节；

(2)更重要的是光子不像带电的电子那样相互作用，因此经过同样窄小的空间通道可以传送更多数据；

(3)尤其值得一提的是光无须物理连接。如能将普通的透镜和激光器做得很小，足以装在微芯片的背面，那么明天的计算机就可以通过稀薄的空气传送信号了。

5 超导计算机

导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，这一奇妙的现象叫做超导现象。它是在1911年由荷兰物理学家昂尼斯首先发现的。具有超导性的物质称之为超导体。超导体在超导状态下电阻为零，可输送大电流而不发热、不损耗，具有高载流能力，可长时间无损耗地储存大量的电能以及能产生极强的磁场。1962年，正在英国剑桥大学攻读博士学位的研究生约瑟夫逊提出了超导效应（亦称约瑟夫逊效应）的原理，超导技术自此开始崭露头角，展现出引人注目的前景。利用约瑟夫逊效应，在约瑟夫逊结上加电源，当电流低于某一个临界值时，绝缘层上不出现电压降，此时结处于超导态；当电流超过临界值时，结呈现电阻，并产生几毫伏的电压降，即转变为正常态。如在结上加一个控制极来控制通过结的电流或利用外加磁场，可使结在两 个工作状态之间转换，这就成了典型的超导开关。利用超导开关可制成超导存储器、超导大规模集成电路，这是计算机中理想的超高速器件。

利用超导器件制成的超导计算机与普通计算机相比具有诸多优势：(1)运行速度快。超导开关的开关速度目前已达几微微秒（1微微秒＝10的12次方秒），这使得超导计算机的运行速度将比目前的计算机快100倍。二是功耗低，集成度高。由于电流在超导体中流动时不发热，也不损耗，超导集成电路的功耗仅为硅集成电路的几百分之一，为一般晶体管的二千分之一，因此其集成度可望做得很高。目前已达到大规模集成电路的水平；(2)超导器件的结构基本上可用现行大规模集成电路工艺制作，因而无需花费大量的财力与人力；(3)利用超导传输线来完成计算机中元器件之间的信号传输时具有信号无损耗和低色散的特点。

6 量子计算机

什么是量子计算机呢？把量子力学和计算机结合起来的可能性是在1982年由美国著名物理学家理查德・费因曼首次提出的。随后，英国牛津大学物理学家戴维・多伊奇于1985年初步阐述了量子计算机的概念。量子计算机是利用处于多现实态的原子作为数据进行运算，这是一种采用基于量子力量的深层次的计算模式的计算机。这一模式只由物质世界中一个原子的行为所决定，而不是像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，用晶体管的开与关来处理这些信息。在量子计算机中最小的信息单元是一个量子比特(quantum bit)。量子比特不只是开、关两种状态，而是以多种状态同时出现。这种数据结构对使用并行结构计算机来处理信息是非常有利的。

与传统的电子计算机相比，量子计算机有以下优势：(1)解题速度快。传统的电子计算机用“1”和“0”表示信息，而量子粒子可以有多种状态，使量子计算机能够采用更为丰富的信息单位，从而大大加快了运行速度。例如，电子计算机使用的RSA公钥加密系统是以巨大数的质因子非常难以分解为基础设计的一种多达400位长的“天文数字”，如果要对其进行因子分解，即使使用目前世界上运算速度最快的超级计算机，也需要耗时10亿年。如果用量子计算机来进行因子分解，则只需10个月左右；(2)存储量大。电子计算机用二进制存储数据，量子计算机用量子位存储，具有叠加效应，有m个量子位就可以存储2m个数据。因此，量子计算机的存储能力比电子计算机大得多；(3)搜索功能强劲。美国朗讯科技公司贝尔实验室的洛夫・格罗佛教授发现，量子计算机能够组成一种量子超级网络引擎，可轻而易举地从浩如烟海的信息海洋中快速搜寻出特定的信息。其方法是采用不同的量子位状态组合，分别检索数据库里的不同部分，其中必然有一种状态组合会找到所需的信息；(4)安全性较高。科学家们发现，如果过往的原子因发生碰撞而导致信息丢失时，量子计算机能自动扩展信息，与家族伙伴成为一体，于是系统可以从其家族伙伴中找到替身而使丢失的信息得以恢复。

7 谁将是未来的计算机

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IBM近日庆祝在技术创新领域取得的辉煌纪录，以此庆贺公司百年华诞。IBM研制出了动态随机存储器（DRAM）、磁盘驱动器、用在信用卡上的磁条，以及其他许多发明。IBM是世界上最富有创新精神的公司之一。

但计算机行业正在迈向新的未来技术，这项新技术具有与当年推出的硅芯片一样的颠覆性和革命性，那就是量子计算。量子计算系统利用亚原子粒子的行为，处理现在由芯片上晶体管处理的计算任务。

这个未来距离今天还有10年到20年，甚至更遥远。但如果能够完全发挥量子计算的潜力，它也许会在芯片和硬件设计领域掀起一股开发热潮，让人联想起几十年前硅谷经历的那一幕。

IBM的创新副总裁兼IBM院士Bernard Meyerson说：“想一想我们如今在着手处理的改变游戏规则的技术（指量子计算）。”Meyerson的职责就是有确保世人不会仅仅认为IBM在过去100年的辉煌就是其最好的。那是他谈论芯片行业会出现变化的原因之一。

按照摩尔定律，将来这类晶体管的尺寸会比今天最先进处理器上的晶体管再缩小10倍，变得实在太小了，“以至于进入到量子力学操作的范畴――这方面根本没有先例。”

Meyerson表示，一旦现有的技术达到尺寸缩小方面的极限――大概10年后，还会设法继续取得进步，因为工程师们使用集成度很高的芯片制造紧密耦合系统，另外会在存储器、缓存和速度处理方面有所改进。

不断发展的这种势头会延长到20年，但之后，“你最好要有锦囊妙计。”Meyerson说。而其中一个锦囊妙计也许就是量子计算。

IBM研究中心的量子计算高级经理Bill Gallagher表示，IBM的研究人员多年来在研究量子计算的理论和潜力；最近他们一直在针对概念进行试验。

Gallagher说：“这是我们在眼下最重要的基础性研究项目之一，可能也是规模最大的基础性研究项目之一。”他说，“已取得了良好的进展，但还有很长一段路要走。”

普通计算机由一组二进制比特数字组成，这个比特可能是0或1。但量子比特可以同时保存0和1这两个状态。量子计算机中的处理能力可以急剧增强，而不是一个接一个地执行计算。两个量子比特（qubit）可保存4个不同的状态――这4个状态可以同时处理；三个量子比特可保存8个状态，十个量子比特可保存1024个状态。研究人员期望有朝一日，研制出有数千个量子比特的计算机。

但量子计算的亚原子世界带来了严峻挑战。要保持“量子相干性”（即运行计算的原子和电子之间相互作用保持一种稳定状态）有多种方法，包括在-273℃摄氏度的温度下进行处理（接近绝对零度），以减少热干扰；以及使用超导金属。延长可以保持相干状态的时间是研究人员面临的挑战之一。

随着研究的不断继续深入，量子计算市场正俨然形成。

关注的问题之一是，量子计算机最终能够突破密码保护技术。Security Innovation这家公司之前就一直在考虑这个问题，并研发出了公开密钥算法NTRUSign。该公司表示，这种算法能够抵御量子计算攻击。它最近获得了专利。

Security Innovation的首席科学家William Whyte说：“谁要是在制造需要十年后安全，很难升级的系统，就应该认真考虑这个问题：如果量子计算出现在世人面前，会发生什么。”

Whyte所在的公司是最早关注量子计算所带来影响的一批公司之一。

Whyte关注量子计算市场的不断发展，同时看到了业界在探索制造量子计算系统的种种想法和材料。

“我认为，你会看到非常有创意的想法迸发出来，”Whyte说；新公司如雨后春笋般地冒出来，有望“超越现有厂商”。

加拿大不列颠哥伦比亚省伯纳比的D-Wave Systems就是这样一家在制造量子计算系统的公司。D-Wave公司在上个月宣布，它已将第一套完整系统卖给了洛克希德?马丁公司。该公司的研究成果上个月还发表在了《自然》科学杂志上。

D-Wave Systems的联合创始人兼首席技术官Geordie Rose表示，经营了12年的这家公司在研制一种128量子比特的处理器，现已发展到了第23代。

量子系统旨在解决无法用传统计算机很好地处理的一类问题，如机器学习、人工智能和数理逻辑。Rose表示，这类问题需要核查数量庞大的可能性，以便找到最佳答案。

在发展的初期阶段， Rose认为创业公司具有优势。他说：“因为条条框框少得多，效率就高得多；远见卓识的人其角色重要得多。”

D-Wave这个例子还表明：即使在量子计算这个全新的领域，崛起的新兴公司也会对传统老牌公司构成新的挑战。

IBM的Myerson持有发明证书，拥有多项专利权，还为硅锗技术的研发作出了卓越贡献。

如今，Meyerson肩负在IBM促进创新的重任，他及其团队致力于提供全面的、跨学科领域的集成，以便在新领域获得重大突破，又要确保IBM有一套流程以便不断改进现有技术。

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关键词计算机；科学与技术；发展趋势

中图分类号TP3 文献标识码A 文章编号1674-6708（2016）159-0085-03

计算机科学与技术是当前社会各界高度关注的内容，不仅许多盈利性企事业单位对计算机科学与技术的关注度较高，一些社会团体也迫切需要通过计算机科学与技术进行发展环境的改良，因此，很多社会团队都加强了对计算机科学与技术的关注。

1分析计算机科学与技术发展趋势的重要意义

电子计算机的出现很大程度上改变了20世纪40年代以来的人类生活状态，早在计算机技术诞生之初，人类就已经进入了信息化时代。当前，计算机技术广泛存在与人类社会的各个领域，能够使用计算机技术对原有的工作形态进行替代，就能够很大程度上提升计算机技术的应用水平[1]。在当前计算机技术不断发展完善的时代背景下，计算机技术下一步该如何发展是社会各界高度关注的问题。总的来看，计算机设备的发展趋势必须同人类的发展需要相适应，既要保证计算机的服务性能逐步提高，也要保证计算机的使用便捷程度越来于强，还要使计算机技术能够在更加广阔的范围内对人类生活形成积极影响，因此，在计算机技术发展速度较快的情况下，对计算机科学和技术的发展趋势进行研究，是提升计算机技术发展质量的重要工作。

2当前计算机科学与技术的发展现状

2.1计算机科学与技术很大程度上提高了社会发展质量

随着计算机科学与技术的快速发展，我国社会的很多领域使用计算机设备进行了工作方式的改良，并取得了良好的效果[2]。目前，电子计算机是我国公民生活的必备物品，不仅在具备盈利性质的工作领域需要进行计算机的操作，在生活休闲领域也很大程度上需要依靠计算机技术进行生活水平的提升。因此，将计算机技术更好的应用于生活的各个领域，可以使人们的生活质量得到较大的提高。另外，计算机科学技术的发展使得很多工作环境得到了改变，仅仅在计算机运行速度的提高方面，许多公司大量资料的管理效率和管理质量就得到了较大程度的增强。另外，计算机科学技术的发展也使得我国社会的精神娱乐活动得到了较大程度的改良，目前，电子游戏已经广泛的存在于人们生活的各个领域，并很大程度上改善着人们的精神娱乐生活。在计算机科学技术不断发展的背景下，社会各界对计算机科学技术的改良获得了较大程度的认同，人们在计算机的影响下转变了生活的方式，使得社会的精神文明等级不断的得到发展完善。另外，计算机技术在人性化建设方面处于较高的等级，很多新兴技术不仅对一些社会事业进行了工作效率的改良，也从人类生活习惯的角度出发，对提升人类生活质量的机制进行了构建，使得当前社会的人们更加喜爱使用计算机技术进行生活水平的提升。计算机设备的整体体积较小，在运行的过程中也具有较为便捷的特点，因此，计算机技术在提升人们生活便捷性的同时，不会为人们的生活带来较大的负担。计算机技术长期以来处于较快的发展阶段，早在70年前，计算机就已经诞生，最初的计算机设备尚且需要通过电子管技术进行基础性运作，但是，在短短几十年的发展过程中，计算机设备不仅很大程度上缩小的体积，也使得计算机的运行效率得到了较大程度的提高，计算机的功能也更加丰富多样，因此，在计算机科学与技术已经较为成熟的背景下，计算机设备在我国社会发挥了较为重要的积极影响。

2.2计算机科学技术发展引发了一些社会问题

虽然计算机技术是20世纪人类的一项伟大发明，但是，计算机科学与技术的发展还是对人类社会构成了一定的负面影响。计算机技术带来的安全性问题就是计算机技术的主要负面影响之一[3]。例如，计算机网络病毒的出现使得很多计算机设备遭受了严重的威胁，而一些对计算机技术形成依赖的产业，一旦受到计算机病毒的威胁，将很容易出现产业发展质量受损，进而导致很多社会事务不能按照既定的方案进行实现。另外，计算机技术具有较强的复杂性，一旦技术当中的某一细节出现错误，将会在很短的时间内将问题进行扩展，使更多的计算机设备受到不良影响，因此，计算机设备在技术层面的漏洞存在较大的脆弱性，如果遭到网络病毒等因素的影响，将会在很大的社会范围内产生不良影响。

2.3计算机科学技术正处在规范方案的完善阶段

良好的规划设计是提升计算机科学技术发展质量的重要因素，目前，我国的计算机科学技术发展规划方案正处在快速完善的阶段。我国的计算机技术发展方案科学的进行了重要等级的划分，首先，计算机技术需要让步于公共安全事务，任何高科技手段只有在正义的掌握之中才能更好的为人类服务。因此，我国的计算机科学技术需要首先服务于国防事业和公安事业，促进我国社会的公平正义，使我国公民生活在更加安全和谐的环境当中。另外，计算机技术需要服务于关系到国计民生的重大事业当中，尤其在我国经济发展的重要领域，目前已经加强了对计算机科学技术的关注，并对计算机科学技术的发展方案进行了完善，使得我国经济的发展可以得到技术层面的保障，提升我国社会的和谐等级。另外，我国很多规划机构对计算机技术的突出价值进行了分析，并对计算机不同性能的社会影响进行了全面的研究，根据当前我国社会发展的需要，对计算机技术的后续发展方案进行了科学的设计，使计算机设备可以更好的结合现有的各项功能提升社会服务等级。另外，我国在计算机软件和硬件开发领域已经进行了高水平的规划设计，使计算机技术的发展能够借助世界范围内的技术发展情况进行技术应用水平的提升，使计算机技术能够更大程度上提升对社会的积极影响力。

3计算机科学与技术的主要发展趋势

3.1巨型计算机的发展和使用

首先，进行计算机科学技术研究的人员，需要加强对计算机的优势分析，充分了解到计算机技术的高效便捷是计算机技术的主要优势，并从在这一思维出发，对计算机技术的具体发展路径进行科学的规划。要将巨型计算机作为提升计算机技术社会价值的重要研究方向，巨型计算机相比于普通计算机具有更加强大的运算能力，能够在短时间内对大量的信息数据进行处理，并保证处理的准确性。巨型计算机还拥有较强的信息储存功能，在保证信息资源储存安全性和完整性的同时，不会使存储设备占据较大的体积空间，使巨型计算机能够更好的使用于档案管理等涉及到较大信息资源的领域。目前，已经掌握的巨型计算机技术已经可以在一秒的时间内进行百亿次以上的运算，因此，巨型计算机完全可以胜任艺术领域和尖端科技领域的信息存储工作。另外，巨型计算机的内存容量较大，能够保持在百兆字节以上，因此，巨型计算机在气相领域和地质领域能够得到较为广泛的应用。巨型计算机的发展正处于快速阶段，大量的市场需求使得巨型计算机的技术研发获得了大量的利益驱动，因此，巨型计算机的发展必定在短时间内替代传统形式的计算机，并在许多重要的社会领域发挥建设性作用。另外，巨型计算机技术的发展也会很大程度上带动传统计算机技术的发展，使更大社会范围内的事业得到计算机技术的支持。

3.2智能型计算机的发展和使用

目前，智能型计算机的技术正处在快速发展的过程中，智能型计算机最突出的优势是具备平行处理技术，因此，智能型计算机不仅能够对传统计算机的优势进行保留，还能够在相同的时间内对多个信息指令进行高效的处理。另外，智能型计算机拥有较强的数据分析能力，能够在固定的时间内使用多个信息处理机制对信息资源实施高效处置，使信息资源的处理效率能够实现成倍增长。另外，智能型计算机虽然进行多种信息资源的操作，但是，并不会由于信息处理渠道的增加而产生数据处理时间的延长。因此，智能型计算机目前已经受到了我国尖端科技领域的高度重视，并且将智能型计算机的技术使用于复杂信息资源的管理领域，使大量的信息资源可以更加高质量的完成推演和分析，降低尖端科技领域的信息管理成本。另外，智能型计算机在常规服务方面具有较强的人性化特点，因为智能型计算机的设计理念方面同人类大脑有着较为相似的设计意图，使得现有的智能型计算机的服务性能更加贴近人类生活和发展的需求，因此智能型计算机相比于普通形式的计算机拥有较强的人性化特点，在人性化需求较为强烈的社会环境中，依然具备较大的发展空间。

3.3量子计算机的发展和使用

量子计算机科学的运用了量子力学的科学原理对计算机的应用技术进行了改良，使得计算机在处理大量信息资源的过程中能够表现得更加高效。另外，量子计算机在信息处理方面也具有较强的性能，由于量子力学理论在技术层面可以进行逆向处理，使得量子计算机可以在物理装置的协同之下进行信息储存机制的完善。因此，量子计算机在进行大量信息资源储存的过程中，需要根据物理装置的特点进行计算机造作性能的提高，因此，量子计算机可以结合技术的研制需要，对技术发展的过程进行细化处理，结合信息储存功能的需求，对已经掌握的技术进行信息存储层面的在开发，使量子计算机能够丰富信息资源的储存形式，实现对大量信息资源的高水平处理。当前，已经掌握的量子计算机技术，可以高质量的进行激光脉冲的控制，使激光脉冲具备较强的灵活性特点。另外，量子计算机可以使用现有技术对链状分子进行深度控制，并使现有的链状分子能够按照计算机服务的需要进行重新组合，并保证量子计算机能够通过开关装置更好的进行聚合物的处理，提升聚合物的移动频率。另外，量子计算机在技术层面具有量子理论的一些优势，可以通过量子的叠加效益进行计算机存储机制的完善，使计算机的信息总存储量可以得到扩展。量子计算机当前的信息存储效率已经较常规计算机设备高出十几亿倍，并且能够保证信息存储的安全性。

3.4光子计算机的发展和使用

计算机设备在进行基础性信息资源处理的过程中，大多使用电子形式进行储存机制的构建，而光子计算机的出现，使得光子技术替代了电子技术，在计算机应用领域起到了较好的作用。例如，光子计算机传递信息不再需要使用实体导线进行电子资源的连通，只需要使用光子技术对信息实施传递，使信息资源能够更大程度上提升传递的便捷性。另外，信息资源的运算也是决定计算机设备使用性能的重要因素，光子计算机在进行信息运算的过程中，可以利用光子技术对现代化信息运算模式进行操作，使光运算的优势可以得到更大程度的发挥。光子计算机可以将计算机当前处理的信息，以不同形式的光波进行处理，并通过波长的合理控制实现表现质量的提升，使光运算技术能够在更加快速的模式下进行信息资源的处理，因此，光子计算机受到了信息技术领域尤其是计算机技术领域的充分重视，目前正处于快速成熟的阶段。

3.5纳米计算机的发展和使用

纳米计算机属于技术等级较高的计算机，目前在我国一些社会领域并没有得到普及，但在我国尖端科技领域已经得到了广泛的应用。纳米计算机不仅拥有纳米技术的一系列优势，也能够良好的整合传统计算机的一系列优势，因此，纳米计算机在技术层面能够实现新老技术的科学整合。此外，纳米计算机能够很好的进行纳米元件的使用，使纳米计算机可以保证以较小的体积对丰富的信息资源进行处理，因此，纳米计算机在现实操作的过程中有着较强的便捷性特点。另外，在纳米技术不断完善的背景下，纳米计算机的技术正处在快速变革的过程中，目前，很多纳米计算机在导电性能方面已经具备了较为理想的性能。在进行纳米计算机芯片使用的过程中，纳米元件越来越多的受到了技术团队的关注，而传统计算机在进行硬件调整改造的过程中，也将纳米技术使用于中央控制器和信息传感装置等多个方面。另外，纳米计算机在进行信息处理的过程中，可以将大量信息计算设备的功能利用芯片装置进行储存，使计算机的各项技术成果可以构成一个整体的系统。在纳米计算机的硬件设施当中，芯片所占的体积较小，但纳米计算机由于纳米技术的使用，能够在增强信息处理质量方面比传统形式的计算机更具优势，因此，纳米技术是提升纳米计算机实用价值的重要技术，必定在未来的纳米计算机发展过程中发挥关键性作用。

4结论

深入的研究计算机科学与技术的发展现状，并对计算机科学与技术的重要意义进行分析，可以使社会各界更加清楚计算机的发展意义和发展必要性，因此，对计算机的发展趋势实施科学分析，是提升计算机科学与技术发展水平的重要工作。

参考文献

[1]张瑞.计算机科学与技术的发展趋势探析[J].制造业自化，2010（8）：237-240.

[2]陆枫，金海.计算机本科专业教学改革趋势及其启示——兼谈华中科技大学计算机科学与技术学院的教改经验[J].高等工程教育研究，2014（5）：180-186.

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技术从来没有停止过前进的步伐：新技术不断被发明，进行商业化，然后在企业中落地成为推动企业前进的新动力，然后普及推广，最后被新技术取代而淡出市场，这就是技术的演进周期，这一周期也构成社会前进的动力。而最新一批值得关注并有可能改变整个行业的技术就包括量子计算、游戏化、响应式编程（Reactive programming）、增强现实、瞬态电子（Transient electronics）和命名数据网络（Named Data Networking）。

在这六个新技术中，响应式编程和游戏化最可能接近商用或者说在一定程度上已经实现商用，而增强现实还要等待更好的硬件出现，瞬态电子和命名数据网络距离商用最为遥远，目前还停留在概念验证阶段。至于量子计算，则有不同的看法，但普遍的看法是要投入商用还有不小距离。

量子计算

对量子计算的前景专家有两种看法，一种认为会成为主流，未来一代的计算机可能基于量子力学而不是电子理论，而另一种看法认为量子计算将来可能只能在一些特定的场合使用，特别是考虑到量子世界的特殊性。

量子计算基于量子位或者量子比特（qubit）。加拿大滑铁卢大学量子计算研究所副所长米歇尔・莫斯解释说，传统计算机中每一个比特位可以是0或者1，而在量子理论中由于有一种独特的“叠加特性”，一个量子比特可以同时是1或0个，因此可以代表两位。这使一个量子比特可以代表的数可从2个增至数个。

由于无需将数据与数据集包含的所有值进行比较，因而可以很快提取到量子位所代表的数据。“对于某些问题这种速度的提升是惊人的，而另一些其速度的提升也可以是指数级的。”莫斯卡提醒说，“不过，对于少部分问题已经有非常快的经典算法，你可能看不到速度的明显提升。”

莫斯卡预计，通过结合量子比特与量子逻辑门，很有可能在来10～15年将会有通用的量子计算机推出。莫斯卡说，对量子计算机的出现他颇有担心，因为一个有可能从量子计算机速度提升方面受益的应用是某些加密算法的解密，这使得那些过去看来很安全的数据在量子计算机面前就像是一本打开的书，里边的内容唾手可得。他补充说，现在安全官员需要开始寻找“量子安全”级的加密方法。

加拿大量子计算硬件供应商D-Wave公司是市场上为数不多的从事量子计算机生产和推广的公司。公司总裁Jeremy Hilton认为，通用量子计算机的出现可能要在几十年后，但是他的公司已经在出售一些在传统计算机中加入了量子计算组件的产品，它们针对特定问题进行了优化。（不过，一些观察家质疑D-Wave的产品是真的量子计算机）。他说，公司的D-Wave 2具有 512个量子比特，1000个量子比特的版本也将于今年推出，美国宇航局、Lockheed Martin和谷歌对D-Wave的产品感兴趣，正在测试这些产品。

“第三方进行的基准测试显示，我们的硬件与成熟的、通用的软件解决方案相比要快上千倍。”Hilton说，对高度优化的经典算法其产品也能有同样的速度优势。

他补充说，目前公司仍在摸索该技术的工作原理和应用方法。

游戏化

你可以期望员工做你希望他们做的事情。为此，你会跟踪他们做什么，发现他们做了你希望他们做的工作后，及时奖励他们，比如，给他们增加点数、徽章、提升级别，甚至提供奖品。

这一种方法就称为游戏化。它其实很难说是一种新的方法，如果你经常光顾一家商店，主要是为了得到它的会员积分，那你就是在体验游戏化。今天，这项技术方兴未艾，主要用作激励，许多不同类型的企业正以各种不同的形式利用它。“不管是激励客户还是员工，都有使用。”分析师 Rob Enderle说。

“游戏化是把游戏中那些最好的想法用在娱乐和游戏之外。”游戏化顾问公司Gabe的咨询顾问Zichermann 解释说，“但它不是纯粹的娱乐，而是寓教于乐，让客户投入其中。其实，大多数人的日常工作是很无聊的，只把它们变成游戏不会令他们觉得很棒。游戏化的基本思路是让用户融入其中，并设法使他们感觉有趣。”

实际上，改善可用性和用户体验正是游戏化很重要的一部分工作，游戏化解决供应商 Qstream 的创始人和首席执行官Duncan Lennox补充说，一般而言，企业应用程序的界面设计都比较差，几乎是强加给用户，因为他们必须使用，游戏化就是要避免这种情况。

Zichermann介绍说，大多数企业在游戏化方面的努力都围绕培训进行。Lennox公司就为销售人员提供一种培训工具――一个时长为2分钟的在线对话，这个2分钟的互动非常有趣，其竞争性让参与者欲罢不能。

除此之外，游戏化的努力还应围绕用户或员工在日常工作中生成的各种数据进行。游戏化公司Bunchball的创始人兼首席产品官Rajat Paharia提醒说，设计师必须小心，确保只对正确的行为进行奖励，以激励用户积极响应。同时，游戏化还应旨在驱动一个具体、可衡量的结果，如帮助销售代表增加的订单大小。

响应式编程

在摩尔定律的驱动下，硬件的性能每年都在翻倍，但软件却达不到这样的效果，也一直没有自己的摩尔定律。不过，响应式编程可能会给软件行业一个赶上来的机会。

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关键词：现代计算机；计算机技术；发展方向；趋势

中图分类号：TP338 文献标识码：A 文章号：1007-9416（2017）01-0242-01

1 计算机技术的概述

1.1 计算机的发展过程

1946年，世界上诞生了第一代计算机，其中应用了18800个真空管，体积占有几个房间，它的出现在一定程度上改变了人类的思维和生活方式，为计算机技术的进一步发展打下了坚实的基础。计算机的发展过程主要包括四个阶段，第一代计算机主要由真空管组成，由于真空管体自身的特性，体积大、内存小，所以，第一代计算机不仅体积庞大，而且耗电量巨大。1954年，世界上第二代计算机诞生了，由美国科学家催迪克研制出来的晶体管计算机。信息产业作为技术与知识密集型产业，为了能适应现代社会建设的需要，第四代计算机应运而生。第四代计算机的出现直接促进了计算机的大量生产，计算机开始出现在人们的日常生活中。

1.2 我国计算机技术的发展现状

随着计算机的迅速发展，我们已进入到了计算机信息技术时代，我们可以直接从网上获取信息资源，这也使我们的生活有了很大的改变。不少发达国家的政治、经济、及文化开始过度依赖于计算机信息技术的基础设施，而同时又出现了强大的黑客攻击，信息技术犹如新型的作战技术，在当前的形式下，计算机技术的安全问题成为了各国面临的巨大挑战，因此，还需进一步加强对计算机技术的安全风险管理[1]。

2 我国计算机技术的发展趋势

如今，计算机信息技术已成为大家关注的一大焦点，连续创造活动的出现、稳定的选择机制使得我国计算机技术有了迅速的发展。由于计算机信息技术的发展给我们的日常生活带来了诸多便利，有效满足了大家的日常及工作需求，不仅提升了个人的工作效率，还保障了整个社会的工作效率，这样才能确保其为我国提供更好的信息服务。我国的计算机技术已成为了社会发展的主要潮流之一，有着广阔的发展前景。

2.1 生物计算机

生物计算机，也被称之为仿生计算机，主要是通过生物工程生产的蛋白质分子作为生物芯片来代替半导体的硅片。由于生物的遗传形状主要是由DNA决定的，DNA是具有基因编码的双链大分子，且蛋白质的结构等信息都储存在DNA的双链分子中，所以，生物计算机具有很强的信息储存能力[2]。另外，由于通过控制脱氧核糖核酸的状态可以有效控制DNA的信息，而且生物计算机具有很强的信息处理能力，这为生物计算机带来了很多优势，不仅表现在功率高体积小，而且存储和芯片也具有一定的可靠性。

2.2 量子计算机

在21世纪的信息社会中，先进的信息科技给人民的生活带来了深刻的变化。信息产业作为技术与知识密集型产业，为了能适应现代社会建设的需要，量子计算机应运而生。量子计算机在进行处理和存储数据时，会根据量子算法，采用一量子比特的形式进行储存数据，所以，量子计算机在数据处理的速度上有了很大的进步。目前，很多专家学者也在不断的研究量子计算机，所以，量子计算机一定会有很好的发展。

2.3 光子计算机

光子计算机主要是通过利用光信号进行信息处理和存储的新型计算机，其在进行数据存储时主要利用的是光子和光运算，而且当对数据处理错误时不会影响到最终的结果。光子计算机还具有很多优势，比如，不会受到电磁场的影响，超大规模的信息存储容量及低能量消耗、低发热量等。光子计算机的这些优势使光子可以任意传输，不会受到电磁场的影响，不需要导线也不会相互影响，而且是在很低的能量下就能正常工作。

2.4 纳米计算机

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机，体积约是人头发直径的千分之一，性能比传统的计算机强大很多，而且有着极强的导电性[3]。由于纳米技术开始研制成计算机内存芯片，而且其性能也亚远远超过传统计算机的性能，所以，未来的纳米技术将会走出实验室，纳米计算机也会取代芯片计算机。因此，纳米计算机能提供更加全面、客观、公正、高质量的信息与技术。

3 结语

计算机技术的发展改变了人民的生活，比较符合人类的需求，不仅方便了广大人民群众的日常生活，而且成为了提高我国综合国力竞争的重要组成部分，对于到我国信息安全产业的健康发展起到直接推动作用，推动了我国经济和现代文明的进步，所以，还需不断加强人们对计算机技术的认识。从计算机的发展过程及发展现状上来看，我国计算机技术未来的发展趋势将朝着智能化、专业化的方向发展，高性能计算机就是我国计算机科学与技术的主要发展方向。

由于笔者对现代计算机技术的发展方向与趋势只有初步的统整，所以研究还有部分不太严谨的地方，这也是笔者以后继续要努力、探索的方向。

参考文献

[1]王敏.计算机技术的发展方向及进展[J].中小企业管理与科技，2014（1）：312-313.

篇7

关键词：计算机技术 发展趋势

中图分类号：G633.58

一、前言

当前计算机技术获得了迅猛发展，广泛地应用于人们的生活中，给人们的生活带来了巨大的便利，计算机技术也从单一化领域逐步发展到多元化领域。但随着社会经济的发展，各行各业对计算机技术的要求越来越高，要适应社会需求，就必须深入研究计算机技术，以使计算机技术更好地满足社会需求。

何为计算机技术呢？计算机技术是指运用计算机综合处理和控制文字、图像、动画和活动影像等信息，使多种信息建立起逻辑链接，集成为一个系统并具有交互作用。这与传统的多种媒体简单组合是完全不同的。计算机技术是将视听信息以数字信号的方式集成在一个系统中，计算机就可以很方便地对它们进行存储、加工、控制、编辑、变换，还可以查询、检查。

二、计算机保持关键技术的发展

计算机技术将向超高速、超小型、平行处理、智能化的方向发展。尽管受到物理极限的约束，采用硅芯片的计算机的核心部件CPU的性能还会持续增长。超高速计算机将采用平行处理技术，使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理，这是改进计算机结构、提高计算机运行速度的关键技术。同时计算机将具备更多的智能成分，它将具有多种感知能力、一定的思考与判断能力及一定的自然语言能力。除了提供自然的输入手段外，虚拟与现实技术是这一领域发展的集中体现。传统的磁存储、光盘存储容量继续攀升，新的海量存储技术趋于成熟，新型的存储器每立方厘米存储容量可达10TB。信息的永久存储也将成为现实，千年存储器正在研制中，这样的存储器可以抗干扰、抗高温、防震、防水、防腐蚀。

三、新型计算机技术的应用

随着硅芯片技术的快速发展，硅技术也越来越接近物理极限，为了解决物理性对硅芯片的影响，世界各国都在加紧研制新技术，计算机领域将会出现一些新技术，给计算机的发展带来质的飞跃。虽然这些新型计算机技术还在发展中，但不久这些新型的量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会遍布我们生活的各个领域，获得广泛的应用。

1、量子计算机

这种计算机是根据量子效应设计出来的，借助链状分子聚合物的特性来实现开关状态，分子状态变化借助于激光脉冲改变，使相关的信息跟着聚合物转变，然后实现运算。量子计算机是立足于力学规律之上进行运算及存储信息的，量子计算机的存储量是非常大的，不仅能高速地处理数据，还有着安全的保密体系。量子计算机技术的发展是科学界一直追逐的梦想，现在还只是利用了量子点操纵、超导量子干涉等方面，此领域还有待更进一步的研究，量子计算机的应用必会给未来计算机技术发展带来新机遇。

2、光子计算机

光子计算机也就是全光数字计算机，就是用光子代替电子，用光互连代替导线互联，光硬件代替电子硬件，从而实现光运算代替电子运算。光与电子相比，其传播速度非常快，它的能力超过了现有电话电缆的很多倍，同时光子计算机在一般室温下就可以使用，不易出现错误，和人脑具有类似的容错性。这些优势必会提高计算机的效能，使光子计算机获得广泛的发展与应用。

3、生物计算机

生物计算机也即是分子计算机，其运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质相互作用的过程。生物计算机的转换开关是由酶来担当的，要更好地显现出酶，就需要酶和蛋白质融合在一起。通过这种技术制作的生物计算机体积小，耗电少，存储量大，还能运行在生化环境或者有机体中，比较适合应用于医疗诊治及生物工程等。

4、纳米计算机

纳米属于计量单位，大概是氢原子直径的十倍。纳米技术从开始就受到了科学家们的关注，也是80年代初迅速发展起来的前沿技术，科学家们一直深入研究。现在纳米技术应用领域还局限于微电子机械系统，还没有真正应用于计算机领域。在微电子机械系统中应用纳米技术知识，是在一个芯片上同时放传感器和各种处理器，这样所占的空间较小。纳米技术如果能应用到计算机上，必会大大节省资源，提高计算机性能。

四、未来计算机技术的发展趋势

1、无线化趋势

计算机实现无线化一直是人们梦寐以求的，这与当前笔记本实现的无线是不同的，未来计算机无线化是指网络与设备间的无线连接，如果无线化得到了实现，未来在家中使用台式电脑比用笔记本还方便，因为显示器与主机不用再连线。也就是说实现无线显示器，这种技术被称为UWB技术，属于无线通信技术，可以为无线局域网和个人局域网提供方便，带来低功耗、高带宽的优势。

2、网络化趋势

目前，信息技术获得了快速发展，计算机也越来越普及，各种家用电器也开始走向智能化，未来有可能实现家电与计算机之间的网络连接，计算机可以通过网络调控家电的运作，也可以通过网络下载新的家电应用程序，从而提高家电的性能。同时利用互联网也可以远程遥控家中的家电，在办公室就能让家中的电器工作，为生活提供便利。

3、人性化趋势

计算机的普及必会要求计算机更好地为人服务，这就需要计算机与人之间的交流要人性化，这样人们才会真正使用计算机。要实现这个目标，计算机的交互方式将会走向多样化，可以通过书写控制，也可以通过语言控制、眼镜控制等。随着智能化的提升，计算机可以自动选择操作流程，使用起来较为简单，有可能达到与家用电器操作一样简单，使用者不需要专门学习就能操作。

五、总结语

科学技术是第一生产力，随着信息技术的发展，计算机给人们的生活带来了诸多便利，故大力发展计算机技术是必要的。目前，一些新型的计算机技术已经开始应用到一些领域，未来计算机技术的发展必会超出人们的预想。

参考文献

1、赵玉帅，有关计算机技术的讨论及未来的发展方向[J]，信息与电脑，2010年第3期

篇8

关键词： FPGA； Verilog HDL； VGA显示； 量子点； 波形显示与标记

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0101?03

量子点（Quantum Dot，QD）[1]，是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。STM?MBE是可制备和扫描量子点材料的先进设备，STM?MBE即扫描隧道显微镜和超高真空分子束外延联合系统，分子束外延（MBE）是一种物理气相沉积的材料制备方式，利用MBE设备可以高精度地制备原子单层级的平整薄膜[2]， 扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是电子的隧道效应，通过隧道电流的大小反应样品表面的形貌。利用STM?MBE制备量子点时，需要利用量子点波形来观察和标记量子点的高度以确定量子点生长的优劣和表面形貌。基于此种需求，本文利用FPGA控制来实现量子点波形的VGA显示。由于FPGA技术的迅速发展，FPGA能够满足灵活性和稳定性的要求，在图像采集和处理方面得到了广泛的应用[3]。VGA显示具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点[4]，利用FPGA控制实现波形的VGA显示不仅能优化量子点波形的显示效果，而且系统具有结构简单、成本低、应用灵活的优点。本文的系统开发软件环境为Quartus Ⅱ11.0，采用的FPGA芯片型号为ALTERA Cyclone IV 系列，利用Verilog硬件描述语言实现对量子点VGA波形显示的控制；同时在量子点波形显示的基础上，利用FPGA控制实现对显示的波形图的任意节点做自动或者手动标记，从而进一步方便于制备量子点的实验。

1 系统原理

1.1 系统原理框图

在QuartusⅡ11.0的软件环境下，采用Cyclone IV 系列的FPGA芯片，并在此环境内搭载AD量子点波形数据采集模块、存储器模块、VGA控制模块、VGA显示模块、标记控制模块等。AD量子点波形数据采集模块将采集的量子点波形数据处理后存入存储器模块，通过定制存储器模块，可以将量子点波形的数据存入缓存中，VGA控制模块在时钟信号（CLK）的作用下通过HSYNC（行同步）、VSYNC（帧同步）信号和RGB数据来控制VGA显示器的显示，标记控制模块通过State Machine（状态机）和Counter（计数器）控制标记在整个屏幕的移动，系统原理框图如图1所示。

1.2 VGA显示原理

在FPGA设计中，只需利用很少的资源就能产生VGA的各种控制信号[5]，如时序、色彩、分辨率等。目前绝大多数的VGA显示器采用光栅扫描，即从上到下扫过每一行，在每一行内从左到右扫描。在VGA中，行同步脉冲在光栅扫描线需要回到屏幕的左边（水平开始位置）的时候插入，场同步脉冲在光栅扫描线需要回到屏幕的上方（垂直开始位置）的时候插入。VGA的色彩原理是通过对Red，Green，Blue三个颜色通道的变化以及它们之间的叠加来得到各种各样的颜色，通过三种颜色的亮度值从0～255的不同产生出其他各种颜色。RGB为像素数据，在没有图像投射到屏幕时插入消隐信号，当消隐信号有效时，RGB信号无效，屏幕不显示数据。

图2是VGA扫描行数据时序图，H是行同步脉冲信号。产生行同步脉冲信号HSYNC的周期H=H1+H2+ H3+H4，其中H1是同步信号时间，H2为消隐后肩时间，H3为数据有效时间，H4为行消隐前肩时间。场同步时序与行同步时序类似，即为显示一屏数据的时序。以分辨率640×480为例[6]，刷新频率为60 Hz，显示器每秒扫描60场数据，但是VGA在实际工作时并非每行扫描640个点，每场扫描480行数据，而是每行800个像素点[7]，每场525行数据。每行800个像素点中包括H4 16个点，H1 96个点，H2 48个点以及有效图像像素点H3 640个，场数据与此类似，由此点像素的时钟频率为：800×525×60 = 25.2 MHz。

2 量子点波形的VGA显示与标记

2.1 波形的显示

图3是经MBE设备生长的InGaAs量子点的STM扫描图（1 000 nm×1 000 nm）。图中的白色直线下的4个量子点是本实验所选取的4个实验点，实验所要显示的波形是这4个量子点的高度，显示的波形图能更加精确地反映InGaAs量子点的表面形貌以及量子点生长优劣。

STM?MBE联合系统的组成为生长量子点设备和扫描量子点设备，扫描设备又包含扫描显示和数据输出，数据输出部分有USB接口。本实验系统的AD量子点波形数据采集模块就是通过数据输出的USB接口采集量子点的高度扫描数据[8]。这些扫描数据存入存储器模块的缓存中[9]，通过VGA控制模块的读取和控制[10]。这些数据转化为波形并在VGA显示器上显示。图4是实验选取的4个量子点的波形图。由波形图可以看出，从左至右的4个量子点，第2个量子点的生长高度较其他3个较低，表面较凹，波形图比较直观地反映出了量子点的表面形貌，十分便于量子点生长实验的观测与分析。

2.2 波形的标记

在实际的量子点生长实验中，不仅需要观察量子点的STM扫描图、量子点高度的波形图， 也需要对某些量子点做标记，如标记生长的不好的量子点或者生长的符合要求的量子点。本文以选取的的4个量子点为例，利用FPGA控制实现量子点波形的自动标记和手动标记。

实现量子点波形的自动标记是利用VGA显示器光栅扫描从左至右，从上至下的扫描方式。如图5所示，在分辨率为H×V的VGA显示画面中，假设要分别对波形图上的A，B两点做自动标记，根据本实验中整条波形的RGB色彩是一致的特点，即为白色，即RGB色彩值为（255，255，255），Red为255，Green为255，Blue为255，设A点坐标为（XA，YA），则XA为扫描到的波形上的第1个点的横坐标，且YA为场方向上的纵坐标最小值，于是即可在此坐标值上做下标记；同理，对于B点，令B点坐标为（XB，YB），YB为场方向最后一行扫描到的波形上的第一个点的纵坐标，且YB为纵坐标最大值，于是即可在此坐标值做下标记。图6为加标记后的量子点波形图，通过FPGA的控制和Verilog HDL，圆形标记能自动添加在量子点波形的最高（最低）转折点和最高（最低）波峰点，这些标记有助于在量子点生长实验中分析量子点的生长优劣以及表面形貌的变化。

实现量子点波形的手动标记的重点在于标记的移动，本实验中VGA显示的分辨率为640×480，选取的时钟为25 MHz，则由于对应的周期为40 ns，标记移动速度太快，无法观测标记移动，经过多次实验，在Verilog状态机中选用18位的计数器，在FPGA的控制按键有效时，计数器每计到18个1时标记在VGA显示器上移动一个像素点，实现标记上下左右任意位置的移动。

在图6自动标记的基础上，利用Verilog HDL定义FPGA上的控制按键，通过不同按键的控制，可使标记灵活地进行自定义的移动。

3 结 语

本实验利用FPGA控制实现了STM?MBE量子点波形的VGA显示，且同时实现了量子点波形图的手动和自动标记，充分发挥了FPGA在实现图像采集与控制方面的优势。经实践证明实验方法易于操作，且显示效果好，成本低，十分便于在量子点生长实验中分析量子点的生长状况，描述量子点的表面形貌。本次实验采取的VGA分辨率为640×480。在实际的实验中，若单次显示的量子点数量较多，还可根据需求选用更大的分辨率。不仅可以提升显示效果，还能显示更多的波形，充分说明了此方法的灵活性与实用性。

参考文献

[1] BIMBERG D， GRUNDMANN M， LEDENTSOV N N. Quantum dot heterostructures [M]. USA： John Wiley & Sons， 1999.

[2] DING Z， BULLOCK D W， THIBADO P M， et al. Time?evolution of the GaAs （001） pre?roughening process [J]. Surface Science， 2003， 540（2/3）： 491?495.

[3] 陆浩，王振占，高国兴，等.基于FPGA的多功能图像处理系统设计[J].微电子学与计算机，2011，28（12）：107?110.

[4] 王恒心.基于FPGA/CPLD的嵌入式VGA显示系统[J].微计算机信息，2008（26）：146?148.

[5] 吴蓬勃，张启民，王朝阳，等.基于FPGA的VGA图像控制器设计[J].东北电力大学学报，2006，26（4）：89?92.

[6] 王亮，李正，宁婷婷，等.VGA汉字显示的FPGA设计与实现[J].计算机工程与设计，2009，30（2）：275?281.

[7] 郑美芳，高晓蓉，王黎，等.基于FPGA的VGA时序彩条信号实现[J].现代电子技术，2009，32（14）：90?92.

[8] 覃永新，陈文辉，章帆.实时视频数据采集的FPGA实现[J].电子技术应用，2009（9）：57?60.

[9] 王至秋.基于FPGA控制VGA显示的多通道数字示波器的设计[J].现代电子技术，2011，34（7）：55?57.

篇9

Abstract： In this paper，a novel algorithm，called the Quantum Continuous Particle Swarm Optimization algorithm - QCPSO，is proposed, based on the combination of the quantum theory with the evolutionary theory． By adopting the qubit particle as the representation，QCPSO can represent a linear superposition of solutions and bring diverse individuals by imitating the quantum collapse to random observation the new populations. The evolution of quantum particles can also pilot the evolution with better diversity than the classical particle swarm optimization method by adopting adaptive mutation．The performance test indicates that the QCPSO possesses better global search capacity than the basic PSO and QPSO when confronting high dimension problems.

关键词： 粒子群；量子理论；比特；自适应变异

Key words： PSO；quantum theory；bit；adaptive mutation

中图分类号：TP39 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）01-0181-02

0引言

粒子群优化算法是由Kennedy和Eberhart等于1995年提出的一种基于种群搜索的自适应进化计算技术[1-2]。算法最初受到飞鸟和鱼类集群活动的规律性启发，利用群体智能建立了一个简化模型，用组织社会行为代替了进化算法的自然选择机制，通过种群间个体协作来实现对问题最优解的搜索。

量子计算特点主要体现在量子态的叠加（Superposition）、纠缠（Entanglement ）以及干涉（Interference）等性质上，许多计算上的优势如量子并行（Quantum Parallelism）等皆由此而产生。近年来很多学者基于此提出了一些基于量子理论的进化算法。它以量子计算的一些概念和理论为基础，用量子位编码来表示染色体，用量子门作用和量子门更新来完成进化搜索，具有种群规模小而不影响算法性能、同时兼有“勘探”和“开采”的能力、收敛速度快和全局寻优能力强的特点。文献[3-4]分别提出了量子遗传算法、遗传量子算法和并行量子遗传算法，并用来求解组合优化问题，结果表明，遗传量子算法的性能大大优于传统遗传算法，但该算法不适于用来求解连续函数的优化问题，特别是多峰连续函数优化问题。受此启发，本文将量子编码和量子坍塌等性质与粒子群进化思想融合，提出一种基于量子理论的连续粒子群算法(QCPSO)，并对该算法进行参数影响分析和性能测试。

1量子粒子群算法(QCPSO)

和经典的PSO算法不同，QCPSO是将经典PSO算法与量子理论相结合，基于量子计算的概念和理论，使用量子比特编码粒子，由粒子的概率幅表示，一个量子粒子包含了多个基本粒子状态的信息。通过模拟量子粒子坍塌的随机观察可以带来更加丰富的种群，极大的丰富了种群的多样性。通过量子的叠加特性和量子变迁的理论，运用量子旋转门来产生新的种群。粒子的更新是根据粒子的相位变化以及和全局最优粒子、粒子历史最优的相位差来进行的。具体算法描述如下：

1.1 粒子编码粒子位采用量子比特表示，称为量子位，量子位具有两个基本态,分别是?Z0>态和?Z1>态，在任意时刻，量子位的状态可以是基本态的线性组合，被称为叠加态，如式所示：

φ>=α0>+β?Z1>（1）

其中α和β是复数，并被称为概率幅，也就是说，我们得到量子位状态?Z0>的概率是α，得到量子位状态?Z1>的概率是β。α和β的关系如式：φ>=cosθ0>+sinθ?Z1>（2）

其中θ为量子位的相位，并且和概率幅之间的关系满足下式：

θ=arctan（3）

因此，粒子的量子表示方式可以通过使用概率幅或相位加已表示，如（4）式和（5）式。

α α α… αβ β β… β（4）

θ?佐θ?佐θ?佐…?佐θ（5）

在初始化的时候，首先将粒子在[0，1]的区间内初始化，然后再映射到定义域空间内。映射关系表达为：

Swarm=Swarm12*（ub-lb）+lb（6）

其中Swarm1为初始化后带有两种状态信息的种群，ub，lb为变量上下限。

借鉴基本的粒子群算法的速度更新方式，QCPSO算法中粒子的更新方式是粒子本身根据种群中最优粒子GBest和该粒子历史最优PBest的相位差值来更新自己的相位的，如下所示：

（7）

其中，θ为t+1代迭代中第j个粒子的第d维的相移量；θ为第t代第j个粒子的第d维的相移量；θ为当前相位；θ为全局最优粒子的相位；θ为该粒子历史最优相位；ω为惯性权重系数；C，C为加速系数；R，R为[0，1]内的随机数。

根据相位的更新计算出量子旋转门，更新粒子，如下式：

αβ=cosθ-sinθsinθ cosθαβ（8）

其中：θ为在第t+1次迭代中第j个粒子d维的相移量，α、β为在第t次迭代中第j个粒子d维的概率幅，α、β是第t+1次迭代中第j个粒子d维的概率幅。

1.2 粒子评估当粒子坍塌成某一个基本态时，将该基本态发生的概率表达出来，并且用来参加粒子适应度评估，即用一个粒子选择概率来选择粒子的基本态，选择好该粒子后，将该粒子按式（6）映射到寻优空间中，参加适应度评估；评估好了粒子来参加种群的更新。

1.3 自适应变异种群一旦陷入局部最优陷阱中后，粒子更新的相位很快就会趋于0，种群几乎不再更新，为了解决这个问题，本节设计了自适应概率，自适应的变异概率定义为：

P=μ+Re*σ（9）

其中μ和σ是变异率的调节参数，Re是最优值连续不更新或者更新不明显的代数。若种群连续更新，则不对种群进行任何调节；如不顺利（Re将累计增大），对种群进行调节的概率则加大。

1.4 算法流程本文提出的算法QCPSO的具体流程如下所示：

Step1：初始化种群；设定参数；

Step2：在[0,1]范围内初始化第一代种群（包括

Step3：按照式(4)对量子态进行表达，并进行第一次适应度评估；粒子历史最优值就为粒子本身；种群全局最优值为适应度最好的值；如满足跳出条件，则转Step9；否则转Step4；如式(5)随机初始化第一代粒子的相位变化量为(0,1)中的随机数；

Step4：计算粒子历史最优的相位；全局最优粒子相位；按照式(4)对量子态进行表达，并进行适应度评估；迭代次数加1；如满足跳出条件则转Step9；否则，转Step5；

Step5：根据式(7)更新粒子相位变化量，并运用量子旋转门来更新粒子式(8)；

Step6：判断是否对粒子的相位进行跳变；是，则执行式（9），Step7；否，直接转Step7；

Step7：根据预设的粒子状态观测概率选择粒子的状态，将粒子坍塌；并根据式(6)将粒子映射到预设空间中来。

Step8：对坍塌好的粒子进行适应度评价；是否满足退出条件：是，转Step9；否，更新全局最优和历史最优，转Step4；

Step9：跳出算法，输出最优值，结束。

1.5 算法性能测试为了验证算法的性能，将算法QCPSO与经典的粒子群算法、量子粒子群算法的代表AQPSO[5-6]进行实验比较。QCPSO参数选择为：惯性权重为0.7，加速常数分别为C1=1.4、C2=1.4，选择概率P=0.95，跳变概率σ=0.005，种群规模为40。经典PSO算法参数选择为惯性权重为0.7，加速常数分别为C1=2.0、C2=2.0，种群规模为40。具体测试结果如表1所示。

对于2维的测试函数：Camel函数上三种测试方法都能找到全局最优，AQPSO和QCPSO的达优率（100％）明显好于PSO算法。但是耗时上AQPSO较PSO差，QCPSO较AQPSO算法差。对于Levy F3函数，三种算法也都能找到全局最优值，在达优率上AQPSO算法稍微差于PSO算法，而QCPSO算法明显好于AQPSO算法。对于Levy F5函数，三种算法也都能找到全局最优值，但是AQPSO算法在达优均值上差于PSO算法； QCPSO在达优均值和达优率上都好于其他两种算法。

对于10维的测试函数Rastrigin和Schwefel、Sphere函数：对于Rastrigin函数，PSO不能找到全局最优，均达优值上也明显差于其他两个算法。QPSO明显好于其他两种算法。对于Schwefel测试函数上，虽然三种算法都没有找到全局最优值，但是QCPSO算法寻找到全局最优值能达到在1.3725e-004。达优均值上，QCPSO较其他两种算法都有明显进步。对于Sphere函数，AQPSO算法在全局最优值和达优均值上都差于PSO算法，QCPSO以较高的达优率得到高精度解。

对于高维的测试函数Ackley，AQPSO算法在全局最优值和达优均值上稍微好于PSO算法，而QCPSO算法则在两项指标上优于AQPSO和PSO算法。但是三种算法都没有找到全局最优值。而对于Griewangk的测试中，AQPSO和QCPSO算法都能找到全局最优值，但是在均达优值上，AQPSO效果差于PSO算法，QCPSO好于其他两种算法。

2结束语

本文对经典PSO算法以及在此基础之上的改进算法进行详细分析后，提出基于量子理论的连续粒子群算法，经过实验验证，QCPSO表现出了良好的性能，在高维问题的优化中SCPSO则表现出了良好的性能。

参考文献：

[1]Kennedy, R.C.Eberhart. Swarm Intelligence. Morgan Kaufmann Publishers, Inc. San Francisco, CA, 2001.

[2]R.C.Eberhart, J. Kennedy. A new optimizer using particle swarm theory. Proc of the 6th international symposium on Micro Machine and Human Science, Nagoya, Japan, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, 1995:39-43.

[3]Narayanan A,Moore M, Quantum-inspired genetic algorithm. Proc of IEEE International Conference on Evolutionary Computation．Piscataway: IEEE Press, 1996: 61-66.

[4]Han K H, Kim J H. Genetic quantum algorithm and its application to combinatorial optimization problems. Proc of IEEE Conference on Evolutionary computation. Piscataway: IEEE Press, 2000. 1354-l360.

篇10

手机企业一展身手

华为中兴拓展国际市场

华为科技有限公司在2016年拉斯维加斯CES展会上了最新的旗舰智能手机、平板电脑和智能手表，欲以此增强自身优质消费品牌的形象。作为华为在中国最大的对手，中兴通讯也宣布了一项国际市场拓展计划，并且其下一款新型旗舰智能手机也已经在研发中。

华为和中兴早已了一系列高端智能手机，但市场基本上都仅限于中国国内，而在2016年，他们都准备走向国际市场，走向世界。

华为首席营销官、华为消费者业务CEO余承东表示，他对华为制定的发展战略很有信心，华为将在两年内升级为世界第二大智能手机品牌。国际数据公司数据显示，华为目前是全球仅次于三星和苹果的第三大智能手机厂商。

华为在消费电子展上推出了最新Mate8，据称这款产品“具备世界当前最尖端的手机技术”，采用6英寸FHD屏幕，一体化金属外观，并且搭载了全球最强芯片。此外，华为公司还介绍了一系列新产品，包括金版Nexus 6P。

彩电企业各显神通

长虹：首秀面向物联网的开放平台

在CES展上，长虹以“智慧社区下的智慧家庭”为载体，首次向海外观众展示中国第一个面向物联网的IPP运营平台成果，并接受体验。在“互联网+”大潮席卷下，彩电企业正积极构建智能家居生态系统，布局智能家电和基于智能家电的增值服务，着力打造新的竞争力。

在智慧社区体验区，智能人闸系统、智能车闸系统、智能车位锁以及智能手环等智能终端模拟出真实的小区场景，自动身份识别、自动放行等生活体验变成现实。在智慧家庭体验区，长虹技术团队精心设计了客厅、厨房、卧室等体验环节，通过完全开放的IPP控制器，可快速将家庭中的不同智能终端和合作伙伴设备接入到网络中，从而实现家庭各个智能终端的互联互通互控和交互协同。通过智能灯控系统和智能门禁系统，体验者可一键式设置“起床模式”、“离家模式”、“进门模式”、“夜间模式”等。

长虹智慧家庭已实现语音控制、异地家人互联互控，家庭中的电视、冰箱、空调等设备都可以作为网关，通过任意设备实现对其他智能终端的控制与协同。而在智慧健康小站体验区，基于长虹独有的IPP联接框架协议，利用传感器、物联网、大数据、云计算等设备搭建起的一套智慧健康服务系统，以慢病患者、亚健康群体等用户为中心，实现个性化的远程医疗监护和跟踪体系。

TCL：量子显示“照亮”电视新方向

TCL在CES展上首次了QUHD量子电视，为下一代电视提供全新选择。通过率先将量子显示科技导入中国制造，TCL为中国消费电子产业转型升级探索新的高速科技通道。TCL多媒体副总裁王汝林表示，量子科技将是影响人类未来生活的重要技术之一，TCL抢先全球布局，正是看中了量子材料在显示性能上的优越性，可以为电视产品创新带来无限可能。TCL QUHD电视则是承载量子技术落地的最新成果。

“QUHD具备下一代电视的特征，核心在于采用量子显示材料，从光源上对电视进行了全面革新。”在王汝林看来，要成为真正的下一代电视，就必须通过本源创新，从基础材料上对显示技术进行大刀阔斧的革新。而量子显示材料，无疑打破了传统CRT、LED电视的显示技术瓶颈，在色纯、色域、色准、寿命等维度开启了显示技术的新境界，给全球电视显示技术未来带来无限想象。

TCL推出的 QUHD电视采用无机纳米晶体形态的“晶粹”量子显示材料，受激后可发射荧光，具有荧光寿命更长、超高色域显示、颜色表现纯净、色彩控制精准等独特优势。

据了解，量子材料及其相关技术目前已应用到航天、军工、医疗等尖端领域，量子计算机、量子卫星、量子通信等正在成为现实。TCL作为中国唯一具备全产业链垂直一体化整合实力的彩电企业，率先在显示技术领域布局量子科技，并已掌握20余项量子技术相关专利。

汽车科技整装待发

黑莓开发的自动驾驶

黑莓QNX将全新丰兰达概念车。最新消息是，黑莓QNX已经与自动驾驶人工智能软件开发商AdasWorks达成技术合作，专注于先进驾驶辅助系统和自动驾驶汽车的开发。通过合作，双方将把AdasWorks的几项功能移植到QNX OS平台上，包括车道识别、移动物体识别和物体分类。最终，双方将为智能、多摄像头系统建立一个软件基础，通过提供汽车周围的全景视角实现自动驾驶。