量子计算的发展范文

导语：如何才能写好一篇量子计算的发展，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：数字摄影测量 计算机视觉 多目立体视觉 影像匹配

引言

摄影测量学是一门古老的学科，若从1839年摄影术的发明算起，摄影测量学已有170多年的历史，而被普遍认为摄影测量学真正起点的是1851―1859年“交会摄影测量”的提出。在这漫长的发展过程中，摄影测量学经历了模拟法、解析法和数字化三个阶段。模拟摄影测量和解析摄影测量分别是以立体摄影测量的发明和计算机的发明为标志，因此很大程度上，计算机的发展决定了摄影测量学的发展。在解析摄影测量中，计算机用于大规模的空中三角测量、区域网平差、数字测图，还用于计算共线方程，在解析测图仪中起着控制相片盘的实时运动，交会空间点位的作用。而出现在数字摄影测量阶段的数字摄影测量工作站（digital　photogrammetry　workstation，DPW）就是一台计算机+各种功能的摄影测量软件。如果说从模拟摄影测量到解析摄影测量的发展是一次技术的进步，那么从解析摄影测量到数字摄影测量的发展则是一场技术的革命。数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的最大区别在于：它处理的是数字影像而不再是模拟相片，更为重要的是它开始并将不断深入地利用计算机替代作业员的眼睛。[1-2]毫无疑问，摄影测量进入数字摄影测量时代已经与计算机视觉紧密联系在一起了[2]。

计算机视觉是一个相对年轻而又发展迅速的领域。其目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力，这种能力将不仅使机器能感知三维环境中物体的几何信息，包括它的形状、位置、姿态、运动等，而且能对它们进行描述、存储、识别与理解[3]。数字摄影测量具有类似的目标，也面临着相同的基本问题。数字摄影测量学涉及多个学科，如图像处理、模式识别以及计算机图形学等。由于它与计算机视觉的联系十分紧密，有些专家将其看做是计算机视觉的分支。

数字摄影测量的发展已经借鉴了许多计算机视觉的研究成果[4]。数字摄影测量发展导致了实时摄影测量的出现，所谓实时摄影测量是指利用多台CCD数字摄影机对目标进行影像获取，并直接输入计算机系统中，在实时软件的帮助下，立刻获得和提取需要的信息，并用来控制对目标的操作[1]。在立体观测的过程中，其主要利用计算机视觉方法实现计算机代替人眼。随着数码相机技术的发展和应用，数字近景摄影测量已经成为必然趋势。近景摄影测量是利用近距离摄影取得的影像信息，研究物体大小形状和时空位置的一门新技术，它是一种基于数字信息和数字影像技术的数据获取手段。量测型的计算机视觉与数字近景摄影测量的学科交叉将会在计算机视觉中形成一个新的分支――摄影测量的计算机视觉，但是它不应仅仅局限于地学信息[2]。

1.　计算机视觉与数字摄影测量的差异

1.1　目的不同导致二者的坐标系和基本公式不同

摄影测量的基本任务是严格建立相片获取瞬间所存在的像点与对应物点之间的几何关系，最终实现利用摄影片上的影像信息测制各种比例尺地形图，建立地形数据库，为各种地理信息系统建立或更新提供基础数据。因此，它是在测绘领域内发展起来的一门学科。

而计算机视觉领域的突出特点是其多样性与不完善性。计算机视觉的主要任务是通过对采集的图片或视频进行处理以获得相应场景的三维信息，因此直到计算机的性能提高到足以处理大规模数据时它才得到正式的关注和发展，而这些发展往往起源于其他不同领域的需要。比如在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用计算机来替代人工视觉。

由于摄影测量是测绘地形图的重要手段之一，为了测绘某一地区而摄影的所有影像，必须建立统一的坐标系。而计算机视觉是研究怎样用计算机模拟人的眼睛，因此它是以眼睛（摄影机中心）与光轴构成的坐标系为准。因此，摄影测量与计算机视觉目的不同，导致它们对物体与影像之间关系的描述也不同。

1.2　二者处理流程不同

2.　可用于数字摄影测量领域的计算机视觉理论――立体视觉

2.1　立体视觉

立体视觉是计算机视觉中的一个重要分支，一直是计算机视觉研究的重点和热点之一，在20多年的发展过程中，逐渐形成了自己的方法和理论。立体视觉的基本原理是从两个（或多个）视点观察同一景物，以获取在不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算像像素间的位置偏差（即视差）来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。一个完整的立体视觉系统通常可分为图像获取、摄像机定标、特征提取、影像匹配、深度确定及内插等6个大部分[5]。其中影像匹配是立体视觉中最重要也是最困难的问题，也是计算机视觉和数字摄影测量的核心问题。

2.2　影像匹配

立体视觉的最终目的是为了恢复景物可视表面的完整信息。当空间三维场景被投影为二维图像时，同一景物在不同视点下的图像会有很大不同，而且场景中的诸多因素，如光照条件，景物几何形状和物理特性、噪声干扰和畸变以及摄像机特性等，都被综合成单一的图像中的灰度值。因此，要准确地对包含了如此之多不利因素的图像进行无歧义的匹配，显然是十分困难的。

在摄影测量中最基本的过程之一就是在两幅或者更多幅的重叠影像中识别并定位同名点，以产生立体影像。在模拟摄影测量和解析摄影测量中，同名点的识别是通过人工操作方式完成的；而在数字摄影测量中则利用计算机代替人工解决同名点识别的问题，即采用影像匹配的方法。

2.3　多目立体视觉

根据单张相片只能确定地面某个点的方向，不能确定地面点的三维空间位置，而有了立体像对则可构成与地面相似的立体模型，解求地面点的空间位置。双目立体视觉由不同位置的两台或者一台摄像机（CCD）经过移动或旋转拍摄同一幅场景，就像人有了两只眼睛，才能看三维立体景观一样，然后通过计算空间点在两幅图像中的视差，获得该点的三维坐标值。现在的数字摄影测量中的立体像对技术通常是在一条基线上进行的，但是由于采用计算机匹配替代人眼测定影像同名像对时存在大量的误匹配，使自动匹配的结果很不可靠。其存在的问题主要是，对存在特殊结构的景物，如平坦、缺乏纹理细节、周期性的重复特征等易产生假匹配；在摄像机基线距离增大时，遮挡严重，能重建的空间点减少。为了解决这些问题，降低双目匹配的难度，自1986年以来出现了三目立体视觉系统，即采用3个摄像机同时摄取空间景物，通过利用第三目图像提供的信息来消除匹配的歧义性[5]。采用“多目立体视觉技术”可以利用摄影测量的空中三角测量原理，对多度重叠点进行“多方向的前方交会”，既能较有效地解决随机的误匹配问题，同时又能增加交会角，提高高程测量的精度[2]。这项技术的应用，将很大程度地解决自动匹配结果的不可靠性，提高数字摄影测量系统的准确性。

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关键词：计算机 趋势 发展

一、计算机科学与技术的发展趋势

（一）计算机科学与技术实现了智能化的超级计算

可能你不知道，超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构，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，进一步提高计算机运行速度。超级计算机通常是由数百数千甚至更多的处理器（机）组成，能完成普通计算机和服务器不能计算的大型复杂任务。从超级计算机获得数据分析和模拟成果，能推动各个领域高精尖项目的研算、传翰和存储。光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速地并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。总之，计算机科学与技术实现了智能化的超级计算。

（二）计算机科学与技术实现了分子计算机

大家都知道，分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法等几种类型。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高，分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10微微秒，比人的思维速度快100万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子，所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。美国已研制出分子计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进人实用阶段。也就是说计算机科学与技术实现了分子计算机。

（三）计算机科学与技术实现了纳米计算机

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围，质地坚固，有着极强的导电性，能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中，那时问你家里有多少计算机，你也数不清，你的笔记本，书籍都已电子化。再过十几、二十几年，可能学生们上课用的不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机，不同的学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料所以有人预言未来计算机可能像纸张一样便宜，可以一次性使用，计算机将成为不被人注意的最常用的日用品。

（四）计算机科学与技术实现了量子计算机

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态。使信息沿着聚合物移动。从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此，一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前计算机的Pentium DI晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。量子编码采用纠错、避错和防错等。量子计算机使计算的概念焕然一新。

二、计算机科学与技术的发展趋势总结

计算机科学与技术的发展，将朝着向信息的智能化发展。计算机技术的大多数领域以应用学科和工程学科的出现为标志，这些学科的职责是促进与实践有关的认识的发展，这些学科常吸收更为基础的学科，提高就能有实践的进步，在对计算机技术研究中，发现常有另外一条路径，这个过程存在着强烈的相互作用，有关半导体是如何运行的理论也建立了起来，这是用它们能够使计算机技术的实践中普遍存在的问题得到解决，或者说是促进实践的发展。能实现或更困难一些。显然，选择机制在计算机技术的实践进化和认识进化之间明显地提供了一种双向的连接，推动计算机技术的快速发展。参考文献：

[1]王华.计算机技术发展[J].电脑与电信，2013（02）.

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[关键词]：计算科学　计算工具　图灵模型　量子计算

中图分类号：TP301

文献标识码：A　文章编号：1003-8809(2010)-09-0004-01

1、“摩尔定律”与“计算的极限”

人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升?传统计算机计算能力的提高有没有极限?对此问题，学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高，最终地球上所有的能量将转换为计算的结果――造成熵的降低，这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的，因此，传统电子计算机的计算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)为代表的理论科学家认为到21世纪30年代，芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度(1纳米=10-9米)，此时，导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律――牛顿力学沿导线运行，而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象，从而导致芯片无法正常工作；同样，芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸(约5纳米)后，晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。

哲学家和科学家对此问题的看法十分一致：摩尔定律不久将不再适用。也就是说，电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在21世纪前30年内终止。著名科学家，哈佛大学终身教授威尔逊(EdwardO.Wilson)指出：“科学代表着一个时代最为大胆的猜想(形而上学)。它纯粹是人为的。但我们相信，通过追寻“梦想―发现―解释―梦想”的不断循环，我们可以开拓一个个新领域，世界最终会变得越来越清晰，我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的。”[论/文/网LunWenNe#Com]

2、量子计算系统

量子计算最初思想的提出可以追溯到20世纪80年代。物理学家费曼RichardP.Feynman曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题：量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例，在干涉过程中，相互作用的光子每增加一个，有可能发生的情况就会多出一倍，也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了，不过，在费曼眼里，这却恰恰提供一个契机。因为另一方面，量子力学系统的行为也具有良好的可预测性：在干涉实验中，只要给定初始条件，就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断认为如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算，那么搭建这样一个实验，测量其结果，就恰好相当于完成了一个复杂的计算。因此，只要在计算机运行的过程中，允许它在真实的量子力学对象上完成实验，并把实验结果整合到计算中去，就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。

在费曼设想的启发下，1985年英国牛津大学教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇――图灵论题。费曼指出使用量子计算机时，不需要考虑计算是如何实现的，即把计算看作由“神谕”来实现的：这类计算在量子计算中被称为“神谕”(Oracle)。种种迹象表明：量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强，例如，现代信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数(如1024位的十进制数)分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”，困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。目前，就是将全世界的所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1024位整数的质因子分解问题，大约需要28万年，这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且，分解的难度随着整数位数的增多指数级增大，也就是说如果要分解2046位的整数，所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机，我们只需要大约40分钟的时间就可以分解1024位的整数了。

3、量子计算中的神谕

人类的计算工具，从木棍、石头到算盘，经过电子管计算机，晶体管计算机，到现在的电子计算机，再到量子计算。笔者发现这其中的过程让人思考：首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算，随后，人们发明了算盘，来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”，机器也可以用来搬动“算珠”，而且效率更高，速度更快。随后，人们用继电器替代了纯机械，最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时，数学家们开始对计算的本质展开了研究，图灵机模型告诉了人们答案。

量子计算的出现，则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说，这是一种革命性的思考与解决问题的方式。

因为在此之前，所有计算均是模拟一个快速的“算盘”，即使是最先进的电子计算机的CPU内部，64位的寄存器(register)，也是等价于一个有着64根轴的二进制算盘。量子计算则完全不同，对于量子计算的核心部件，类似于古代希腊中的“神谕”，没有人弄清楚神谕内部的机理，却对“神谕”内部产生的结果深信不疑。人们可以把它当作一个黑盒子，人们通过输入，可以得到输出，但是对于黑盒子内部发生了什么和为什么这样发生确并不知道。

4、“神谕”的挑战与人类自身的回应人类的思考能力

随着计算工具的不断进化而不断加强。电子计算机和互联网的出现，大大加强了人类整体的科研能力，那么，量子计算系统的产生，会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力，并最终解决困扰当今时代的量子“神谕”。不仅如此，量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质，把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。

如果观察历史，会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“公理”，人们的公理系统在不断的增大，随着该系统的不断增大，人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律：

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关键词:计算科学计算工具图灵模型量子计算

1计算的本质

抽象地说,所谓计算,就是从一个符号串f变换成另一个符号串g。比如说,从符号串12+3变换成15就是一个加法计算。如果符号串f是x2,而符号串g是2x,从f到g的计算就是微分。定理证明也是如此,令f表示一组公理和推导规则,令g是一个定理,那么从f到g的一系列变换就是定理g的证明。从这个角度看,文字翻译也是计算,如f代表一个英文句子,而g为含意相同的中文句子,那么从f到g就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点？为什么把它们都叫做计算？因为它们都是从己知符号(串)开始,一步一步地改变符号(串),经过有限步骤,最后得到一个满足预先规定的符号(串)的变换过程。

从类型上讲,计算主要有两大类:数值计算和符号推导。数值计算包括实数和函数的加减乘除、幂运算、开方运算、方程的求解等。符号推导包括代数与各种函数的恒等式、不等式的证明,几何命题的证明等。但无论是数值计算还是符号推导,它们在本质上是等价的、一致的,即二者是密切关联的,可以相互转化,具有共同的计算本质。随着数学的不断发展,还可能出现新的计算类型。

2远古的计算工具

人们从开始产生计算之日,便不断寻求能方便进行和加速计算的工具。因此,计算和计算工具是息息相关的。

早在公元前5世纪,中国人已开始用算筹作为计算工具,并在公元前3世纪得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后来,人们发明了算盘,并在15世纪得到普遍采用,取代了算筹。它是在算筹基础上发明的,比算筹更加方便实用,同时还把算法口诀化,从而加快了计算速度。

3近代计算系统

近代的科学发展促进了计算工具的发展:在1614年,对数被发明以后,乘除运算可以化为加减运算,对数计算尺便是依据这一特点来设计。1620年,冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1850年,曼南在计算尺上装上光标,因此而受到当时科学工作者,特别是工程技术人员广泛采用。机械式计算器是与计算尺同时出现的,是计算工具上的一大发明。帕斯卡于1642年发明了帕斯卡加法器。在1671年,莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算器,是长1米的大盒子。自此以后,经过人们在这方面多年的研究,特别是经过托马斯、奥德内尔等人的改良后,出现了多种多样的手摇计算器,并风行全世界。

4电动计算机

英国的巴贝奇于1834年,设计了一部完全程序控制的分析机,可惜碍于当时的机械技术限制而没有制成,但已包含了现代计算的基本思想和主要的组成部分了。此后,由于电力技术有了很大的发展,电动式计算器便慢慢取代以人工为动力的计算器。1941年,德国的楚泽采用了继电器,制成了第一部过程控制计算器,实现了100多年前巴贝奇的理想。

5电子计算机

20世纪初,电子管的出现,使计算器的改革有了新的发展,美国宾夕法尼亚大学和有关单位在1946年制成了第一台电子计算机。电子计算机的出现和发展,使人类进入了一个全新的时代。它是20世纪最伟大的发明之一,也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。

在电子计算机和信息技术高速发展过程中,因特尔公司的创始人之一戈登·摩尔(GodonMoore)对电子计算机产业所依赖的半导体技术的发展作出预言:半导体芯片的集成度将每两年翻一番。事实证明,自20世纪60年代以后的数十年内,芯片的集成度和电子计算机的计算速度实际是每十八个月就翻一番,而价格却随之降低一倍。这种奇迹般的发展速度被公认为“摩尔定律”。

6“摩尔定律”与“计算的极限”

人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升?传统计算机计算能力的提高有没有极限?对此问题,学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高,最终地球上所有的能量将转换为计算的结果——造成熵的降低,这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的,因此,传统电子计算机的计算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)为代表的理论科学家认为到21世纪30年代,芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度(1纳米=10-9米),此时,导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律——牛顿力学沿导线运行,而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象,从而导致芯片无法正常工作;同样,芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸(约5纳米)后,晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。

哲学家和科学家对此问题的看法十分一致:摩尔定律不久将不再适用。也就是说,电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在21世纪前30年内终止。著名科学家,哈佛大学终身教授威尔逊(EdwardO.Wilson)指出:“科学代表着一个时代最为大胆的猜想(形而上学)。它纯粹是人为的。但我们相信,通过追寻“梦想—发现—解释—梦想”的不断循环,我们可以开拓一个个新领域,世界最终会变得越来越清晰,我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的7量子计算系统

量子计算最初思想的提出可以追溯到20世纪80年代。物理学家费曼RichardP.Feynman曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例,在干涉过程中,相互作用的光子每增加一个,有可能发生的情况就会多出一倍,也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了,不过,在费曼眼里,这却恰恰提供一个契机。因为另一方面,量子力学系统的行为也具有良好的可预测性:在干涉实验中,只要给定初始条件,就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断认为如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算,那么搭建这样一个实验,测量其结果,就恰好相当于完成了一个复杂的计算。因此,只要在计算机运行的过程中,允许它在真实的量子力学对象上完成实验,并把实验结果整合到计算中去,就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。

在费曼设想的启发下,1985年英国牛津大学教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇——图灵论题。费曼指出使用量子计算机时,不需要考虑计算是如何实现的,即把计算看作由“神谕”来实现的:这类计算在量子计算中被称为“神谕”(Oracle)。种种迹象表明:量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强,例如,现代信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数(如1024位的十进制数)分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”,困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。目前,就是将全世界的所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1024位整数的质因子分解问题,大约需要28万年,这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且,分解的难度随着整数位数的增多指数级增大,也就是说如果要分解2046位的整数,所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机,我们只需要大约40分钟的时间就可以分解1024位的整数了。

8量子计算中的神谕

人类的计算工具,从木棍、石头到算盘,经过电子管计算机,晶体管计算机,到现在的电子计算机,再到量子计算。笔者发现这其中的过程让人思考:首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算,随后,人们发明了算盘,来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”,机器也可以用来搬动“算珠”,而且效率更高,速度更快。随后,人们用继电器替代了纯机械,最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时,数学家们开始对计算的本质展开了研究,图灵机模型告诉了人们答案。

量子计算的出现,则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说。这是一种革命性的思考与解决问题的方式。

因为在此之前,所有计算均是模拟一个快速的“算盘”,即使是最先进的电子计算机的CPU内部,64位的寄存器(register),也是等价于一个有着64根轴的二进制算盘。量子计算则完全不同,对于量子计算的核心部件,类似于古代希腊中的“神谕”,没有人弄清楚神谕内部的机理,却对“神谕”内部产生的结果深信不疑。人们可以把它当作一个黑盒子,人们通过输入,可以得到输出,但是对于黑盒子内部发生了什么和为什么这样发生确并不知道。

9“神谕”的挑战与人类自身的回应人类的思考能力,随着计算工具的不断进化而不断加强。电子计算机和互联网的出现,大大加强了人类整体的科研能力,那么,量子计算系统的产生,会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力,并最终解决困扰当今时代的量子“神谕”。不仅如此,量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质,把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。

如果观察历史,会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“公理”,人们的公理系统在不断的增大,随着该系统的不断增大,人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律:

“计算工具不断发展—整体思维能力的不断增强—公理系统的不断扩大—旧的神谕被解决—新的神谕不断产生”不断循环。

无论量子计算的本质是否被发现,也不会妨碍量子计算时代的到来。量子计算是计算科学本身的一次新的革命,也许许多困扰人类的问题,将会随着量子计算机工具的发展而得到解决,它将“计算科学”从牛顿时代引向量子时代,并会给人类文明带来更加深刻的影响。

参考文献

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

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抽象地说，所谓计算，就是从一个符号串f变换成另一个符号串g.比如说，从符号串12+3变换成15就是一个加法计算。如果符号串f是x2,而符号串g是2x,从f到g的计算就是微分。定理证明也是如此，令f表示一组公理和推导规则，令g是一个定理，那么从f到g的一系列变换就是定理g的证明。从这个角度看，文字翻译也是计算，如f代表一个英文句子，而g为含意相同的中文句子，那么从f到g就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点？为什么把它们都叫做计算？因为它们都是从己知符号（串）开始，一步一步地改变符号（串），经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号（串）的变换过程。

从类型上讲，计算主要有两大类：数值计算和符号推导。数值计算包括实数和函数的加减乘除、幂运算、开方运算、方程的求解等。符号推导包括代数与各种函数的恒等式、不等式的证明，几何命题的证明等。但无论是数值计算还是符号推导，它们在本质上是等价的、一致的，即二者是密切关联的，可以相互转化，具有共同的计算本质。随着数学的不断发展，还可能出现新的计算类型。

2远古的计算工具

人们从开始产生计算之日，便不断寻求能方便进行和加速计算的工具。因此，计算和计算工具是息息相关的。

早在公元前5世纪，中国人已开始用算筹作为计算工具，并在公元前3世纪得到普遍的采用，一直沿用了二千年。后来，人们发明了算盘，并在15世纪得到普遍采用，取代了算筹。它是在算筹基础上发明的，比算筹更加方便实用，同时还把算法口诀化，从而加快了计算速度。

3近代计算系统

近代的科学发展促进了计算工具的发展：在1614年，对数被发明以后，乘除运算可以化为加减运算，对数计算尺便是依据这一特点来设计。1620年，冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1850年，曼南在计算尺上装上光标，因此而受到当时科学工作者，特别是工程技术人员广泛采用。机械式计算器是与计算尺同时出现的，是计算工具上的一大发明。帕斯卡于1642年发明了帕斯卡加法器。在1671年，莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算器，是长1米的大盒子。自此以后，经过人们在这方面多年的研究，特别是经过托马斯、奥德内尔等人的改良后，出现了多种多样的手摇计算器，并风行全世界。

4电动计算机

英国的巴贝奇于1834年，设计了一部完全程序控制的分析机，可惜碍于当时的机械技术限制而没有制成，但已包含了现代计算的基本思想和主要的组成部分了。此后，由于电力技术有了很大的发展，电动式计算器便慢慢取代以人工为动力的计算器。1941年，德国的楚泽采用了继电器，制成了第一部过程控制计算器，实现了100多年前巴贝奇的理想。

5电子计算机

20世纪初，电子管的出现，使计算器的改革有了新的发展，美国宾夕法尼亚大学和有关单位在1946年制成了第一台电子计算机。电子计算机的出现和发展，使人类进入了一个全新的时代。它是20世纪最伟大的发明之一，也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。

在电子计算机和信息技术高速发展过程中，因特尔公司的创始人之一戈登·摩尔（GodonMoore）对电子计算机产业所依赖的半导体技术的发展作出预言：半导体芯片的集成度将每两年翻一番。事实证明，自20世纪60年代以后的数十年内，芯片的集成度和电子计算机的计算速度实际是每十八个月就翻一番，而价格却随之降低一倍。这种奇迹般的发展速度被公认为“摩尔定律”.

6“摩尔定律”与“计算的极限”

人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升？传统计算机计算能力的提高有没有极限？对此问题，学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高，最终地球上所有的能量将转换为计算的结果--造成熵的降低，这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的，因此，传统电子计算机的计算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道（R.Landauer）为代表的理论科学家认为到21世纪30年代，芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度（1纳米=10-9米），此时，导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律--牛顿力学沿导线运行，而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象，从而导致芯片无法正常工作；同样，芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸（约5纳米）后，晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。

哲学家和科学家对此问题的看法十分一致：摩尔定律不久将不再适用。也就是说，电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在21世纪前30年内终止。着名科学家，哈佛大学终身教授威尔逊（EdwardO.Wilson）指出：“科学代表着一个时代最为大胆的猜想（形而上学）。它纯粹是人为的。但我们相信，通过追寻”梦想-发现-解释-梦想“的不断循环，我们可以开拓一个个新领域，世界最终会变得越来越清晰，我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的。”

7量子计算系统

量子计算最初思想的提出可以追溯到20世纪80年代。物理学家费曼RichardP.Feynman曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题：量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例，在干涉过程中，相互作用的光子每增加一个，有可能发生的情况就会多出一倍，也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了，不过，在费曼眼里，这却恰恰提供一个契机。因为另一方面，量子力学系统的行为也具有良好的可预测性：在干涉实验中，只要给定初始条件，就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断认为如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算，那么搭建这样一个实验，测量其结果，就恰好相当于完成了一个复杂的计算。因此，只要在计算机运行的过程中，允许它在真实的量子力学对象上完成实验，并把实验结果整合到计算中去，就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。

在费曼设想的启发下，1985年英国牛津大学教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇--图灵论题。费曼指出使用量子计算机时，不需要考虑计算是如何实现的，即把计算看作由“神谕”来实现的：这类计算在量子计算中被称为“神谕”（Oracle）。种种迹象表明：量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强，例如，现代信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数（如1024位的十进制数）分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”,困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。目前，就是将全世界的所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1024位整数的质因子分解问题，大约需要28万年，这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且，分解的难度随着整数位数的增多指数级增大，也就是说如果要分解2046位的整数，所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机，我们只需要大约40分钟的时间就可以分解1024位的整数了。

8量子计算中的神谕

人类的计算工具，从木棍、石头到算盘，经过电子管计算机，晶体管计算机，到现在的电子计算机，再到量子计算。笔者发现这其中的过程让人思考：首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算，随后，人们发明了算盘，来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”,机器也可以用来搬动“算珠”,而且效率更高，速度更快。随后，人们用继电器替代了纯机械，最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时，数学家们开始对计算的本质展开了研究，图灵机模型告诉了人们答案。

量子计算的出现，则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说。这是一种革命性的思考与解决问题的方式。

因为在此之前，所有计算均是模拟一个快速的“算盘”,即使是最先进的电子计算机的CPU内部，64位的寄存器（register），也是等价于一个有着64根轴的二进制算盘。量子计算则完全不同，对于量子计算的核心部件，类似于古代希腊中的“神谕”,没有人弄清楚神谕内部的机理，却对“神谕”内部产生的结果深信不疑。人们可以把它当作一个黑盒子，人们通过输入，可以得到输出，但是对于黑盒子内部发生了什么和为什么这样发生确并不知道。

9“神谕”的挑战与人类自身的回应

人类的思考能力，随着计算工具的不断进化而不断加强。电子计算机和互联网的出现，大大加强了人类整体的科研能力，那么，量子计算系统的产生，会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力，并最终解决困扰当今时代的量子“神谕”.不仅如此，量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质，把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。

如果观察历史，会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“公理”,人们的公理系统在不断的增大，随着该系统的不断增大，人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律：

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关键词：计算机；发展史；前景展望

1 前言

计算机由机械技术向电子技术以及生物技术、智能技术的转变，为我们的生活带来了巨大的变化。计算机已经拥有了60年的发展历程，共经历了5个重要的发展阶段，将在不久的未来经历第六个发展阶段。

2 计算机发展历史

（1）电子管计算机（1946-1958年）

用阴极射线管或汞延尺线作主存储器，外存主要使用纸带、卡片等，程序设计主要使用机器指令或符号指令，应用邻域主要是科学计算。

（2）晶体管计算机（1958-1964年）

主存储器均采用磁蕊存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的外存储器，程序设计使用了更接近于人类自然语言的高级程序设计语言，计算机的应用领域也从科学计算扩展到了事务处理，工程设计等各个方面。

（3）小规模集成电路计算机(1964-1971年)

半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准化、模块化、系列化的发展时期，使计算机使用效率明显提高。

（4）大规模集成电路（1972年-至今）

大规模、超大规模集成电路应用的一个直接结果是微处理器和微型计算机的诞生。微处理器自1971年诞生以来几乎每隔二至三年就要更新换代，以高档微处理器为核心构成的高档微型计算机系统已达到和超过了传统超极小型计算机水平，其运算速度可以达到每秒数亿次。由于微型计算机体积小、功耗低、其性能价格比占有很大优势，因而得到了广泛的应用。

（5）人工智能计算机——神经计算机。

其特点是可以实现分布式联想记忆．并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能。它是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话，它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。

3 计算机发展前景展望

计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。计算发展如此之快，计算机界据此总结出了“ 摩尔法则”，该法则认为每 18个月左右计算机性能就会提高一倍。因此，在未来，第六代计算机发展方向如下：

（1）分子计算机

分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高， 分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10 微微秒，比人的思维速度快 100 万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的DNA溶液可存储 1 万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子，所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。

（2）光子计算机

光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”和“1” 状态变化进行的二进制运算, 可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

（3）量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此, 一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前计算机的 PentiumⅢ晶片快10亿倍。

（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。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围, 质地坚固,有着极强的导电性, 能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位, 一个纳米等于10-9米, 大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源， 而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。

（5）生物计算机[1]

20世纪80年代以来，生物工程学家对人脑、神经元和感受器的研究倾注了很大精力，以期研制出可以模拟人脑思维、低耗、高教的第六代计算机——生物计算机。用蛋白质制造的电脑芯片，存储量可以达到普通电脑的10亿倍。生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。

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量子计算机（Qantum computer），遵循量子力学的规律，进行高速的数学和逻辑运算，是存储和处理量子信息的装置。如果装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法，那这个装置就是我们下面要谈的量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，研究可逆计算机的目的就是为了解决计算机中的能耗问题。

只闻其名，量子计算机，大概就能猜到它是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算，首先要先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器，其算法是由计算机的内部逻辑电路来实现的。1920年，奥地利人薛定谔、爱因斯坦、德国人海森伯格和狄拉克共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学。量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打下了基础，在此基础上发现了一项新技术，那就是量子计算机。量子计算机的技术概念最早由理查得·费曼提出的，后来经过若干年的研究，这项技术已初见成效了。

2013年5月23日，Google与NASA（美国宇航局）合作建立了一个实验室，其目的就是研究量子计算机。Google与高校空间研究协会（与NASA有密切合作的非盈利组织）购买了量子计算机，开始进行量子计算的研究工作。

量子计算与传统计算的区别

传统计算机利用几百万个电子晶体管进行数字运算，将0和1作为基本元素。量子计算则完全不同，它更有弹性，不再使用二进位代码，取而代之的是量子位元，又叫量子比特，它可以同时代表0和1。

传统计算机在0和1的二进制系统上运行，但量子计算机要更为强大，它可以在量子比特上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，像陀螺一样旋转，它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。按常识理解原子的旋转可能向上，可能向下，但不可能既向上又向下。但在量子世界里，原子被描述为两种状态的总和，它一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和，即每一种物体都可以被使用所有不可思议状态的总和来描述。

换一种表述，传统计算机只能使用“开”和“关”两种状态来控制电流，而量子计算机具有“开”和“关”同时存在的第三种状态，这是量子世界不同于粒子世界的特性。使用量子计算机能并行处理更多的信息，计算速度远超传统计算机。要进行量子计算并不容易，但在某些传统计算机容易失败的领域，它却可以充分发挥优势。

量子计算机依赖的是量子机制来提高其计算速度，量子机制决定了所有物质和能量的行为表现，即使只利用量子机制的简单特性，构造出的计算机表现就远远超出任何一台超级电子计算机。加拿大公司D-Wave表示，它的“Orion”只是传统计算机的补充和增强，并不是要取代谁。换句话说，量子计算机还没有发展到可以“独领”的地步。

用一个简单的例子来描述量子计算机和传统计算机的差别：在一个虚拟界面上存在山冈和低谷，目标是找到最低点。传统计算机是从一个点开始寻找，不断搜索，有系统地搜索：是这里吗？这里呢？查找的过程很慢，除非有无限的时间和无穷的耐心，否则就只能选择“足够好”。现在的答案固然不错，但新的、更低的点也许在几次计算后才出现。相比量子计算机的效率就要高得多了，因为它可以同时用多个标准来评估，从而大大改进计算的效率。

量子计算机无法替代传统计算机

IBM和微软等许多公司都在研究量子计算技术。D-Wave是唯一销售量子计算机硬件的厂商，公司表示，在少数复杂问题上，量子计算机的速度要比传统计算机快5万倍。但需要注意的是，“高速”是有前提的，因此所谓的高速是受条件限制的。如果你只想发个邮箱、听首音乐，量子计算机不会让你觉得有什么太大的区别，但要完成复杂任务就不同了。Google Research工程主管表示，希望量子计算机可以让研究人员更有效率地工作，更准确地为一切研究建模，包括语音识别、网络搜索、蛋白质折叠等。

因此，量子计算机不会很快淘汰传统计算机，它有自己的限制，而且它很难建造，价格很高。到目前，量子计算机大多是基于理论的，量子人工实验室设立的目的之一就是推动理论的发展。它的目标是将理论用于实践，解决现实问题，为真正的量子设备编写代码。

Google为什么对量子计算机感兴趣

Google对新技术一直很痴迷，社交网、可穿戴设备、自驾汽车，现在又是量子计算机。这些项目的相似之处，就是它们都可以强化公司的数据中心基础设施。

Google希望利用量子计算更好地理解人类的语音提问，这项技术不只可以用在搜索引擎上，还可以用在移动应用上，如Google Now和Google Maps。

Google称：“我们已经开发一些量子机器学习算法。当中一些可以提高识别能力，比如在移动设备电源不足时识别。一些可以处理高度污染的训练数据，在现实世界中，许多时候数据被贴错标签。我们还可以从中学习到一些经验，比如，纯粹使用量子计算不会得到最好的结果，将量子计算与传统计算结合会更好。”

在谷歌的量子人工智能实验室当中，量子计算机会先进行机器学习，这是电脑学习的信息模式，可以提高它们的输出“吞吐量”。然后，量子计算机要负责进行个性化的互联网搜索和以GPS数据预测交通的拥堵情况。另外，还要进行面部或语音的识别、生物行为，或者是庞大且复杂的系统管理工作。

Google官方博客表示，如果世界需要建立有效的环境政策，就需要建立更好的模型来描述全球的天气和气候，否则就不会有令人信服的证据。

谷歌已经为量子计算机修改了机器学习算法，这种算法原本由D-Wave系统公司设计。D-Wave向洛克希德·马丁公司出售了首台商用量子计算机，洛克希德公司官员表示，计算机会被用于测试和测量工作，如喷气飞机的设计或卫星系统的可靠性。

量子计算机的广阔前景

近年来，由于社会对高速、保密、大容量的通讯和计算的需求，促进了量子信息、量子计算理论和实验的迅速发展。

2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。

2009年11月，世界首台量子计算机正式在美国诞生，这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制，可处理两个量子比特的数据。较传统计算机中的0和1比特，量子比特能存储更多的信息，其性能大大超越传统计算机。

2010年3月，德国某研究中心发表公报称其超级计算机成功仿真42位量子计算机。在此基础上，研究人员首次可以仔细地研究高位数量子计算机的系统特性。

IBM的科学家在量子计算方面取得重大突破，2012年1月完成系列量子计算试验，在绝对零度条件下证实了通过量子技术一秒钟可以进行亿万次运算。传统计算机数据位非0即1，而一个量子可以拥有0、1以及同时0与1三种状态。这项技术突破允许科学家在初步计算中减少数据错误率，同时在量子位中保持量子机械属性的完整性。

量子计算机可以进行大数的因式分解和Grover搜索破译密码，但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。在利用EPR对进行量子通讯的实验中发现，只有拥有EPR对的双方才可能完成量子信息的传递，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息。正所谓解铃还需系铃人，这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。此外量子计算机还可以用来做量子系统的模拟，一旦有了量子模拟计算机，就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡罗方法在传统计算机上做数值计算，便可精确地研究量子体系特征。

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关键词：计算科学　工具　图灵模型　量子计算

所谓计算，就是从一个符号串f 变换成另一个符号串g。比如说，从符号串12+3变换成15就是一个加法计算。如果符号串f是x2，而符号串g是2x，从f到g的计算就是微分。定理证明也是如此，令f表示一组公理和推导规则，令g是一个定理，那么从f到g的一系列变换就是定理g的证明。从这个角度看，文字翻译也是计算，如f代表一个英文句子，而g为含意相同的中文句子，那么从f到g就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点？为什么把它们都叫做计算？因为它们都是从己知符号(串) 开始，一步一步地改变符号(串)，经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号(串) 的变换过程。

从类型上讲，计算主要有两大类: 数值计算和符号推导。数值计算包括实数和函数的加减乘除、幂运算、开方运算、方程的求解等；符号推导包括代数与各种函数的恒等式、不等式的证明，几何命题的证明等。但无论是数值计算还是符号推导，它们在本质上是等价的、一致的，即二者是密切关联的，可以相互转化，具有共同的计算本质。随着数学的不断发展，还可能出现新的计算类型。

以IBM 研究中心朗道(R.Landauer)为代表的理论科学家认为，到21世纪30年代，芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度，此时，导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律——牛顿力学沿导线运行，而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象，从而导致芯片无法正常工作; 同样，芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸(约5纳米) 后，晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。

哲学家和科学家对此问题的看法十分一致: 摩尔定律不久将不再适用。也就是说，电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在21世纪前30年内终止。著名科学家、哈佛大学终身教授威尔逊(EdwardO.Wilson)指出:“科学代表着一个时代最为大胆的猜想(形而上学)”，它纯粹是人为的。但我们相信，通过追寻“梦想——发现——解释——梦想”的不断循环，我们可以开拓一个个新领域，世界最终会变得越来越清晰，我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的。

在费曼设想的启发下，1985年英国牛津大学教授多伊奇DavidDeutsch 提出：是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇——图灵论题？费曼指出，使用量子计算机时，不需要考虑计算是如何实现的，即把计算看作由“神谕”来实现的: 这类计算在量子计算中被称为“神谕”(Oracle)。种种迹象表明: 量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强，例如，现代信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数(如1024位的十进制数) 分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”，困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。 目前，就是将全世界所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1024位整数的质因子分解问题，大约需要28万年，这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且，分解的难度随着整数位数的增多指数级增大，也就是说如果要分解2046位的整数，所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机，我们只需要大约40分钟的时间就可以分解1024位的整数了。

人类的计算工具，从木棍、石头到算盘，经过电子管计算机，晶体管计算机，到现在的电子计算机，再到量子计算，笔者发、这其中的过程让人思考: 首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算，随后，人们发明了算盘，来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”，机器也可以用来搬动“算珠”，而且效率更高、速度更快。随后，人们用继电器替代了纯机械，最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时，数学家们开始对计算的本质展开了研究，图灵机模型告诉了人们答案。量子计算的出现，则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性，试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说，这是一种革命性的思考与解决问题的方式。

如果观察历史，会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“公理”，人们的公理系统在不断地增大，随着该系统的不断增大，人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律:

“计算工具不断发展— 整体思维能力的不断增强——公理系统的不断扩大——旧的神谕被解决——新的神谕不断产生”不断循环。

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论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1

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

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

篇10

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