量子計算的運用

前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇量子計算的運用范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發現更多的寫作思路和靈感。

量子計算的運用范文第1篇

如果有人說，在物理世界中有一個百歲的“幽靈”，你會相信嗎？

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

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

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

這些描述聽上去令人毛骨悚然，不可捉摸。難怪量子理論創立者之一的玻爾說過：“如果一個人沒有被量子力學所震驚，那么他就沒有真正懂得量子力學。”

什么是“量子”

“量子”不是一種粒子，它是一個能量的最小單位。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形態。

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

以光為例，我們說一個“光量子”，是因為一個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，在沒有被電離的原子中，繞核運動的電子的能量是“量子化”的，也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量，對于原子中的電子，角動量也不再是連續變化的。

量子物理學告訴我們，電子繞原子核運動時也只能處在一些特定的運動模式上。在這些模式上，電子的角動量分別具有特定的數值，介于這些模式之間的運動方式是極不穩定的。即使電子暫時以其他的方式繞核運動，很快就必須回到特定運動模式上來。

實際上在量子物理學中，所有的物理量的值都可能必須不連續地、離散地變化。在上世紀初，物理學家馬克斯?普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續的。

出生于德國傳統保守家庭的普朗克從小受到良好的教育，雖然具有音樂天賦，十分迷戀音樂，但仍舊立志獻身于科學，研究物理。當他去慕尼黑大學時，一位物理學教授曾勸說他不要學習物理，因為“這門科學中的一切都已經被研究過了，只有一些不重要的空白需要填補”。教授的一席話正代表了當時大多數物理學家的心態。

然而執著的普朗克卻表示：“我并不期望發現新大陸，只希望能理解已經存在的美麗的物理理論，或許能將其加深和發展那么一點點。”命運總是喜歡開玩笑。本來并未期望在物理研究中“發現新大陸”的普朗克，卻在不經意間成為了量子力學的創始人。

當時，解釋熱力學中的輻射問題，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，卻無法解釋高頻率下的測量結果；而維恩位移定律可以正確反映高頻率下的結果，但無法符合低頻率下的結果。

如何才能導出一個新的公式，使得高頻、低頻下都能符合實驗結果呢？普朗克使用了一種巧妙新穎的方法：運用玻爾茲曼的統計物理，把光當成一個一個的諧振子。在他的假設中，既然輻射的是一個一個的諧振子，也就是說在黑體輻射時，能量就不是連續地，而是一份一份地發射出來的。

據此，普朗克導出了一個新公式，這個公式在頻率較小時自動回到瑞利-金斯公式，在頻率較大時又自動回到維恩公式。因此，新公式能在所有的頻率范圍與實驗結果符合。

1900年12月14日，在柏林亥姆霍茲研究所的德國物理學會上，普朗克宣讀了關于這一結果的論文。而這一天也被物理學家們定為量子力學的誕生之日。

然而，這一發現并不是普朗克的初衷。作為一名傳統而保守的物理學家，他只是按照科學方法辦事，并未想要掀起一場革命，連他自己都不知道，自己已經把量子這個“妖精”引進了物理學。

普朗克有些后悔，認為自己制造的這個量子“妖精”破壞了物理學的完美。他曾歷經15年的時間，試圖尋求一種經典物理方法來導出同樣的公式，解決黑體輻射問題，以便挽回“局面”。

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

說一說“量子疊加”

量子有一個非常奇怪的特性――量子疊加。

什么是量子疊加？經典事件里可以用某個物體的兩個狀態代表0或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時處于死和活的狀態中間。

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

這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經典世界的根本區別。

著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個佯謬。在經典世界里，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”的疊加狀態上。那么這只量子“薛定諤貓”到底是死的還是活的呢？

量子測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！

正因為有量子疊加狀態，才導致量子力學不確定原理，即如果事先不知道單個量子狀態，就不可能通過測量把狀態的信息完全讀取；不能讀取就不能復制。這是量子的兩個基本特性。

在量子疊加原理基礎之上，衍生出了量子的另一個奇妙特性，叫做“量子糾纏”。比方說，甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個游戲――擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率隨機得到1到6結果中的某一個；同時，乙在另一地擲骰子，盡管兩人每一次單邊結果都是隨機的，但每一次的結果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應一樣。這就是“量子糾纏”。

若兩個量子粒子處在特殊的狀態（俗稱“糾纏態”）中，不管其空間分離得多遠，當對其中一個粒子施行操作或測量，遠處的另一個粒子狀態會瞬時地發生相應的改變，愛因斯坦稱這個現象為“幽靈般的超距作用”。當時，愛因斯坦認為，怎么會允許兩個客體在遙遠的兩地之間有這種詭異的互動呢？據此，他質疑量子理論的完備性。

1982年，法國物理學家Alain Aspect和他的小組證實了“量子糾纏”的超距作用確實存在。

但直到2015年，荷蘭代爾夫特理工大學物理學家Ronald Hanson領導的團隊進行了一項被他們稱之為“無漏洞貝爾測試”的實驗，“幽靈般的超距作用”才得到比較嚴格的驗證。

有了量子糾纏，量子隱形傳輸的概念便呼之欲出。

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

1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際首次在實驗上成功地將一個量子態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，科學家們努力運用量子世界種種奇異的性質開拓出適用于經典世界的新技術，將向來被公眾認為高深莫測“詭異”的量子物理從云端落地到人世間，服務社會大眾。

其實，量子理論是一門非常實用的學科。

早在第二次世界大戰之前，它的原理就已經被運用于分析金屬和半導體的電學和熱學性質。戰后，晶體管和激光器這兩個運用量子理論原理且廣為人知的裝置，更是極大地推動了信息革命的發展。

到本世紀初，在我們的周圍隨處可見直接或間接運用量子理論的技術和裝置。從常見的CD唱片機到龐大的現代光纖通信系統、從無水涂料到激光制動車閘、從醫院的核磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術已經滲透到我們的生活中。

另外，計算能力的飛躍也是量子理論的重要應用之一。在經典計算機中，每個比特都只有0和1這兩種狀態。但在量子計算中，每個比特可以處在0和1的疊加狀態，一旦操縱的量子數目增多，它就會以指數增長的形式來提升運算速度，有并行運算的能力。

比如，利用萬億次經典計算機分解300位的大數需要15萬年，利用萬億次量子計算機，只需要1秒。同樣，在大數據和人工智能里，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號”計算機大概需要100年左右，但是如果利用萬億次的量子計算機，只需要0.01秒。

量子計算的應用非常廣泛，不僅可以解決大規模的計算機難題，破解經典密碼，進行氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導、量子霍爾效應等復雜的物理機制。不過，量子糾纏“分身術”的特性有一個更為直接的應用，便是量子保密通信。

現在被認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，所以這個傳輸被認為是安全的。但隨著科技發展，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。

這是因為經典通信的信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。比方說，兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進入另一根線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。“棱鏡門”等事件的曝光便是最好的例證。

而量子通信則完全不會出現這個問題，這是因為其密鑰具有不可復制性和絕對安全性。一旦有人竊取密鑰，整個通信信息就會“自毀”并告知使用者。比如，甲、乙二人要進行安全通信，甲發出的光子信息狀態有水平、豎直、45°等，假設有人竊聽，由于光子不可分割，首先竊聽者根本無法分割出“半個光子”；其次，因為單次測量測不準、不可克隆的量子態特性，竊聽者無法復制信息；倘若竊聽者截獲光子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。

量子計算的運用范文第2篇

高性能計算能力是國家重要科技實力的體現，中科院、科技部率先部署和支持了高性能計算相關規劃與建設。到2016年，中國科學院高性能計算環境已為我國科研服務20年，支撐了多個國家重大規劃、千余項國家各類科研項目。

雖然中國高性能計算已經取得了里程碑性的成績，但是科研工作者的腳步不會停止。他們已經在思考未來的發展方向在哪里，并將目光瞄向了“天然的超級計算機”―量子計算機。

“杞人憂天”的物理學家們與量子計算機的誕生

量子計算機的誕生和著名的摩爾定律有關，還和“杞人憂天”的物理學家們有關。

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

20世紀80年代，摩爾定律很貼切地反映了信息技術行業的發展，但“杞人憂天”的物理學家們卻提出了一個“大煞風景”的問題： 摩爾定律有沒有終結的時候？

之所以提出這個問題，是因為摩爾定律的技術基礎天然地受到兩個主要物理限制。

一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險。芯片發熱主要是因為計算機門操作時，其中不可逆門操作會丟失比特。物理學家計算出每丟失一個比特所產生的熱量，操作速度越快，單位時間內產生的熱量就越多，算機溫度必然迅速上升，這時必須消耗大量能量來散熱，否則芯片將被燒壞。

二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當小到只有一個電子時，量子效應就會出現。此時電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應，本來無法穿過的壁壘也穿過去了，所以量子效應會阻礙信息技術繼續按照摩爾定律發展。

所謂隧道效應，即由微觀粒子波動性所確定的量子效應，又稱勢壘貫穿。它在本質上是量子躍遷，粒子迅速穿越勢壘。在勢壘一邊平動的粒子，當動能小于勢壘高度時，按照經典力學的說法，粒子是不可能越過勢壘的；而對于微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘，實際上也的確如此。

這兩個限制就是物理學家們預言摩爾定律會終結的理由所在。

雖然這個預言在當時沒有任何影響力，但“杞人憂天”的物理學家們并不“死心”，繼續研究，提出了第二個問題：如果摩爾定律終結，在后摩爾時代，提高運算速度的途徑是什么？

這就導致了量子計算概念的誕生。

量子計算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會出現非可逆操作，所以耗能很小；而量子效應正是提高量子計算并行運算能力的物理基礎。

甲之砒霜，乙之蜜糖。它們對于電子計算機來說是障礙的量子效應，對于量子計算機來說，反而成了資源。

量子計算的概念最早是1982年由美國物理學家費曼提出的。1985年，英國物理學家又提出了“量子圖靈機”的概念，之后許多物理學家將“量子圖靈機”等效為量子的電子線路模型，并開始付諸實踐。但當年這些概念的提出都沒有動搖摩爾定律在信息技術領域的地位，因為在相當長的時間內，摩爾定律依然在支撐著電子計算機的運算速度的飛速提高。

直到今年，美國政府宣布，摩爾定律終結了。微電子未來的發展是低能耗、專用這兩個方向，而不再是追求速度。

由此可見，基礎研究可能在當時看不到有什么實際價值，但未來卻會發揮出巨大作用。

量子計算機雖然好，研制起來卻非常難

量子計算機和電子計算機一樣，其功用在于計算具體數學問題。不同的是，電子計算機所用的電子存儲器在某個時間只能存一個數據，它是確定的，操作一次就把一個比特（bit，存儲器最小單元）變成另一個比特，實行串行運算模式；而量子計算機利用量子性質，一個量子比特可以同時存儲兩個數值，N個量子比特可以同時存儲2的N次方數據，操作一次會將這個2的N次方數據變成另外一個2的N次方數據，以此類推，運行模式為一個CPU的并行運算模式，運行操作能力指數上升，這是量子計算機來自量子性的優點。量子計算本來就是并行運算，所以說量子計算機天然就是“超級計算機”。

要想研制量子計算機，除了要研制芯片、控制系統、測量裝置等硬件外，還需要研制與之相關的軟件，包括編程、算法、量子計算機的體系結構等。

一臺量子計算機運行時，數據輸入后，被編制成量子體系的初始狀態，按照量子計算機欲計算的函數，運用相應的量子算法和編程，編制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作變換，將量子計算機的初態變成末態，最后對末態實施量子測量，讀出運算的結果。

一臺有N個量子比特的量子計算機，要保證能夠實施一個量子比特的任意操作和任意兩個量子比特的受控非操作，才能進行由這兩個普適門操作的組合所構成的幺正操作，完成量子計算機的運算任務。這是量子芯片的基本要求。如果要超越現有電子計算水平，需要多于1000個量子比特構成的芯片。目前，這還無法實現。這種基于“量子圖靈機”的標準量子計算是量子計算機研制的主流。

除此以外，還有其他量子計算模型，如單向量子計算、分布式量子計算，但其研制的困難程度并沒有減小。另外，還有拓撲量子計算、絕熱量子計算等。

由于對硬件和軟件的全新要求，量子計算機的所有方面都需要重新進行研究，這就意味著量子計算是非常重要的交叉學科，是需要不同領域的人共同來做才能做成的復雜工程。

把量子計算機從“垃圾桶”撿回來的量子編碼與容錯編碼

實現量子計算最困難的地方在于，這種宏觀量子系統是非常脆弱的，周圍的環境都會破壞量子相干性（消相干），一旦量子特性被破壞，將導致量子計算機并行運算能力基礎消失，變成經典的串行運算。

所以，早期許多科學家認為量子計算機只是紙上談兵，不可能被制造出來。直到后來，科學家發明了量子編碼。

量子編碼的發現等于把量子計算機從“垃圾桶”里又撿回來了。

采用起碼5個量子比特編碼成1個邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯誤。

不僅如此，為了避免在操作中的錯誤，使其能夠及時糾錯，科學家又研究容錯編碼，在所有量子操作都可能出錯的情況下，它仍然能夠將整個系統糾回理想的狀態。這是非常關鍵的。

什么條件下能容錯呢？這里有個容錯閾值定理。每次操作，出錯率要低于某個閾值，如果大于這個閾值，則無法容錯。

這個閾值具體是多大呢？

這與計算機結構有關，考慮到量子計算的實際構型問題，在一維或準一維的構型中，容錯的閾值為10^-5，在二維情況（采用表面碼來編碼比特）中，閾值為10^-2。

目前，英國Lucas團隊的離子阱模型、美國Martinis團隊的超導模型在單、雙比特下操作精度已達到這個閾值。

所以，我們的目標就是研制大規模具有容錯能力的通用量子計算機。

量子計算機的“量子芯”

量子芯片的研究已經從早期對各種可能的物理系統的廣泛研究，逐步聚焦到了少數物理系統。

20世紀90年代時，美國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，發現許多體系根本不可能最終做成量子計算機，所以他們轉而重點支持固態系統。

固態系統的優點是易于集成（能夠升級量子比特數目），但缺點是容錯性不好，固態系統的消相干特別嚴重，相干時間很短，操控誤差大。

2004年以來，世界上許多著名的研究機構，如美國哈佛大學、麻省理工學院、普林斯頓大學，日本東京大學，荷蘭Delft大學等都做了很大的努力，在半導體量子點作為未來量子芯片的研究方面取得了一系列重大進展。最近幾年，半導體量子芯片的相干時間已經提高到200微秒。

國際上，在自旋量子比特研究方面，于2012年做到兩個比特之后，一直到2015年，還是停留在四個量子點編碼的兩個自旋量子比特研究上，實現了兩個比特的CNOT（受控非）。

雖然國際同行關于電荷量子比特的研究比我們早，但是至今也只做到四個量子點編碼的兩個比特。我們研究組在電荷量子比特上的研究，2010年左右制備單個量子點，2011年實現雙量子點，2012～2013年實現兩個量子點編碼的單量子比特， 2014～2015年實現四量子點編碼的兩個電荷量子比特。目前，已研制成六個量子點編碼為三個量子比特，并實現了三個比特量子門操作，已經達到國際領先水平。

超導量子芯片要比半導體量子芯片發展得更快。

近幾年，科學家使用各種方法把超導的相干時間盡可能拉長，到現在已達到了100多微秒。這花了13年的基礎研究，相干時間比原來提高了5萬倍。

超導量子計算在某些指標上有更好的表現，比如：

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

2.單比特和兩比特門運算的保真度分別達到99.94%和99.4%，達到量子計算理論的容錯率閾值要求。

3.已經實現9個量子比特的可控耦合。

4.在量子非破壞性測量中，達到單發測量的精度。

5.在量子存儲方面，實現超高品質因子諧振腔。

美國從90年代到現在，在基礎研究階段超導領域的突破已經引起了企業的重視。美國所有重大的科技公司，包括微軟、蘋果、谷歌都在量子計算機研制領域投入了巨大的力量，盡最大的努力來爭奪量子計算機這塊“巨大的蛋糕”！

其中，最典型的就是谷歌在量子計算機領域的布局。它從加州大學圣芭芭拉分校高薪引進國際上超導芯片做得最好的J. Matinis團隊（23人），從事量子人工智能方面的研究。

他們制定了一個目標―明年做到50個量子比特。定這個目標是因為，如果能做49個量子比特的話，在大數據處理等方面，就遠遠超過了電子計算機所有可能的能力。

整體來看，量子計算現在正處于“從晶體管向集成電路過渡階段”。

尚未研制成功的量子計算機，我們仍有機會！

很多人都問，實際可用的量子計算機究竟什么時候能做出來？

中國和歐洲估計需要15年，美國可能會更快，美國目前的發展確實也更快。

量子計算是量子信息領域的主流研究方向，從90年代開始，美國就在這方面花大力氣進行研究，在硬件、軟件、材料各個方面投入巨大，并且它有完整的對量子計算研究的整體策劃，不僅各個指標超越世界其他國家，各個大公司的積極性也被調動了起來。

美國的量子計算機研制之路分三個階段：第一階段，由政府主導，主要做基礎研究；第二階段，企業開始投入；第三階段，加快產出速度。

反觀中國的量子計算機發展，明顯落后于其他國家，軟件、材料幾乎沒有人做，軟硬件是相輔相成的，材料研究也需提早做準備。作為“十三五”重大科技目，量子計算機應當“三駕馬車”一起發展，硬件、軟件、材料三個都要布局。

量子計算的運用范文第3篇

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題，學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能最將轉換為計算的結果一造成熵的降低，這種向低熵方向無限發展的運動被哲學界認為是禁止的，因此，傳統電子計算機的計算能力必有上限。而以mM研究中心朗道為代表的理論科學家認為到2l世紀30年代，芯片內導線的寬度將窄到納米尺度．此時，導線內運動的電子將不再遵循經典物理規律一牛頓力學沿導線運行，而是按照量子力學的規律表現出奇特的“電子亂竄”的現象，從而導致芯片無法正常工作：同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸后，晶體管也將受到量子效應干擾而呈現出奇特的反常效應。哲學家和科學家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發展的可喜景象很可能在2l世紀前30年內終止。著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜指出：“科學代表著一個時代最為大膽的猜想。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想一發現一解釋一夢想”的不斷循環，我們可以開拓一個個新領域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯系和有意義的。”

二、各種新型計算機

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(quorum computer)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。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的。量子計算機大規模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度是普通電腦望塵莫及的。

（2）光子計算機。現有的計算機是由電子來傳遞和處理信息。電場在導線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運載工具運動的速度都快。但是，從發展高速率計算機來說，采用電子做輸運信息載體還不能滿足快的要求，提高計算機運算速度也明顯表現出能力有限了。而光子計算機以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導線瓦連，以光硬件代替電子硬件，以光運算代替電運算，利用激光來傳送信號，并由光導纖維與各種光學元件等構成集成光路，從而進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長、頻率、偏振態及相位的光代表不同的數據，這遠勝于電子計算機中通過電子狀態變化進行的二進制運算，可以對復雜度高，計算量大的任務實現快速的并行處理。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。分子計算計劃就是嘗試利用分子計算的能力進行信息的處理。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。

三、探究研究策略的依據

筆者認為開展計算機發展史研究的一種思路是：本著實用主義的態度，分階段提取計算機發展過程中的關鍵問題。圍繞這些問題展開研究，尤其要著力于問題解決過程中碰到的困難，以及問題解決后發現的新問題。

（1）“實用主義”無褒貶之分。彌補對計算機發展的歷史認知，不宜再去重做實驗，推倒人類已有的技術規范重來：只能進一步的學習和研究，在研究和學習中發現問題，找出規律。同時，“實用’，也是發揮后發優勢的應有之義。

（2）緊緊圍繞“問題”。在科學發展的歷史進程中，問題要比問題的解決更重要，“一個好的問題堪比一所好的大學”計算機的發展也是在不斷地提出問題、解決問題中發展進步，每一次問題的提煉和解決都促進了計算機水平得到一次升華和提高。

（3）事物的發展是動態的，已有問題的解決必然帶來新的問題新的問題是對已有問題解決方法的挑戰與審視，抑或是新科學新技術尋找用武之地發揮作用的要求，嘗試主動提出可預見的問題并設法解決是現代思維方式的一個顯著特征，愛岡斯坦曾說：提出一個問題往往比解決一個問題更重要，正是這個意思。提新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，這一切需要有創造性的想象力。往往是獲得認識突破的契機，這種習慣或者素養是極其寶貴的。

四、結束語

計算機是20世紀人類最偉大的發明之一。在這個世紀之交，知識經濟時代呼嘯而來，作為知識和信息的處理、傳輸和存儲之載體的計算機。在即將來臨的2I世紀，將會不斷地開發出新的品種。而這些新穎的計算機的發展將趨向超高速、超小型并行處理和智能化。為達到預想的目的各種新型材料將被運用到新型計算機的開發當中，如量子、光子分子等。未來量子、光子和分子計算機將具有感知、思考、判斷、學習以及一定的自然語言能力，使計算機進人人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術革命，對人類社會的發展產生深遠的影響。

參考文獻：

[1]劉科偉等．量子計算與量子計算機．計算機工程與應用，2002(38)

[2]王延汀．談談光子計算機．現代物理知識，2004，(16)．

量子計算的運用范文第4篇

關鍵詞：計算機技術 發展 趨勢

1、計算機技術的發展歷史

為了計算導彈的運行彈道,歷史上第一臺電子計算機（肯尼亞克）于1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學誕生。到20世紀60年代和80年代后,計算機除應用于軍用單位以外,很多政府部門和大型的科研機構,甚至一些比較有實力的企業部門也開始應用計算機進行管理。之后,Intel4位中央處理器的問世讓計算機的普及與發展更深入,并于1982年創造了第一臺個人計算機,促使了計算機成本的飛速降低,實現了計算機除有能力的單位或研究組織和軍事機構之外的家庭和小型企業也能使用。20世紀90年代開始,很多企業和家庭也使用了計算機。同時計算機向兩極分化:一方面是往微、往小、往便宜發展進入家庭;另一個向高、向難、向大發展,仍然運用于軍事、科學技術。現在,計算機在互聯網、公司、政府機關、家庭等領域得到廣泛應用。

從計算機的發展歷史我們不難發現,計算機技術作為一項歷史突破性技術,不斷的在快速成長、更新和發展,而它的每次更新也都必然促進它自身的發展與推廣。

2、新型計算機系統的出現

2.1 光子計算機

光子計算機是以光子代替電子,將光子作為計算機的傳導粒子,將傳統的導線連接創新為光互連接,傳統的計算機硬件也將被光硬件設備取代。在運算形式上,光子計算機能夠在并行度及運行速度上得到飛躍式提高。光子計算機的通訊量也是傳統計算機望塵莫及的,此外,光子計算機還具有十分強大的糾錯特性,能夠確保當某一計算機出現問題時,其他的計算機能夠繼續安全運行,從而在一定程度上保護的計算機是計算結果的正確程度。

2.2 納米計算機

納米計算機使計算機在外觀上大有改變,在能源的消耗方面,納米技術具有十分明顯的優勢。納米計算機技術使電腦耗材的使用量大大減少,提高了相關硬件的使用年限。因此,在諸多新興計算機當中,納米計算機可以說是最先進。

2.3 分子計算機

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。計算機的轉換開關由酶來充當,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。DNA計算機消耗的能量非常小,只有電子計算機的十億分之一,由于生物芯片的原材料是蛋白質分子,所以生物計算機既有自我修復的功能,又可直接與生物活體相聯。

2.4 量子計算機

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。量子計算機在特征上介于器件與架構之間,量子計算機中數據用量子位存儲。

3、計算機技術發展趨勢預測

3.1 納米技術將廣泛發展和應用

由于納米技術突破了計算機集成和處理速度的雙重限制,因此需要大力發展該項技術,它也將隨著科技發展的大趨勢成為未來計算機發展的一個重要方向。量子計算機的運算速度可達每秒1萬億次,儲存容量可達到1萬億億二進位。隨著納米技術的發展,可以產生量子計算機和生物計算機,而它們的運算速度,存儲能力都遠遠超過目前的計算機,因而納米技術的進一步發展和應用,將是未來的一個重要方向。

3.2 改善計算機的體系結構

計算機是一個組合體,是一個具有不同功能的體系結構。當前計算機在結構設計方面主要是進行多任務的并行計算,這樣可以利用同一臺機器進行多個任務的處理。對于大型電腦來說,另一種發展趨勢是集群系統,它能夠給用戶提高可靠性以及相融性。因此,為了提升當前計算機和用戶之間的交互性,應該重點發展集群性的計算機系統,強化系統的可靠性以及兼容性。

3.3 網絡技術的發展

計算機的運用越來越廣泛,與人們的生活息息相關,這最主要的原因就是網絡技術的發展。正是網絡的出現與快速發展使得計算機有了更加廣闊的發展空間。當前計算機的發展已經離不開網絡。隨著網絡技術的不斷的成熟和發展,人們和網絡之間的聯系也在不斷的密切。這就使得未來的互聯網云技術的發展提供了廣闊的空間。因此,大力發展網絡技術有利于計算機的發展。隨著科技的進步,人們將步入物聯網、智能電網的時代,這些都必須基于先進的網絡技術。

3.4 軟件技術

對于計算機來說,軟件是非常重要的。目前主流的操作系統和計算機硬件性能作對比,軟件性能作用不小。用實際使用系統來說,屬于Microsoft的都形成了工業臺式計算機的占多數的實際使用系統,還能促進對企業工程區域進展。數據庫的作用越來越完整,不過針對數據內容的解決會脫離僅僅限制在數字與符號等,對于多媒體消息的解決還可以超過仍然還處于單一的進制代碼文件的儲備。程序語言是

軟件性能的主要構成類別,因為互聯網的通用性,多種類的語言逐一實行支撐互聯網新技術。計算機協調工作性能同樣仍然是現在軟件技術進展的相同目標。

3.5 多媒體性能

多媒體性能的開拓與進展把服務器、路由器以及轉換器諸多互聯網需要的設施的技術明顯提高,其中包含有用戶端、內存、圖形片諸多硬件性能。互聯網使用人不再像原來一樣被動地接受解決信息的形態,而是更加以踴躍主動的形式來進入現在的互聯網空間。除此以外還有藍牙技能的發明運用,令多媒體通信技能無線電、數字信息、個人區域網絡、無線寬帶局域網等快速更新。

事實上,多媒體性能數字化是促使將來技能擴展的主要方面。由于多媒體性能是電腦賴以生存與發展的基礎,數字多媒體芯片性能就會變成將來多媒體性能生命里的核心。

4、結語

計算機技術是一個自我生存能力、自我發展能力極其強大、前途無量的一門新技術,軟件、互聯網、計算機系統組織、納米等技術的運用,不僅是實現發展高速化、智能化、多元化和微型化的前提,還是未來計算機技術提高的關鍵環節。因此,總結和了解計算機技術發展的歷史、現狀并對其未來發展進行預測,能夠有助于我們進一步發展計算機技術和計算機產業,更好地讓計算機技術服務于我們的生產和生活。

參考文獻

[1]彭斌.計算機技術發展中的創造與選擇[D].南京:東南大學,2004.

量子計算的運用范文第5篇

人物篇――興趣使然躬耕物理

1994年7月畢業于南京大學物理系；1999年在中科院物理所獲博士學位；1999年9月至2001年7月在清華大學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任教。

這就是寇謖鵬的求學、治學之路：水到渠成、充實而不平庸。早在青少年時期，寇謖鵬就對物理產生了濃厚的興趣，對科研發自心底的熱愛。當時，物理學在國內很有影響力，全國到處都在宣傳像李政道、楊振寧這些獲得諾貝爾獎的華裔物理學家，國內很多優秀學生在大學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的盲目之舉，而是基于發自心底的對物理學科的熱愛，他說，　“只有真正的興趣使然，才會深入的、耐得住寂寞的鉆研學問”。

也正是由于興趣使然，寇謖鵬學習刻苦、成績優異，在中國科學院物理研究所攻讀博士學位期間，他被評為中國科學院研究生院優秀研究生，曾獲得中國科學院院長獎學金優秀獎。

1999年，寇謖鵬進入清華大學高等研究中心做博士后研究工作，那里有世界一流大學的研究模式和條件，有寬松自由的學術環境，在那里，寇謖鵬結識了當今華人物理界的眾多精英，采訪中他就反復提及翁征宇、文小剛等人的名字，稱贊他們在物理研究中的杰出成就。和眾多大師級的人物近距離的接觸，也增加了他們之間合作的機會。2004年，寇謖鵬作為北京師范大學物理學科學術帶頭人的培養對象，在“杰出青年學者數學物理研修項目”資助下被派往美國麻省理工學院研修，合作導師就是文小剛教授。

刻苦求索，玉汝于成。多年來，寇謖鵬始終瞄準理論物理的前沿尖端方向做研究，他的研究領域涉及強關聯電子系統、高溫超導理論、介觀物理、量子場論、拓撲序和拓撲量子計算等。至今，他已在強關聯電子系統、高溫超導體機制、拓撲量子態等研究領域中取得了若干創造性的成果，在國際國內重要期刊60余篇，其中美國物理評論快報（PRL）3篇、美國物理評論（PR）27篇、歐洲物理快報（EPL）3篇。目前主持國家自然科學基金一項，科技部973項目量子調控子項目兩項，主持博士點基金（博導類）一項，國內、國際學術會議邀請報告近二十余次。并擔任美國物理評論快報、美國物理評論、中國科學、中國物理、理論物理通訊、物理學報、物理學前沿等國際、國內雜志審稿人。

科研篇――瞄準前沿發展尖端

一心做學問、專注自己有興趣的領域，也使寇謖鵬得到了同行的認可，入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”并獲得第十三屆茅以升北京青年科技獎。以下是他的代表性成果：

在拓撲序的分類及拓撲量子相變研究中，發現了一類二維Z2拓撲數，可以利用這種新的拓撲數對拓撲序、拓撲超導進行分類，另外，還發現Z2拓撲序可以由MutuaI-Chern-Simons場論描述，包括拓撲簡并、手征邊緣態等。獲得完整的有效理論可以使得我們很方便的描述拓撲序的低能物理行為。還利用分數量子霍爾態中的hierarchy　theory提出了Mutual　Chern-Simons　Landau-Ginzburg方法，得到了一類拓撲序量子相變的普適性原理。還運用對偶方法得到了基于自旋模型的Z2拓撲序的量子相變的一些嚴格結果，通過引入了閉弦算符描述該相變，發現這類量子相變開弦和閉弦的對偶關系。

在拓撲量子計算中，提出了一種新的拓撲量子計算方案，通過控制拓撲序基態的量子隧道效應進行拓撲量子計算，解決了如何控制拓撲序基態的難題。為此系統化的研究了拓撲序的量子隧道效應，在此基礎上進一步提出更適合進行拓撲量子計算的表面碼的拓撲量子計算方案，該工作被多個虛擬網絡雜志多次選錄。

在相互作用電子系統中的新奇量子態領域，系統化的研究了一類關聯費米系統：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。發現在金屬絕緣體轉變附近可能存在一種新的物態：nodal自旋液體，一種具有自旋旋轉對稱性、又有空間平移對稱性的非磁絕緣體。發現其中的拓撲元激發是無質量的費米激發，存在電荷自旋分離現象。相關工作作為“Review　article”被邀請寫入Nova　science　Publishers的新書“Insulators：Types，Properties　and　Uses”。另外，基于關聯拓撲絕緣體，從理論上預言了可能存在的三種新奇量子態：手征自旋液體、拓撲自旋密度波、復合自旋液體。其中，復合自旋液體態不同于已知的所有自旋液體，其元激發為電子和skyrmion拓撲激發的復合體，沒有自旋電荷分離。

在高溫超導體的拓撲理論領域，從高溫超導體的微觀模型出發，得到了一個有效場論模型。利用隨機重整化群技術研究了高溫超導體絕緣體一超導轉變的物理機制，發現該轉變的物理本質是一個量子臨界點，在該量子臨界點發生對偶禁閉退禁閉轉變。并在此基礎上解釋了高溫超導體中條紋相不穩定性的起源。另外，從低能有效場論出發，預言在贗能隙區，在外加電磁場的情況下，高溫超導體存在守恒的無耗散自旋流。

樹人篇――用心育人凝練隊伍

人才培養方面，寇謖鵬每年講授本科生基礎課“電磁學”將前沿知識融入教學中，取得了很好的教學效果，同時指導了十多個本科畢業論文和兩個本科生校級科研基金項目。另外參與教學改革：主持校級精品課“電磁學”，還參與北京市精品課“固體物理”和北師大“電磁學網絡課程”的建設。因此，他于2006年獲得北京師范大學勵耘獎優秀青年教師獎二等獎，2007年獲得北京市教育創新標兵。

大學教育是高層次的教育，寇謖鵬講課不僅重視系統性、清晰性和層次性，更重要的是在教學中獨具匠心，采用“滲透現代物理前沿”的教學模式，創新人才培養模式。滲透現代前沿的教學模式關鍵在于采取理論學習和科研相結合的方式，使學生進行“有目的”的學習。面對一年級的本科生他大膽介紹物理專業國內外發展的最新動態，讓學生不僅了解物理的過去、現在而且可以暢想未來。通過生動的多媒體課件直觀地介紹，充分發揮老師的主導作用和學生的主動性。他認為物理教學應開闊而非僵化學生的思維。現代物理的思想與方法滲透于日常教學中，讓學生盡可能多地接觸學科前沿，開闊學生視野，激發學生興趣，并啟發他們學會如何“發現”物理問題，分析問題，討論解決問題，有利于激發創造性。