量子计算的作用精选(九篇)

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第1篇：量子计算的作用范文

关键词：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能计算

【分类号】：TM743

1.概述

量子计算是计算机科学与量子力学相结合的产物，根据Moore定律可知：当计算机的存储单元达到原子层次时，显著地量子效应将会严重影响计算机性能，计算机科学的进一步发展需要借助新的原理和方法【1】，量子计算为这一问题的解决提供了一个可能的途径。

根据量子计算原理设计的量子计算机是实现量子计算的最好体现。量子计算机是利用微观粒子状态来进行存储和处理信息的计算工具【2】。其基本原理是通过物理手段制备可操作的量子态，并利用量子态的叠加性、纠缠性和相干性等量子力学的特性进行信息的运算、保存和处理操作，从本质上改变了传统的计算理念。

量子通信是量子理论与信息理论的交叉学科，是指利用量子的纠缠态实现信息传递的通讯方式。量子的纠缠态是指：相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象。量子通信主要包括两类：用于量子密钥的传输，和用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。与传统的通信技术相比，量子通信具有容量大，传输距离远和保密性强的特点。

2.量子计算基础

2.1 量子位

计算机要处理数据，必须把数据表示成计算机能够识别的形式。与经典计算机不同，量子计算机用量子位来存储信息，量子位的状态既可以是0态或1态，也可以是0态和1态的任意线性叠加状态。一个n位的量子寄存器可以处于 个基态的相干叠加态 中，即可以同时存储 种状态。因此，对量子寄存器的一次操作就相当于对经典计算机的 次操作，也就是量子的并行性。

2.2.量子逻辑门

对量子位的态进行变换，可以实现某些逻辑功能。变化所起到的作用相当于逻辑门的作用。因此，提出了“量子逻辑门”【3】的概念，为：在一定时间间隔内，实现逻辑变换的量子装置。

量子逻辑门在量子计算中是一系列的酉变换，将酉矩阵作为算符的变换被成为酉变换。量子位的态 是希尔伯特空间（Hilbert空间）的单位向量，实现酉变换后希尔伯特空间，在希尔伯特空间内仍为单位向量。【4】

3.量子算法

量子算法的核心就是利用量子计算机的特性加速求解的速度，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。目前大致五类优于已知传统算法的量子算法：基于傅里叶变换的量子算法，以Grover为代表的量子搜素算法，模拟量子力学体系性质的量子仿真算法，“相对黑盒”指数加速的量子算法和相位估计量子算法。

3.1基于傅里叶变换的量子算法

Shor于1994年提出大数质因子分解量子算法，而大数质因子分解问题广泛应用在RSA公开密钥加密算法之中，该问题至今仍属于NP难度问题。但是Shor算法可以在量子计算的条件下，在多项式时间内很有效地解决该问题。这对RSA的安全性有着巨大的挑战。

Shor算法的基本思想是：利用数论相关知识，通过量子并行特点，获得所有的函数值；再随机选择比自变量小且互质的自然数，得到相关函数的叠加态；最后进行量子傅里叶变换得最后结果。构造如下函数：

就目前而言，该算法已经相对成熟，对其进行优化的空间不大。目前研究者的改进工作主要是：通过对同余式函数中与N互质的自然数选择的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其实现，对量子密码学和量子通信的发展有着极重要的价值。[7]

3.2以Grover为代表的量子搜素算法

3.2.1 Grover算法

Grover算法属于基于黑箱的搜索算法，其基本思想为：在考虑含有 个数据库的搜索问题，其中搜索的解恰好有 个，将数据库中的每个元素进行量化后，存储在 个量子位中， 与 满足关系式 。【8】将搜索问题表示成从0到 的整数 ，其中函数 定义为：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 。【12】

具体算法如下：

（1）初始化。应用Oracle算子 ，检验搜索元素是否是求解的实际问题中需要搜索的解。

（2）进行Grover迭代。将结果进行阿达马门（Hadamard门）变换。

（3）结果进行 运算。

（4）结果进行阿达马门变换。【12】

4. 量子智能计算

自Shor算法和Grover算法提出后，越来越多的研究员投身于量子计算方法的计算处理方面，同时智能计算向来是算法研究的热门领域，研究表明，二者的结合可以取得很大的突破，即利用量子并行计算可以很好的弥补智能算法中的某些不足。

目前已有的量子智能计算研究主要包括：量子人工神经网络，量子进化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神经网络算法和量子进化算法已经成为目前学术研究领域的热点，并且取得了相当不错的成绩，下面将以量子进化算法为例。

量子进化算法是进化算法与量子计算的理论结合的产物，该算法利用量子比特的叠加性和相干性，用量子比特标记染色体，使得一个染色体可以携带大数量的信息。同时通过量子门的旋转角度表示染色体的更新操作，提高计算的全局搜索能力。

目前量子进化算法已经应用于许多领域，例如：工程问题、信息系统、神经网络优化等。同时，伴随着量子算法的理论和应用的进一步发展，量子进化算法等量子智能算法有着更大的发展前景和空间。

参考文献

1.王书浩，龙桂鲁.大数据与量子计算

2.张毅，卢凯，高颖慧.量子算法与量子衍生算法

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

4.吴楠，宋方敏。量子计算与量子计算机

5.苏晓琴，郭光灿。量子通信与量子计算。量子电子学报，2004，21（6）：706-718

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

7.王蕴，黄德才，俞攸红.量子计算及量子算法研究进展.

8.孙吉贵，何雨果.量子搜索算法.软件学报，2003，14（3）：334-344

9.龙桂鲁.量子计算算法介绍

10.解光军，范海秋，操礼程.一种量子神经计算网络模型

第2篇：量子计算的作用范文

关键词：计算机网络；改进量子进化算法；路由选择

当今社会是一个数据化时代，计算机网络技术已经应用到社会的各个领域。对于在已知网络的各个节点的通信需求下，怎样选择计算机通信网链路的高效路由，这一受到多个条件约束的杂乱非线性规划问题，在传统的数学理论中尚未得到有效的解决方法。面对这个问题，传统的算法都存在一定的局限性，计算也比较复杂，在很多条件限制下都难以发挥其作用，无法给出满意的解决方案。本文主要是对改进量子进化算法在计算机网络路由选择上的应用进行探究。

一、计算机网络路由选择意义

传统的计算机网络路由的选择方式主要有爬山法、梯度法、模拟退算法以及列表寻优法，但其都具有很大程度上的局限性，受到的限制条件也比较多，不能有效地发挥其作用。网络路由选择的定义主要有：在已有的计算机网络拓扑和网链路通信容量以及各个节点需求的情况下，对各节点的网络路由进行确定，以最大限度缩小互联网的时延性。这种路由选择方式，可在选择过程中采取一些简化工作，假设网络通信节点的数据包完好无缺，不受通信容量影响，报文长度则以实际指数分布为基准，来进行路由选择。

二、计算机网络路由选择中改进量子进化算法的应用

（一）量子进化算法的概述及算法流程

量子进化算法是由量子计算和进化算法结合而来，其运算方式为，在确定量子矢量的情况下，用量子算法的比特编码来表示染色体，并以旋转门和量子非门来进行染色体的更新，据此让目标得到最优解答。

在进行计算中，可以采用矩形阵表示量子染色体，设其长度为m

量子进化算法流程主要有以下几个步骤：

首先，将种群Q（t）初始化，设t=0，并测量种群中的每个个体，得到种群的状态P（t）；其次，对P（t）的适应度进行评估，将最佳个体状态和适应值进行记录；最后，采用

While非结束状态do，

begin

1、t=t+1；

2、对种群进行测量Q（t-1），其状态为P（t）；

3、进行P（t）的适应度评估；

4、对Q（t）采用量子门进行更新换代，记录后代种群Q（t+1）；

5、对每个个体的最佳状态以及适应值进行记录。

End

End

（二）旋转角的优化调整

（三）函数调整优化

采用租户优化的办法可以知道各基因间的相关性不大，基于这一特点对量子位进行定义：

表1 优化方案

分析表1的内容可以知道，这种旋转方案能够让搜索结构逐渐走向最优化，收敛速度也得到提高，在此表中只列出了第一象限内的 ，其他象限内的 情况可由此进行推断。

（四）仿真测试

以仿真实验的方式对以上的分析进行检验，与传统的量子进化算法为比较对象，证明改进量子进化算法在计算机网络路由的选择性能存在优越性。仿真实验的结果如图1；

图1 改进算法和传统算法的对比

根据此图能够看到，改进量子进化算法在寻优性和收敛性上明显优于传统的量子进化算法，在计算机网络路由选择的应用中，改进量子进化算法的综合性能也比传统的量子进化算法优秀。

结束语

计算机网络路由选择的改进量子进化算法，是在传统的量子进化算法的基础上进行改进的，通过仿真测试可以知道，经过改进的量子进化算法在寻优搜索和收敛速度上存在一定优势，很好的解决了互联网计算机路由在选择上面临的约束条件多、杂乱非线性规划等问题，很大程度上为互联网通信网链路的最佳路由选择提供了帮助。

参考文献

[1]宋明红，俞华锋，陈海燕.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用研究[J].科技通报，2014（01）：170-173.

[2]赵荣香.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用探究[J].科技传播，2014（24）：148+152.

第3篇：量子计算的作用范文

自1982年理查德·费曼（Richard Feynman）提出“量子计算机”的概念之后，人们对它颇为关注，众多研究机构更是试图借此开辟计算机时代的新纪元。但是，任凭人们千呼万唤、前赴后继，都没能够彻底揭开量子计算机的面纱。那么，量子计算机到底发展到了什么样的阶段？遇到了什么障碍？此次诺贝尔奖会对量子计算机的研发起到什么推动作用？量子计算机一旦面世，随之而来的会是什么？

量子计算机是大势所趋

所谓量子计算机，简单来说就是利用量子携带信息、存储数据，遵循量子算法进行高速的数学和逻辑运算的物理设备。我们熟知的传统计算机的“心脏”依赖的是硅芯片，但是一个芯片的面积总是有限的。

硅晶体管作为在芯片上传输信息、处理信息的微型开关，每年都在缩小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸缩小（现已达到纳米级）将限制性能的提升。所以，对晶体管进行传统的尺寸的扩展和收缩操作，不能再产生行业已经习惯的更低功耗、更低成本、更高速度的处理器的效果。虽然英特尔的22纳米处理器已经面世，还计划于2013年推出14纳米处理器，对于10nm、7nm以及5nm的制程研发路线图也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的负10次方米以下，就会明显出现量子特性，所以大部分物理学家坚持认为，摩尔定律不可能无限维持。

为了突破这道瓶颈，

IBM一直致力于研发碳纳米管芯片，其研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管，从而能够获得比硅质器件更快的运行速度。IBM声称这一成果有望让摩尔定律在下一个十年中继续生效。但是，如何获得高纯度的碳、如何实现完美的制造工艺又是不可避免的问题。

因为量子计算机是利用量子携带信息的，所以，传统计算机面临的挑战恰恰是量子计算机的优势所在。量子计算机中的每个数据由不同粒子的量子状态决定，根据量子力学原理，粒子的量子状态是不同量子状态的叠加。所以，量子计算机计算时采用的量子比特在同一时间内能够呈现出多种状态——既可以是1也可以是0，传统计算机在运算中采用的传统比特在特定时间内只能代表一个状态——1或者0。这就是量子计算机与传统计算机最大的不同之处。由于量子叠加状态的不确定性，量子计算可以同时进行大量运算，它的潜在应用包括搜索由非结构化信息构成的数据库，进行任务最优化和解决此前无法解答的数学问题。所以，量子计算机是大势所趋。

实现方案众多

量子计算机以其独特的运算逻辑和强大的运算性能吸引了无数研究机构和科学家对其进行研究，也相继取得了一些成果。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，所以研制量子计算机，关键在于成功操控单个量子。相信大家一定对“薛定谔的猫”这一理论并不陌生，关在密闭笼子里的猫，由于量子状态的不确定性，人们永远不知道它是活着还是死亡。所以，处于宏观世界的我们如何才能够有效操控微观世界的粒子，是极大的难题。从理论上讲，量子计算机有几十种体系，从实验上也有十几种实现方法。

阿罗什带领他的团队利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子辐射光子的操作；瓦恩兰的团队则利用可结合激光冷却技术，在离子阱中实现了单个离子的囚禁；IBM的托马斯·沃森研究中心组建了一支庞大的研究团队，依赖耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校过去几年在量子计算领域取得的进展，意欲基于微电子制造技术实现量子计算；美国普林斯顿大学物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大学圣巴巴拉分校的科学家利用电子的自旋特性，寻找到了操控电子的方法；利用声波和超导材料，也可以实现量子计算机的拓展；总部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的铌金属（元素符号Nb，一种类似于银，柔软的、可延展的金属）材料，在低温下呈超导态，其中的电流有顺时针、逆时针以及顺逆同时存在的混合状态，而这正可以用来实现量子计算。

众多方法中，最值得一提的便是阿罗什和瓦恩兰的做法。阿罗什构造了一个腔，把单个光子囚禁在光腔里，实现量子的操控，再往腔里放入单个原子，使原子和光子相互作用，通过腔的损耗来调控它们的状态。瓦恩兰捕获离子的方法，是用一系列电极营造出一个电场囚笼，离子如被装进碗里的玻璃球，而后，用激光将离子冷却，最终，最冷的一个离子安静地待在碗底。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而且单个粒子在实验过程中还能保持量子的物理性质。

中国科学院院士郭光灿这样评价阿罗什和瓦恩兰的成就：量子计算这个领域已经取得了飞速发展，现在的技术已经超过当初的技术，但是起点是他们。我们现在关注的不是单个离子，而是多个离子的纠缠，比如两个腔怎么连在一起，这是将来要做的，此外，还会有各种各样的腔，比如光学腔、物体腔和超导腔等。现在做量子计算机，实际上就是做芯片，把很多离子纠缠在一起，分到各个区里面，如果这一步能实现，量子计算机有希望在这方面实现实质性突破。

过程艰难 但前景乐观

自“量子计算机”的概念提出到现在的30年间，科学家们纷纷涉足，不管是在理论方面，还是实践方面，都取得了一些不可忽视的成就。

近几年来，量子计算机的领域更是全面开花，量子计算机不再是人们“只闻其名，不见其形”的概念型产品。英国布里斯托尔大学等机构以奥布赖恩为领导的研究人员更是在新一期美国《科学》杂志上宣布，成功研发出一种可用于量子计算的硅芯片。奥布赖恩表示，利用这种芯片技术，10年内可能就会研制出超越传统计算机的量子计算机。

想要研制出实用的量子计算机，需要面临科学技术方面的多重挑战，其中最主要的两大障碍就是：如何让粒子长时间保持量子状态，即保持相干性；如何让尽量多的粒子实现共同计算，即实现量子纠缠。阿罗什和瓦恩兰给出的实验方法均成功地打破了这些障碍，实现了基础性的突破。近几年来，研究人员以他们的研究成果为出发点，不断探索，取得了快速进展，可谓前景乐观。

需要注意的是，量子计算机的出现会将网络安全置于非常危险的境地，给现有的社会和经济体系以及国防带来潜在威胁。目前大部分的网络保密是使用“RSA公开码”的密码技术。想要破译这种密码，就要对大数分解质因子，这是极其困难的。按照现有的理论计算，分解一个400位数的质因子，用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。然而，量子计算机能够借助其强大的运算功能瞬间完成密码破译，这严重动摇了RSA公共码的安全性。

目前，量子计算机给人们的印象不过类似于一个玩具，娱乐价值似乎更高一些，但是在不久的将来，它一定能够引领计算机世界的潮流。

相关链接

量子计算机发展简史

1982年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）提出“量子计算机”的概念。

1985年，英国牛津大学的D. Deutsch进一步阐述了量子计算机的概念，并且证明了量子计算机比经典图灵计算机具有更强大的功能。

1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）证明量子计算机能够完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。

2005年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，它基本符合了量子力学的全部本质特性。

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，世界第一台通用编程量子计算机在美国国家标准技术研究院诞生。

2010年1月，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。

2010年3月，德国于利希研究中心发表公报：该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。

第4篇：量子计算的作用范文

[关键词] 网络支付 信息安全 量子计算 量子密码

目前电子商务日益普及,电子货币、电子支票、信用卡等综合网络支付手段已经得到普遍使用。在网络支付中,隐私信息需要防止被窃取或盗用。同时,订货和付款等信息被竞争对手获悉或篡改还可能丧失商机等。因此在网络支付中信息均有加密要求。

一、量子计算

随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也在降低。若能对任意极大整数快速做质数分解，就可破解目前普遍采用的RSA密码系统。但是以传统已知最快的方法对整数做质数分解，其复杂度是此整数位数的指数函数。正是如此巨额的计算复杂度保障了密码系统的安全。

不过随着量子计算机的出现,计算达到超高速水平。其潜在计算速度远远高于传统的电子计算机，如一台具有5000个左右量子位(qubit)的量子计算机可以在30秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的问题。量子位可代表了一个0或1,也可代表二者的结合,或是0和1之间的一种状态。根据量子力学的基本原理,一个量子可同时有两种状态,即一个量子可同时表示0和1。因此采用L个量子可一次同时对2L个数据进行处理,从而一步完成海量计算。

这种对计算问题的描述方法大大降低了计算复杂性，因此建立在这种能力上的量子计算机的运算能力是传统计算机所无法相比的。例如一台只有几千量子比特的相对较小量子计算机就能破译现存用来保证网上银行和信用卡交易信息安全的所有公用密钥密码系统。因此，量子计算机会对现在的密码系统造成极大威胁。不过，量子力学同时也提供了一个检测信息交换是否安全的办法，即量子密码技术。

二、量子密码技术的原理

从数学上讲只要掌握了恰当的方法任何密码都可破译。此外，由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹，用户无法察觉，就会继续使用同地址、密码来存储传输重要信息，从而造成更大损失。然而量子理论将会完全改变这一切。

自上世纪90年代以来科学家开始了量子密码的研究。因为采用量子密码技术加密的数据不可破译，一旦有人非法获取这些信息,使用者就会立即知道并采取措施。无论多么聪明的窃听者在破译密码时都会留下痕迹。更惊叹的是量子密码甚至能在被窃听的同时自动改变。毫无疑问这是一种真正安全、不可窃听破译的密码。

以往密码学的理论基础是数学，而量子密码学的理论基础是量子力学，利用物理学原理来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理”中所包含的一个特性，即当有人对量子系统进行偷窥时，同时也会破坏这个系统。在量子物理学中有一个“海森堡测不准原理”,如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化，那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子,照亮粒子的光(即便仅一个光子)的行为都会使之改变路线,从而无法发现该粒子的实际位置。从这个原理也可知，对光子来讲只有对光子实施干扰才能“看见”光子。因此对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系,通讯会被中断,这实际上就是一种不同于传统需要加密解密的加密技术。在传统加密交换中两个通讯对象必须事先拥有共同信息――密钥，包含需要加密、解密的算法数据信息。而先于信息传输的密钥交换正是传统加密协议的弱点。另外,还有“单量子不可复制定理”。它是上述原理的推论,指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的,因为要复制单个量子就必须先做测量,而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理,即使量子密码不幸被电脑黑客获取,也会因测量过程中对量子状态的改变使得黑客只能得到一些毫无意义的数据。

量子密码就是利用量子状态作为信息加密、解密的密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠。它是一种量子力学现象，指不论两个粒子间距离有多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子。因此当使用一个特殊晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子后，即使相距遥远它们也是相互联结的。只要测量出其中一个被纠缠光子的属性，就容易推断出其他光子的属性。而且由这些光子产生的密码只有通过特定发送器、吸收器才能阅读。同时由于这些光子间的“神秘远距离活动”独一无二，只要有人要非法破译这些密码，就会不可避免地扰乱光子的性质。而且异动的光子会像警铃一样显示出入侵者的踪迹，再高明的黑客对这种加密技术也将一筹莫展。

三、量子密码技术在网络支付中的发展与应用

由于量子密码技术具有极好的市场前景和科学价值，故成为近年来国际学术界的一个前沿研究热点，欧洲、北美和日本都进行了大量的研究。在一些前沿领域量子密码技术非常被看好，许多针对性的应用实验正在进行。例如美国的BBN多种技术公司正在试验将量子密码引进因特网，并抓紧研究名为“开关”的设施，使用户可在因特网的大量加密量子流中接收属于自己的密码信息。应用在电子商务中，这种设施就可以确保在进行网络支付时用户密码等各重要信息的安全。

2007年3月国际上首个量子密码通信网络由我国科学家郭光灿在北京测试运行成功。这是迄今为止国际公开报道的惟一无中转、可同时任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。2007年4月日本的研究小组利用商业光纤线路成功完成了量子密码传输的验证实验，据悉此研究小组还计划在2010年将这种量子密码传输技术投入使用，为金融机构和政府机关提供服务。

随着量子密码技术的发展，在不久的将来它将在网络支付的信息保护方面得到广泛应用，例如获取安全密钥、对数据加密、信息隐藏、信息身份认证等。相信未来量子密码技术将在确保电子支付安全中发挥至关重要的作用。

参考文献:

[1]王阿川宋辞等:一种更加安全的密码技术――量子密码[J].中国安全科学学报,2007,17(1):107～110

第5篇：量子计算的作用范文

【关键词】传统计算机；发展；量子；纳米；新型计算机

自1946年第一台电子传统计算机问世以来，传统计算机技术在元件器件、硬件系统结构、软件系统、应用等方面，均有惊人进步。现代传统计算机系统小到微型传统计算机和个人传统计算机，大到巨型传统计算机及其网络，形态、特性多种多样，已广泛用于科学计算、事务处理和过程控制，日益深入社会各个领域，对社会的进步产生深刻影响。

一、对传统计算机的认识

传统计算机是人类脑力的延伸和扩充，是近代科学的重大成就之一。它按人的要求接收和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息。

1.系统组成

传统计算机系统的层次结构：内核是硬件系统，是进行信息处理的实际物理装置。最外层是使用传统计算机的人，即用户。人与硬件系统之间的接口界面是软件系统，它大致可分为系统软件、支援软件和应用软件三层。

硬件硬件系统主要由中央处理器、存储器、输入输出控制系统和各种外部设备组成。中央处理器是对信息进行高速运算处理的主要部件，其处理速度可达每秒几亿次以上操作。存储器用于存储程序、数据和文件，常由快速的主存储器（容量可达数百兆字节，甚至数G字节）和慢速海量辅助存储器（容量可达数十G或数百G以上）组成。各种输入输出外部设备是人机间的信息转换器，由输入-输出控制系统管理外部设备与主存储器（中央处理器）之间的信息交换。

软件系统的最内层是系统软件，它由操作系统、实用程序、编译程序等组成。操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制。实用程序是为方便用户所设，如文本编辑等。编译程序的功能是把用户用汇编语言或某种高级语言所编写的程序，翻译成机器可执行的机器语言程序。支撑软件有接口软件、工具软件、环境数据库等，它能支持用机的环境，提供软件研制工具。支援软件也可认为是系统软件的一部分。应用软件是用户按其需要自行编写。

2.系统特点

传统计算机系统的特点是能进行精确、快速的计算和判断，而且通用性好，使用容易，还能联成网络。①计算：一切复杂的计算，几乎都可用传统计算机通过算术运算和逻辑运算来实现。②判断：传统计算机有判别不同情况、选择作不同处理的能力，故可用于管理、控制、对抗、决策、推理等领域。③存储：传统计算机能存储巨量信息。④精确：只要字长足够，计算精度理论上不受限制。⑤快速：传统计算机一次操作所需时间已小到以纳秒计。⑥通用：传统计算机是可编程的，不同程序可实现不同的应用。⑦易用：丰富的高性能软件及智能化的人-机接口，大大方便了使用。⑧联网：多个传统计算机系统能超越地理界限，借助通信网络，共享远程信息与软件资源。

3.系统局限

传统计算机，它的心脏依赖的是硅芯片，但是一个芯片的面积总有限。如果继续使用现在的芯片，15年以后，传统计算机的发展将走到尽头。在由上海中国工程院院士中心召开的院士沙龙上，院士们曾预言，10-15年后将是传统传统计算机发展的“死限”，院士呼吁我国应加快研制新型计算机。

二、新型高性能计算机

硅芯片技术高速发展的同时，也意味看硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机、纳米计算机等，将会在二十一世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

1.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。

2.光子计算机

光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、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。

3.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。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。

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，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。美国正在研制一种连接纳米管的方法，用这种方法连接的纳米管可用作芯片元件，发挥电子开关、放大和晶体管的功能。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。

科学在发展，人类在进步，历史上的新生事物都要经过一个从无到有的艰难历程。随着一代又一代科学家们的不断努力，我们相信，新型计算机与相关技术的研发和应用，必将推进全球经济社会高速发展，成为二十一世纪科技领域的重大创新，实现人类发展史上的重大突破。人类未来的生活必将在新型计算机的推动下越来越奇妙，越来越优越。

参考文献

[1]刘科伟，黄建国.量子计算与量子计算机[J].计算机工程与应用，2002（38）.

[2]王延汀.谈谈光子计算机[J].现代物理知识，2004（16）.

[3]陈连水，袁凤辉，邓放.分子计算机[J].分子信息学，2005（3）.

第6篇：量子计算的作用范文

为实现对氢核量子特性的精确探测和描述，江颖课题组和王恩哥课题组近年来在相关实验技术和理论方法上分别取得突破。他们成功发展了对于氢核敏感的超高分辨扫描探针显微术，开发了基于第一性原理的路径积分分子动力学方法（全量子化计算），实现了单个水分子内部自由度的成像和水的氢键网络构型的直接识别，并在此基础上探测到氢核的动态转移过程。

上图左边为利用扫描隧道显微镜测量水的量子效应的示意图。上图右边为单个水分子的非弹性电子隧穿谱，从中可分辨水分子的拉伸、弯曲和转动等振动模式，这些振动可以作为灵敏的探针来探测氢核的量子运动对氢键的影响。

最近，他们又基于扫描隧道显微镜研发了一套“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术，突破了传统非弹性电子隧穿谱技术在信噪比和分辨率方面的限制，在国际上首次获得了单个水分子的高分辨振动谱，并由此测得了单个氢键的强度。

通过可控的同位素替换实验，并结合全量子化计算模拟，研究人员发现氢键的量子成分可远大于室温下的热能，表明氢核的量子效应不只是对经典相互作用的简单修正，其足以对水的结构和性质产生显著的影响。进一步分析表明，氢核的非简谐零点运动会弱化弱氢键，强化强氢键，这个物理图像对于各种氢键体系具有相当的普适性，澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质。

第7篇：量子计算的作用范文

【摘要】 本研究在水相中合成了高质量的巯基乙酸包被的CdTe量子点。在pH 5.8～8.0范围内的PBS缓冲溶液中，CdTe量子点荧光强度与体系酸度存在良好的线性关系。利用NH+4 对量子点荧光的猝灭作用，实现了对水溶液中NH+4 的定量检测。在最优条件下，CdTe量子点酸度敏感探针荧光的猝灭程度与NH+4浓度呈良好的线性关系，线性范围为0.05～6.0 mmol/L，检出限为0.15 μmol/L。对1.0 mmol/L标准溶液平行测定11次，相对标准偏差为3.2%。利用标准加入法对水样中NH+4含量进行了测定，其结果与蒸馏酸滴定法的结果基本一致。

【关键词】 碲化镉，量子点，酸度敏感荧光探针，铵根离子

1 引 言

量子点是一种由II～VI族或III～V族元素组成的、稳定的、溶于水的、粒径介于1～100 nm之间能够受光激发产生荧光的半导体纳米晶粒[1，2]。量子点独特的性质在于它自身的量子效应。当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应。量子点在生命科学、分析科学、材料科学、免疫医学、检验检疫等研究领域发挥着越来越大的作用[2～4]。

研究表明，量子点的荧光强度通常随介质pH的改变而变化，这为以量子点作酸度敏感探针提供了理论基础[5～7]。Susha等[8]发现CdTe量子点的荧光强度在pH 6～12范围内无明显变化，在pH值为4～6范围内随酸度增强，荧光强度线性猝灭，且最大发射峰位基本不变。据此，他们首先提出水溶性的CdTe量子点将可能成为氢离子探针。以量子点为酸度敏感探针时，硫醇修饰的CdTe量子点比CdSe量子点前景更好，因为前者可以在80～100 ℃下合成，且量子产率较高，粒径可调，水溶性好，合成过程中很容易被巯基乙酸、L半胱氨酸等生物分子修饰[9，10]而用于生物样品的测定。更重要的是，巯基乙酸修饰的CdTe量子点不经任何处理就表现出很好的酸度敏感性，而用CdSe量子点制备酸度敏感探针则非常繁琐[11，12]。本研究使用巯基乙酸修饰的CdTe量子点定量测定了NH+4含量，结果令人满意。

水中NH+4的来源主要为生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物和某些工业废水以及农田排水[13]。在有氧环境中，NH+4含量较高时可转变为亚硝酸盐，对鱼类有毒害作用，对人体健康也会产生危害。测定水中NH+4含量有助于评价水体被污染和“自净”状况。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

LS55荧光分光光度计(美国PE公司);UV2100双光束紫外可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司); DF101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市英峪予华仪器厂); PHS3C数字式pH计(上海理达仪器厂); FA 1004N分析天平，精密度0.0001 g(上海民桥精密科学仪器有限公司); SZ93自动双重纯水蒸馏器(上海亚荣生化仪器厂); CHAS往返气浴恒温振荡器(江苏金坛大地自动化仪器厂)。

碲粉(Te，上海化学试剂站分装厂);氯化镉(CdCl2·2.5H2O，北京化工厂);巯基乙酸(HSCH2COOH，TGA，中国医药集团上海化学试剂公司); NaBH4(中国医药集团上海化学试剂公司); NaOH(沈阳医药股份有限公司化玻公司); NH4Cl(国药集团化学试剂有限公司);PBS缓冲溶液：分别准确称取17.91 g Na2HPO4·12H2O和7.80 g NaH2PO4·2H2O溶于水中，均定容至100 mL。调整两种溶液的混合比，可得到不同pH值的PBS缓冲溶液。所有的试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

2.2 实验方法

2.2.1 量子点的制备 参考文献[14]，采用水热法合成巯基乙酸包被的CdTe量子点。准确称取适量NaBH4和碲粉于具塞反应瓶中，加入4 mL水后置于冰浴开始反应，得到CdTe量子点的前驱体。将前驱体NaHTe溶液迅速加入到镉的巯基乙酸溶液中，搅拌通入氮气10 min，得到了CdTe原溶液。将CdTe原溶液装入聚四氟乙烯硝化罐中，于100 ℃恒温干燥箱中加热2 h，即得到实验中使用的荧光发射波长为567 nm的量子点胶体，其浓度为5.0×10-3 mol/L(以Te2计算)。用UV2100双光束紫外可见分光光度计和LS55荧光分光光度计对所合成量子点的光学性质进行表征。

2.2.2 量子点荧光强度与体系酸度关系的考察 取适量量子点用二次蒸馏水稀释50倍，置阴暗处备用。在4 mL样品管中依次加入100 μL稀释后的量子点及1900 μL不同酸度值的PBS缓冲溶液，混合均匀，放置30 min后，用荧光分光光度计测定其荧光强度值。

2.2.3 NH+4含量的测定 在5 mL可密闭样品管中依次加入100 μL一定浓度的CdTe量子点、400 μL 0.05 mol/LPBS缓冲溶液、二次蒸馏水及不同体积NH+4，通过调整H2O的加入体积，使体系总积为4 mL。将样品管置于空气浴摇床中，常温下低速振荡15 min使其充分反应。反应结束放置5 min待溶液稳定后于荧光分光光度计测定各组溶液的荧光强度I。计算试剂空白荧光强度与不同浓度NH+4 的荧光强度比值的对数值ln(I0/I)，并考察ln(I0/I)与对应浓度之间的关系。

3 结果与讨论

3.1 巯基乙酸包被CdTe量子点的光学性质

按实验方法合成出了光学性质稳定、发射峰峰位分布范围宽的水溶性量子点。如图1所示，实验中所用量子点紫外吸收光谱宽而且连续，同时还具有很宽的荧光激发波长范围，其荧光发射峰峰形对称，半峰宽窄(30～50 nm)，荧光强度高。 图1 CdTe量子点的紫外可见吸收光谱(a)，荧光激发光谱(b)和荧光发射光谱(c)

3.2 体系酸度对量子点荧光强度的影响

按实验方法考察了3种缓冲溶液(PBS， BR， TrisHCl)对量子点荧光强度的影响，发现量子点在等浓度、相同体积的3种缓冲溶液中荧光强度依次降低。由于CdTe量子点荧光强度线性变化的酸度范围大致在pH 5.5～8.0内，与PBS缓冲溶液(pKa=6.80)的缓冲范围相当，因此在后续实验中选择PBS缓冲溶液来维持体系酸度的稳定性。实验结果表明，在pH 5.8～8.0范围内随着酸度的增强，量子点荧光强度被显著猝灭，并且荧光强度与酸度之间呈良好的线性关系，r= 0.9990(如图2)。

3.3 NH+4对量子点荧光强度的影响

NH+4在水中可水解生成H+， NH+4浓度越大，体系酸度随之增强。考察了在相同浓度的量子点溶液(1.25×10-5 mol/L)中加入不同浓度的NH+4后，量子点酸度敏感荧光探针荧光强度的变化。结果表明，在0～5.0 μmol/L范围内，NH+4能够使量子点荧光强度增强(图3b)，而在5.0×10-3～3.0 mmol/L范围内，随着NH+4加入量的增大，量子点荧光逐渐被猝灭(图3a)。

用量子点荧光探针检测NH+4时，低浓度的NH+4能够使量子点荧光强度增强。对于1.25×10-5 mol/L的量子点，当NH+4浓度达到5.0 μmol/L后，随着NH+4的增多，量子点荧光强度则逐渐降低。这种现象既不同于量子点与生物大分子偶联时所表现出的单一荧光增强作用，也不同于重金属离子与量子点作用时表现出的单一荧光猝灭作用。所以有必要对NH+4与量子点作用机理进行讨论。

本研究所用量子点酸度敏感荧光探针表面修饰有巯基乙酸(HSCH2COOH)，在pH=7.0时其表面带负电荷，而NH+4带正电，二者容易受静电引力作用发生偶联。NH+4被量子点吸附在其表面之后，将对量子点表面未吸附其它阳离子的缺陷部分进行修饰，从而使量子点的荧光强度增强。当NH+4浓度增加到一定程度时，量子点表面能够容纳NH+4的量达到饱和。此后若继续增加NH+4浓度，由NH+4水解造成的酸度增强将使量子点表面配体缺失，这时酸效应所产生的荧光猝灭作用使量子点荧光强度显著降低。

为考察量子点荧光强度增强的机理，分别采用半胱氨酸和半胱胺包被的CdTe量子点与NH+4作用，考察低浓度的NH+4能否对上述两种量子点产生荧光增敏作用。实验结果表明， 在0.25～2.0 mmol/L范围内，半胱氨酸包被的CdTe量子点荧光强度随NH+4浓度增加而增强; 而半胱胺包被的CdTe量子点在此浓度范围内未观察到荧光强度增强，且更低的NH+4浓度也未对半胱胺包被的量子点表现出荧光增强作用。在pH 7.0时，半胱氨酸包被的CdTe量子点同巯基乙酸包被的CdTe量子点一样，表面带负电，而半胱胺包被的CdTe量子点带正电。上述实验结果表明，NH+4是通过静电引力作用对表面带负电荷的量子点表面进行修饰而使其荧光强度增强。

3.4 量子点浓度的选择、反应时间和反应温度的影响

等量的NH+4对不同浓度量子点的荧光强度的影响不同。当量子点浓度过高时，NH+4对量子点荧光猝灭作用不明显，且量子点本身发生自体猝灭作用，不利于荧光强度的检测且浪费实验原料;若量子点浓度过低，NH+4对量子点荧光强度猝灭程度过大，导致方法线性范围过窄，不利于定量检测。经过实验优化，选择稀释800倍(6.25 μmol/L)的量子点为酸度敏感荧光探针定量检测痕量NH+4。

量子点荧光强度15 min后趋于稳定，延长反应时间至50 min，荧光强度基本不变。本方法在加入NH+4 20 min后测定。由于反应体系的温度对体系荧光强度的影响不大，本方法选择在室温下进行测定。

3.5 标准曲线及检出限

实验结果表明，在0.05～ 6.0 mmol/L范围内，CdTe量子点的荧光猝灭程度ln(I0/I)与NH+4 浓度存在良好的线性关系，其线性方程为ln(I0/I)=0.05479C + 0.00503(I0为荧光强度最大值，I为不同浓度NH+4 对应的荧光强度值，C为NH+4浓度，单位mmol/L)，线性相关系数为0.9997; 检出限(3σ)为1.5×10-5 mol/L。对浓度为1.0 mmol/L的标准溶液平行测定11次，得到的相对标准偏差为3.2%。

3.6 共存物质的影响

在NH+4浓度为5.0×10-5 mol/L时，考察了常见共存离子对体系荧光强度的影响。实验结果表明，50倍的K+， Na+， Mg2+， Ca2+， Fe3+等阳离子; 100倍的Cl-， NO-3， I-等阴离子均不干扰测定。Cu2+， Fe2+， Cd2+， CO2-3等离子对测定有较大干扰，但在所测样品中通常含量不高，所以可以用本方法测定基体不很复杂的样品中NH+4含量。

3.7 水样中NH+4含量测定

用标准曲线法测定实际样品的回收率较差，这说明存在基体干扰。在实验中为了消除共存物质的干扰，采用标准加入法对水样中NH+4进行测定。实验证明，采用标准加入法对水样中NH+4进行测定可以得到满意的结果。向5个盛有1 mL水样的样品管中依次加入等量的CdTe量子点(酸度敏感探针)、PBS缓冲溶液及不同浓度的NH4Cl标准溶液，加入不同体积的纯水使体系总体积为2 mL。使用荧光分光光度计测定加入不同量NH+4后体系荧光强度I，计算试剂空白荧光强度与其荧光强度比值的对数值ln(I0/I)，并绘制ln(I0/I)与对应浓度之间的校正曲线。对样品平行测定9次，测得各样品加标后的荧光强度值，并用外推法算得所测水样中NH+4含量为(77.2±8.3) μmol/L，即(1.39±0.15) mg/L，与蒸馏酸滴定法所测结果((1.20±0.20) mg/L，n=9)基本一致。

参考文献

1 Zou MingQiang(邹明强)，Yang Rui(杨 蕊)，Li JinFeng (李锦丰)，Ma JiXiang(马吉湘)，Wang Nan(王 楠). Journal of Instrumental Analysis(分析测试学报)， 2005，24(6)：133～137

2 Liang JianGong(梁建功) ， Han HeYou(韩鹤友). Chinese J. Anal.Chem.(分析化学)， 2008， 36(12): 1699～1701

3 Xie HaiYan(谢海燕)， Pang DaiWen(庞代文). Chinese J. Anal. Chem.(分析化学)， 2004， 32(8): 1099～1103

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5 Gao M， Rogach A L， Kornowski A， Kirstein S， Eychmuller A， Mohwald H， Weller H. J. Phys. Chem. B， 1998， 102(43): 8360～8363

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8 Susha A S， Javier A M， Parak W J， Rogach A L. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp.， 2006， 281(13): 40～43

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10 Shavel A， Gaponik N， Eychmuller A. J. Phys. Chem. B， 2006， 110(39)： 19280～19284

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：量子计算的作用范文

作为量子实验卫星先导专项首席科学家，潘建伟院士和他的团队在量子通信的研究道路上遭遇过怎样不为人知的挫折？在欧美众多实力强劲的国家中，潘建ネ哦游何选择奥地利作为量子通信项目的合作伙伴？作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者，而在此过程中，我国量子通信技术在发展过程中又有着怎样里程碑式的事件？

为获取这些问题的答案，我们邀请到了中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟，并对其进行了专题访问。

尖端科技背后的故事

潘建伟介绍，在量子通信技术的研发过程中，单个光量子的制备和探测是主要的两个技术难题。首先是制备单个光量子的技术难题。潘建伟举了一个非常形象的例子来解释这一关键技术的难度：一个十五瓦左右的普通灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可以达到百亿亿个，要想实现单个光量子的制备就如同在瞬间发射出来的百亿亿个光量子中捕捉到其中的一个，技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。单个光子是光能量的最小单元，能量非常微弱，需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测的能力后，我们就可以实现安全的量子通信了。

量子信息的应用除了实现无条件安全的通信外，还可以带来计算能力的飞跃，这就需要把一个个的单量子纠缠起来。量子计算机的能力是随着纠缠粒子数目呈指数增长的，例如，有100个粒子的纠缠，每个粒子可以处于“0”和“1”的相干叠加，100个纠缠的粒子就可以同时处于2100个状态的叠加，这就相当于同时对2100个数进行操纵，计算能力大幅提升。把一个个粒子纠缠起来需要对它们之间的相互作用进行精确的控制，同时还要保证克服环境的干扰。潘建伟团队通过一种名为“光晶格”的实验装置成功攻克了这一技术难题，而“光晶格”捕捉单个原子的技术原理就如同把鸡蛋逐个放入蛋槽的过程，每个光晶格中只能容纳一个原子，再通过人为控制这些原子的相互作用，使得它们纠缠起来。虽然现在的技术水平已经发展到可以操纵数百个原子，但要实现数百个原子之间的量子纠缠态还有很长的路要走。潘建伟解释说，如果将几百个原子纠缠在一起，就能够演示量子计算机的基本功能了。

奥地利―梦开始的地方

据了解，此次“墨子号”量子通信卫星包含了国际合作任务，并选择了奥地利作为首个国际合作伙伴。为何偏偏选择奥地利？这还要从潘建伟的求学经历说起。

潘建伟在中国科学技术大学学习期间，第一次领略到量子世界的奇妙。但随着对量子研究的深入，他越发意识到量子理论中的各种奇特现象需要更加尖端的实验技术和条件才能够得到验证，而当时国内在这方面还相对落后。于是，在1996年潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学，师从奥地利物理学家Anton Zeilinger攻读博士学位。那时Anton Zeilinger教授已经建立了量子实验室，并且是量子物理学领域的国际权威。在奥地利，潘建伟和同事们完成了国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验，这被认为是量子信息实验领域的开端。此后几年，潘建伟和同事们又先后实现了一系列量子信息领域的先驱性实验，这些宝贵的经历为以后潘建伟在量子通信领域的突破性贡献奠定了坚实的基础。潘建伟对奥地利的特殊感情还不止于此。潘建伟在奥地利求学期间，一直得到了奥地利外交部和学术交流机构的资助。博士毕业后，潘建伟又继续在维也纳大学实验物理所从事博士后研究，而维也纳大学正是薛定谔等量子力学的奠基人工作过的地方，无疑是量子力学的“圣地”之一。

所以，当昔日的老师主动提出加入我国的量子卫星计划时，奥地利便顺理成章地成了中国量子科学实验卫星项目的第一个国际合作伙伴。潘建伟提到，量子科学实验卫星会向全世界开放，在奥地利之后，德国、意大利、加拿大等国的团队也主动请求加入。

追寻量子通信发展的轨迹

潘建伟在接受采访时谈到，作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。回顾中国量子通信领域的发展历程，取得的优异成绩离不开先辈科学家们孜孜不倦的奋斗与拼搏。

潘建伟表示，我国在量子通信领域的研究起步较早，在上世纪90年代初就有郭光灿院士、张永德教授等老一辈科学家密切关注该领域的发展，并且中国科学技术大学已经发表了一些该领域的文章。潘建伟强调说，中国量子通信领域能够发展到今天这一步，与当时中科院与时俱进的敏锐眼光密切相关。他举例说，在他2001年回国组建实验室时，一切都是从零开始。当时，他向中科院申请了200万元的经费，而中科院基础局却拨了400万元。在中科院的重视和支持下，实验室的发展速度非常快，很快就有了一批由中国人完成的量子信息领域的重要成果。之后，中科院的支持力度又进一步加大，同时，国内其他团队也发展起来了。在2005年，国家的重大研究计划也开始注意到了量子调控，在中科院物理所的于渌院士、南京大学的闵乃本院士等科学家的建议下，量子调控成为国家重大研究计划的内容，到目前这一计划已经执行了十余年。正是由于国家的重点扶持，我国的量子通信技术才得以快速发展。近年来，中科院启动量子卫星项目，国家发改委启动“京沪干线”项目，为量子通信技术实现跨越式的发展注入了长足的动力。但同时潘建伟也表示，欧美等国家也相继启动了包括量子通信在内的量子专项计划，政府也给予了大力支持，所以我国在未来能否持续抢占量子通信领域的领跑地位，还需要不断创新、不断前进。

第9篇：量子计算的作用范文

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