量子计算的发展精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的量子计算的发展主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：量子计算的发展范文

关键词 量子物理；现代信息技术；关系；原理应用

中图分类号：O41 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人们认识微观世界结构和运动规律的科学，它的建立带来了一系列重大的技术应用，使社会生产和生活发生了巨大的变革。量子世界的奇妙特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面发挥重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技术已成为当前各国研究与发展的重要科学技术领域。

随着世界电子信息技术的迅猛发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，同时信息安全、隐私问题等越来越突出。2013年5月美国“棱镜门”事件的爆发，引发了对保护信息安全的高度重视，将成为推动量子物理科学与现代信息技术的交融和相互促进发展的契机。因此，充分认识量子物理学的基本原理在现代信息技术中发展的基础地位与作用，是促进现代信息技术发展的前提，也是丰富和发展量子物理学的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡测不准原理。在量子力学中，任何两组不可同时测量的物理量是共扼的，满足互补性。在进行测量时，对其中一组量的精确测量必然导致另一组量的完全不确定，只能精确测定两者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力学中，不能实现对各未知量子态的精确复制，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，无法获得与初始量子态完全相同的复制态。

3）态叠加原理。若量子力学系统可能处于和描述的态中，那么态中的线性叠加态也是系统的一个可能态。如果一个量子事件能够用两个或更多可分离的方式来实现，那么系统的态就是每一可能方式的同时迭加。

4）量子纠缠原理。是指微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态随即发生相应变化。换言之，存在纠缠关系的粒子无论何时何地，都能“感应”对方状态的变化。

2 量子物理与现代信息技术的关系

2.1 量子物理是现代信息技术的基础与先导

物理学一直是整个科学技术领域中的带头学科并成为整个自然科学的基础，成为推动整个科学技术发展的最主要的动力和源泉。量子力学是20世纪初期为了解决物理上的一些疑难问题而建立起来的一种理论，它不仅解释了微观世界里的许多现象、经验事实，而且还开拓了一系列新的技术领域，直接导致了原子能、半导体、超导、激光、计算机、光通讯等一系列高新技术产业的产生和发展。可以说，从电话的发明到互联网络的实时通信，从晶体管的发明到高速计算机技术的成熟，量子物理开辟了一种全新的信息技术，使人类进人信息化的新时代，因此，量子物理学是现代信息技术发展的主要源泉，而且随着现代科学技术的飞速发展，量子物理学的先导和基础作用将更加显著和重要。

2.2 量子物理为现代信息技术的持续发展提供新的原理和方法

现代信息技术本质上是应用了量子力学基本原理的经典调控技术，随着世界科学技术的迅猛发展，以经典物理学为基础的信息技术即将达到物理极限。因此，现代信息技术的突破，实现可持续发展必须借助于新的原理和新的方法。量子力学作为原子层次的动力学理论，经过飞速发展，已向其他自然科学的各学科领域以及高新技术全面地延伸，量子信息技术就是量子物理学与信息科学相结合产生的新兴学科，它为信息科学技术的持续发展提供了新的原理和方法，使信息技术获得了活力与新特性，量子信息技术也成为当今世界各国研究发展的热点领域。因此，未来的信息技术将是应用到诸如量子态、相位、强关联等深层次量子特性的量子调控技术，充分利用量子物理的新性质开发新的信息功能，突破现代信息技术的物理极限。

2.3 现代信息技术对量子物理学发展的影响

量子信息技术应用量子力学原理和方法来研究信息科学，从而开发出现经典信息无法做到的新信息功能，反过来，现代信息技术的发展大大地丰富了量子物理学的研究内容，也将不断地影响量子物理学的研究方法，有力地将量子理论推向更深层次的发展阶段，使人类对自然界的认识更深刻、更本质。近年来，随着量子信息技术领域研究的不断深入，量子信息技术的发展也使量子物理学研究取得了不少成果，如量子关联、基于熵的不确定关系、量子开放系统环境的控制等问题研究取得了巨大进展。

3 基于量子物理学原理的量子信息技术

基于量子物理原理和方法的量子信息技术成为21世纪信息技术发展的方向，也是引领未来科技发展的重要领域。当前量子物理学的基本原理已经在量子密码术、量子通信、量子计算机等方面得到充分的理论论证和一定的实践应用。

3.1 量子计算机——量子叠加原理

经典计算机建立在经典物理学基础上，遵循普通物理学电学原理的逻辑计算方式，即用电位高低表示0和1以进行运算，因此，经典计算机只能靠以缩小芯片布线间距，加大其单位面积上的数据处理量来提高运算速度。而量子计算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。计算方式是建立在微观量子物理学关于量子具有波粒两重性和双位双旋特性的基础上，量子算法的中心思想是利用量子态的叠加态与纠缠态。在量子效应的作用下，量子比特可以同时处于0和1两种相反的状态（量子叠加），这使量子计算机可以同时进行大量运算，因此，量子计算的并行处理，使量子计算机实现了最快的计算速度。未来，基于量子物理原理的量子计算机，不仅运算速度快，存储量大、功耗低，而且体积会大大缩小。

3.2 量子通信——量子纠缠原理

量子通信是一种利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。从信息学上理解，量子通信是利用量子力学的量子态隐形传输或者其他基本原理，以量子系统特有属性及量子测量方法，完成两地之间的信息传递；从物理学上讲，量子通信是采用量子通道来传送量子信息，利用量子效应实现的高性能通信方式，突破现代通信物理极限。量子力学中的纠缠性与非定域性可以保障量子通信中的绝对安全的量子通信，保证量子信息的隐形传态，实现远距离信息转输。所以，与现代通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点，量子通信创建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密码——不可克隆定理

经典密码是以数学为基础，通过经典信号实现，在密钥传送过程中有可能被窃听且不被觉察，故经典密码的密钥不安全。量子密码是一种以现代密码学和量子力学为基础，利用量子物理学方法实现密码思想和操作的新型密码体制，通过量子信号实现。量子密码主要基于量子物理中的测不准原理、量子不可克隆定理等，通信双方在进行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密钥分配协议在通信双方之间建立对称密钥，再使用建立起来的密钥对明文进行加密，通过公开的量子信道，完成安全密钥分发。因此量子密码技术能够保证：

1）绝对的安全性。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，且合法的通信双方可觉察潜在的窃听者并采取相应的措施。

2）不可检测性。无论破译者有多么强大的计算能力，都会在对量子的测量过程中改变量子的状态而使得破译者只能得到一些毫无意义的数据。因此，量子不可克隆定理既是量子密码安全性的依靠，也给量子信息的提取设置了不可逾越的界限，即无条件安全性和对窃听者的可检测性成为量子密码的两个基本特征。

4 结论

量子物理是现代信息技术诞生的基础，是现代信息技术突破物理极限，实现持续发展的动力与源泉。基于量子物理学的原理、特性，如量子叠加原理、量子纠缠原理、海森堡测不准原理和不可克隆定理等，使得量子计算机具有巨大的并行计算能力，提供功能更强的新型运算模式；量子通信可以突破现代信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能；量子密码绝对的安全性和不可检测性，实现了绝对的保密通信。随着量子物理学理论在信息技术中的深入应用，量子信息技术将开拓出后莫尔时代的新一代的信息技术。

参考文献

[1]陈枫.量子通信：划时代的崭新技术[N].报，2011.

[2]曾谨言.量子物理学百年回顾[J].北京大学物理学科90年专题特约专稿，2003（10）.

[3]李应真，吴斌.物理学是当代高新技术的主要源泉[J].学术论坛，2012.

[4]董新平，杨纲.量子信息原理及其进展[J].许昌学院学报，2007.

[5]周正威，陈巍，孙方稳，项国勇，李传锋.量子信息技术纵览[J].中国科学，2012（17）.

[6]郭光灿.量子信息技术[J].中国科学院院刊，2002（5）.

[7]朱焕东、黄春晖.量子密码技术及其应用[J].国外电子测量技术，2006（12）.

第2篇：量子计算的发展范文

赛迪智库网络空间研究所认为，量子计算机的成熟和大规模应用还需要相当长的时间，但我们必须着眼未来，做好以下工作：持续跟踪和支持量子计算机研究，推动形成商业化量子计算机研究机制，积极应对专用量子计算C冲击。

量子计算机研究进展显著

量子计算机是基于量子力学的叠加原理和量子纠缠等性质来进行数据计算的计算机，在密码学、科学模拟、大数据处理等领域，具有传统计算机无法比拟的优势。

欧美科学界和企业界不断加大投入，并有了重大进展。一是研究机构与企业投入力度不断加大。微软研究院2012年成立了量子体系结构与计算研究组；谷歌公司与美国国家航空航天局（NASA）于2013 年联合成立了量子人工智能实验室。此外，欧盟2016年4月宣布，将于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目；澳大利亚政府2016 年4 月宣布，将在澳大利亚量子计算与通信技术中心成立量子计算实验室，进一步加大对半导体硅基量子芯片等研究的集中投入。

二是取得了一系列重大突破。在量子芯片方面，加州大学圣塔芭芭拉分校实现了9量子比特的超导量子芯片，新南威尔士大学实现了2量子比特的硅基半导体量子芯片，牛津大学实现了5量子比特的离子阱量子芯片。

在量子计算机方面，谷歌于2015年推出了声称比其它计算机快1亿倍的量子退火机D-Wave；IBM于2016年5月了5超导量子比特的量子计算机，谷歌和西班牙巴斯克大学于2016 年6 月公布了具有9超导量子比特的模拟量子计算机，马里兰大学与美国国家标准与技术研究院于2016年8月了5个量子比特的可编程量子计算机。

目前我国在量子计算领域部分研究成果已达到国际一流水平，但总体上基础较为薄弱，与欧美等国家和地区仍有一定差距。

量子计算机距离可用仍有较大距离

虽然在研究方面取得了较大进展，但量子计算机在理论层面和物理实现方面均面临诸多难题，距离可用仍有很长的路要走。

在理论层面，量子计算机需要特定的量子算法才能发挥强大性能，但并不是所有的计算都可以用量子算法加速，类似Shor算法（用于大数质因子分解）和Grover 算法（用于无序数据库搜索）等完全超越传统算法的仍较少。

在物理实现层面，科学家普遍认为，可用的量子计算机至少应具有几十个以上的量子比特、比特逻辑门的保真度达到99%，以及操作速度和退相干时间在合理范围，但目前国际最先进的水平都未达到这一要求。与此同时，量子比特非常脆弱，外界任何微弱的环境变化都可能对其造成破坏性影响，量子计算机的核心部件通常处于比太空更加寒冷的密封极低温环境中。

量子计算机的应用将产生巨大影响

一、量子计算机将影响国际政治格局。量子计算技术关系到一个国家未来的基础计算能力，拥有了这种能力才可能迅速建立起全方位的战略优势，引领量子信息时代的国际发展。

二、量子计算机将颠覆IT产业格局。一方面，作为现代计算机的颠覆者，未来量子计算机会像传统计算机一样形成庞大的技术产业链，为信息和材料等科学技术的发展开辟广阔空间，带动包括材料、信息、技术、能源在内的一大批产业实现飞跃式发展。另一方面，量子计算机技术也为IT产业各参与方提供了弯道超车的机会。

三、量子计算机将首先从专用领域取得突破。根据现有研况，量子计算机将首先在密码、人工智能等专用领域出现，并产生颠覆性影响。

第3篇：量子计算的发展范文

摘 要：随着计算机技术的发展，支配计算机领域长达44年之久的摩尔定律已经逐渐失效。让我们最为担忧的是在摩尔定律之后计算机领域会发生怎样的变革。我们可以通过从根本上改变芯片的涉及、寻找替代硅的新材料或者改变目前的计算框架。其中一种框架就是基于日前获得2016年诺贝尔物理学奖的拓扑相变理论。拓扑绝缘体就是拓扑材料的一种，其在量子计算机中具有巨大的潜在应用价值。本文将重点关注拓扑绝缘体器件在量子计算机中的应用前景，从专利和期刊文献的角度，对其发展脉络进行研究分析。

关键词：拓扑绝缘体；量子反常霍尔效应；量子计算机；应用发展

1.引言

拓扑物态目前而言是一个内容丰富并且蓬勃发展的领域，作为先驱者，索利斯、霍尔丹和科斯特利兹获得诺贝尔物理学奖是实至名归。最早索利斯和他的合作者提出采用“陈数”（华人数学家陈省身提出的概念）来理解量子霍尔效应，随后霍尔丹建立的量子反常霍尔效应模型则以巧妙的方式实现了非零陈数。然而这个模型一直未得到足够的重视，直到近年来清华大学薛启坤教授等课题组在磁性掺杂的拓扑绝缘体和其它拓扑材料中的实验中才被得以证实。

2.拓扑绝缘体的理论发展

2004年Geim和Novoselov制备出单原子层的石墨烯，2005年Kane和Mele在单层石墨烯模型中引入自旋轨道耦合作用替代原先假想周期磁场，从而发现了与量子霍尔系统不同的时间反演不变拓扑绝缘体，也称作Z2拓扑绝缘体[1]。首晟通过其它理论独立的提出了量子自旋霍尔效应[2]。三维拓扑绝缘体的体能带在费米能级处具有能隙，在其表面却具有无能隙的表面态。这种表面态的能量-动量色散关系具有类似于石墨烯电子态的二维狄拉克锥形结构。和石墨烯不同的是，这种表面态除了狄拉克点之外都是自旋极化的（如图1c），因此有可能直接产生自旋相关的效应，这为自旋电子学的发展提供了全新的思路。Z2拓扑绝缘体概念的提出使得人们很快发现大量材料属于这一类拓扑绝缘体。这大大拓宽了拓扑材料和效应的研究范围，使得人们看到了拓扑绝缘体在未来应用的发展前景。

左图箭头表示电流方向，右图箭头表示自旋方向。

自旋量子霍尔效应和霍尔效应一样，电子在块体的边界上游走。霍尔效应里电子在某一个边界上只沿一个方向运动（如图1），但是在自旋量子霍尔效应中，每一个边界上有两条边界态构成的能带，每有一个（k，+）态，那么有一个另一个能带上对应的（-k，-）态，这里的+-代表自旋。因此电子同时具有沿着一个方向运动，也有沿反方向运动的。它们数目相等从而没有净电流，也就是没有霍尔电导。但是这两种沿不同方向传导的电子的自旋方向相反，因此有净自旋流，而且类似于霍尔效应，这个自旋流的电导是量子化的，因此称为自旋量子霍尔效应。自旋量子霍尔效应和量子霍尔效应的区别就是，没有外加磁场。如果有外加磁场体系的时间反演对称性被破坏，这个时候自旋量子霍尔效应不再存在。

自旋量子霍尔效应体系材料则是拓扑绝缘体中的一种。自旋量子霍尔效应中每个边界上有两个边界能带，这两个能带的手性是一样的，因此会出现自旋量子霍尔效应，但是假设我们一个边界上有四个能带，其中两个能带的手性一样，但是另两个能带的手性不一样，那么此时沿边界上一个方向走的电子自旋可以为正，也可以为负，两者数目相等，相消。此时既没有电流，也没有自旋流。因此是另一种绝缘体。这两种绝缘体的不同是由于它们能带的拓扑性质不同。这里所说的是就是二维拓扑的情形。通俗来讲就是块体内部的电子是绝缘态，而边缘电子由于可以隧穿能带间的带隙，因而边缘态是导电的。

3.拓扑绝缘体在量子计算机中的应用发展

由著名物理学家费曼于1982年在一个公开演讲中提出了利用量子计算体系实现计算的新奇想法，并由英国物理学家杜斯于1985年提出量子图灵机模型。2012年的诺贝尔物理学奖授予法国物理学家塞尔日・阿罗什和美国物理学家戴维・瓦恩兰，以表彰他们在量子物理学方面的卓越研究。

清华大学于2012年12月21日申请的专利201210559480.6中提出一种包括磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜器件，薄膜的材料Cry（BixSb1-x）2-yTe3，其中Cr引入的空穴型载流子和Bi引入的电子型载流子相互抵消，从而宏观上具有量子反常霍尔效应。

而在2013年麻省理工学院的科学家在《Nature Communications》上发表文章[3]，称可以在特定条件下，将石墨烯转变为拓扑绝缘体，为量子计算机的研发提供了新的思路。这表明石墨烯型拓扑绝缘体在量子计算机中具有极大的潜在价值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申请的专利201610291358.3中提出具有量子反常霍尔效应的材料和由其形成的霍尔器件。器件包括拓扑绝缘体基材，掺杂到基材中的三种元素分别引入电子型载流子、空穴型载流子和磁性，从而形成双磁性掺杂拓扑绝缘体。其中拓扑绝缘体基材采用的是Sb2Te3材料。上述发现为低能耗的电子器件如晶体管的制造并最终促成全拓扑量子计算机的实现提供了元器件基础。

从最近的专利与文献分析中可以看出，目前的研究重点主要集中在中美等科研强国，其从自然界存在的石墨烯到人工合成的拓扑材料，再到各种基于拓扑绝缘体的元器件都有一定的研究基础。

4.结论

尽管拓扑绝缘体以及量子反常霍尔效应的相关理论研究已经日渐成熟，但是其在元器件上的应用仍然具有十分长远发展。并且通过检索发现在量子反常霍尔效应领域的发明专利的申请量非常少，由此可见，在可以预见的将来，拓扑绝缘体以及量子反常霍尔效应的相关元器件专利布局的竞争将日趋激烈。路漫漫其修远兮，在新一代计算机―量子计算机的研发领域，我们还有很长的路要走。

参考文献

[1] Kane C L， Mele E J， Quantum spin Hall effect in Graphene， Physical Review Letters， 95， 226801（2005）.

第4篇：量子计算的发展范文

关键词：计算机；多媒体；现状；发展趋势

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 24-0000-01

The Status and Development Trend of Computer Technology

Wu Shaopei

(Lishui University,Lishui323000,China)

Abstract:With the advent of the 21st century,the era of information technology has been gradually entering our lives,this day and age the most important symbol is widely used computer.More and more technology experts recognize that the substantial increase will inevitably encounter insurmountable obstacles in the traditional computer based on the performance of the computer,up from the basic principle is the correct road of looking for a breakthrough in the development of computer.The future of computer technology will certainly be moving in the direction of the high-speed,small and super-intelligent.It all depends on the components of the progress and the improvement of the system architecture and software development.This article mainly about the development status and outlook of the new computer.

Keywords:Computer;Multimedia;Status;Development trends

计算机技术的发展可以称得上是日新月异，未来计算机的技术一定会向超高速、平行处理以及智能化的方向发展。然而，计算机的发展并不是独立的，它还取决于系统体系结构的改进、元器件的进步和以及软件的开发。元器件的进步是决定硬件性能的基本因素。计算机由第一代一直发展到现在的第四代，从根本上讲就是由于在元器件上的不断更新换代。计算机用集成电路到现在为止依然是以硅半导体器件为主。在使用了硅芯片的基础上，计算机核心的部件CPU的性能尽管受到了物理极限的约束，但仍然在不断的持续增长。直到现在，人们还在一直不断的追求性能更好的器件。

一、3D异类器件集成

两个有着天壤之别的方向发展的力量一直在推动着3D的阵列当中集成半导体器件。第一个发展方向主要是跟在公共平台上集成的不同技术来提供信息的最佳处理和解决方案的需要有着关联。很明显，微缩的CMOS之外的新兴技术通过混合搭配应用需要适应特定的技术，具有非常大的性能改进的潜力。不同技术的组合的需要功能3D集成的不同技术，至微处理器SlC和DRAM在这些技术下，光学和心脏MEMS到RF和模拟。这类不同的技术到包括将分子、塑料和快速单磁通(single―flux)量子超导体以及其他新兴技术以后很有可能直接3D集成到硅的平台上。

二、量子胞自动开关

在量子胞自动开关(QCA)当中，包含了多个量子点规则排列的细胞构成了一种局部互联的架构。用静电互想的感应的作用，来给细胞之间提供联系，而并不是依靠线路。在向细胞内注入一对电子的时候，这一对电子的方向就决定着单元的状态。磁QCA是另外一个刚刚发展起来的技术，目前电子QCA正处于主导地位，暂时还不能对它的性能来进行评价分析。将这些QCA组合在一起，可以实现和使用布尔逻辑门电路完全不一样的电路功能。

三、量子计算与量子计算机

量子计算机是在量子效应的基础上开发的，它利用利用激光脉冲改变分子的状态和链状分子聚合物的一种特性来表示开和关的状态，是使信息沿着聚合物的移动，来进行运算的。量子计算机在特征上介于器件和构架之间。量子计算机中的数据用的是量子位存储。由于量子的叠加效应，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机要大得多，一个量子位就可以存储2个数据了。同时量子计算机的运算速度有可能会比目前个人计算机的PentiumUl晶片还要快十亿倍。实现量子计算的方法有很多，目前出现了很多的实现方法，但是处理量子信息显然需要新架构。相干的量子器件依靠量子波函数的相位信息保存和操纵信息。

四、生物计算机与光子计算机

生物计算机的运算过程就是周围物理化学介质与蛋白质分子的相互作用过程。由酶来充当计算机的转换开关，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中非常明显地表示出来。20世纪末，人们发现脱氧核糖核酸DNA处于不同状态的时候可以代表信息的有或者没有。DNA分子中的遗传密码就相当于存储的数据，DNA分子间再通过生化反应，从一种基因代玛转变成另外一种基因的代码。反应前的基因代码相当于输入的数据，反应后的基因代码则相当于输出的数据。如果能控制这一个反应的过程，那么我们就可以成功的制作DNA计算机了。蛋白质分子彼此之间的距离很近，比硅晶片上电子元件要小得多，生物计算机完成一项运算所需要的时间仅仅可以用微微秒还计算，由此可见，它比人的思维速度要快上百万倍。

五、纳米计算机

目前，计算机使用的硅芯片已经到达了它的物理极限，体积没有办法太小，其耗电量也没有办法再减少，通电和断电的频率也没有办法再提高，。曾经有科学家这样认为，要想解决这个问题的途径就是采用纳米晶体管来制作“纳米计算机”。他们估计纳米计算机的运算速度将会是现在的硅芯片计算机的1、5万倍那么多，而且它所耗费的能量也会减少很多。纳米技术是从20世纪80年代初才迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终的目的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出来。

未来计算机技术必定会在互联网、移动计算技术与系统方面有长期、稳定、快速的发展。计算机肯定会比我们人类更加的聪明。进化论告诉我们，一种生物总是会被具有更优适应性的物种所替代。

参考文献：

[1]UhnL Gustafson.Sun’sHPCSapproach：Hero.省略/casc/meetings/CASC2pdf,2003,8

[2]Uim Mitchel1.Sunhighproductivitycomputingsystemsresearch program.research.省略/sunlabsday/decs/talks/1.01-Mitchel1.pdf,2004

第5篇：量子计算的发展范文

另外，新型的量子计算也给数学密码体制带来了前所未有的潜在威胁。1994年PeterShor发现了第一个具体的量子算法'Shor量子分解算法的时间复杂度为D(刀2(109开)(10皿。朗))，它在设想的量子计算机上可以用输入的多项式时间分解大数质因子，因此它给RsA等公钥密码系统的安全性提出了严峻的挑战。1996年Grover发现了非结构化数据库源于联想网御神州专家新论搜索的Gmver迭代算，量子Grover搜索算法的时间复杂度为D(／Ⅳ)，它有可能解决经典上所谓的NP完全问题。

2007年11月，加拿大D—wave公司宣称研制成功28量子位的量子计算机系统；2008年12月，又宣称成功研制了128量子位的量子处理器。业内科学家们预测，到2020年左右量子计算机将进入实用阶段。假如1024个量子位以上的量子计算机研究取得实质性突破，那么256bit甚至512bit的对称算法将不安全，RSA，ECC等非对称密码体制也将不安全。目前的私钥密码体制，公钥密码体制等都将面临更新换代的“困境”。因此，研究可以抵抗量子计算等高性能计算攻击的新型密码技术体制势在必行。

根据Shannon信息论原理，如果随机密钥的高速在线分发问题能够有效解决，那么利用一次一密乱码本(OTP)就可以解决数据传输的完全保密问题。但是随机密钥的高速在线分发面临着一系列技术难题或者瓶颈(因为为了确保密钥安全，需要采用复杂的加密手段和安全协议，限制了密钥分发的速率；另外，密钥的安全性也得不到完备性证明)。而量子通信系统可以解决随机密钥的高速在线保密分发问题，为0TP的广泛应用提供了技术可能性，进而可以解决数据传输的完全保密问题。基于这样一个亮点，量子保密通信特别是量子密钥分发技术(QKD)得到了许多国家的高度关注并得到了快速发展。

目前，QKD作为一个物理上安全的保密体制，其实用化已是一个明显的趋势。2004年，华东师范大学在国内首次实现了QKD原理样机吼2005年，瑞士IDQmntique公司和美国MagQ公司都推出了商用QKD系统产品。2005年，美国BBN公司在DAPAR的资助下构建了6节点的实验网络。

2008年，欧盟sECoQc组建了7节点的演示网络。2009年。中国建设了8节点的“最子政务网”。可以说，国内外对量子密钥分发技术的研究已经进入了工程实现的关键时期，目前已经没有产品化的技术障碍，其应用基本上取决于市场。目前世界上最好的实验记录是：无中继通信距离l87km，在线分发密钥的速率lMb／s以上。

1技术原理和特色

根据量子力学原理，微观世界遵循Hd‘规berg测不准原理和量子不可精确克隆定理。量子态测不准并且不能精确复制，这意味着，通过窃听将不能得到确定的有效信息，也不能进行重复测量。更重要的是，任何针对量子信号的窃听都将不可避免地留下痕迹，这为在线检测窃听提供了可能。量子态测不准导致的直接结果是任何人都不可能进行精确测量，从这个角度来分析，量子信道是“绝对安全”的；但是这种“绝对安全”是无意义的，因为从中得不到有效信息。合法通信双方为了提取在量子信道中传输的量子信息，必须依赖附加的条件，即必须借助经典信道进行辅助信息的交互，比如窃听检测所需要的交互信息必须通过可信辅助信道来传送，这也决定了量子通信与经典保密通信之间的互补关系。

量子信息是经典信息在功能和性能上的扩展，量子通信系统具有经典通信系统所具有的功能以及经典通信系统所不具有的新功能(比如在线窃听检测)。如果采用一组正交态对0和l进行编码和通信，那么通信双方能够进行确定测量，因此完全可以实现经典通信系统的数据传输功能。当然，这种应用与经典通信系统相比较并没有特殊的优越性，因此在大多数情况下，量子通信是指基于量子测不准条件下的量子保密通信。

1.1量子密钥分发

QKD基于Heisenberg测不准原理和量子不可克隆定理，其完全保密特性得到了证明。因此，至少在理论上，基于量子密钥的oTP能够解决通信数据的完全保密传输问题又因为这种综合应用具有体制上的简洁性、理想的完全保密性和简单的软硬件实现性能等，代表了密码系统发展和升级换代的一个趋势。

如果QKD在密钥分发速率方面取得了重大突破，比如达到50Mb／s，甚至达到1Gb／s以上，那么基于量子密钥的oTP就能够实现保密语音通信、一些重要数据的实时保密通信等，并且这种应用不存在所使用密钥或者密码算法可能存在安全漏洞的隐患。这种系统应用无疑对现在的保密通信体制是一个极大的挑战!当然，寻找QKD在现代保密通信系统中的应用切入点是当务之急。

1.2量子身份识别量子身份识别是基于量子态身份信息的物理安全的身份

识别方案。量子身份识别信息是量子态，具有唯一性和不可复制性，这从根本上消除了身份信息被假冒或者事后否认的可能性。在量子计算条件下，如何利用量子态身份的唯一性和不可复制特性实现完全保密的量子身份识别具有非常重要的意义。一方面，这种方案不需要事先共享短密钥，可以增加系统的可用性另一方面，量子身份识别信息基于量子态，具有唯一性和不可复制性，可以从根本上解决其安全问题。

但是，由于量子身份的重复使用等技术难题导致量子身份识别研究进展缓慢。

1.3量子保密通信体制

研究表明。QKD并不是量子保密通信的必要条件，因为人们已经发现不依赖共享密钥的量子保密直接通信方案110J，这也可能意味着未来的量子保密通信体制的安全性将可能不再依赖共享密钥。但是，这并不影响QKD在一定时期内得到广泛应用。量子保密通信在同时解决窃听检测、身份识别和信息保护等问题的条件下，将形成一个完备的保密通信体制。量子保密通信不依赖复杂的数据加密算法(当然，信息的本地存储保护等依然需要安全的数据加密算法)，量子系统设备不，因此量子系统具有通用性，所有用户的系统配置和功能可以做到完全一致，不存在系统分级和使用多种密码算法等技术问题，因此可以说不存在互联互通的技术障碍，它能使任何拥有量子保密通信终端的用户之间实现完全保密的通信，这是目前的保密通信系统所不具有的功能。这种性能在保密通信中具有非常重要的作用。对于量子纠缠系统来说，由于纠缠粒子之间存在不受空间限制的关联性，并且可以实现隐形传态，似乎利用这种现象可以突破经典通信的距离极限，但这是不可能的。因为纠缠粒子之间的通信依然依赖经典信息交互，即在进行基于纠缠的测量之后还必须通过可信经典信道进行相关测量信息交互之后，才能实现两个纠缠粒子之间的通信，这也是量子纠缠不能实现超光速通信的一个关键原因。因此，在目前的量子通信模型下，量子通信在深水、深空通信中并没有明显的技术优势，也很难突破经典通信的水下和深空通信的距离和速率极限。毋庸置疑，探索如何在新型的通信模型下突破经典通信的极限，无论是对于理论创新还是对于国防军事通信安全等都是非常有意义的。

2基础研究与应用趋势

在QKD技术快速发展并日趋成熟的今天，量子保密通信体制还处于初级阶段，量子保密通信系统由于系统自身的不稳定性会造成一定的长期误码率(比如量子信号的调制解调过程和单光子探测器暗计数等都会引入一定的误码，这些误码在理论上无法与非法侵入所引起的误码进行区分)，如何克服这些误码的影响还有待于进一步解决。另外，QKD的应用研究和量子保密通信基础理论研究依然是量子保密通信体制研究的重点，其发展趋势可以概括为：

(1)高速量子密钥分发系统与应用研究。对基于单光子实验方案进行改进和完善，提高系统的稳定性和效率，并进行QKD系统产品的研发。对基于量子纠缠、隐形传态等量子特性的实验方案进行深入研究，研究如何设计性能稳定的QKD系统并在通信距离和通信效率上取得突破。

(2)量子保密通信基础理论。研究新的量子密钥分发、量子保密直接通信、量子身份识别、量子比特承诺协议等，完善量子保密通信体制理论研究量子保密通信网络的基本架构、工作原理和实现方案等：研究任意节点之间的互联互通机理以及针对量子保密通信网络的专用路由技术研究量子保密通信网络与光纤通信网络之间互联互通技术。

目前，量子保密通信的实际应用进程直接取决于市场需求和量子技术的发展。量子保密通信系统的关键技术主要包括：量子态的制备、分发和探测技术；量子系统稳定性和抗干扰解决途径；与光纤网络的兼容性等。

随着单光子制备、量子存储和探测技术以及光纤传输等相关技术的进一步发展，量子保密通信将在国家重要领域内的通信保密中扮演一个非常重要的角色。短期内，QKD可以从根本上解决密钥的高速在线分发问题，为oTP的广泛使用提供一种可行的技术途径。基于景子密钥的oTP可以用于保密电话网、保密数据网等，实现各种数据的一次一密加密，确保数据的完全保密传输。中长期内，能够同时解决窃听检测、身份识别和信息保护的量子保密通信技术，可以提供一个完善的通信保密解决方案。

3应对策略探讨

为了积极应对QKD和量子保密通信技术可能带来的影响，并为相关技术发展创造良好的氛围，促进量子保密通信技术的应用推广，及时采取科学的应对策略非常必要。根据对国内外量子通信研究现状和趋势的综合调研分析，结合国内的实际情况，以下对策或策略具有一定的代表性和较大的参考价值。

(1)信息安全形势严峻，积极进行技术储备，有备无惠。近几年，一些典型的经典密码算法不断被破译或被发现存在致命漏洞，网络计算和量子计算等高性能计算技术快速发展给经典密码算法带来前所未有的冲击和挑战，经典通信保密体制面临更新换代的抉择。而量子保密通信技术代表了一个实际可行的新型技术方向，代表了未来信息安全市场的一个新方向。在积极探索量子保密通信体制的同时，寻求量子技术与经典技术的“融合”，促进这种新型保密通信系统的应用具有十分重要的现实意义。

(2)潜在资源需要整合，潜在市场需要发掘和培育。最子保密通信技术在保密传输方面有着十分明显的技术优势。其中短期应用前景十分明确，长期推广应用趋势不可逆转。但是，量子保密通信是一个综合交叉技术学科，系统核心技术需要多学科专业人才联合进行技术攻关，但是目前国内相关研究主力依然集中在高校，基本上还处在“单兵作战”的状态，还不能形成具有核心竞争力的产品研发平台。

美国MagiQ公司的副总裁AndrewHammond估计QKD短期市场份额将达到20亿美元，在不久的未来其市场份额将达到10亿美元／年。在今后几年内，国内的市场份额派工流程与安全知识库紧密相关，在故障处理时从安全知识库中提供专家经验和历史资料进行参考，在派工处理完毕后的反馈又放入安全知识库中作为下次事件的历史资料。安全知识库包括安全知识文章、漏洞库，补丁库、事故案例库等。

3.1报告报表网络安全管理系统具有强大的事件分析报告和安全趋势

报告系统。能够收集和整理所有的安全事件报告，整理分析，产生针对不同阅读者的专业安全报表。安全报表能够将一段时期内的整体安全状况、攻击来源、攻击方式、攻击目标、最多的和最少的攻击排序、IP子网攻击、IP子网攻击目标、设备类型、事件警告类型、事件状况类型和事件的严重性等等做出专业的分析报告。

3.2趋势分析趋势分析指依据网络安全指标策略体系，将多源安全事

件经编码格式标准化、归并关联等处理后，进行安全指标映射与态势数据生成，并借助多种可定制可视化视角而展现出来的网络总体安全状态和发展趋势。经过对安全事件、审计日志和一些辅助信息的分析，能够生成实时态势报表、态势告警、态势预案等安全态势分析报告，对总体的安全建设提供有价值的指导意见。安全态势分析需要综合众多最新的信息安全管理技术，具有极大的理论价值和实用价值。

第6篇：量子计算的发展范文

1.1量子计算机量子计算机可简单理解为遵循量子力学能够进行高速运算、存储和处理信息的计算机，它是在社会对高速度、保密好、容量大的通讯及计算提出较高要求的情况下产生的。物理主体主要包括：液态核磁共振量子计算机、(固态)硅晶体核磁共振量子计算机、离子陷阱、量子光学、腔室量子电动力学、超导体方案等。量子计算机的功能在于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，此外还可以用来做量子系统的模拟。但是在昨晚高难度运算后，能耗高、寿命短，散热量大等缺点则暴露出来，真正有价值的量子计算机还有待继续研究。

1.2光子计算机光子计算机进行数字运算、逻辑操作、信息存贮等内容利用的是光信号，以光运算代替电运算，主要由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件设备组成。它具有运算、处理能力极强的优点，同时，兼具容错性，能够进行模糊处理，但并不影响运算结果，智能化更高端。它主要具有以下好处：光子不带电荷，不产生磁场，也不受磁场作用影响；光子也不具有静止质量，可以在真空和介质两种状态下传播；信息存储容量大，通道宽，通信能力强；能量耗用低，散热量小，节能环保性较强，也避免了计算机运行时内部过热的情况。目前虽然光子计算机在功能和运算速度方面和电子计算机有一定差距，但光子计算机的进一步研制、完善，在对图像处理、目标识别和人工智能等方面发挥重大作用。

1.3生物计算机生物计算机也叫做放生计算机，是以仿生学研究为基础而形成的新型计算机技术，它以生物工程技术生产的蛋白分子制成生物芯片作为基础元件。它具有并行处理的功能，运行速度比普通的电子计算机要快10万倍，存储空间占用更是少之又少。它具有的优点很多，首先，体积小、功效高，比集成电路小很多，可以隐藏在地板、墙壁等地方；其次，具有自我修复功能，它的内部芯片出现故障时，不需要人工修理，能自我修复，永久性、可靠新高；再者，能耗很低，能量消耗仅占普通电子计算机的10亿分之1，散热量很小；第四，不受电路间信号干扰。目前，这种计算机还在研制阶段，存在技术不成熟、信息提取难等问题，还需要继续优化。

1.4纳米计算机纳米计算机研制是计算机发展过程中的一场革命，它以纳米技术为基础研制出计算机内存芯片，其体积相当于发丝直径的千分之一，生产成本非常低，不需要建造超洁净生产车间，也不需要昂贵的实验设备和人数众多的生产团队，同时，纳米计算机也需要耗费能源可以忽略不计，但是对其强大其性能的发挥丝毫不产生影响。纳米计算机可以应用到微型机器人，以至于日用电子设备，甚至玩具中，都能获得强大的微处理功能，其应用范围也涉及到现代物理学、化学、电子学、建筑学、材料学等各个学科领域。这项新的课题技术也在不断的完善和发展，将为计算机发展带来新的内容。

2云技术和网络技术发展

2.1云技术云计算是分布式计算的一种形式，它通过将计算拆散计算再进行组合回传的方式进行，可以达到和超级计算机同样强大的网络服务，这是云技术的根本。云技术不仅仅作为资料搜集手段，它是集网络技术、信息技术、整合技术管理平台技术、应用技术为一体的综合资源池，灵活便捷。云技术作为一种商业模式的体现方式，其应用非常广泛，目前，已经在搜索引擎、网络信箱等领域投入使用，未来在手机、GPS等行动装置上也可实现。云技术正以它的可靠、实用、安全等性能逐渐被人们所接受，云物联、云存储、云呼叫、私有云、云游戏、云教育、云会议以及云社交等正逐步强化它的服务功能。

2.2网络技术网络技术发展有赖于光纤技术的快速发展。光导纤维技术在通信、电子和电力等领域日益扩展，成为大有前途的新型基础材料，与之相伴的光纤技术也以新奇、便捷赢得人们的青睐。它具有耐湿、耐辐射、易于安装和保养、24小时的连续工作等性能被广泛应用。尤其在塑料光纤产生后，海底光缆工程得以顺利实施，对世界范围网络通信起到良好的推动作用。

3移动计算机技术发展

目前最热门的是wifi无线技术，而最新的是4G通信技术，这两项技术对移动计算机的发展起到了关键的支撑作用。4G网络时代刚刚开启，目前开始应用于移动设备上，但是在微型便携计算机上的应用尚未起步。如何将移动计算机等终端产品通过芯片等形式与4G网络完没相连接，如发展移动电视、移动电脑、成为一项热门话题，有待进一步研究探索。

4结束语

第7篇：量子计算的发展范文

【关键词】现代；计算机技术；发展；方向；趋势

0引言

计算机是我们工作生活中一个比较常见的物品，又被人们习惯性地称为“电脑”，它不仅被应用于高速数据跟逻辑的运算，而且具备强大的存储与修改功能，是一种现代化的智能电子设备。计算机有两部分主体结构，一部分是硬件系统，另一部分是软件系统，共同保障计算机的正常运转。伴随着科技水平的不断提升，计算机技术也在随之发展，计算机作为一个综合型的生活办公工具应用到人们生活工作中的同时，其发展备受人们的关注，相关行业人员也在致力于计算机的发展研究过程中，计算机技术的发展已经逐渐走上了一个越来越成熟的轨道。但是，当前计算机技术的发展也受到了一定的阻碍，人们过于关注对计算机娱乐方面的应用，比如聊天、网络购物等内容，却忽视了现代计算机技术的发展与创新，甚至不了解。本文将带领大家一起去了解一下现代计算机技术的发展历程以及未来的发展动向。

1计算机的发展历程

世界上第一台计算机出现在1946年2月，埃克特和莫克利这两位美国的发明家在美国的宾夕法尼亚大学共同将它研制出来。世界上第一台计算机的问世开启了人类社会发展的新篇章，让社会发展迈出了一大步，开启了人们的新生活，带领人们进入了信息革命时期。世界上第一台计算机跟我们现在的计算机外形差距较大，那台计算机有好几间房子一样大，但是它的计算速度却并没有高于我们现在使用的微型计算机。从世界上第一台计算机问世到现在我们使用的计算机，无数的计算机研发人员一直在努力，尤其是科学家冯诺依曼在计算机技术的发展进程中发挥了重要的作用，被后人称为“现代计算机之父”。冯诺依曼开启了计算机发展的新时代，带动了广大科研人员对计算机技术的研究。随着时间的推移，计算机的发展可以分为四代：

1.1电子计算机

电子计算机时代是计算机发展的第一个时代，从1946年开始，到1957年结束。电子计算机与世界上第一台计算机有些类似，电子元件是计算机的主要器件，电子计算机也因此得名。电子管具的体积比较大，但是存储的容量相对较小，因此电子计算机的耗电比较快，不具备稳定性。这类计算机一般应用于科学研究过程中，而且在电子计算机时代，计算机一般使用机器语言或者是汇编语言，并不具备系统软件。

1．2晶体管计算机

随着科学技术的不断发展，量子力学和固体物理能带论的不断呈现，开启了半导体器件的计算机时代，理论研究给半导体器件的发展奠定了理论基础，提供了实践的依据。早在20世纪50年代上下，点接触晶体管就被两位科学家研制出来。随着科学的发展，结型晶体管又相继问世。自此之后，晶体管的发展就步入一个相对成熟的轨道，成功的应用与计算机的发展过程汇总，让计算机的发展进入了第二个时代，也就是我们所说的晶体管计算机时代。晶体管计算机时代从1958年开始，结束于1964年。晶体管具有相对优势，它虽然体积较小，但是质量比较轻，而且工作的效率相对较高，散热比较少，损耗较低，对于电子管的效能发挥到了一定的程度，因此，二代计算机的体积在不断减少，但是使用的年限却在增加，这就为计算机的发展奠定了基础。除此之外，晶体管计算机的创新之处在于它拥有浮点算法这一新应用，对于计算机运算水平是一个大的提升，让计算机在数据处理以及工业控制方面有了更大的突破。

1．3中小规模集成电路计算机

随着晶体管的呈现，使得集成电路的发展更加顺畅。不久之后，科研人员开始着手于研究晶体管以及其他电学元件，以此来制作更加复杂高端精密的集成电路。在1959年，有位著名的发明学家叫做罗伯特罗伊斯，他发明的集成电路更加复杂化，是通过平面工艺生产出来的，可以应用于商业领域。从那之后，计算机开始利用中小规模集成电路来进行技术发展，也就随之进入了第三个计算机时代，被人们称为中小规模集成电路计算机时代。中小规模集成电路计算机时代与之前存在的两个计算机时代相比，又有所不同，中小规模集成电路计算机的中心部分仍旧是存储器，但是计算机的体积开始不断减小，与此同时，计算机的能耗在不断降低，但是运算的速度以及可靠的程度却又在不断提升过程中。除此之外，中小规模集成电路计算机的外部设备得到完善与更新，它的功能组件强化，不仅可以应用于数据处理，还能够在企业管理、辅助设计、辅助制造跟自动控制领域进行充分的应用。

1．4大规模和超大规模集成电路计算机

伴随着我国经济水平的提升，工业制造水平也在逐步提升，集成电路的技术有了新的发展。摩尔定律表明，当价格不变的时候，集成电路上能够容纳的晶体管数目，每隔18个月就能够增加一倍，在这个过程中，它的性能水平也在提升，计算机的发展进入了一个全新的时代，被人们称为大规模和超大规模集成电路计算机时代。自从1970年之后，以大规模集成电路和超大规模集成电路为标志的计算机开启了第四个全新的计算机时代。升级发展之后的第四代计算机的性能有了明显的优势，存储的容量明显得到了提升，在一个一厘米的圆形芯片上可以容纳上百万的电子元件。在这一时期，第四代计算机时代呈现出一个关键性的分化，大规模、超大规模集成电路为依托不断发展起来的微处理器以及微型计算机。微型计算机的发展可以大致分为四个阶段。第一个阶段是1971年到1973年，微处理器主要有三种，分别为4004、4040以及8008这个类型。第二个阶段是1973年到1977年，这一个时间段是微型计算机的发展以及创新的时期。第三个阶段是从1978年开始到1983年结束，在这一时间段里，是十六位微型计算机的发展阶段。第四个阶段从1983年开始，也是三十二位微型计算机的发展阶段。

2计算机技术的新发展方向与趋势

时代在不断变革和发展，大规模和超大规模集成电路计算机也处在一个时刻发展与创新的过程中，但是随着经济水平以及科技水平的提升，现代各个领域的发展也随之进行着，无论是生物领域还是物理领域，以及一些新材料的出现，都为新型计算机的发展奠定着前提条件。一系列新型计算机已经在酝酿发展的过程中，比如生物计算机、量子计算机、光子计算机以及纳米计算机等。或者这些新型计算机的发展还未成型或者技术发展没有十分成熟，但是它们的呈现代表着计算机技术发展的新方向与新趋势。

2.1生物计算机

生物计算机是一种全新的计算机类型，还有一个别名叫做仿生计算机，它的创新之处在于使用了生物芯片替代了原本半导体上大量晶体管。生物计算机主要通过生物工程技术所出现的蛋白质分子来作为主要的原料以及生物芯片，所以被叫做生物计算机。脱氧核糖核苷酸上存在着一些遗传信息，它是一种双螺旋结构，因此，它具有强大的存储优势，而且运算能力非常强大，与传统硅片相比更是略胜一筹。数据显示，一毫克的DNA的存储能力与一万片的光碟片差不多大容量。除此之外，DNA还具有超能力，能够同时进行兆个运算指令。这一系列的优势因素都给生物计算机的成熟发展奠定了基础，让它具备了集成电路所没有的优势，大致可以归结于五点。第一点，生物计算机的体积比较小，但是容量却比较大。第二，生物计算机具有良好的可靠性，这主要得益于计算机的内部芯片，一旦出现问题，这个内部芯片可以自行进行恢复。第三，生物计算机的存储量比较大，有关数据显示，一立方米的生物大分子溶液里大约可以存储一万亿的二进制数据。第四，生物计算机的运算速度比较快，这主要得益于DNA能够同时处理兆个指令的特别优势。第五，生物计算机具有良好的并行性。跟过去的计算机不同的是，生物计算机得益于DNA与蛋白质，因此充分发挥并行功能。生物计算机以它独特的优势成为21世纪科学技术发展的一个重要工程，当前，生物计算机的发展方向主要有两个，一个是研制有机分子元件，利用它来替换半导体元件，为分子计算机的出现提供帮助。另一个是通过不断探究人脑结构跟思维规律来研究生物计算机的结构，为生物计算机的成熟呈现奠定基础。

2．2量子计算机

量子计算机也是新型计算机技术发展的产物，它是建立在量子力学规律以及依托量子效应和量子比特而进行的超速运算、强大存储的一种新型计算机装置。假如这个装置处理和运算时使用的是量子信息，那么在进行量子算法的时候，就是所谓的量子计算机。量子计算机与一般计算机的一个不同之处在于它不仅能够使用0和1进行存储，还能够用粒子的量子叠加来进行存储信息的汇总。有关数据显示，一个四十位元的量子计算机可以解开一千零二十四位的集成电路计算机需要花费几十年才能够解决的问题。量子计算机的运算速度令人惊叹。到现在为止，全球还没有呈现出一个成熟意义上的量子计算机，不同国家和地区的科研人员仍然没有放弃努力，致力于对量子计算机的研究过程中，呈现出许多跟量子计算机相关的科学方案以及科学假设。在实际研究过程中，这一系列的科学方案仍然存在着一些不成熟的地方，但是伴随着时代的进步，相信量子计算机终究会被攻克，完美地呈现在人们的生活中。

2．3光子计算机

科学技术的发展带动着光学的发展，科研人员开始着手用光子来替代电子，光运算开始慢慢取代电运算，一系列的光学元件开始取代电子元件与电子设备，不断应用于电子计算机的发展过程中。光子计算机主要是运用光信号进行数字运算、逻辑测算以及信息的存储处理等的新型计算机，主要的优势可以归纳为三个方面：第一，强可靠性，光子没有电荷，所以就不存在电磁相互作用，具有较强的可靠性。第二，光子计算机的运算速度极高，光子的并行性比较强，因此具有较强的处理能力，加上光子传播速度很快，进一步提升了光子计算机的运算速度。第三具有超大的存储容量，光子互联不受到电磁的干扰，因此具有较高的互联密度。

2．4纳米计算机

纳米材料作为一种新型的高科技材料，在薄膜晶体管中的应用解放了传统意义上的晶体管。纳米计算机解决了一些顽固的技术难题，与此同时，由于纳米材料研发的芯片具有更低的生产成本，因此，纳米计算机的发展前景更加乐观。作为21世纪科学技术发展的一个重要方向，相信随着科研人员的不断探索与发现，纳米计算机技术一定可以随着时间的推移走进我们老百姓的生活中，帮助我们解决日常生活中的一系列问题。

3总结

时代在不断发展，科学技术水平也在不断提升。社会的进步和发展对于现代计算机技术的发展要求越来越高，计算机作为人们工作生活中一个必不可少的辅助用品，必将走在不断发展的路上，微型、智能、多功能发展，生物计算机、量子计算机、光子计算机以及纳米计算机等一系列新型计算机，作为现代计算机技术的一个发展方向与趋势一定可以破除各种技术阻碍，通过科研人员坚持不懈的努力成为老百姓生活中的一部分，为美好生活的构建增添色彩。

【参考文献】

［1］黄艳云.计算机技术的创新过程研究[J].计算机技术应用,2013(08).

［2］李育英,谭贤楚.计算机发展与社会进步[J].理论探新,2010(09).

［3］雷宏泽.浅谈计算机网络的发展历程与发展方向[J].青年文学家,2013(29).

［4］李文倩.个人计算机的发展趋势[J].工程技术的发展历程,2012(09).

［5］胡军,吴立春.刍议计算机科学与计算机发展的认识与思考[J].科技向导,2011(35).

［6］高纲领.浅议计算机发展与社会进步[J].科技资讯,2011(14).

［7］李文博.量子计算机的设计原理与运用领域解析[J].科技前沿,2014(11).

［8］谢小雨,薛慧,顾琳玲.计算机的发展趋势[J].科技向导,2011(24).

［9］樊玲玲.浅析计算机科学技术的发展[J].信息技术应用研究,2012(16).

第8篇：量子计算的发展范文

多年来虽然摩尔定律已走到极限的说法不绝于耳，但是半导体工艺的进步却从来没有停止。目前特征尺寸32nm的半导体工艺已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不断缩小工艺尺寸的同时，结构上的改进也在进行。2011年5月4日，Intel宣布经过近十年的研究，在半导体技术上取得革命性突破，将推出被称为三栅极（Tri-Gate）的全新3D架构晶体管设计，并将在年内开始批量制造。传统的二位平面栅极结构被竖起的3D硅鳍状物代替，实现在晶体管在“关”状态下的低功耗，并可实现“开”、“关”状态的快速切换，从而可以实现高性能、低功耗的电子器件。

多核处理器的成熟

2006年出现的双核处理器标志着以主频论英雄的年代正式结束开始，处理器领域已进入一个多核时代，无论是业界巨 擘Intel还是AMD都已经明确表示，今后CPU将会是双核乃至多核的世界。多核设计为摩尔定律带来了新的生命力，在保持较低的时钟频率的同时，提高并行处理能力和计算密度，大大减少了散热和功耗。多核处理器提供了高性价比和高效节能的新途径，可以缓解当今处理器设计所面临的各种挑战。多核处理器是已成为主流处理器的发展趋势。

由于多核技术仍然是基于传统的“冯·诺依曼”结构，处理器内核数量的增加并没有缓解并行处理技术中算法并行化、并行编程的难题，多核的性能并不能充分发挥。因此近年来内核数量增加的速度有所减缓，集成多种功能电路的混合异构多核成为流行的结构，目前Intel的酷睿二代处理器采用四核结构，内部集成显示芯片。

超级计算机从高性能到高效能转变

国外历来强调高性能计算器在国家安全关键领域的战略作用。美国早年提出的“加速战略计算创新”（ASCI）计划，其目的就是在全球全面禁止核试验的情况下，美国能够继续保持它的核威慑能力和核垄断地位。主要的手段是利用数学方程和三维建模仿真核武器的爆炸效果，确保现有库存核武器的性能、安全和可靠性。从1997年到2007年，为ASCI计划专门研制的高性能计算机系统，已经经历了五代，2004年达到100万亿次，2010年达到1000万亿次量级的高性能计算机，预计2015年达到万万亿次以上量级。我国的“天河一号”目前名列超级计算机TOP500榜首，速度高达4700万亿次。

除了性能的不断提高，计算机处理的效能也在军事作战领域逐步得到重视。据估算，一台持续千万亿次计算的超级计算机系统可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要专门建设发电站，每年的电费开销可能高达1亿元以上。根据超级计算机世界500强排行榜重新排序的绿色500强排行榜中，IBM的超级计算机排名榜首，功耗效率达到1684Mflops/瓦，“天河一号”排在第十位，为635 Mflops/瓦。

不断探索采用新器件、新原理的计算机

以硅晶体管为基本单元的传统计算机在小型化的过程中将逐步接近其物理极限。研究表明，计算机运行速度的快慢与芯片之间信号传输的速度直接相关，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在传输信号的过程中会吸收掉一部分信号，从而延长了信息传输的时间。

据报道，美国纽约伦斯雷尔·保利技术公司的科学家发明了一种利用空气的绝缘性能来成倍地提高计算机运行速度的新技术：芯片或晶体管之间由胶滞体包裹的导线连接，“空气胶滞体”导线几乎不吸收任何信号，因而能够更迅速地传输各种信息，可以成倍地提高计算机的运行速度。

将纳米技术与计算机制造技术相结合的纳米计算机（Nanometer Computer）也是很有发展前景。现在纳米技术正从MEMS（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，其体积不过数百个原子大小，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。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。

此外，以生物计算机、光计算机和量子计算机为代表的新概念计算机研究也非常引人注目。

生物计算机（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技术产生的蛋白质分子构成（所以又称分子计算机）。在这种芯片中，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，能量消耗仅相当于普通计算机的十分之一，并且拥有巨大的存储能力。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。

美国已研制出生物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，分子计算机将进入实用阶段。

光子计算机（Optical Computer）

光子计算机利用光作为信息的传输媒体。由于光子具有电子所不具备的频率及偏振特征，从而大大提高了传载信息的能力。此外，光信号传输根本不需要导线，即使在光线交汇时也不会互相干扰、互相影响。一块直径仅2厘米的光棱镜可通过的信息比特率可以超过全世界现有全部电缆总和的300多倍。光脑还具有与人脑相似的容错性，如果系统中某一元件遭到损坏或运算出现局部错误时，并不影响最终的计算结果。目前光脑的许多关键技术，如光存储技术、光存储器、光电子集成电路（OIC）等都已取得突破。科学家们预计，光子计算机的进一步研制将是21世纪高科技领域的重大课题。

量子计算机（Quantum Computer）

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。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，从而进行计算。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。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。

第9篇：量子计算的发展范文

关键词： RSA密码系统； 量子密码 ； 一次一密； 量子密钥分发

中图分类号： TN918?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）21?0083?03

0 引 言

保密通信在人类社会中有着重要的地位，关系到国家的军事、国防、外交等领域，同时也与人们的日常生活息息相关，如银行帐户存取、网络邮箱管理等。保密通信关键在于密码协议，简称“密钥”。密钥的安全性关系到通信的保密性。密码学的发展也正是在加密者高明的加密方案和解密者诡异的解密技术的相互博弈中发展前行的，两者互为劲敌，但又互相促进。随着量子计算机理论的发展，传统的安全通信系统从原理上讲已不再安全。那么，是否存在一种无条件安全的通信呢？量子密码又将给信息的安全传输带来怎样的新思路呢？本文从科学史的角度分析人类传统的密码方案，考察量子密码发展的来龙去脉，为科学家提供关于量子密码的宏观视角，以便更好地推进关于量子密码的各项科学研究。

1 人类历史上影响巨大的密钥思想

密码学有着古老历史，在近代逐渐发展成为一门系统的应用科学。密码是一个涉及互相不信任的两方或多方的通信或计算问题。在密码学中，要传送的以通用语言明确表达的文字内容称为明文，由明文经变换而形成的用于密码通信的那一串符号称为密文，把明文按约定的变换规则变换为密文的过程称为加密，收信者用约定的变换规则把密文恢复为明文的过程称为解密。敌方主要围绕所截获密文进行分析以找出密码变换规则的过程，称为破译。密码协议大致可以分为两类：私钥密码系统（Private Key Cryptosystem）和公钥密码系统（Public Key Cryposystem）。

1.1 我国古代的一种典型密钥——阴符

阴符是一种秘密的兵符，在战争中起到了非常重要的作用。据《六韬·龙韬·阴符》记载，阴符是利用不同的长度来代表不同的信息，一共分为八种。如一尺的兵符代表“我军大获全胜、全歼敌军”；五寸的兵符代表“请求补给粮草、增加兵力”；三寸的兵符代表“战斗失利，士卒伤亡”。

从现在的密码学观点来看，这是一种“私钥”，私钥密码系统的工作原理简言之就是：通信双方享有同一个他人不知道的私钥，加密和解密的具体方式依赖于他们共同享有的密钥。这八种阴符，由君主和将帅秘密掌握，是一种用来暗中传递消息，而不泄露朝廷和战场机密的通信手段。即便是阴符被敌军截去，也无法识破它的奥秘。由于分配密钥的过程有可能被窃听，它的保密性是由军令来保证的。

1.2 古斯巴达人使用的“天书”

古斯巴达人使用的“sc仔tale”密码，译为“天书”。天书的保密性在于只有把密文缠绕在一定直径的圆柱体上才能呈现明文所要表达的意思，否则就是一堆乱码。不得不感叹古代人的智慧。图1为“天书”的示意图，它也是一种“私钥”，信息的发送方在信息时将细长的纸条缠绕在某一直径的圆柱体上书写，写好后从圆柱体上拿下来便是密文。但是，它的保密性也非常的有限，只要找到对应直径的圆柱体便很容易破译原文。

1.3 著名的“凯撒密表”

凯撒密表是早在公元前1世纪由凯撒大帝（Caesar）亲自设计用于传递军事文件的秘密通信工具，当凯撒密码被用于高卢战争时，起到了非常重要的作用。图2为“凯撒密表”。从现代密码学的角度看，它的密钥思想非常简单，加密时，每个字母用其后的第[n]个字母表示，解密的过程只需把密文字母前移[n]位即可。破译者最多只要尝试26次便可破译原文。

1.4 德国密码机——“恩尼格玛”

二战期间德国用来传递军事机密的“ENIGMA”密码机，它的思想基本类似于“凯撒密表”，但比“凯撒密表”复杂很多倍，它的结构主要分为三部分：键盘、密钥轮和显示灯盘。键盘可以用于输入明文，显示灯盘用于输出密文，密钥轮是其核心部分，通常由3个橡胶或胶木制成的直径为6 cm的转子构成，密钥轮可以任意转动进行编制密码，能够编制出各种各样保密性相当强的密码。它的神奇之处在于它不是一种简单的字母替换，同一个字母在明文的不同位置时，可以被不同的字母替换。而密文中不同位置的同一个字母，可以代表明文中不同的字母。所以它的安全性较高，但也并非万无一失，由于德国人太迷恋自己的“ENIGMA”密码机，久久不愿更换密钥，所以免不了被破译的结局。

2 目前人类广泛使用的密钥及其存在的问题

2.1 现代广泛使用的密码系统——RSA密码系统受到前所未有的挑战

现代广泛被用于电子银行、网络等民用事业的RSA密码系统是一种非对称密钥。早在20世纪60年代末70年代初，英国情报机构（GCHQ）的研究人员早已研制成功。相隔十年左右，Ronald Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman才研制出类似的密码系统，并以三个人的名字命名为“RSA”。它是一种公钥密码系统，工作原理如下：假设通信双方分别为Bob和Alice。Bob公布一个公钥，Alice用这个公钥加密消息传递给 Bob，然而，第三方不可能用Bob的公钥解密。原因在于加密变换巧妙，逆向解密困难。而Bob有与公钥配对的私钥。

RSA公钥密码系统巧妙地运用了分解因数和解离散对数这类难题，它的安全性依赖于计算的复杂性。虽然原理上可以计算出，但是计算出来也需要几万年的时间。然而，随着量子计算机理论的成熟，RSA密码体受到严重挑战，随着计算时间的缩短，RSA密码系统的安全性令人堪忧，RSA密码系统有可能随着量子时代的到来被人类完全抛弃。

2.2 “一次一密”的最大的问题是密钥分配

RSA密码系统受到严重挑战后，一次一密（One time Padding）的不可破译性又被人们所记起。一次一密指在密码当中使用与消息长度等长的随机密钥， 密钥本身只使用一次。原理如下：首先选择一个随机位串作为密钥，然后将明文转变成一个位串，比如使用明文的ASCII表示法。最后，逐位计算这两个位串的异或值，结果得到的密文不可能被破解，因为即使有了足够数量的密文样本，每个字符的出现概率都是相等的，每任意个字母组合出现的概率也是相等的。香农在1949年证明一次一密具有完善的保密性[1]。然而，一次一密需要很长的密码本，并且需要经常更换，它的漏洞在于密钥在传递和分发上存在很大困难。科学家试图使用公钥交换算法如RSA[2]，DES[3]等方式进行密钥交换， 但都使得一次一密的安全性降低。因此，经典保密通信系统最大的问题是密钥分配。

3 量子密码结合“一次一密”实现无条件保密

通信

量子密码学是量子力学和密码学结合的产物，简言之，就是利用信息载体的量子特性，以量子态作为符号描述的密码。

3.1 运用科学史的视角探究量子密码的发展过程

量子密码概念是由Stephen Wiesner在20世纪60年代后期首次提出的[4]。

第一个量子密码术方案的提出是在1984年，Charles Bennett， Gills Brassard提出一种无窃听的保密协议，即，BB84方案[5]，时隔5年后有了实验原型[6]。随后，各类量子密码术相继出现，如简单效率减半方案——B92方案[7] 。

1994年后，RSA密码系统面临前所未有的威胁，因为，经典保密通信依赖于计算的复杂性，然而，Peter Shor 提出寻找整数的质因子问题和所谓离散对数的问题可以用量子计算机有效解决[8]。1995年，Lov Gover 证明在没有结构的搜索空间上搜索问题在量子计算机上可以被加速，论证了量子计算机的强大的能力[9]。Peter Shor和 Lov Gover量子算法的提出，一方面证明了量子计算的惊人能力，另一方面，由于经典密码系统受到严重威胁，促使各国将研究重点转向量子密码学。

3.2 量子密码解决“一次一密”的密钥分配难题

一次一密具有完善的保密性，只是密钥分配是个难题。

量子密钥在传输过程中，如果有窃听者存在，他必然要复制或测量量子态。然而，测不准原理和量子不可克隆定理指出，一个未知的量子态不能被完全拷贝，由某一个确定的算符去测量量子系统，可能会导致不完备的测量，从而得不到量子态的全部信息。另外，测量塌缩理论指出测量必然导致态的改变，从而被发现，通信双方可以放弃原来的密钥，重新建立密钥，实现绝对无窃听保密通信。量子密码的安全性不是靠计算的复杂性来保障，而是源于它的物理特性。

这样就保证了密钥可以被安全分发，窃听行为可以被检测。因此，使用量子密钥分配分发的安全密钥，结合“一次一密”的加密方法，可以实现绝对安全的保密通信。

4 结 语

与经典密码系统相比较，量子密码不会受到计算速度提高的威胁，并且可以检测到窃听者的存在，在提出近30年的时间里，逐渐从理论转化为实验，有望为下一代保密通信提供保障，实现无条件安全的保密通信。

参考文献

[1] SHANNON C E. Communication theory of secrecy systems [J]. Bell System Technical Journal， 1949， 28（4）： 656?715，

[2] 张蓓，孙世良.基于RSA的一次一密加密技术[J].计算机安全，2009（3）：53?55.

[3] 王伟，郭锡泉.一次一密DES算法的设计[J].计算机安全，2006（5）：17?18.

[4] WIESNER S. Unpublished manuscript circa 1969： conjugate coding [J]. ACM Sigact New， 1983， 15： 77?79.

[5] BENNETT C H， BRASSARD G. Quantum cryptography： public key distribution and coin tossing [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Computers， Systems and Signal Processing. Bangalore， India： IEEE， 1984： 175?179.

[6] BENNETT C H. BRASSARD G. Experimental quantum cryptography： the dawn of a new era for quantum cryptography： the experimental prototype is working [J]. ACM Sigact News ， 1989， 20： 78?80.

[7] BENNETT C H， BESSETTE F， BRASSARD G， et al. Experimental quantum cryptography [J]. Journal of Cryptology， 1992（5）： 3?21.