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時(shí)間：2024-01-22 14:57:02
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引言
攝影測(cè)量學(xué)是一門古老的學(xué)科，若從1839年攝影術(shù)的發(fā)明算起，攝影測(cè)量學(xué)已有170多年的歷史，而被普遍認(rèn)為攝影測(cè)量學(xué)真正起點(diǎn)的是1851―1859年“交會(huì)攝影測(cè)量”的提出。在這漫長的發(fā)展過程中，攝影測(cè)量學(xué)經(jīng)歷了模擬法、解析法和數(shù)字化三個(gè)階段。模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量分別是以立體攝影測(cè)量的發(fā)明和計(jì)算機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志，因此很大程度上，計(jì)算機(jī)的發(fā)展決定了攝影測(cè)量學(xué)的發(fā)展。在解析攝影測(cè)量中，計(jì)算機(jī)用于大規(guī)模的空中三角測(cè)量、區(qū)域網(wǎng)平差、數(shù)字測(cè)圖，還用于計(jì)算共線方程，在解析測(cè)圖儀中起著控制相片盤的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，交會(huì)空間點(diǎn)位的作用。而出現(xiàn)在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站（digital photogrammetry workstation，DPW）就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)+各種功能的攝影測(cè)量軟件。如果說從模擬攝影測(cè)量到解析攝影測(cè)量的發(fā)展是一次技術(shù)的進(jìn)步，那么從解析攝影測(cè)量到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展則是一場(chǎng)技術(shù)的革命。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與模擬、解析攝影測(cè)量的最大區(qū)別在于：它處理的是數(shù)字影像而不再是模擬相片，更為重要的是它開始并將不斷深入地利用計(jì)算機(jī)替代作業(yè)員的眼睛。[1-2]毫無疑問，攝影測(cè)量進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代已經(jīng)與計(jì)算機(jī)視覺緊密聯(lián)系在一起了[2]。
計(jì)算機(jī)視覺是一個(gè)相對(duì)年輕而又發(fā)展迅速的領(lǐng)域。其目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)具有通過二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力，這種能力將不僅使機(jī)器能感知三維環(huán)境中物體的幾何信息，包括它的形狀、位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)等，而且能對(duì)它們進(jìn)行描述、存儲(chǔ)、識(shí)別與理解[3]。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量具有類似的目標(biāo)，也面臨著相同的基本問題。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科，如圖像處理、模式識(shí)別以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等。由于它與計(jì)算機(jī)視覺的聯(lián)系十分緊密，有些專家將其看做是計(jì)算機(jī)視覺的分支。
數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展已經(jīng)借鑒了許多計(jì)算機(jī)視覺的研究成果[4]。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量發(fā)展導(dǎo)致了實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的出現(xiàn)，所謂實(shí)時(shí)攝影測(cè)量是指利用多臺(tái)CCD數(shù)字?jǐn)z影機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行影像獲取，并直接輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在實(shí)時(shí)軟件的幫助下，立刻獲得和提取需要的信息，并用來控制對(duì)目標(biāo)的操作[1]。在立體觀測(cè)的過程中，其主要利用計(jì)算機(jī)視覺方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)代替人眼。隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字近景攝影測(cè)量已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。近景攝影測(cè)量是利用近距離攝影取得的影像信息，研究物體大小形狀和時(shí)空位置的一門新技術(shù)，它是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取手段。量測(cè)型的計(jì)算機(jī)視覺與數(shù)字近景攝影測(cè)量的學(xué)科交叉將會(huì)在計(jì)算機(jī)視覺中形成一個(gè)新的分支――攝影測(cè)量的計(jì)算機(jī)視覺，但是它不應(yīng)僅僅局限于地學(xué)信息[2]。
1. 計(jì)算機(jī)視覺與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的差異
1.1 目的不同導(dǎo)致二者的坐標(biāo)系和基本公式不同
攝影測(cè)量的基本任務(wù)是嚴(yán)格建立相片獲取瞬間所存在的像點(diǎn)與對(duì)應(yīng)物點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)利用攝影片上的影像信息測(cè)制各種比例尺地形圖，建立地形數(shù)據(jù)庫，為各種地理信息系統(tǒng)建立或更新提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，它是在測(cè)繪領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展起來的一門學(xué)科。
而計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的突出特點(diǎn)是其多樣性與不完善性。計(jì)算機(jī)視覺的主要任務(wù)是通過對(duì)采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場(chǎng)景的三維信息，因此直到計(jì)算機(jī)的性能提高到足以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)它才得到正式的關(guān)注和發(fā)展，而這些發(fā)展往往起源于其他不同領(lǐng)域的需要。比如在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用計(jì)算機(jī)來替代人工視覺。
由于攝影測(cè)量是測(cè)繪地形圖的重要手段之一，為了測(cè)繪某一地區(qū)而攝影的所有影像，必須建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系。而計(jì)算機(jī)視覺是研究怎樣用計(jì)算機(jī)模擬人的眼睛，因此它是以眼睛（攝影機(jī)中心）與光軸構(gòu)成的坐標(biāo)系為準(zhǔn)。因此，攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺目的不同，導(dǎo)致它們對(duì)物體與影像之間關(guān)系的描述也不同。
1.2 二者處理流程不同
2. 可用于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)視覺理論――立體視覺
2.1 立體視覺
立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺中的一個(gè)重要分支，一直是計(jì)算機(jī)視覺研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，在20多年的發(fā)展過程中，逐漸形成了自己的方法和理論。立體視覺的基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角測(cè)量原理計(jì)算像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。一個(gè)完整的立體視覺系統(tǒng)通常可分為圖像獲取、攝像機(jī)定標(biāo)、特征提取、影像匹配、深度確定及內(nèi)插等6個(gè)大部分[5]。其中影像匹配是立體視覺中最重要也是最困難的問題，也是計(jì)算機(jī)視覺和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的核心問題。
2.2 影像匹配
立體視覺的最終目的是為了恢復(fù)景物可視表面的完整信息。當(dāng)空間三維場(chǎng)景被投影為二維圖像時(shí)，同一景物在不同視點(diǎn)下的圖像會(huì)有很大不同，而且場(chǎng)景中的諸多因素，如光照條件，景物幾何形狀和物理特性、噪聲干擾和畸變以及攝像機(jī)特性等，都被綜合成單一的圖像中的灰度值。因此，要準(zhǔn)確地對(duì)包含了如此之多不利因素的圖像進(jìn)行無歧義的匹配，顯然是十分困難的。
在攝影測(cè)量中最基本的過程之一就是在兩幅或者更多幅的重疊影像中識(shí)別并定位同名點(diǎn)，以產(chǎn)生立體影像。在模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量中，同名點(diǎn)的識(shí)別是通過人工操作方式完成的；而在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中則利用計(jì)算機(jī)代替人工解決同名點(diǎn)識(shí)別的問題，即采用影像匹配的方法。
2.3 多目立體視覺
中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）04-0127-01
當(dāng)前，危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛日益增多，其安全性也受到廣泛關(guān)注。實(shí)時(shí)獲取車輛姿態(tài)信息并發(fā)送至監(jiān)控終端可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)車輛的監(jiān)控。采用低精度MEMS慣性傳感器件進(jìn)行姿態(tài)解算時(shí)，會(huì)導(dǎo)致解算精度很低，很難達(dá)到滿意的效果。然而車輛姿態(tài)只需考慮俯仰和橫滾信息，因此，本文將采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的四元數(shù)車輛姿態(tài)解算算法，通過加速度信號(hào)估計(jì)出車輛姿態(tài)信息，再利用卡爾曼濾波器對(duì)車輛姿態(tài)信息估計(jì)值與角速率值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終確定車輛姿態(tài)信息。
1 系統(tǒng)描述
定義坐標(biāo)系如下：
（1）地理坐標(biāo)系n系：xn，yn，zn依次指向東北天方向。
（2）載體坐標(biāo)系b系：xb，yb，zb依次指向載體右前上方向。
得到姿態(tài)矩陣：
分別為運(yùn)動(dòng)載體的航向角，俯仰角和橫滾角。其中與基本旋轉(zhuǎn)順序有關(guān)，若順序不同則所得結(jié)果不同。
2 歐拉角姿態(tài)解算方法
設(shè)載體坐標(biāo)系b系相對(duì)地理坐標(biāo)系n系的角速度為wnb，再次簡記為w，由wnb在載體坐標(biāo)系的分量可得：
故而當(dāng)前時(shí)刻歐拉角可由下式獲得：
3 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的四元數(shù)姿態(tài)解算算法
基于卡爾曼濾波器的四元數(shù)姿態(tài)解算算法是采用擴(kuò)展卡爾曼方法，將四元數(shù)[q0 q1 q2 q3]T作為狀態(tài)量，將加速度計(jì)和磁力計(jì)的測(cè)量作為觀測(cè)量，以陀螺測(cè)得數(shù)據(jù)來估計(jì)姿態(tài)四元數(shù)，以加速度計(jì)和磁力計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)來修正四元數(shù)估計(jì)量。其中，加速度計(jì)信息修正側(cè)重水平方向，磁力計(jì)信息修正側(cè)重航向。以下給出該法具體推導(dǎo)。
以四元數(shù)與陀螺輸出關(guān)系建立狀態(tài)方程，由四元數(shù)與角速率關(guān)系式進(jìn)一步可得到狀態(tài)方程：
將上式離散化后，得擴(kuò)展卡爾曼一步預(yù)測(cè)方程：
4 仿真及分析
4.1 仿真條件設(shè)置
仿真采用MPU6050慣性測(cè)量芯片輸出的加速度和角速度做為采樣值，考慮靜止?fàn)顟B(tài)MPU的角速度和加速度輸出。采樣間隔為10ms，仿真時(shí)間為1h。得到陀螺輸出數(shù)據(jù)和加速度計(jì)輸出數(shù)據(jù)后解算出俯仰角與橫滾角。
4.2 仿真結(jié)果
圖1為解算出的俯仰角與橫滾角。分析可知采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的四元數(shù)車輛姿態(tài)解算算法，當(dāng)載體靜止或勻速時(shí)，可以將姿態(tài)穩(wěn)定在1°以內(nèi)，同時(shí)，由于汽車行駛時(shí)，加速度變化不是非常明顯。故該方法適用于對(duì)汽車姿態(tài)檢測(cè)。實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證也證明了該法用于汽車姿態(tài)檢測(cè)的可行性。
5 結(jié)語
本文采用了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的四元數(shù)姿態(tài)解算算法，在靜止或勻速時(shí)能夠?qū)⒔馑憔瓤刂圃?°以內(nèi)。可以將該算法應(yīng)用于行駛車輛獲得其姿態(tài)信息從而達(dá)到對(duì)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
雖然中國高性能計(jì)算已經(jīng)取得了里程碑性的成績，但是科研工作者的腳步不會(huì)停止。他們已經(jīng)在思考未來的發(fā)展方向在哪里，并將目光瞄向了“天然的超級(jí)計(jì)算機(jī)”―量子計(jì)算機(jī)。
“杞人憂天”的物理學(xué)家們與量子計(jì)算機(jī)的誕生
量子計(jì)算機(jī)的誕生和著名的摩爾定律有關(guān)，還和“杞人憂天”的物理學(xué)家們有關(guān)。
眾所周知，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度（單位芯片的晶體管數(shù)）。集成度不斷提高，速度就不斷加快，我們的手機(jī)、電腦就能不斷更新?lián)Q代。
20世紀(jì)80年代，摩爾定律很貼切地反映了信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，但“杞人憂天”的物理學(xué)家們卻提出了一個(gè)“大煞風(fēng)景”的問題： 摩爾定律有沒有終結(jié)的時(shí)候？
之所以提出這個(gè)問題，是因?yàn)槟柖傻募夹g(shù)基礎(chǔ)天然地受到兩個(gè)主要物理限制。
一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險(xiǎn)。芯片發(fā)熱主要是因?yàn)橛?jì)算機(jī)門操作時(shí)，其中不可逆門操作會(huì)丟失比特。物理學(xué)家計(jì)算出每丟失一個(gè)比特所產(chǎn)生的熱量，操作速度越快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越多，算機(jī)溫度必然迅速上升，這時(shí)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(dāng)小到只有一個(gè)電子時(shí)，量子效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。此時(shí)電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應(yīng)，本來無法穿過的壁壘也穿過去了，所以量子效應(yīng)會(huì)阻礙信息技術(shù)繼續(xù)按照摩爾定律發(fā)展。
所謂隧道效應(yīng)，即由微觀粒子波動(dòng)性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢(shì)壘貫穿。它在本質(zhì)上是量子躍遷，粒子迅速穿越勢(shì)壘。在勢(shì)壘一邊平動(dòng)的粒子，當(dāng)動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí)，按照經(jīng)典力學(xué)的說法，粒子是不可能越過勢(shì)壘的；而對(duì)于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢(shì)壘，實(shí)際上也的確如此。
這兩個(gè)限制就是物理學(xué)家們預(yù)言摩爾定律會(huì)終結(jié)的理由所在。
雖然這個(gè)預(yù)言在當(dāng)時(shí)沒有任何影響力，但“杞人憂天”的物理學(xué)家們并不“死心”，繼續(xù)研究，提出了第二個(gè)問題：如果摩爾定律終結(jié)，在后摩爾時(shí)代，提高運(yùn)算速度的途徑是什么？
這就導(dǎo)致了量子計(jì)算概念的誕生。
量子計(jì)算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會(huì)出現(xiàn)非可逆操作，所以耗能很小；而量子效應(yīng)正是提高量子計(jì)算并行運(yùn)算能力的物理基礎(chǔ)。
甲之砒霜，乙之蜜糖。它們對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來說是障礙的量子效應(yīng)，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說，反而成了資源。
量子計(jì)算的概念最早是1982年由美國物理學(xué)家費(fèi)曼提出的。1985年，英國物理學(xué)家又提出了“量子圖靈機(jī)”的概念，之后許多物理學(xué)家將“量子圖靈機(jī)”等效為量子的電子線路模型，并開始付諸實(shí)踐。但當(dāng)年這些概念的提出都沒有動(dòng)搖摩爾定律在信息技術(shù)領(lǐng)域的地位，因?yàn)樵谙喈?dāng)長的時(shí)間內(nèi)，摩爾定律依然在支撐著電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度的飛速提高。
直到今年，美國政府宣布，摩爾定律終結(jié)了。微電子未來的發(fā)展是低能耗、專用這兩個(gè)方向，而不再是追求速度。
由此可見，基礎(chǔ)研究可能在當(dāng)時(shí)看不到有什么實(shí)際價(jià)值，但未來卻會(huì)發(fā)揮出巨大作用。
量子計(jì)算機(jī)雖然好，研制起來卻非常難
量子計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)一樣，其功用在于計(jì)算具體數(shù)學(xué)問題。不同的是，電子計(jì)算機(jī)所用的電子存儲(chǔ)器在某個(gè)時(shí)間只能存一個(gè)數(shù)據(jù)，它是確定的，操作一次就把一個(gè)比特（bit，存儲(chǔ)器最小單元）變成另一個(gè)比特，實(shí)行串行運(yùn)算模式；而量子計(jì)算機(jī)利用量子性質(zhì)，一個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)值，N個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方數(shù)據(jù)，操作一次會(huì)將這個(gè)2的N次方數(shù)據(jù)變成另外一個(gè)2的N次方數(shù)據(jù)，以此類推，運(yùn)行模式為一個(gè)CPU的并行運(yùn)算模式，運(yùn)行操作能力指數(shù)上升，這是量子計(jì)算機(jī)來自量子性的優(yōu)點(diǎn)。量子計(jì)算本來就是并行運(yùn)算，所以說量子計(jì)算機(jī)天然就是“超級(jí)計(jì)算機(jī)”。
要想研制量子計(jì)算機(jī)，除了要研制芯片、控制系統(tǒng)、測(cè)量裝置等硬件外，還需要研制與之相關(guān)的軟件，包括編程、算法、量子計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)等。
一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)輸入后，被編制成量子體系的初始狀態(tài)，按照量子計(jì)算機(jī)欲計(jì)算的函數(shù)，運(yùn)用相應(yīng)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(jì)算機(jī)的初態(tài)變成末態(tài)，最后對(duì)末態(tài)實(shí)施量子測(cè)量，讀出運(yùn)算的結(jié)果。
一臺(tái)有N個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，要保證能夠?qū)嵤┮粋€(gè)量子比特的任意操作和任意兩個(gè)量子比特的受控非操作，才能進(jìn)行由這兩個(gè)普適門操作的組合所構(gòu)成的幺正操作，完成量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算任務(wù)。這是量子芯片的基本要求。如果要超越現(xiàn)有電子計(jì)算水平，需要多于1000個(gè)量子比特構(gòu)成的芯片。目前，這還無法實(shí)現(xiàn)。這種基于“量子圖靈機(jī)”的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算是量子計(jì)算機(jī)研制的主流。
除此以外，還有其他量子計(jì)算模型，如單向量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算，但其研制的困難程度并沒有減小。另外，還有拓?fù)淞孔佑?jì)算、絕熱量子計(jì)算等。
由于對(duì)硬件和軟件的全新要求，量子計(jì)算機(jī)的所有方面都需要重新進(jìn)行研究，這就意味著量子計(jì)算是非常重要的交叉學(xué)科，是需要不同領(lǐng)域的人共同來做才能做成的復(fù)雜工程。
把量子計(jì)算機(jī)從“垃圾桶”撿回來的量子編碼與容錯(cuò)編碼
實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算最困難的地方在于，這種宏觀量子系統(tǒng)是非常脆弱的，周圍的環(huán)境都會(huì)破壞量子相干性（消相干），一旦量子特性被破壞，將導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)并行運(yùn)算能力基礎(chǔ)消失，變成經(jīng)典的串行運(yùn)算。
所以，早期許多科學(xué)家認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)只是紙上談兵，不可能被制造出來。直到后來，科學(xué)家發(fā)明了量子編碼。
量子編碼的發(fā)現(xiàn)等于把量子計(jì)算機(jī)從“垃圾桶”里又撿回來了。
采用起碼5個(gè)量子比特編碼成1個(gè)邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯(cuò)誤。
不僅如此，為了避免在操作中的錯(cuò)誤，使其能夠及時(shí)糾錯(cuò)，科學(xué)家又研究容錯(cuò)編碼，在所有量子操作都可能出錯(cuò)的情況下，它仍然能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)糾回理想的狀態(tài)。這是非常關(guān)鍵的。
什么條件下能容錯(cuò)呢？這里有個(gè)容錯(cuò)閾值定理。每次操作，出錯(cuò)率要低于某個(gè)閾值，如果大于這個(gè)閾值，則無法容錯(cuò)。
這個(gè)閾值具體是多大呢？
這與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，考慮到量子計(jì)算的實(shí)際構(gòu)型問題，在一維或準(zhǔn)一維的構(gòu)型中，容錯(cuò)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(tuán)隊(duì)的離子阱模型、美國Martinis團(tuán)隊(duì)的超導(dǎo)模型在單、雙比特下操作精度已達(dá)到這個(gè)閾值。
所以，我們的目標(biāo)就是研制大規(guī)模具有容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)的“量子芯”
量子芯片的研究已經(jīng)從早期對(duì)各種可能的物理系統(tǒng)的廣泛研究，逐步聚焦到了少數(shù)物理系統(tǒng)。
20世紀(jì)90年代時(shí)，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(fā)現(xiàn)許多體系根本不可能最終做成量子計(jì)算機(jī)，所以他們轉(zhuǎn)而重點(diǎn)支持固態(tài)系統(tǒng)。
固態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于集成（能夠升級(jí)量子比特?cái)?shù)目），但缺點(diǎn)是容錯(cuò)性不好，固態(tài)系統(tǒng)的消相干特別嚴(yán)重，相干時(shí)間很短，操控誤差大。
2004年以來，世界上許多著名的研究機(jī)構(gòu)，如美國哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)，日本東京大學(xué)，荷蘭Delft大學(xué)等都做了很大的努力，在半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為未來量子芯片的研究方面取得了一系列重大進(jìn)展。最近幾年，半導(dǎo)體量子芯片的相干時(shí)間已經(jīng)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(gè)比特之后，一直到2015年，還是停留在四個(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)自旋量子比特研究上，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)比特的CNOT（受控非）。
雖然國際同行關(guān)于電荷量子比特的研究比我們?cè)纾侵两褚仓蛔龅剿膫€(gè)量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)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(gè)量子點(diǎn)，2011年實(shí)現(xiàn)雙量子點(diǎn)，2012～2013年實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子點(diǎn)編碼的單量子比特， 2014～2015年實(shí)現(xiàn)四量子點(diǎn)編碼的兩個(gè)電荷量子比特。目前，已研制成六個(gè)量子點(diǎn)編碼為三個(gè)量子比特，并實(shí)現(xiàn)了三個(gè)比特量子門操作，已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
超導(dǎo)量子芯片要比半導(dǎo)體量子芯片發(fā)展得更快。
近幾年，科學(xué)家使用各種方法把超導(dǎo)的相干時(shí)間盡可能拉長，到現(xiàn)在已達(dá)到了100多微秒。這花了13年的基礎(chǔ)研究，相干時(shí)間比原來提高了5萬倍。
超導(dǎo)量子計(jì)算在某些指標(biāo)上有更好的表現(xiàn)，比如：
1.量子退相干時(shí)間超過0.1ms，高于邏輯門操作時(shí)間1000倍以上，接近可實(shí)用化的下限。
2.單比特和兩比特門運(yùn)算的保真度分別達(dá)到99.94%和99.4%，達(dá)到量子計(jì)算理論的容錯(cuò)率閾值要求。
3.已經(jīng)實(shí)現(xiàn)9個(gè)量子比特的可控耦合。
4.在量子非破壞性測(cè)量中，達(dá)到單發(fā)測(cè)量的精度。
5.在量子存儲(chǔ)方面，實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子諧振腔。
美國從90年代到現(xiàn)在，在基礎(chǔ)研究階段超導(dǎo)領(lǐng)域的突破已經(jīng)引起了企業(yè)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(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域投入了巨大的力量，盡最大的努力來爭(zhēng)奪量子計(jì)算機(jī)這塊“巨大的蛋糕”！
其中，最典型的就是谷歌在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的布局。它從加州大學(xué)圣芭芭拉分校高薪引進(jìn)國際上超導(dǎo)芯片做得最好的J. Matinis團(tuán)隊(duì)（23人），從事量子人工智能方面的研究。
他們制定了一個(gè)目標(biāo)―明年做到50個(gè)量子比特。定這個(gè)目標(biāo)是因?yàn)椋绻茏?9個(gè)量子比特的話，在大數(shù)據(jù)處理等方面，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子計(jì)算機(jī)所有可能的能力。
整體來看，量子計(jì)算現(xiàn)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(jì)算機(jī)，我們?nèi)杂袡C(jī)會(huì)！
很多人都問，實(shí)際可用的量子計(jì)算機(jī)究竟什么時(shí)候能做出來？
中國和歐洲估計(jì)需要15年，美國可能會(huì)更快，美國目前的發(fā)展確實(shí)也更快。
量子計(jì)算是量子信息領(lǐng)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(jìn)行研究，在硬件、軟件、材料各個(gè)方面投入巨大，并且它有完整的對(duì)量子計(jì)算研究的整體策劃，不僅各個(gè)指標(biāo)超越世界其他國家，各個(gè)大公司的積極性也被調(diào)動(dòng)了起來。
美國的量子計(jì)算機(jī)研制之路分三個(gè)階段：第一階段，由政府主導(dǎo)，主要做基礎(chǔ)研究；第二階段，企業(yè)開始投入；第三階段，加快產(chǎn)出速度。
一個(gè)世紀(jì)前，那場(chǎng)關(guān)于“上帝到底擲不擲骰子”的愛因斯坦-玻爾論戰(zhàn)，為人類開啟了量子世界之門;進(jìn)入21世紀(jì)，量子通信、量子計(jì)算等核心技術(shù)飛速發(fā)展，一場(chǎng)新的量子革命正在到來。
微觀世界的運(yùn)行，遠(yuǎn)比人類想象得更神秘。世界首顆量子通信衛(wèi)星、十光子糾纏、天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)……中國“量子人”一系列突破性進(jìn)展，在量子革命的發(fā)展史上，標(biāo)注下新的印記。
未來將秒殺超級(jí)計(jì)算機(jī)
芯片越來越小，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)未來必將遭遇計(jì)算極限。求解一個(gè)億億億變量（10的24次方）的方程組，利用目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)，大約需要100年。面對(duì)類似這樣的大規(guī)模計(jì)算難題，如果借助萬億次量子計(jì)算機(jī)，只需0.01秒。
全新的量子計(jì)算機(jī)利用量子特有的“疊加狀態(tài)”，以采取并行計(jì)算的方式，讓速度以指數(shù)量級(jí)地提升。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士和陸朝陽教授等研制的光量子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10倍至100倍。
據(jù)介紹，關(guān)于量子計(jì)算研究的系列成果已經(jīng)發(fā)表于《自然?光子學(xué)》等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊。“這意味著，中國科學(xué)家研制出了量子計(jì)算領(lǐng)域的埃尼亞克（第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)ENIAC）。”《自然?光子學(xué)》的審稿人表示。
潘建偉說，在量子計(jì)算基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，就計(jì)算能力而言，科學(xué)界有三個(gè)達(dá)成共識(shí)的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：第一步超越首臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，第二步超越商用CPU，第三步超越超級(jí)計(jì)算機(jī)。“目前我們實(shí)現(xiàn)的只是其中的第一步，但這一小步卻是重要的一步。”
陸朝陽表示，預(yù)計(jì)年底可以實(shí)現(xiàn)操縱20個(gè)量子比特、達(dá)到目前商用CPU水平;到2020年，有望實(shí)現(xiàn)操縱45個(gè)量子比特的目標(biāo)，向經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力發(fā)起挑戰(zhàn)。
全球角力
由于量子計(jì)算有巨大潛在價(jià)值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協(xié)同攻關(guān)，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究。
來自中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院的信息顯示，國際學(xué)術(shù)界關(guān)于量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，集中于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路這三個(gè)研究體系。其中，在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國際上率先實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持國際領(lǐng)先水平，其“多光子糾纏及干涉度量”項(xiàng)目獲得2015年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
“最快帶來實(shí)際價(jià)值的體系是超冷原子量子模擬，將來很可能集成化的是超導(dǎo)量子計(jì)算，谷歌、IBM都在投入大量資源，積極布局。”潘建偉說。
2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。此次，潘建偉及其同事朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，首次實(shí)現(xiàn)10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，在基于超導(dǎo)體系的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得突破性進(jìn)展。
不過，由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前對(duì)其的研究仍處在早期發(fā)展階段。“量子計(jì)算機(jī)就像初生的嬰兒，未來最終會(huì)長成什么樣子，對(duì)整個(gè)科學(xué)界還是個(gè)未知數(shù)。”潘建偉說。
10年內(nèi)專用量子計(jì)算機(jī)有望“實(shí)用化”
自誕生以來，量子力學(xué)就一直在催生眾多重大發(fā)明，包括原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位等。量子計(jì)算機(jī)的問世，有助于解決現(xiàn)有計(jì)算機(jī)也難以解決的問題。
“10年內(nèi)，超導(dǎo)量子操縱有可能做到100個(gè)粒子。到那時(shí)，它對(duì)某些特定問題的計(jì)算能力就可以達(dá)到目前全世界所有計(jì)算能力之和的100萬倍，計(jì)算能力將會(huì)突飛猛進(jìn)。”潘建偉說，此外量子計(jì)算機(jī)能耗更低。
專家認(rèn)為，計(jì)算能力極限的大幅提升，意味著量子計(jì)算機(jī)可以分析更多數(shù)據(jù)。比如，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)，躲避颶風(fēng)海嘯;計(jì)算優(yōu)化的出行線路，讓城市減少堵車;識(shí)別有效的分子組合，降低藥物的研發(fā)成本和周期;甚至可以用于探索太空，較快辨別可能存有生命體的行星。
潘建偉預(yù)測(cè)，造出“專用”量子計(jì)算機(jī)，在求解材料設(shè)計(jì)、化學(xué)研究、物理研究等方面特別需要、特別有用的問題上超越“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，有望在10年內(nèi)出現(xiàn)，最終還將拓展到量子人工智能領(lǐng)域。
信息安全的“護(hù)衛(wèi)艦”
當(dāng)前，信息科技日益走向智能化，量子不僅可以用于量子計(jì)算，更安全的量子通信也應(yīng)運(yùn)而生。
隨著“墨子號(hào)”發(fā)射升空，我國在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。按照規(guī)劃，未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星。到2030年左右，建成一個(gè)全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
二、各種新型計(jì)算機(jī)
硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，也意味看硅技術(shù)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(fā)新型計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等，將會(huì)在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。
（1）量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究。量子計(jì)算機(jī)(quorum computer)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)是通過量子分裂式、量子修補(bǔ)式來進(jìn)行一系列的大規(guī)模高精確度的運(yùn)算的。其浮點(diǎn)運(yùn)算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的。量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模運(yùn)算的方式其實(shí)就類似于普通電腦的批處理程序，其運(yùn)算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進(jìn)行高速的量子修補(bǔ)，但是其精確度和速度是普通電腦望塵莫及的。
（2）光子計(jì)算機(jī)。現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)是由電子來傳遞和處理信息。電場(chǎng)在導(dǎo)線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運(yùn)載工具運(yùn)動(dòng)的速度都快。但是，從發(fā)展高速率計(jì)算機(jī)來說，采用電子做輸運(yùn)信息載體還不能滿足快的要求，提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度也明顯表現(xiàn)出能力有限了。而光子計(jì)算機(jī)以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線瓦連，以光硬件代替電子硬件，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，利用激光來傳送信號(hào)，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長、頻率、偏振態(tài)及相位的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過電子狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算，可以對(duì)復(fù)雜度高，計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。
（3）分子計(jì)算機(jī)。分子計(jì)算計(jì)劃就是嘗試?yán)梅肿佑?jì)算的能力進(jìn)行信息的處理。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(jìn)行組織排列。憑借著分子納米級(jí)的尺寸，分子計(jì)算機(jī)的體積將劇減。
三、探究研究策略的依據(jù)
筆者認(rèn)為開展計(jì)算機(jī)發(fā)展史研究的一種思路是：本著實(shí)用主義的態(tài)度，分階段提取計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中的關(guān)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(fā)現(xiàn)的新問題。
（1）“實(shí)用主義”無褒貶之分。彌補(bǔ)對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史認(rèn)知，不宜再去重做實(shí)驗(yàn)，推倒人類已有的技術(shù)規(guī)范重來：只能進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究，在研究和學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題，找出規(guī)律。同時(shí)，“實(shí)用’，也是發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)有之義。
（2）緊緊圍繞“問題”。在科學(xué)發(fā)展的歷史進(jìn)程中，問題要比問題的解決更重要，“一個(gè)好的問題堪比一所好的大學(xué)”計(jì)算機(jī)的發(fā)展也是在不斷地提出問題、解決問題中發(fā)展進(jìn)步，每一次問題的提煉和解決都促進(jìn)了計(jì)算機(jī)水平得到一次升華和提高。
（3）事物的發(fā)展是動(dòng)態(tài)的，已有問題的解決必然帶來新的問題新的問題是對(duì)已有問題解決方法的挑戰(zhàn)與審視，抑或是新科學(xué)新技術(shù)尋找用武之地發(fā)揮作用的要求，嘗試主動(dòng)提出可預(yù)見的問題并設(shè)法解決是現(xiàn)代思維方式的一個(gè)顯著特征，愛岡斯坦曾說：提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要，正是這個(gè)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(chuàng)造性的想象力。往往是獲得認(rèn)識(shí)突破的契機(jī)，這種習(xí)慣或者素養(yǎng)是極其寶貴的。
四、結(jié)束語
計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。在這個(gè)世紀(jì)之交，知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代呼嘯而來，作為知識(shí)和信息的處理、傳輸和存儲(chǔ)之載體的計(jì)算機(jī)。在即將來臨的2I世紀(jì)，將會(huì)不斷地開發(fā)出新的品種。而這些新穎的計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型并行處理和智能化。為達(dá)到預(yù)想的目的各種新型材料將被運(yùn)用到新型計(jì)算機(jī)的開發(fā)當(dāng)中，如量子、光子分子等。未來量子、光子和分子計(jì)算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語言能力，使計(jì)算機(jī)進(jìn)人人工智能時(shí)代。這種新型計(jì)算機(jī)將推動(dòng)新一輪計(jì)算技術(shù)革命，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉科偉等．量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002(38)
計(jì)算機(jī)在最近的幾十年發(fā)展突飛猛進(jìn)，是在眾多行業(yè)中發(fā)展最快的高新領(lǐng)域之一。上世紀(jì)九十年代的人還難以預(yù)料今天計(jì)算機(jī)會(huì)如此強(qiáng)大，而今天的我們所預(yù)見的未來的計(jì)算機(jī)又將有幾分準(zhǔn)確性呢。不管未來的計(jì)算機(jī)是什么樣的，根據(jù)現(xiàn)在的研究以及人們的需要來看，有幾個(gè)特點(diǎn)可能會(huì)在較近的未來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)將會(huì)更加微型化，計(jì)算能力還會(huì)更加強(qiáng)大，而隨著計(jì)算機(jī)與諸多領(lǐng)域的相互滲透，新型計(jì)算機(jī)也會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。此外，計(jì)算機(jī)的智能化也是人們研究的熱點(diǎn)話題。
美國計(jì)算機(jī)市場(chǎng)在2009年第四季度打破記錄，共售出了2070萬臺(tái)計(jì)算機(jī)，比2008年同期上升了24%。繼2009年上半年全球個(gè)人電腦市場(chǎng)發(fā)展遭遇重重限制之后，下半年全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步復(fù)蘇，加上個(gè)人電腦打出大幅折扣，使全球個(gè)人電腦市場(chǎng)出現(xiàn)反彈。全球個(gè)人電腦市場(chǎng)2009年全年增長率為2.9%。實(shí)際上，全球范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)銷量都出現(xiàn)了一致性的增長，這自然受益于計(jì)算機(jī)售價(jià)的整體下調(diào)。2009年第四季度，全球計(jì)算機(jī)市場(chǎng)銷量較2008年同期增長了15.2%。計(jì)算機(jī)銷量的增長直接讓很多與計(jì)算機(jī)市場(chǎng)相關(guān)的廠商獲得了巨大利益，比如Intel、微軟和惠普。同時(shí)上網(wǎng)本的大受歡迎和Windows 7的都刺激了計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的增長。
日益更新的計(jì)算機(jī)，未來將會(huì)是什么樣子？
1 量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表小開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的PcntiumIII晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。無論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核白旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。預(yù)計(jì)2030年有可能普及量子計(jì)算機(jī)。
2 光計(jì)算機(jī)
光計(jì)算機(jī)是用光子代替半導(dǎo)體芯片中的電子，以光互連來代替導(dǎo)線制成數(shù)字計(jì)算機(jī)。與電的特性相比光具有無法比擬的各種優(yōu)點(diǎn)：光計(jì)算機(jī)是“光”導(dǎo)計(jì)算機(jī)，光在光介質(zhì)中以許多個(gè)波長不同或波長相同而振動(dòng)方向不同的光波傳輸，不存在寄生電阻、電容、電感和電子相互作用問題，光器件有無電位差，因此光計(jì)算機(jī)的信息在傳輸中畸變或失真小，可在同一條狹窄的通道中傳輸數(shù)量大得難以置信的數(shù)據(jù)。
3 化學(xué)、生物計(jì)算機(jī)
在運(yùn)行機(jī)理上，化學(xué)計(jì)算機(jī)以化學(xué)制品中的微觀碳分子作信息載體，來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與存儲(chǔ)。DNA分子在酶的作用下可以從某基因代碼通過生物化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼，轉(zhuǎn)變前的基因代碼可以作為輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼可以作為運(yùn)算結(jié)果，利用這一過程可以制成新型的生物計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是生物芯片的蛋白質(zhì)具有生物活性，能夠跟人體的組織結(jié)合在一起，特別是可以和人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)有機(jī)的連接，使人機(jī)接口自然吻合，免除了繁瑣的人機(jī)對(duì)話，這樣，生物計(jì)算機(jī)就可以聽人指揮，成為人腦的外延或擴(kuò)充部分，還能夠從人體的細(xì)胞中吸收營養(yǎng)來補(bǔ)充能量，不要任何外界的能源，由于生物計(jì)算機(jī)的蛋白質(zhì)分子具有自我組合的能力，從而使生物計(jì)算機(jī)具有自調(diào)節(jié)能力、自修復(fù)能力和自再生能力，更易于模擬人類大腦的功能。現(xiàn)今科學(xué)家已研制出了許多生物計(jì)算機(jī)的主要部件—生物芯片。
4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)
人腦總體運(yùn)行速度相當(dāng)于每妙1000萬億次的電腦功能，可把生物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看做一個(gè)大規(guī)模并行處理的、緊密耦合的、能自行重組的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。從大腦工作的模型中抽取計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型，用許多處理機(jī)模仿人腦的神經(jīng)元機(jī)構(gòu)，將信息存儲(chǔ)在神經(jīng)元之間的聯(lián)絡(luò)中，并采用大量的并行分布式網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。
結(jié)束語：
關(guān)于計(jì)算機(jī)未來的發(fā)展趨勢(shì)，不同的人有不同的看法，不同的人也會(huì)從不同的方面去探討，但無論如何，出發(fā)點(diǎn)都是為了能夠更好地幫助人學(xué)習(xí)、工作、計(jì)算、娛樂等等為了更能方便人的生活，更好地完成更加艱巨復(fù)雜的任務(wù)。所以，計(jì)算機(jī)會(huì)基于這些進(jìn)行不斷地改造與創(chuàng)新，當(dāng)一種技術(shù)或基本架構(gòu)遭遇瓶頸時(shí)，新的技術(shù)就會(huì)誕生，這就是計(jì)算機(jī)不斷改進(jìn)和創(chuàng)新的動(dòng)力。對(duì)于上文的諸多方面，很多已經(jīng)即將或是快要實(shí)現(xiàn)，而有一些則距離現(xiàn)實(shí)還有很大距離，甚至有些研究會(huì)是失敗的，但這完全不能阻擋計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也不會(huì)阻止與計(jì)算機(jī)有關(guān)的新技術(shù)的產(chǎn)生。
參考文獻(xiàn)：
[1]蔡芝蔚.計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展研究[J].電腦與電信，2008（02）.
[2]張潔.未來計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展展望[J].廣東科技，2006（10）.
1計(jì)算的本質(zhì)
抽象地說,所謂計(jì)算,就是從一個(gè)符號(hào)串f變換成另一個(gè)符號(hào)串g。比如說,從符號(hào)串12+3變換成15就是一個(gè)加法計(jì)算。如果符號(hào)串f是x2,而符號(hào)串g是2x,從f到g的計(jì)算就是微分。定理證明也是如此,令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則,令g是一個(gè)定理,那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個(gè)角度看,文字翻譯也是計(jì)算,如f代表一個(gè)英文句子,而g為含意相同的中文句子,那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點(diǎn)？為什么把它們都叫做計(jì)算？因?yàn)樗鼈兌际菑募褐?hào)(串)開始,一步一步地改變符號(hào)(串),經(jīng)過有限步驟,最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)(串)的變換過程。
從類型上講,計(jì)算主要有兩大類:數(shù)值計(jì)算和符號(hào)推導(dǎo)。數(shù)值計(jì)算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運(yùn)算、開方運(yùn)算、方程的求解等。符號(hào)推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明,幾何命題的證明等。但無論是數(shù)值計(jì)算還是符號(hào)推導(dǎo),它們?cè)诒举|(zhì)上是等價(jià)的、一致的,即二者是密切關(guān)聯(lián)的,可以相互轉(zhuǎn)化,具有共同的計(jì)算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展,還可能出現(xiàn)新的計(jì)算類型。
2遠(yuǎn)古的計(jì)算工具
人們從開始產(chǎn)生計(jì)算之日,便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計(jì)算的工具。因此,計(jì)算和計(jì)算工具是息息相關(guān)的。
早在公元前5世紀(jì),中國人已開始用算籌作為計(jì)算工具,并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后來,人們發(fā)明了算盤,并在15世紀(jì)得到普遍采用,取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的,比算籌更加方便實(shí)用,同時(shí)還把算法口訣化,從而加快了計(jì)算速度。
3近代計(jì)算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展:在1614年,對(duì)數(shù)被發(fā)明以后,乘除運(yùn)算可以化為加減運(yùn)算,對(duì)數(shù)計(jì)算尺便是依據(jù)這一特點(diǎn)來設(shè)計(jì)。1620年,岡特最先利用對(duì)數(shù)計(jì)算尺來計(jì)算乘除。1850年,曼南在計(jì)算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時(shí)科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機(jī)械式計(jì)算器是與計(jì)算尺同時(shí)出現(xiàn)的,是計(jì)算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年,萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計(jì)算器,是長1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過人們?cè)谶@方面多年的研究,特別是經(jīng)過托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后,出現(xiàn)了多種多樣的手搖計(jì)算器,并風(fēng)行全世界。
4電動(dòng)計(jì)算機(jī)
英國的巴貝奇于1834年,設(shè)計(jì)了一部完全程序控制的分析機(jī),可惜礙于當(dāng)時(shí)的機(jī)械技術(shù)限制而沒有制成,但已包含了現(xiàn)代計(jì)算的基本思想和主要的組成部分了。此后,由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展,電動(dòng)式計(jì)算器便慢慢取代以人工為動(dòng)力的計(jì)算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計(jì)算器,實(shí)現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
5電子計(jì)算機(jī)
20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計(jì)算器的改革有了新的發(fā)展,美國賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,也當(dāng)之無愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。
在電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中,因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對(duì)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言:半導(dǎo)體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實(shí)證明,自20世紀(jì)60年代以后的數(shù)十年內(nèi),芯片的集成度和電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度實(shí)際是每十八個(gè)月就翻一番,而價(jià)格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”。
6“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”
人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒有極限?對(duì)此問題,學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。
而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代,芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米),此時(shí),導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律——牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行,而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象,從而導(dǎo)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(約5納米)后,晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。
哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)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(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家,哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢(mèng)想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢(mèng)想”的不斷循環(huán),我們可以開拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域,世界最終會(huì)變得越來越清晰,我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。”[論/文/網(wǎng)LunWenNet/Com]
7量子計(jì)算系統(tǒng)
量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例,在干涉過程中,相互作用的光子每增加一個(gè),有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍,也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了,不過,在費(fèi)曼眼里,這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫?量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測(cè)性:在干涉實(shí)驗(yàn)中,只要給定初始條件,就可以推測(cè)出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算,那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn),測(cè)量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此,只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過程中,允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn),并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。
在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下,1985年英國牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇——圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí),不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的,即把計(jì)算看作由“神諭”來實(shí)現(xiàn)的:這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng),例如,現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問題是一個(gè)典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來來計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題,大約需要28萬年,這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時(shí)間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大,也就是說如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī),我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。
8量子計(jì)算中的神諭
人類的計(jì)算工具,從木棍、石頭到算盤,經(jīng)過電子管計(jì)算機(jī),晶體管計(jì)算機(jī),到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī),再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考:首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算,隨后,人們發(fā)明了算盤,來幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”,機(jī)器也可以用來搬動(dòng)“算珠”,而且效率更高,速度更快。隨后,人們用繼電器替代了純機(jī)械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí),數(shù)學(xué)家們開始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開了研究,圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。
量子計(jì)算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算。可以說。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。
因?yàn)樵诖酥?所有計(jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤”,即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計(jì)算則完全不同,對(duì)于量子計(jì)算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理,卻對(duì)“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對(duì)于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。
9“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)
人類的思考能力,隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力,那么,量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會(huì)給人類整體帶來更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”。不僅如此,量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì),把人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。
如果觀察歷史,會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大,隨著該系統(tǒng)的不斷增大,人們認(rèn)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律:
“計(jì)算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強(qiáng)—公理系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。
無論量子計(jì)算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會(huì)妨礙量子計(jì)算時(shí)代的到來。量子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會(huì)隨著量子計(jì)算機(jī)工具的發(fā)展而得到解決,它將“計(jì)算科學(xué)”從牛頓時(shí)代引向量子時(shí)代,并會(huì)給人類文明帶來更加深刻的影響。
參考文獻(xiàn)
抽象地說,所謂計(jì)算,就是從一個(gè)符號(hào)串f變換成另一個(gè)符號(hào)串g。比如說,從符號(hào)串12+3變換成15就是一個(gè)加法計(jì)算。如果符號(hào)串f是x2,而符號(hào)串g是2x,從f到g的計(jì)算就是微分。定理證明也是如此,令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則,令g是一個(gè)定理,那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個(gè)角度看,文字翻譯也是計(jì)算,如f代表一個(gè)英文句子,而g為含意相同的中文句子,那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點(diǎn)？為什么把它們都叫做計(jì)算？因?yàn)樗鼈兌际菑募褐?hào)(串)開始,一步一步地改變符號(hào)(串),經(jīng)過有限步驟,最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)(串)的變換過程。
從類型上講,計(jì)算主要有兩大類:數(shù)值計(jì)算和符號(hào)推導(dǎo)。數(shù)值計(jì)算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運(yùn)算、開方運(yùn)算、方程的求解等。符號(hào)推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明,幾何命題的證明等。但無論是數(shù)值計(jì)算還是符號(hào)推導(dǎo),它們?cè)诒举|(zhì)上是等價(jià)的、一致的,即二者是密切關(guān)聯(lián)的,可以相互轉(zhuǎn)化,具有共同的計(jì)算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展,還可能出現(xiàn)新的計(jì)算類型。
2遠(yuǎn)古的計(jì)算工具
人們從開始產(chǎn)生計(jì)算之日,便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計(jì)算的工具。因此,計(jì)算和計(jì)算工具是息息相關(guān)的。
早在公元前5世紀(jì),中國人已開始用算籌作為計(jì)算工具,并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后來,人們發(fā)明了算盤,并在15世紀(jì)得到普遍采用,取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的,比算籌更加方便實(shí)用,同時(shí)還把算法口訣化,從而加快了計(jì)算速度。
3近代計(jì)算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展:在1614年,對(duì)數(shù)被發(fā)明以后,乘除運(yùn)算可以化為加減運(yùn)算,對(duì)數(shù)計(jì)算尺便是依據(jù)這一特點(diǎn)來設(shè)計(jì)。1620年,岡特最先利用對(duì)數(shù)計(jì)算尺來計(jì)算乘除。1850年,曼南在計(jì)算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時(shí)科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機(jī)械式計(jì)算器是與計(jì)算尺同時(shí)出現(xiàn)的,是計(jì)算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年,萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計(jì)算器,是長1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過人們?cè)谶@方面多年的研究,特別是經(jīng)過托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后,出現(xiàn)了多種多樣的手搖計(jì)算器,并風(fēng)行全世界。
4電動(dòng)計(jì)算機(jī)
英國的巴貝奇于1834年,設(shè)計(jì)了一部完全程序控制的分析機(jī),可惜礙于當(dāng)時(shí)的機(jī)械技術(shù)限制而沒有制成,但已包含了現(xiàn)代計(jì)算的基本思想和主要的組成部分了。此后,由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展,電動(dòng)式計(jì)算器便慢慢取代以人工為動(dòng)力的計(jì)算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計(jì)算器,實(shí)現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
5電子計(jì)算機(jī)
20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計(jì)算器的改革有了新的發(fā)展,美國賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,也當(dāng)之無愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。
在電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中,因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對(duì)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言:半導(dǎo)體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實(shí)證明,自20世紀(jì)60年代以后的數(shù)十年內(nèi),芯片的集成度和電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度實(shí)際是每十八個(gè)月就翻一番,而價(jià)格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”。
6“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”
人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒有極限?對(duì)此問題,學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。中國
而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代,芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米),此時(shí),導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律——牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行,而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象,從而導(dǎo)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(約5納米)后,晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。
哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)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(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家,哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢(mèng)想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢(mèng)想”的不斷循環(huán),我們可以開拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域,世界最終會(huì)變得越來越清晰,我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的7量子計(jì)算系統(tǒng)
量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例,在干涉過程中,相互作用的光子每增加一個(gè),有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍,也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了,不過,在費(fèi)曼眼里,這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫?量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測(cè)性:在干涉實(shí)驗(yàn)中,只要給定初始條件,就可以推測(cè)出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算,那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn),測(cè)量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此,只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過程中,允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn),并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。
在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下,1985年英國牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇——圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí),不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的,即把計(jì)算看作由“神諭”來實(shí)現(xiàn)的:這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng),例如,現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問題是一個(gè)典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來來計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題,大約需要28萬年,這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時(shí)間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大,也就是說如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī),我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。
8量子計(jì)算中的神諭
人類的計(jì)算工具,從木棍、石頭到算盤,經(jīng)過電子管計(jì)算機(jī),晶體管計(jì)算機(jī),到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī),再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考:首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算,隨后,人們發(fā)明了算盤,來幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”,機(jī)器也可以用來搬動(dòng)“算珠”,而且效率更高,速度更快。隨后,人們用繼電器替代了純機(jī)械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí),數(shù)學(xué)家們開始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開了研究,圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。
量子計(jì)算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算。可以說。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。
因?yàn)樵诖酥?所有計(jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤”,即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計(jì)算則完全不同,對(duì)于量子計(jì)算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理,卻對(duì)“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對(duì)于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。
9“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)人類的思考能力,隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力,那么,量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會(huì)給人類整體帶來更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”。不僅如此,量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì),把人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。
如果觀察歷史,會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大,隨著該系統(tǒng)的不斷增大,人們認(rèn)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律:
“計(jì)算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強(qiáng)—公理系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。
無論量子計(jì)算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會(huì)妨礙量子計(jì)算時(shí)代的到來。量子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會(huì)隨著量子計(jì)算機(jī)工具的發(fā)展而得到解決,它將“計(jì)算科學(xué)”從牛頓時(shí)代引向量子時(shí)代,并會(huì)給人類文明帶來更加深刻的影響。
參考文獻(xiàn)
1計(jì)算的本質(zhì)
抽象地說,所謂計(jì)算,就是從一個(gè)符號(hào)串f變換成另一個(gè)符號(hào)串g。比如說,從符號(hào)串12+3變換成15就是一個(gè)加法計(jì)算。如果符號(hào)串f是x2,而符號(hào)串g是2x,從f到g的計(jì)算就是微分。定理證明也是如此,令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則,令g是一個(gè)定理,那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個(gè)角度看,文字翻譯也是計(jì)算,如f代表一個(gè)英文句子,而g為含意相同的中文句子,那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點(diǎn)？為什么把它們都叫做計(jì)算？因?yàn)樗鼈兌际菑募褐?hào)(串)開始,一步一步地改變符號(hào)(串),經(jīng)過有限步驟,最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)(串)的變換過程。
從類型上講,計(jì)算主要有兩大類:數(shù)值計(jì)算和符號(hào)推導(dǎo)。數(shù)值計(jì)算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運(yùn)算、開方運(yùn)算、方程的求解等。符號(hào)推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明,幾何命題的證明等。但無論是數(shù)值計(jì)算還是符號(hào)推導(dǎo),它們?cè)诒举|(zhì)上是等價(jià)的、一致的,即二者是密切關(guān)聯(lián)的,可以相互轉(zhuǎn)化,具有共同的計(jì)算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展,還可能出現(xiàn)新的計(jì)算類型。
2遠(yuǎn)古的計(jì)算工具
人們從開始產(chǎn)生計(jì)算之日,便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計(jì)算的工具。因此,計(jì)算和計(jì)算工具是息息相關(guān)的。
早在公元前5世紀(jì),中國人已開始用算籌作為計(jì)算工具,并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后來,人們發(fā)明了算盤,并在15世紀(jì)得到普遍采用,取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的,比算籌更加方便實(shí)用,同時(shí)還把算法口訣化,從而加快了計(jì)算速度。
3近代計(jì)算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展:在1614年,對(duì)數(shù)被發(fā)明以后,乘除運(yùn)算可以化為加減運(yùn)算,對(duì)數(shù)計(jì)算尺便是依據(jù)這一特點(diǎn)來設(shè)計(jì)。1620年,岡特最先利用對(duì)數(shù)計(jì)算尺來計(jì)算乘除。1850年,曼南在計(jì)算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時(shí)科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機(jī)械式計(jì)算器是與計(jì)算尺同時(shí)出現(xiàn)的,是計(jì)算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年,萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計(jì)算器,是長1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過人們?cè)谶@方面多年的研究,特別是經(jīng)過托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后,出現(xiàn)了多種多樣的手搖計(jì)算器,并風(fēng)行全世界。
4電動(dòng)計(jì)算機(jī)
英國的巴貝奇于1834年,設(shè)計(jì)了一部完全程序控制的分析機(jī),可惜礙于當(dāng)時(shí)的機(jī)械技術(shù)限制而沒有制成,但已包含了現(xiàn)代計(jì)算的基本思想和主要的組成部分了。此后,由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展,電動(dòng)式計(jì)算器便慢慢取代以人工為動(dòng)力的計(jì)算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計(jì)算器,實(shí)現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
5電子計(jì)算機(jī)
20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計(jì)算器的改革有了新的發(fā)展,美國賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,也當(dāng)之無愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。
在電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中,因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對(duì)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言:半導(dǎo)體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實(shí)證明,自20世紀(jì)60年代以后的數(shù)十年內(nèi),芯片的集成度和電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度實(shí)際是每十八個(gè)月就翻一番,而價(jià)格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”。
6“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”
人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒有極限?對(duì)此問題,學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。
而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代,芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米),此時(shí),導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律——牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行,而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象,從而導(dǎo)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(約5納米)后,晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。
哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)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(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家,哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢(mèng)想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢(mèng)想”的不斷循環(huán),我們可以開拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域,世界最終會(huì)變得越來越清晰,我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。”[論/文/網(wǎng)LunWenNet/Com]
7量子計(jì)算系統(tǒng)
量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例,在干涉過程中,相互作用的光子每增加一個(gè),有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍,也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了,不過,在費(fèi)曼眼里,這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫?量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測(cè)性:在干涉實(shí)驗(yàn)中,只要給定初始條件,就可以推測(cè)出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算,那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn),測(cè)量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此,只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過程中,允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn),并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。
在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下,1985年英國牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇——圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí),不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的,即把計(jì)算看作由“神諭”來實(shí)現(xiàn)的:這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng),例如,現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問題是一個(gè)典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來來計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題,大約需要28萬年,這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時(shí)間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大,也就是說如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī),我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。
8量子計(jì)算中的神諭
人類的計(jì)算工具,從木棍、石頭到算盤,經(jīng)過電子管計(jì)算機(jī),晶體管計(jì)算機(jī),到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī),再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考:首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算,隨后,人們發(fā)明了算盤,來幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”,機(jī)器也可以用來搬動(dòng)“算珠”,而且效率更高,速度更快。隨后,人們用繼電器替代了純機(jī)械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí),數(shù)學(xué)家們開始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開了研究,圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。
量子計(jì)算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算。可以說。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。
因?yàn)樵诖酥?所有計(jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤”,即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計(jì)算則完全不同,對(duì)于量子計(jì)算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理,卻對(duì)“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對(duì)于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。
9“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)人類的思考能力,隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力,那么,量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會(huì)給人類整體帶來更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”。不僅如此,量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì),把人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。
如果觀察歷史,會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大,隨著該系統(tǒng)的不斷增大,人們認(rèn)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律:
“計(jì)算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強(qiáng)—公理系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。
無論量子計(jì)算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會(huì)妨礙量子計(jì)算時(shí)代的到來。量子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會(huì)隨著量子計(jì)算機(jī)工具的發(fā)展而得到解決,它將“計(jì)算科學(xué)”從牛頓時(shí)代引向量子時(shí)代,并會(huì)給人類文明帶來更加深刻的影響。[論*文*網(wǎng)]
參考文獻(xiàn)
光子芯片和量子芯片是兩個(gè)維度的概念，沒有強(qiáng)弱之分。光子芯片運(yùn)用的是半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，驅(qū)動(dòng)其他的硅光子器件；量子芯片就是將量子線路集成在基片上，進(jìn)而承載量子信息處理的功能。
光子芯片可以將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中，當(dāng)給磷化銦施加電壓的時(shí)候，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅(qū)動(dòng)其他的硅光子器件。這種基于硅片的激光技術(shù)可使光子學(xué)更廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中，因?yàn)椴捎么笠?guī)模硅基制造技術(shù)能夠大幅度降低成本。
量子芯片的出現(xiàn)得益于量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。要想實(shí)現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，量子計(jì)算機(jī)需要走集成化的道路。超導(dǎo)系統(tǒng)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)、微納光子學(xué)系統(tǒng)、甚至是原子和離子系統(tǒng)，都想走芯片化的道路。從發(fā)展看，超導(dǎo)量子芯片系統(tǒng)從技術(shù)上走在了其它物理系統(tǒng)的前面；傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)也是人們努力探索的目標(biāo)，因?yàn)楫吘箓鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展已經(jīng)很成熟，如半導(dǎo)體量子芯片在退相干時(shí)間和操控精度上一旦突破容錯(cuò)量子計(jì)算的閾值，有望集成傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)的現(xiàn)有成果，大大節(jié)省開發(fā)成本。
（來源：文章屋網(wǎng) ）
1 遠(yuǎn)古的計(jì)算工具
人們從開始產(chǎn)生計(jì)算之日, 便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計(jì)算的工具。因此，計(jì)算和計(jì)算工具是息息相關(guān)的。
早在公元前5世紀(jì)，中國人已開始用算籌作為計(jì)算工具，并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用，一直沿用了二千年。后來, 人們發(fā)明了算盤，并在15世紀(jì)得到普遍采用，取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的，比算籌更加方便實(shí)用，同時(shí)還把算法口訣化，從而加快了計(jì)算速度。
2 近代計(jì)算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展：在1614年，對(duì)數(shù)被發(fā)明以后, 乘除運(yùn)算可以化為加減運(yùn)算，對(duì)數(shù)計(jì)算尺便是依據(jù)這一特點(diǎn)來設(shè)計(jì)。1620年，岡特最先利用對(duì)數(shù)計(jì)算尺來計(jì)算乘除。1850年，曼南在計(jì)算尺上裝上光標(biāo)，因此而受到當(dāng)時(shí)科學(xué)工作者, 特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機(jī)械式計(jì)算器是與計(jì)算尺同時(shí)出現(xiàn)的，是計(jì)算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年，萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計(jì)算器，是長1米的大盒子。自此以后，經(jīng)過人們?cè)谶@方面多年的研究，特別是經(jīng)過托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后，出現(xiàn)了多種多樣的手搖計(jì)算器，并風(fēng)行全世界。
3 電動(dòng)計(jì)算機(jī)
英國的巴貝奇于1834年，設(shè)計(jì)了一部完全程序控制的分析機(jī)，可惜礙于當(dāng)時(shí)的機(jī)械技術(shù)限制而沒有制成，但已包含了現(xiàn)代計(jì)算的基本思想和主要的組成部分了。此后，由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展,電動(dòng)式計(jì)算器便慢慢取代以人工為動(dòng)力的計(jì)算器。1941年，德國的楚澤采用了繼電器，制成了第一部過程控制計(jì)算器，實(shí)現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
4 電子計(jì)算機(jī)
20世紀(jì)初，電子管的出現(xiàn)，使計(jì)算器的改革有了新的發(fā)展，美國賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，也當(dāng)之無愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。
在電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中，因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登?摩爾對(duì)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言：半導(dǎo)體芯片的集成度將每兩年翻一番，這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”。
5 “摩爾定律”與“計(jì)算的極限”
人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無止境地提升？傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒有極限？對(duì)此問題，學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。
而以IBM研究中心朗道為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時(shí)， 導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律――牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行，而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象, 從而導(dǎo)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(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。
哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)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(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信, 通過追尋“夢(mèng)想―發(fā)現(xiàn)―解釋―夢(mèng)想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域，世界最終會(huì)變得越來越清晰，我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的量子計(jì)算系統(tǒng)
量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。
在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇――圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的, 即把計(jì)算看作由“神諭”來實(shí)現(xiàn)的：這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng)。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來來計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題，大約需要28萬年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時(shí)間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大，也就是說如果要分解2048位的整數(shù)，所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)， 我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。
6 量子計(jì)算中的神諭
人類的計(jì)算工具，從木棍、石頭到算盤, 經(jīng)過電子管計(jì)算機(jī)，晶體管計(jì)算機(jī)，到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)，再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算，隨后，人們發(fā)明了算盤, 來幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”，機(jī)器也可以用來搬動(dòng)“算珠”，而且效率更高, 速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機(jī)械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí)，數(shù)學(xué)家們開始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。
