量子计算的运用

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇量子计算的运用范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

量子计算的运用范文第1篇

如果有人说，在物理世界中有一个百岁的“幽灵”，你会相信吗？

一百多年前，爱因斯坦也曾一直为这个“幽灵”――量子理论产生的种种现象所困惑。

如今，爱因斯坦逝世已逾六十载，可谜团仍未完全破解。因此，可以毫不夸张地说，量子理论就是这么一个“幽灵”。

在量子理论对世界的描述中，一个物体可以同时处于多个位置，粒子也可以无阻碍似地穿过障碍物，所有的物体都有“波粒二象性”，它既是粒子又是波，两个分得很开的物体也可以进行某种类似“精神性”的合作……

这些描述听上去令人毛骨悚然，不可捉摸。难怪量子理论创立者之一的玻尔说过：“如果一个人没有被量子力学所震惊，那么他就没有真正懂得量子力学。”

什么是“量子”

“量子”不是一种粒子，它是一个能量的最小单位。所有的微观粒子（包括分子、原子、电子、光子）都是量子的一种表现形态。

众所周知，世界是由微观粒子组成的。因此从某种意义上来说，世界本身就是由量子组成的。在物理学中提到“量子”时，实际上指的是微观世界的一种行为倾向：物质或者说粒子的能量和其他一些性质（统称为可观测物理量）都倾向于不连续的变化。

以光为例，我们说一个“光量子”，是因为一个光量子的能量是光能量变化的最小单位，光的能量是以光量子的能量为单位一份一份地变化的。其他的粒子情况也是类似的，例如，在没有被电离的原子中，绕核运动的电子的能量是“量子化”的，也就是说电子的能量只能取特定的离散的值。只有这样，原子才能稳定存在，我们才能解释原子辐射的光谱。不仅能量，对于原子中的电子，角动量也不再是连续变化的。

量子物理学告诉我们，电子绕原子核运动时也只能处在一些特定的运动模式上。在这些模式上，电子的角动量分别具有特定的数值，介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即使电子暂时以其他的方式绕核运动，很快就必须回到特定运动模式上来。

实际上在量子物理学中，所有的物理量的值都可能必须不连续地、离散地变化。在上世纪初，物理学家马克斯・普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。

出生于德国传统保守家庭的普朗克从小受到良好的教育，虽然具有音乐天赋，十分迷恋音乐，但仍旧立志献身于科学，研究物理。当他去慕尼黑大学时，一位物理学教授曾劝说他不要学习物理，因为“这门科学中的一切都已经被研究过了，只有一些不重要的空白需要填补”。教授的一席话正代表了当时大多数物理学家的心态。

然而执着的普朗克却表示：“我并不期望发现新大陆，只希望能理解已经存在的美丽的物理理论，或许能将其加深和发展那么一点点。”命运总是喜欢开玩笑。本来并未期望在物理研究中“发现新大陆”的普朗克，却在不经意间成为了量子力学的创始人。

当时，解释热力学中的辐射问题，主要有瑞利-金斯定律和维恩位移定律，前者适用于低频辐射，却无法解释高频率下的测量结果；而维恩位移定律可以正确反映高频率下的结果，但无法符合低频率下的结果。

如何才能导出一个新的公式，使得高频、低频下都能符合实验结果呢？普朗克使用了一种巧妙新颖的方法：运用玻尔兹曼的统计物理，把光当成一个一个的谐振子。在他的假设中，既然辐射的是一个一个的谐振子，也就是说在黑体辐射时，能量就不是连续地，而是一份一份地发射出来的。

据此，普朗克导出了一个新公式，这个公式在频率较小时自动回到瑞利-金斯公式，在频率较大时又自动回到维恩公式。因此，新公式能在所有的频率范围与实验结果符合。

1900年12月14日，在柏林亥姆霍兹研究所的德国物理学会上，普朗克宣读了关于这一结果的论文。而这一天也被物理学家们定为量子力学的诞生之日。

然而，这一发现并不是普朗克的初衷。作为一名传统而保守的物理学家，他只是按照科学方法办事，并未想要掀起一场革命，连他自己都不知道，自己已经把量子这个“妖精”引进了物理学。

普朗克有些后悔，认为自己制造的这个量子“妖精”破坏了物理学的完美。他曾历经15年的时间，试图寻求一种经典物理方法来导出同样的公式，解决黑体辐射问题，以便挽回“局面”。

然而，他没有成功。直到1905年，26岁的爱因斯坦利用光量子的假说圆满解释了光电效应；1913年，28岁的玻尔提出了量子化的原子结构理论；1923年，31岁的德布罗意提出了德布罗意波；1925年，24岁的海森堡创立了矩阵力学；1926年，37岁的薛定谔建立了薛定谔方程……量子力学才逐渐羽翼丰满，真正使人们看到了量子概念所闪现的耀眼光芒。

说一说“量子叠加”

量子有一个非常奇怪的特性――量子叠加。

什么是量子叠加？经典事件里可以用某个物体的两个状态代表0或1，比如一只猫，或者是死，或者是活，但不能同时处于死和活的状态中间。

但在量子世界，不仅有0和1的状态，某些时候像原子、分子、光子可以同时处于0和1状态相干的叠加。比如光子的偏振状态，在真空中传递的时候，可以沿水平方向振动，可以沿竖直方向振动，也可以处于45°斜振动，这个现象正是水平和竖直偏振两个状态的相干叠加。

这种所谓的量子相干叠加是量子世界与经典世界的根本区别。

著名的“薛定谔猫”形象地描述了这个佯谬。在经典世界里，猫要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的猫却可以处在“死”和“活”的叠加状态上。那么这只量子“薛定谔猫”到底是死的还是活的呢？

量子测量原理给出的答案是，如果你不去看这只猫，它既不是死的也不是活的！如果你去看这只猫，那么它也许是死的，也许是活的！

正因为有量子叠加状态，才导致量子力学不确定原理，即如果事先不知道单个量子状态，就不可能通过测量把状态的信息完全读取；不能读取就不能复制。这是量子的两个基本特性。

在量子叠加原理基础之上，衍生出了量子的另一个奇妙特性，叫做“量子纠缠”。比方说，甲、乙两人分处异地，两人同时玩一个游戏――掷骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率随机得到1到6结果中的某一个；同时，乙在另一地掷骰子，尽管两人每一次单边结果都是随机的，但每一次的结果却是一模一样的，就好像是双胞胎心灵感应一样。这就是“量子纠缠”。

若两个量子粒子处在特殊的状态（俗称“纠缠态”）中，不管其空间分离得多远，当对其中一个粒子施行操作或测量，远处的另一个粒子状态会瞬时地发生相应的改变，爱因斯坦称这个现象为“幽灵般的超距作用”。当时，爱因斯坦认为，怎么会允许两个客体在遥远的两地之间有这种诡异的互动呢？据此，他质疑量子理论的完备性。

1982年，法国物理学家Alain Aspect和他的小组证实了“量子纠缠”的超距作用确实存在。

但直到2015年，荷兰代尔夫特理工大学物理学家Ronald Hanson领导的团队进行了一项被他们称之为“无漏洞贝尔测试”的实验，“幽灵般的超距作用”才得到比较严格的验证。

有了量子纠缠，量子隐形传输的概念便呼之欲出。

通俗来讲，量子隐形传输是将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。由于量子力学的不确定原理和量子态不可克隆原理，限制我们将原量子态的所有信息精确地全部提取出来。因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典通道和量子通道送到乙地。根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。

1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。

量子也可以“接地气”

多年来，科学家们努力运用量子世界种种奇异的性质开拓出适用于经典世界的新技术，将向来被公众认为高深莫测“诡异”的量子物理从云端落地到人世间，服务社会大众。

其实，量子理论是一门非常实用的学科。

早在第二次世界大战之前，它的原理就已经被运用于分析金属和半导体的电学和热学性质。战后，晶体管和激光器这两个运用量子理论原理且广为人知的装置，更是极大地推动了信息革命的发展。

到本世纪初，在我们的周围随处可见直接或间接运用量子理论的技术和装置。从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统、从无水涂料到激光制动车闸、从医院的核磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已经渗透到我们的生活中。

另外，计算能力的飞跃也是量子理论的重要应用之一。在经典计算机中，每个比特都只有0和1这两种状态。但在量子计算中，每个比特可以处在0和1的叠加状态，一旦操纵的量子数目增多，它就会以指数增长的形式来提升运算速度，有并行运算的能力。

比如，利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年，利用万亿次量子计算机，只需要1秒。同样，在大数据和人工智能里，求解一个亿亿亿变量的方程组，利用目前最快的亿亿次“天河二号”计算机大概需要100年左右，但是如果利用万亿次的量子计算机，只需要0.01秒。

量子计算的应用非常广泛，不仅可以解决大规模的计算机难题，破解经典密码，进行气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探，而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。不过，量子纠缠“分身术”的特性有一个更为直接的应用，便是量子保密通信。

现在被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里，外面得不到能量，所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展，只需让光缆泄露哪怕很少一部分能量，我们就能够窃听光缆传递的信号。

这是因为经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。比方说，两人打电话时，他人可通过窃听器从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。“棱镜门”等事件的曝光便是最好的例证。

而量子通信则完全不会出现这个问题，这是因为其密钥具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取密钥，整个通信信息就会“自毁”并告知使用者。比如，甲、乙二人要进行安全通信，甲发出的光子信息状态有水平、竖直、45°等，假设有人窃听，由于光子不可分割，首先窃听者根本无法分割出“半个光子”；其次，因为单次测量测不准、不可克隆的量子态特性，窃听者无法复制信息；倘若窃听者截获光子，乙就收不到信息，也就不存在窃听。

量子计算的运用范文第2篇

高性能计算能力是国家重要科技实力的体现，中科院、科技部率先部署和支持了高性能计算相关规划与建设。到2016年，中国科学院高性能计算环境已为我国科研服务20年，支撑了多个国家重大规划、千余项国家各类科研项目。

虽然中国高性能计算已经取得了里程碑性的成绩，但是科研工作者的脚步不会停止。他们已经在思考未来的发展方向在哪里，并将目光瞄向了“天然的超级计算机”―量子计算机。

“杞人忧天”的物理学家们与量子计算机的诞生

量子计算机的诞生和著名的摩尔定律有关，还和“杞人忧天”的物理学家们有关。

众所周知，摩尔定律的技术基础是不断提高电子芯片的集成度（单位芯片的晶体管数）。集成度不断提高，速度就不断加快，我们的手机、电脑就能不断更新换代。

20世纪80年代，摩尔定律很贴切地反映了信息技术行业的发展，但“杞人忧天”的物理学家们却提出了一个“大煞风景”的问题： 摩尔定律有没有终结的时候？

之所以提出这个问题，是因为摩尔定律的技术基础天然地受到两个主要物理限制。

一是巨大的能耗，芯片有被烧坏的危险。芯片发热主要是因为计算机门操作时，其中不可逆门操作会丢失比特。物理学家计算出每丢失一个比特所产生的热量，操作速度越快，单位时间内产生的热量就越多，算机温度必然迅速上升，这时必须消耗大量能量来散热，否则芯片将被烧坏。

二是为了提高集成度，晶体管越做越小，当小到只有一个电子时，量子效应就会出现。此时电子将不再受欧姆定律管辖，由于它有隧道效应，本来无法穿过的壁垒也穿过去了，所以量子效应会阻碍信息技术继续按照摩尔定律发展。

所谓隧道效应，即由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿。它在本质上是量子跃迁，粒子迅速穿越势垒。在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按照经典力学的说法，粒子是不可能越过势垒的；而对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒，实际上也的确如此。

这两个限制就是物理学家们预言摩尔定律会终结的理由所在。

虽然这个预言在当时没有任何影响力，但“杞人忧天”的物理学家们并不“死心”，继续研究，提出了第二个问题：如果摩尔定律终结，在后摩尔时代，提高运算速度的途径是什么？

这就导致了量子计算概念的诞生。

量子计算所遵从的薛定谔方程是可逆的，不会出现非可逆操作，所以耗能很小；而量子效应正是提高量子计算并行运算能力的物理基础。

甲之砒霜，乙之蜜糖。它们对于电子计算机来说是障碍的量子效应，对于量子计算机来说，反而成了资源。

量子计算的概念最早是1982年由美国物理学家费曼提出的。1985年，英国物理学家又提出了“量子图灵机”的概念，之后许多物理学家将“量子图灵机”等效为量子的电子线路模型，并开始付诸实践。但当年这些概念的提出都没有动摇摩尔定律在信息技术领域的地位，因为在相当长的时间内，摩尔定律依然在支撑着电子计算机的运算速度的飞速提高。

直到今年，美国政府宣布，摩尔定律终结了。微电子未来的发展是低能耗、专用这两个方向，而不再是追求速度。

由此可见，基础研究可能在当时看不到有什么实际价值，但未来却会发挥出巨大作用。

量子计算机虽然好，研制起来却非常难

量子计算机和电子计算机一样，其功用在于计算具体数学问题。不同的是，电子计算机所用的电子存储器在某个时间只能存一个数据，它是确定的，操作一次就把一个比特（bit，存储器最小单元）变成另一个比特，实行串行运算模式；而量子计算机利用量子性质，一个量子比特可以同时存储两个数值，N个量子比特可以同时存储2的N次方数据，操作一次会将这个2的N次方数据变成另外一个2的N次方数据，以此类推，运行模式为一个CPU的并行运算模式，运行操作能力指数上升，这是量子计算机来自量子性的优点。量子计算本来就是并行运算，所以说量子计算机天然就是“超级计算机”。

要想研制量子计算机，除了要研制芯片、控制系统、测量装置等硬件外，还需要研制与之相关的软件，包括编程、算法、量子计算机的体系结构等。

一台量子计算机运行时，数据输入后，被编制成量子体系的初始状态，按照量子计算机欲计算的函数，运用相应的量子算法和编程，编制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作变换，将量子计算机的初态变成末态，最后对末态实施量子测量，读出运算的结果。

一台有N个量子比特的量子计算机，要保证能够实施一个量子比特的任意操作和任意两个量子比特的受控非操作，才能进行由这两个普适门操作的组合所构成的幺正操作，完成量子计算机的运算任务。这是量子芯片的基本要求。如果要超越现有电子计算水平，需要多于1000个量子比特构成的芯片。目前，这还无法实现。这种基于“量子图灵机”的标准量子计算是量子计算机研制的主流。

除此以外，还有其他量子计算模型，如单向量子计算、分布式量子计算，但其研制的困难程度并没有减小。另外，还有拓扑量子计算、绝热量子计算等。

由于对硬件和软件的全新要求，量子计算机的所有方面都需要重新进行研究，这就意味着量子计算是非常重要的交叉学科，是需要不同领域的人共同来做才能做成的复杂工程。

把量子计算机从“垃圾桶”捡回来的量子编码与容错编码

实现量子计算最困难的地方在于，这种宏观量子系统是非常脆弱的，周围的环境都会破坏量子相干性（消相干），一旦量子特性被破坏，将导致量子计算机并行运算能力基础消失，变成经典的串行运算。

所以，早期许多科学家认为量子计算机只是纸上谈兵，不可能被制造出来。直到后来，科学家发明了量子编码。

量子编码的发现等于把量子计算机从“垃圾桶”里又捡回来了。

采用起码5个量子比特编码成1个逻辑比特，可以纠正消相干引起的所有错误。

不仅如此，为了避免在操作中的错误，使其能够及时纠错，科学家又研究容错编码，在所有量子操作都可能出错的情况下，它仍然能够将整个系统纠回理想的状态。这是非常关键的。

什么条件下能容错呢？这里有个容错阈值定理。每次操作，出错率要低于某个阈值，如果大于这个阈值，则无法容错。

这个阈值具体是多大呢？

这与计算机结构有关，考虑到量子计算的实际构型问题，在一维或准一维的构型中，容错的阈值为10^-5，在二维情况（采用表面码来编码比特）中，阈值为10^-2。

目前，英国Lucas团队的离子阱模型、美国Martinis团队的超导模型在单、双比特下操作精度已达到这个阈值。

所以，我们的目标就是研制大规模具有容错能力的通用量子计算机。

量子计算机的“量子芯”

量子芯片的研究已经从早期对各种可能的物理系统的广泛研究，逐步聚焦到了少数物理系统。

20世纪90年代时，美国不知道什么样的物理体系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，发现许多体系根本不可能最终做成量子计算机，所以他们转而重点支持固态系统。

固态系统的优点是易于集成（能够升级量子比特数目），但缺点是容错性不好，固态系统的消相干特别严重，相干时间很短，操控误差大。

2004年以来，世界上许多著名的研究机构，如美国哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学，日本东京大学，荷兰Delft大学等都做了很大的努力，在半导体量子点作为未来量子芯片的研究方面取得了一系列重大进展。最近几年，半导体量子芯片的相干时间已经提高到200微秒。

国际上，在自旋量子比特研究方面，于2012年做到两个比特之后，一直到2015年，还是停留在四个量子点编码的两个自旋量子比特研究上，实现了两个比特的CNOT（受控非）。

虽然国际同行关于电荷量子比特的研究比我们早，但是至今也只做到四个量子点编码的两个比特。我们研究组在电荷量子比特上的研究，2010年左右制备单个量子点，2011年实现双量子点，2012～2013年实现两个量子点编码的单量子比特， 2014～2015年实现四量子点编码的两个电荷量子比特。目前，已研制成六个量子点编码为三个量子比特，并实现了三个比特量子门操作，已经达到国际领先水平。

超导量子芯片要比半导体量子芯片发展得更快。

近几年，科学家使用各种方法把超导的相干时间尽可能拉长，到现在已达到了100多微秒。这花了13年的基础研究，相干时间比原来提高了5万倍。

超导量子计算在某些指标上有更好的表现，比如：

1.量子退相干时间超过0.1ms，高于逻辑门操作时间1000倍以上，接近可实用化的下限。

2.单比特和两比特门运算的保真度分别达到99.94%和99.4%，达到量子计算理论的容错率阈值要求。

3.已经实现9个量子比特的可控耦合。

4.在量子非破坏性测量中，达到单发测量的精度。

5.在量子存储方面，实现超高品质因子谐振腔。

美国从90年代到现在，在基础研究阶段超导领域的突破已经引起了企业的重视。美国所有重大的科技公司，包括微软、苹果、谷歌都在量子计算机研制领域投入了巨大的力量，尽最大的努力来争夺量子计算机这块“巨大的蛋糕”！

其中，最典型的就是谷歌在量子计算机领域的布局。它从加州大学圣芭芭拉分校高薪引进国际上超导芯片做得最好的J. Matinis团队（23人），从事量子人工智能方面的研究。

他们制定了一个目标―明年做到50个量子比特。定这个目标是因为，如果能做49个量子比特的话，在大数据处理等方面，就远远超过了电子计算机所有可能的能力。

整体来看，量子计算现在正处于“从晶体管向集成电路过渡阶段”。

尚未研制成功的量子计算机，我们仍有机会！

很多人都问，实际可用的量子计算机究竟什么时候能做出来？

中国和欧洲估计需要15年，美国可能会更快，美国目前的发展确实也更快。

量子计算是量子信息领域的主流研究方向，从90年代开始，美国就在这方面花大力气进行研究，在硬件、软件、材料各个方面投入巨大，并且它有完整的对量子计算研究的整体策划，不仅各个指标超越世界其他国家，各个大公司的积极性也被调动了起来。

美国的量子计算机研制之路分三个阶段：第一阶段，由政府主导，主要做基础研究；第二阶段，企业开始投入；第三阶段，加快产出速度。

反观中国的量子计算机发展，明显落后于其他国家，软件、材料几乎没有人做，软硬件是相辅相成的，材料研究也需提早做准备。作为“十三五”重大科技目，量子计算机应当“三驾马车”一起发展，硬件、软件、材料三个都要布局。

量子计算的运用范文第3篇

人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升?传统计算机计算能力的提高有没有极限?对此问题，学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高，最终地球上所有的能最将转换为计算的结果一造成熵的降低，这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的，因此，传统电子计算机的计算能力必有上限。而以mM研究中心朗道为代表的理论科学家认为到2l世纪30年代，芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度．此时，导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律一牛顿力学沿导线运行，而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象，从而导致芯片无法正常工作：同样，芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸后，晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。哲学家和科学家对此问题的看法十分一致：摩尔定律不久将不再适用。也就是说，电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在2l世纪前30年内终止。著名科学家，哈佛大学终身教授威尔逊指出：“科学代表着一个时代最为大胆的猜想。它纯粹是人为的。但我们相信，通过追寻“梦想一发现一解释一梦想”的不断循环，我们可以开拓一个个新领域，世界最终会变得越来越清晰，我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的。”

二、各种新型计算机

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(quorum computer)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。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的。量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，但是其精确度和速度是普通电脑望尘莫及的。

（2）光子计算机。现有的计算机是由电子来传递和处理信息。电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快。但是，从发展高速率计算机来说，采用电子做输运信息载体还不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线瓦连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高，计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

（3）分子计算机。分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。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。

三、探究研究策略的依据

笔者认为开展计算机发展史研究的一种思路是：本着实用主义的态度，分阶段提取计算机发展过程中的关键问题。围绕这些问题展开研究，尤其要着力于问题解决过程中碰到的困难，以及问题解决后发现的新问题。

（1）“实用主义”无褒贬之分。弥补对计算机发展的历史认知，不宜再去重做实验，推倒人类已有的技术规范重来：只能进一步的学习和研究，在研究和学习中发现问题，找出规律。同时，“实用’，也是发挥后发优势的应有之义。

（2）紧紧围绕“问题”。在科学发展的历史进程中，问题要比问题的解决更重要，“一个好的问题堪比一所好的大学”计算机的发展也是在不断地提出问题、解决问题中发展进步，每一次问题的提炼和解决都促进了计算机水平得到一次升华和提高。

（3）事物的发展是动态的，已有问题的解决必然带来新的问题新的问题是对已有问题解决方法的挑战与审视，抑或是新科学新技术寻找用武之地发挥作用的要求，尝试主动提出可预见的问题并设法解决是现代思维方式的一个显著特征，爱冈斯坦曾说：提出一个问题往往比解决一个问题更重要，正是这个意思。提新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，这一切需要有创造性的想象力。往往是获得认识突破的契机，这种习惯或者素养是极其宝贵的。

四、结束语

计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。在这个世纪之交，知识经济时代呼啸而来，作为知识和信息的处理、传输和存储之载体的计算机。在即将来临的2I世纪，将会不断地开发出新的品种。而这些新颖的计算机的发展将趋向超高速、超小型并行处理和智能化。为达到预想的目的各种新型材料将被运用到新型计算机的开发当中，如量子、光子分子等。未来量子、光子和分子计算机将具有感知、思考、判断、学习以及一定的自然语言能力，使计算机进人人工智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计算技术革命，对人类社会的发展产生深远的影响。

参考文献：

[1]刘科伟等．量子计算与量子计算机．计算机工程与应用，2002(38)

[2]王延汀．谈谈光子计算机．现代物理知识，2004，(16)．

量子计算的运用范文第4篇

关键词：计算机技术 发展 趋势

1、计算机技术的发展历史

为了计算导弹的运行弹道,历史上第一台电子计算机（肯尼亚克）于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学诞生。到20世纪60年代和80年代后,计算机除应用于军用单位以外,很多政府部门和大型的科研机构,甚至一些比较有实力的企业部门也开始应用计算机进行管理。之后,Intel4位中央处理器的问世让计算机的普及与发展更深入,并于1982年创造了第一台个人计算机,促使了计算机成本的飞速降低,实现了计算机除有能力的单位或研究组织和军事机构之外的家庭和小型企业也能使用。20世纪90年代开始,很多企业和家庭也使用了计算机。同时计算机向两极分化:一方面是往微、往小、往便宜发展进入家庭;另一个向高、向难、向大发展,仍然运用于军事、科学技术。现在,计算机在互联网、公司、政府机关、家庭等领域得到广泛应用。

从计算机的发展历史我们不难发现,计算机技术作为一项历史突破性技术,不断的在快速成长、更新和发展,而它的每次更新也都必然促进它自身的发展与推广。

2、新型计算机系统的出现

2.1 光子计算机

光子计算机是以光子代替电子,将光子作为计算机的传导粒子,将传统的导线连接创新为光互连接,传统的计算机硬件也将被光硬件设备取代。在运算形式上,光子计算机能够在并行度及运行速度上得到飞跃式提高。光子计算机的通讯量也是传统计算机望尘莫及的,此外,光子计算机还具有十分强大的纠错特性,能够确保当某一计算机出现问题时,其他的计算机能够继续安全运行,从而在一定程度上保护的计算机是计算结果的正确程度。

2.2 纳米计算机

纳米计算机使计算机在外观上大有改变,在能源的消耗方面,纳米技术具有十分明显的优势。纳米计算机技术使电脑耗材的使用量大大减少,提高了相关硬件的使用年限。因此,在诸多新兴计算机当中,纳米计算机可以说是最先进。

2.3 分子计算机

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。计算机的转换开关由酶来充当,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。DNA计算机消耗的能量非常小,只有电子计算机的十亿分之一,由于生物芯片的原材料是蛋白质分子,所以生物计算机既有自我修复的功能,又可直接与生物活体相联。

2.4 量子计算机

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。量子计算机在特征上介于器件与架构之间,量子计算机中数据用量子位存储。

3、计算机技术发展趋势预测

3.1 纳米技术将广泛发展和应用

由于纳米技术突破了计算机集成和处理速度的双重限制,因此需要大力发展该项技术,它也将随着科技发展的大趋势成为未来计算机发展的一个重要方向。量子计算机的运算速度可达每秒1万亿次,储存容量可达到1万亿亿二进位。随着纳米技术的发展,可以产生量子计算机和生物计算机,而它们的运算速度,存储能力都远远超过目前的计算机,因而纳米技术的进一步发展和应用,将是未来的一个重要方向。

3.2 改善计算机的体系结构

计算机是一个组合体,是一个具有不同功能的体系结构。当前计算机在结构设计方面主要是进行多任务的并行计算,这样可以利用同一台机器进行多个任务的处理。对于大型电脑来说,另一种发展趋势是集群系统,它能够给用户提高可靠性以及相融性。因此,为了提升当前计算机和用户之间的交互性,应该重点发展集群性的计算机系统,强化系统的可靠性以及兼容性。

3.3 网络技术的发展

计算机的运用越来越广泛,与人们的生活息息相关,这最主要的原因就是网络技术的发展。正是网络的出现与快速发展使得计算机有了更加广阔的发展空间。当前计算机的发展已经离不开网络。随着网络技术的不断的成熟和发展,人们和网络之间的联系也在不断的密切。这就使得未来的互联网云技术的发展提供了广阔的空间。因此,大力发展网络技术有利于计算机的发展。随着科技的进步,人们将步入物联网、智能电网的时代,这些都必须基于先进的网络技术。

3.4 软件技术

对于计算机来说,软件是非常重要的。目前主流的操作系统和计算机硬件性能作对比,软件性能作用不小。用实际使用系统来说,属于Microsoft的都形成了工业台式计算机的占多数的实际使用系统,还能促进对企业工程区域进展。数据库的作用越来越完整,不过针对数据内容的解决会脱离仅仅限制在数字与符号等,对于多媒体消息的解决还可以超过仍然还处于单一的进制代码文件的储备。程序语言是

软件性能的主要构成类别,因为互联网的通用性,多种类的语言逐一实行支撑互联网新技术。计算机协调工作性能同样仍然是现在软件技术进展的相同目标。

3.5 多媒体性能

多媒体性能的开拓与进展把服务器、路由器以及转换器诸多互联网需要的设施的技术明显提高,其中包含有用户端、内存、图形片诸多硬件性能。互联网使用人不再像原来一样被动地接受解决信息的形态,而是更加以踊跃主动的形式来进入现在的互联网空间。除此以外还有蓝牙技能的发明运用,令多媒体通信技能无线电、数字信息、个人区域网络、无线宽带局域网等快速更新。

事实上,多媒体性能数字化是促使将来技能扩展的主要方面。由于多媒体性能是电脑赖以生存与发展的基础,数字多媒体芯片性能就会变成将来多媒体性能生命里的核心。

4、结语

计算机技术是一个自我生存能力、自我发展能力极其强大、前途无量的一门新技术,软件、互联网、计算机系统组织、纳米等技术的运用,不仅是实现发展高速化、智能化、多元化和微型化的前提,还是未来计算机技术提高的关键环节。因此,总结和了解计算机技术发展的历史、现状并对其未来发展进行预测,能够有助于我们进一步发展计算机技术和计算机产业,更好地让计算机技术服务于我们的生产和生活。

参考文献

[1]彭斌.计算机技术发展中的创造与选择[D].南京:东南大学,2004.

量子计算的运用范文第5篇

人物篇――兴趣使然躬耕物理

1994年7月毕业于南京大学物理系；1999年在中科院物理所获博士学位；1999年9月至2001年7月在清华大学高等研究中心完成博士后研究工作；2001年起在北京师范大学任教。

这就是寇谡鹏的求学、治学之路：水到渠成、充实而不平庸。早在青少年时期，寇谡鹏就对物理产生了浓厚的兴趣，对科研发自心底的热爱。当时，物理学在国内很有影响力，全国到处都在宣传像李政道、杨振宁这些获得诺贝尔奖的华裔物理学家，国内很多优秀学生在大学阶段都选择了攻读物理，寇谡鹏也是其中之一。但是，他的选择却并非跟风的盲目之举，而是基于发自心底的对物理学科的热爱，他说，　“只有真正的兴趣使然，才会深入的、耐得住寂寞的钻研学问”。

也正是由于兴趣使然，寇谡鹏学习刻苦、成绩优异，在中国科学院物理研究所攻读博士学位期间，他被评为中国科学院研究生院优秀研究生，曾获得中国科学院院长奖学金优秀奖。

1999年，寇谡鹏进入清华大学高等研究中心做博士后研究工作，那里有世界一流大学的研究模式和条件，有宽松自由的学术环境，在那里，寇谡鹏结识了当今华人物理界的众多精英，采访中他就反复提及翁征宇、文小刚等人的名字，称赞他们在物理研究中的杰出成就。和众多大师级的人物近距离的接触，也增加了他们之间合作的机会。2004年，寇谡鹏作为北京师范大学物理学科学术带头人的培养对象，在“杰出青年学者数学物理研修项目”资助下被派往美国麻省理工学院研修，合作导师就是文小刚教授。

刻苦求索，玉汝于成。多年来，寇谡鹏始终瞄准理论物理的前沿尖端方向做研究，他的研究领域涉及强关联电子系统、高温超导理论、介观物理、量子场论、拓扑序和拓扑量子计算等。至今，他已在强关联电子系统、高温超导体机制、拓扑量子态等研究领域中取得了若干创造性的成果，在国际国内重要期刊60余篇，其中美国物理评论快报（PRL）3篇、美国物理评论（PR）27篇、欧洲物理快报（EPL）3篇。目前主持国家自然科学基金一项，科技部973项目量子调控子项目两项，主持博士点基金（博导类）一项，国内、国际学术会议邀请报告近二十余次。并担任美国物理评论快报、美国物理评论、中国科学、中国物理、理论物理通讯、物理学报、物理学前沿等国际、国内杂志审稿人。

科研篇――瞄准前沿发展尖端

一心做学问、专注自己有兴趣的领域，也使寇谡鹏得到了同行的认可，入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”并获得第十三届茅以升北京青年科技奖。以下是他的代表性成果：

在拓扑序的分类及拓扑量子相变研究中，发现了一类二维Z2拓扑数，可以利用这种新的拓扑数对拓扑序、拓扑超导进行分类，另外，还发现Z2拓扑序可以由MutuaI-Chern-Simons场论描述，包括拓扑简并、手征边缘态等。获得完整的有效理论可以使得我们很方便的描述拓扑序的低能物理行为。还利用分数量子霍尔态中的hierarchy　theory提出了Mutual　Chern-Simons　Landau-Ginzburg方法，得到了一类拓扑序量子相变的普适性原理。还运用对偶方法得到了基于自旋模型的Z2拓扑序的量子相变的一些严格结果，通过引入了闭弦算符描述该相变，发现这类量子相变开弦和闭弦的对偶关系。

在拓扑量子计算中，提出了一种新的拓扑量子计算方案，通过控制拓扑序基态的量子隧道效应进行拓扑量子计算，解决了如何控制拓扑序基态的难题。为此系统化的研究了拓扑序的量子隧道效应，在此基础上进一步提出更适合进行拓扑量子计算的表面码的拓扑量子计算方案，该工作被多个虚拟网络杂志多次选录。

在相互作用电子系统中的新奇量子态领域，系统化的研究了一类关联费米系统：Nodal绝缘体。这是在六角格子或丌-磁通格子中的相互作用电子系统。发现在金属绝缘体转变附近可能存在一种新的物态：nodal自旋液体，一种具有自旋旋转对称性、又有空间平移对称性的非磁绝缘体。发现其中的拓扑元激发是无质量的费米激发，存在电荷自旋分离现象。相关工作作为“Review　article”被邀请写入Nova　science　Publishers的新书“Insulators：Types，Properties　and　Uses”。另外，基于关联拓扑绝缘体，从理论上预言了可能存在的三种新奇量子态：手征自旋液体、拓扑自旋密度波、复合自旋液体。其中，复合自旋液体态不同于已知的所有自旋液体，其元激发为电子和skyrmion拓扑激发的复合体，没有自旋电荷分离。

在高温超导体的拓扑理论领域，从高温超导体的微观模型出发，得到了一个有效场论模型。利用随机重整化群技术研究了高温超导体绝缘体一超导转变的物理机制，发现该转变的物理本质是一个量子临界点，在该量子临界点发生对偶禁闭退禁闭转变。并在此基础上解释了高温超导体中条纹相不稳定性的起源。另外，从低能有效场论出发，预言在赝能隙区，在外加电磁场的情况下，高温超导体存在守恒的无耗散自旋流。

树人篇――用心育人凝练队伍

人才培养方面，寇谡鹏每年讲授本科生基础课“电磁学”将前沿知识融入教学中，取得了很好的教学效果，同时指导了十多个本科毕业论文和两个本科生校级科研基金项目。另外参与教学改革：主持校级精品课“电磁学”，还参与北京市精品课“固体物理”和北师大“电磁学网络课程”的建设。因此，他于2006年获得北京师范大学励耘奖优秀青年教师奖二等奖，2007年获得北京市教育创新标兵。

大学教育是高层次的教育，寇谡鹏讲课不仅重视系统性、清晰性和层次性，更重要的是在教学中独具匠心，采用“渗透现代物理前沿”的教学模式，创新人才培养模式。渗透现代前沿的教学模式关键在于采取理论学习和科研相结合的方式，使学生进行“有目的”的学习。面对一年级的本科生他大胆介绍物理专业国内外发展的最新动态，让学生不仅了解物理的过去、现在而且可以畅想未来。通过生动的多媒体课件直观地介绍，充分发挥老师的主导作用和学生的主动性。他认为物理教学应开阔而非僵化学生的思维。现代物理的思想与方法渗透于日常教学中，让学生尽可能多地接触学科前沿，开阔学生视野，激发学生兴趣，并启发他们学会如何“发现”物理问题，分析问题，讨论解决问题，有利于激发创造性。