引論：我們?yōu)槟砹?3篇量子計(jì)算的運(yùn)用范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
一、人力資本價值會計(jì)計(jì)量方法的理論概述
根據(jù)會計(jì)的基本理論要求可知，一般人力資源的會計(jì)計(jì)量方法主要分為兩大類，一類是貨幣性計(jì)量，另一類則是非貨幣性計(jì)量。下面就讓我們深入的來了解一下具體的會計(jì)計(jì)量方法吧。
(一)貨幣性計(jì)量
貨幣性計(jì)量方法是會計(jì)計(jì)量在人力資本價值核算的基本方法，它主要包括成本法和價值法兩種。1.成本法
該種會計(jì)計(jì)量方法的主要依據(jù)是人力資源取得、開發(fā)、應(yīng)用及替代成本。它包括：
(1)歷史成本法
歷史成本法就是將企業(yè)以往的用于人力資源的費(fèi)用進(jìn)行核算、統(tǒng)計(jì)并用具體的資金表示出來的一種方法。該種方法應(yīng)用于人力資本價值之上具有一定的落后性，因?yàn)楦鱾€時期的人員工資以及成本是不一致的。
(2)重置成本法
重置成本法就是企業(yè)對于已有的存貨以及固定資產(chǎn)等進(jìn)行全面清查，在對于生產(chǎn)過程之中所需要重新購置的資產(chǎn)進(jìn)行成本估算的一種方法。該種方法雖然有利于人力成本價值的核算，但是較為復(fù)雜。
(3)機(jī)會成本法
機(jī)會成本法對于人力資本價值而言就是指對將企業(yè)的工作人員離開企業(yè)后所帶來的后果進(jìn)行核算計(jì)量的一種方法，對于該種方法無非會出現(xiàn)兩種結(jié)果：一個是企業(yè)人員的離開會給企業(yè)帶來損失，另一種與之相反。
2.價值法
該種會計(jì)計(jì)量法是貨幣性計(jì)量的另一種重要形式，它主要包括了隨機(jī)報酬價值法、未來收益折現(xiàn)法、工資報酬折現(xiàn)法和機(jī)會價值法這四種會計(jì)計(jì)量法。其中：
(1)隨機(jī)報酬價值法
隨機(jī)報酬價值法是用人力資源為組織提供的服務(wù)所創(chuàng)造的價值來計(jì)算人力資源的價值。具體來說就是指體育運(yùn)動俱樂部的工作人員為企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。
(2)未來收益折現(xiàn)法
就是指一個公司企業(yè)的工作人員如：職業(yè)體育俱樂部的工作人員他們的日常工作能夠?yàn)楣镜奈磥斫?jīng)營所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，并通過金融市場學(xué)之中的現(xiàn)值公式將其預(yù)算價值換算成現(xiàn)值，并加以比較來核算人力資本價值。
(3)工資報酬折現(xiàn)法
具體來說就是將工作人員的工作價值換算成現(xiàn)值，并以工資的形式表現(xiàn)出來。
(4)機(jī)會價值法
機(jī)會價值法是將人力資源給企業(yè)帶來的自由現(xiàn)金流量進(jìn)行貼現(xiàn)作為人力資源的價值。
(二)非貨幣計(jì)量
1.行為矩陣法
人力資源的需求狀況、價值體系乃至每類人力資源主體的有關(guān)情況等作為變量,形成矩陣,通過模糊運(yùn)算得出人力資源的工作滿足感、在職傾向和工作意愿三個產(chǎn)出變量。
2.經(jīng)濟(jì)價值法
經(jīng)濟(jì)價值法就是將一個企業(yè)的預(yù)期的未來盈利視為企業(yè)人力資源群體的未來服務(wù)潛能,然后按照一定的折現(xiàn)率折成現(xiàn)值,
3.內(nèi)部投標(biāo)法
內(nèi)部投標(biāo)法假定企業(yè)內(nèi)的人力資源是稀缺的和富有價值的,各個部門可以通過內(nèi)部競爭的方式,投標(biāo)最高者/部門取得該人力資源主體。那么最高競標(biāo)者的標(biāo)底即該人力資源的價值。
二、職業(yè)體育運(yùn)動員人力資源價值會計(jì)計(jì)量運(yùn)用模式構(gòu)建
(一)成本評估
對于職業(yè)體育俱樂部而言，其核心的工作人員就是該俱樂部的運(yùn)動員，所以，對于職業(yè)體育俱樂部的成本估計(jì)而言就是指對于職業(yè)俱樂部的運(yùn)動員的培養(yǎng)過程之中的成本估計(jì)，主要包括運(yùn)動員的取得成本,培訓(xùn)成本,使用成本,機(jī)會成本和保障成本.其中,取得成本包括招募成本,選材成本,錄用成本等；培訓(xùn)成本主要是指為了培訓(xùn)運(yùn)動員而購買材料、訓(xùn)練器械以及教練工資等成本支出；使用成本就是在培養(yǎng)運(yùn)動員過程之中所使用的一切機(jī)械材料以及人力資源的成本：保障成本就是指為了保障運(yùn)動員的訓(xùn)練安全以及人身安全所支出的一切費(fèi)用等。
在職業(yè)體育運(yùn)動員人力資源價值的會計(jì)計(jì)量之中，成本估計(jì)是最為基礎(chǔ)的一項(xiàng)運(yùn)用模式，以為它關(guān)乎到職業(yè)體育俱樂部的生存與發(fā)展問題，應(yīng)該引起俱樂部相關(guān)工作人員的高度注意。
(二)新增價值評估
在職業(yè)體育俱樂部之中的優(yōu)秀運(yùn)動員因?yàn)槠渥陨淼乃蕉玫搅松鐣姷恼J(rèn)可與喜愛，因而也會給俱樂部帶來一定的收益，這主要是人力資源創(chuàng)造的結(jié)果,其中新增價值主要表現(xiàn)在代言產(chǎn)品的所得報酬、廣告代言費(fèi)用、贊助商對于比賽的贊助費(fèi)用等。
對于職業(yè)體育運(yùn)動員的人力資本價值中性增加值的評估主要是采用未來收益折現(xiàn)法以及機(jī)會成本法來進(jìn)行會計(jì)計(jì)量。這樣，對于運(yùn)動員的培養(yǎng)以及成本估算也是很有幫助的。
三、職業(yè)體育運(yùn)動員人力資本價值會計(jì)計(jì)量方法的具體應(yīng)用
對于職業(yè)體育運(yùn)動員人力資本價值的核算主要是采取會計(jì)計(jì)量法來進(jìn)行核算。所以，為了對運(yùn)動員的人力資本價值有一個非常準(zhǔn)確的分析與核算就要求在進(jìn)行人力資源的資本價值核算之前對職業(yè)體育俱樂部的運(yùn)動員進(jìn)行一個簡單而又合理的分類。
(一)普通的運(yùn)動員
對于普通運(yùn)動員的定義而言，并不是對他們運(yùn)動實(shí)力的一個否定，而是說在此時他們的新增價值還并不是很高，仍然還處于技術(shù)的提高階段。所以對于該類運(yùn)動員而言，其成本價值還是較高的，所以對于他們的資本價值的核算主要體現(xiàn)在以下方面：
第一，職業(yè)體育俱樂部的初始人力資產(chǎn)是與職業(yè)體育俱樂部是否取得人力資產(chǎn)是無關(guān)的,可以將每年在教育方面的投資進(jìn)行貼現(xiàn)來計(jì)算初始人力資產(chǎn)。或者就是將隨機(jī)報酬貼現(xiàn)法應(yīng)用其中，對于這類普通的運(yùn)動員主要是注重其技術(shù)技能的培養(yǎng)，所以主要是對其每年的培養(yǎng)費(fèi)用進(jìn)行核算貼現(xiàn)處理，從而初始化人力資產(chǎn)。
第二，職業(yè)體育俱樂部的后續(xù)人力資產(chǎn)應(yīng)該根據(jù)職業(yè)體育俱樂部實(shí)際發(fā)生的投資成本予以計(jì)量。對于該種會計(jì)計(jì)量類型同樣也是采取貨幣性計(jì)量法中的價值法來進(jìn)行人力資本價值的核算。所以，這就要求職業(yè)體育俱樂部的會計(jì)人員秉著公平、公正、公開的原則對職業(yè)俱樂部實(shí)際發(fā)生的投資成本進(jìn)行計(jì)量。
第三，在年末根據(jù)職業(yè)體育俱樂部績效考核結(jié)果對人力資源的計(jì)量進(jìn)行調(diào)整。對于普通運(yùn)動員的人力資本價值核算不是和核心的運(yùn)動員考察一樣，而是通過年末職業(yè)體育俱樂部績效考核法來進(jìn)行核算。因?yàn)槠胀ㄟ\(yùn)動員所帶來的新增價值較少，所以為了很好地核算普通運(yùn)動員的人力資本價值而進(jìn)行年末績效核算就顯得尤為的重要了。
(二)掌握關(guān)鍵技術(shù)、出類拔萃的運(yùn)動員
一般而言，掌握關(guān)鍵技術(shù)、出類拔萃的運(yùn)動員可以為職業(yè)體育俱樂部帶來更多的經(jīng)濟(jì)利益，還為職業(yè)體育俱樂部的長遠(yuǎn)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)性作用。而且掌握關(guān)鍵技術(shù)、出類拔萃的運(yùn)動員的取得方式、薪酬待遇以及離職后給企業(yè)帶來的損失都和普通的運(yùn)動員是有區(qū)別的，因此應(yīng)當(dāng)單獨(dú)計(jì)量。
所以根據(jù)會計(jì)基礎(chǔ)的理論要求，對掌握關(guān)鍵技術(shù)、出類拔萃的運(yùn)動員的人力資本價值的會計(jì)計(jì)量可以采用機(jī)會成本法與未來收益折現(xiàn)法來進(jìn)行計(jì)量。
1.未來收益折現(xiàn)法
也就是說通過對職業(yè)體育運(yùn)動員現(xiàn)在的技能以及新增價值進(jìn)行計(jì)量計(jì)算，來預(yù)計(jì)職業(yè)體育運(yùn)動員現(xiàn)在的技術(shù)水平能夠?yàn)槁殬I(yè)俱樂部的未來發(fā)展與收益帶來怎樣的收益，并通過現(xiàn)值公式折算成現(xiàn)值來計(jì)量掌握關(guān)鍵技術(shù)、出類拔萃的運(yùn)動員的人力資本價值。
2.機(jī)會成本法
也就是通過預(yù)測關(guān)鍵職業(yè)體育運(yùn)動員離職會給企業(yè)造成的損失，來測算關(guān)鍵職業(yè)體育運(yùn)動員的價值。雖然機(jī)會成本法本身具有較大的主觀性，但由于職業(yè)體育運(yùn)動員的專業(yè)性較強(qiáng)，一般不易更換職業(yè)范圍，可以參考同等資歷人員在市場上的價值來進(jìn)行估算，可以降低部分主觀性。
四、結(jié)語
會計(jì)計(jì)量法在職業(yè)體育運(yùn)動員人力資本價值核算中的運(yùn)用不僅有利于職業(yè)體育俱樂部的長久發(fā)展，還對于俱樂部運(yùn)動員的技術(shù)提高有推動的作用。相信會計(jì)計(jì)量法在人力資源上的應(yīng)用不僅會推動該項(xiàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還會為我國的體育事業(yè)的發(fā)展有著積極的作用。
參考文獻(xiàn)
篇2
如今，愛因斯坦逝世已逾六十載，可謎團(tuán)仍未完全破解。因此，可以毫不夸張地說，量子理論就是這么一個“幽靈”。
在量子理論對世界的描述中，一個物體可以同時處于多個位置，粒子也可以無阻礙似地穿過障礙物，所有的物體都有“波粒二象性”，它既是粒子又是波，兩個分得很開的物體也可以進(jìn)行某種類似“精神性”的合作……
這些描述聽上去令人毛骨悚然，不可捉摸。難怪量子理論創(chuàng)立者之一的玻爾說過：“如果一個人沒有被量子力學(xué)所震驚，那么他就沒有真正懂得量子力學(xué)。”
什么是“量子”
“量子”不是一種粒子，它是一個能量的最小單位。所有的微觀粒子（包括分子、原子、電子、光子）都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。
眾所周知，世界是由微觀粒子組成的。因此從某種意義上來說，世界本身就是由量子組成的。在物理學(xué)中提到“量子”時，實(shí)際上指的是微觀世界的一種行為傾向：物質(zhì)或者說粒子的能量和其他一些性質(zhì)（統(tǒng)稱為可觀測物理量）都傾向于不連續(xù)的變化。
以光為例，我們說一個“光量子”，是因?yàn)橐粋€光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的，例如，在沒有被電離的原子中，繞核運(yùn)動的電子的能量是“量子化”的，也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩(wěn)定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量，對于原子中的電子，角動量也不再是連續(xù)變化的。
量子物理學(xué)告訴我們，電子繞原子核運(yùn)動時也只能處在一些特定的運(yùn)動模式上。在這些模式上，電子的角動量分別具有特定的數(shù)值，介于這些模式之間的運(yùn)動方式是極不穩(wěn)定的。即使電子暫時以其他的方式繞核運(yùn)動，很快就必須回到特定運(yùn)動模式上來。
實(shí)際上在量子物理學(xué)中，所有的物理量的值都可能必須不連續(xù)地、離散地變化。在上世紀(jì)初，物理學(xué)家馬克斯?普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的。
出生于德國傳統(tǒng)保守家庭的普朗克從小受到良好的教育，雖然具有音樂天賦，十分迷戀音樂，但仍舊立志獻(xiàn)身于科學(xué)，研究物理。當(dāng)他去慕尼黑大學(xué)時，一位物理學(xué)教授曾勸說他不要學(xué)習(xí)物理，因?yàn)椤斑@門科學(xué)中的一切都已經(jīng)被研究過了，只有一些不重要的空白需要填補(bǔ)”。教授的一席話正代表了當(dāng)時大多數(shù)物理學(xué)家的心態(tài)。
然而執(zhí)著的普朗克卻表示：“我并不期望發(fā)現(xiàn)新大陸，只希望能理解已經(jīng)存在的美麗的物理理論，或許能將其加深和發(fā)展那么一點(diǎn)點(diǎn)。”命運(yùn)總是喜歡開玩笑。本來并未期望在物理研究中“發(fā)現(xiàn)新大陸”的普朗克，卻在不經(jīng)意間成為了量子力學(xué)的創(chuàng)始人。
當(dāng)時，解釋熱力學(xué)中的輻射問題，主要有瑞利-金斯定律和維恩位移定律，前者適用于低頻輻射，卻無法解釋高頻率下的測量結(jié)果；而維恩位移定律可以正確反映高頻率下的結(jié)果，但無法符合低頻率下的結(jié)果。
如何才能導(dǎo)出一個新的公式，使得高頻、低頻下都能符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢？普朗克使用了一種巧妙新穎的方法：運(yùn)用玻爾茲曼的統(tǒng)計(jì)物理，把光當(dāng)成一個一個的諧振子。在他的假設(shè)中，既然輻射的是一個一個的諧振子，也就是說在黑體輻射時，能量就不是連續(xù)地，而是一份一份地發(fā)射出來的。
據(jù)此，普朗克導(dǎo)出了一個新公式，這個公式在頻率較小時自動回到瑞利-金斯公式，在頻率較大時又自動回到維恩公式。因此，新公式能在所有的頻率范圍與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。
1900年12月14日，在柏林亥姆霍茲研究所的德國物理學(xué)會上，普朗克宣讀了關(guān)于這一結(jié)果的論文。而這一天也被物理學(xué)家們定為量子力學(xué)的誕生之日。
然而，這一發(fā)現(xiàn)并不是普朗克的初衷。作為一名傳統(tǒng)而保守的物理學(xué)家，他只是按照科學(xué)方法辦事，并未想要掀起一場革命，連他自己都不知道，自己已經(jīng)把量子這個“妖精”引進(jìn)了物理學(xué)。
普朗克有些后悔，認(rèn)為自己制造的這個量子“妖精”破壞了物理學(xué)的完美。他曾歷經(jīng)15年的時間，試圖尋求一種經(jīng)典物理方法來導(dǎo)出同樣的公式，解決黑體輻射問題，以便挽回“局面”。
然而，他沒有成功。直到1905年，26歲的愛因斯坦利用光量子的假說圓滿解釋了光電效應(yīng)；1913年，28歲的玻爾提出了量子化的原子結(jié)構(gòu)理論；1923年，31歲的德布羅意提出了德布羅意波；1925年，24歲的海森堡創(chuàng)立了矩陣力學(xué)；1926年，37歲的薛定諤建立了薛定諤方程……量子力學(xué)才逐漸羽翼豐滿，真正使人們看到了量子概念所閃現(xiàn)的耀眼光芒。
說一說“量子疊加”
量子有一個非常奇怪的特性――量子疊加。
什么是量子疊加？經(jīng)典事件里可以用某個物體的兩個狀態(tài)代表0或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時處于死和活的狀態(tài)中間。
但在量子世界，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時候像原子、分子、光子可以同時處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時候，可以沿水平方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處于45°斜振動，這個現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個狀態(tài)的相干疊加。
這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。
著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。那么這只量子“薛定諤貓”到底是死的還是活的呢？
量子測量原理給出的答案是，如果你不去看這只貓，它既不是死的也不是活的！如果你去看這只貓，那么它也許是死的，也許是活的！
正因?yàn)橛辛孔盈B加狀態(tài)，才導(dǎo)致量子力學(xué)不確定原理，即如果事先不知道單個量子狀態(tài)，就不可能通過測量把狀態(tài)的信息完全讀取；不能讀取就不能復(fù)制。這是量子的兩個基本特性。
在量子疊加原理基礎(chǔ)之上，衍生出了量子的另一個奇妙特性，叫做“量子糾纏”。比方說，甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個游戲――擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率隨機(jī)得到1到6結(jié)果中的某一個；同時，乙在另一地?cái)S骰子，盡管兩人每一次單邊結(jié)果都是隨機(jī)的，但每一次的結(jié)果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應(yīng)一樣。這就是“量子糾纏”。
若兩個量子粒子處在特殊的狀態(tài)（俗稱“糾纏態(tài)”）中，不管其空間分離得多遠(yuǎn)，當(dāng)對其中一個粒子施行操作或測量，遠(yuǎn)處的另一個粒子狀態(tài)會瞬時地發(fā)生相應(yīng)的改變，愛因斯坦稱這個現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。當(dāng)時，愛因斯坦認(rèn)為，怎么會允許兩個客體在遙遠(yuǎn)的兩地之間有這種詭異的互動呢？據(jù)此，他質(zhì)疑量子理論的完備性。
1982年，法國物理學(xué)家Alain Aspect和他的小組證實(shí)了“量子糾纏”的超距作用確實(shí)存在。
但直到2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)物理學(xué)家Ronald Hanson領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)被他們稱之為“無漏洞貝爾測試”的實(shí)驗(yàn)，“幽靈般的超距作用”才得到比較嚴(yán)格的驗(yàn)證。
有了量子糾纏，量子隱形傳輸?shù)母拍畋愫糁觥?/p>
通俗來講，量子隱形傳輸是將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。由于量子力學(xué)的不確定原理和量子態(tài)不可克隆原理，限制我們將原量子態(tài)的所有信息精確地全部提取出來。因此必須將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別由經(jīng)典通道和量子通道送到乙地。根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。
1997年，在奧地利留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國際首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。
量子也可以“接地氣”
多年來，科學(xué)家們努力運(yùn)用量子世界種種奇異的性質(zhì)開拓出適用于經(jīng)典世界的新技術(shù)，將向來被公眾認(rèn)為高深莫測“詭異”的量子物理從云端落地到人世間，服務(wù)社會大眾。
其實(shí)，量子理論是一門非常實(shí)用的學(xué)科。
早在第二次世界大戰(zhàn)之前，它的原理就已經(jīng)被運(yùn)用于分析金屬和半導(dǎo)體的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。戰(zhàn)后，晶體管和激光器這兩個運(yùn)用量子理論原理且廣為人知的裝置，更是極大地推動了信息革命的發(fā)展。
到本世紀(jì)初，在我們的周圍隨處可見直接或間接運(yùn)用量子理論的技術(shù)和裝置。從常見的CD唱片機(jī)到龐大的現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)、從無水涂料到激光制動車閘、從醫(yī)院的核磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術(shù)已經(jīng)滲透到我們的生活中。
另外，計(jì)算能力的飛躍也是量子理論的重要應(yīng)用之一。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，每個比特都只有0和1這兩種狀態(tài)。但在量子計(jì)算中，每個比特可以處在0和1的疊加狀態(tài)，一旦操縱的量子數(shù)目增多，它就會以指數(shù)增長的形式來提升運(yùn)算速度，有并行運(yùn)算的能力。
比如，利用萬億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬年，利用萬億次量子計(jì)算機(jī)，只需要1秒。同樣，在大數(shù)據(jù)和人工智能里，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號”計(jì)算機(jī)大概需要100年左右，但是如果利用萬億次的量子計(jì)算機(jī)，只需要0.01秒。
量子計(jì)算的應(yīng)用非常廣泛，不僅可以解決大規(guī)模的計(jì)算機(jī)難題，破解經(jīng)典密碼，進(jìn)行氣象預(yù)報、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜的物理機(jī)制。不過，量子糾纏“分身術(shù)”的特性有一個更為直接的應(yīng)用，便是量子保密通信。
現(xiàn)在被認(rèn)為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認(rèn)為是安全的。但隨著科技發(fā)展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號。
這是因?yàn)榻?jīng)典通信的信號只有0和1，發(fā)生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。比方說，兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進(jìn)入另一根線路，從而實(shí)現(xiàn)竊聽，而通話者無法察覺。“棱鏡門”等事件的曝光便是最好的例證。
篇3
“在一個硬件研發(fā)團(tuán)隊(duì)的協(xié)助下，量子人工智能研究小組現(xiàn)在能夠落實(shí)新的設(shè)計(jì)并測試新的產(chǎn)品。”谷歌在博客中寫道。
在整理和分析海量數(shù)據(jù)方面，量子計(jì)算機(jī)將具有比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的解決速度。谷歌量子人工智能小組成員馬蘇德?莫森（Masoud Mohseni）曾經(jīng)與人合作撰寫過具有領(lǐng)先學(xué)術(shù)水平的量子技術(shù)論文。谷歌也一直被視為這一新技術(shù)革命的領(lǐng)導(dǎo)力量之一。
此外，谷歌的競爭對手微軟也在進(jìn)軍這個新領(lǐng)域，并建立了一個名為“量子架構(gòu)和計(jì)算（Quantum Architectures and Computation Group）”的研究小組。
探秘量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算機(jī)，早先由理查德?費(fèi)曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來的。可他發(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬量子現(xiàn)象時，因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運(yùn)算時間變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。理查德?費(fèi)曼當(dāng)時就想到，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象，則運(yùn)算時間可大幅度減少。量子計(jì)算機(jī)的概念從此誕生。
從物理層面上來看，量子計(jì)算機(jī)不是基于普通的晶體管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如質(zhì)子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（學(xué)校實(shí)驗(yàn)大多用這個）等等作為載體。當(dāng)然從理論上來看任何一個多能級系統(tǒng)都可以作為量子比特的載體。
從計(jì)算原理上來看，量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)既可以是離散的本征態(tài)（如傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)一樣），也可以是疊加態(tài)（幾種不同狀態(tài)的幾率疊加），對信息的操作從傳統(tǒng)的“和”，“或”，“與”等邏輯運(yùn)算擴(kuò)展到任何幺正變換，輸出也可以是疊加態(tài)或某個本征態(tài)。所以量子計(jì)算機(jī)會更加靈活，并能實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。
量子計(jì)算機(jī)或不再遙遠(yuǎn)
據(jù)外媒報道，美國普林斯頓大學(xué)研究人員近日設(shè)計(jì)出一種裝置，可以讓光子遵循實(shí)物粒子的運(yùn)動規(guī)律。現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)是基于經(jīng)典力學(xué)研發(fā)而成的，在解釋量子力學(xué)方面有很大局限性。量子計(jì)算機(jī)（quantum 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、存儲及處理量子信息的物理裝置。
研究人員制作出一種超導(dǎo)體，里面有1000億個原子，在聚集起來之后，眾多原子如同一個大的“人工原子”。科學(xué)家把“人工原子”放在載有光子的超導(dǎo)電線上，結(jié)果顯示，光子在“人工原子”的影響下改變了原有的運(yùn)動軌跡，開始呈現(xiàn)實(shí)物粒子的性質(zhì)。例如，在正常情況下，光子之間是互不干涉的，但是在這一裝置里，光子開始相互影響，呈現(xiàn)出液體和固體粒子的運(yùn)動特性，光子的這種運(yùn)動“前所未有”。
現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)是基于經(jīng)典力學(xué)研發(fā)而成的，在解釋量子力學(xué)方面有很大局限性。量子計(jì)算機(jī)（quantum 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、存儲及處理量子信息的物理裝置。研究人員稱，在改變光子的運(yùn)動規(guī)律之后，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)明也許不再遙遠(yuǎn)。
就我國量子計(jì)算機(jī)而言，相關(guān)研究也一直處于世界領(lǐng)先水平。早在2013年12月30日，美國物理學(xué)會《物理》雜志就公布了2013年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十一項(xiàng)重大進(jìn)展，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事張強(qiáng)、馬雄峰和陳騰云等“利用測量器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)解決量子黑客隱患”的研究成果位列其中。
《物理》雜志以“量子勝利的一年――但還沒有量子計(jì)算機(jī)”為題報道了中國科學(xué)家成功解決量子黑客隱患這一重要成果。
篇4
一、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展史
計(jì)算機(jī)誕生之初，其主要的作用是用于計(jì)算導(dǎo)彈的運(yùn)行彈道。但是由于在過去的工作中計(jì)算機(jī)成本較為昂貴，在上個世紀(jì)五十年代以前，計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。直到上個世紀(jì)六七十年代，計(jì)算機(jī)成本逐步降低，使得部分單位和企業(yè)有能力在工作中采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作，也使得計(jì)算機(jī)技術(shù)得到飛速發(fā)展。隨著Intel4位中央處理器的誕生以及普及，在1982年，世界上第一臺個人計(jì)算機(jī)誕生，并被成功的應(yīng)用在家庭。到了上個世紀(jì)九十年代末期，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在諸多家庭和企業(yè)中，同時設(shè)計(jì)領(lǐng)域也逐步廣泛到企業(yè)。
在這種社會現(xiàn)狀下，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用逐步形成了兩個不同的方向和趨勢，其一主要指的是被應(yīng)用在科研機(jī)構(gòu)、軍事機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，由于這些領(lǐng)域往往都是計(jì)算困難、計(jì)算精度較高的工作環(huán)節(jié)，因此在發(fā)展中對于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和計(jì)算精確度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中應(yīng)用在家庭和中小企業(yè)的計(jì)算機(jī)，這些計(jì)算機(jī)可以說主要是往實(shí)惠、小體積和輕重量的方向發(fā)展。縱觀計(jì)算機(jī)發(fā)展史我們可以得知，計(jì)算機(jī)創(chuàng)新能力的推動與普及與人們生活和社會發(fā)展緊密相連，其在工作中也推動了整個社會領(lǐng)域的正常進(jìn)行。
二、計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀
計(jì)算機(jī)技術(shù)在當(dāng)今社會中發(fā)揮著不可替代的作用，對于促進(jìn)社會信息化的實(shí)現(xiàn)有著主導(dǎo)作用。伴隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也逐步實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)同步發(fā)展的核心技術(shù)觀念，也在工作中實(shí)現(xiàn)了信息化、現(xiàn)代化的核心技術(shù)處理要求。
（一）現(xiàn)代微型處理器的情況
在當(dāng)前社會中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的性能提升和處理主要在于發(fā)展微型處理器，這也是目前計(jì)算機(jī)發(fā)展的整體趨勢，在計(jì)算機(jī)發(fā)展工作中，其主要的實(shí)質(zhì)在于提高處理器芯片中的晶體線寬與尺寸的大小。一般在研究的過程中，多采用較短的波長來曝光光源，從而做打破掩膜曝光要求。如今的微型處理器發(fā)展與計(jì)算中，主要是通過紫外線進(jìn)行運(yùn)用和曝光光源的管理與深化，并且在工作中對于深層芯片進(jìn)行全面總結(jié)和處理，這種工作流程和工作方式多是采用量子效應(yīng)與電子行為來進(jìn)行分析，這種社會分析現(xiàn)狀也是微處理器發(fā)展的首要基礎(chǔ)。所以也就引起專家的注視，紫外線光源對微處理器性能的提升已經(jīng)沒有多大作用了。
（二）以納米為主的電子科學(xué)技術(shù)
伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，各種先進(jìn)材料不斷的引進(jìn)，進(jìn)而對微處理器進(jìn)行優(yōu)化和總結(jié)。就目前的計(jì)算機(jī)應(yīng)用與發(fā)展分析而言，在計(jì)算機(jī)工作中，準(zhǔn)確高效的計(jì)算機(jī)技術(shù)和微型化電子元件的需求已成為人們對計(jì)算機(jī)發(fā)展提出的新觀念，但就目前的社會現(xiàn)狀而言這種目標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到。因此在未來的計(jì)算機(jī)發(fā)展中，我們不僅要深入研究計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，同時更是要引進(jìn)各種新材料、新技術(shù)。在這種現(xiàn)狀之下，以納米為主的計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為目前我們工作和認(rèn)識的重點(diǎn)形式，也是當(dāng)前社會發(fā)展中存在的核心問題。
三、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測
篇5
“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“大煞風(fēng)景”的問題： 摩爾定律有沒有終結(jié)的時候？
之所以提出這個問題，是因?yàn)槟柖傻募夹g(shù)基礎(chǔ)天然地受到兩個主要物理限制。
一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險。芯片發(fā)熱主要是因?yàn)橛?jì)算機(jī)門操作時，其中不可逆門操作會丟失比特。物理學(xué)家計(jì)算出每丟失一個比特所產(chǎn)生的熱量，操作速度越快，單位時間內(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)小到只有一個電子時，量子效應(yīng)就會出現(xiàn)。此時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)，即由微觀粒子波動性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢壘貫穿。它在本質(zhì)上是量子躍遷，粒子迅速穿越勢壘。在勢壘一邊平動的粒子，當(dāng)動能小于勢壘高度時，按照經(jīng)典力學(xué)的說法，粒子是不可能越過勢壘的；而對于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘，實(shí)際上也的確如此。
這兩個限制就是物理學(xué)家們預(yù)言摩爾定律會終結(jié)的理由所在。
雖然這個預(yù)言在當(dāng)時沒有任何影響力，但“杞人憂天”的物理學(xué)家們并不“死心”，繼續(xù)研究，提出了第二個問題：如果摩爾定律終結(jié)，在后摩爾時代，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。它們對于電子計(jì)算機(jī)來說是障礙的量子效應(yīng)，對于量子計(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)時看不到有什么實(shí)際價值，但未來卻會發(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)所用的電子存儲器在某個時間只能存一個數(shù)據(jù)，它是確定的，操作一次就把一個比特（bit，存儲器最小單元）變成另一個比特，實(shí)行串行運(yùn)算模式；而量子計(jì)算機(jī)利用量子性質(zhì)，一個量子比特可以同時存儲兩個數(shù)值，N個量子比特可以同時存儲2的N次方數(shù)據(jù)，操作一次會將這個2的N次方數(shù)據(jù)變成另外一個2的N次方數(shù)據(jù)，以此類推，運(yùn)行模式為一個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。
一臺量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行時，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)，最后對末態(tài)實(shí)施量子測量，讀出運(yùn)算的結(jié)果。
一臺有N個量子比特的量子計(jì)算機(jī)，要保證能夠?qū)嵤┮粋€量子比特的任意操作和任意兩個量子比特的受控非操作，才能進(jìn)行由這兩個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個量子比特編碼成1個邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯誤。
不僅如此，為了避免在操作中的錯誤，使其能夠及時糾錯，科學(xué)家又研究容錯編碼，在所有量子操作都可能出錯的情況下，它仍然能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)糾回理想的狀態(tài)。這是非常關(guān)鍵的。
什么條件下能容錯呢？這里有個容錯閾值定理。每次操作，出錯率要低于某個閾值，如果大于這個閾值，則無法容錯。
這個閾值具體是多大呢？
這與計(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)到這個閾值。
所以，我們的目標(biāo)就是研制大規(guī)模具有容錯能力的通用量子計(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，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（能夠升級量子比特?cái)?shù)目），但缺點(diǎn)是容錯性不好，固態(tài)系統(tǒng)的消相干特別嚴(yán)重，相干時間很短，操控誤差大。
2004年以來，世界上許多著名的研究機(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年做到兩個比特之后，一直到2015年，還是停留在四個量子點(diǎn)編碼的兩個自旋量子比特研究上，實(shí)現(xiàn)了兩個比特的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早，但是至今也只做到四個量子點(diǎn)編碼的兩個比特。我們研究組在電荷量子比特上的研究，2010年左右制備單個量子點(diǎn)，2011年實(shí)現(xiàn)雙量子點(diǎn)，2012～2013年實(shí)現(xiàn)兩個量子點(diǎn)編碼的單量子比特， 2014～2015年實(shí)現(xiàn)四量子點(diǎn)編碼的兩個電荷量子比特。目前，已研制成六個量子點(diǎn)編碼為三個量子比特，并實(shí)現(xiàn)了三個比特量子門操作，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.量子退相干時間超過0.1ms，高于邏輯門操作時間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)算理論的容錯率閾值要求。
3.已經(jīng)實(shí)現(xiàn)9個量子比特的可控耦合。
4.在量子非破壞性測量中，達(dá)到單發(fā)測量的精度。
5.在量子存儲方面，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。
他們制定了一個目標(biāo)―明年做到50個量子比特。定這個目標(biāo)是因?yàn)椋绻茏?9個量子比特的話，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！
很多人都問，實(shí)際可用的量子計(jì)算機(jī)究竟什么時候能做出來？
中國和歐洲估計(jì)需要15年，美國可能會更快，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、材料各個方面投入巨大，并且它有完整的對量子計(jì)算研究的整體策劃，不僅各個指標(biāo)超越世界其他國家，各個大公司的積極性也被調(diào)動了起來。
美國的量子計(jì)算機(jī)研制之路分三個階段：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。
篇6
The Challenge of Quantum Computing to Information Security and Our Countermeasures
ZHANG Huanguo, GUAN Haiming, WANG Houzheng
（Key Lab of Aerospace Information Security and Trusted Computing of Ministry of Education, Computer School, Whan University, Wuhan 430072, China）
Abstract: What cryptosystem to use is a severe challenge that we face in the quantum computing era. It is the only correct choice to research and establish an independent resistant quantum computing cryptosystem. This paper introduces to the research and development of resistant quantum computing cryptography, especially the signature scheme based on HASH function，lattice-based public key cryptosystem，MQ public key cryptosystem and public key cryptosystem based on error correcting codes. Also the paper gives some suggestions for further research on the quantum information theory，the complexity theory of quantum computing，design and analysis of resistant quantum computing cryptosystems .
Key words: information security; cryptography; quantum computing; resistant quantum computing cryptography
1 量子信息時代
量子信息技術(shù)的研究對象是實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的相干疊加并對其進(jìn)行有效處理、傳輸和存儲，以創(chuàng)建新一代高性能的、安全的計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng).量子通信和量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)是量子物理學(xué).量子信息科學(xué)技術(shù)是在20世紀(jì)末期發(fā)展起來的新學(xué)科，預(yù)計(jì)在21世紀(jì)將有大的發(fā)展［1］.
量子有許多經(jīng)典物理所沒有的奇妙特性.量子的糾纏態(tài)就是其中突出的一個.原來存在相互作用、以后不再有相互作用的2個量子系統(tǒng)之間存在瞬時的超距量子關(guān)聯(lián)，這種狀態(tài)被稱為量子糾纏態(tài)［1］.
量子的另一個奇妙特性是量子通信具有保密特性.這是因?yàn)榱孔討B(tài)具有測不準(zhǔn)和不可克隆的屬性，根據(jù)這種屬性除了合法的收發(fā)信人之外的任何人竊取信息，都將破壞量子的狀態(tài).這樣，竊取者不僅得不到信息，而且竊取行為還會被發(fā)現(xiàn)，從而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比較成熟的技術(shù)是，利用量子器件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按傳統(tǒng)的“一次一密”方式加密.量子糾纏態(tài)的超距作用預(yù)示，如果能夠利用量子糾纏態(tài)進(jìn)行通信，將獲得超距和超高速通信.
量子計(jì)算機(jī)是一種以量子物理實(shí)現(xiàn)信息處理的新型計(jì)算機(jī).奇妙的是量子計(jì)算具有天然的并行性.n量子位的量子計(jì)算機(jī)的一個操作能夠處理2n個狀態(tài)，具有指數(shù)級的處理能力，所以可以用多項(xiàng)式時間解決一些指數(shù)復(fù)雜度的問題.這就使得一些原來在電子計(jì)算機(jī)上無法解決的困難問題，在量子計(jì)算機(jī)上卻是可以解決的.
2 量子計(jì)算機(jī)對現(xiàn)有密碼提出嚴(yán)重挑戰(zhàn)
針對密碼破譯的量子計(jì)算機(jī)算法主要有以下2種.
第1種量子破譯算法叫做Grover算法［3］.這是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Grover在1996年提出的一種通用的搜索破譯算法，其計(jì)算復(fù)雜度為O(N).對于密碼破譯來說，這一算法的作用相當(dāng)于把密碼的密鑰長度減少到原來的一半.這已經(jīng)對現(xiàn)有密碼構(gòu)成很大的威脅，但是并未構(gòu)成本質(zhì)的威脅，因?yàn)橹灰衙荑€加長1倍就可以了.
第2種量子破譯算法叫做Shor算法［4］.這是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Shor在1997年提出的在量子計(jì)算機(jī)上求解離散對數(shù)和因子分解問題的多項(xiàng)式時間算法.利用這種算法能夠?qū)δ壳皬V泛使用的RSA、ECC公鑰密碼和DH密鑰協(xié)商體制進(jìn)行有效攻擊.對于橢圓曲線離散對數(shù)問題，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子計(jì)算機(jī)上可以容易地求解k比特的橢圓曲線離散對數(shù)問題［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.對于整數(shù)的因子分解問題，Beauregard指出：在N量子位的量子計(jì)算機(jī)上可以容易地分解k比特的整數(shù)［5］，其中N≈2k.根據(jù)這種分析，利用1448qbit的計(jì)算機(jī)可以求解256位的橢圓曲線離散對數(shù)，因此也就可以破譯256位的橢圓曲線密碼，這可能威脅到我國第2代身份證的安全.利用2048qbit的計(jì)算機(jī)可以分解1024位的整數(shù)，因此也就可以破譯1024位的RSA密碼，這就可能威脅到我們電子商務(wù)的安全
Shor算法的攻擊能力還在進(jìn)一步擴(kuò)展，已從求廣義解離散傅里葉變換問題擴(kuò)展到求解隱藏子群問題(HSP)，凡是能歸結(jié)為HSP的公鑰密碼將不再安全.所以，一旦量子計(jì)算機(jī)能夠走向?qū)嵱茫F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的許多公鑰密碼將不再安全，量子計(jì)算機(jī)對我們的密碼提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).
3 抗量子計(jì)算密碼的發(fā)展現(xiàn)狀
抗量子計(jì)算密碼（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3類：
第1類，量子密碼；第2類，DNA密碼；第3類是基于量子計(jì)算不擅長計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼.
量子保密的安全性建立在量子態(tài)的測不準(zhǔn)與不可克隆屬性之上，而不是基于計(jì)算的［1,6］.類似地，DNA密碼的安全性建立在一些生物困難問題之上，也不是基于計(jì)算的［7-8］.因此，它們都是抗量子計(jì)算的.由于技術(shù)的復(fù)雜性，目前量子密碼和DNA密碼尚不成熟.
第3類抗量子計(jì)算密碼是基于量子計(jì)算機(jī)不擅長的數(shù)學(xué)問題構(gòu)建的密碼.基于量子計(jì)算機(jī)不擅長計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題構(gòu)建密碼，就可以抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊.本文主要討論這一類抗量子計(jì)算密碼［9］.
所有量子計(jì)算機(jī)不能攻破的密碼都是抗量子計(jì)算的密碼.國際上關(guān)于抗量子計(jì)算密碼的研究主要集中在以下4個方面.
3.1 基于HASH函數(shù)的數(shù)字簽名
1989年Merkle提出了認(rèn)證樹簽名方案(MSS)［10］. Merkle 簽名樹方案的安全性僅僅依賴于Hash函數(shù)的安全性.目前量子計(jì)算機(jī)還沒有對一般Hash函數(shù)的有效攻擊方法, 因此Merkle簽名方案具有抗量子計(jì)算性質(zhì).與基于數(shù)學(xué)困難性問題的公鑰密碼相比,Merkle簽名方案不需要構(gòu)造單向陷門函數(shù),給定1個單向函數(shù)(通常采用Hash函數(shù))便能造1個Merkle簽名方案.在密碼學(xué)上構(gòu)造1個單向函數(shù)要比構(gòu)造1個單向陷門函數(shù)要容易的多,因?yàn)樵O(shè)計(jì)單向函數(shù)不必考慮隱藏求逆的思路, 從而可以不受限制地運(yùn)用置換、迭代、移位、反饋等簡單編碼技巧的巧妙組合,以簡單的計(jì)算機(jī)指令或廉價的邏輯電路達(dá)到高度復(fù)雜的數(shù)學(xué)效果.新的Hash標(biāo)準(zhǔn)SHA-3［11］的征集過程中,涌現(xiàn)出了許多新的安全的Hash函數(shù),利用這些新的Hash算法可以構(gòu)造出一批新的實(shí)用Merkle簽名算法.
Merkle 簽名樹方案的優(yōu)點(diǎn)是簽名和驗(yàn)證簽名效率較高，缺點(diǎn)是簽名和密鑰較長,簽名次數(shù)受限.在最初的Merkle簽名方案中, 簽名的次數(shù)與需要構(gòu)造的二叉樹緊密相關(guān).簽名的次數(shù)越多,所需要構(gòu)造的二叉樹越大,同時消耗的時間和空間代價也就越大.因此該方案的簽名次數(shù)是受限制的.近年來,許多學(xué)者對此作了廣泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了簽名的次數(shù), 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR樹算法［12,15］,只需要采用抗原像攻擊和抗第2原像攻擊的Hash函數(shù),便能構(gòu)造出安全的簽名方案.而在以往的Merkle簽名樹方案中,則要求Hash函數(shù)必須是抗強(qiáng)碰撞的.這是對原始Merkle簽名方案的有益改進(jìn).上述這些成果,在理論上已基本成熟,在技術(shù)上已基本滿足工程應(yīng)用要求, 一些成果已經(jīng)應(yīng)用到了Microsoft Outlook 以及移動路由協(xié)議中［16］.
雖然基于Hash函數(shù)的數(shù)字簽名方案已經(jīng)開始應(yīng)用，但是還有許多問題需要深入研究.如增加簽名的次數(shù)、減小簽名和密鑰的尺寸、優(yōu)化認(rèn)證樹的遍歷方案以及如何實(shí)現(xiàn)加密和基于身份的認(rèn)證等功能，均值得進(jìn)一步研究.
3.2 基于糾錯碼的公鑰密碼
基于糾錯碼的公鑰密碼的基本思想是: 把糾錯的方法作為私鑰, 加密時對明文進(jìn)行糾錯編碼，并主動加入一定數(shù)量的錯誤, 解密時運(yùn)用私鑰糾正錯誤, 恢復(fù)出明文.
McEliece利用Goppa碼有快速譯碼算法的特點(diǎn), 提出了第1個基于糾錯編碼的McEliece公鑰密碼體制［17］.該體制描述如下, 設(shè)G是二元Goppa碼［n;k;d］的生成矩陣,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分別為GF(2)k和GF(2)n.隨機(jī)選取有限域GF(2)上的k階可逆矩陣S和n階置換矩陣P,并設(shè)G′=SGP,則私鑰為,公鑰為G′.如果要加密一個明文m∈GF(2)k,則計(jì)算c=mG′+z,這里z∈GF(2)n是重量為t的隨機(jī)向量.要解密密文c, 首先計(jì)算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置換矩陣, 顯然z與zP-1的重量相等且為t,于是可利用Goppa的快速譯碼算法將cP-1譯碼成m′= mS,則相應(yīng)明文m= m′S-1.
1978年Berlekamp等證明了一般線性碼的譯碼問題是NPC問題［18］，McEliece密碼的安全性就建立在這一基礎(chǔ)上.McEliece密碼已經(jīng)經(jīng)受了30多年來的廣泛密碼分析,被認(rèn)為是目前安全性最高的公鑰密碼體制之一.雖然McEliece 公鑰密碼的安全性高且加解密運(yùn)算比較快, 但該方案也有它的弱點(diǎn), 一是它的公鑰尺寸太大，二是只能加密不能簽名.
1986年Niederreiter提出了另一個基于糾錯碼的公鑰密碼體制［19］. 與McEliece密碼不同的是它隱藏的是Goppa碼的校驗(yàn)矩陣.該系統(tǒng)的私鑰包括二元Goppa碼［n;k;d］的校驗(yàn)矩陣H以及GF(2)上的可逆矩陣M和置換矩陣P.公鑰為錯誤圖樣的重量t和矩陣H′=MHP.假如明文為重量為t 的n 維向量m, 則密文為c=mH′T .解密時,首先根據(jù)加密表達(dá)式可推導(dǎo)出z(MT )-1=mPTHT,然后通過Goppa碼的快速譯碼算法得到mPT,從而可求出明文m .1994年我國學(xué)者李元興、王新梅等［20］證明了Niederreiter密碼與McEliece密碼在安全性上是等價的.
McEliece密碼和Niederreiter密碼方案不能用于簽名的主要原由是,用Hash算法所提取的待簽消息摘要向量能正確解碼的概率極低.2001年Courtois等提出了基于糾錯碼的CFS簽名方案［21］.CFS 簽名方案能做到可證明安全, 短簽名性質(zhì)是它的最大優(yōu)點(diǎn). 其缺點(diǎn)是密鑰量大、簽名效率低，影響了其實(shí)用性.
因此, 如何用糾錯碼構(gòu)造一個既能加密又簽名的密碼, 是一個相當(dāng)困難但卻非常有價值的開放課題.
3.3 基于格的公鑰密碼
近年來,基于格理論的公鑰密碼體制引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.格上的一些難解問題已被證明是NP難的，如最短向量問題(SVP)、最近向量問題(CVP)等.基于格問題建立公鑰密碼方案具有如下優(yōu)勢:①由于格上的一些困難性問題還未發(fā)現(xiàn)量子多項(xiàng)式破譯算法，因此我們認(rèn)為基于格上困難問題的密碼具有抗量子計(jì)算的性質(zhì).②格上的運(yùn)算大多為線性運(yùn)算,較RSA等數(shù)論密碼實(shí)現(xiàn)效率高,特別適合智能卡等計(jì)算能力有限的設(shè)備.③根據(jù)計(jì)算復(fù)雜性理論,問題類的復(fù)雜性是指該問題類在最壞情況下的復(fù)雜度.為了確保基于該類困難問題的密碼是安全的，我們希望該問題類的平均復(fù)雜性是困難的，而不僅僅在最壞情況下是困難的.Ajtai在文獻(xiàn)［22］中開創(chuàng)性地證明了:格中一些問題類的平均復(fù)雜度等于其最壞情況下的復(fù)雜度.Ajtai和Dwork利用這一結(jié)論設(shè)計(jì)了AD公鑰密碼方案［23］.這是公鑰密碼中第1個能被證明其任一隨機(jī)實(shí)例與最壞情況相當(dāng).盡管AD公鑰方案具有良好的安全性, 但它的密鑰量過大以及實(shí)現(xiàn)效率太低、而缺乏實(shí)用性.
1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公鑰密碼［24］. 這是目前基于格的公鑰密碼中最具影響的密碼方案.NTRU的安全性建立在在一個大維數(shù)的格中尋找最短向量的困難性之上.NTRU 密碼的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快，存儲空間小.然而, 基于NTRU的數(shù)字簽名方案卻并不成功.
2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS簽名體制［25］, 這個體制在簽名時泄露了私鑰信息,導(dǎo)致了一類統(tǒng)計(jì)攻擊,后來被證明是不安全的.2001年設(shè)計(jì)者改進(jìn)了NSS 體制,提出了R-NSS 簽名體制［26］,不幸的是它的簽名仍然泄露部分私鑰信息.Gentry 和Szydlo 結(jié)合最大公因子方法和統(tǒng)計(jì)方法,對R-NSS 作了有效的攻擊.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign數(shù)字簽名體制［27］.NTRUSign 簽名算法較NSS與R-NSS兩個簽名方案做了很大的改進(jìn),在簽名過程中增加了對消息的擾動, 大大減少簽名中對私鑰信息的泄露, 但卻極大地降低了簽名的效率, 且密鑰生成過于復(fù)雜.但這些簽名方案都不是零知識的,也就是說,簽名值會泄露私鑰的部分相關(guān)信息.以NTRUSign 方案為例,其推薦參數(shù)為(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),設(shè)計(jì)值保守推薦該方案每個密鑰對最多只能簽署107 次,實(shí)際中一般認(rèn)為最多可簽署230次.因此，如何避免這種信息泄露缺陷值得我們深入研究.2008 年我國學(xué)者胡予濮提出了一種新的NTRU 簽名方案［28］，其特點(diǎn)是無限制泄露的最終形式只是關(guān)于私鑰的一組復(fù)雜的非線性方程組，從而提高了安全性.總體上這些簽名方案出現(xiàn)的時間都還較短，還需要經(jīng)歷一段時間的安全分析和完善.
由上可知，進(jìn)一步研究格上的困難問題，基于格的困難問題設(shè)計(jì)構(gòu)造既能安全加密又能安全簽名的密碼，都是值得研究的重要問題.
3.4 MQ公鑰密碼
MQ公鑰密碼體制, 即多變量二次多項(xiàng)式公鑰密碼體制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下簡稱為MQ密碼.它最早出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代,由于早期的一些MQ密碼均被破譯,加之經(jīng)典公鑰密碼如RSA算法的廣泛應(yīng)用,使得MQ公鑰算法一度遭受冷落.但近10年來MQ密碼的研究重新受到重視,成為密碼學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一.其主要有3個原因:一是量子計(jì)算對經(jīng)典公鑰密碼的挑戰(zhàn);二是MQ密碼孕育了代數(shù)攻擊的出現(xiàn)［29-31］,許多密碼(如AES)的安全性均可轉(zhuǎn)化為MQ問題,人們試圖借鑒MQ密碼的攻擊方法來分析這些密碼,反過來代數(shù)攻擊的興起又帶動了MQ密碼的蓬勃發(fā)展;三是MQ密碼的實(shí)現(xiàn)效率比經(jīng)典公鑰密碼快得多.在目前已經(jīng)構(gòu)造出的MQ密碼中, 有一些非常適用于智能卡、RFID、移動電話、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算能力有限的設(shè)備, 這是RSA等經(jīng)典公鑰密碼所不具備的優(yōu)勢.
MQ密碼的安全性基于有限域上的多變量二次方程組的難解性.這是目前抗量子密碼學(xué)領(lǐng)域中論文數(shù)量最多、最活躍的研究分支.
設(shè)U、T 是GF(q)上可逆線性變換(也叫做仿射雙射變換),而F 是GF(q)上多元二次非線性可逆變換函數(shù),稱為MQ密碼的中心映射.MQ密碼的公鑰P為T 、F 和U 的復(fù)合所構(gòu)成的單向陷門函數(shù),即P = T•F•U,而私鑰D 由U、T 及F 的逆映射組成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何構(gòu)造具有良好密碼性質(zhì)的非線性可逆變換F是MQ密碼設(shè)計(jì)的核心.根據(jù)中心映射的類型劃分,目前MQ密碼體制主要有:Matsumoto-Imai體制、隱藏域方程(HFE) 體制、油醋(OV)體制及三角形(STS)體制［32］.
1988年日本的Matsumoto和Imai運(yùn)用"大域-小域"的原理設(shè)計(jì)出第1個MQ方案,即著名的MI算法［33］.該方案受到了日本政府的高度重視,被確定為日本密碼標(biāo)準(zhǔn)的候選方案.1995年P(guān)atarin利用線性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密碼是多變量公鑰密碼發(fā)展的一個里程碑,為該領(lǐng)域帶來了一種全新的設(shè)計(jì)思想,并且得到了廣泛地研究和推廣.改進(jìn)MI算法最著名的是SFLASH簽名體制［35］,它在2003年被歐洲NESSIE 項(xiàng)目收錄,用于智能卡的簽名標(biāo)準(zhǔn)算法.該標(biāo)準(zhǔn)簽名算法在2007年美密會上被Dubois、Fouque、Shamir等徹底攻破［36］.2008年丁津泰等結(jié)合內(nèi)部擾動和加模式方法給出了MI的改進(jìn)方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、張煥國也給出了一種SFLASH的改進(jìn)方案［39-40］，改進(jìn)后的方案可以抵抗文獻(xiàn)［36］的攻擊.但這些改進(jìn)方案的安全性還需進(jìn)一步研究.
1996年P(guān)atarin針對MI算法的弱點(diǎn)提出了隱藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作為是對MI的實(shí)質(zhì)性改進(jìn).2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE體制的Challenge-1［42］.HFE主要有2種改進(jìn)算法.一是HFEv-體制,它是結(jié)合了醋變量方法和減方法改進(jìn)而成,特殊參數(shù)化HFEv-體制的Quartz簽名算法［43］.二是IPHFE體制［44］,這是丁津泰等結(jié)合內(nèi)部擾動方法對HFE的改進(jìn).這2種MQ密碼至今還未發(fā)現(xiàn)有效的攻擊方法.
油醋(OilVinegar)體制［45］是Patarin在1997年利用線性化方程的原理,構(gòu)造的一種MQ公鑰密碼體制.簽名時只需隨機(jī)選擇一組醋變量代入油醋多項(xiàng)式,然后結(jié)合要簽名的文件,解一個關(guān)于油變量的線性方程組.油醋簽名體制主要分為3類:1997年P(guān)atarin提出的平衡油醋(OilVinegar)體制, 1999年歐密會上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)體制［46］以及丁津泰在ACNS2005會議上提出的彩虹(Rainbow)體制［47］.平衡的油醋體制中,油變量和醋變量的個數(shù)相等，但平衡的油醋體制并不安全.彩虹體制是一種多層的油醋體制,即每一層都是油醋多項(xiàng)式,而且該層的所有變量都是下一層的醋變量,它也是目前被認(rèn)為是相對安全的MQ密碼之一.
三角形體制是現(xiàn)有MQ密碼中較為特殊的一類,它的簽名效率比MI和HFE還快,而且均是在較小的有限域上進(jìn)行.1999年Moh基于Tame變換提出了TTM 密碼體制［48］,并在美國申請了專利.丁津泰等指出當(dāng)時所有的TTM實(shí)例均滿足線性化方程.Moh等隨后又提出了一個新的TTM 實(shí)例,這個新的實(shí)例被我國學(xué)者胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破［49］.目前三角形體制的設(shè)計(jì)主要是圍繞鎖多項(xiàng)式的構(gòu)造、結(jié)合其它增強(qiáng)多變量密碼安全性的方法如加減(plus-minus) 模式以及其它的代數(shù)結(jié)構(gòu)如有理映射等.
我國學(xué)者也對MQ密碼做了大量研究，取得了一些有影響的研究成果.2007年管海明引入單向函數(shù)鏈對MQ密碼進(jìn)行擴(kuò)展,提出了有理分式公鑰密碼系統(tǒng)［50］.胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破了Moh提出的一個TTM新實(shí)例［51］.2010年本文作者王后珍、張煥國給出了一種SFLASH的改進(jìn)方案［39-40］.2010年王后珍、張煥國基于擴(kuò)展MQ，設(shè)計(jì)了一種Hash函數(shù)［52-53］，該Hash函數(shù)具有一些明顯的特點(diǎn).同年，王后珍、張煥國借鑒有理分式密碼單向函數(shù)鏈的思想［52］，對MQ密碼進(jìn)行了擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了一種新的抗量子計(jì)算擴(kuò)展MQ密碼［54］.這些研究對于擴(kuò)展MQ密碼結(jié)構(gòu)，做了有益的探索.但是這些方案提出的時間較短，其安全性有待進(jìn)一步分析.
根據(jù)上面的介紹,目前還沒有一種公認(rèn)安全的MQ公鑰密碼體制.目前MQ公鑰密碼的主要缺點(diǎn)是:只能簽名,不能安全加密(加密時安全性降低)，公鑰大小較長，很難設(shè)計(jì)出既安全又高效的MQ公鑰密碼體制.
3.5 小結(jié)
無論是量子密碼、DNA密碼，還是基于量子計(jì)算不擅長計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼，都還存在許多不完善之處，都還需要深入研究.
量子保密通信比較成熟的是，利用量子器件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按“一次一密”方式加密.在這里，量子的作用主要是密鑰產(chǎn)生和密鑰分配，而加密還是采用的傳統(tǒng)密碼.因此，嚴(yán)格說這只能叫量子保密，尚不能叫量子密碼.另外，目前的量子數(shù)字簽名和認(rèn)證方面還存在一些困難.
對于DNA密碼，目前雖然已經(jīng)提出了DNA傳統(tǒng)密碼和DNA公鑰密碼的概念和方案，但是理論和技術(shù)都還不成熟［9-10］.
對于基于量子計(jì)算不擅長計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼，現(xiàn)有的密碼方案也有許多不足.如，Merkle樹簽名可以簽名，不能加密；基于糾錯碼的密碼可以加密，簽名不理想；NTRU密碼可以加密，簽名不理想；MQ密碼可以簽名，加密不理想.這說明目前尚沒有形成的理想的密碼體制.而且這些密碼的安全性還缺少嚴(yán)格的理論分析.
總之，目前尚未形成理想的抗量子密碼.
4 我們的研究工作
我們的研究小組從2007年開始研究抗量子計(jì)算密碼.目前獲得了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持，并取得了以下2個階段性研究成果.
4.1 利用多變量問題，設(shè)計(jì)了一種新的Hash函數(shù)
Hash 函數(shù)在數(shù)字簽名、完整性校驗(yàn)等信息安全技術(shù)中被廣泛應(yīng)用.目前 Hash 函數(shù)的設(shè)計(jì)主要有3類方法:①直接構(gòu)造法.它采用大量的邏輯運(yùn)算來確保Hash函數(shù)的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函數(shù)均是采用這種方法設(shè)計(jì)的.②基于分組密碼的Hash 函數(shù)，其安全性依賴于分組密碼的安全性.③基于難解性問題的構(gòu)造法.利用一些難解性問題諸如離散對數(shù)、因子分解等來構(gòu)造Hash 函數(shù).在合理的假設(shè)下，這種Hash函數(shù)是可證明安全的，但一般來講其效率較低.
我們基于多變量非線性多項(xiàng)式方程組的難解性問題，構(gòu)造了一種新的Hash 函數(shù)［54-55］.它的安全性建立在多變量非線性多項(xiàng)式方程組的求解困難性之上.方程組的次數(shù)越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取決多變量方程組的稀疏程度，方程組越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我們可以權(quán)衡安全性和效率來控制多變量多項(xiàng)式方程組的次數(shù)和稠密度，以構(gòu)造出滿足用戶需求的多變量Hash 函數(shù).
4.2 對MQ密碼進(jìn)行了擴(kuò)展，把Hash認(rèn)證技術(shù)引入MQ密碼，得到一種新的擴(kuò)展MQ密碼
擴(kuò)展MQ密碼的基本思想是對傳統(tǒng)MQ密碼的算法空間進(jìn)行拓展. 如圖1所示, 我們通過秘密變換L將傳統(tǒng)MQ密碼的公鑰映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隱藏到更大算法空間中得到新的公鑰映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的輸入輸出空間是不對稱的, 原像空間大于像空間(δ＞|μ|), 即具有壓縮性, 但卻并未改變映射G的可逆性質(zhì). 同時, 算法空間的拓展破壞了傳統(tǒng)MQ密碼的一些特殊代數(shù)結(jié)構(gòu)性質(zhì), 從攻擊者的角度, 由于無法從G′中成功分解出原公鑰映射G, 因此必須在拓展空間中求解更大規(guī)模的非線性方程組G′, 另外, 新方案中引入Hash認(rèn)證技術(shù), 攻擊者偽造簽名時, 偽造的簽名不僅要滿足公鑰方程G′、 還要通過Hash函數(shù)認(rèn)證, 雙重安全性保護(hù)極大地提升了傳統(tǒng)MQ公鑰密碼系統(tǒng)的安全性. 底層MQ體制及Hash函數(shù)可靈活選取, 由此可構(gòu)造出一類新的抗量子計(jì)算公鑰密碼體制.這種擴(kuò)展MQ密碼的特點(diǎn)是，既可安全簽名，又可安全加密［56］.
我們提出的基于多變量問題的Hash函數(shù)和擴(kuò)展MQ密碼，具有自己的優(yōu)點(diǎn)，也有自己的缺點(diǎn).其安全性還需要經(jīng)過廣泛的分析與實(shí)踐檢驗(yàn)才能被實(shí)際證明.
5 今后的研究工作
5.1 量子信息論
量子信息建立在量子的物理屬性之上，由于量子的物理屬性較之電子的物理屬性有許多特殊的性質(zhì)，據(jù)此我們估計(jì)量子的信息特征也會有一些特殊的性質(zhì).這些特殊性質(zhì)將會使量子信息論對經(jīng)典信息論有一些新的擴(kuò)展.但是，具體有哪些擴(kuò)展，以及這些新擴(kuò)展的理論體系和應(yīng)用價值體現(xiàn)在哪里？我們尚不清楚.這是值得我們研究的重要問題.
5.2 量子計(jì)算理論
這里主要討論量子可計(jì)算性理論和量子計(jì)算復(fù)雜性理論.
可計(jì)算性理論是研究計(jì)算的一般性質(zhì)的數(shù)學(xué)理論.它通過建立計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，精確區(qū)分哪些是可計(jì)算的，哪些是不可計(jì)算的.如果我們研究清楚量子可計(jì)算性理論，將有可能構(gòu)造出量子計(jì)算環(huán)境下的絕對安全密碼.但是我們目前對量子可計(jì)算性理論尚不清楚，迫切需要開展研究.
計(jì)算復(fù)雜性理論使用數(shù)學(xué)方法對計(jì)算中所需的各種資源的耗費(fèi)作定量的分析，并研究各類問題之間在計(jì)算復(fù)雜程度上的相互關(guān)系和基本性質(zhì).它是密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，公鑰密碼的安全性建立在計(jì)算復(fù)雜性理論之上.因此，抗量子計(jì)算密碼應(yīng)當(dāng)建立在量子計(jì)算復(fù)雜性理論之上.為此，應(yīng)當(dāng)研究以下問題.
1） 量子計(jì)算的問題求解方法和特點(diǎn).量子計(jì)算復(fù)雜性建立在量子圖靈機(jī)模型之上，問題的計(jì)算是并行的.但是目前我們對量子圖靈機(jī)的計(jì)算特點(diǎn)及其問題求解方法還不十分清楚，因此必須首先研究量子計(jì)算問題求解的方法和特點(diǎn).
2） 量子計(jì)算復(fù)雜性與傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性之間的關(guān)系.與電子計(jì)算機(jī)環(huán)境的P問題、NP問題相對應(yīng), 我們記量子計(jì)算環(huán)境的可解問題為QP問題, 難解問題為QNP問題.目前人們對量子計(jì)算復(fù)雜性與傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性的關(guān)系還不夠清楚，還有許多問題需要研究.如NP與QNP之間的關(guān)系是怎樣的？ NPC與QP的關(guān)系是怎樣的？NPC與QNP的關(guān)系是怎樣的？能否定義QNPC問題？這些問題關(guān)系到我們應(yīng)基于哪些問題構(gòu)造密碼以及所構(gòu)造的密碼是否具有抗量子計(jì)算攻擊的能力.
3） 典型難計(jì)算問題的量子計(jì)算復(fù)雜度分析.我們需要研究傳統(tǒng)計(jì)算環(huán)境下的一些NP難問題和NPC問題，是屬于QP還是屬于QNP問題？
5.3 量子計(jì)算環(huán)境下的密碼安全性理論
在分析一個密碼的安全性時，應(yīng)首先分析它在電子計(jì)算環(huán)境下的安全性，如果它是安全的，再進(jìn)一步分析它在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性.如果它在電子計(jì)算環(huán)境下是不安全的，則可肯定它在量子計(jì)算環(huán)境下是不安全的.
1） 現(xiàn)有量子計(jì)算攻擊算法的攻擊能力分析.我們現(xiàn)在需要研究的是Shor算法除了攻擊廣義離散傅里葉變換以及HSP問題外，還能攻擊哪些其它問題？如果能攻擊，攻擊復(fù)雜度是多大？
2) 尋找新的量子計(jì)算攻擊算法.因?yàn)槊艽a的安全性依賴于新攻擊算法的發(fā)現(xiàn).為了確保我們所構(gòu)造的密碼在相對長時間內(nèi)是安全的，必須尋找新的量子計(jì)算攻擊算法.
3) 密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性分析.目前普遍認(rèn)為, 基于格問題、MQ問題、糾錯碼的譯碼問題設(shè)計(jì)的公鑰密碼是抗量子計(jì)算的.但是，這種認(rèn)識尚未經(jīng)過量子計(jì)算復(fù)雜性理論的嚴(yán)格的論證.這些密碼所依賴的困難問題是否真正屬于QNP問題？這些密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的實(shí)際安全性如何？只有經(jīng)過了嚴(yán)格的安全性分析，我們才能相信這些密碼.
5.4 抗量子計(jì)算密碼的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù)
通過量子計(jì)算復(fù)雜性理論和密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性分析的研究，為設(shè)計(jì)抗量子計(jì)算密碼奠定了理論基礎(chǔ)，并得到了一些可構(gòu)造抗量子計(jì)算的實(shí)際困難問題.但要實(shí)際設(shè)計(jì)出安全的密碼，還要研究抗量子計(jì)算密碼的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù).
1) 量子計(jì)算環(huán)境下的單向陷門設(shè)計(jì)理論與方法.理論上，公鑰密碼的理論模型是單向陷門函數(shù).要構(gòu)造一個抗量子計(jì)算公鑰密碼首先就要設(shè)計(jì)一個量子計(jì)算環(huán)境下的單向陷門函數(shù).單向陷門函數(shù)的概念是簡單的，但是單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)是困難的.在傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性下單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)已經(jīng)十分困難，我們估計(jì)在量子計(jì)算復(fù)雜性下單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)將更加困難.
2） 抗量子計(jì)算密碼的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù).有了單向陷門函數(shù)，還要進(jìn)一步設(shè)計(jì)出密碼算法.有了密碼算法，還要有高效的實(shí)現(xiàn)技術(shù).這些都是十分重要的問題.都需要認(rèn)真研究才能做好.
6 結(jié)語
量子計(jì)算時代我們使用什么密碼，是擺在我們面前的重大戰(zhàn)略問題.研究并建立我國獨(dú)立自主的抗量子計(jì)算密碼是我們的唯一正確的選擇.本文主要討論了基于量子計(jì)算機(jī)不擅長計(jì)算的數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的一類抗量子計(jì)算的密碼，介紹了其發(fā)展現(xiàn)狀，并給出了進(jìn)一步研究的建議.
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篇7
Optimal Knowledge Distribution Based on the Quantum Genetic Algorithm
ZHANG Wei, HE Rong
(Yunnan Medical College, Kunming 650051, China)
Abstract: Researched the question about knowledge distribution of intelligent examination system, based on the theory of quantum computing, applied quantum genetic algorithm, to improve the strategy of knowledge distribution optimization for better coverage and efficiency.
Key words: quantum algorithm; genetic algorithm; intelligent optimization; test system
智能組卷是一種新型的計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)。試卷由撒布在測試區(qū)域內(nèi)的考題按一定出題規(guī)則自組織而成, 這些考題具有一定的代表性,能檢測出學(xué)生對考察科目知識的學(xué)習(xí)掌握情況。考試系統(tǒng)中,考題的分布以及組織對于提高系統(tǒng)的測試水平具有重要的意義。傳統(tǒng)的考試系統(tǒng)知識分布有兩種策略,一種是人工規(guī)劃(Planning模式),另一種是大規(guī)模的隨機(jī)分散(Scattering模式)。前者缺乏靈活性與多樣性,且效率低下,不適宜計(jì)算機(jī)組卷等大規(guī)模考試。而后者若要取得較好的分布,就必須設(shè)置遠(yuǎn)多于實(shí)際需要的考題才能較完整地覆蓋考察科目的測試區(qū)域,這與試卷中題目數(shù)量的有限性是相互矛盾的,試卷中可能存在考題不合理分布造成的測試陰影和盲區(qū)。因此考題的合理分布對智能考試系統(tǒng)的測試效果有重要的作用。盡管針對考試系統(tǒng)國內(nèi)外進(jìn)行大量的組卷算法研究,但對于知識點(diǎn)的分布優(yōu)化問題研究工作還很少,很多研究運(yùn)用傳統(tǒng)遺傳算法組卷[1],優(yōu)化效果不盡理想。針對此問題,本文應(yīng)用量子遺傳算法優(yōu)化知識點(diǎn)的分布,克服測試陰影和盲區(qū),使考試系統(tǒng)更大范圍地測試到更有效的學(xué)生學(xué)習(xí)信息。
1 知識覆蓋問題
通過對考試科目的學(xué)習(xí),學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的知識儲存在頭腦中。由于學(xué)生個體之間的學(xué)習(xí)差異,導(dǎo)致每個學(xué)生大腦中儲存和掌握的情況具有不確定性。考試的目的在于,通過試卷測試對學(xué)生學(xué)習(xí)情況做出相對確定的評價。科目知識是相對固定的,我們總是將科目知識當(dāng)作圖譜,按圖索驥地構(gòu)造出試卷去測試學(xué)生大腦中相關(guān)區(qū)域中知識的學(xué)習(xí)掌握情況,即是否掌握,掌握水平如何等。但在目標(biāo)試卷生成以前,題庫中的考題相對與目標(biāo)試卷而言表現(xiàn)為存在或不存在兩種可能形態(tài)。基于此,本文引入量子態(tài)對考題進(jìn)行描述、編碼和處理。
1.1 試卷分布構(gòu)成
試卷覆蓋是指由計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)生成一組考題集合(試卷)對測試區(qū)域各個知識點(diǎn)的涵蓋。試卷的目的是系統(tǒng)地測試和評價試卷覆蓋知識區(qū)域內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息,傳送到需要這些信息的教師和教學(xué)管理部門。
考題是由考點(diǎn)以問題的形式構(gòu)成的。其中考點(diǎn)與考試科目的相關(guān)知識點(diǎn)對應(yīng)。因此考題的分布是考試系統(tǒng)獲取學(xué)生學(xué)習(xí)信息的關(guān)鍵因素之一,其覆蓋范圍以及分布優(yōu)化也隨之成為研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)。
1.2 試卷覆蓋問題
試卷由數(shù)量有限的考題組成,每道考題包含若干有針對性的知識點(diǎn)所設(shè)置的考點(diǎn)。這些考點(diǎn)形成了考題的測試范圍。如何組織試卷完成對目標(biāo)區(qū)域的檢測,就是考試系統(tǒng)覆蓋性的問題。考題分布優(yōu)化的任務(wù)就是在保持試卷結(jié)構(gòu)完整的前提下,動態(tài)調(diào)整考題組成,以獲得盡可能大的覆蓋率,也就是使試卷能獲得更廣泛的信息。在保持考點(diǎn)充分覆蓋的前提下,引入以下定義。
假設(shè)考察科目所涵蓋的知識范圍用集合S表示,組成每套試卷的考題用集合Q={qi,i=1,2,...,n}表示,每道考題測試的知識范圍為ci,試卷的測試目標(biāo)知識區(qū)域?yàn)锳,(A?哿S),則理想的探測效果為。設(shè)為試卷有效覆蓋知識區(qū)域的度量(考點(diǎn)數(shù)),d2=A為目標(biāo)科目知識區(qū)域的度量(知識點(diǎn)數(shù)),則稱ρ=d1/d2為試卷覆蓋度。
覆蓋性問題不僅反映了試卷所能測試的范圍,而且通過合理的覆蓋控制還可以使試卷中的考題組合得到優(yōu)化,提高試卷的命題質(zhì)量。
1.3 約束條件
我們采用以下公理化方式對知識覆蓋問題進(jìn)行描述(目標(biāo)):在考題集合Q={q1,q2,...,qn}中求一個子集T作為試卷,使得滿足以下約束條件。
① 各考題滿足試卷總體約束條件;
② 試卷覆蓋度ρ最大;
③ 考題數(shù)目T為最少。
3 量子遺傳算法的考題分布優(yōu)化
試卷的考題分布優(yōu)化是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題 ,需要在考題數(shù)與知識覆蓋率之間達(dá)到平衡。即在保持試卷中考題數(shù)目與題型符合命題要求的情況下,盡可能增加試卷的知識覆蓋度,使考題獲取最廣泛的測試信息。
3.1 量子遺傳算法
量子遺傳算法是量子計(jì)算與遺傳算法相結(jié)合的產(chǎn)物。它以量子計(jì)算的一些概念和理論為基礎(chǔ),用量子比特編碼來表示染色體,用量子門作用和量子門更新來完成進(jìn)化搜索[2]。
我們根據(jù)考題在科目知識中的分布和權(quán)重(主要是指命題價值)按字典序編號,形成知識地圖的坐標(biāo)。由于題庫中的考題在目標(biāo)試卷生成以前具有不確定性,即在目標(biāo)試卷中既可能存在,也可能不存在。這符合量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原則。我們對這些編號進(jìn)行量子編碼,并用量子遺傳算法在命題規(guī)則的約束下進(jìn)行知識分布優(yōu)化。
3.1.1 量子編碼
1) 量子態(tài)引入
我們用Dirac算符|>和|>分別表示考題在目標(biāo)試卷中表現(xiàn)為存在或不存在的兩種可能形態(tài)。若用“1”表示存在,用“0”表示不存在。考題以疊加態(tài)的形式存在。即將一個量子比特可能處于|0>和|1>之間的中間態(tài)。可表示為:
|Ψ>=α|0>+β|1> (2)
其中α和β分別是|0>和|1>的概率幅,且滿足下列歸一化條件:
|α|2+|β|2=1(3)
式(3)中,|α|2表示量子比特的觀測值在|0>狀態(tài)的概率投影,|β|2表示量子比特的觀測值在|1>狀態(tài)的概率投影。
定義2.1滿足式(2)和式(3)的一對實(shí)數(shù)α、β稱為一個量子比特的概率幅,記為[α,β]T。
定義2.2角度ζ(ζ∈[-π/2,π/2])定義為一個量子比特的相位,即ζ=arctan(β/α)。
2) 染色體量子編碼
我們從題型、章節(jié)、考題三個方面對試卷的染色體及種群進(jìn)行量子編碼。
其中,m為染色體的基因個體表示知識分布數(shù)量(章節(jié)數(shù));k為每個基因的量子比特?cái)?shù)表示每道題的屬性數(shù)量。n個這樣的個體構(gòu)成的種群Q(t)={q1t,q2t,...,qnt}表示試卷,其中n為題型數(shù)量。
3.1.2 量子旋轉(zhuǎn)門
量子旋轉(zhuǎn)門是實(shí)現(xiàn)演化操作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。[3-5]圖1為量子旋轉(zhuǎn)門示意圖。
其操作規(guī)律如下:
θi=k*f(αi,βi) (6)
其中k是一個與算法收斂速度有關(guān)的系數(shù),k的取值必須合理選取,如果k的取值過大,算法搜索的網(wǎng)格就很大,容易出現(xiàn)早熟現(xiàn)象,算法易于收斂于局部極值點(diǎn),反之,如果 k 的取值過小,則搜索速度太慢甚至?xí)幱谕顟B(tài)。因此,本文將k視為一個變量,將k定義為一個與進(jìn)化代數(shù)有關(guān)的變量,如,其中t為進(jìn)化代數(shù),max t是根據(jù)待求解的具體問題而設(shè)定的一個常數(shù),因此k可以根據(jù)進(jìn)化代數(shù)合理地調(diào)整網(wǎng)格大小。
函數(shù)f(αi,βi)的作用是使算法朝著最優(yōu)解得方向搜索。本文采用表1的搜索策略。其原理是使當(dāng)前解逐漸逼近搜索到的最佳解,從而確定量子旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)方向。其中符號e表示α和β的乘積,即e=α*β,e的正負(fù)值代表此量子比特的相位ζ在平面坐標(biāo)中所處的象限。 如果 e的值為正,則表示ζ處于第一、三象限,否則處于第二或第四象限。
在表1中,α1和β1是搜索到的最佳節(jié)的概率幅,α2和β2是當(dāng)前解的概率幅,當(dāng)e1,e2同時大于0時,意味著當(dāng)前解和搜索到的最佳解均處于第一或第三象限。當(dāng)|ζ1|>|ζ2|時,表明當(dāng)前解應(yīng)朝著逆時針方向旋轉(zhuǎn),其值為 +1,反之為 -1。同理可推出其他三種情況。
這樣,量子門的更新過程可以描述為qjt+1=G(t)*qjt其中,上標(biāo)t為進(jìn)化代數(shù),G(t)為第t代量子門,為第t代某個個體的概率幅,qjt+1為第t+1代相應(yīng)個體的概率幅。
3.1.3 量子遺傳算法流程(見圖2)
①初始化種群,種群Q={q1,q2,...,qn},其中qj為種群中的第 j 個個體。 令種群中全部的染色體基因(αi,βi) (i=1,2,...,m)都被初始化為,這意味著一個染色體所表達(dá)的是其所有可能狀態(tài)的等概率疊加。同時初始化進(jìn)化代數(shù)t=0。
②量子坍塌法測量:對處于疊加態(tài)的量子位進(jìn)行觀測時,疊加態(tài)將因此受到干擾,并發(fā)生變化,稱為坍塌。擾動使為疊加態(tài)坍縮為基本態(tài)。確定種群大小n和量子位的數(shù)目m,包含n個個體的種群通過量子坍塌,得到P(t),其中為第t代種群的第j個解(即第j個個體的測量值),表現(xiàn)形式為長度m為的二進(jìn)制串,其中每一位為0或1。(量子坍塌即對Q進(jìn)行測量,測量的步驟是生成一個[0,1] 之間的隨機(jī)數(shù),若其大于概率幅的平方,則測量結(jié)果值取1,否則取0。
③群體的適應(yīng)度評價,保存最優(yōu)解作為下一步演化的目標(biāo)值。
④算法進(jìn)入循環(huán)。首先判斷是否滿足算法終止條件,如果滿足,則程序運(yùn)行結(jié)束;否則對種群中個體實(shí)施一次測量,獲得一組解及其相應(yīng)的適應(yīng)度。
⑤根據(jù)當(dāng)前的演化目標(biāo),運(yùn)用量子旋轉(zhuǎn)門進(jìn)行調(diào)整更新,獲得子代種群。調(diào)整過程為根據(jù)式(6)計(jì)算量子旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)角,并應(yīng)用式(5)作用于種群中的所有個體的概率幅,即更新Q。
⑥群體災(zāi)變:當(dāng)接連數(shù)代的最優(yōu)個體為局部極值,這時就實(shí)行群體災(zāi)變操作,即對進(jìn)化過程中的種群施加一個較大擾動,使其脫離局部最優(yōu)點(diǎn),開始新的搜索。具體操作為:只保留最優(yōu)值,重新生成其余個體。
⑦迭代與終止進(jìn)化代數(shù)t'=t+1,算法轉(zhuǎn)至式(2)繼續(xù)執(zhí)行,直到算法結(jié)束。
4 仿真試驗(yàn)
為了驗(yàn)證算法的有效性,我們對傳統(tǒng)遺傳算法(CGA)與量子遺傳算法(QGA)所獲得的考題知識覆蓋度進(jìn)行仿真對比。我們將考題對考查科目所含知識的覆蓋問題簡化為:用12個半徑為200的圓所代表的考題去覆蓋一塊1200×1000的二維平面內(nèi)用矩形代表的知識區(qū)域;種群個體數(shù) P = 45,量子位數(shù)目 m = 30,運(yùn)行 600 代。算法運(yùn)行結(jié)果對照如下。
從圖3所示考題知識分布優(yōu)化中覆蓋度的變化特性可以看出在不同階段的變化中,量子遺傳算法優(yōu)化性能高于傳統(tǒng)遺傳算法而且穩(wěn)定性也更強(qiáng)。
5 結(jié)論
在試卷中存在考題不合理分布造成的測試陰影和盲區(qū)。通過量子遺傳算法優(yōu)化考題分布,使其在保證命題要求的情況下,用最少的考題取得最大的覆蓋率,可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。仿真結(jié)果也表明,算法能夠較好地完成試卷考題的分布優(yōu)化,從而有效提高試卷的測試能力,對于實(shí)際的試卷命制提供了可靠的解決方案和調(diào)整依據(jù)。本文提出了創(chuàng)新性的考題分布的優(yōu)化方法,即確立了試卷的覆蓋模型,并以此為目標(biāo)函數(shù),運(yùn)用量子遺傳算法對考題分布進(jìn)行優(yōu)化。
參考文獻(xiàn):
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篇8
硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時，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，將會在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。
（1）量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對可逆計(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)算存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時，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，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。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，“實(shí)用’，也是發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢的應(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)展是動態(tài)的，已有問題的解決必然帶來新的問題新的問題是對已有問題解決方法的挑戰(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)代思維方式的一個顯著特征，愛岡斯坦曾說：提出一個問題往往比解決一個問題更重要，正是這個意思。提新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，這一切需要有創(chuàng)造性的想象力。往往是獲得認(rèn)識突破的契機(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。在這個世紀(jì)之交，知識經(jīng)濟(jì)時代呼嘯而來，作為知識和信息的處理、傳輸和存儲之載體的計(jì)算機(jī)。在即將來臨的2I世紀(jì)，將會不斷地開發(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)人人工智能時代。這種新型計(jì)算機(jī)將推動新一輪計(jì)算技術(shù)革命，對人類社會的發(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)
篇9
0引言
半導(dǎo)體工業(yè)在過去的幾十年發(fā)展表明：計(jì)算機(jī)的中央處理器在每1-2年就會增長一倍，芯片上的集成的晶體管數(shù)目更是呈指數(shù)形式增長。在不遠(yuǎn)的將來每個芯片上的晶體管將會超過十億個，這樣的增長速度使得半導(dǎo)體的加工變得越來越困難。另一方面，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，今后計(jì)算機(jī)的儲存尺度單位將是原子級別的。當(dāng)人們把這些器件加工到原子尺度程度的時候，就應(yīng)該用量子理論來描述這些性質(zhì)。量子理論作為描述微觀世界的理論，它具有與經(jīng)典理論有許多的不同之處，甚至和我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)發(fā)生矛盾。
在1994年P(guān)eter Shor首次提出一種具體的量子大數(shù)因子分解加密算法，這個對RSA等公鑰密碼系統(tǒng)的安全性來說是一個挑戰(zhàn)。隨后在1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了Grover迭代算法，它能求解某些解典計(jì)算機(jī)不能解決的問題，如經(jīng)典的NPC問題。除此外，利用量子不可克隆實(shí)現(xiàn)保密通信，可以防止通信過程中被監(jiān)聽。這些性質(zhì)使得量子通信具有廣泛地應(yīng)用前景而成為一個較熱的課題。量子信息和量子計(jì)算已被我國列入“十三五”重大研究課題。
1量子比特
在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)里，基本的構(gòu)造單元是比特。不論是用電子管來實(shí)現(xiàn)的一個比特還是用晶體管來實(shí)現(xiàn)的比特，其基本原理都要遵從牛頓力學(xué)定律。在一個經(jīng)典的計(jì)算機(jī)里，其儲存量是用比特的多少來衡量的。它的運(yùn)算速度可有單位時間內(nèi)比特的轉(zhuǎn)換數(shù)目來決定。
在圖1中可以看到，經(jīng)典的比特實(shí)質(zhì)是就是兩個點(diǎn)10>和11>，所以在儲存的時候也只能是10>和11>。因此我們想要提高其運(yùn)行速度就受到了原理上的限制。首先是我們在追求速度時，就需要不斷地提高微電子元件的集成度，小型化的電子器件必然會受到量子極限尺寸的限制。其次就是由于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的操作是不可逆的，由熱力學(xué)原理知道，計(jì)算芯片必然發(fā)熱，這是提高經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力主要障礙。最后就是經(jīng)典計(jì)算機(jī)不具備內(nèi)在的并行運(yùn)算。通過連接更多的計(jì)算資源來解決并行運(yùn)算是比較復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)的。
2量子比特
量子比特是計(jì)算信息科學(xué)里一個重要的概念，是量子計(jì)算機(jī)的基本單元，因此在這里我們對它做一個詳細(xì)的介紹。
量子比特其可以對應(yīng)量子力學(xué)里一個粒子態(tài)的疊加，對于一個自旋為1/2的粒子，其本征態(tài)為兩種定態(tài) ，單粒子的疊加態(tài)可表示為
| >= |1>+ |0> （1.1）
這里的 ， 為任意復(fù)數(shù)，其分別對應(yīng)兩個定態(tài)在疊加態(tài)中所占的比例，如果 =0或者是 =0 時，疊加態(tài)就轉(zhuǎn)化為定態(tài)，兩個系數(shù)的模方 分別代表粒子狀態(tài)在每一個定態(tài)中的幾率。Bloch球面中則表示在量子力學(xué)里一個一把態(tài)的疊加。我們可以看到，經(jīng)典的兩個比特只是Bloch球面中一種特殊的情況，其被Bloch球面所包圍。而量子態(tài)在三維的坐標(biāo)中表示出來就是Bloch球面上的一個點(diǎn)。所以一個量子比特有無窮個態(tài)，每個態(tài)對應(yīng)Bloch上的一個點(diǎn)，對量子比特進(jìn)行操縱，就是把Bloch球面上的一個點(diǎn)移到另外的一個點(diǎn)，這個操縱是一個幺正變換。
3量子計(jì)算機(jī)
從（1.1）式我們可以看到，經(jīng)典計(jì)算機(jī)是只是量子計(jì)算機(jī)的特例，量子計(jì)算機(jī)是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的推廣，這一推廣使得其計(jì)算能力成指數(shù)倍的增長。對于由量子力學(xué)原理所支配的量子計(jì)算機(jī)來說，原則上制約著經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的原理都不存在，首先因?yàn)闃?gòu)成量子計(jì)算機(jī)的一些芯片實(shí)質(zhì)上就是量子器件。其次是量子計(jì)算是由一系列幺正演化來完成的，所以這是一個可逆的過程，不存在耗熱問題。最后就是量子計(jì)算是建立在量子疊加態(tài)基礎(chǔ)上的，所以具有并行性運(yùn)算能力。因而某些在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)里需要進(jìn)行指數(shù)倍運(yùn)算，在量子計(jì)算機(jī)里卻只需進(jìn)行多項(xiàng)式分解運(yùn)算。
其實(shí)，在早期（1982年）就有人預(yù)想到了量子元件的計(jì)算能力比經(jīng)典的元件強(qiáng)很多，不過在這個時期并沒有受到人們的關(guān)注。直到20世紀(jì)初Shor首次提出Shor算法后使得量子計(jì)算機(jī)有了現(xiàn)實(shí)意義，即能對現(xiàn)行信息安全所依仗的大數(shù)因子分解難題進(jìn)行有效的破解。從此以后就有越來越多的科研工作者開始關(guān)注量子計(jì)算機(jī)，關(guān)心和探討適合量子元件運(yùn)算規(guī)律的算法。
要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算過程，大致有一下三個步驟：
首先是初態(tài)的制備，在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行一個有用的計(jì)算最重要的要求是制備期望的輸入。同樣在量子計(jì)算機(jī)里，我們將芯片中的各個比特制備在某個特定的量子態(tài)上，這個過程中要求比特保持良好的量子相干性，以便保證量子疊加態(tài)能夠一直成立。
其次是去實(shí)施完成所預(yù)想的各種可逆幺正變換，這些幺正變換就是我們通常所說的各種操作。在量子計(jì)算機(jī)里，人們相信量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，都是由一系列的基本的邏輯運(yùn)算組成。目前已經(jīng)證明任何的量子計(jì)算都可以通過一個基本量子邏輯門集的組合來完成。
最后就是信息的讀取，對量子器件進(jìn)行測量來讀出計(jì)算結(jié)果。需要注意的是，量子力學(xué)所掌握的是關(guān)于微觀系統(tǒng)的規(guī)律是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，它只能告訴我們在某個時刻一個微觀系統(tǒng)的各個物理量取不同值的概率。在大多數(shù)時候，我們得到的末態(tài)有可能也是一個量子疊加態(tài)，所以我們測量的結(jié)果一般都是概率性的。量子計(jì)算通常要重復(fù)多次才能得到比較明確的結(jié)果。
4量子算法
在Shor算法為提出以后，人們意識到這將對當(dāng)今廣泛應(yīng)用著的公匙密碼體系的安全性構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)大數(shù)因子分解。
通常來說，RSA公匙密碼體系中，密碼的生成方式是這樣的：第一步是去尋找兩個大的質(zhì)數(shù)m，n，計(jì)算Q=mn的值以及歐拉函數(shù) （Q）=（m 1） （n 1）。第二步是在區(qū)間1≤e≤ （Q）隨機(jī)選擇一個和 （Q）互質(zhì)的整數(shù)，計(jì)算模 （Q）下的逆元d=e-1mod （Q）；最后一步是定義公匙私匙（M，e）是d。
由此可知，RAS公匙密碼的安全性完全取決于大整數(shù)n的質(zhì)因數(shù)分解的困難性，目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)是不能破解的。而在物理上，Shor量子算法是有效的，Shor算法是對大數(shù)因子分解的一種有效的算法：其復(fù)雜程度隨著問題的規(guī)模只是多項(xiàng)式的增加。
5結(jié)論
在本文我們介紹了經(jīng)典的比特和量子比特。經(jīng)典的比特只是Bloch球上的兩個點(diǎn)，而量子比特則是Bloch球上的所有點(diǎn)。可以看出，經(jīng)典比特只是量子比特的一種特例。同時我們也討論了經(jīng)典的計(jì)算機(jī)和量計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)所執(zhí)行的是一個可逆幺正演化且具備并行運(yùn)算的能力，使得量子計(jì)算機(jī)能解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能解決的問題，尤其是對大數(shù)因子的分解。量子計(jì)算機(jī)是目前量子信息科學(xué)中最重要的研究領(lǐng)域之一，這將是目前以及未來一段時間內(nèi)科學(xué)家門所要研究的重點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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[2] Geover L K，Quantum computers can search rapidly by using almost any transformation.Phys.Rev.Lett.1998，80（19）：4329-4332.
篇10
一、 在材料科學(xué)中的應(yīng)用
（一）在建筑材料方面的應(yīng)用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問題。
鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1 ，2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca 鈣礬石、含Ba 鈣礬石和含Sr 鈣礬石的Al -O鍵級基本一致，而含Sr 鈣礬石、含Ba 鈣礬石中的Sr，Ba 原子鍵級與Sr-O，Ba -O共價鍵級都分別大于含Ca 鈣礬石中的Ca 原子鍵級和Ca -O共價鍵級，由此認(rèn)為，含Sr 、Ba 硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。
將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。
（二） 在金屬及合金材料方面的應(yīng)用
過渡金屬(Fe 、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。
量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。
二、在能源研究中的應(yīng)用
（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用
煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。
量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子， 如低級芳香烴作為碳/ 碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian 98 程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法對設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。 轉(zhuǎn)貼于
（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用
鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看蟆⒐ぷ麟妷焊摺⒀h(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。
鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實(shí)際上是Li + 離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago 等[8] 用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32 H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li - C 和具有共價性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子軌道計(jì)算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。
隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。
三、 在生物大分子體系研究中的應(yīng)用
生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘， 進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見運(yùn)用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。
綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便。可以預(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。
參考文獻(xiàn)：
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篇11
為了計(jì)算導(dǎo)彈的運(yùn)行彈道,歷史上第一臺電子計(jì)算機(jī)（肯尼亞克）于1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。到20世紀(jì)60年代和80年代后,計(jì)算機(jī)除應(yīng)用于軍用單位以外,很多政府部門和大型的科研機(jī)構(gòu),甚至一些比較有實(shí)力的企業(yè)部門也開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理。之后,Intel4位中央處理器的問世讓計(jì)算機(jī)的普及與發(fā)展更深入,并于1982年創(chuàng)造了第一臺個人計(jì)算機(jī),促使了計(jì)算機(jī)成本的飛速降低,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)除有能力的單位或研究組織和軍事機(jī)構(gòu)之外的家庭和小型企業(yè)也能使用。20世紀(jì)90年代開始,很多企業(yè)和家庭也使用了計(jì)算機(jī)。同時計(jì)算機(jī)向兩極分化:一方面是往微、往小、往便宜發(fā)展進(jìn)入家庭;另一個向高、向難、向大發(fā)展,仍然運(yùn)用于軍事、科學(xué)技術(shù)。現(xiàn)在,計(jì)算機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)、公司、政府機(jī)關(guān)、家庭等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
從計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史我們不難發(fā)現(xiàn),計(jì)算機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)歷史突破性技術(shù),不斷的在快速成長、更新和發(fā)展,而它的每次更新也都必然促進(jìn)它自身的發(fā)展與推廣。
2、新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)
2.1 光子計(jì)算機(jī)
光子計(jì)算機(jī)是以光子代替電子,將光子作為計(jì)算機(jī)的傳導(dǎo)粒子,將傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接創(chuàng)新為光互連接,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件也將被光硬件設(shè)備取代。在運(yùn)算形式上,光子計(jì)算機(jī)能夠在并行度及運(yùn)行速度上得到飛躍式提高。光子計(jì)算機(jī)的通訊量也是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)望塵莫及的,此外,光子計(jì)算機(jī)還具有十分強(qiáng)大的糾錯特性,能夠確保當(dāng)某一計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問題時,其他的計(jì)算機(jī)能夠繼續(xù)安全運(yùn)行,從而在一定程度上保護(hù)的計(jì)算機(jī)是計(jì)算結(jié)果的正確程度。
2.2 納米計(jì)算機(jī)
納米計(jì)算機(jī)使計(jì)算機(jī)在外觀上大有改變,在能源的消耗方面,納米技術(shù)具有十分明顯的優(yōu)勢。納米計(jì)算機(jī)技術(shù)使電腦耗材的使用量大大減少,提高了相關(guān)硬件的使用年限。因此,在諸多新興計(jì)算機(jī)當(dāng)中,納米計(jì)算機(jī)可以說是最先進(jìn)。
2.3 分子計(jì)算機(jī)
分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當(dāng),而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。DNA計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小,只有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一,由于生物芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子,所以生物計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能,又可直接與生物活體相聯(lián)。
2.4 量子計(jì)算機(jī)
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示開與關(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,從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)在特征上介于器件與架構(gòu)之間,量子計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)用量子位存儲。
3、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測
3.1 納米技術(shù)將廣泛發(fā)展和應(yīng)用
由于納米技術(shù)突破了計(jì)算機(jī)集成和處理速度的雙重限制,因此需要大力發(fā)展該項(xiàng)技術(shù),它也將隨著科技發(fā)展的大趨勢成為未來計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個重要方向。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可達(dá)每秒1萬億次,儲存容量可達(dá)到1萬億億二進(jìn)位。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,可以產(chǎn)生量子計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī),而它們的運(yùn)算速度,存儲能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的計(jì)算機(jī),因而納米技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用,將是未來的一個重要方向。
3.2 改善計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)是一個組合體,是一個具有不同功能的體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)前計(jì)算機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要是進(jìn)行多任務(wù)的并行計(jì)算,這樣可以利用同一臺機(jī)器進(jìn)行多個任務(wù)的處理。對于大型電腦來說,另一種發(fā)展趨勢是集群系統(tǒng),它能夠給用戶提高可靠性以及相融性。因此,為了提升當(dāng)前計(jì)算機(jī)和用戶之間的交互性,應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展集群性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),強(qiáng)化系統(tǒng)的可靠性以及兼容性。
3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展
計(jì)算機(jī)的運(yùn)用越來越廣泛,與人們的生活息息相關(guān),這最主要的原因就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。正是網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)與快速發(fā)展使得計(jì)算機(jī)有了更加廣闊的發(fā)展空間。當(dāng)前計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)離不開網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷的成熟和發(fā)展,人們和網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系也在不斷的密切。這就使得未來的互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。因此,大力發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有利于計(jì)算機(jī)的發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步,人們將步入物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)的時代,這些都必須基于先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
3.4 軟件技術(shù)
對于計(jì)算機(jī)來說,軟件是非常重要的。目前主流的操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件性能作對比,軟件性能作用不小。用實(shí)際使用系統(tǒng)來說,屬于Microsoft的都形成了工業(yè)臺式計(jì)算機(jī)的占多數(shù)的實(shí)際使用系統(tǒng),還能促進(jìn)對企業(yè)工程區(qū)域進(jìn)展。數(shù)據(jù)庫的作用越來越完整,不過針對數(shù)據(jù)內(nèi)容的解決會脫離僅僅限制在數(shù)字與符號等,對于多媒體消息的解決還可以超過仍然還處于單一的進(jìn)制代碼文件的儲備。程序語言是
軟件性能的主要構(gòu)成類別,因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)的通用性,多種類的語言逐一實(shí)行支撐互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)。計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)工作性能同樣仍然是現(xiàn)在軟件技術(shù)進(jìn)展的相同目標(biāo)。
3.5 多媒體性能
多媒體性能的開拓與進(jìn)展把服務(wù)器、路由器以及轉(zhuǎn)換器諸多互聯(lián)網(wǎng)需要的設(shè)施的技術(shù)明顯提高,其中包含有用戶端、內(nèi)存、圖形片諸多硬件性能。互聯(lián)網(wǎng)使用人不再像原來一樣被動地接受解決信息的形態(tài),而是更加以踴躍主動的形式來進(jìn)入現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)空間。除此以外還有藍(lán)牙技能的發(fā)明運(yùn)用,令多媒體通信技能無線電、數(shù)字信息、個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、無線寬帶局域網(wǎng)等快速更新。
事實(shí)上,多媒體性能數(shù)字化是促使將來技能擴(kuò)展的主要方面。由于多媒體性能是電腦賴以生存與發(fā)展的基礎(chǔ),數(shù)字多媒體芯片性能就會變成將來多媒體性能生命里的核心。
4、結(jié)語
計(jì)算機(jī)技術(shù)是一個自我生存能力、自我發(fā)展能力極其強(qiáng)大、前途無量的一門新技術(shù),軟件、互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組織、納米等技術(shù)的運(yùn)用,不僅是實(shí)現(xiàn)發(fā)展高速化、智能化、多元化和微型化的前提,還是未來計(jì)算機(jī)技術(shù)提高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,總結(jié)和了解計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀并對其未來發(fā)展進(jìn)行預(yù)測,能夠有助于我們進(jìn)一步發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè),更好地讓計(jì)算機(jī)技術(shù)服務(wù)于我們的生產(chǎn)和生活。
參考文獻(xiàn)
篇12
如今計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了人工智能時代，新型計(jì)算機(jī)的時代又將是新一輪的計(jì)算機(jī)革命，這又將對社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
1 新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)
信息時代對信息的獲得能力決定了一個國家或者地區(qū)在這個時代的發(fā)展能力。全球化已經(jīng)越來越迅速的今天，世界各國都在加緊研發(fā)新型的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的各個方面都出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。而新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等也將在不久的將來進(jìn)入我們生活的各個領(lǐng)域，甚至有些已經(jīng)進(jìn)入了我們的生活。
1.1 量子計(jì)算機(jī)：量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是基于量子效應(yīng)理論開發(fā)的，它的運(yùn)算工作原理是：利用鏈狀分子聚合物的特性來表示信號的開和關(guān)，并用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使得信息沿著聚合物移動，進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)的存儲單位比以往的計(jì)算機(jī)都要小許多，是用量子位存儲的。具體的表現(xiàn)就是一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，這樣量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢就是比存儲量就變的非常龐大，對于工作要求存儲量大的電腦用戶來說是一個極佳的選擇。目前正在研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)類型主要有3種，第一種是核磁共振量子計(jì)算機(jī)，第二種是硅半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)，第三種是離子阱量子計(jì)算機(jī)。科學(xué)家們預(yù)測，量子計(jì)算機(jī)將在不久的2030年獲得普及。
1.2 光子計(jì)算機(jī)：光子計(jì)算機(jī)也可以被稱作是全數(shù)字計(jì)算機(jī)，它的工作原理是以光子代替電子，光互連的特性替代導(dǎo)線的互連，用光硬件代替電腦中的硬件設(shè)備，用光運(yùn)算的方式代替電運(yùn)算的方式進(jìn)行運(yùn)算。這種計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢是信息傳遞的平行通道密度大，而光具有高速、并行的特性，這也就決定了光子計(jì)算機(jī)并行處理能力強(qiáng)大，運(yùn)算速度遠(yuǎn)超人們的想象。
1.3 生物計(jì)算機(jī)：生物計(jì)算機(jī)亦稱作DNA分子計(jì)算機(jī)，它的運(yùn)算過程簡單來說就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)相互作用的過程。計(jì)算過程中需要的轉(zhuǎn)換開關(guān)是用酶來擔(dān)任的，程序的表示也將在酶合成系統(tǒng)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中變得極其明顯。生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比人腦的運(yùn)算速度要快100萬倍，也就是說生物計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算需要的時間僅僅是10微微秒。這種計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢是驚人的存儲量，根據(jù)計(jì)算，1立方米的DNA溶液可以存儲1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
1.4 納米計(jì)算機(jī)：納米作為一種計(jì)量單位，許多人對其并不陌生，但是對其的具體感覺卻并不直觀，它的長度大約是一個氫原子的直徑的10倍，它的具體表述就是10-9米。現(xiàn)在納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域正在從微電子機(jī)械系統(tǒng)中被運(yùn)用，這個系統(tǒng)是把傳感器、電動機(jī)和計(jì)算機(jī)的個各種處理器放在了同一個芯片上。這種用納米技術(shù)的計(jì)算機(jī)芯片非常微小，體積一般不過就是數(shù)百個原子的大小。它的優(yōu)點(diǎn)就是幾乎不需要消耗任何能源，性能更是比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)要強(qiáng)大的多。
2 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展
2.1 現(xiàn)代微型處理器技術(shù)發(fā)展：計(jì)算機(jī)性能的提升關(guān)鍵技術(shù)就是微型處理器的發(fā)展，這種技術(shù)追求的就是把處理器里的晶體線寬和尺寸的減小。要實(shí)現(xiàn)減小的目的，一般是通過用較短的波長的曝光光源來掩膜曝光，使做出的聯(lián)通晶體管的導(dǎo)線和刻蝕于硅片上的晶體管更細(xì)更小的方法來實(shí)現(xiàn)的，這種技術(shù)到現(xiàn)在一般是用紫外線作為曝光光源，不管有個限制難題就是線寬小于或等于0.10流明的情況下會受到阻礙，也因此現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)不再追求利用紫外線做光源來提升計(jì)算機(jī)的性能發(fā)展方向了。
2.2 以納米為主的電子科學(xué)技術(shù)：當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展障礙是處理速度和集成度，盡管現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)的電子元件得到了有效的改善，但是相對于現(xiàn)在要求電子計(jì)算機(jī)的高速化，智能化，和微型化的要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 所以今后計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展也不再是局限在單純的縮小尺寸方面，還要用其他的創(chuàng)新手段來完善計(jì)算機(jī)技術(shù)。
2.3 分組交換技術(shù)的發(fā)展：分組交換技術(shù)是把需要傳送的數(shù)據(jù)劃分為一些等長的部分，每個部分叫做一個數(shù)據(jù)段的技術(shù)。在這些數(shù)據(jù)段的前面添加一個控制信息組成首部，就可以構(gòu)成一個分組。分組通過首部指明了需要發(fā)往的地址，然后節(jié)點(diǎn)交互機(jī)根據(jù)分組的地址，將他們發(fā)往目的地。整個過程就是分組交換過程，這種技術(shù)很好的提升了通信的效率。
3 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展方向
現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)在人們的生活中已經(jīng)扮演了一個非常重要的角色，但是它的角色只會變得越來越重要，因?yàn)橐杂?jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，人類將進(jìn)入智能化、物聯(lián)網(wǎng)的時代。
3.1 納米技術(shù)需要大力發(fā)展：納米技術(shù)不受到傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)集成和處理速度的限制，納米技術(shù)就成了今后計(jì)算機(jī)技術(shù)大力發(fā)展的一個方向了。今后出現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展都有賴于納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，為推動今后計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，大力發(fā)展納米技術(shù)也成了一個必要的選擇。
3.2 著力改善計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)是一個具有不同功能的體系結(jié)構(gòu)，也是一個組合體。當(dāng)代幾乎所有的大型電腦和微型電腦都有可以同時處理不同問題的能力，這種功能就是是當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流結(jié)構(gòu)：并行計(jì)算。另外大型電腦有一個群集的發(fā)展趨勢，使用戶對相融性和可靠性的需求獲得提高。
篇13
一、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展史
計(jì)算機(jī)誕生之初，其主要的作用是用于計(jì)算導(dǎo)彈的運(yùn)行彈道。但是由于在過去的工作中計(jì)算機(jī)成本較為昂貴，在上個世紀(jì)五十年代以前，計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。直到上個世紀(jì)六七十年代，計(jì)算機(jī)成本逐步降低，使得部分單位和企業(yè)有能力在工作中采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作，也使得計(jì)算機(jī)技術(shù)得到飛速發(fā)展。隨著Intel4位中央處理器的誕生以及普及，在1982年，世界上第一臺個人計(jì)算機(jī)誕生，并被成功的應(yīng)用在家庭。到了上個世紀(jì)九十年代末期，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在諸多家庭和企業(yè)，同時設(shè)計(jì)領(lǐng)域也逐步廣泛企業(yè)。在這種社會現(xiàn)狀下，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用逐步形成了兩個不同的方向和趨勢，其一主要指的是被應(yīng)用在科研機(jī)構(gòu)、軍事機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，由于這些領(lǐng)域往往都是計(jì)算困難、計(jì)算精度較高的工作環(huán)節(jié)，因此在計(jì)算就發(fā)展中對于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和計(jì)算精確度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中應(yīng)用在家庭和中小企業(yè)的計(jì)算機(jī)，這些計(jì)算機(jī)可以說主要是往實(shí)惠、小體積和輕重量的方向發(fā)展。縱觀計(jì)算機(jī)發(fā)展史我們可以得知，計(jì)算機(jī)創(chuàng)新能力的推動與普及與人們生活和社會發(fā)展緊密相連，其在工作中也推動了整個社會領(lǐng)域的正常進(jìn)行。
二、計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀
計(jì)算機(jī)技術(shù)在當(dāng)今社會中發(fā)揮著不可替代的作用，對于促進(jìn)社會信息化的實(shí)現(xiàn)有著主導(dǎo)作用。伴隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也逐步實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)同步發(fā)展的核心技術(shù)觀念，也在工作中實(shí)現(xiàn)了信息化、現(xiàn)代化的核心技術(shù)處理要求。
（一）現(xiàn)代微型處理器的情況
在當(dāng)前社會中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的性能提升和處理主要在于發(fā)展微型處理器，這也是目前計(jì)算機(jī)發(fā)展的整體趨勢，在計(jì)算機(jī)發(fā)展工作中，其主要的實(shí)質(zhì)在于提高處理器芯片中的晶體線寬與尺寸的大小。一般在研究的過程中，多采用較短的波長來曝光光源，從而做打破掩膜曝光要求。如今的微型處理器發(fā)展與計(jì)算中，主要是通過紫外線進(jìn)行運(yùn)用和曝光光源的管理與申花，并且在工作中對于深層芯片進(jìn)行全面總結(jié)和處理，這種工作流程和工作方式多是采用量子效應(yīng)與電子行為來進(jìn)行分析，這種社會分析現(xiàn)狀也是微處理器發(fā)展的首要基礎(chǔ)。所以也就引起專家的注視，紫外線光源對微處理器性能的提升已經(jīng)沒有多大作用了。
（二）以納米為主的電子科學(xué)技術(shù)
伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，各種先進(jìn)材料不斷的引進(jìn)，進(jìn)而對微處理器進(jìn)行優(yōu)化和總結(jié)。就目前的計(jì)算機(jī)應(yīng)用與發(fā)展分析而言，在計(jì)算機(jī)工作中，準(zhǔn)確高效的計(jì)算機(jī)技術(shù)和微型化電子元件的需求已成為人們對計(jì)算機(jī)發(fā)展提出的新觀念，但就目前的社會現(xiàn)狀而言這種目標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到。因此在未來的計(jì)算機(jī)發(fā)展中，我們不僅要深入研究計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，同時更是要引進(jìn)各種新材料、新技術(shù)。在這種現(xiàn)狀之下，以納米為主的計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為目前我們工作和認(rèn)識的重點(diǎn)形式，也是當(dāng)前社會發(fā)展中存在的核心問題。
三、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測
伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在人們生活和工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。二十一世紀(jì)作為一個信息時代，人類在生活、工作中都進(jìn)入了智能化、信息化時代，對各種先進(jìn)技術(shù)和信息要求都越來越高，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新技術(shù)已成為目前社會發(fā)展的關(guān)鍵。
（一）改善計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)是一個組合體。是一個具有不同功能的體系結(jié)構(gòu)。其中，當(dāng)前計(jì)算機(jī)主流的體系結(jié)構(gòu)是并行計(jì)算，可以同時處理不同的問題，幾乎所有的大型工作站或微型電腦都具備此功能；此外，對于大型電腦來說，另一種發(fā)展趨勢是集群系統(tǒng)，它能夠給用戶提高可靠性以及相融性。
（二）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展
如今計(jì)算機(jī)的運(yùn)用越來越廣泛，與人們的生活息息相關(guān)。這最主要的原因就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。通過網(wǎng)絡(luò)。人們可以進(jìn)行商品的買賣、娛樂、了解更多的信息。因此，大力發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有利于計(jì)算機(jī)的發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步，人們將步人物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)的時代。這些都必須基于先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
四、未來計(jì)算機(jī)發(fā)展
1、量子計(jì)算機(jī)
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示開與關(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，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計(jì)算機(jī)的存儲量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前個人計(jì)算機(jī)的PentiumⅢ晶片快10億倍。
光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。
