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引言
攝影測量學(xué)是一門古老的學(xué)科，若從1839年攝影術(shù)的發(fā)明算起，攝影測量學(xué)已有170多年的歷史，而被普遍認(rèn)為攝影測量學(xué)真正起點的是1851―1859年“交會攝影測量”的提出。在這漫長的發(fā)展過程中，攝影測量學(xué)經(jīng)歷了模擬法、解析法和數(shù)字化三個階段。模擬攝影測量和解析攝影測量分別是以立體攝影測量的發(fā)明和計算機的發(fā)明為標(biāo)志，因此很大程度上，計算機的發(fā)展決定了攝影測量學(xué)的發(fā)展。在解析攝影測量中，計算機用于大規(guī)模的空中三角測量、區(qū)域網(wǎng)平差、數(shù)字測圖，還用于計算共線方程，在解析測圖儀中起著控制相片盤的實時運動，交會空間點位的作用。而出現(xiàn)在數(shù)字?jǐn)z影測量階段的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站（digital photogrammetry workstation，DPW）就是一臺計算機+各種功能的攝影測量軟件。如果說從模擬攝影測量到解析攝影測量的發(fā)展是一次技術(shù)的進步，那么從解析攝影測量到數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展則是一場技術(shù)的革命。數(shù)字?jǐn)z影測量與模擬、解析攝影測量的最大區(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算機替代作業(yè)員的眼睛。[1-2]毫無疑問，攝影測量進入數(shù)字?jǐn)z影測量時代已經(jīng)與計算機視覺緊密聯(lián)系在一起了[2]。
計算機視覺是一個相對年輕而又發(fā)展迅速的領(lǐng)域。其目標(biāo)是使計算機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)、運動等，而且能對它們進行描述、存儲、識別與理解[3]。數(shù)字?jǐn)z影測量具有類似的目標(biāo)，也面臨著相同的基本問題。數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)涉及多個學(xué)科，如圖像處理、模式識別以及計算機圖形學(xué)等。由于它與計算機視覺的聯(lián)系十分緊密，有些專家將其看做是計算機視覺的分支。
數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展已經(jīng)借鑒了許多計算機視覺的研究成果[4]。數(shù)字?jǐn)z影測量發(fā)展導(dǎo)致了實時攝影測量的出現(xiàn)，所謂實時攝影測量是指利用多臺CCD數(shù)字?jǐn)z影機對目標(biāo)進行影像獲取，并直接輸入計算機系統(tǒng)中，在實時軟件的幫助下，立刻獲得和提取需要的信息，并用來控制對目標(biāo)的操作[1]。在立體觀測的過程中，其主要利用計算機視覺方法實現(xiàn)計算機代替人眼。隨著數(shù)碼相機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字近景攝影測量已經(jīng)成為必然趨勢。近景攝影測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。量測型的計算機視覺與數(shù)字近景攝影測量的學(xué)科交叉將會在計算機視覺中形成一個新的分支――攝影測量的計算機視覺，但是它不應(yīng)僅僅局限于地學(xué)信息[2]。
1. 計算機視覺與數(shù)字?jǐn)z影測量的差異
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與對應(yīng)物點之間的幾何關(guān)系，最終實現(xiàn)利用攝影片上的影像信息測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，它是在測繪領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展起來的一門學(xué)科。
而計算機視覺領(lǐng)域的突出特點是其多樣性與不完善性。計算機視覺的主要任務(wù)是通過對采集的圖片或視頻進行處理以獲得相應(yīng)場景的三維信息，因此直到計算機的性能提高到足以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時它才得到正式的關(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)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用計算機來替代人工視覺。
由于攝影測量是測繪地形圖的重要手段之一，為了測繪某一地區(qū)而攝影的所有影像，必須建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系。而計算機視覺是研究怎樣用計算機模擬人的眼睛，因此它是以眼睛（攝影機中心）與光軸構(gòu)成的坐標(biāo)系為準(zhǔn)。因此，攝影測量與計算機視覺目的不同，導(dǎo)致它們對物體與影像之間關(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影測量領(lǐng)域的計算機視覺理論――立體視覺
2.1 立體視覺
立體視覺是計算機視覺中的一個重要分支，一直是計算機視覺研究的重點和熱點之一，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（或多個）視點觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計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。一個完整的立體視覺系統(tǒng)通?？煞譃閳D像獲取、攝像機定標(biāo)、特征提取、影像匹配、深度確定及內(nèi)插等6個大部分[5]。其中影像匹配是立體視覺中最重要也是最困難的問題，也是計算機視覺和數(shù)字?jǐn)z影測量的核心問題。
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)空間三維場景被投影為二維圖像時，同一景物在不同視點下的圖像會有很大不同，而且場景中的諸多因素，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)確地對包含了如此之多不利因素的圖像進行無歧義的匹配，顯然是十分困難的。
在攝影測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別并定位同名點，以產(chǎn)生立體影像。在模擬攝影測量和解析攝影測量中，同名點的識別是通過人工操作方式完成的；而在數(shù)字?jǐn)z影測量中則利用計算機代替人工解決同名點識別的問題，即采用影像匹配的方法。
2.3 多目立體視覺
中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）04-0127-01
當(dāng)前，危險品運輸車輛日益增多，其安全性也受到廣泛關(guān)注。實時獲取車輛姿態(tài)信息并發(fā)送至監(jiān)控終端可實現(xiàn)遠(yuǎn)程對車輛的監(jiān)控。采用低精度MEMS慣性傳感器件進行姿態(tài)解算時，會導(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，通過加速度信號估計出車輛姿態(tài)信息，再利用卡爾曼濾波器對車輛姿態(tài)信息估計值與角速率值進行數(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：
分別為運動載體的航向角，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)前時刻歐拉角可由下式獲得：
3 基于擴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，將加速度計和磁力計的測量作為觀測量，以陀螺測得數(shù)據(jù)來估計姿態(tài)四元數(shù)，以加速度計和磁力計測得數(shù)據(jù)來修正四元數(shù)估計量。其中，加速度計信息修正側(cè)重水平方向，磁力計信息修正側(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)系式進一步可得到狀態(tài)方程：
將上式離散化后，得擴展卡爾曼一步預(yù)測方程：
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，仿真時間為1h。得到陀螺輸出數(shù)據(jù)和加速度計輸出數(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，可以將姿態(tài)穩(wěn)定在1°以內(nèi)，同時，由于汽車行駛時，加速度變化不是非常明顯。故該方法適用于對汽車姿態(tài)檢測。實際系統(tǒng)驗證也證明了該法用于汽車姿態(tài)檢測的可行性。
5 結(jié)語
本文采用了基于擴展卡爾曼濾波器的四元數(shù)姿態(tài)解算算法，在靜止或勻速時能夠?qū)⒔馑憔瓤刂圃?°以內(nèi)?？梢詫⒃撍惴☉?yīng)用于行駛車輛獲得其姿態(tài)信息從而達(dá)到對車輛的實時監(jiān)控。
雖然中國高性能計算已經(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“天然的超級計算機”―量子計算機。
“杞人憂天”的物理學(xué)家們與量子計算機的誕生
量子計算機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、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，是因為摩爾定律的技術(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)熱主要是因為計算機門操作時，其中不可逆門操作會丟失比特。物理學(xué)家計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，提高運算速度的途徑是什么？
這就導(dǎo)致了量子計算概念的誕生。
量子計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??；而量子效應(yīng)正是提高量子計算并行運算能力的物理基礎(chǔ)。
甲之砒霜，乙之蜜糖。它們對于電子計算機來說是障礙的量子效應(yīng)，對于量子計算機來說，反而成了資源。
量子計算的概念最早是1982年由美國物理學(xué)家費曼提出的。1985年，英國物理學(xué)家又提出了“量子圖靈機”的概念，之后許多物理學(xué)家將“量子圖靈機”等效為量子的電子線路模型，并開始付諸實踐。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，因為在相當(dāng)長的時間內(nèi)，摩爾定律依然在支撐著電子計算機的運算速度的飛速提高。
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)時看不到有什么實際價值，但未來卻會發(fā)揮出巨大作用。
量子計算機雖然好，研制起來卻非常難
量子計算機和電子計算機一樣，其功用在于計算具體數(shù)學(xué)問題。不同的是，電子計算機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，實行串行運算模式；而量子計算機利用量子性質(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，運行模式為一個CPU的并行運算模式，運行操作能力指數(shù)上升，這是量子計算機來自量子性的優(yōu)點。量子計算本來就是并行運算，所以說量子計算機天然就是“超級計算機”。
要想研制量子計算機，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、量子計算機的體系結(jié)構(gòu)等。
一臺量子計算機運行時，數(shù)據(jù)輸入后，被編制成量子體系的初始狀態(tài)，按照量子計算機欲計算的函數(shù)，運用相應(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，將量子計算機的初態(tài)變成末態(tài)，最后對末態(tài)實施量子測量，讀出運算的結(jié)果。
一臺有N個量子比特的量子計算機，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，完成量子計算機的運算任務(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，這還無法實現(xiàn)。這種基于“量子圖靈機”的標(biāo)準(zhǔn)量子計算是量子計算機研制的主流。
除此以外，還有其他量子計算模型，如單向量子計算、分布式量子計算，但其研制的困難程度并沒有減小。另外，還有拓?fù)淞孔佑嬎恪⒔^熱量子計算等。
由于對硬件和軟件的全新要求，量子計算機的所有方面都需要重新進行研究，這就意味著量子計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。
把量子計算機從“垃圾桶”撿回來的量子編碼與容錯編碼
實現(xiàn)量子計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)致量子計算機并行運算能力基礎(chǔ)消失，變成經(jīng)典的串行運算。
所以，早期許多科學(xué)家認(rèn)為量子計算機只是紙上談兵，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)等于把量子計算機從“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？
這與計算機結(jié)構(gòu)有關(guān)，考慮到量子計算的實際構(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團隊的離子阱模型、美國Martinis團隊的超導(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算機。
量子計算機的“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算機，所以他們轉(zhuǎn)而重點支持固態(tài)系統(tǒng)。
固態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點是易于集成（能夠升級量子比特數(shù)目），但缺點是容錯性不好，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)體量子點作為未來量子芯片的研究方面取得了一系列重大進展。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編碼的兩個自旋量子比特研究上，實現(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，2011年實現(xiàn)雙量子點，2012～2013年實現(xiàn)兩個量子點編碼的單量子比特， 2014～2015年實現(xiàn)四量子點編碼的兩個電荷量子比特。目前，已研制成六個量子點編碼為三個量子比特，并實現(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，接近可實用化的下限。
2.單比特和兩比特門運算的保真度分別達(dá)到99.94%和99.4%，達(dá)到量子計算理論的容錯率閾值要求。
3.已經(jīng)實現(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、谷歌都在量子計算機研制領(lǐng)域投入了巨大的力量，盡最大的努力來爭奪量子計算機這塊“巨大的蛋糕”！
其中，最典型的就是谷歌在量子計算機領(lǐng)域的布局。它從加州大學(xué)圣芭芭拉分校高薪引進國際上超導(dǎo)芯片做得最好的J. Matinis團隊（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)是因為，如果能做49個量子比特的話，在大數(shù)據(jù)處理等方面，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子計算機所有可能的能力。
整體來看，量子計算現(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算機，我們?nèi)杂袡C會！
很多人都問，實際可用的量子計算機究竟什么時候能做出來？
中國和歐洲估計需要15年，美國可能會更快，美國目前的發(fā)展確實也更快。
量子計算是量子信息領(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。
美國的量子計算機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。
一個世紀(jì)前，那場關(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;進入21世紀(jì)，量子通信、量子計算等核心技術(shù)飛速發(fā)展，一場新的量子革命正在到來。
微觀世界的運行，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。
未來將秒殺超級計算機
芯片越來越小，傳統(tǒng)計算機未來必將遭遇計算極限。求解一個億億億變量（10的24次方）的方程組，利用目前的超級計算機，大約需要100年。面對類似這樣的大規(guī)模計算難題，如果借助萬億次量子計算機，只需0.01秒。
全新的量子計算機利用量子特有的“疊加狀態(tài)”，以采取并行計算的方式，讓速度以指數(shù)量級地提升。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算機，已經(jīng)比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10倍至100倍。
據(jù)介紹，關(guān)于量子計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)家研制出了量子計算領(lǐng)域的埃尼亞克（第一臺電子管計算機ENIAC）?！薄蹲匀?光子學(xué)》的審稿人表示。
潘建偉說，在量子計算基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，就計算能力而言，科學(xué)界有三個達(dá)成共識的指標(biāo)性節(jié)點：第一步超越首臺經(jīng)典計算機，第二步超越商用CPU，第三步超越超級計算機?！澳壳拔覀儗崿F(xiàn)的只是其中的第一步，但這一小步卻是重要的一步?！?/p>
陸朝陽表示，預(yù)計年底可以實現(xiàn)操縱20個量子比特、達(dá)到目前商用CPU水平;到2020年，有望實現(xiàn)操縱45個量子比特的目標(biāo)，向經(jīng)典超級計算機的計算能力發(fā)起挑戰(zhàn)。
全球角力
由于量子計算有巨大潛在價值，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等也強勢介入量子計算研究。
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)線路這三個研究體系。其中，在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現(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”項目獲得2015年度國家自然科學(xué)獎一等獎。
“最快帶來實際價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現(xiàn)了9個超導(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，首次實現(xiàn)10個超導(dǎo)量子比特的糾纏，在基于超導(dǎo)體系的量子計算機研究方面取得突破性進展。
不過，由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前對其的研究仍處在早期發(fā)展階段?！傲孔佑嬎銠C就像初生的嬰兒，未來最終會長成什么樣子，對整個科學(xué)界還是個未知數(shù)?！迸私▊フf。
10年內(nèi)專用量子計算機有望“實用化”
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。量子計算機的問世，有助于解決現(xiàn)有計算機也難以解決的問題。
“10年內(nèi)，超導(dǎo)量子操縱有可能做到100個粒子。到那時，它對某些特定問題的計算能力就可以達(dá)到目前全世界所有計算能力之和的100萬倍，計算能力將會突飛猛進?！迸私▊フf，此外量子計算機能耗更低。
專家認(rèn)為，計算能力極限的大幅提升，意味著量子計算機可以分析更多數(shù)據(jù)。比如，實現(xiàn)精準(zhǔn)的天氣預(yù)報，躲避颶風(fēng)海嘯;計算優(yōu)化的出行線路，讓城市減少堵車;識別有效的分子組合，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，造出“專用”量子計算機，在求解材料設(shè)計、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“超級計算機”，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算，更安全的量子通信也應(yīng)運而生。
隨著“墨子號”發(fā)射升空，我國在世界上首次實現(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，建成一個全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
二、各種新型計算機
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)新型計算機，計算機的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀(jì)走進我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。
（1）量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。量子計算機(quorum computer)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規(guī)模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的。量子計算機大規(guī)模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度是普通電腦望塵莫及的。
（2）光子計算機?，F(xiàn)有的計算機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載工具運動的速度都快。但是，從發(fā)展高速率計算機來說，采用電子做輸運信息載體還不能滿足快的要求，提高計算機運算速度也明顯表現(xiàn)出能力有限了。而光子計算機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，以光運算代替電運算，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，從而進行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，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)勝于電子計算機中通過電子狀態(tài)變化進行的二進制運算，可以對復(fù)雜度高，計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。
（3）分子計算機。分子計算計劃就是嘗試?yán)梅肿佑嬎愕哪芰M行信息的處理。分子計算機的運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行組織排列。憑借著分子納米級的尺寸，分子計算機的體積將劇減。
三、探究研究策略的依據(jù)
筆者認(rèn)為開展計算機發(fā)展史研究的一種思路是：本著實用主義的態(tài)度，分階段提取計算機發(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）“實用主義”無褒貶之分。彌補對計算機發(fā)展的歷史認(rèn)知，不宜再去重做實驗，推倒人類已有的技術(shù)規(guī)范重來：只能進一步的學(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)”計算機的發(fā)展也是在不斷地提出問題、解決問題中發(fā)展進步，每一次問題的提煉和解決都促進了計算機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，這種習(xí)慣或者素養(yǎng)是極其寶貴的。
四、結(jié)束語
計算機是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算機。在即將來臨的2I世紀(jì)，將會不斷地開發(fā)出新的品種。而這些新穎的計算機的發(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用到新型計算機的開發(fā)當(dāng)中，如量子、光子分子等。未來量子、光子和分子計算機將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語言能力，使計算機進人人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術(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：
[1]劉科偉等．量子計算與量子計算機．計算機工程與應(yīng)用，2002(38)
計算機在最近的幾十年發(fā)展突飛猛進，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)料今天計算機會如此強大，而今天的我們所預(yù)見的未來的計算機又將有幾分準(zhǔn)確性呢。不管未來的計算機是什么樣的，根據(jù)現(xiàn)在的研究以及人們的需要來看，有幾個特點可能會在較近的未來實現(xiàn)。計算機將會更加微型化，計算能力還會更加強大，而隨著計算機與諸多領(lǐng)域的相互滲透，新型計算機也會應(yīng)運而生。此外，計算機的智能化也是人們研究的熱點話題。
美國計算機市場在2009年第四季度打破記錄，共售出了2070萬臺計算機，比2008年同期上升了24%。繼2009年上半年全球個人電腦市場發(fā)展遭遇重重限制之后，下半年全球經(jīng)濟進一步復(fù)蘇，加上個人電腦打出大幅折扣，使全球個人電腦市場出現(xiàn)反彈。全球個人電腦市場2009年全年增長率為2.9%。實際上，全球范圍內(nèi)計算機銷量都出現(xiàn)了一致性的增長，這自然受益于計算機售價的整體下調(diào)。2009年第四季度，全球計算機市場銷量較2008年同期增長了15.2%。計算機銷量的增長直接讓很多與計算機市場相關(guān)的廠商獲得了巨大利益，比如Intel、微軟和惠普。同時上網(wǎng)本的大受歡迎和Windows 7的都刺激了計算機市場的增長。
日益更新的計算機，未來將會是什么樣子？
1 量子計算機
量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應(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，從而進行運算。量子計算機中的數(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，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏嬎?，其運算速度可能比目前計算機的PcntiumIII晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計算機還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識產(chǎn)生重大的沖擊。無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。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、量子點操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。預(yù)計2030年有可能普及量子計算機。
2 光計算機
光計算機是用光子代替半導(dǎo)體芯片中的電子，以光互連來代替導(dǎo)線制成數(shù)字計算機。與電的特性相比光具有無法比擬的各種優(yōu)點：光計算機是“光”導(dǎo)計算機，光在光介質(zhì)中以許多個波長不同或波長相同而振動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，因此光計算機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)、生物計算機
在運行機理上，化學(xué)計算機以化學(xué)制品中的微觀碳分子作信息載體，來實現(xiàn)信息的傳輸與存儲。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算結(jié)果，利用這一過程可以制成新型的生物計算機。生物計算機最大的優(yōu)點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)有機的連接，使人機接口自然吻合，免除了繁瑣的人機對話，這樣，生物計算機就可以聽人指揮，成為人腦的外延或擴充部分，還能夠從人體的細(xì)胞中吸收營養(yǎng)來補充能量，不要任何外界的能源，由于生物計算機的蛋白質(zhì)分子具有自我組合的能力，從而使生物計算機具有自調(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算機的主要部件—生物芯片。
4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機
人腦總體運行速度相當(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)看做一個大規(guī)模并行處理的、緊密耦合的、能自行重組的計算網(wǎng)絡(luò)。從大腦工作的模型中抽取計算機設(shè)計模型，用許多處理機模仿人腦的神經(jīng)元機構(gòu)，將信息存儲在神經(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)計算機。
結(jié)束語：
關(guān)于計算機未來的發(fā)展趨勢，不同的人有不同的看法，不同的人也會從不同的方面去探討，但無論如何，出發(fā)點都是為了能夠更好地幫助人學(xué)習(xí)、工作、計算、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，計算機會基于這些進行不斷地改造與創(chuàng)新，當(dāng)一種技術(shù)或基本架構(gòu)遭遇瓶頸時，新的技術(shù)就會誕生，這就是計算機不斷改進和創(chuàng)新的動力。對于上文的諸多方面，很多已經(jīng)即將或是快要實現(xiàn)，而有一些則距離現(xiàn)實還有很大距離，甚至有些研究會是失敗的，但這完全不能阻擋計算機的發(fā)展，也不會阻止與計算機有關(guān)的新技術(shù)的產(chǎn)生。
參考文獻：
[1]蔡芝蔚.計算機技術(shù)發(fā)展研究[J].電腦與電信，2008（02）.
[2]張潔.未來計算機與計算機技術(shù)發(fā)展展望[J].廣東科技，2006（10）.
1計算的本質(zhì)
抽象地說,所謂計算,就是從一個符號串f變換成另一個符號串g。比如說,從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。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。從這個角度看,文字翻譯也是計算,如f代表一個英文句子,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？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串)開始,一步一步地改變符號(串),經(jīng)過有限步驟,最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號(串)的變換過程。
從類型上講,計算主要有兩大類:數(shù)值計算和符號推導(dǎo)。數(shù)值計算包括實數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導(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)值計算還是符號推導(dǎo),它們在本質(zhì)上是等價的、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)新的計算類型。
2遠(yuǎn)古的計算工具
人們從開始產(chǎn)生計算之日,便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此,計算和計算工具是息息相關(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,比算籌更加方便實用,同時還把算法口訣化,從而加快了計算速度。
3近代計算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進了計算工具的發(fā)展:在1614年,對數(shù)被發(fā)明以后,乘除運算可以化為加減運算,對數(shù)計算尺便是依據(jù)這一特點來設(shè)計。1620年,岡特最先利用對數(shù)計算尺來計算乘除。1850年,曼南在計算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現(xiàn)的,是計算工具上的一大發(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算的手搖計算器,是長1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過人們在這方面多年的研究,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算器,并風(fēng)行全世界。
4電動計算機
英國的巴貝奇于1834年,設(shè)計了一部完全程序控制的分析機,可惜礙于當(dāng)時的機械技術(shù)限制而沒有制成,但已包含了現(xiàn)代計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,電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計算器,實現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
5電子計算機
20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計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年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進入了一個全新的時代。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。
在電子計算機和信息技術(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)對電子計算機產(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算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番,而價格卻隨之降低一倍。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“計算的極限”
人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題,學(xué)者們在進行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。
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,導(dǎo)線內(nèi)運動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,電子計算機計算能力飛速發(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)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢想”的不斷循環(huán),我們可以開拓一個個新領(lǐng)域,世界最終會變得越來越清晰,我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！盵論/文/網(wǎng)LunWenNet/Com]
7量子計算系統(tǒng)
量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。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,有可能發(fā)生的情況就會多出一倍,也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了,不過,在費曼眼里,這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面,量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性:在干涉實驗中,只要給定初始條件,就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算,那么搭建這樣一個實驗,測量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計算。因此,只要在計算機運行的過程中,允許它在真實的量子力學(xué)對象上完成實驗,并把實驗結(jié)果整合到計算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。
在費曼設(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)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇——圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時,不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的,即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的:這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強,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大整數(shù)(如1024位的十進制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個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間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大,也就是說如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機,我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。
8量子計算中的神諭
人類的計算工具,從木棍、石頭到算盤,經(jīng)過電子管計算機,晶體管計算機,到現(xiàn)在的電子計算機,再到量子計算。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行計算,隨后,人們發(fā)明了算盤,來幫助人們進行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“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械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時,數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究,圖靈機模型告訴了人們答案。
量子計算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復(fù)雜的大量運算。可以說。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。
因為在此之前,所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進的電子計算機的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同,對于量子計算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機理,卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對于黑盒子內(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,隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強了人類整體的科研能力,那么,量子計算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時代的量子“神諭”。不僅如此,量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質(zhì),把人類對計算本質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴充到量子世界中。
如果觀察歷史,會發(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)識模式似乎符合下面的規(guī)律:
“計算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強—公理系統(tǒng)的不斷擴大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。
無論量子計算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會隨著量子計算機工具的發(fā)展而得到解決,它將“計算科學(xué)”從牛頓時代引向量子時代,并會給人類文明帶來更加深刻的影響。
參考文獻
抽象地說,所謂計算,就是從一個符號串f變換成另一個符號串g。比如說,從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。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。從這個角度看,文字翻譯也是計算,如f代表一個英文句子,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？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串)開始,一步一步地改變符號(串),經(jīng)過有限步驟,最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號(串)的變換過程。
從類型上講,計算主要有兩大類:數(shù)值計算和符號推導(dǎo)。數(shù)值計算包括實數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導(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)值計算還是符號推導(dǎo),它們在本質(zhì)上是等價的、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)新的計算類型。
2遠(yuǎn)古的計算工具
人們從開始產(chǎn)生計算之日,便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此,計算和計算工具是息息相關(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,比算籌更加方便實用,同時還把算法口訣化,從而加快了計算速度。
3近代計算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進了計算工具的發(fā)展:在1614年,對數(shù)被發(fā)明以后,乘除運算可以化為加減運算,對數(shù)計算尺便是依據(jù)這一特點來設(shè)計。1620年,岡特最先利用對數(shù)計算尺來計算乘除。1850年,曼南在計算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現(xiàn)的,是計算工具上的一大發(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算的手搖計算器,是長1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過人們在這方面多年的研究,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算器,并風(fēng)行全世界。
4電動計算機
英國的巴貝奇于1834年,設(shè)計了一部完全程序控制的分析機,可惜礙于當(dāng)時的機械技術(shù)限制而沒有制成,但已包含了現(xiàn)代計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,電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計算器,實現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
5電子計算機
20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計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年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進入了一個全新的時代。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。
在電子計算機和信息技術(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)對電子計算機產(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算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番,而價格卻隨之降低一倍。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“計算的極限”
人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題,學(xué)者們在進行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。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,導(dǎo)線內(nèi)運動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,電子計算機計算能力飛速發(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)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢想”的不斷循環(huán),我們可以開拓一個個新領(lǐng)域,世界最終會變得越來越清晰,我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的7量子計算系統(tǒng)
量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。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,有可能發(fā)生的情況就會多出一倍,也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了,不過,在費曼眼里,這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面,量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性:在干涉實驗中,只要給定初始條件,就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算,那么搭建這樣一個實驗,測量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計算。因此,只要在計算機運行的過程中,允許它在真實的量子力學(xué)對象上完成實驗,并把實驗結(jié)果整合到計算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。
在費曼設(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)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇——圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時,不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的,即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的:這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強,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大整數(shù)(如1024位的十進制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個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間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大,也就是說如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機,我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。
8量子計算中的神諭
人類的計算工具,從木棍、石頭到算盤,經(jīng)過電子管計算機,晶體管計算機,到現(xiàn)在的電子計算機,再到量子計算。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行計算,隨后,人們發(fā)明了算盤,來幫助人們進行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“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械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時,數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究,圖靈機模型告訴了人們答案。
量子計算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復(fù)雜的大量運算?？梢哉f。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。
因為在此之前,所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進的電子計算機的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同,對于量子計算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機理,卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對于黑盒子內(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,隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強了人類整體的科研能力,那么,量子計算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時代的量子“神諭”。不僅如此,量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質(zhì),把人類對計算本質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴充到量子世界中。
如果觀察歷史,會發(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)識模式似乎符合下面的規(guī)律:
“計算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強—公理系統(tǒng)的不斷擴大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。
無論量子計算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會隨著量子計算機工具的發(fā)展而得到解決,它將“計算科學(xué)”從牛頓時代引向量子時代,并會給人類文明帶來更加深刻的影響。
參考文獻
1計算的本質(zhì)
抽象地說,所謂計算,就是從一個符號串f變換成另一個符號串g。比如說,從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。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。從這個角度看,文字翻譯也是計算,如f代表一個英文句子,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？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串)開始,一步一步地改變符號(串),經(jīng)過有限步驟,最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號(串)的變換過程。
從類型上講,計算主要有兩大類:數(shù)值計算和符號推導(dǎo)。數(shù)值計算包括實數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導(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)值計算還是符號推導(dǎo),它們在本質(zhì)上是等價的、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)新的計算類型。
2遠(yuǎn)古的計算工具
人們從開始產(chǎn)生計算之日,便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此,計算和計算工具是息息相關(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,比算籌更加方便實用,同時還把算法口訣化,從而加快了計算速度。
3近代計算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進了計算工具的發(fā)展:在1614年,對數(shù)被發(fā)明以后,乘除運算可以化為加減運算,對數(shù)計算尺便是依據(jù)這一特點來設(shè)計。1620年,岡特最先利用對數(shù)計算尺來計算乘除。1850年,曼南在計算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現(xiàn)的,是計算工具上的一大發(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算的手搖計算器,是長1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過人們在這方面多年的研究,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算器,并風(fēng)行全世界。
4電動計算機
英國的巴貝奇于1834年,設(shè)計了一部完全程序控制的分析機,可惜礙于當(dāng)時的機械技術(shù)限制而沒有制成,但已包含了現(xiàn)代計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,電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計算器,實現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
5電子計算機
20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計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年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進入了一個全新的時代。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。
在電子計算機和信息技術(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)對電子計算機產(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算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番,而價格卻隨之降低一倍。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“計算的極限”
人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題,學(xué)者們在進行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。
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,導(dǎo)線內(nèi)運動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,電子計算機計算能力飛速發(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)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢想”的不斷循環(huán),我們可以開拓一個個新領(lǐng)域,世界最終會變得越來越清晰,我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！盵論/文/網(wǎng)LunWenNet/Com]
7量子計算系統(tǒng)
量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。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,有可能發(fā)生的情況就會多出一倍,也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了,不過,在費曼眼里,這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面,量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性:在干涉實驗中,只要給定初始條件,就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算,那么搭建這樣一個實驗,測量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計算。因此,只要在計算機運行的過程中,允許它在真實的量子力學(xué)對象上完成實驗,并把實驗結(jié)果整合到計算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。
在費曼設(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)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇——圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時,不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的,即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的:這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強,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大整數(shù)(如1024位的十進制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個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間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大,也就是說如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機,我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。
8量子計算中的神諭
人類的計算工具,從木棍、石頭到算盤,經(jīng)過電子管計算機,晶體管計算機,到現(xiàn)在的電子計算機,再到量子計算。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行計算,隨后,人們發(fā)明了算盤,來幫助人們進行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“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械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時,數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究,圖靈機模型告訴了人們答案。
量子計算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復(fù)雜的大量運算?？梢哉f。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。
因為在此之前,所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進的電子計算機的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同,對于量子計算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機理,卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對于黑盒子內(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,隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強了人類整體的科研能力,那么,量子計算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時代的量子“神諭”。不僅如此,量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質(zhì),把人類對計算本質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴充到量子世界中。
如果觀察歷史,會發(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)識模式似乎符合下面的規(guī)律:
“計算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強—公理系統(tǒng)的不斷擴大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。
無論量子計算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會隨著量子計算機工具的發(fā)展而得到解決,它將“計算科學(xué)”從牛頓時代引向量子時代,并會給人類文明帶來更加深刻的影響。[論*文*網(wǎng)]
參考文獻
光子芯片和量子芯片是兩個維度的概念，沒有強弱之分。光子芯片運用的是半導(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候，光進入硅片的波導(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)用于計算機中，因為采用大規(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)得益于量子計算機的發(fā)展。要想實現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)升級，量子計算機需要走集成化的道路。超導(dǎo)系統(tǒng)、半導(dǎo)體量子點系統(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)體量子點系統(tǒng)也是人們努力探索的目標(biāo)，因為畢竟傳統(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間和操控精度上一旦突破容錯量子計算的閾值，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)古的計算工具
人們從開始產(chǎn)生計算之日, 便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此，計算和計算工具是息息相關(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，比算籌更加方便實用，同時還把算法口訣化，從而加快了計算速度。
2 近代計算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進了計算工具的發(fā)展：在1614年，對數(shù)被發(fā)明以后, 乘除運算可以化為加減運算，對數(shù)計算尺便是依據(jù)這一特點來設(shè)計。1620年，岡特最先利用對數(shù)計算尺來計算乘除。1850年，曼南在計算尺上裝上光標(biāo)，因此而受到當(dāng)時科學(xué)工作者, 特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現(xiàn)的，是計算工具上的一大發(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算的手搖計算器，是長1米的大盒子。自此以后，經(jīng)過人們在這方面多年的研究，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算器，并風(fēng)行全世界。
3 電動計算機
英國的巴貝奇于1834年，設(shè)計了一部完全程序控制的分析機，可惜礙于當(dāng)時的機械技術(shù)限制而沒有制成，但已包含了現(xiàn)代計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,電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年，德國的楚澤采用了繼電器，制成了第一部過程控制計算器，實現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
4 電子計算機
20世紀(jì)初，電子管的出現(xiàn)，使計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年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，使人類進入了一個全新的時代。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。
在電子計算機和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中，因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登?摩爾對電子計算機產(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“計算的極限”
人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升？傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限？對此問題，學(xué)者們在進行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。
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， 導(dǎo)線內(nèi)運動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， 電子計算機計算能力飛速發(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)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信, 通過追尋“夢想―發(fā)現(xiàn)―解釋―夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領(lǐng)域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的量子計算系統(tǒng)
量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學(xué)對象的行為。
在費曼設(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)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇――圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的, 即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個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間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大，也就是說如果要分解2048位的整數(shù)，所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機， 我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。
6 量子計算中的神諭
人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤, 經(jīng)過電子管計算機，晶體管計算機，到現(xiàn)在的電子計算機，再到量子計算。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行計算，隨后，人們發(fā)明了算盤, 來幫助人們進行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”，機器也可以用來搬動“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械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時，數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。
