前言：一篇好文章的誕生，需要你不斷地搜集資料、整理思路，本站小編為你收集了豐富的量子計算的發展主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。

第1篇：量子計算的發展范文

關鍵詞 量子物理；現代信息技術；關系；原理應用

中圖分類號：O41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人們認識微觀世界結構和運動規律的科學，它的建立帶來了一系列重大的技術應用，使社會生產和生活發生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術已成為當前各國研究與發展的重要科學技術領域。

隨著世界電子信息技術的迅猛發展，以微電子技術為基礎的信息技術即將達到物理極限，同時信息安全、隱私問題等越來越突出。2013年5月美國“棱鏡門”事件的爆發，引發了對保護信息安全的高度重視，將成為推動量子物理科學與現代信息技術的交融和相互促進發展的契機。因此，充分認識量子物理學的基本原理在現代信息技術中發展的基礎地位與作用，是促進現代信息技術發展的前提，也是豐富和發展量子物理學的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡測不準原理。在量子力學中，任何兩組不可同時測量的物理量是共扼的，滿足互補性。在進行測量時，對其中一組量的精確測量必然導致另一組量的完全不確定，只能精確測定兩者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力學中，不能實現對各未知量子態的精確復制，因為要復制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態，無法獲得與初始量子態完全相同的復制態。

3）態疊加原理。若量子力學系統可能處于和描述的態中，那么態中的線性疊加態也是系統的一個可能態。如果一個量子事件能夠用兩個或更多可分離的方式來實現，那么系統的態就是每一可能方式的同時迭加。

4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態發生變化，另一個粒子狀態隨即發生相應變化。換言之，存在糾纏關系的粒子無論何時何地，都能“感應”對方狀態的變化。

2 量子物理與現代信息技術的關系

2.1 量子物理是現代信息技術的基礎與先導

物理學一直是整個科學技術領域中的帶頭學科并成為整個自然科學的基礎，成為推動整個科學技術發展的最主要的動力和源泉。量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，它不僅解釋了微觀世界里的許多現象、經驗事實，而且還開拓了一系列新的技術領域，直接導致了原子能、半導體、超導、激光、計算機、光通訊等一系列高新技術產業的產生和發展。可以說，從電話的發明到互聯網絡的實時通信，從晶體管的發明到高速計算機技術的成熟，量子物理開辟了一種全新的信息技術，使人類進人信息化的新時代，因此，量子物理學是現代信息技術發展的主要源泉，而且隨著現代科學技術的飛速發展，量子物理學的先導和基礎作用將更加顯著和重要。

2.2 量子物理為現代信息技術的持續發展提供新的原理和方法

現代信息技術本質上是應用了量子力學基本原理的經典調控技術，隨著世界科學技術的迅猛發展，以經典物理學為基礎的信息技術即將達到物理極限。因此，現代信息技術的突破，實現可持續發展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學作為原子層次的動力學理論，經過飛速發展，已向其他自然科學的各學科領域以及高新技術全面地延伸，量子信息技術就是量子物理學與信息科學相結合產生的新興學科，它為信息科學技術的持續發展提供了新的原理和方法，使信息技術獲得了活力與新特性，量子信息技術也成為當今世界各國研究發展的熱點領域。因此，未來的信息技術將是應用到諸如量子態、相位、強關聯等深層次量子特性的量子調控技術，充分利用量子物理的新性質開發新的信息功能，突破現代信息技術的物理極限。

2.3 現代信息技術對量子物理學發展的影響

量子信息技術應用量子力學原理和方法來研究信息科學，從而開發出現經典信息無法做到的新信息功能，反過來，現代信息技術的發展大大地豐富了量子物理學的研究內容，也將不斷地影響量子物理學的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發展階段，使人類對自然界的認識更深刻、更本質。近年來，隨著量子信息技術領域研究的不斷深入，量子信息技術的發展也使量子物理學研究取得了不少成果，如量子關聯、基于熵的不確定關系、量子開放系統環境的控制等問題研究取得了巨大進展。

3 基于量子物理學原理的量子信息技術

基于量子物理原理和方法的量子信息技術成為21世紀信息技術發展的方向，也是引領未來科技發展的重要領域。當前量子物理學的基本原理已經在量子密碼術、量子通信、量子計算機等方面得到充分的理論論證和一定的實踐應用。

3.1 量子計算機——量子疊加原理

經典計算機建立在經典物理學基礎上，遵循普通物理學電學原理的邏輯計算方式，即用電位高低表示0和1以進行運算，因此，經典計算機只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數據處理量來提高運算速度。而量子計算遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息。計算方式是建立在微觀量子物理學關于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎上，量子算法的中心思想是利用量子態的疊加態與糾纏態。在量子效應的作用下，量子比特可以同時處于0和1兩種相反的狀態（量子疊加），這使量子計算機可以同時進行大量運算，因此，量子計算的并行處理，使量子計算機實現了最快的計算速度。未來，基于量子物理原理的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小。

3.2 量子通信——量子糾纏原理

量子通信是一種利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。從信息學上理解，量子通信是利用量子力學的量子態隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統特有屬性及量子測量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學上講，量子通信是采用量子通道來傳送量子信息，利用量子效應實現的高性能通信方式，突破現代通信物理極限。量子力學中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態，實現遠距離信息轉輸。所以，與現代通信技術相比，量子通信具有巨大的優越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點，量子通信創建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密碼——不可克隆定理

經典密碼是以數學為基礎，通過經典信號實現，在密鑰傳送過程中有可能被竊聽且不被覺察，故經典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現代密碼學和量子力學為基礎，利用量子物理學方法實現密碼思想和操作的新型密碼體制，通過量子信號實現。量子密碼主要基于量子物理中的測不準原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協議在通信雙方之間建立對稱密鑰，再使用建立起來的密鑰對明文進行加密，通過公開的量子信道，完成安全密鑰分發。因此量子密碼技術能夠保證：

1）絕對的安全性。對輸運光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關系，通訊會被中斷，且合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應的措施。

2）不可檢測性。無論破譯者有多么強大的計算能力，都會在對量子的測量過程中改變量子的狀態而使得破譯者只能得到一些毫無意義的數據。因此，量子不可克隆定理既是量子密碼安全性的依靠，也給量子信息的提取設置了不可逾越的界限，即無條件安全性和對竊聽者的可檢測性成為量子密碼的兩個基本特征。

4 結論

量子物理是現代信息技術誕生的基礎，是現代信息技術突破物理極限，實現持續發展的動力與源泉。基于量子物理學的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測不準原理和不可克隆定理等，使得量子計算機具有巨大的并行計算能力，提供功能更強的新型運算模式；量子通信可以突破現代信息技術的物理極限，開拓出新的信息功能；量子密碼絕對的安全性和不可檢測性，實現了絕對的保密通信。隨著量子物理學理論在信息技術中的深入應用，量子信息技術將開拓出后莫爾時代的新一代的信息技術。

參考文獻

[1]陳楓.量子通信：劃時代的嶄新技術[N].報，2011.

[2]曾謹言.量子物理學百年回顧[J].北京大學物理學科90年專題特約專稿，2003（10）.

[3]李應真，吳斌.物理學是當代高新技術的主要源泉[J].學術論壇，2012.

[4]董新平，楊綱.量子信息原理及其進展[J].許昌學院學報，2007.

[5]周正威，陳巍，孫方穩，項國勇，李傳鋒.量子信息技術縱覽[J].中國科學，2012（17）.

[6]郭光燦.量子信息技術[J].中國科學院院刊，2002（5）.

[7]朱煥東、黃春暉.量子密碼技術及其應用[J].國外電子測量技術，2006（12）.

第2篇：量子計算的發展范文

賽迪智庫網絡空間研究所認為，量子計算機的成熟和大規模應用還需要相當長的時間，但我們必須著眼未來，做好以下工作：持續跟蹤和支持量子計算機研究，推動形成商業化量子計算機研究機制，積極應對專用量子計算C沖擊。

量子計算機研究進展顯著

量子計算機是基于量子力學的疊加原理和量子糾纏等性質來進行數據計算的計算機，在密碼學、科學模擬、大數據處理等領域，具有傳統計算機無法比擬的優勢。

歐美科學界和企業界不斷加大投入，并有了重大進展。一是研究機構與企業投入力度不斷加大。微軟研究院2012年成立了量子體系結構與計算研究組；谷歌公司與美國國家航空航天局（NASA）于2013 年聯合成立了量子人工智能實驗室。此外，歐盟2016年4月宣布，將于2018年啟動總額10億歐元的量子技術項目；澳大利亞政府2016 年4 月宣布，將在澳大利亞量子計算與通信技術中心成立量子計算實驗室，進一步加大對半導體硅基量子芯片等研究的集中投入。

二是取得了一系列重大突破。在量子芯片方面，加州大學圣塔芭芭拉分校實現了9量子比特的超導量子芯片，新南威爾士大學實現了2量子比特的硅基半導體量子芯片，牛津大學實現了5量子比特的離子阱量子芯片。

在量子計算機方面，谷歌于2015年推出了聲稱比其它計算機快1億倍的量子退火機D-Wave；IBM于2016年5月了5超導量子比特的量子計算機，谷歌和西班牙巴斯克大學于2016 年6 月公布了具有9超導量子比特的模擬量子計算機，馬里蘭大學與美國國家標準與技術研究院于2016年8月了5個量子比特的可編程量子計算機。

目前我國在量子計算領域部分研究成果已達到國際一流水平，但總體上基礎較為薄弱，與歐美等國家和地區仍有一定差距。

量子計算機距離可用仍有較大距離

雖然在研究方面取得了較大進展，但量子計算機在理論層面和物理實現方面均面臨諸多難題，距離可用仍有很長的路要走。

在理論層面，量子計算機需要特定的量子算法才能發揮強大性能，但并不是所有的計算都可以用量子算法加速，類似Shor算法（用于大數質因子分解）和Grover 算法（用于無序數據庫搜索）等完全超越傳統算法的仍較少。

在物理實現層面，科學家普遍認為，可用的量子計算機至少應具有幾十個以上的量子比特、比特邏輯門的保真度達到99%，以及操作速度和退相干時間在合理范圍，但目前國際最先進的水平都未達到這一要求。與此同時，量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環境變化都可能對其造成破壞性影響，量子計算機的核心部件通常處于比太空更加寒冷的密封極低溫環境中。

量子計算機的應用將產生巨大影響

一、量子計算機將影響國際政治格局。量子計算技術關系到一個國家未來的基礎計算能力，擁有了這種能力才可能迅速建立起全方位的戰略優勢，引領量子信息時代的國際發展。

二、量子計算機將顛覆IT產業格局。一方面，作為現代計算機的顛覆者，未來量子計算機會像傳統計算機一樣形成龐大的技術產業鏈，為信息和材料等科學技術的發展開辟廣闊空間，帶動包括材料、信息、技術、能源在內的一大批產業實現飛躍式發展。另一方面，量子計算機技術也為IT產業各參與方提供了彎道超車的機會。

三、量子計算機將首先從專用領域取得突破。根據現有研況，量子計算機將首先在密碼、人工智能等專用領域出現，并產生顛覆性影響。

第3篇：量子計算的發展范文

摘 要：隨著計算機技術的發展，支配計算機領域長達44年之久的摩爾定律已經逐漸失效。讓我們最為擔憂的是在摩爾定律之后計算機領域會發生怎樣的變革。我們可以通過從根本上改變芯片的涉及、尋找替代硅的新材料或者改變目前的計算框架。其中一種框架就是基于日前獲得2016年諾貝爾物理學獎的拓撲相變理論。拓撲絕緣體就是拓撲材料的一種，其在量子計算機中具有巨大的潛在應用價值。本文將重點關注拓撲絕緣體器件在量子計算機中的應用前景，從專利和期刊文獻的角度，對其發展脈絡進行研究分析。

關鍵詞：拓撲絕緣體；量子反常霍爾效應；量子計算機；應用發展

1.引言

拓撲物態目前而言是一個內容豐富并且蓬勃發展的領域，作為先驅者，索利斯、霍爾丹和科斯特利茲獲得諾貝爾物理學獎是實至名歸。最早索利斯和他的合作者提出采用“陳數”（華人數學家陳省身提出的概念）來理解量子霍爾效應，隨后霍爾丹建立的量子反常霍爾效應模型則以巧妙的方式實現了非零陳數。然而這個模型一直未得到足夠的重視，直到近年來清華大學薛啟坤教授等課題組在磁性摻雜的拓撲絕緣體和其它拓撲材料中的實驗中才被得以證實。

2.拓撲絕緣體的理論發展

2004年Geim和Novoselov制備出單原子層的石墨烯，2005年Kane和Mele在單層石墨烯模型中引入自旋軌道耦合作用替代原先假想周期磁場，從而發現了與量子霍爾系統不同的時間反演不變拓撲絕緣體，也稱作Z2拓撲絕緣體[1]。首晟通過其它理論獨立的提出了量子自旋霍爾效應[2]。三維拓撲絕緣體的體能帶在費米能級處具有能隙，在其表面卻具有無能隙的表面態。這種表面態的能量-動量色散關系具有類似于石墨烯電子態的二維狄拉克錐形結構。和石墨烯不同的是，這種表面態除了狄拉克點之外都是自旋極化的（如圖1c），因此有可能直接產生自旋相關的效應，這為自旋電子學的發展提供了全新的思路。Z2拓撲絕緣體概念的提出使得人們很快發現大量材料屬于這一類拓撲絕緣體。這大大拓寬了拓撲材料和效應的研究范圍，使得人們看到了拓撲絕緣體在未來應用的發展前景。

左圖箭頭表示電流方向，右圖箭頭表示自旋方向。

自旋量子霍爾效應和霍爾效應一樣，電子在塊體的邊界上游走。霍爾效應里電子在某一個邊界上只沿一個方向運動（如圖1），但是在自旋量子霍爾效應中，每一個邊界上有兩條邊界態構成的能帶，每有一個（k，+）態，那么有一個另一個能帶上對應的（-k，-）態，這里的+-代表自旋。因此電子同時具有沿著一個方向運動，也有沿反方向運動的。它們數目相等從而沒有凈電流，也就是沒有霍爾電導。但是這兩種沿不同方向傳導的電子的自旋方向相反，因此有凈自旋流，而且類似于霍爾效應，這個自旋流的電導是量子化的，因此稱為自旋量子霍爾效應。自旋量子霍爾效應和量子霍爾效應的區別就是，沒有外加磁場。如果有外加磁場體系的時間反演對稱性被破壞，這個時候自旋量子霍爾效應不再存在。

自旋量子霍爾效應體系材料則是拓撲絕緣體中的一種。自旋量子霍爾效應中每個邊界上有兩個邊界能帶，這兩個能帶的手性是一樣的，因此會出現自旋量子霍爾效應，但是假設我們一個邊界上有四個能帶，其中兩個能帶的手性一樣，但是另兩個能帶的手性不一樣，那么此時沿邊界上一個方向走的電子自旋可以為正，也可以為負，兩者數目相等，相消。此時既沒有電流，也沒有自旋流。因此是另一種絕緣體。這兩種絕緣體的不同是由于它們能帶的拓撲性質不同。這里所說的是就是二維拓撲的情形。通俗來講就是塊體內部的電子是絕緣態，而邊緣電子由于可以隧穿能帶間的帶隙，因而邊緣態是導電的。

3.拓撲絕緣體在量子計算機中的應用發展

由著名物理學家費曼于1982年在一個公開演講中提出了利用量子計算體系實現計算的新奇想法，并由英國物理學家杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。2012年的諾貝爾物理學獎授予法國物理學家塞爾日?阿羅什和美國物理學家戴維?瓦恩蘭，以表彰他們在量子物理學方面的卓越研究。

清華大學于2012年12月21日申請的專利201210559480.6中提出一種包括磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜器件，薄膜的材料Cry（BixSb1-x）2-yTe3，其中Cr引入的空穴型載流子和Bi引入的電子型載流子相互抵消，從而宏觀上具有量子反常霍爾效應。

而在2013年麻省理工學院的科學家在《Nature Communications》上發表文章[3]，稱可以在特定條件下，將石墨烯轉變為拓撲絕緣體，為量子計算機的研發提供了新的思路。這表明石墨烯型拓撲絕緣體在量子計算機中具有極大的潛在價值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申請的專利201610291358.3中提出具有量子反常霍爾效應的材料和由其形成的霍爾器件。器件包括拓撲絕緣體基材，摻雜到基材中的三種元素分別引入電子型載流子、空穴型載流子和磁性，從而形成雙磁性摻雜拓撲絕緣體。其中拓撲絕緣體基材采用的是Sb2Te3材料。上述發現為低能耗的電子器件如晶體管的制造并最終促成全拓撲量子計算機的實現提供了元器件基礎。

從最近的專利與文獻分析中可以看出，目前的研究重點主要集中在中美等科研強國，其從自然界存在的石墨烯到人工合成的拓撲材料，再到各種基于拓撲絕緣體的元器件都有一定的研究基礎。

4.結論

盡管拓撲絕緣體以及量子反常霍爾效應的相關理論研究已經日漸成熟，但是其在元器件上的應用仍然具有十分長遠發展。并且通過檢索發現在量子反常霍爾效應領域的發明專利的申請量非常少，由此可見，在可以預見的將來，拓撲絕緣體以及量子反常霍爾效應的相關元器件專利布局的競爭將日趨激烈。路漫漫其修遠兮，在新一代計算機―量子計算機的研發領域，我們還有很長的路要走。

參考文獻

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

第4篇：量子計算的發展范文

關鍵詞：計算機；多媒體；現狀；發展趨勢

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 24-0000-01

The Status and Development Trend of Computer Technology

Wu Shaopei

(Lishui University,Lishui323000,China)

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

Keywords:Computer;Multimedia;Status;Development trends

計算機技術的發展可以稱得上是日新月異，未來計算機的技術一定會向超高速、平行處理以及智能化的方向發展。然而，計算機的發展并不是獨立的，它還取決于系統體系結構的改進、元器件的進步和以及軟件的開發。元器件的進步是決定硬件性能的基本因素。計算機由第一代一直發展到現在的第四代，從根本上講就是由于在元器件上的不斷更新換代。計算機用集成電路到現在為止依然是以硅半導體器件為主。在使用了硅芯片的基礎上，計算機核心的部件CPU的性能盡管受到了物理極限的約束，但仍然在不斷的持續增長。直到現在，人們還在一直不斷的追求性能更好的器件。

一、3D異類器件集成

兩個有著天壤之別的方向發展的力量一直在推動著3D的陣列當中集成半導體器件。第一個發展方向主要是跟在公共平臺上集成的不同技術來提供信息的最佳處理和解決方案的需要有著關聯。很明顯，微縮的CMOS之外的新興技術通過混合搭配應用需要適應特定的技術，具有非常大的性能改進的潛力。不同技術的組合的需要功能3D集成的不同技術，至微處理器SlC和DRAM在這些技術下，光學和心臟MEMS到RF和模擬。這類不同的技術到包括將分子、塑料和快速單磁通(single―flux)量子超導體以及其他新興技術以后很有可能直接3D集成到硅的平臺上。

二、量子胞自動開關

在量子胞自動開關(QCA)當中，包含了多個量子點規則排列的細胞構成了一種局部互聯的架構。用靜電互想的感應的作用，來給細胞之間提供聯系，而并不是依靠線路。在向細胞內注入一對電子的時候，這一對電子的方向就決定著單元的狀態。磁QCA是另外一個剛剛發展起來的技術，目前電子QCA正處于主導地位，暫時還不能對它的性能來進行評價分析。將這些QCA組合在一起，可以實現和使用布爾邏輯門電路完全不一樣的電路功能。

三、量子計算與量子計算機

量子計算機是在量子效應的基礎上開發的，它利用利用激光脈沖改變分子的狀態和鏈狀分子聚合物的一種特性來表示開和關的狀態，是使信息沿著聚合物的移動，來進行運算的。量子計算機在特征上介于器件和構架之間。量子計算機中的數據用的是量子位存儲。由于量子的疊加效應，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機要大得多，一個量子位就可以存儲2個數據了。同時量子計算機的運算速度有可能會比目前個人計算機的PentiumUl晶片還要快十億倍。實現量子計算的方法有很多，目前出現了很多的實現方法，但是處理量子信息顯然需要新架構。相干的量子器件依靠量子波函數的相位信息保存和操縱信息。

四、生物計算機與光子計算機

生物計算機的運算過程就是周圍物理化學介質與蛋白質分子的相互作用過程。由酶來充當計算機的轉換開關，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中非常明顯地表示出來。20世紀末，人們發現脫氧核糖核酸DNA處于不同狀態的時候可以代表信息的有或者沒有。DNA分子中的遺傳密碼就相當于存儲的數據，DNA分子間再通過生化反應，從一種基因代瑪轉變成另外一種基因的代碼。反應前的基因代碼相當于輸入的數據，反應后的基因代碼則相當于輸出的數據。如果能控制這一個反應的過程，那么我們就可以成功的制作DNA計算機了。蛋白質分子彼此之間的距離很近，比硅晶片上電子元件要小得多，生物計算機完成一項運算所需要的時間僅僅可以用微微秒還計算，由此可見，它比人的思維速度要快上百萬倍。

五、納米計算機

目前，計算機使用的硅芯片已經到達了它的物理極限，體積沒有辦法太小，其耗電量也沒有辦法再減少，通電和斷電的頻率也沒有辦法再提高，。曾經有科學家這樣認為，要想解決這個問題的途徑就是采用納米晶體管來制作“納米計算機”。他們估計納米計算機的運算速度將會是現在的硅芯片計算機的1、5萬倍那么多，而且它所耗費的能量也會減少很多。納米技術是從20世紀80年代初才迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終的目的是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品出來。

未來計算機技術必定會在互聯網、移動計算技術與系統方面有長期、穩定、快速的發展。計算機肯定會比我們人類更加的聰明。進化論告訴我們，一種生物總是會被具有更優適應性的物種所替代。

參考文獻：

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

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

第5篇：量子計算的發展范文

另外，新型的量子計算也給數學密碼體制帶來了前所未有的潛在威脅。1994年PeterShor發現了第一個具體的量子算法'Shor量子分解算法的時間復雜度為D(刀2(109開)(10皿。朗))，它在設想的量子計算機上可以用輸入的多項式時間分解大數質因子，因此它給RsA等公鑰密碼系統的安全性提出了嚴峻的挑戰。1996年Grover發現了非結構化數據庫源于聯想網御神州專家新論搜索的Gmver迭代算，量子Grover搜索算法的時間復雜度為D(／Ⅳ)，它有可能解決經典上所謂的NP完全問題。

2007年11月，加拿大D—wave公司宣稱研制成功28量子位的量子計算機系統；2008年12月，又宣稱成功研制了128量子位的量子處理器。業內科學家們預測，到2020年左右量子計算機將進入實用階段。假如1024個量子位以上的量子計算機研究取得實質性突破，那么256bit甚至512bit的對稱算法將不安全，RSA，ECC等非對稱密碼體制也將不安全。目前的私鑰密碼體制，公鑰密碼體制等都將面臨更新換代的“困境”。因此，研究可以抵抗量子計算等高性能計算攻擊的新型密碼技術體制勢在必行。

根據Shannon信息論原理，如果隨機密鑰的高速在線分發問題能夠有效解決，那么利用一次一密亂碼本(OTP)就可以解決數據傳輸的完全保密問題。但是隨機密鑰的高速在線分發面臨著一系列技術難題或者瓶頸(因為為了確保密鑰安全，需要采用復雜的加密手段和安全協議，限制了密鑰分發的速率；另外，密鑰的安全性也得不到完備性證明)。而量子通信系統可以解決隨機密鑰的高速在線保密分發問題，為0TP的廣泛應用提供了技術可能性，進而可以解決數據傳輸的完全保密問題。基于這樣一個亮點，量子保密通信特別是量子密鑰分發技術(QKD)得到了許多國家的高度關注并得到了快速發展。

目前，QKD作為一個物理上安全的保密體制，其實用化已是一個明顯的趨勢。2004年，華東師范大學在國內首次實現了QKD原理樣機吼2005年，瑞士IDQmntique公司和美國MagQ公司都推出了商用QKD系統產品。2005年，美國BBN公司在DAPAR的資助下構建了6節點的實驗網絡。

2008年，歐盟sECoQc組建了7節點的演示網絡。2009年。中國建設了8節點的“最子政務網”。可以說，國內外對量子密鑰分發技術的研究已經進入了工程實現的關鍵時期，目前已經沒有產品化的技術障礙，其應用基本上取決于市場。目前世界上最好的實驗記錄是：無中繼通信距離l87km，在線分發密鑰的速率lMb／s以上。

1技術原理和特色

根據量子力學原理，微觀世界遵循Hd‘規berg測不準原理和量子不可精確克隆定理。量子態測不準并且不能精確復制，這意味著，通過竊聽將不能得到確定的有效信息，也不能進行重復測量。更重要的是，任何針對量子信號的竊聽都將不可避免地留下痕跡，這為在線檢測竊聽提供了可能。量子態測不準導致的直接結果是任何人都不可能進行精確測量，從這個角度來分析，量子信道是“絕對安全”的；但是這種“絕對安全”是無意義的，因為從中得不到有效信息。合法通信雙方為了提取在量子信道中傳輸的量子信息，必須依賴附加的條件，即必須借助經典信道進行輔助信息的交互，比如竊聽檢測所需要的交互信息必須通過可信輔助信道來傳送，這也決定了量子通信與經典保密通信之間的互補關系。

量子信息是經典信息在功能和性能上的擴展，量子通信系統具有經典通信系統所具有的功能以及經典通信系統所不具有的新功能(比如在線竊聽檢測)。如果采用一組正交態對0和l進行編碼和通信，那么通信雙方能夠進行確定測量，因此完全可以實現經典通信系統的數據傳輸功能。當然，這種應用與經典通信系統相比較并沒有特殊的優越性，因此在大多數情況下，量子通信是指基于量子測不準條件下的量子保密通信。

1.1量子密鑰分發

QKD基于Heisenberg測不準原理和量子不可克隆定理，其完全保密特性得到了證明。因此，至少在理論上，基于量子密鑰的oTP能夠解決通信數據的完全保密傳輸問題又因為這種綜合應用具有體制上的簡潔性、理想的完全保密性和簡單的軟硬件實現性能等，代表了密碼系統發展和升級換代的一個趨勢。

如果QKD在密鑰分發速率方面取得了重大突破，比如達到50Mb／s，甚至達到1Gb／s以上，那么基于量子密鑰的oTP就能夠實現保密語音通信、一些重要數據的實時保密通信等，并且這種應用不存在所使用密鑰或者密碼算法可能存在安全漏洞的隱患。這種系統應用無疑對現在的保密通信體制是一個極大的挑戰!當然，尋找QKD在現代保密通信系統中的應用切入點是當務之急。

1.2量子身份識別量子身份識別是基于量子態身份信息的物理安全的身份

識別方案。量子身份識別信息是量子態，具有唯一性和不可復制性，這從根本上消除了身份信息被假冒或者事后否認的可能性。在量子計算條件下，如何利用量子態身份的唯一性和不可復制特性實現完全保密的量子身份識別具有非常重要的意義。一方面，這種方案不需要事先共享短密鑰，可以增加系統的可用性另一方面，量子身份識別信息基于量子態，具有唯一性和不可復制性，可以從根本上解決其安全問題。

但是，由于量子身份的重復使用等技術難題導致量子身份識別研究進展緩慢。

1.3量子保密通信體制

研究表明。QKD并不是量子保密通信的必要條件，因為人們已經發現不依賴共享密鑰的量子保密直接通信方案110J，這也可能意味著未來的量子保密通信體制的安全性將可能不再依賴共享密鑰。但是，這并不影響QKD在一定時期內得到廣泛應用。量子保密通信在同時解決竊聽檢測、身份識別和信息保護等問題的條件下，將形成一個完備的保密通信體制。量子保密通信不依賴復雜的數據加密算法(當然，信息的本地存儲保護等依然需要安全的數據加密算法)，量子系統設備不，因此量子系統具有通用性，所有用戶的系統配置和功能可以做到完全一致，不存在系統分級和使用多種密碼算法等技術問題，因此可以說不存在互聯互通的技術障礙，它能使任何擁有量子保密通信終端的用戶之間實現完全保密的通信，這是目前的保密通信系統所不具有的功能。這種性能在保密通信中具有非常重要的作用。對于量子糾纏系統來說，由于糾纏粒子之間存在不受空間限制的關聯性，并且可以實現隱形傳態，似乎利用這種現象可以突破經典通信的距離極限，但這是不可能的。因為糾纏粒子之間的通信依然依賴經典信息交互，即在進行基于糾纏的測量之后還必須通過可信經典信道進行相關測量信息交互之后，才能實現兩個糾纏粒子之間的通信，這也是量子糾纏不能實現超光速通信的一個關鍵原因。因此，在目前的量子通信模型下，量子通信在深水、深空通信中并沒有明顯的技術優勢，也很難突破經典通信的水下和深空通信的距離和速率極限。毋庸置疑，探索如何在新型的通信模型下突破經典通信的極限，無論是對于理論創新還是對于國防軍事通信安全等都是非常有意義的。

2基礎研究與應用趨勢

在QKD技術快速發展并日趨成熟的今天，量子保密通信體制還處于初級階段，量子保密通信系統由于系統自身的不穩定性會造成一定的長期誤碼率(比如量子信號的調制解調過程和單光子探測器暗計數等都會引入一定的誤碼，這些誤碼在理論上無法與非法侵入所引起的誤碼進行區分)，如何克服這些誤碼的影響還有待于進一步解決。另外，QKD的應用研究和量子保密通信基礎理論研究依然是量子保密通信體制研究的重點，其發展趨勢可以概括為：

(1)高速量子密鑰分發系統與應用研究。對基于單光子實驗方案進行改進和完善，提高系統的穩定性和效率，并進行QKD系統產品的研發。對基于量子糾纏、隱形傳態等量子特性的實驗方案進行深入研究，研究如何設計性能穩定的QKD系統并在通信距離和通信效率上取得突破。

(2)量子保密通信基礎理論。研究新的量子密鑰分發、量子保密直接通信、量子身份識別、量子比特承諾協議等，完善量子保密通信體制理論研究量子保密通信網絡的基本架構、工作原理和實現方案等：研究任意節點之間的互聯互通機理以及針對量子保密通信網絡的專用路由技術研究量子保密通信網絡與光纖通信網絡之間互聯互通技術。

目前，量子保密通信的實際應用進程直接取決于市場需求和量子技術的發展。量子保密通信系統的關鍵技術主要包括：量子態的制備、分發和探測技術；量子系統穩定性和抗干擾解決途徑；與光纖網絡的兼容性等。

隨著單光子制備、量子存儲和探測技術以及光纖傳輸等相關技術的進一步發展，量子保密通信將在國家重要領域內的通信保密中扮演一個非常重要的角色。短期內，QKD可以從根本上解決密鑰的高速在線分發問題，為oTP的廣泛使用提供一種可行的技術途徑。基于景子密鑰的oTP可以用于保密電話網、保密數據網等，實現各種數據的一次一密加密，確保數據的完全保密傳輸。中長期內，能夠同時解決竊聽檢測、身份識別和信息保護的量子保密通信技術，可以提供一個完善的通信保密解決方案。

3應對策略探討

為了積極應對QKD和量子保密通信技術可能帶來的影響，并為相關技術發展創造良好的氛圍，促進量子保密通信技術的應用推廣，及時采取科學的應對策略非常必要。根據對國內外量子通信研究現狀和趨勢的綜合調研分析，結合國內的實際情況，以下對策或策略具有一定的代表性和較大的參考價值。

(1)信息安全形勢嚴峻，積極進行技術儲備，有備無惠。近幾年，一些典型的經典密碼算法不斷被破譯或被發現存在致命漏洞，網絡計算和量子計算等高性能計算技術快速發展給經典密碼算法帶來前所未有的沖擊和挑戰，經典通信保密體制面臨更新換代的抉擇。而量子保密通信技術代表了一個實際可行的新型技術方向，代表了未來信息安全市場的一個新方向。在積極探索量子保密通信體制的同時，尋求量子技術與經典技術的“融合”，促進這種新型保密通信系統的應用具有十分重要的現實意義。

(2)潛在資源需要整合，潛在市場需要發掘和培育。最子保密通信技術在保密傳輸方面有著十分明顯的技術優勢。其中短期應用前景十分明確，長期推廣應用趨勢不可逆轉。但是，量子保密通信是一個綜合交叉技術學科，系統核心技術需要多學科專業人才聯合進行技術攻關，但是目前國內相關研究主力依然集中在高校，基本上還處在“單兵作戰”的狀態，還不能形成具有核心競爭力的產品研發平臺。

美國MagiQ公司的副總裁AndrewHammond估計QKD短期市場份額將達到20億美元，在不久的未來其市場份額將達到10億美元／年。在今后幾年內，國內的市場份額派工流程與安全知識庫緊密相關，在故障處理時從安全知識庫中提供專家經驗和歷史資料進行參考，在派工處理完畢后的反饋又放入安全知識庫中作為下次事件的歷史資料。安全知識庫包括安全知識文章、漏洞庫，補丁庫、事故案例庫等。

3.1報告報表網絡安全管理系統具有強大的事件分析報告和安全趨勢

報告系統。能夠收集和整理所有的安全事件報告，整理分析，產生針對不同閱讀者的專業安全報表。安全報表能夠將一段時期內的整體安全狀況、攻擊來源、攻擊方式、攻擊目標、最多的和最少的攻擊排序、IP子網攻擊、IP子網攻擊目標、設備類型、事件警告類型、事件狀況類型和事件的嚴重性等等做出專業的分析報告。

3.2趨勢分析趨勢分析指依據網絡安全指標策略體系，將多源安全事

件經編碼格式標準化、歸并關聯等處理后，進行安全指標映射與態勢數據生成，并借助多種可定制可視化視角而展現出來的網絡總體安全狀態和發展趨勢。經過對安全事件、審計日志和一些輔助信息的分析，能夠生成實時態勢報表、態勢告警、態勢預案等安全態勢分析報告，對總體的安全建設提供有價值的指導意見。安全態勢分析需要綜合眾多最新的信息安全管理技術，具有極大的理論價值和實用價值。

第6篇：量子計算的發展范文

1.1量子計算機量子計算機可簡單理解為遵循量子力學能夠進行高速運算、存儲和處理信息的計算機，它是在社會對高速度、保密好、容量大的通訊及計算提出較高要求的情況下產生的。物理主體主要包括：液態核磁共振量子計算機、(固態)硅晶體核磁共振量子計算機、離子陷阱、量子光學、腔室量子電動力學、超導體方案等。量子計算機的功能在于進行大數的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式，此外還可以用來做量子系統的模擬。但是在昨晚高難度運算后，能耗高、壽命短，散熱量大等缺點則暴露出來，真正有價值的量子計算機還有待繼續研究。

1.2光子計算機光子計算機進行數字運算、邏輯操作、信息存貯等內容利用的是光信號，以光運算代替電運算，主要由激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件設備組成。它具有運算、處理能力極強的優點，同時，兼具容錯性，能夠進行模糊處理，但并不影響運算結果，智能化更高端。它主要具有以下好處：光子不帶電荷，不產生磁場，也不受磁場作用影響；光子也不具有靜止質量，可以在真空和介質兩種狀態下傳播；信息存儲容量大，通道寬，通信能力強；能量耗用低，散熱量小，節能環保性較強，也避免了計算機運行時內部過熱的情況。目前雖然光子計算機在功能和運算速度方面和電子計算機有一定差距，但光子計算機的進一步研制、完善，在對圖像處理、目標識別和人工智能等方面發揮重大作用。

1.3生物計算機生物計算機也叫做放生計算機，是以仿生學研究為基礎而形成的新型計算機技術，它以生物工程技術生產的蛋白分子制成生物芯片作為基礎元件。它具有并行處理的功能，運行速度比普通的電子計算機要快10萬倍，存儲空間占用更是少之又少。它具有的優點很多，首先，體積小、功效高，比集成電路小很多，可以隱藏在地板、墻壁等地方；其次，具有自我修復功能，它的內部芯片出現故障時，不需要人工修理，能自我修復，永久性、可靠新高；再者，能耗很低，能量消耗僅占普通電子計算機的10億分之1，散熱量很小；第四，不受電路間信號干擾。目前，這種計算機還在研制階段，存在技術不成熟、信息提取難等問題，還需要繼續優化。

1.4納米計算機納米計算機研制是計算機發展過程中的一場革命，它以納米技術為基礎研制出計算機內存芯片，其體積相當于發絲直徑的千分之一，生產成本非常低，不需要建造超潔凈生產車間，也不需要昂貴的實驗設備和人數眾多的生產團隊，同時，納米計算機也需要耗費能源可以忽略不計，但是對其強大其性能的發揮絲毫不產生影響。納米計算機可以應用到微型機器人，以至于日用電子設備，甚至玩具中，都能獲得強大的微處理功能，其應用范圍也涉及到現代物理學、化學、電子學、建筑學、材料學等各個學科領域。這項新的課題技術也在不斷的完善和發展，將為計算機發展帶來新的內容。

2云技術和網絡技術發展

2.1云技術云計算是分布式計算的一種形式，它通過將計算拆散計算再進行組合回傳的方式進行，可以達到和超級計算機同樣強大的網絡服務，這是云技術的根本。云技術不僅僅作為資料搜集手段，它是集網絡技術、信息技術、整合技術管理平臺技術、應用技術為一體的綜合資源池，靈活便捷。云技術作為一種商業模式的體現方式，其應用非常廣泛，目前，已經在搜索引擎、網絡信箱等領域投入使用，未來在手機、GPS等行動裝置上也可實現。云技術正以它的可靠、實用、安全等性能逐漸被人們所接受，云物聯、云存儲、云呼叫、私有云、云游戲、云教育、云會議以及云社交等正逐步強化它的服務功能。

2.2網絡技術網絡技術發展有賴于光纖技術的快速發展。光導纖維技術在通信、電子和電力等領域日益擴展，成為大有前途的新型基礎材料，與之相伴的光纖技術也以新奇、便捷贏得人們的青睞。它具有耐濕、耐輻射、易于安裝和保養、24小時的連續工作等性能被廣泛應用。尤其在塑料光纖產生后，海底光纜工程得以順利實施，對世界范圍網絡通信起到良好的推動作用。

3移動計算機技術發展

目前最熱門的是wifi無線技術，而最新的是4G通信技術，這兩項技術對移動計算機的發展起到了關鍵的支撐作用。4G網絡時代剛剛開啟，目前開始應用于移動設備上，但是在微型便攜計算機上的應用尚未起步。如何將移動計算機等終端產品通過芯片等形式與4G網絡完沒相連接，如發展移動電視、移動電腦、成為一項熱門話題，有待進一步研究探索。

4結束語

第7篇：量子計算的發展范文

【關鍵詞】現代；計算機技術；發展；方向；趨勢

0引言

計算機是我們工作生活中一個比較常見的物品，又被人們習慣性地稱為“電腦”，它不僅被應用于高速數據跟邏輯的運算，而且具備強大的存儲與修改功能，是一種現代化的智能電子設備。計算機有兩部分主體結構，一部分是硬件系統，另一部分是軟件系統，共同保障計算機的正常運轉。伴隨著科技水平的不斷提升，計算機技術也在隨之發展，計算機作為一個綜合型的生活辦公工具應用到人們生活工作中的同時，其發展備受人們的關注，相關行業人員也在致力于計算機的發展研究過程中，計算機技術的發展已經逐漸走上了一個越來越成熟的軌道。但是，當前計算機技術的發展也受到了一定的阻礙，人們過于關注對計算機娛樂方面的應用，比如聊天、網絡購物等內容，卻忽視了現代計算機技術的發展與創新，甚至不了解。本文將帶領大家一起去了解一下現代計算機技術的發展歷程以及未來的發展動向。

1計算機的發展歷程

世界上第一臺計算機出現在1946年2月，埃克特和莫克利這兩位美國的發明家在美國的賓夕法尼亞大學共同將它研制出來。世界上第一臺計算機的問世開啟了人類社會發展的新篇章，讓社會發展邁出了一大步，開啟了人們的新生活，帶領人們進入了信息革命時期。世界上第一臺計算機跟我們現在的計算機外形差距較大，那臺計算機有好幾間房子一樣大，但是它的計算速度卻并沒有高于我們現在使用的微型計算機。從世界上第一臺計算機問世到現在我們使用的計算機，無數的計算機研發人員一直在努力，尤其是科學家馮諾依曼在計算機技術的發展進程中發揮了重要的作用，被后人稱為“現代計算機之父”。馮諾依曼開啟了計算機發展的新時代，帶動了廣大科研人員對計算機技術的研究。隨著時間的推移，計算機的發展可以分為四代：

1.1電子計算機

電子計算機時代是計算機發展的第一個時代，從1946年開始，到1957年結束。電子計算機與世界上第一臺計算機有些類似，電子元件是計算機的主要器件，電子計算機也因此得名。電子管具的體積比較大，但是存儲的容量相對較小，因此電子計算機的耗電比較快，不具備穩定性。這類計算機一般應用于科學研究過程中，而且在電子計算機時代，計算機一般使用機器語言或者是匯編語言，并不具備系統軟件。

1．2晶體管計算機

隨著科學技術的不斷發展，量子力學和固體物理能帶論的不斷呈現，開啟了半導體器件的計算機時代，理論研究給半導體器件的發展奠定了理論基礎，提供了實踐的依據。早在20世紀50年代上下，點接觸晶體管就被兩位科學家研制出來。隨著科學的發展，結型晶體管又相繼問世。自此之后，晶體管的發展就步入一個相對成熟的軌道，成功的應用與計算機的發展過程匯總，讓計算機的發展進入了第二個時代，也就是我們所說的晶體管計算機時代。晶體管計算機時代從1958年開始，結束于1964年。晶體管具有相對優勢，它雖然體積較小，但是質量比較輕，而且工作的效率相對較高，散熱比較少，損耗較低，對于電子管的效能發揮到了一定的程度，因此，二代計算機的體積在不斷減少，但是使用的年限卻在增加，這就為計算機的發展奠定了基礎。除此之外，晶體管計算機的創新之處在于它擁有浮點算法這一新應用，對于計算機運算水平是一個大的提升，讓計算機在數據處理以及工業控制方面有了更大的突破。

1．3中小規模集成電路計算機

隨著晶體管的呈現，使得集成電路的發展更加順暢。不久之后，科研人員開始著手于研究晶體管以及其他電學元件，以此來制作更加復雜高端精密的集成電路。在1959年，有位著名的發明學家叫做羅伯特羅伊斯，他發明的集成電路更加復雜化，是通過平面工藝生產出來的，可以應用于商業領域。從那之后，計算機開始利用中小規模集成電路來進行技術發展，也就隨之進入了第三個計算機時代，被人們稱為中小規模集成電路計算機時代。中小規模集成電路計算機時代與之前存在的兩個計算機時代相比，又有所不同，中小規模集成電路計算機的中心部分仍舊是存儲器，但是計算機的體積開始不斷減小，與此同時，計算機的能耗在不斷降低，但是運算的速度以及可靠的程度卻又在不斷提升過程中。除此之外，中小規模集成電路計算機的外部設備得到完善與更新，它的功能組件強化，不僅可以應用于數據處理，還能夠在企業管理、輔助設計、輔助制造跟自動控制領域進行充分的應用。

1．4大規模和超大規模集成電路計算機

伴隨著我國經濟水平的提升，工業制造水平也在逐步提升，集成電路的技術有了新的發展。摩爾定律表明，當價格不變的時候，集成電路上能夠容納的晶體管數目，每隔18個月就能夠增加一倍，在這個過程中，它的性能水平也在提升，計算機的發展進入了一個全新的時代，被人們稱為大規模和超大規模集成電路計算機時代。自從1970年之后，以大規模集成電路和超大規模集成電路為標志的計算機開啟了第四個全新的計算機時代。升級發展之后的第四代計算機的性能有了明顯的優勢，存儲的容量明顯得到了提升，在一個一厘米的圓形芯片上可以容納上百萬的電子元件。在這一時期，第四代計算機時代呈現出一個關鍵性的分化，大規模、超大規模集成電路為依托不斷發展起來的微處理器以及微型計算機。微型計算機的發展可以大致分為四個階段。第一個階段是1971年到1973年，微處理器主要有三種，分別為4004、4040以及8008這個類型。第二個階段是1973年到1977年，這一個時間段是微型計算機的發展以及創新的時期。第三個階段是從1978年開始到1983年結束，在這一時間段里，是十六位微型計算機的發展階段。第四個階段從1983年開始，也是三十二位微型計算機的發展階段。

2計算機技術的新發展方向與趨勢

時代在不斷變革和發展，大規模和超大規模集成電路計算機也處在一個時刻發展與創新的過程中，但是隨著經濟水平以及科技水平的提升，現代各個領域的發展也隨之進行著，無論是生物領域還是物理領域，以及一些新材料的出現，都為新型計算機的發展奠定著前提條件。一系列新型計算機已經在醞釀發展的過程中，比如生物計算機、量子計算機、光子計算機以及納米計算機等。或者這些新型計算機的發展還未成型或者技術發展沒有十分成熟，但是它們的呈現代表著計算機技術發展的新方向與新趨勢。

2.1生物計算機

生物計算機是一種全新的計算機類型，還有一個別名叫做仿生計算機，它的創新之處在于使用了生物芯片替代了原本半導體上大量晶體管。生物計算機主要通過生物工程技術所出現的蛋白質分子來作為主要的原料以及生物芯片，所以被叫做生物計算機。脫氧核糖核苷酸上存在著一些遺傳信息，它是一種雙螺旋結構，因此，它具有強大的存儲優勢，而且運算能力非常強大，與傳統硅片相比更是略勝一籌。數據顯示，一毫克的DNA的存儲能力與一萬片的光碟片差不多大容量。除此之外，DNA還具有超能力，能夠同時進行兆個運算指令。這一系列的優勢因素都給生物計算機的成熟發展奠定了基礎，讓它具備了集成電路所沒有的優勢，大致可以歸結于五點。第一點，生物計算機的體積比較小，但是容量卻比較大。第二，生物計算機具有良好的可靠性，這主要得益于計算機的內部芯片，一旦出現問題，這個內部芯片可以自行進行恢復。第三，生物計算機的存儲量比較大，有關數據顯示，一立方米的生物大分子溶液里大約可以存儲一萬億的二進制數據。第四，生物計算機的運算速度比較快，這主要得益于DNA能夠同時處理兆個指令的特別優勢。第五，生物計算機具有良好的并行性。跟過去的計算機不同的是，生物計算機得益于DNA與蛋白質，因此充分發揮并行功能。生物計算機以它獨特的優勢成為21世紀科學技術發展的一個重要工程，當前，生物計算機的發展方向主要有兩個，一個是研制有機分子元件，利用它來替換半導體元件，為分子計算機的出現提供幫助。另一個是通過不斷探究人腦結構跟思維規律來研究生物計算機的結構，為生物計算機的成熟呈現奠定基礎。

2．2量子計算機

量子計算機也是新型計算機技術發展的產物，它是建立在量子力學規律以及依托量子效應和量子比特而進行的超速運算、強大存儲的一種新型計算機裝置。假如這個裝置處理和運算時使用的是量子信息，那么在進行量子算法的時候，就是所謂的量子計算機。量子計算機與一般計算機的一個不同之處在于它不僅能夠使用0和1進行存儲，還能夠用粒子的量子疊加來進行存儲信息的匯總。有關數據顯示，一個四十位元的量子計算機可以解開一千零二十四位的集成電路計算機需要花費幾十年才能夠解決的問題。量子計算機的運算速度令人驚嘆。到現在為止，全球還沒有呈現出一個成熟意義上的量子計算機，不同國家和地區的科研人員仍然沒有放棄努力，致力于對量子計算機的研究過程中，呈現出許多跟量子計算機相關的科學方案以及科學假設。在實際研究過程中，這一系列的科學方案仍然存在著一些不成熟的地方，但是伴隨著時代的進步，相信量子計算機終究會被攻克，完美地呈現在人們的生活中。

2．3光子計算機

科學技術的發展帶動著光學的發展，科研人員開始著手用光子來替代電子，光運算開始慢慢取代電運算，一系列的光學元件開始取代電子元件與電子設備，不斷應用于電子計算機的發展過程中。光子計算機主要是運用光信號進行數字運算、邏輯測算以及信息的存儲處理等的新型計算機，主要的優勢可以歸納為三個方面：第一，強可靠性，光子沒有電荷，所以就不存在電磁相互作用，具有較強的可靠性。第二，光子計算機的運算速度極高，光子的并行性比較強，因此具有較強的處理能力，加上光子傳播速度很快，進一步提升了光子計算機的運算速度。第三具有超大的存儲容量，光子互聯不受到電磁的干擾，因此具有較高的互聯密度。

2．4納米計算機

納米材料作為一種新型的高科技材料，在薄膜晶體管中的應用解放了傳統意義上的晶體管。納米計算機解決了一些頑固的技術難題，與此同時，由于納米材料研發的芯片具有更低的生產成本，因此，納米計算機的發展前景更加樂觀。作為21世紀科學技術發展的一個重要方向，相信隨著科研人員的不斷探索與發現，納米計算機技術一定可以隨著時間的推移走進我們老百姓的生活中，幫助我們解決日常生活中的一系列問題。

3總結

時代在不斷發展，科學技術水平也在不斷提升。社會的進步和發展對于現代計算機技術的發展要求越來越高，計算機作為人們工作生活中一個必不可少的輔助用品，必將走在不斷發展的路上，微型、智能、多功能發展，生物計算機、量子計算機、光子計算機以及納米計算機等一系列新型計算機，作為現代計算機技術的一個發展方向與趨勢一定可以破除各種技術阻礙，通過科研人員堅持不懈的努力成為老百姓生活中的一部分，為美好生活的構建增添色彩。

【參考文獻】

［1］黃艷云.計算機技術的創新過程研究[J].計算機技術應用,2013(08).

［2］李育英,譚賢楚.計算機發展與社會進步[J].理論探新,2010(09).

［3］雷宏澤.淺談計算機網絡的發展歷程與發展方向[J].青年文學家,2013(29).

［4］李文倩.個人計算機的發展趨勢[J].工程技術的發展歷程,2012(09).

［5］胡軍,吳立春.芻議計算機科學與計算機發展的認識與思考[J].科技向導,2011(35).

［6］高綱領.淺議計算機發展與社會進步[J].科技資訊,2011(14).

［7］李文博.量子計算機的設計原理與運用領域解析[J].科技前沿,2014(11).

［8］謝小雨,薛慧,顧琳玲.計算機的發展趨勢[J].科技向導,2011(24).

［9］樊玲玲.淺析計算機科學技術的發展[J].信息技術應用研究,2012(16).

第8篇：量子計算的發展范文

多年來雖然摩爾定律已走到極限的說法不絕于耳，但是半導體工藝的進步卻從來沒有停止。目前特征尺寸32nm的半導體工藝已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不斷縮小工藝尺寸的同時，結構上的改進也在進行。2011年5月4日，Intel宣布經過近十年的研究，在半導體技術上取得革命性突破，將推出被稱為三柵極（Tri-Gate）的全新3D架構晶體管設計，并將在年內開始批量制造。傳統的二位平面柵極結構被豎起的3D硅鰭狀物代替，實現在晶體管在“關”狀態下的低功耗，并可實現“開”、“關”狀態的快速切換，從而可以實現高性能、低功耗的電子器件。

多核處理器的成熟

2006年出現的雙核處理器標志著以主頻論英雄的年代正式結束開始，處理器領域已進入一個多核時代，無論是業界巨 擘Intel還是AMD都已經明確表示，今后CPU將會是雙核乃至多核的世界。多核設計為摩爾定律帶來了新的生命力，在保持較低的時鐘頻率的同時，提高并行處理能力和計算密度，大大減少了散熱和功耗。多核處理器提供了高性價比和高效節能的新途徑，可以緩解當今處理器設計所面臨的各種挑戰。多核處理器是已成為主流處理器的發展趨勢。

由于多核技術仍然是基于傳統的“馮·諾依曼”結構，處理器內核數量的增加并沒有緩解并行處理技術中算法并行化、并行編程的難題，多核的性能并不能充分發揮。因此近年來內核數量增加的速度有所減緩，集成多種功能電路的混合異構多核成為流行的結構，目前Intel的酷睿二代處理器采用四核結構，內部集成顯示芯片。

超級計算機從高性能到高效能轉變

國外歷來強調高性能計算器在國家安全關鍵領域的戰略作用。美國早年提出的“加速戰略計算創新”（ASCI）計劃，其目的就是在全球全面禁止核試驗的情況下，美國能夠繼續保持它的核威懾能力和核壟斷地位。主要的手段是利用數學方程和三維建模仿真核武器的爆炸效果，確保現有庫存核武器的性能、安全和可靠性。從1997年到2007年，為ASCI計劃專門研制的高性能計算機系統，已經經歷了五代，2004年達到100萬億次，2010年達到1000萬億次量級的高性能計算機，預計2015年達到萬萬億次以上量級。我國的“天河一號”目前名列超級計算機TOP500榜首，速度高達4700萬億次。

除了性能的不斷提高，計算機處理的效能也在軍事作戰領域逐步得到重視。據估算，一臺持續千萬億次計算的超級計算機系統可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要專門建設發電站，每年的電費開銷可能高達1億元以上。根據超級計算機世界500強排行榜重新排序的綠色500強排行榜中，IBM的超級計算機排名榜首，功耗效率達到1684Mflops/瓦，“天河一號”排在第十位，為635 Mflops/瓦。

不斷探索采用新器件、新原理的計算機

以硅晶體管為基本單元的傳統計算機在小型化的過程中將逐步接近其物理極限。研究表明，計算機運行速度的快慢與芯片之間信號傳輸的速度直接相關，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在傳輸信號的過程中會吸收掉一部分信號，從而延長了信息傳輸的時間。

據報道，美國紐約倫斯雷爾·保利技術公司的科學家發明了一種利用空氣的絕緣性能來成倍地提高計算機運行速度的新技術：芯片或晶體管之間由膠滯體包裹的導線連接，“空氣膠滯體”導線幾乎不吸收任何信號，因而能夠更迅速地傳輸各種信息，可以成倍地提高計算機的運行速度。

將納米技術與計算機制造技術相結合的納米計算機（Nanometer Computer）也是很有發展前景。現在納米技術正從MEMS（微電子機械系統）起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積不過數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。

此外，以生物計算機、光計算機和量子計算機為代表的新概念計算機研究也非常引人注目。

生物計算機（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技術產生的蛋白質分子構成（所以又稱分子計算機）。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，運算速度比當今最新一代計算機快10萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十分之一，并且擁有巨大的存儲能力。由于蛋白質分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能自動修復芯片發生的故障，還能模仿人腦的思考機制。

美國已研制出生物計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進入實用階段。

光子計算機（Optical Computer）

光子計算機利用光作為信息的傳輸媒體。由于光子具有電子所不具備的頻率及偏振特征，從而大大提高了傳載信息的能力。此外，光信號傳輸根本不需要導線，即使在光線交匯時也不會互相干擾、互相影響。一塊直徑僅2厘米的光棱鏡可通過的信息比特率可以超過全世界現有全部電纜總和的300多倍。光腦還具有與人腦相似的容錯性，如果系統中某一元件遭到損壞或運算出現局部錯誤時，并不影響最終的計算結果。目前光腦的許多關鍵技術，如光存儲技術、光存儲器、光電子集成電路（OIC）等都已取得突破。科學家們預計，光子計算機的進一步研制將是21世紀高科技領域的重大課題。

量子計算機（Quantum Computer）

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行計算。量子計算機能夠實行量子并行計算, 其運算速度可能比目前計算機的PentiumⅢ晶片快10億倍。除具有高速并行處理數據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。

第9篇：量子計算的發展范文

關鍵詞： RSA密碼系統； 量子密碼 ； 一次一密； 量子密鑰分發

中圖分類號： TN918?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0083?03

0 引 言

保密通信在人類社會中有著重要的地位，關系到國家的軍事、國防、外交等領域，同時也與人們的日常生活息息相關，如銀行帳戶存取、網絡郵箱管理等。保密通信關鍵在于密碼協議，簡稱“密鑰”。密鑰的安全性關系到通信的保密性。密碼學的發展也正是在加密者高明的加密方案和解密者詭異的解密技術的相互博弈中發展前行的，兩者互為勁敵，但又互相促進。隨著量子計算機理論的發展，傳統的安全通信系統從原理上講已不再安全。那么，是否存在一種無條件安全的通信呢？量子密碼又將給信息的安全傳輸帶來怎樣的新思路呢？本文從科學史的角度分析人類傳統的密碼方案，考察量子密碼發展的來龍去脈，為科學家提供關于量子密碼的宏觀視角，以便更好地推進關于量子密碼的各項科學研究。

1 人類歷史上影響巨大的密鑰思想

密碼學有著古老歷史，在近代逐漸發展成為一門系統的應用科學。密碼是一個涉及互相不信任的兩方或多方的通信或計算問題。在密碼學中，要傳送的以通用語言明確表達的文字內容稱為明文，由明文經變換而形成的用于密碼通信的那一串符號稱為密文，把明文按約定的變換規則變換為密文的過程稱為加密，收信者用約定的變換規則把密文恢復為明文的過程稱為解密。敵方主要圍繞所截獲密文進行分析以找出密碼變換規則的過程，稱為破譯。密碼協議大致可以分為兩類：私鑰密碼系統（Private Key Cryptosystem）和公鑰密碼系統（Public Key Cryposystem）。

1.1 我國古代的一種典型密鑰——陰符

陰符是一種秘密的兵符，在戰爭中起到了非常重要的作用。據《六韜·龍韜·陰符》記載，陰符是利用不同的長度來代表不同的信息，一共分為八種。如一尺的兵符代表“我軍大獲全勝、全殲敵軍”；五寸的兵符代表“請求補給糧草、增加兵力”；三寸的兵符代表“戰斗失利，士卒傷亡”。

從現在的密碼學觀點來看，這是一種“私鑰”，私鑰密碼系統的工作原理簡言之就是：通信雙方享有同一個他人不知道的私鑰，加密和解密的具體方式依賴于他們共同享有的密鑰。這八種陰符，由君主和將帥秘密掌握，是一種用來暗中傳遞消息，而不泄露朝廷和戰場機密的通信手段。即便是陰符被敵軍截去，也無法識破它的奧秘。由于分配密鑰的過程有可能被竊聽，它的保密性是由軍令來保證的。

1.2 古斯巴達人使用的“天書”

古斯巴達人使用的“sc仔tale”密碼，譯為“天書”。天書的保密性在于只有把密文纏繞在一定直徑的圓柱體上才能呈現明文所要表達的意思，否則就是一堆亂碼。不得不感嘆古代人的智慧。圖1為“天書”的示意圖，它也是一種“私鑰”，信息的發送方在信息時將細長的紙條纏繞在某一直徑的圓柱體上書寫，寫好后從圓柱體上拿下來便是密文。但是，它的保密性也非常的有限，只要找到對應直徑的圓柱體便很容易破譯原文。

1.3 著名的“凱撒密表”

凱撒密表是早在公元前1世紀由凱撒大帝（Caesar）親自設計用于傳遞軍事文件的秘密通信工具，當凱撒密碼被用于高盧戰爭時，起到了非常重要的作用。圖2為“凱撒密表”。從現代密碼學的角度看，它的密鑰思想非常簡單，加密時，每個字母用其后的第[n]個字母表示，解密的過程只需把密文字母前移[n]位即可。破譯者最多只要嘗試26次便可破譯原文。

1.4 德國密碼機——“恩尼格瑪”

二戰期間德國用來傳遞軍事機密的“ENIGMA”密碼機，它的思想基本類似于“凱撒密表”，但比“凱撒密表”復雜很多倍，它的結構主要分為三部分：鍵盤、密鑰輪和顯示燈盤。鍵盤可以用于輸入明文，顯示燈盤用于輸出密文，密鑰輪是其核心部分，通常由3個橡膠或膠木制成的直徑為6 cm的轉子構成，密鑰輪可以任意轉動進行編制密碼，能夠編制出各種各樣保密性相當強的密碼。它的神奇之處在于它不是一種簡單的字母替換，同一個字母在明文的不同位置時，可以被不同的字母替換。而密文中不同位置的同一個字母，可以代表明文中不同的字母。所以它的安全性較高，但也并非萬無一失，由于德國人太迷戀自己的“ENIGMA”密碼機，久久不愿更換密鑰，所以免不了被破譯的結局。

2 目前人類廣泛使用的密鑰及其存在的問題

2.1 現代廣泛使用的密碼系統——RSA密碼系統受到前所未有的挑戰

現代廣泛被用于電子銀行、網絡等民用事業的RSA密碼系統是一種非對稱密鑰。早在20世紀60年代末70年代初，英國情報機構（GCHQ）的研究人員早已研制成功。相隔十年左右，Ronald Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman才研制出類似的密碼系統，并以三個人的名字命名為“RSA”。它是一種公鑰密碼系統，工作原理如下：假設通信雙方分別為Bob和Alice。Bob公布一個公鑰，Alice用這個公鑰加密消息傳遞給 Bob，然而，第三方不可能用Bob的公鑰解密。原因在于加密變換巧妙，逆向解密困難。而Bob有與公鑰配對的私鑰。

RSA公鑰密碼系統巧妙地運用了分解因數和解離散對數這類難題，它的安全性依賴于計算的復雜性。雖然原理上可以計算出，但是計算出來也需要幾萬年的時間。然而，隨著量子計算機理論的成熟，RSA密碼體受到嚴重挑戰，隨著計算時間的縮短，RSA密碼系統的安全性令人堪憂，RSA密碼系統有可能隨著量子時代的到來被人類完全拋棄。

2.2 “一次一密”的最大的問題是密鑰分配

RSA密碼系統受到嚴重挑戰后，一次一密（One time Padding）的不可破譯性又被人們所記起。一次一密指在密碼當中使用與消息長度等長的隨機密鑰， 密鑰本身只使用一次。原理如下：首先選擇一個隨機位串作為密鑰，然后將明文轉變成一個位串，比如使用明文的ASCII表示法。最后，逐位計算這兩個位串的異或值，結果得到的密文不可能被破解，因為即使有了足夠數量的密文樣本，每個字符的出現概率都是相等的，每任意個字母組合出現的概率也是相等的。香農在1949年證明一次一密具有完善的保密性[1]。然而，一次一密需要很長的密碼本，并且需要經常更換，它的漏洞在于密鑰在傳遞和分發上存在很大困難。科學家試圖使用公鑰交換算法如RSA[2]，DES[3]等方式進行密鑰交換， 但都使得一次一密的安全性降低。因此，經典保密通信系統最大的問題是密鑰分配。

3 量子密碼結合“一次一密”實現無條件保密

通信

量子密碼學是量子力學和密碼學結合的產物，簡言之，就是利用信息載體的量子特性，以量子態作為符號描述的密碼。

3.1 運用科學史的視角探究量子密碼的發展過程

量子密碼概念是由Stephen Wiesner在20世紀60年代后期首次提出的[4]。

第一個量子密碼術方案的提出是在1984年，Charles Bennett， Gills Brassard提出一種無竊聽的保密協議，即，BB84方案[5]，時隔5年后有了實驗原型[6]。隨后，各類量子密碼術相繼出現，如簡單效率減半方案——B92方案[7] 。

1994年后，RSA密碼系統面臨前所未有的威脅，因為，經典保密通信依賴于計算的復雜性，然而，Peter Shor 提出尋找整數的質因子問題和所謂離散對數的問題可以用量子計算機有效解決[8]。1995年，Lov Gover 證明在沒有結構的搜索空間上搜索問題在量子計算機上可以被加速，論證了量子計算機的強大的能力[9]。Peter Shor和 Lov Gover量子算法的提出，一方面證明了量子計算的驚人能力，另一方面，由于經典密碼系統受到嚴重威脅，促使各國將研究重點轉向量子密碼學。

3.2 量子密碼解決“一次一密”的密鑰分配難題

一次一密具有完善的保密性，只是密鑰分配是個難題。

量子密鑰在傳輸過程中，如果有竊聽者存在，他必然要復制或測量量子態。然而，測不準原理和量子不可克隆定理指出，一個未知的量子態不能被完全拷貝，由某一個確定的算符去測量量子系統，可能會導致不完備的測量，從而得不到量子態的全部信息。另外，測量塌縮理論指出測量必然導致態的改變，從而被發現，通信雙方可以放棄原來的密鑰，重新建立密鑰，實現絕對無竊聽保密通信。量子密碼的安全性不是靠計算的復雜性來保障，而是源于它的物理特性。

這樣就保證了密鑰可以被安全分發，竊聽行為可以被檢測。因此，使用量子密鑰分配分發的安全密鑰，結合“一次一密”的加密方法，可以實現絕對安全的保密通信。

4 結 語

與經典密碼系統相比較，量子密碼不會受到計算速度提高的威脅，并且可以檢測到竊聽者的存在，在提出近30年的時間里，逐漸從理論轉化為實驗，有望為下一代保密通信提供保障，實現無條件安全的保密通信。

參考文獻

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

[2] 張蓓，孫世良.基于RSA的一次一密加密技術[J].計算機安全，2009（3）：53?55.

[3] 王偉，郭錫泉.一次一密DES算法的設計[J].計算機安全，2006（5）：17?18.

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

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

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

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