量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)大全11篇

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篇（1）

中圖分類號(hào):TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)24-7068-03

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(cè)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(cè)出學(xué)生對(duì)考察科目知識(shí)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(duì)于提高系統(tǒng)的測(cè)試水平具有重要的意義。傳統(tǒng)的考試系統(tǒng)知識(shí)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(cè)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(cè)試陰影和盲區(qū)。因此考題的合理分布對(duì)智能考試系統(tǒng)的測(cè)試效果有重要的作用。盡管針對(duì)考試系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外進(jìn)行大量的組卷算法研究,但對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的分布優(yōu)化問(wèn)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(duì)此問(wèn)題,本文應(yīng)用量子遺傳算法優(yōu)化知識(shí)點(diǎn)的分布,克服測(cè)試陰影和盲區(qū),使考試系統(tǒng)更大范圍地測(cè)試到更有效的學(xué)生學(xué)習(xí)信息。

1 知識(shí)覆蓋問(wèn)題

通過(guò)對(duì)考試科目的學(xué)習(xí),學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的知識(shí)儲(chǔ)存在頭腦中。由于學(xué)生個(gè)體之間的學(xué)習(xí)差異,導(dǎo)致每個(gè)學(xué)生大腦中儲(chǔ)存和掌握的情況具有不確定性。考試的目的在于,通過(guò)試卷測(cè)試對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況做出相對(duì)確定的評(píng)價(jià)。科目知識(shí)是相對(duì)固定的,我們總是將科目知識(shí)當(dāng)作圖譜,按圖索驥地構(gòu)造出試卷去測(cè)試學(xué)生大腦中相關(guān)區(qū)域中知識(shí)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(kù)中的考題相對(duì)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(duì)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(duì)測(cè)試區(qū)域各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的涵蓋。試卷的目的是系統(tǒng)地測(cè)試和評(píng)價(jià)試卷覆蓋知識(shí)區(qū)域內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,并對(duì)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(wèn)題的形式構(gòu)成的。其中考點(diǎn)與考試科目的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)對(duì)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(wèn)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(duì)性的知識(shí)點(diǎn)所設(shè)置的考點(diǎn)。這些考點(diǎn)形成了考題的測(cè)試范圍。如何組織試卷完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的檢測(cè),就是考試系統(tǒng)覆蓋性的問(wèn)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(dòng)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(shí)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(cè)試的知識(shí)范圍為ci,試卷的測(cè)試目標(biāo)知識(shí)區(qū)域?yàn)锳,(A?哿S),則理想的探測(cè)效果為。設(shè)為試卷有效覆蓋知識(shí)區(qū)域的度量(考點(diǎn)數(shù)),d2=A為目標(biāo)科目知識(shí)區(qū)域的度量(知識(shí)點(diǎn)數(shù)),則稱ρ=d1/d2為試卷覆蓋度。

覆蓋性問(wèn)題不僅反映了試卷所能測(cè)試的范圍,而且通過(guò)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(duì)知識(shí)覆蓋問(wèn)題進(jìn)行描述(目標(biāo)):在考題集合Q={q1,q2,...,qn}中求一個(gè)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(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題 ,需要在考題數(shù)與知識(shí)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(shí)覆蓋度,使考題獲取最廣泛的測(cè)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(lái)表示染色體,用量子門作用和量子門更新來(lái)完成進(jìn)化搜索[2]。

我們根據(jù)考題在科目知識(shí)中的分布和權(quán)重(主要是指命題價(jià)值)按字典序編號(hào),形成知識(shí)地圖的坐標(biāo)。由于題庫(kù)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(cè)不準(zhǔn)原則。我們對(duì)這些編號(hào)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(shí)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(gè)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(cè)值在|0>狀態(tài)的概率投影,|β|2表示量子比特的觀測(cè)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(duì)實(shí)數(shù)α、β稱為一個(gè)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(gè)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(gè)方面對(duì)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(gè)體表示知識(shí)分布數(shù)量(章節(jié)數(shù));k為每個(gè)基因的量子比特?cái)?shù)表示每道題的屬性數(shù)量。n個(gè)這樣的個(gè)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(gè)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(guò)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(guò)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(gè)變量,將k定義為一個(gè)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(wèn)題而設(shè)定的一個(gè)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(hào)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(shí)大于0時(shí),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(shí),表明當(dāng)前解應(yīng)朝著逆時(shí)針?lè)较蛐D(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(guò)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(gè)個(gè)體的概率幅,qjt+1為第t+1代相應(yīng)個(gè)體的概率幅。

3.1.3 量子遺傳算法流程(見(jiàn)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(gè)個(gè)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(gè)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(shí)初始化進(jìn)化代數(shù)t=0。

②量子坍塌法測(cè)量:對(duì)處于疊加態(tài)的量子位進(jìn)行觀測(cè)時(shí),疊加態(tài)將因此受到干擾,并發(fā)生變化,稱為坍塌。擾動(dòng)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(gè)個(gè)體的種群通過(guò)量子坍塌,得到P(t),其中為第t代種群的第j個(gè)解(即第j個(gè)個(gè)體的測(cè)量值),表現(xiàn)形式為長(zhǎng)度m為的二進(jìn)制串,其中每一位為0或1。(量子坍塌即對(duì)Q進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量的步驟是生成一個(gè)[0,1] 之間的隨機(jī)數(shù),若其大于概率幅的平方,則測(cè)量結(jié)果值取1,否則取0。

③群體的適應(yīng)度評(píng)價(jià),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(duì)種群中個(gè)體實(shí)施一次測(cè)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(guò)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(gè)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(gè)體為局部極值,這時(shí)就實(shí)行群體災(zāi)變操作,即對(duì)進(jìn)化過(guò)程中的種群施加一個(gè)較大擾動(dòng),使其脫離局部最優(yōu)點(diǎn),開(kāi)始新的搜索。具體操作為:只保留最優(yōu)值,重新生成其余個(gè)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(duì)傳統(tǒng)遺傳算法(CGA)與量子遺傳算法(QGA)所獲得的考題知識(shí)覆蓋度進(jìn)行仿真對(duì)比。我們將考題對(duì)考查科目所含知識(shí)的覆蓋問(wèn)題簡(jiǎn)化為:用12個(gè)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(shí)區(qū)域;種群個(gè)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(duì)照如下。

從圖3所示考題知識(shí)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(cè)試陰影和盲區(qū)。通過(guò)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(cè)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(cè)試能力,對(duì)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(duì)考題分布進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn):

[1] 張維,何蓉. 基于參數(shù)估計(jì)的遺傳算法組卷研究[J]. 云南民族大學(xué)學(xué)報(bào),2009,18(3):276-278.

[2] Donald A.Prospective Algorithms for Quantum Evolutionary Computation[C].Proc of the 2nd Quantum Interaction Symposium (QI-2008), College Publications, UK, 2008.

篇（2）

極其嚴(yán)格的要求

另一方面，也有一些持懷疑態(tài)度的聲音，懷疑D-Wave所謂的量子計(jì)算機(jī)是否是真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。多年以來(lái)，世界各國(guó)的科學(xué)家一直不懈努力地研發(fā)量子計(jì)算裝置，但都沒(méi)能夠走出實(shí)驗(yàn)室階段，沒(méi)有獲得太多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。這是因?yàn)閷?duì)于量子計(jì)算機(jī)的要求是極其嚴(yán)格的。首先，需要通過(guò)原子粒子的性質(zhì)來(lái)制備量子位，這是量子現(xiàn)象發(fā)生的必要要求；其次，該系統(tǒng)必須從環(huán)境中隔離并冷卻到幾乎絕對(duì)零度，因?yàn)榱孔蝇F(xiàn)象會(huì)受到外部影響；其三，人們必須謹(jǐn)慎地從外部進(jìn)行干預(yù)，并分配單個(gè)量子位的初始值，觸發(fā)量子力學(xué)的“糾纏”進(jìn)行所需的算術(shù)運(yùn)算；其四，讀取結(jié)果。

到目前為止，研究人員利用單個(gè)離子或光子、原子核自旋的原子或者超導(dǎo)電子對(duì)作為量子位，這些已經(jīng)超出了平常人的想象。而按照D-Wave的記錄，他們2011年在因斯布魯克大學(xué)通過(guò)鈣離子取得14量子位的糾纏鏈，并于2012年在布里斯托爾大學(xué)成功分解數(shù)字21的質(zhì)因數(shù)3和7，這些都是很普通的成功，是什么讓D-Wave那么的與眾不同？物理學(xué)界許多對(duì)D-Wave的量子計(jì)算機(jī)持懷疑態(tài)度的人猜測(cè)，D-Wave公司那個(gè)所謂量子計(jì)算機(jī)的龐大黑盒子，所使用的量子位實(shí)際上是微芯片上的超導(dǎo)環(huán)，通過(guò)傳統(tǒng)的電子設(shè)備進(jìn)行控制和讀取。因此，批評(píng)者們質(zhì)疑這個(gè)系統(tǒng)量子位之間有沒(méi)有量子糾纏效應(yīng)，或者說(shuō)計(jì)算機(jī)是否真正利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，懷疑這只是一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)。

應(yīng)用范圍有限

篇（3）

今年3月，谷歌也推出了自己的量子電路，并聲稱量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將超過(guò)普通計(jì)算機(jī)數(shù)萬(wàn)倍。

隨著IT巨頭紛紛量子計(jì)算研究成果，素來(lái)低調(diào)的量子計(jì)算機(jī)突然成為熱門話題。但從已面世的量子計(jì)算機(jī)來(lái)看，不論其應(yīng)用面還是單價(jià)效率，相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都還存在差距。

這種燒錢的大塊頭什么時(shí)候能終結(jié)摩爾定律，并“塌縮”成我們手中的智能手機(jī)，依然是個(gè)未知數(shù)。

理論遐想

如人類學(xué)會(huì)生火一般，量子力學(xué)理論作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)現(xiàn)，對(duì)當(dāng)今世界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。從核彈到電子顯微鏡，在支配量子理論基礎(chǔ)上，人類創(chuàng)造出眾多跨時(shí)代的產(chǎn)品。

量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)想，正是基于量子力學(xué)理論的疊加態(tài)原理而設(shè)計(jì)的。

量子計(jì)算機(jī)的理念，最早是1982年由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上提出。費(fèi)曼的設(shè)想則是受到其好友――加州理工學(xué)院計(jì)算機(jī)教授弗雷德金的啟發(fā)。當(dāng)時(shí)，弗雷德金正從數(shù)理上研究一種新型處理器。

傳統(tǒng)處理器的邏輯門（集成電路最基本的運(yùn)算組件）不可逆，而弗雷德金構(gòu)想的新型處理器邏輯門是可逆的，這樣的好處就如同將單向車道丁字路口改為雙向車道十字路口，使得信息可在線路上掉頭，不必繞遠(yuǎn)。

對(duì)于傳統(tǒng)處理器來(lái)說(shuō)，“繞遠(yuǎn)”就是將電路上的信號(hào)擦除，載入新的邏輯信號(hào)。這個(gè)過(guò)程將耗費(fèi)大量的能量并發(fā)熱。在極高的運(yùn)行速度下，處理器會(huì)因高溫融化。

另外，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)處理的量子信息是一種疊加態(tài)，而非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的0和1二進(jìn)制。這就使得量子計(jì)算機(jī)在進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)，可一次得到多種甚至全部的運(yùn)算結(jié)果。

這就相當(dāng)于將高速路上的小轎車全部替換為雙層巴士，極大提高了運(yùn)算量。科學(xué)家們由此推論，采用新邏輯門的量子處理器優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，它比傳統(tǒng)處理器能耗更低且速度更快。

但此時(shí)的量子計(jì)算機(jī)理論并沒(méi)引起關(guān)注，因?yàn)椴徽搹牧孔游锢韺W(xué)角度還是計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程都極其困難。

而著名的摩爾定律此時(shí)已然在科技界生效，簡(jiǎn)單、可靠的實(shí)現(xiàn)方法，讓晶體管以百萬(wàn)計(jì)的超大規(guī)模集成電路形態(tài)，順著電腦流水線進(jìn)入企業(yè)和家庭，且價(jià)格越發(fā)低廉。而直到1988年費(fèi)曼去世，量子計(jì)算機(jī)依舊停留在物理學(xué)家的腦海中。

機(jī)遇與爭(zhēng)議

真正激發(fā)起人們對(duì)量子計(jì)算機(jī)的熱情，源自1994年舒爾提出的量子算法。

20世紀(jì)末隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的普及，通信安全也成為棘手問(wèn)題。而基于大素?cái)?shù)乘積原理的RSA算法因?yàn)檫\(yùn)算量大，難以被破解，被普遍應(yīng)用于信息加密。

有盾就有矛。在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的舒爾，依據(jù)自己的算法提出用量子計(jì)算機(jī)可快速破解RSA密碼。舒爾推論，當(dāng)時(shí)需1000臺(tái)計(jì)算機(jī)8個(gè)月才能破解的129比特位RSA密鑰，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)不到10秒就能破解。

問(wèn)題在于，此時(shí)的量子計(jì)算機(jī)雖然算法理論儲(chǔ)備豐富，但工程學(xué)上怎么才能造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，仍是個(gè)難題。

直到1999年，研發(fā)實(shí)際應(yīng)用量子計(jì)算機(jī)的加拿大D-WAVE公司成立，造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的想法，才得以實(shí)現(xiàn)。

因量子計(jì)算機(jī)在密碼破解上的優(yōu)勢(shì)理論，D-WAVE公司得到了美國(guó)中情局的支持。2011年，D-WAVE公司與洛克希德馬丁公司以簽署合作協(xié)議的形式，售出了世界上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)。該量子計(jì)算機(jī)售價(jià)被披露高達(dá)1000萬(wàn)美元。2013年，D-WAVE公司又將第二臺(tái)量子計(jì)算機(jī)賣給了美國(guó)航空航天局與谷歌的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。

D-WAVE公司的兩次交易均獲成功，量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化的大門似乎已向人們敞開(kāi)。但對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的爭(zhēng)論，也由此不斷出現(xiàn)。

雖然D-WAVE公司聲稱，其量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大約快3.55萬(wàn)倍。但很多研究團(tuán)隊(duì)在考察過(guò)后表示，D-WAVE公司的量子計(jì)算機(jī)只有5倍于傳統(tǒng)電腦的運(yùn)算速度，在某些情況下其速度甚至只有1/100。

另外，D-WAVE公司使用的模擬運(yùn)算算法，也被指責(zé)不是真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。 人們當(dāng)然愿意看到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之外的新興計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但量子計(jì)算機(jī)目前的成就，只能說(shuō)是邁出了一小步。

只是一小步

雖然質(zhì)疑聲不斷，但科學(xué)界還是給予D-WAVE公司的量子計(jì)算機(jī)部分肯定。畢竟它應(yīng)用了量子原理來(lái)進(jìn)行運(yùn)算和儲(chǔ)存，并使得量子計(jì)算機(jī)能從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)，跟傳統(tǒng)電腦就某一領(lǐng)域就行比武。

但即便如此，量子計(jì)算機(jī)還是個(gè)造價(jià)昂貴的“計(jì)算器”。購(gòu)買同等計(jì)算能力，量子計(jì)算機(jī)用戶恐怕要多付出6000倍的價(jià)格。要終結(jié)行將失效的摩爾定律，量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)化之路還有很長(zhǎng)要走。

50年前，英特爾創(chuàng)始人之一戈登?摩爾在美國(guó)微電子雜志發(fā)表文章時(shí)預(yù)言，每過(guò)一年芯片單位面積上的晶體管數(shù)量和性能將會(huì)翻倍。

到1975年，摩爾發(fā)現(xiàn)一年太短，表示兩年才能翻倍。如今需要的時(shí)間更長(zhǎng)，量產(chǎn)芯片的關(guān)鍵尺寸從28納米降到14納米的過(guò)程，即便兩年也難以完成。

IBM研究中心主管蘇普拉蒂克?古哈表示，“可以肯定，摩爾定律會(huì)在未來(lái)10年內(nèi)結(jié)束。”

篇（4）

當(dāng)年7月，九州量子（原名“都飛通信”）正式成立，經(jīng)過(guò)4年發(fā)展，九州量子不但躋身量子通信領(lǐng)域中國(guó)領(lǐng)軍企業(yè)之列，更是憑借量子加密通信技術(shù)和產(chǎn)品長(zhǎng)期領(lǐng)先于同行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，成為量子通信領(lǐng)域首個(gè)市場(chǎng)化全產(chǎn)業(yè)鏈公司。

2015年12月，由九州量子承建的全球第一條量子保密通信商用干線――“滬杭干線”項(xiàng)目啟動(dòng)，作為“七橫七縱”量子國(guó)家干線規(guī)劃的核心承建企業(yè)，九州量子同時(shí)承接了浙江省域網(wǎng)、長(zhǎng)三角環(huán)網(wǎng)、杭州城網(wǎng)、烏鎮(zhèn)城網(wǎng)、量子小鎮(zhèn)（量子產(chǎn)業(yè)園）浙江省政務(wù)云等項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。今年6月13日，九州量子在新三板掛牌上市，成為“量子通信第一股”。 九州量子董事長(zhǎng)鄭韶輝。

“九州量子在浙江省構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，提供基于量子技術(shù)的高可信安全網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)服務(wù)，與我國(guó)現(xiàn)有的量子通信產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)一起，構(gòu)成量子通信技術(shù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。”鄭韶輝接受《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》記者專訪時(shí)表示，九州量子致力于打造一條包含上中下游的產(chǎn)業(yè)鏈條，主攻量子手機(jī)、量子白板等量子終端產(chǎn)品應(yīng)用，為量子通信盡早造福社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

中國(guó)優(yōu)勢(shì)

《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》：目前全球量子信息產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展情況如何？中國(guó)的地位如何？

鄭韶輝：量子信息目前有三個(gè)領(lǐng)域，第一個(gè)是量子計(jì)算，量子計(jì)算目前還談不上產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)化最快也要六七年之后。第二個(gè)是量子測(cè)量，我認(rèn)為中國(guó)跟美國(guó)的水平差不多，美國(guó)可能更強(qiáng)一點(diǎn)。第三個(gè)是量子通信，中國(guó)在這個(gè)方面雖然不是做得最早的，但是這兩年突飛猛進(jìn)，特別在應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快，“京滬干線”、“滬杭干線”、通訊衛(wèi)星等，中國(guó)都處于一個(gè)較為領(lǐng)先的地位。

從全球來(lái)看，只用了10多年時(shí)間就在一個(gè)行業(yè)里面尤其是這種高精尖的領(lǐng)域領(lǐng)先，是非常難得的。目前各國(guó)正在展開(kāi)量子通信的產(chǎn)業(yè)化競(jìng)賽，中國(guó)應(yīng)該抓住這個(gè)窗口，抓緊把產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)起來(lái)。

《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》：你怎么看中國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向？

鄭韶輝：在我看來(lái)，量子通信產(chǎn)業(yè)化未來(lái)的發(fā)展有3個(gè)3年，第一個(gè)3年是設(shè)備商的3年，這3年主要解決的問(wèn)題是我國(guó)的設(shè)備要先做合格，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)。現(xiàn)在設(shè)備主要還是一些科學(xué)家在做，存在的問(wèn)題是成本太高，穩(wěn)定性欠佳。

要解決這個(gè)問(wèn)題，不但科學(xué)家要展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)，市場(chǎng)也要跟得上，運(yùn)用市場(chǎng)化的機(jī)制，可以展開(kāi)一些并購(gòu)，我認(rèn)為3年左右時(shí)間，如果能使設(shè)備成本下降到現(xiàn)在的十分之一，就能為大規(guī)模的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

第二個(gè)3年是運(yùn)營(yíng)商的3年，這3年里，要構(gòu)建一個(gè)初步的量子通信網(wǎng)絡(luò)，就像人體的毛細(xì)血管一樣，在全國(guó)范圍內(nèi)鋪開(kāi)量子通信網(wǎng)絡(luò)。

第三個(gè)3年是平臺(tái)商的3年。需要打造類似阿里巴巴這樣的平臺(tái)服務(wù)商，它也許會(huì)對(duì)現(xiàn)在的BAT（百度、阿里巴巴、騰訊）形成顛覆性的挑戰(zhàn)。

從設(shè)備商到運(yùn)營(yíng)商再到平臺(tái)商，每個(gè)3年，拿出9年時(shí)間來(lái)塑造整個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈，屆時(shí)中國(guó)擁抱的將是“量子+”時(shí)代的到來(lái)。

《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》：九州量子致力于打造行業(yè)首個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈高科技企業(yè)，你們的競(jìng)爭(zhēng)力體現(xiàn)在哪里？

鄭韶輝：在量子通信領(lǐng)域里面，九州量子是比較特別的一家公司，我們的團(tuán)隊(duì)是科學(xué)家+企業(yè)家，其他的量子通信企業(yè)都是科學(xué)家主導(dǎo)，他們可能有技術(shù)上的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，但是我們可以形成后發(fā)優(yōu)勢(shì)，我們的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用更貼近市場(chǎng)，也更接地氣，可以更好地服務(wù)市場(chǎng)。

量子通信同任何新興產(chǎn)業(yè)一樣，在發(fā)展的早期階段是研發(fā)驅(qū)動(dòng)，但發(fā)展到今天這個(gè)階段的時(shí)候，行業(yè)已經(jīng)到了爆發(fā)周期，需要的是通過(guò)工業(yè)化的方式快速形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，在這方面我們團(tuán)隊(duì)是有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的。

產(chǎn)業(yè)化未來(lái)

《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》：由九州量子承建的“滬杭干線”將于近期竣工，這是全球第一條量子保密通信商用干線，這條干線能產(chǎn)生什么樣的作用？

鄭韶輝：“滬杭干線”是2014年經(jīng)中科大潘建偉院士建議而建設(shè)的。它的竣工將滿足周邊地區(qū)各方面的需求，同時(shí)為構(gòu)建全國(guó)“七橫七縱”的量子通信網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗(yàn)。

“滬杭干線”是一條商用干線，面向的是用戶，流量非常大，市場(chǎng)化程度高，到目前已經(jīng)與100多家金融機(jī)構(gòu)已經(jīng)或?qū)⒁炗唴f(xié)議，這些企業(yè)將率先享受到“滬杭干線”的保密通信服務(wù)。

此外，我們認(rèn)識(shí)到，任何一條網(wǎng)絡(luò)通信線路，只要是單線都是有風(fēng)險(xiǎn)的，因此建設(shè)管網(wǎng)非常重要，這樣即使是中間斷了以后，還可以有備用。

舉個(gè)例子，比如說(shuō)“滬杭干線”，杭州連上南京，南京連上上海，成為杭州、南京、上海三線布局。一旦上海到杭州之間斷了以后，那么可以信號(hào)從杭州到南京，南京再到上海，有個(gè)備用線，通訊就不會(huì)斷。

在我看來(lái)，網(wǎng)建得越多，那么未來(lái)的用途越廣泛，用戶也就越多。大概今年10月底，我們會(huì)接通“滬杭干線”，但是真正運(yùn)營(yíng)可能會(huì)晚些時(shí)候，未來(lái)“滬杭干線”還將會(huì)和“京滬干線”接通。

按照九州量子的發(fā)展規(guī)劃，明年我們還將啟動(dòng)浙江省網(wǎng)和長(zhǎng)三角環(huán)網(wǎng)，從2018年開(kāi)始，我們會(huì)與三大運(yùn)營(yíng)商合作，建設(shè)全國(guó)性的骨干網(wǎng)及其無(wú)線量子城域網(wǎng)，推動(dòng)制定量子通信國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在2020年，打造多行業(yè)系列化的量子應(yīng)用產(chǎn)品，成為全球量子通信產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)軍企業(yè)。

《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》：我們注意到，九州量子最近與盛洋科技、清華大學(xué)等企業(yè)和機(jī)構(gòu)都達(dá)成了合作，有什么具體規(guī)劃？

鄭韶輝：我們是一個(gè)市場(chǎng)化的公司，是要把產(chǎn)品賣到全球去的。所以在這個(gè)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，我們希望有更多的企業(yè)更多的力量來(lái)參與進(jìn)來(lái)，我們?cè)敢飧鷦e人合作，一起解決發(fā)展中的難題。

8月底，我們與盛洋科技簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，下一步，我們將建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，共同研發(fā)量子衛(wèi)星通信接收方面的設(shè)備和相關(guān)產(chǎn)品，同時(shí)合作進(jìn)行相關(guān)核心量子通信產(chǎn)品，如量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、量子堡壘機(jī)、光量子交換機(jī)等的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

最近，我們與清華大學(xué)共同籌建的量子網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室也正式揭牌。從具體業(yè)務(wù)領(lǐng)域來(lái)看，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室將重點(diǎn)攻克長(zhǎng)程量子網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵量子器件的研究，促成量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵器件的研發(fā)及量子保密通信網(wǎng)絡(luò)方案的分析與優(yōu)化。尤其在量子中繼、量子密碼和量子測(cè)量等當(dāng)今量子信息界的重要難題方面，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的成立將起到重要推進(jìn)作用。

《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》：按照潘建偉院士的預(yù)測(cè)，15年左右的時(shí)間，裝有芯片的量子手機(jī)將會(huì)進(jìn)入尋常百姓家，對(duì)這個(gè)預(yù)測(cè)，你怎么看？ 通用的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)，業(yè)內(nèi)說(shuō)法是15年的時(shí)間可以突破，對(duì)當(dāng)下的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)巨大沖擊。

鄭韶輝：我比他要激進(jìn)些，我覺(jué)得這個(gè)時(shí)間可能會(huì)縮短到9到10年左右。當(dāng)然這些都是預(yù)測(cè)，最終還是要取決于量子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展。通用的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)，業(yè)內(nèi)說(shuō)法是15年的時(shí)間可以突破，但我相信用不了15年，也許9年之內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)技術(shù)就會(huì)在某種特殊用途上有所突破，這會(huì)對(duì)當(dāng)下的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)巨大沖擊。

《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》：具體而言，量子通信將來(lái)的終端產(chǎn)品會(huì)是什么樣子？

鄭韶輝：我們目前最關(guān)心的量子通信終端產(chǎn)品，一個(gè)是量子手機(jī)，這個(gè)產(chǎn)品目前我們已經(jīng)有了一套技術(shù)解決方案。因?yàn)榱孔油ㄓ嵲O(shè)備太大，目前我們還做不到小型化，而且量子密鑰還無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成，我們的做法是通過(guò)機(jī)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)，在設(shè)備里安放芯片，好像手機(jī)充電一樣。

將來(lái)，這些設(shè)備會(huì)安置在寫字樓里，你把手機(jī)放到設(shè)備里充一晚上，第二天拔掉以后，根據(jù)你的需要，就可以打量子通訊保密電話，一般可以用兩個(gè)禮拜。而且除了打電話，還可以用于移動(dòng)支付、接收郵件等。

這是第一代的產(chǎn)品，大概兩三年之后，第二代就會(huì)出現(xiàn)，第二代產(chǎn)品應(yīng)該更先進(jìn)，可以小型化，量子密鑰可以自動(dòng)生成，手機(jī)里就配置了芯片，不需要再充了，使用起來(lái)更加方便。

第二個(gè)產(chǎn)品是量子白板，這個(gè)產(chǎn)品本身很成熟，在深圳、上海等地已經(jīng)有很多企業(yè)在做。量子白板的使用需要兩個(gè)條件，第一要有量子網(wǎng)絡(luò)，第二是要有相關(guān)芯片，我們最近在做這個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出來(lái)以后，會(huì)在公檢法系統(tǒng)率先使用。

《財(cái)經(jīng)國(guó)家周刊》：有不少觀點(diǎn)認(rèn)為，量子通信已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化的前期，你認(rèn)為往下走的話，還面臨著哪些困難？

鄭韶輝：我認(rèn)為，目前有利的因素很多，和過(guò)去比困難少多了，應(yīng)該說(shuō)當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入黃金時(shí)代了。國(guó)家戰(zhàn)略上有政策支持，社會(huì)上的資本進(jìn)入的意愿也非常強(qiáng)烈。

篇（5）

在超導(dǎo)體系，研究團(tuán)隊(duì)打破了之前由谷歌、NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）和UCSB（加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校）公開(kāi)報(bào)道的9個(gè)超導(dǎo)量子比特的操縱，實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目（10個(gè)）超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。

系列成果已發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然光子學(xué)》，即將發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)要算15萬(wàn)年的難題，量子計(jì)算機(jī)只需1秒

1981年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼指出，由于量子系統(tǒng)具有天然的并行處理能力，用它所實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)很可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。1994年，麻省理工學(xué)院的Peter？Shor教授提出分解大質(zhì)因數(shù)的高效量子算法，量子計(jì)算引發(fā)了世界各國(guó)的強(qiáng)烈興趣。

“由于量子比特是0和1的疊加態(tài)，在原理上具有超快的并行算和模擬能力，計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。這一特點(diǎn)使得量子計(jì)算可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。”潘建偉說(shuō)，“比如，300位10進(jìn)制那么長(zhǎng)數(shù)，用我們目前萬(wàn)億次的傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)拿來(lái)算的話，大概需要算15萬(wàn)年。但如果能夠造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，它計(jì)算的頻率也是萬(wàn)億次的話，只需要1秒鐘就可以算完。從這個(gè)角度上講，量子的并行計(jì)算能力是非常強(qiáng)大的。”

此外，一臺(tái)操縱50個(gè)微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)特定問(wèn)題的處理能力可超過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

那哪些算特定問(wèn)題呢？

朱曉波說(shuō)：“比如說(shuō)大數(shù)字分解，這個(gè)是用于現(xiàn)在加密的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的算法。那么你如果能解一個(gè)大數(shù)字分解，就能解密現(xiàn)在很多的加密算法。如果很多加密算法都失效了，國(guó)家金融安全、軍事安全等都會(huì)受到嚴(yán)重影響。還有，量子計(jì)算機(jī)做到一定規(guī)模之后，很有可能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速搜索，以后在解決搜索問(wèn)題的時(shí)候就具有巨大的優(yōu)勢(shì)。”

據(jù)專家介紹，根據(jù)各物理體系內(nèi)在優(yōu)勢(shì)及其在實(shí)現(xiàn)多粒子相干操縱和糾纏方面的發(fā)展現(xiàn)狀和潛力，目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路體系的量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展上總體較為領(lǐng)先。

研究仍處早期，我國(guó)計(jì)劃在年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱

多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的核心資源，一直是國(guó)際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著國(guó)際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀(jì)錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)此次利用自主發(fā)展的綜合性能國(guó)際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過(guò)電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)。

潘建偉說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的‘玻色取樣’速度不僅比國(guó)際同行類似的之前所有實(shí)驗(yàn)加快至少2.4萬(wàn)倍，同時(shí)，通過(guò)和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10～100倍。”

這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算這一國(guó)際學(xué)術(shù)界稱之為“量子稱霸”的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“量子計(jì)算領(lǐng)域有幾個(gè)大家共同努力的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：第一，展示超越首臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力；第二，展示超越商用CPU的計(jì)算能力；第三，展示超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。我們實(shí)現(xiàn)的只是其中的第一步，也是一小步，但是是重要的一步。”潘建偉說(shuō)。

“朝著這個(gè)目標(biāo)，我們研究團(tuán)隊(duì)將計(jì)劃在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，將接近目前最好的商用CPU。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。

但由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前量子計(jì)算研究仍處于早期發(fā)展階段。“像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣具有通用功能的量子計(jì)算機(jī)最終能否研制成功，對(duì)整個(gè)科學(xué)界還是個(gè)未知數(shù)。”潘建偉說(shuō)。

在信息安全、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、導(dǎo)航等方面，量子技術(shù)未來(lái)將極大地改變生活

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，對(duì)計(jì)算能力的需求可以用一個(gè)詞來(lái)形容，就叫做“貪得無(wú)厭”。同時(shí)，計(jì)算能力的強(qiáng)弱也對(duì)社會(huì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)人們能夠把數(shù)據(jù)里面有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過(guò)計(jì)算給提取出來(lái)的話，每一個(gè)數(shù)據(jù)才會(huì)成為真正的財(cái)富。

談到量子計(jì)算機(jī)未來(lái)的應(yīng)用前景，潘建偉充滿信心：“我認(rèn)為量子技術(shù)領(lǐng)域目前主要有幾個(gè)方面離實(shí)用非常近：量子通信主要是用在保密方面，它可以大大提高信息安全水平。除此之外，量子計(jì)算可能很快在某些特定計(jì)算方面超越目前傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算。這些技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、藥物設(shè)計(jì)、基因分析、各種導(dǎo)航等方面也將起到巨大的作用，會(huì)給我們的生活帶來(lái)極大的改變。比如，我們現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)只能預(yù)報(bào)幾天，因?yàn)槿绻A(yù)報(bào)第六天、第七天，計(jì)算的時(shí)間可能需要100天，而100天后再來(lái)預(yù)測(cè)第六七天的天氣就沒(méi)什么意義了。”

據(jù)潘建偉介紹，在我國(guó)即將啟動(dòng)的量子通信和量子計(jì)算機(jī)的重大項(xiàng)目里，對(duì)光、超導(dǎo)、超冷原子等方向上都已經(jīng)做了相應(yīng)的布局。

“在以后的10到15年里，量子技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將是非常激烈的。比如英國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家量子技術(shù)專項(xiàng)、歐盟啟動(dòng)了量子旗艦專項(xiàng)、美國(guó)在論證相應(yīng)的計(jì)劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內(nèi)的一些美國(guó)公司也都介入到相關(guān)研發(fā)了。”潘建偉說(shuō)。

延伸閱讀

多個(gè)狀態(tài)同時(shí)疊加 不可分割不可克隆 量子世界里，真的很神秘

量子是什么？量子是最小的、不可再分割的能量單位。這個(gè)概念誕生于1900年，物理學(xué)家普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上公布了他的成果，成為量子論誕生和新物理學(xué)革命宣告開(kāi)始的偉大時(shí)刻。

分子、原子、電子，其實(shí)都是量子的不同表現(xiàn)形式。可以說(shuō)，我們的世界是由量子組成的。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說(shuō)，在宏觀世界里，物體的位置、速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，都可以通過(guò)牛頓力學(xué)精確地測(cè)算。但在量子微觀世界里，有著與宏觀世界截然不同的規(guī)則。

量子的神秘之處首先體現(xiàn)在它的“狀態(tài)”。在宏觀世界里，任何一個(gè)物體在某一時(shí)刻有著確定的狀態(tài)和確定的位置。但在微觀世界里，量子卻同時(shí)處于多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。

量子力學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者之一、奧地利物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓來(lái)比喻量子態(tài)疊加：箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但如果在量子世界中，它同時(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。

量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”。也就是說(shuō)，如果你去測(cè)量一個(gè)量子，那么它就會(huì)從多個(gè)狀態(tài)、多個(gè)位置，變成一個(gè)確定的狀態(tài)和一個(gè)確定的位置。如果你打開(kāi)“薛定諤的箱子”，貓的疊加狀態(tài)就會(huì)消失，你會(huì)看到一只活貓或一只死貓。

如果說(shuō)一個(gè)量子已經(jīng)很“奇怪”，那么當(dāng)兩個(gè)量子“糾纏”在一起，那種不確定性更強(qiáng)了。根據(jù)量子力學(xué)理論，如果兩個(gè)量子之間形成了“糾纏態(tài)”，那么無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子也會(huì)超光速“瞬間”發(fā)生如同心靈感應(yīng)的變化。

雖然直至今天，人類仍然還沒(méi)搞清楚量子為何如此神秘，但國(guó)際主流學(xué)界已經(jīng)接受了量子這種特殊性的客觀存在。更重要的是，人們可以利用量子的奇異特性開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型應(yīng)用，比如量子通信和量子計(jì)算。

篇（6）

2016年8月16日凌晨1時(shí)40分，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”由我國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。全國(guó)人們?yōu)榇藲g呼雀躍，各大媒體也爭(zhēng)相報(bào)道這一科研壯舉。目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)太空一地面量子通信的國(guó)家，然而對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)基于量子物理學(xué)發(fā)展而來(lái)的量子通信技術(shù)依然是晦澀難懂的深?yuàn)W科學(xué)。那么，我們便基于量子衛(wèi)星的發(fā)射來(lái)談一談量子衛(wèi)星所涉及的基本科學(xué)問(wèn)題。

1量子衛(wèi)星

1.1量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”名稱的由來(lái)

在我國(guó)古代，墨子先生不僅創(chuàng)立了墨家學(xué)說(shuō)，更是在傳世的《墨經(jīng)》一書(shū)中提出了“光學(xué)八條”的理論。在“光學(xué)八條”中不僅描述了我國(guó)古代人民對(duì)光線的認(rèn)識(shí)，也設(shè)計(jì)出了我國(guó)最早的小孔成像實(shí)驗(yàn)，這是我國(guó)有關(guān)光學(xué)研究的基礎(chǔ)。為了紀(jì)念墨子先生，我國(guó)發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星便被命名為“墨子號(hào)”。

1.2“量子”的定義

在1900年，著名的物理學(xué)家普朗克為了解釋黑體輻射現(xiàn)象提出了一個(gè)假設(shè)，即黑體輻射的能量只能取某一基本能量的整數(shù)倍。基于這一假設(shè)，在之后幾十年的研究中，研究者們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他物理量也表現(xiàn)出了不連續(xù)的量子化現(xiàn)象，那么這些物理量中所存在的最小的基本單位便可以稱之為量子。量子理論的提出嚴(yán)重地沖擊了古典物理學(xué)，到20世紀(jì)早期，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意便在普朗克

愛(ài)因斯坦的光量子論和玻爾的原子論的啟發(fā)下建立了量子力學(xué)理論。量子力學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的多個(gè)領(lǐng)域中均有應(yīng)用和突出貢獻(xiàn)，而量子通信技術(shù)也是基于量子力學(xué)發(fā)展而來(lái)的，對(duì)未來(lái)科學(xué)技術(shù)和文明的進(jìn)步具有重要意義。

1.3量子通信

量子通信是利用量子態(tài)和量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息或密鑰傳輸?shù)男滦屯ㄐ欧绞健Ａ孔油ㄐ诺闹饕康谋闶潜ＷC信息傳輸過(guò)程中的無(wú)障礙傳送和信息安全。而在量子通信技術(shù)研究之前，人們?yōu)榱吮ＷC傳輸信息過(guò)程中的安全問(wèn)題，便選擇對(duì)所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密。信息加密便是將我們要傳輸?shù)男畔ⅲā懊魑摹保┺D(zhuǎn)化成別人不可識(shí)別的亂碼（“密文”）。在20世紀(jì)前中期，信息加密技術(shù)依然有其優(yōu)越之處，也是人們普遍使用的方法。但是，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使基于特定參數(shù)所建立的密鑰并不再安全。隨著現(xiàn)代電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，直至量子計(jì)算機(jī)的研制成功，計(jì)算機(jī)的能力急劇加強(qiáng)，那么這種基于基本算法的信息加密技術(shù)在量子計(jì)算機(jī)面前形同虛設(shè)。為了保障新時(shí)代背景下的信息安全，量子通信技術(shù)得到快速發(fā)展。量子通信是基于早期的對(duì)稱密碼：“一次一密”。一次一密的概念在1917年由Vernam提出，然后于1949年被Shannon證明是無(wú)條件安全的。隨著量子理論的發(fā)展，在1984年，科學(xué)家Bennett和Brassard首次提出了第一個(gè)實(shí)用性的量子密碼的通信協(xié)議，該協(xié)議以兩者的名字命名。在其后，美國(guó)科學(xué)家完成了世界上第一個(gè)量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)，從此量子通信技術(shù)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)期。在1995年，我國(guó)中科院物理所在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了試驗(yàn)性質(zhì)的量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，量子通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，先后實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離信息傳輸和量子密碼傳輸。

量子通信技術(shù)在信息傳輸?shù)陌踩院蛡鬏斈芰ι暇哂袠O大的優(yōu)勢(shì)。首先，在利用量子通信技術(shù)傳輸信息的過(guò)程中，由于信息的載體是光量子，而光量子的量子狀態(tài)是難以截獲的，因而利用量子通信傳輸?shù)男畔⑹遣豢赡鼙槐I取的。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，利用量子通信技術(shù)傳輸?shù)男畔⑹菬o(wú)條件安全的。其次，在量子通信過(guò)程中，量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙通信。所謂的量子m纏態(tài)，便是兩個(gè)相互糾纏的粒子，當(dāng)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)的變化。這種無(wú)視空間距離的和即時(shí)的信息傳輸能力是量子通信的巨大優(yōu)勢(shì)。

1.4量子通信衛(wèi)星

量子通信衛(wèi)星是量子通信技術(shù)中的重要硬件設(shè)施。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子通信衛(wèi)星的作用就是為傳輸?shù)男畔⒎峙涿荑€。量子通信過(guò)程中，負(fù)載信息的光量子在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)逐漸衰減直至消失，因此光量子的傳輸存在著距離的限制。一般而言，當(dāng)光量子在空氣中傳播100km時(shí)，光量子的信號(hào)已經(jīng)難以檢測(cè)到了。但是，量子通信衛(wèi)星在太空中進(jìn)行光量子傳輸時(shí)，光信號(hào)在到達(dá)地表之前僅僅需要經(jīng)過(guò)10km左右的大氣層，地面基站可以輕松地收到量子通信衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。量子通信衛(wèi)星先向地面基站發(fā)送量子密鑰，經(jīng)過(guò)比對(duì)之后建立絕對(duì)不可破譯的量子密鑰，繼而擁有相同量子密鑰的兩個(gè)地面基站，便可以把已經(jīng)加密的信息通過(guò)傳統(tǒng)的信息傳輸方式（如互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線電話等）互相傳輸，而且所傳輸?shù)男畔⒁彩墙^對(duì)安全的。量子通信衛(wèi)星的使用可以實(shí)現(xiàn)全球距離的信息傳輸。

2我國(guó)量子通信技術(shù)的發(fā)展

1）我國(guó)國(guó)家政策和戰(zhàn)略布局高度重視量子通信技術(shù)的研究和發(fā)展。量子通信技術(shù)已被列入國(guó)家“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要中，屬于國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的具有引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)。

2）我國(guó)的量子通信技術(shù)布局較早，發(fā)展較快，成果也更為顯著。早在1995年，中科院物理所便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國(guó)首個(gè)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。在其后，我國(guó)先后成立了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息研究部、中國(guó)科學(xué)院量子技術(shù)與應(yīng)用研究中心和中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心。這些研究中學(xué)的成立將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)量子通信技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，使我國(guó)的量子通信技術(shù)研究始終走在全球前列。

篇（7）

當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)數(shù)據(jù)化時(shí)代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于在已知網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信需求下，怎樣選擇計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)鏈路的高效路由，這一受到多個(gè)條件約束的雜亂非線性規(guī)劃問(wèn)題，在傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)理論中尚未得到有效的解決方法。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，傳統(tǒng)的算法都存在一定的局限性，計(jì)算也比較復(fù)雜，在很多條件限制下都難以發(fā)揮其作用，無(wú)法給出滿意的解決方案。本文主要是對(duì)改進(jìn)量子進(jìn)化算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇上的應(yīng)用進(jìn)行探究。

一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇意義

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由的選擇方式主要有爬山法、梯度法、模擬退算法以及列表尋優(yōu)法，但其都具有很大程度上的局限性，受到的限制條件也比較多，不能有效地發(fā)揮其作用。網(wǎng)絡(luò)路由選擇的定義主要有：在已有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)鏈路通信容量以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)需求的情況下，對(duì)各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)路由進(jìn)行確定，以最大限度縮小互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)延性。這種路由選擇方式，可在選擇過(guò)程中采取一些簡(jiǎn)化工作，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包完好無(wú)缺，不受通信容量影響，報(bào)文長(zhǎng)度則以實(shí)際指數(shù)分布為基準(zhǔn)，來(lái)進(jìn)行路由選擇。

二、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中改進(jìn)量子進(jìn)化算法的應(yīng)用

（一）量子進(jìn)化算法的概述及算法流程

量子進(jìn)化算法是由量子計(jì)算和進(jìn)化算法結(jié)合而來(lái)，其運(yùn)算方式為，在確定量子矢量的情況下，用量子算法的比特編碼來(lái)表示染色體，并以旋轉(zhuǎn)門和量子非門來(lái)進(jìn)行染色體的更新，據(jù)此讓目標(biāo)得到最優(yōu)解答。

在進(jìn)行計(jì)算中，可以采用矩形陣表示量子染色體，設(shè)其長(zhǎng)度為m

量子進(jìn)化算法流程主要有以下幾個(gè)步驟：

首先，將種群Q（t）初始化，設(shè)t=0，并測(cè)量種群中的每個(gè)個(gè)體，得到種群的狀態(tài)P（t）；其次，對(duì)P（t）的適應(yīng)度進(jìn)行評(píng)估，將最佳個(gè)體狀態(tài)和適應(yīng)值進(jìn)行記錄；最后，采用

While非結(jié)束狀態(tài)do，

begin

1、t=t+1；

2、對(duì)種群進(jìn)行測(cè)量Q（t-1），其狀態(tài)為P（t）；

3、進(jìn)行P（t）的適應(yīng)度評(píng)估；

4、對(duì)Q（t）采用量子門進(jìn)行更新?lián)Q代，記錄后代種群Q（t+1）；

5、對(duì)每個(gè)個(gè)體的最佳狀態(tài)以及適應(yīng)值進(jìn)行記錄。

End

End

（二）旋轉(zhuǎn)角的優(yōu)化調(diào)整

（三）函數(shù)調(diào)整優(yōu)化

采用租戶優(yōu)化的辦法可以知道各基因間的相關(guān)性不大，基于這一特點(diǎn)對(duì)量子位進(jìn)行定義：

表1 優(yōu)化方案

分析表1的內(nèi)容可以知道，這種旋轉(zhuǎn)方案能夠讓搜索結(jié)構(gòu)逐漸走向最優(yōu)化，收斂速度也得到提高，在此表中只列出了第一象限內(nèi)的 ，其他象限內(nèi)的 情況可由此進(jìn)行推斷。

（四）仿真測(cè)試

以仿真實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)以上的分析進(jìn)行檢驗(yàn)，與傳統(tǒng)的量子進(jìn)化算法為比較對(duì)象，證明改進(jìn)量子進(jìn)化算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由的選擇性能存在優(yōu)越性。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖1；

圖1 改進(jìn)算法和傳統(tǒng)算法的對(duì)比

根據(jù)此圖能夠看到，改進(jìn)量子進(jìn)化算法在尋優(yōu)性和收斂性上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的量子進(jìn)化算法，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的應(yīng)用中，改進(jìn)量子進(jìn)化算法的綜合性能也比傳統(tǒng)的量子進(jìn)化算法優(yōu)秀。

結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的改進(jìn)量子進(jìn)化算法，是在傳統(tǒng)的量子進(jìn)化算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，通過(guò)仿真測(cè)試可以知道，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的量子進(jìn)化算法在尋優(yōu)搜索和收斂速度上存在一定優(yōu)勢(shì)，很好的解決了互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)路由在選擇上面臨的約束條件多、雜亂非線性規(guī)劃等問(wèn)題，很大程度上為互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)鏈路的最佳路由選擇提供了幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]宋明紅，俞華鋒，陳海燕.改進(jìn)量子進(jìn)化算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的應(yīng)用研究[J].科技通報(bào)，2014（01）：170-173.

篇（8）

2.環(huán)保化：計(jì)算機(jī)性能的提高也將產(chǎn)生更多的能耗，無(wú)論是生產(chǎn)還是生活中，大量的使用計(jì)算機(jī)必定會(huì)損耗更多的電量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在不久的將來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)將會(huì)向環(huán)保型發(fā)展，通過(guò)提高計(jì)算機(jī)的效率減少能耗。例如，使用量子技術(shù)和光子技術(shù)代替原來(lái)的硅架構(gòu)。

3.軟件生產(chǎn)構(gòu)件化：計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域是十分廣泛的，為了適計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展解決供需矛盾，計(jì)算機(jī)軟件生產(chǎn)也要實(shí)現(xiàn)構(gòu)件化。目前，對(duì)軟件生產(chǎn)的重點(diǎn)是其可生產(chǎn)性和并行處理，在軟件開(kāi)發(fā)的問(wèn)題上也將會(huì)以更高的水平對(duì)其進(jìn)行解決。

4.智能化：在今后，計(jì)算機(jī)技術(shù)將會(huì)有更多的新技術(shù)出現(xiàn)。例如，第五代計(jì)算機(jī)技術(shù)，這種技術(shù)具備聯(lián)想、判斷和學(xué)習(xí)等智能化的功能。能夠使得人從枯燥的信息處理中走出來(lái)，使得人們的學(xué)習(xí)和生活得到變革，人類的生活空間也將得到拓展。

二、計(jì)算機(jī)種類發(fā)展趨勢(shì)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，新型計(jì)算機(jī)也將層出不窮，而且是愈加的完善和高性能化。

1.量子計(jì)算機(jī)：量子計(jì)算機(jī)是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算的新型計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于其能夠?qū)α孔有畔⑦M(jìn)行計(jì)算和處理，當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行量子算法時(shí)我們可以稱之為量子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中使用量子技術(shù)是一項(xiàng)新的研究，而量子計(jì)算機(jī)與當(dāng)前的計(jì)算機(jī)相比較而言，其存儲(chǔ)空間是巨大的，而且在進(jìn)行計(jì)算時(shí)其速度也是當(dāng)前計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的。對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，初步預(yù)測(cè)在2030年能夠?qū)崿F(xiàn)，以當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的速度和趨勢(shì)來(lái)看，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的使用的時(shí)代將很快到來(lái)。

2.分子計(jì)算機(jī)：分子生物計(jì)算機(jī)是指通過(guò)分子來(lái)處理信息的計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)主要是通過(guò)分子晶體運(yùn)行的，其優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了高效的組織排列，而且體積小，速度快，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)等。在不久的將來(lái)，當(dāng)分子技術(shù)在不斷的發(fā)展的時(shí)候分子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)也指日可待。

3.生物計(jì)算機(jī)：所謂生物計(jì)算機(jī)就是指通過(guò)生物芯片集成晶體管而制成的計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，耗能低，運(yùn)算的速度很快且其存儲(chǔ)空間巨大。不過(guò)，這種計(jì)算機(jī)也存在一定的缺陷，譬如從生物計(jì)算機(jī)中提取信息比較困難，因而生物計(jì)算機(jī)要得到發(fā)展以目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)條件還無(wú)法得到廣泛的應(yīng)用。不過(guò)在未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展下，其缺陷會(huì)得到解決，其前景也將會(huì)是良好的。

4.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)：該計(jì)算機(jī)是通過(guò)模仿人的大腦神經(jīng)脈絡(luò)制成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加以運(yùn)行的新型計(jì)算機(jī)。和人腦運(yùn)行的速度相比，電腦功能是無(wú)法達(dá)到的，在這個(gè)基礎(chǔ)上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)被視為巨大的機(jī)器，其要處理很多繁雜的信息。因而，在此過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)可以在判斷和處理信息時(shí)得出結(jié)果。其內(nèi)部的信息組要是在神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)中被存儲(chǔ)，而一旦神經(jīng)元結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，該計(jì)算機(jī)還能夠?qū)υ瓉?lái)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行備份，確保這些信息不丟失。

三、計(jì)算機(jī)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的建議

1.做好技術(shù)革新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使人們對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)改進(jìn)有了更高的關(guān)注。在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，為了更好地推進(jìn)其發(fā)展就會(huì)做好創(chuàng)建計(jì)算機(jī)技術(shù)的相關(guān)措施，對(duì)在其發(fā)展中有可能面臨的問(wèn)題做出相應(yīng)的處理。而要做好這點(diǎn)首先要對(duì)其進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)施形成系統(tǒng)的了解，在開(kāi)發(fā)新技術(shù)時(shí)也要遵循自然以及經(jīng)濟(jì)的規(guī)律，體現(xiàn)其科學(xué)性和實(shí)效性等等。兼顧這些在計(jì)算機(jī)技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展中才能更加的完善，為人所用。

2.增強(qiáng)計(jì)算機(jī)研發(fā)人員的培訓(xùn)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于有一批具備高素質(zhì)和高技能的技術(shù)研發(fā)人員，要想計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展能夠得到保障就要依賴于這些研發(fā)人員在掌握技術(shù)要領(lǐng)和工作規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作。同時(shí)，提高研發(fā)人員的責(zé)任意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，擁有責(zé)任意識(shí)的員工能夠確保計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展得到重視，而創(chuàng)新意識(shí)則是推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)革新的動(dòng)力。在生產(chǎn)和生活中計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)揮了很大的作用，要使得生活水平得到進(jìn)一步的提高，就要能夠確保計(jì)算機(jī)技術(shù)更為完善和順利的發(fā)展。

篇（9）

中圖分類號(hào)：P315.69 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-5312（2011）20-0282-01

一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況

1946年2月美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院制成的大型電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)(ENIAC)，最初也專門用于火炮彈道計(jì)算，后經(jīng)多次改進(jìn)而成為能進(jìn)行各種科學(xué)計(jì)算的通用計(jì)算機(jī)。，一直到現(xiàn)在，微機(jī)計(jì)算機(jī)的發(fā)展非常迅速。對(duì)于微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在普遍以字長(zhǎng)和典型的微處理器芯片作為劃分標(biāo)志，將微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展劃分為五個(gè)階段：

第一個(gè)階段主要是字長(zhǎng)為4位的微型機(jī)和字長(zhǎng)為8位的低檔微型機(jī)。這一階段的典型微處理器有：世界上第一個(gè)微處理器芯片4004，以及隨后的改進(jìn)版4040，它們都是字長(zhǎng)為4位的。

第二個(gè)階段主要是字長(zhǎng)為8位的中、高檔微型機(jī)。這一階段典型的微處理器芯片有：Intel公司的I8080、I8085。

第三個(gè)階段主要是字長(zhǎng)為16位的微型機(jī)。這一階段典型的微處理器芯片有：Intel公司的8086/8088/80286。

第四個(gè)階段主要是字長(zhǎng)為32位的微型機(jī)。這一階段典型的微處理器芯片有：Intel公司的80386/486/Pentium系列。

第五個(gè)階段出現(xiàn)了字長(zhǎng)為64位的微處理器芯片。主要還是面向服務(wù)器和工作站等一些高端應(yīng)用場(chǎng)合。

二、新一代計(jì)算機(jī): 量子計(jì)算機(jī)

近年來(lái)，如何使處理器中晶體管體積的減小成為計(jì)算機(jī)性能改進(jìn)的關(guān)鍵所在。但是，這種不斷的減小有一個(gè)極限。正如哲學(xué)里說(shuō)，萬(wàn)物有矛盾兩面。如果晶體管變得太小，將會(huì)限制它的性能。因此，看起來(lái)我們的計(jì)算機(jī)技術(shù)，會(huì)在不久的將來(lái)達(dá)到極限，它們真的會(huì)嗎？在1982年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者――物理學(xué)家Richard Feynman想出了 “量子計(jì)算機(jī)” 的概念，那是一種利用量子機(jī)械的影響作為優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)。說(shuō)起Richard Feynman是本世紀(jì)誕生于美國(guó)的最偉大的物理學(xué)家，費(fèi)曼于40年展了用路徑積分表達(dá)量子振幅的方法，并于1948年提出量子電動(dòng)力學(xué)新的理論形式、計(jì)算方法和重正化方法，從而避免了量子電動(dòng)力學(xué)中的發(fā)散困難。費(fèi)曼還建立了解決液態(tài)氦超流體現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論。他和莫雷蓋爾曼在弱相互作用領(lǐng)域，做了一些奠基性工作費(fèi)曼還是一位富有建設(shè)性的公眾人物。1986年，挑戰(zhàn)者號(hào)失事后，費(fèi)曼做了著名的O型環(huán)演示實(shí)驗(yàn)，只用一杯冰水和一只橡皮環(huán)，就在國(guó)會(huì)向公眾揭示了挑戰(zhàn)者失事的根本原因－低溫下橡膠失去彈性。1965年因量子電動(dòng)力學(xué)方面的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。量子計(jì)算機(jī)概念正是Feynman這個(gè)大理論物理學(xué)家提出，從而有一段時(shí)間，“量子計(jì)算機(jī)”的想法主要僅僅停留在理論興趣階段，但最近的發(fā)展令這個(gè)想法引起了每一個(gè)人的注意。其中一個(gè)進(jìn)步就是一種在量子計(jì)算機(jī)上計(jì)算大量數(shù)據(jù)的算法的發(fā)明，由Peter Shor(貝爾實(shí)驗(yàn)室)設(shè)計(jì)。

三、量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)區(qū)別

在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單元叫做一個(gè)量子位不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，并不是二進(jìn)制位而是按照性質(zhì)四個(gè)一組組成的單元。量子位具有這種性質(zhì)的直接原因是因?yàn)樗裱肆孔觿?dòng)力學(xué)的規(guī)律，而量子動(dòng)力學(xué)從本質(zhì)上說(shuō)完全不同于傳統(tǒng)物理學(xué)。量子位不僅能在相應(yīng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)位的邏輯狀態(tài)0和1穩(wěn)定存在，而且也能在相應(yīng)于這些傳統(tǒng)位的混合或重疊狀態(tài)存在。這種現(xiàn)象看起來(lái)和人的直覺(jué)不符，因?yàn)樵谌祟惖娜粘Ｉ钪邪l(fā)生的現(xiàn)象遵循的是傳統(tǒng)物理規(guī)律，而不是量子力學(xué)的規(guī)律，量子規(guī)律只統(tǒng)治原子級(jí)的世界。

四、所遇到的問(wèn)題

篇（10）

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）36-0267-03

Implementation of SVG-based Quantum Circuit Design Platform

XIA Shuai，XU Yu-jia，DING Yu-wen， YU Lin， ZHOU Yang，ZHU Wei，CHEN Sai，LI Zhi-qiang

（College of Information Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225100， China）

Abstract： At present， automatic drawing tools which exist can meet the basic needs of users. However， the tools have many limitations such as low resolution， non vector， needing specific operating system and so on. All these make it inconvenient to create high-definiton quantum circuit. This project provides the online rendering quantum circuit diagram by using JavaScript and Jquery， EasyUI， SVG and other technical features. Once the quantum circuit TFC document was submitted and then it would be analysed and displayed. The platform would also use JavaScript to read the parameters of files and use SVG to create the corresponding schematics. Finally， drawing the HD schematics required. At the same time， the platform also provides the function of coordinating editor for team developers. Users in the same group can be able to edit the same circuit diagram and update in real time， so as to meet the needs of different users.

Key words： Quantum Circuit， SVG， TFC file， Design online， Cooperative editing

1 目研究背景

量子計(jì)算機(jī)等效量子圖靈機(jī)，而量子圖靈機(jī)又等價(jià)于一個(gè)量子邏輯電路，因此可通過(guò)量子邏輯門的級(jí)聯(lián)與組合構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)。在量子計(jì)算、可逆計(jì)算、納米技術(shù)、光計(jì)算及信息加密等領(lǐng)域中，可逆計(jì)算機(jī)已被廣泛應(yīng)用，人們已提出多種量子門，如NOT 門、SWAP 門、 CNOT門、Toffoli 門、 GT 門等。然而從事量子信息研究的人員無(wú)論是書(shū)寫發(fā)表文章還是教學(xué)研究交流，發(fā)現(xiàn)仍然無(wú)法生成這些量子門以及常用的量子電路描述文件自動(dòng)生成矢量圖以及高清的點(diǎn)陣圖[1]。

當(dāng)前生成量子電路圖的軟件主要有三種：

1）Dmitri Maslov 等人開(kāi)發(fā)的可逆電路繪圖軟件：開(kāi)源軟件QCViewer和非開(kāi)源軟件RCViewer以及其升級(jí)版RCViewer+。

2）Robert Wille等人開(kāi)發(fā)可逆電路設(shè)計(jì)工具軟件RevKit

3）Steve Flammia和Bryan Eastin開(kāi)發(fā)的用Latex繪制量子電路的工具包Q-circuit

盡管三者用戶數(shù)量龐大，但仍然有很多因素制約用戶的使用：

1）三者采用C/S 的兩層架構(gòu)，用戶必須下載客戶端才能運(yùn)行，且需要特定操作系統(tǒng)。

2）生成電路圖的分辨率低，且點(diǎn)陣無(wú)法修改，無(wú)法生成獨(dú)立圖片文件。

由此帶來(lái)的局限性使得許多研究人員仍然手工繪制電路圖，導(dǎo)致工作量大、效率低下、操作不便等一系列問(wèn)題。

本平臺(tái)基于Web使用SVG矢量圖技術(shù)自動(dòng)生成量子電路圖，很好地解決了以上問(wèn)題。

2 基本概念

2.1 SVG

SVG 指可伸縮矢量圖形，基于可拓展標(biāo)記語(yǔ)言，以XML 的格式描述二維矢量圖形。與其他諸多圖像格式相比，擁有諸多優(yōu)勢(shì)：可讀性強(qiáng)、可壓縮性強(qiáng)、圖像在放大時(shí)質(zhì)量不變、與其他標(biāo)準(zhǔn)相兼容。

2.2 EasyUI

EasyUI 是基于JQuery的一組UI插件集合，可以幫助開(kāi)發(fā)者快速開(kāi)發(fā)美觀的Web頁(yè)面，簡(jiǎn)化JavaScript 編寫細(xì)節(jié)。

本平臺(tái)使用JavaScript、JQueryEasyUI、SVG 所繪制出的矢量電路圖可在網(wǎng)頁(yè)中直接拖拽，圖像清晰度高，電路各項(xiàng)參數(shù)可讀且允許修改，能夠滿足各期刊的要求，利用內(nèi)部算法可將復(fù)雜繪圖工作交給計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)采用B/S架構(gòu)將SVG 圖形的優(yōu)勢(shì)帶到Web端，擺脫了C/S架構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境局限性。

2.3 TFC文件格式

TFC是保存量子電路信息的一種文件格式，使用它可以方便存儲(chǔ)、讀取量子電路信息。它主要分為兩部分，.v、.i、.o、.c為第一部分，.i、.o分別描述電路的輸入端、輸出端。Begin與End之間為第二部分，每一行對(duì)應(yīng)著一種量子邏輯門及其參數(shù)信息，包含受控端，控制端等。

2.4 JavaScript與JQuery操作SVG方法

利用JavaScript及JQuery來(lái)對(duì)SVG圖形進(jìn)行操作。在JavaScript中調(diào)用document.createElementNS（）方法來(lái)創(chuàng)建SVG元素，如圓形、橢圓形、長(zhǎng)方形等；調(diào)用SVG中Attribute的get和set方法來(lái)操作其屬性的修改及顯示，添加自定義屬性以用SVG來(lái)更好地描述電路元件。最終利用JS或JQuery向指定位置追加SVG元素。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 繪制量子門

圖1中的量子門電路是利用JS、SVG繪制而成。每個(gè)量子門電路是由不同的圖形組合而成。利用SVG可以繪制出不同的圖形，如線、圓形、橢圓。也可以設(shè)置他們的屬性。調(diào)整Stroke-width控制線的寬度，調(diào)整rx， ry屬性組合控制橢圓的形狀。通過(guò)設(shè)置這些圖形的位置屬性就可以組合成量子電路。為每個(gè)量子門圖設(shè)置點(diǎn)擊事件來(lái)完成量子門的添加或刪除功能。

3.2 繪制工具

利用EASYUI組件中的窗體、按鈕組件，繪制圖2所示的工具條。為其中的按鈕設(shè)置單擊事件，向繪圖區(qū)追加SVG元素，原理與3.1大致相同。繪制窗體的組件可以自由拖動(dòng)，這是EASYUI窗體組件本身具有的特性，點(diǎn)擊右上方的圖標(biāo)還可以展開(kāi)折疊繪制工具欄。

3.3 繪制組合量子門

單擊對(duì)應(yīng)的圖形，再在網(wǎng)格區(qū)域單擊，根據(jù)彈出的參數(shù)設(shè)置框，設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊確定即可添加，右擊取消添加。參數(shù)設(shè)置窗口利用了EasyUI中的窗體、按鈕、數(shù)值輸入框等組件。數(shù)值輸入框中的數(shù)值可以通過(guò)右面對(duì)應(yīng)的按鈕遞增遞減調(diào)節(jié)輸入框中的值，遞增遞減的梯度可通過(guò)屬性設(shè)置。點(diǎn)擊確定按鈕后，讀取輸入框中的具體參數(shù)，通過(guò)JavaScript創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的圓形、線條，然后組合，在Web端顯示。

3.4 參數(shù)修改

參數(shù)屬性窗口利用了EasyUI中的屬性表格組件，點(diǎn)擊編輯框中的量子電路元素觸發(fā)事件，調(diào)用JavaScript獲取對(duì)應(yīng)的屬性，封裝成json數(shù)組，通過(guò)屬性表格組件的loadData（）方法顯示屬性，點(diǎn)擊屬性框，修改后會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的事件從而修改對(duì)應(yīng)的屬性值。

本軟件所能識(shí)別的量子邏輯門種類包括T 門、F 門、H 門、V門、V+門、P3 門、S 門、T 門以及T+門。T 類門可識(shí)別T1～T21 這21 種門，對(duì)應(yīng)的端口個(gè)數(shù)分別為1～21。F 類門可識(shí)別F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5 四種門，對(duì)應(yīng)的端口個(gè)數(shù)分別2個(gè)。

3.5使用JavaScript和JQuery根據(jù)TFV文件繪制電路圖的算法

程序在識(shí)別TFC文件時(shí)，獲取TFC文件的全部?jī)?nèi)容，使用JavaScript字符串處理函數(shù)分別得到v， i， o對(duì)應(yīng)的字符數(shù)組，T1，F(xiàn)3等不同的量子門類型對(duì)應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)不同的量子門類型逐步創(chuàng)建不同的SVG元素，設(shè)置其相應(yīng)的屬性，并添加至根元素SVG標(biāo)簽中，最終在Web端呈現(xiàn)。

首先，讀取TFC文件獲取.v對(duì)應(yīng)的字符數(shù)組，從而確定要繪制的量子矢量圖的行數(shù)，以及電路的輸入與輸出標(biāo)識(shí)，判斷begin和end之間門的數(shù)目，判斷門的類型，對(duì)應(yīng)繪制不同的門。

以圖5為例，讀取begin和end之g的內(nèi)容后，逐行繪制。繪制時(shí)根據(jù)每行對(duì)應(yīng)的參數(shù)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的SVG圖形，圖形的屬性則根據(jù)默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。因?yàn)橥ㄓ肨offoli 類規(guī)定最后一個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的是受控制端，其他均為控制端，所以受控制端對(duì)應(yīng)的SVG圓形圖案顏色為白色，并嵌入十字形圖案，而控制端對(duì)應(yīng)的SVG圓形圖案顏色為黑色。控制點(diǎn)半徑，受控點(diǎn)半徑，行間距，門間距等參數(shù)是默認(rèn)的，但并不是不變的，繪制完成后可以在屬性框中進(jìn)行更改。受控制點(diǎn)，控制點(diǎn)之間要有直線相連，直線的長(zhǎng)度由控制點(diǎn)和受控點(diǎn)的數(shù)量決定。根據(jù)begin和end之間的參數(shù)繪制完之后要繪制平行線，平行線的長(zhǎng)度由門類型的數(shù)量決定，繪制完的量子電路圖如圖6所示。

事件的委托：例如 onclick、onmouseover、onmouseout等即事件，委托即讓其他對(duì)象來(lái)完成原對(duì)象所需完成的實(shí)踐。委托能帶來(lái)性能上的優(yōu)勢(shì)，例如對(duì)html中每個(gè)需要添加事件的節(jié)點(diǎn)上添加一個(gè)或多個(gè)事件，click、mouseover等事件不僅會(huì)增加內(nèi)存，增加瀏覽器的負(fù)擔(dān)，還會(huì)降低程序運(yùn)行效率。如果將事件添加到body或者其他的標(biāo)簽上，利用冒泡的原理，body等標(biāo)簽也會(huì)接收到對(duì)應(yīng)的事件，再根據(jù)事件本身的參數(shù)即可進(jìn)行處理。SVG圖形事件的處理就是利用了這一特點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

平臺(tái)采用B/S兩層架構(gòu)，使用JavaScript、JQueryEasyUI、SVG等多種語(yǔ)言編寫。使用Web分布式技術(shù)及SVG 矢量圖的繪圖編程技術(shù)，在Web 平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)高清量子電路矢量圖的自動(dòng)生成及后期在線編輯操作功能；使用EasyUI、JQueryUI等JS框架實(shí)現(xiàn)功能豐富且美觀的用戶界面；基于云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理，多用戶間可協(xié)同編輯，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。平臺(tái)提供的服務(wù)適用于個(gè)人及團(tuán)隊(duì)工作者，其研發(fā)與實(shí)現(xiàn)能為相關(guān)人員繪制高質(zhì)量電路圖帶來(lái)了極大便利。

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篇（11）

量子計(jì)算機(jī)是大勢(shì)所趨

所謂量子計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用量子攜帶信息、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，遵循量子算法進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算的物理設(shè)備。我們熟知的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“心臟”依賴的是硅芯片，但是一個(gè)芯片的面積總是有限的。

硅晶體管作為在芯片上傳輸信息、處理信息的微型開(kāi)關(guān)，每年都在縮小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸縮小（現(xiàn)已達(dá)到納米級(jí)）將限制性能的提升。所以，對(duì)晶體管進(jìn)行傳統(tǒng)的尺寸的擴(kuò)展和收縮操作，不能再產(chǎn)生行業(yè)已經(jīng)習(xí)慣的更低功耗、更低成本、更高速度的處理器的效果。雖然英特爾的22納米處理器已經(jīng)面世，還計(jì)劃于2013年推出14納米處理器，對(duì)于10nm、7nm以及5nm的制程研發(fā)路線圖也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的負(fù)10次方米以下，就會(huì)明顯出現(xiàn)量子特性，所以大部分物理學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為，摩爾定律不可能無(wú)限維持。

為了突破這道瓶頸，

IBM一直致力于研發(fā)碳納米管芯片，其研究人員在一個(gè)硅芯片上放置了1萬(wàn)多個(gè)碳納米晶體管，從而能夠獲得比硅質(zhì)器件更快的運(yùn)行速度。IBM聲稱這一成果有望讓摩爾定律在下一個(gè)十年中繼續(xù)生效。但是，如何獲得高純度的碳、如何實(shí)現(xiàn)完美的制造工藝又是不可避免的問(wèn)題。

因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)是利用量子攜帶信息的，所以，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)面臨的挑戰(zhàn)恰恰是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在。量子計(jì)算機(jī)中的每個(gè)數(shù)據(jù)由不同粒子的量子狀態(tài)決定，根據(jù)量子力學(xué)原理，粒子的量子狀態(tài)是不同量子狀態(tài)的疊加。所以，量子計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)采用的量子比特在同一時(shí)間內(nèi)能夠呈現(xiàn)出多種狀態(tài)——既可以是1也可以是0，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在運(yùn)算中采用的傳統(tǒng)比特在特定時(shí)間內(nèi)只能代表一個(gè)狀態(tài)——1或者0。這就是量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最大的不同之處。由于量子疊加狀態(tài)的不確定性，量子計(jì)算可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算，它的潛在應(yīng)用包括搜索由非結(jié)構(gòu)化信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行任務(wù)最優(yōu)化和解決此前無(wú)法解答的數(shù)學(xué)問(wèn)題。所以，量子計(jì)算機(jī)是大勢(shì)所趨。

實(shí)現(xiàn)方案眾多

量子計(jì)算機(jī)以其獨(dú)特的運(yùn)算邏輯和強(qiáng)大的運(yùn)算性能吸引了無(wú)數(shù)研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行研究，也相繼取得了一些成果。量子計(jì)算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，所以研制量子計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵在于成功操控單個(gè)量子。相信大家一定對(duì)“薛定諤的貓”這一理論并不陌生，關(guān)在密閉籠子里的貓，由于量子狀態(tài)的不確定性，人們永遠(yuǎn)不知道它是活著還是死亡。所以，處于宏觀世界的我們?nèi)绾尾拍軌蛴行Р倏匚⒂^世界的粒子，是極大的難題。從理論上講，量子計(jì)算機(jī)有幾十種體系，從實(shí)驗(yàn)上也有十幾種實(shí)現(xiàn)方法。

阿羅什帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)利用微米量級(jí)的高反射光學(xué)微腔實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子輻射光子的操作；瓦恩蘭的團(tuán)隊(duì)則利用可結(jié)合激光冷卻技術(shù)，在離子阱中實(shí)現(xiàn)了單個(gè)離子的囚禁；IBM的托馬斯·沃森研究中心組建了一支龐大的研究團(tuán)隊(duì)，依賴耶魯大學(xué)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校過(guò)去幾年在量子計(jì)算領(lǐng)域取得的進(jìn)展，意欲基于微電子制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算；美國(guó)普林斯頓大學(xué)物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的科學(xué)家利用電子的自旋特性，尋找到了操控電子的方法；利用聲波和超導(dǎo)材料，也可以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的拓展；總部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的鈮金屬（元素符號(hào)Nb，一種類似于銀，柔軟的、可延展的金屬）材料，在低溫下呈超導(dǎo)態(tài)，其中的電流有順時(shí)針、逆時(shí)針以及順逆同時(shí)存在的混合狀態(tài)，而這正可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。

眾多方法中，最值得一提的便是阿羅什和瓦恩蘭的做法。阿羅什構(gòu)造了一個(gè)腔，把單個(gè)光子囚禁在光腔里，實(shí)現(xiàn)量子的操控，再往腔里放入單個(gè)原子，使原子和光子相互作用，通過(guò)腔的損耗來(lái)調(diào)控它們的狀態(tài)。瓦恩蘭捕獲離子的方法，是用一系列電極營(yíng)造出一個(gè)電場(chǎng)囚籠，離子如被裝進(jìn)碗里的玻璃球，而后，用激光將離子冷卻，最終，最冷的一個(gè)離子安靜地待在碗底。他們獨(dú)立發(fā)明并優(yōu)化了測(cè)量與操作單個(gè)粒子的實(shí)驗(yàn)方法，而且單個(gè)粒子在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還能保持量子的物理性質(zhì)。

中國(guó)科學(xué)院院士郭光燦這樣評(píng)價(jià)阿羅什和瓦恩蘭的成就：量子計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)超過(guò)當(dāng)初的技術(shù)，但是起點(diǎn)是他們。我們現(xiàn)在關(guān)注的不是單個(gè)離子，而是多個(gè)離子的糾纏，比如兩個(gè)腔怎么連在一起，這是將來(lái)要做的，此外，還會(huì)有各種各樣的腔，比如光學(xué)腔、物體腔和超導(dǎo)腔等。現(xiàn)在做量子計(jì)算機(jī)，實(shí)際上就是做芯片，把很多離子糾纏在一起，分到各個(gè)區(qū)里面，如果這一步能實(shí)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)有希望在這方面實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破。

過(guò)程艱難 但前景樂(lè)觀

自“量子計(jì)算機(jī)”的概念提出到現(xiàn)在的30年間，科學(xué)家們紛紛涉足，不管是在理論方面，還是實(shí)踐方面，都取得了一些不可忽視的成就。

近幾年來(lái)，量子計(jì)算機(jī)的領(lǐng)域更是全面開(kāi)花，量子計(jì)算機(jī)不再是人們“只聞其名，不見(jiàn)其形”的概念型產(chǎn)品。英國(guó)布里斯托爾大學(xué)等機(jī)構(gòu)以?shī)W布賴恩為領(lǐng)導(dǎo)的研究人員更是在新一期美國(guó)《科學(xué)》雜志上宣布，成功研發(fā)出一種可用于量子計(jì)算的硅芯片。奧布賴恩表示，利用這種芯片技術(shù)，10年內(nèi)可能就會(huì)研制出超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。

想要研制出實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，需要面臨科學(xué)技術(shù)方面的多重挑戰(zhàn)，其中最主要的兩大障礙就是：如何讓粒子長(zhǎng)時(shí)間保持量子狀態(tài)，即保持相干性；如何讓盡量多的粒子實(shí)現(xiàn)共同計(jì)算，即實(shí)現(xiàn)量子糾纏。阿羅什和瓦恩蘭給出的實(shí)驗(yàn)方法均成功地打破了這些障礙，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)性的突破。近幾年來(lái)，研究人員以他們的研究成果為出發(fā)點(diǎn)，不斷探索，取得了快速進(jìn)展，可謂前景樂(lè)觀。

需要注意的是，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)會(huì)將網(wǎng)絡(luò)安全置于非常危險(xiǎn)的境地，給現(xiàn)有的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)體系以及國(guó)防帶來(lái)潛在威脅。目前大部分的網(wǎng)絡(luò)保密是使用“RSA公開(kāi)碼”的密碼技術(shù)。想要破譯這種密碼，就要對(duì)大數(shù)分解質(zhì)因子，這是極其困難的。按照現(xiàn)有的理論計(jì)算，分解一個(gè)400位數(shù)的質(zhì)因子，用目前最先進(jìn)的巨型計(jì)算機(jī)也需要用10億年的時(shí)間，而人類的歷史才不過(guò)幾百萬(wàn)年。然而，量子計(jì)算機(jī)能夠借助其強(qiáng)大的運(yùn)算功能瞬間完成密碼破譯，這嚴(yán)重動(dòng)搖了RSA公共碼的安全性。

目前，量子計(jì)算機(jī)給人們的印象不過(guò)類似于一個(gè)玩具，娛樂(lè)價(jià)值似乎更高一些，但是在不久的將來(lái)，它一定能夠引領(lǐng)計(jì)算機(jī)世界的潮流。

相關(guān)鏈接

量子計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史

1982年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）提出“量子計(jì)算機(jī)”的概念。

1985年，英國(guó)牛津大學(xué)的D. Deutsch進(jìn)一步闡述了量子計(jì)算機(jī)的概念，并且證明了量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典圖靈計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)大的功能。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計(jì)算機(jī)能夠完成對(duì)數(shù)運(yùn)算，而且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

2005年，世界第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在美國(guó)誕生，它基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

2009年，世界第一臺(tái)通用編程量子計(jì)算機(jī)在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院誕生。

2010年1月，美國(guó)哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。