量子力学和计算机的关系范文第1篇

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

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

“杞人忧天”的物理学家们与量子计算机的诞生

量子计算机的诞生和著名的摩尔定律有关，还和“杞人忧天”的物理学家们有关。

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

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

之所以提出这个问题，是因为摩尔定律的技术基础天然地受到两个主要物理限制。

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

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

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

这两个限制就是物理学家们预言摩尔定律会终结的理由所在。

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

这就导致了量子计算概念的诞生。

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

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

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

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

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

量子计算机虽然好，研制起来却非常难

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

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

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

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

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

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

把量子计算机从“垃圾桶”捡回来的量子编码与容错编码

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

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

量子编码的发现等于把量子计算机从“垃圾桶”里又捡回来了。

采用起码5个量子比特编码成1个逻辑比特，可以纠正消相干引起的所有错误。

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

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

这个阈值具体是多大呢？

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

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

所以，我们的目标就是研制大规模具有容错能力的通用量子计算机。

量子计算机的“量子芯”

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

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

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

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

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

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

超导量子芯片要比半导体量子芯片发展得更快。

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

超导量子计算在某些指标上有更好的表现，比如：

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

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

3.已经实现9个量子比特的可控耦合。

4.在量子非破坏性测量中，达到单发测量的精度。

5.在量子存储方面，实现超高品质因子谐振腔。

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

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

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

整体来看，量子计算现在正处于“从晶体管向集成电路过渡阶段”。

尚未研制成功的量子计算机，我们仍有机会！

很多人都问，实际可用的量子计算机究竟什么时候能做出来？

中国和欧洲估计需要15年，美国可能会更快，美国目前的发展确实也更快。

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

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

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

量子力学和计算机的关系范文第2篇

关键词:计算科学 计算工具 图灵模型 量子计算

1 计算的本质

抽象地说， 所谓计算， 就是从一个符号串f 变换成另一个符号串g 。比如说， 从符号串1 2 + 3 变换成1 5 就是一个加法计算。如果符号串f 是x2，而符号串g 是2x，从f 到g 的计算就是微分。定理证明也是如此， 令f 表示一组公理和推导规则， 令g 是一个定理， 那么从f 到g 的一系列变换就是定理g的证明。从这个角度看， 文字翻译也是计算， 如f 代表一个英文句子， 而g 为含意相同的中文句子， 那么从f 到g 就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点？为什么把它们都叫做计算？因为它们都是从己知符号( 串) 开始， 一步一步地改变符号( 串) ， 经过有限步骤， 最后得到一个满足预先规定的符号( 串) 的变换过程。

从类型上讲， 计算主要有两大类: 数值计算和符号推导。数值计算包括实数和函数的加减乘除、幂运算、开方运算、方程的求解等。符号推导包括代数与各种函数的恒等式、不等式的证明， 几何命题的证明等。但无论是数值计算还是符号推导，它们在本质上是等价的、一致的， 即二者是密切关联的， 可以相互转化， 具有共同的计算本质。随着数学的不断发展， 还可能出现新的计算类型。

2 远古的计算工具

人们从开始产生计算之日， 便不断寻求能方便进行和加速计算的工具。因此，计算和计算工具是息息相关的。

早在公元前5 世纪， 中国人已开始用算筹作为计算工具， 并在公元前3 世纪得到普遍的采用， 一直沿用了二千年。后来， 人们发明了算盘， 并在15 世纪得到普遍采用， 取代了算筹。它是在算筹基础上发明的， 比算筹更加方便实用， 同时还把算法口诀化，从而加快了计算速度。

3 近代计算系统

近代的科学发展促进了计算工具的发展: 在1 6 1 4 年， 对数被发明以后， 乘除运算可以化为加减运算， 对数计算尺便是依据这一特点来设计。1 6 2 0 年， 冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1 8 5 0 年， 曼南在计算尺上装上光标， 因此而受到当时科学工作者， 特别是工程技术人员广泛采用。机械式计算器是与计算尺同时出现的， 是计算工具上的一大发明。帕斯卡于1642 年发明了帕斯卡加法器。在1671 年，莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算器， 是长1 米的大盒子。自此以后， 经过人们在这方面多年的研究， 特别是经过托马斯、奥德内尔等人的改良后， 出现了多种多样的手摇计算器， 并风行全世界。

4 电动计算机

英国的巴贝奇于1 8 3 4 年， 设计了一部完全程序控制的分析机， 可惜碍于当时的机械技术限制而没有制成， 但已包含了现代计算的基本思想和主要的组成部分了。此后， 由于电力技术有了很大的发展，电动式计算器便慢慢取代以人工为动力的计算器。1 9 4 1 年， 德国的楚泽采用了继电器， 制成了第一部过程控制计算器， 实现了1 0 0 多年前巴贝奇的理想。

5 电子计算机

2 0 世纪初， 电子管的出现， 使计算器的改革有了新的发展， 美国宾夕法尼亚大学和有关单位在1 9 4 6 年制成了第一台电子计算机。电子计算机的出现和发展， 使人类进入了一个全新的时代。它是2 0 世纪最伟大的发明之一， 也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。

在电子计算机和信息技术高速发展过程中， 因特尔公司的创始人之一戈登·摩尔(GodonMoore)对电子计算机产业所依赖的半导体技术的发展作出预言: 半导体芯片的集成度将每两年翻一番。事实证明，自2 0 世纪6 0 年代以后的数十年内， 芯片的集成度和电子计算机的计算速度实际是每十八个月就翻一番， 而价格却随之降低一倍。这种奇迹般的发展速度被公认为“摩尔定律”。

6 “摩尔定律”与“计算的极限”

人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升? 传统计算机计算能力的提高有没有极限? 对此问题， 学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高， 最终地球上所有的能量将转换为计算的结果——造成熵的降低， 这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的， 因此， 传统电子计算机的计算能力必有上限。

而以IBM 研究中心朗道(R.Landauer)为代表的理论科学家认为到2 1 世纪3 0 年代， 芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度( 1纳米= 1 0 - 9 米) ， 此时， 导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律——牛顿力学沿导线运行， 而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象， 从而导致芯片无法正常工作; 同样， 芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸( 约5 纳米) 后， 晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。

哲学家和科学家对此问题的看法十分一致: 摩尔定律不久将不再适用。也就是说， 电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在2 1 世纪前3 0 年内终止。著名科学家， 哈佛大学终身教授威尔逊(EdwardO.Wilson)指出: “科学代表着一个时代最为大胆的猜想( 形而上学) 。它纯粹是人为的。但我们相信， 通过追寻“梦想—发现—解释—梦想”的不断循环， 我们可以开拓一个个新领域， 世界最终会变得越来越清晰， 我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的

7 量子计算系统

量子计算最初思想的提出可以追溯到20 世纪80 年代。物理学家费曼RichardP.Feynman 曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例，在干涉过程中， 相互作用的光子每增加一个， 有可能发生的情况就会多出一倍， 也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了， 不过， 在费曼眼里， 这却恰恰提供一个契机。因为另一方面， 量子力学系统的行为也具有良好的可预测性: 在干涉实验中， 只要给定初始条件， 就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断认为如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算， 那么搭建这样一个实验， 测量其结果， 就恰好相当于完成了一个复杂的计算。因此， 只要在计算机运行的过程中， 允许它在真实的量子力学对象上完成实验， 并把实验结果整合到计算中去， 就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。

在费曼设想的启发下， 1 9 8 5 年英国牛津大学教授多伊奇DavidDeutsch 提出是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇——图灵论题。费曼指出使用量子计算机时，不需要考虑计算是如何实现的， 即把计算看作由“神谕”来实现的: 这类计算在量子计算中被称为“神谕”(Oracle)。种种迹象表明: 量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强， 例如，现代信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数( 如1 0 2 4 位的十进制数) 分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”， 困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。目前， 就是将全世界的所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1 0 2 4 位整数的质因子分解问题， 大约需要2 8 万年， 这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且， 分解的难度随着整数位数的增多指数级增大， 也就是说如果要分解2 0 4 6 位的整数， 所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机， 我们只需要大约4 0 分钟的时间就可以分解1024 位的整数了。

8 量子计算中的神谕

人类的计算工具， 从木棍、石头到算盘， 经过电子管计算机， 晶体管计算机， 到现在的电子计算机， 再到量子计算。笔者发现这其中的过程让人思考: 首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算， 随后， 人们发明了算盘， 来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”， 机器也可以用来搬动“算珠”， 而且效率更高， 速度更快。随后， 人们用继电器替代了纯机械， 最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时，数学家们开始对计算的本质展开了研究，图灵机模型告诉了人们答案。

量子计算的出现， 则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说。这是一种革命性的思考与解决问题的方式。

因为在此之前， 所有计算均是模拟一个快速的“算盘”， 即使是最先进的电子计算机的CPU 内部，64 位的寄存器(register)，也是等价于一个有着6 4 根轴的二进制算盘。量子计算则完全不同， 对于量子计算的核心部件， 类似于古代希腊中的“ 神谕”， 没有人弄清楚神谕内部的机理， 却对“神谕”内部产生的结果深信不疑。人们可以把它当作一个黑盒子， 人们通过输入， 可以得到输出， 但是对于黑盒子内部发生了什么和为什么这样发生确并不知道。

9 “神谕”的挑战与人类自身的回应人类的思考能力， 随着计算工具的不断进化而不断加强。电子计算机和互联网的出现， 大大加强了人类整体的科研能力，那么， 量子计算系统的产生， 会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力， 并最终解决困扰当今时代的量子“神谕”。不仅如此， 量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质， 把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。

如果观察历史， 会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“ 公理”， 人们的公理系统在不断的增大， 随着该系统的不断增大， 人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律:

“ 计算工具不断发展— 整体思维能力的不断增强—公理系统的不断扩大—旧的神谕被解决—新的神谕不断产生”不断循环。

无论量子计算的本质是否被发现， 也不会妨碍量子计算时代的到来。量子计算是计算科学本身的一次新的革命， 也许许多困扰人类的问题， 将会随着量子计算机工具的发展而得到解决， 它将“计算科学”从牛顿时代引向量子时代， 并会给人类文明带来更加深刻的影响。

参考文献

[1] M.A.NielsenandI.L.Chuang，QuantumComputation and Quantum Information[M].Cambridge University Press，2000.

量子力学和计算机的关系范文第3篇

关键词:计算 科学 计算工具 图灵模型 量子计算

1 计算的本质

抽象地说, 所谓计算, 就是从一个符号串f 变换成另一个符号串g 。比如说, 从符号串1 2 + 3 变换成1 5 就是一个加法计算。如果符号串f 是x2,而符号串g 是2x,从f 到g 的计算就是微分。定理证明也是如此, 令f 表示一组公理和推导规则, 令g 是一个定理, 那么从f 到g 的一系列变换就是定理g的证明。从这个角度看, 文字翻译也是计算, 如f 代表一个 英文 句子, 而g 为含意相同的中文句子, 那么从f 到g 就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点？为什么把它们都叫做计算？因为它们都是从己知符号( 串) 开始, 一步一步地改变符号( 串) , 经过有限步骤, 最后得到一个满足预先规定的符号( 串) 的变换过程。

从类型上讲, 计算主要有两大类: 数值计算和符号推导。数值计算包括实数和函数的加减乘除、幂运算、开方运算、方程的求解等。符号推导包括代数与各种函数的恒等式、不等式的证明, 几何命题的证明等。wwW.133229.cOM但无论是数值计算还是符号推导,它们在本质上是等价的、一致的, 即二者是密切关联的, 可以相互转化, 具有共同的计算本质。随着数学的不断发展, 还可能出现新的计算类型。

2 远古的计算工具

人们从开始产生计算之日, 便不断寻求能方便进行和加速计算的工具。因此,计算和计算工具是息息相关的。

早在公元前5 世纪, 中国 人已开始用算筹作为计算工具, 并在公元前3 世纪得到普遍的采用, 一直沿用了二千年。后来, 人们发明了算盘, 并在15 世纪得到普遍采用, 取代了算筹。它是在算筹基础上发明的, 比算筹更加方便实用, 同时还把算法口诀化,从而加快了计算速度。

3 近代计算系统

近代的科学发展促进了计算工具的发展: 在1 6 1 4 年, 对数被发明以后, 乘除运算可以化为加减运算, 对数计算尺便是依据这一特点来设计。1 6 2 0 年, 冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1 8 5 0 年, 曼南在计算尺上装上光标, 因此而受到当时科学工作者, 特别是工程技术人员广泛采用。机械式计算器是与计算尺同时出现的, 是计算工具上的一大发明。帕斯卡于1642 年发明了帕斯卡加法器。在1671 年,莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算器, 是长1 米的大盒子。自此以后, 经过人们在这方面多年的研究, 特别是经过托马斯、奥德内尔等人的改良后, 出现了多种多样的手摇计算器, 并风行全世界。

4 电动计算机

英国的巴贝奇于1 8 3 4 年, 设计了一部完全程序控制的分析机, 可惜碍于当时的机械技术限制而没有制成, 但已包含了 现代 计算的基本思想和主要的组成部分了。此后, 由于电力技术有了很大的发展,电动式计算器便慢慢取代以人工为动力的计算器。1 9 4 1 年, 德国的楚泽采用了继电器, 制成了第一部过程控制计算器, 实现了1 0 0 多年前巴贝奇的理想。

5 电子 计算机

2 0 世纪初, 电子管的出现, 使计算器的改革有了新的发展, 美国宾夕法尼亚大学和有关单位在1 9 4 6 年制成了第一台电子计算机。电子计算机的出现和发展, 使人类进入了一个全新的时代。它是2 0 世纪最伟大的发明之一, 也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。

在电子计算机和信息技术高速发展过程中, 因特尔公司的创始人之一戈登·摩尔(godonmoore)对电子计算机产业所依赖的半导体技术的发展作出预言: 半导体芯片的集成度将每两年翻一番。事实证明,自2 0 世纪6 0 年代以后的数十年内, 芯片的集成度和电子计算机的计算速度实际是每十八个月就翻一番, 而价格却随之降低一倍。这种奇迹般的发展速度被公认为“摩尔定律”。

6 “摩尔定律”与“ 计算 的极限”

人类是否可以将 电子 计算机的运算速度永无止境地提升? 传统计算机计算能力的提高有没有极限? 对此问题, 学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高, 最终地球上所有的能量将转换为计算的结果——造成熵的降低, 这种向低熵方向无限 发展 的运动被 哲学 界认为是禁止的, 因此, 传统电子计算机的计算能力必有上限。

而以ibm 研究中心朗道(r.landauer)为代表的理论 科学 家认为到2 1 世纪3 0 年代, 芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度( 1纳米= 1 0 - 9 米) , 此时, 导线内运动的电子将不再遵循经典物理 规律 ——牛顿力学沿导线运行, 而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象, 从而导致芯片无法正常工作; 同样, 芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸( 约5 纳米) 后, 晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。

哲学家和科学家对此问题的看法十分一致: 摩尔定律不久将不再适用。也就是说, 电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在2 1 世纪前3 0 年内终止。著名科学家, 哈佛大学终身教授威尔逊(edwardo.wilson)指出: “科学代表着一个时代最为大胆的猜想( 形而上学) 。它纯粹是人为的。但我们相信, 通过追寻“梦想—发现—解释—梦想”的不断循环, 我们可以开拓一个个新领域, 世界最终会变得越来越清晰, 我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的

7 量子计算系统

量子计算最初思想的提出可以追溯到20 世纪80 年代。物 理学 家费曼richardp.feynman 曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例,在干涉过程中, 相互作用的光子每增加一个, 有可能发生的情况就会多出一倍, 也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了, 不过, 在费曼眼里, 这却恰恰提供一个契机。因为另一方面, 量子力学系统的行为也具有良好的可预测性: 在干涉实验中, 只要给定初始条件, 就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断认为如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算, 那么搭建这样一个实验, 测量其结果, 就恰好相当于完成了一个复杂的计算。因此, 只要在计算机运行的过程中, 允许它在真实的量子力学对象上完成实验, 并把实验结果整合到计算中去, 就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。

在费曼设想的启发下, 1 9 8 5 年英国牛津大学教授多伊奇daviddeutsch 提出是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇——图灵论题。费曼指出使用量子计算机时,不需要考虑计算是如何实现的, 即把计算看作由“神谕”来实现的: 这类计算在量子计算中被称为“神谕”(oracle)。种种迹象表明: 量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强, 例如, 现代 信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数( 如1 0 2 4 位的十进制数) 分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”, 困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。目前, 就是将全世界的所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1 0 2 4 位整数的质因子分解问题, 大约需要2 8 万年, 这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且, 分解的难度随着整数位数的增多指数级增大, 也就是说如果要分解2 0 4 6 位的整数, 所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机, 我们只需要大约4 0 分钟的时间就可以分解1024 位的整数了。

8 量子计算中的神谕

人类的计算工具, 从木棍、石头到算盘, 经过电子管计算机, 晶体管计算机, 到现在的电子计算机, 再到量子计算。笔者发现这其中的过程让人思考: 首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算, 随后, 人们发明了算盘, 来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”, 机器也可以用来搬动“算珠”, 而且效率更高, 速度更快。随后, 人们用继电器替代了纯机械, 最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时,数学家们开始对计算的本质展开了研究,图灵机模型告诉了人们答案。

量子 计算 的出现, 则彻底打破了这种认识与创新 规律 。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说。这是一种革命性的思考与解决问题的方式。

因为在此之前, 所有计算均是模拟一个快速的“算盘”, 即使是最先进的 电子 计算机的cpu 内部,64 位的寄存器(register),也是等价于一个有着6 4 根轴的二进制算盘。量子计算则完全不同, 对于量子计算的核心部件, 类似于古代希腊中的“ 神谕”, 没有人弄清楚神谕内部的机理, 却对“神谕”内部产生的结果深信不疑。人们可以把它当作一个黑盒子, 人们通过输入, 可以得到输出, 但是对于黑盒子内部发生了什么和为什么这样发生确并不知道。

9 “神谕”的挑战与人类自身的回应人类的思考能力, 随着计算工具的不断进化而不断加强。电子计算机和互联网的出现, 大大加强了人类整体的科研能力,那么, 量子计算系统的产生, 会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力, 并最终解决困扰当今时代的量子“神谕”。不仅如此, 量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质, 把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。

如果观察 历史 , 会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“ 公理”, 人们的公理系统在不断的增大, 随着该系统的不断增大, 人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律:

“ 计算工具不断 发展 — 整体思维能力的不断增强—公理系统的不断扩大—旧的神谕被解决—新的神谕不断产生”不断循环。

无论量子计算的本质是否被发现, 也不会妨碍量子计算时代的到来。量子计算是计算 科学 本身的一次新的革命, 也许许多困扰人类的问题, 将会随着量子计算机工具的发展而得到解决, 它将“计算科学”从牛顿时代引向量子时代, 并会给人类文明带来更加深刻的影响。

参考 文献

[1] m.a.nielsenandi.l.chuang,quantumcomputation and quantum information[m].cambridge university press,2000.

量子力学和计算机的关系范文第4篇

物理学作为一门基础学科，一直是我们高中生（特别是理科生）学习的重点。但很多同学在接触物理过程中，认为学物理是无用的，因为其好像对我们的个人生活并没有什么实际性的帮助，反而因为难度较高造成了很大的学习压力，殊不知计算机与物理学存在着不能割裂的联系，已成为我们生活中不可缺少的一部分。

一、计算机发明的背景及其发展历程

物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及计算机所使用的实验手段和思维方法的自然科学，它是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性的总结的一门学科。物理学的影响深远，这是因为物理学的突破时常会造成新科技的出现，物理学的新点子很容易在其它学术领域产生共鸣。例如，在电磁学上的进展，直接地导致了发电机的产生，使电力的大规模生产与传输成为现实，大幅度地提升了整个社会的生活水平。计算机这一伟大发明就是在人类不断的认识世界，发现自然界规律的的背景下产生的。

自1946年第一台计算机发明以来，计算机虽然只经过了几十年的发展，但计算机已经经历了占地面积大、速度慢、储存量小，主要用于数据计算的第一代计算机――电子管计算机；以磁芯或磁鼓作存储器，开始用于数据处理和过程控制的第二代计算机――晶体管计算机；主存储器渐渐过渡到半导体存储器并且主要部件变成中小规模集成电路的第三代计算机――中小规模集成电路计算机；体积缩小、性能提高、集成更高的并开始广泛用于各种领域的第四代计算机――大规模和超规模集成电路计算机。现在，人类已经迎来了计算机、网络、通信技术三位一体的具有人工智能的第五代计算机时代，可以说，在计算机发展的每一个阶段，物理学都留下了不可磨灭的印记。

二、物理学对计算机发展的影响

1.第二次科技革命中最具代表性的即是奥斯特的“电磁感应”现象的发现，该发现为发电机和电动机的制造创造了可能性，之后法拉第的“电磁感应定律”更是为发电机的发明和投入使用奠定了坚实的基础，使人类迎来了区别于以往的新能源。同时从电磁感应实验以及应用物理理论研究到电气化时代的到来，电力成为了新型主要的能源，电力设备也逐渐的发展起来[1]，计算机就是在电力的支撑下才有了发展的可能。计算机等电力设备产生的前提是电力的存在，并且它们赖以工作的前提也是充沛的电力，可以说，计算机赖以存在的首要前提便是物理学中电力的发现。

2.现今，如果问影响人类最广泛的计算机功能是什么？很多人会毫不犹豫的选择网络。网络不仅拉近了人与人之间的联系，而且因为资源的共享使生活更加便捷、工作更加科学。那究竟网络是怎样实现的，它又与物理学有那些联系呢？网络就是通过线路互连起来的、资质的计算机集合，确切的说就是将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件，以实现计算机资源共享的系统。网络传输需要介质，网络常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输媒介等，这其中无论是金属导体还是光纤导体，都离不开其物理性能的开发，其本身存在的物理性能是支撑网络传输的基础。并且随着计算机制造业的大力发展，更是将计算机网络硬件的可靠性及性价比推向一个新的高峰[2]，这种现状下计算机硬件的改革与创新也不断开展，物理作为支撑硬件发展的物质和性能基础任务还很巨大。

量子力学和计算机的关系范文第5篇

一、提高思想认识，增强计算机审计新理念，解决计算机审计工作开展难的问题

目前基层审计机关还没有完全从传统的审计观念、方式和方法中解脱出来，很多审计人员还停留在传统的审计方法和模式上，不能适应信息技术发展的要求。有些单位审计人员年龄偏大，人员知识结构不合理，存在畏难情绪，一时难以适应计算机审计。这些束缚了计算机审计的发展和应用，致使计算机审计工作开展难。因此，基层审计人员首先要增强计算机审计的新理念，充分认识计算机审计是现代审计发展的必然要求。其实计算机技术并非神秘的技术，从我们已经使用的现场审计实施(AO)系统看，能够较好地解决非计算机专业人员进行计算机审计的问题，只需学习一些基本的操作即可实现初步的计算机审计。此外，计算机审计的工具很多，审计人员利用熟悉的EXCEL、ACCESS等软件也能处理数据，实现部分审计目标。因此，基层审计人员要克服畏难思想，从小项目、小数据入手，以熟悉的软件和工具为起点，逐渐学习和掌握新工具、新技术，逐步适应新形势下计算机审计发展的要求。

二、领导高度重视，加大经费投入力度，解决计算机审计硬件保障难的问题

开展计算机审计，不能没有计算机。但目前大多基层审计机关的网络建设、硬件配置低，且计算机（包括电脑笔记本）配置数量少，不能满足计算机审计的基本要求，对此，各级审计机关应高度重视。此外，作为审计机关“一把手”，要积极采取措施，集中精力抓好计算机审计硬件投入保障工作。一是争取地方政府领导多给基层审计机关有力的关怀和政策倾斜，为审计机关开展计算机审计工作营造良好的外部环境。二是争取地方财政支持，对基层审计机关建立经费（包括专项经费）预算和拨付制度，使审计经费制度化、规范化、刚性化，增强保障能力；三是争取上级审计机关加大对基层审计机关的支持力度，特别是加大对贫困地区的支持，包括技术支持，提高保障水平；四是基层审计机关自身也应多方筹措资金，压缩机关其他经费开支，弥补计算机经费投入不足的问题，从机关制度设置上不断完善开展计算机审计的投入保障机制，确保基层审计机关经费保障和硬件设施再上新台阶。

三、选准审计项目，科学确定方式方法，解决计算机审计业务推进难的问题

一是对于才起步开展计算机审计业务的基层审计机关，可以结合机关实际，选准有操作能力的项目开展计算机审计，在不断总结经验的基础上逐步推开。这就要求在年初确定审计项目、任务安排时要和计算机审计工作实际相结合。每次安排审计项目任务，都应针对推进计算机技术应用提出具体的要求。二是针对基层审计特点，制定科学的审计操作程序，对一般项目实施简易操作程序。简易程序可以只保留审计通知书、承诺书、审计证明材料、审计报告、审计决定书所对应的审计程序。三是要进行充分的审前调查，了解被审计单位的信息化建设程度、采用的管理（财务）系统、相关的数据备份方法和数据结构等方面的内容，有范围、有目标的获取被审计单位的电子数据，充分发挥AO系统在数据转换和重建电子账中的作用。对于信息化程度不高，以手工或普通文件形式管理数据的单位，要继续保留手工审计，也可利用EXCEL等软件对被审计单位的少量数据进行处理。对于电算化和手工账并行的单位，采取计算机审计和传统手工审计相结合的方法，一方面利用AO系统工具取得并处理被审计单位系统性的电子数据，另一方面还要以手工审计的方法，对非系统性的电子数据和手工纸质数据进行审计。四是充分运用AO系统，检查电子数据，灵活运用工具软件，实现审计目标。通过AO系统提供的科目浏览、查询、分析等功能，结合审计经验和职业判断，快速确定审计重点、实现审计目标。要根据实际情况灵活运用各种计算机工具。如：有的数据用EXCEL等软件进行初步处理就能实现审计目标；ACCESS操作起来比SQL Server更简便、直观，只要数据量不大，可以直接利用ACCESS处理，再导入到AO系统中生成中间表和电子账。

四、加强学习培训，建立激励竞争机制，解决计算机技术应用水平提高难的问题