量子計(jì)算的發(fā)展精選(九篇)

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第1篇：量子計(jì)算的發(fā)展范文

關(guān)鍵詞 量子物理；現(xiàn)代信息技術(shù)；關(guān)系；原理應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：O41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人們認(rèn)識(shí)微觀(guān)世界結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，它的建立帶來(lái)了一系列重大的技術(shù)應(yīng)用，使社會(huì)生產(chǎn)和生活發(fā)生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發(fā)揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術(shù)已成為當(dāng)前各國(guó)研究與發(fā)展的重要科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

隨著世界電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限，同時(shí)信息安全、隱私問(wèn)題等越來(lái)越突出。2013年5月美國(guó)“棱鏡門(mén)”事件的爆發(fā)，引發(fā)了對(duì)保護(hù)信息安全的高度重視，將成為推動(dòng)量子物理科學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的交融和相互促進(jìn)發(fā)展的契機(jī)。因此，充分認(rèn)識(shí)量子物理學(xué)的基本原理在現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)展的基礎(chǔ)地位與作用，是促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的前提，也是豐富和發(fā)展量子物理學(xué)的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理。在量子力學(xué)中，任何兩組不可同時(shí)測(cè)量的物理量是共扼的，滿(mǎn)足互補(bǔ)性。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)其中一組量的精確測(cè)量必然導(dǎo)致另一組量的完全不確定，只能精確測(cè)定兩者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力學(xué)中，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)各未知量子態(tài)的精確復(fù)制，因?yàn)橐獜?fù)制單個(gè)量子就只能先作測(cè)量，而測(cè)量必然改變量子的狀態(tài)，無(wú)法獲得與初始量子態(tài)完全相同的復(fù)制態(tài)。

3）態(tài)疊加原理。若量子力學(xué)系統(tǒng)可能處于和描述的態(tài)中，那么態(tài)中的線(xiàn)性疊加態(tài)也是系統(tǒng)的一個(gè)可能態(tài)。如果一個(gè)量子事件能夠用兩個(gè)或更多可分離的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么系統(tǒng)的態(tài)就是每一可能方式的同時(shí)迭加。

4）量子糾纏原理。是指微觀(guān)世界里，有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀(guān)粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子狀態(tài)隨即發(fā)生相應(yīng)變化。換言之，存在糾纏關(guān)系的粒子無(wú)論何時(shí)何地，都能“感應(yīng)”對(duì)方狀態(tài)的變化。

2 量子物理與現(xiàn)代信息技術(shù)的關(guān)系

2.1 量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

物理學(xué)一直是整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學(xué)科并成為整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，成為推動(dòng)整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最主要的動(dòng)力和源泉。量子力學(xué)是20世紀(jì)初期為了解決物理上的一些疑難問(wèn)題而建立起來(lái)的一種理論，它不僅解釋了微觀(guān)世界里的許多現(xiàn)象、經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，而且還開(kāi)拓了一系列新的技術(shù)領(lǐng)域，直接導(dǎo)致了原子能、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、激光、計(jì)算機(jī)、光通訊等一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展?？梢哉f(shuō)，從電話(huà)的發(fā)明到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信，從晶體管的發(fā)明到高速計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，量子物理開(kāi)辟了一種全新的信息技術(shù)，使人類(lèi)進(jìn)人信息化的新時(shí)代，因此，量子物理學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的主要源泉，而且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，量子物理學(xué)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用將更加顯著和重要。

2.2 量子物理為現(xiàn)代信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法

現(xiàn)代信息技術(shù)本質(zhì)上是應(yīng)用了量子力學(xué)基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限。因此，現(xiàn)代信息技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學(xué)作為原子層次的動(dòng)力學(xué)理論，經(jīng)過(guò)飛速發(fā)展，已向其他自然科學(xué)的各學(xué)科領(lǐng)域以及高新技術(shù)全面地延伸，量子信息技術(shù)就是量子物理學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的新興學(xué)科，它為信息科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了新的原理和方法，使信息技術(shù)獲得了活力與新特性，量子信息技術(shù)也成為當(dāng)今世界各國(guó)研究發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。因此，未來(lái)的信息技術(shù)將是應(yīng)用到諸如量子態(tài)、相位、強(qiáng)關(guān)聯(lián)等深層次量子特性的量子調(diào)控技術(shù)，充分利用量子物理的新性質(zhì)開(kāi)發(fā)新的信息功能，突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限。

2.3 現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)量子物理學(xué)發(fā)展的影響

量子信息技術(shù)應(yīng)用量子力學(xué)原理和方法來(lái)研究信息科學(xué)，從而開(kāi)發(fā)出現(xiàn)經(jīng)典信息無(wú)法做到的新信息功能，反過(guò)來(lái)，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展大大地豐富了量子物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容，也將不斷地影響量子物理學(xué)的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發(fā)展階段，使人類(lèi)對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更深刻、更本質(zhì)。近年來(lái)，隨著量子信息技術(shù)領(lǐng)域研究的不斷深入，量子信息技術(shù)的發(fā)展也使量子物理學(xué)研究取得了不少成果，如量子關(guān)聯(lián)、基于熵的不確定關(guān)系、量子開(kāi)放系統(tǒng)環(huán)境的控制等問(wèn)題研究取得了巨大進(jìn)展。

3 基于量子物理學(xué)原理的量子信息技術(shù)

基于量子物理原理和方法的量子信息技術(shù)成為21世紀(jì)信息技術(shù)發(fā)展的方向，也是引領(lǐng)未來(lái)科技發(fā)展的重要領(lǐng)域。當(dāng)前量子物理學(xué)的基本原理已經(jīng)在量子密碼術(shù)、量子通信、量子計(jì)算機(jī)等方面得到充分的理論論證和一定的實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 量子計(jì)算機(jī)——量子疊加原理

經(jīng)典計(jì)算機(jī)建立在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上，遵循普通物理學(xué)電學(xué)原理的邏輯計(jì)算方式，即用電位高低表示0和1以進(jìn)行運(yùn)算，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能靠以縮小芯片布線(xiàn)間距，加大其單位面積上的數(shù)據(jù)處理量來(lái)提高運(yùn)算速度。而量子計(jì)算遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息。計(jì)算方式是建立在微觀(guān)量子物理學(xué)關(guān)于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎(chǔ)上，量子算法的中心思想是利用量子態(tài)的疊加態(tài)與糾纏態(tài)。在量子效應(yīng)的作用下，量子比特可以同時(shí)處于0和1兩種相反的狀態(tài)（量子疊加），這使量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算，因此，量子計(jì)算的并行處理，使量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了最快的計(jì)算速度。未來(lái)，基于量子物理原理的量子計(jì)算機(jī)，不僅運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)量大、功耗低，而且體積會(huì)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(yīng)進(jìn)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(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。從信息學(xué)上理解，量子通信是利用量子力學(xué)的量子態(tài)隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統(tǒng)特有屬性及量子測(cè)量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學(xué)上講，量子通信是采用量子通道來(lái)傳送量子信息，利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高性能通信方式，突破現(xiàn)代通信物理極限。量子力學(xué)中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對(duì)安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息轉(zhuǎn)輸。所以，與現(xiàn)代通信技術(shù)相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，量子通信創(chuàng)建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密碼——不可克隆定理

經(jīng)典密碼是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)經(jīng)典信號(hào)實(shí)現(xiàn)，在密鑰傳送過(guò)程中有可能被竊聽(tīng)且不被覺(jué)察，故經(jīng)典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現(xiàn)代密碼學(xué)和量子力學(xué)為基礎(chǔ)，利用量子物理學(xué)方法實(shí)現(xiàn)密碼思想和操作的新型密碼體制，通過(guò)量子信號(hào)實(shí)現(xiàn)。量子密碼主要基于量子物理中的測(cè)不準(zhǔn)原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進(jìn)行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協(xié)議在通信雙方之間建立對(duì)稱(chēng)密鑰，再使用建立起來(lái)的密鑰對(duì)明文進(jìn)行加密，通過(guò)公開(kāi)的量子信道，完成安全密鑰分發(fā)。因此量子密碼技術(shù)能夠保證：

1）絕對(duì)的安全性。對(duì)輸運(yùn)光子線(xiàn)路的竊聽(tīng)會(huì)破壞原通訊線(xiàn)路之間的相互關(guān)系，通訊會(huì)被中斷，且合法的通信雙方可覺(jué)察潛在的竊聽(tīng)者并采取相應(yīng)的措施。

2）不可檢測(cè)性。無(wú)論破譯者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力，都會(huì)在對(duì)量子的測(cè)量過(guò)程中改變量子的狀態(tài)而使得破譯者只能得到一些毫無(wú)意義的數(shù)據(jù)。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(shè)置了不可逾越的界限，即無(wú)條件安全性和對(duì)竊聽(tīng)者的可檢測(cè)性成為量子密碼的兩個(gè)基本特征。

4 結(jié)論

量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)誕生的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代信息技術(shù)突破物理極限，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力與源泉?；诹孔游锢韺W(xué)的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和不可克隆定理等，使得量子計(jì)算機(jī)具有巨大的并行計(jì)算能力，提供功能更強(qiáng)的新型運(yùn)算模式；量子通信可以突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限，開(kāi)拓出新的信息功能；量子密碼絕對(duì)的安全性和不可檢測(cè)性，實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)的保密通信。隨著量子物理學(xué)理論在信息技術(shù)中的深入應(yīng)用，量子信息技術(shù)將開(kāi)拓出后莫爾時(shí)代的新一代的信息技術(shù)。

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第2篇：量子計(jì)算的發(fā)展范文

賽迪智庫(kù)網(wǎng)絡(luò)空間研究所認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的成熟和大規(guī)模應(yīng)用還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但我們必須著眼未來(lái)，做好以下工作：持續(xù)跟蹤和支持量子計(jì)算機(jī)研究，推動(dòng)形成商業(yè)化量子計(jì)算機(jī)研究機(jī)制，積極應(yīng)對(duì)專(zhuān)用量子計(jì)算C沖擊。

量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展顯著

量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)的疊加原理和量子糾纏等性質(zhì)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的計(jì)算機(jī)，在密碼學(xué)、科學(xué)模擬、大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，具有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

歐美科學(xué)界和企業(yè)界不斷加大投入，并有了重大進(jìn)展。一是研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)投入力度不斷加大。微軟研究院2012年成立了量子體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算研究組；谷歌公司與美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）于2013 年聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室。此外，歐盟2016年4月宣布，將于2018年啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目；澳大利亞政府2016 年4 月宣布，將在澳大利亞量子計(jì)算與通信技術(shù)中心成立量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步加大對(duì)半導(dǎo)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(xué)圣塔芭芭拉分校實(shí)現(xiàn)了9量子比特的超導(dǎo)量子芯片，新南威爾士大學(xué)實(shí)現(xiàn)了2量子比特的硅基半導(dǎo)體量子芯片，牛津大學(xué)實(shí)現(xiàn)了5量子比特的離子阱量子芯片。

在量子計(jì)算機(jī)方面，谷歌于2015年推出了聲稱(chēng)比其它計(jì)算機(jī)快1億倍的量子退火機(jī)D-Wave；IBM于2016年5月了5超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，谷歌和西班牙巴斯克大學(xué)于2016 年6 月公布了具有9超導(dǎo)量子比特的模擬量子計(jì)算機(jī)，馬里蘭大學(xué)與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院于2016年8月了5個(gè)量子比特的可編程量子計(jì)算機(jī)。

目前我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域部分研究成果已達(dá)到國(guó)際一流水平，但總體上基礎(chǔ)較為薄弱，與歐美等國(guó)家和地區(qū)仍有一定差距。

量子計(jì)算機(jī)距離可用仍有較大距離

雖然在研究方面取得了較大進(jìn)展，但量子計(jì)算機(jī)在理論層面和物理實(shí)現(xiàn)方面均面臨諸多難題，距離可用仍有很長(zhǎng)的路要走。

在理論層面，量子計(jì)算機(jī)需要特定的量子算法才能發(fā)揮強(qiáng)大性能，但并不是所有的計(jì)算都可以用量子算法加速，類(lèi)似Shor算法（用于大數(shù)質(zhì)因子分解）和Grover 算法（用于無(wú)序數(shù)據(jù)庫(kù)搜索）等完全超越傳統(tǒng)算法的仍較少。

在物理實(shí)現(xiàn)層面，科學(xué)家普遍認(rèn)為，可用的量子計(jì)算機(jī)至少應(yīng)具有幾十個(gè)以上的量子比特、比特邏輯門(mén)的保真度達(dá)到99%，以及操作速度和退相干時(shí)間在合理范圍，但目前國(guó)際最先進(jìn)的水平都未達(dá)到這一要求。與此同時(shí)，量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環(huán)境變化都可能對(duì)其造成破壞性影響，量子計(jì)算機(jī)的核心部件通常處于比太空更加寒冷的密封極低溫環(huán)境中。

量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用將產(chǎn)生巨大影響

一、量子計(jì)算機(jī)將影響國(guó)際政治格局。量子計(jì)算技術(shù)關(guān)系到一個(gè)國(guó)家未來(lái)的基礎(chǔ)計(jì)算能力，擁有了這種能力才可能迅速建立起全方位的戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)，引領(lǐng)量子信息時(shí)代的國(guó)際發(fā)展。

二、量子計(jì)算機(jī)將顛覆IT產(chǎn)業(yè)格局。一方面，作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的顛覆者，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)會(huì)像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣形成龐大的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，為信息和材料等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟?gòu)V闊空間，帶動(dòng)包括材料、信息、技術(shù)、能源在內(nèi)的一大批產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展。另一方面，量子計(jì)算機(jī)技術(shù)也為IT產(chǎn)業(yè)各參與方提供了彎道超車(chē)的機(jī)會(huì)。

三、量子計(jì)算機(jī)將首先從專(zhuān)用領(lǐng)域取得突破。根據(jù)現(xiàn)有研況，量子計(jì)算機(jī)將首先在密碼、人工智能等專(zhuān)用領(lǐng)域出現(xiàn)，并產(chǎn)生顛覆性影響。

第3篇：量子計(jì)算的發(fā)展范文

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，支配計(jì)算機(jī)領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)44年之久的摩爾定律已經(jīng)逐漸失效。讓我們最為擔(dān)憂(yōu)的是在摩爾定律之后計(jì)算機(jī)領(lǐng)域會(huì)發(fā)生怎樣的變革。我們可以通過(guò)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(jì)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(xué)獎(jiǎng)的拓?fù)湎嘧兝碚?。拓?fù)浣^緣體就是拓?fù)洳牧系囊环N，其在量子計(jì)算機(jī)中具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。本文將重點(diǎn)關(guān)注拓?fù)浣^緣體器件在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用前景，從專(zhuān)利和期刊文獻(xiàn)的角度，對(duì)其發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：拓?fù)浣^緣體；量子反常霍爾效應(yīng)；量子計(jì)算機(jī)；應(yīng)用發(fā)展

1.引言

拓?fù)湮飸B(tài)目前而言是一個(gè)內(nèi)容豐富并且蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，作為先驅(qū)者，索利斯、霍爾丹和科斯特利茲獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是實(shí)至名歸。最早索利斯和他的合作者提出采用“陳數(shù)”（華人數(shù)學(xué)家陳省身提出的概念）來(lái)理解量子霍爾效應(yīng)，隨后霍爾丹建立的量子反?；魻栃?yīng)模型則以巧妙的方式實(shí)現(xiàn)了非零陳數(shù)。然而這個(gè)模型一直未得到足夠的重視，直到近年來(lái)清華大學(xué)薛啟坤教授等課題組在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體和其它拓?fù)洳牧现械膶?shí)驗(yàn)中才被得以證實(shí)。

2.拓?fù)浣^緣體的理論發(fā)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(chǎng)，從而發(fā)現(xiàn)了與量子霍爾系統(tǒng)不同的時(shí)間反演不變拓?fù)浣^緣體，也稱(chēng)作Z2拓?fù)浣^緣體[1]。首晟通過(guò)其它理論獨(dú)立的提出了量子自旋霍爾效應(yīng)[2]。三維拓?fù)浣^緣體的體能帶在費(fèi)米能級(jí)處具有能隙，在其表面卻具有無(wú)能隙的表面態(tài)。這種表面態(tài)的能量-動(dòng)量色散關(guān)系具有類(lèi)似于石墨烯電子態(tài)的二維狄拉克錐形結(jié)構(gòu)。和石墨烯不同的是，這種表面態(tài)除了狄拉克點(diǎn)之外都是自旋極化的（如圖1c），因此有可能直接產(chǎn)生自旋相關(guān)的效應(yīng)，這為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了全新的思路。Z2拓?fù)浣^緣體概念的提出使得人們很快發(fā)現(xiàn)大量材料屬于這一類(lèi)拓?fù)浣^緣體。這大大拓寬了拓?fù)洳牧虾托?yīng)的研究范圍，使得人們看到了拓?fù)浣^緣體在未來(lái)應(yīng)用的發(fā)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(yīng)和霍爾效應(yīng)一樣，電子在塊體的邊界上游走。霍爾效應(yīng)里電子在某一個(gè)邊界上只沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)（如圖1），但是在自旋量子霍爾效應(yīng)中，每一個(gè)邊界上有兩條邊界態(tài)構(gòu)成的能帶，每有一個(gè)（k，+）態(tài)，那么有一個(gè)另一個(gè)能帶上對(duì)應(yīng)的（-k，-）態(tài)，這里的+-代表自旋。因此電子同時(shí)具有沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，也有沿反方向運(yùn)動(dòng)的。它們數(shù)目相等從而沒(méi)有凈電流，也就是沒(méi)有霍爾電導(dǎo)。但是這兩種沿不同方向傳導(dǎo)的電子的自旋方向相反，因此有凈自旋流，而且類(lèi)似于霍爾效應(yīng)，這個(gè)自旋流的電導(dǎo)是量子化的，因此稱(chēng)為自旋量子霍爾效應(yīng)。自旋量子霍爾效應(yīng)和量子霍爾效應(yīng)的區(qū)別就是，沒(méi)有外加磁場(chǎng)。如果有外加磁場(chǎng)體系的時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性被破壞，這個(gè)時(shí)候自旋量子霍爾效應(yīng)不再存在。

自旋量子霍爾效應(yīng)體系材料則是拓?fù)浣^緣體中的一種。自旋量子霍爾效應(yīng)中每個(gè)邊界上有兩個(gè)邊界能帶，這兩個(gè)能帶的手性是一樣的，因此會(huì)出現(xiàn)自旋量子霍爾效應(yīng)，但是假設(shè)我們一個(gè)邊界上有四個(gè)能帶，其中兩個(gè)能帶的手性一樣，但是另兩個(gè)能帶的手性不一樣，那么此時(shí)沿邊界上一個(gè)方向走的電子自旋可以為正，也可以為負(fù)，兩者數(shù)目相等，相消。此時(shí)既沒(méi)有電流，也沒(méi)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?fù)湫再|(zhì)不同。這里所說(shuō)的是就是二維拓?fù)涞那樾巍Ｍㄋ讈?lái)講就是塊體內(nèi)部的電子是絕緣態(tài)，而邊緣電子由于可以隧穿能帶間的帶隙，因而邊緣態(tài)是導(dǎo)電的。

3.拓?fù)浣^緣體在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用發(fā)展

由著名物理學(xué)家費(fèi)曼于1982年在一個(gè)公開(kāi)演講中提出了利用量子計(jì)算體系實(shí)現(xiàn)計(jì)算的新奇想法，并由英國(guó)物理學(xué)家杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)物理學(xué)家塞爾日?阿羅什和美國(guó)物理學(xué)家戴維?瓦恩蘭，以表彰他們?cè)诹孔游锢韺W(xué)方面的卓越研究。

清華大學(xué)于2012年12月21日申請(qǐng)的專(zhuān)利201210559480.6中提出一種包括磁性摻雜拓?fù)浣^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(guān)上具有量子反?；魻栃?yīng)。

而在2013年麻省理工學(xué)院的科學(xué)家在《Nature Communications》上發(fā)表文章[3]，稱(chēng)可以在特定條件下，將石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浣^緣體，為量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)提供了新的思路。這表明石墨烯型拓?fù)浣^緣體在量子計(jì)算機(jī)中具有極大的潛在價(jià)值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申請(qǐng)的專(zhuān)利201610291358.3中提出具有量子反?；魻栃?yīng)的材料和由其形成的霍爾器件。器件包括拓?fù)浣^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?fù)浣^緣體。其中拓?fù)浣^緣體基材采用的是Sb2Te3材料。上述發(fā)現(xiàn)為低能耗的電子器件如晶體管的制造并最終促成全拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了元器件基礎(chǔ)。

從最近的專(zhuān)利與文獻(xiàn)分析中可以看出，目前的研究重點(diǎn)主要集中在中美等科研強(qiáng)國(guó)，其從自然界存在的石墨烯到人工合成的拓?fù)洳牧?，再到各種基于拓?fù)浣^緣體的元器件都有一定的研究基礎(chǔ)。

4.結(jié)論

盡管拓?fù)浣^緣體以及量子反?；魻栃?yīng)的相關(guān)理論研究已經(jīng)日漸成熟，但是其在元器件上的應(yīng)用仍然具有十分長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。并且通過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)在量子反?；魻栃?yīng)領(lǐng)域的發(fā)明專(zhuān)利的申請(qǐng)量非常少，由此可見(jiàn)，在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，拓?fù)浣^緣體以及量子反常霍爾效應(yīng)的相關(guān)元器件專(zhuān)利布局的競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，在新一代計(jì)算機(jī)―量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)領(lǐng)域，我們還有很長(zhǎng)的路要走。

參考文獻(xiàn)

[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(jì)算的發(fā)展范文

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；多媒體；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展可以稱(chēng)得上是日新月異，未來(lái)計(jì)算機(jī)的技術(shù)一定會(huì)向超高速、平行處理以及智能化的方向發(fā)展。然而，計(jì)算機(jī)的發(fā)展并不是獨(dú)立的，它還取決于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、元器件的進(jìn)步和以及軟件的開(kāi)發(fā)。元器件的進(jìn)步是決定硬件性能的基本因素。計(jì)算機(jī)由第一代一直發(fā)展到現(xiàn)在的第四代，從根本上講就是由于在元器件上的不斷更新?lián)Q代。計(jì)算機(jī)用集成電路到現(xiàn)在為止依然是以硅半導(dǎo)體器件為主。在使用了硅芯片的基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)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(xù)增長(zhǎng)。直到現(xiàn)在，人們還在一直不斷的追求性能更好的器件。

一、3D異類(lèi)器件集成

兩個(gè)有著天壤之別的方向發(fā)展的力量一直在推動(dòng)著3D的陣列當(dāng)中集成半導(dǎo)體器件。第一個(gè)發(fā)展方向主要是跟在公共平臺(tái)上集成的不同技術(shù)來(lái)提供信息的最佳處理和解決方案的需要有著關(guān)聯(lián)。很明顯，微縮的CMOS之外的新興技術(shù)通過(guò)混合搭配應(yīng)用需要適應(yīng)特定的技術(shù)，具有非常大的性能改進(jìn)的潛力。不同技術(shù)的組合的需要功能3D集成的不同技術(shù)，至微處理器SlC和DRAM在這些技術(shù)下，光學(xué)和心臟MEMS到RF和模擬。這類(lèi)不同的技術(shù)到包括將分子、塑料和快速單磁通(single―flux)量子超導(dǎo)體以及其他新興技術(shù)以后很有可能直接3D集成到硅的平臺(tái)上。

二、量子胞自動(dòng)開(kāi)關(guān)

在量子胞自動(dòng)開(kāi)關(guān)(QCA)當(dāng)中，包含了多個(gè)量子點(diǎn)規(guī)則排列的細(xì)胞構(gòu)成了一種局部互聯(lián)的架構(gòu)。用靜電互想的感應(yīng)的作用，來(lái)給細(xì)胞之間提供聯(lián)系，而并不是依靠線(xiàn)路。在向細(xì)胞內(nèi)注入一對(duì)電子的時(shí)候，這一對(duì)電子的方向就決定著單元的狀態(tài)。磁QCA是另外一個(gè)剛剛發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，目前電子QCA正處于主導(dǎo)地位，暫時(shí)還不能對(duì)它的性能來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。將這些QCA組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)和使用布爾邏輯門(mén)電路完全不一樣的電路功能。

三、量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是在量子效應(yīng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，它利用利用激光脈沖改變分子的狀態(tài)和鏈狀分子聚合物的一種特性來(lái)表示開(kāi)和關(guān)的狀態(tài)，是使信息沿著聚合物的移動(dòng)，來(lái)進(jìn)行運(yùn)算的。量子計(jì)算機(jī)在特征上介于器件和構(gòu)架之間。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用的是量子位存儲(chǔ)。由于量子的疊加效應(yīng)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)要大得多，一個(gè)量子位就可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)了。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度有可能會(huì)比目前個(gè)人計(jì)算機(jī)的PentiumUl晶片還要快十億倍。實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的方法有很多，目前出現(xiàn)了很多的實(shí)現(xiàn)方法，但是處理量子信息顯然需要新架構(gòu)。相干的量子器件依靠量子波函數(shù)的相位信息保存和操縱信息。

四、生物計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)

生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過(guò)程就是周?chē)锢砘瘜W(xué)介質(zhì)與蛋白質(zhì)分子的相互作用過(guò)程。由酶來(lái)充當(dāng)計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中非常明顯地表示出來(lái)。20世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸DNA處于不同狀態(tài)的時(shí)候可以代表信息的有或者沒(méi)有。DNA分子中的遺傳密碼就相當(dāng)于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，DNA分子間再通過(guò)生化反應(yīng)，從一種基因代瑪轉(zhuǎn)變成另外一種基因的代碼。反應(yīng)前的基因代碼相當(dāng)于輸入的數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼則相當(dāng)于輸出的數(shù)據(jù)。如果能控制這一個(gè)反應(yīng)的過(guò)程，那么我們就可以成功的制作DNA計(jì)算機(jī)了。蛋白質(zhì)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(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算所需要的時(shí)間僅僅可以用微微秒還計(jì)算，由此可見(jiàn)，它比人的思維速度要快上百萬(wàn)倍。

五、納米計(jì)算機(jī)

目前，計(jì)算機(jī)使用的硅芯片已經(jīng)到達(dá)了它的物理極限，體積沒(méi)有辦法太小，其耗電量也沒(méi)有辦法再減少，通電和斷電的頻率也沒(méi)有辦法再提高，。曾經(jīng)有科學(xué)家這樣認(rèn)為，要想解決這個(gè)問(wèn)題的途徑就是采用納米晶體管來(lái)制作“納米計(jì)算機(jī)”。他們估計(jì)納米計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度將會(huì)是現(xiàn)在的硅芯片計(jì)算機(jī)的1、5萬(wàn)倍那么多，而且它所耗費(fèi)的能量也會(huì)減少很多。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初才迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終的目的是人類(lèi)按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品出來(lái)。

未來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)必定會(huì)在互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算技術(shù)與系統(tǒng)方面有長(zhǎng)期、穩(wěn)定、快速的發(fā)展。計(jì)算機(jī)肯定會(huì)比我們?nèi)祟?lèi)更加的聰明。進(jìn)化論告訴我們，一種生物總是會(huì)被具有更優(yōu)適應(yīng)性的物種所替代。

參考文獻(xiàn)：

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

第5篇：量子計(jì)算的發(fā)展范文

另外，新型的量子計(jì)算也給數(shù)學(xué)密碼體制帶來(lái)了前所未有的潛在威脅。1994年P(guān)eterShor發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)具體的量子算法'Shor量子分解算法的時(shí)間復(fù)雜度為D(刀2(109開(kāi))(10皿。朗))，它在設(shè)想的量子計(jì)算機(jī)上可以用輸入的多項(xiàng)式時(shí)間分解大數(shù)質(zhì)因子，因此它給RsA等公鑰密碼系統(tǒng)的安全性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。1996年Grover發(fā)現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)源于聯(lián)想網(wǎng)御神州專(zhuān)家新論搜索的Gmver迭代算，量子Grover搜索算法的時(shí)間復(fù)雜度為D(／Ⅳ)，它有可能解決經(jīng)典上所謂的NP完全問(wèn)題。

2007年11月，加拿大D—wave公司宣稱(chēng)研制成功28量子位的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；2008年12月，又宣稱(chēng)成功研制了128量子位的量子處理器。業(yè)內(nèi)科學(xué)家們預(yù)測(cè)，到2020年左右量子計(jì)算機(jī)將進(jìn)入實(shí)用階段。假如1024個(gè)量子位以上的量子計(jì)算機(jī)研究取得實(shí)質(zhì)性突破，那么256bit甚至512bit的對(duì)稱(chēng)算法將不安全，RSA，ECC等非對(duì)稱(chēng)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?lián)Q代的“困境”。因此，研究可以抵抗量子計(jì)算等高性能計(jì)算攻擊的新型密碼技術(shù)體制勢(shì)在必行。

根據(jù)Shannon信息論原理，如果隨機(jī)密鑰的高速在線(xiàn)分發(fā)問(wèn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)耐耆Ｃ軉?wèn)題。但是隨機(jī)密鑰的高速在線(xiàn)分發(fā)面臨著一系列技術(shù)難題或者瓶頸(因?yàn)闉榱舜_保密鑰安全，需要采用復(fù)雜的加密手段和安全協(xié)議，限制了密鑰分發(fā)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(tǒng)可以解決隨機(jī)密鑰的高速在線(xiàn)保密分發(fā)問(wèn)題，為0TP的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)可能性，進(jìn)而可以解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐耆Ｃ軉?wèn)題。基于這樣一個(gè)亮點(diǎn)，量子保密通信特別是量子密鑰分發(fā)技術(shù)(QKD)得到了許多國(guó)家的高度關(guān)注并得到了快速發(fā)展。

目前，QKD作為一個(gè)物理上安全的保密體制，其實(shí)用化已是一個(gè)明顯的趨勢(shì)。2004年，華東師范大學(xué)在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了QKD原理樣機(jī)吼2005年，瑞士IDQmntique公司和美國(guó)MagQ公司都推出了商用QKD系統(tǒng)產(chǎn)品。2005年，美國(guó)BBN公司在DAPAR的資助下構(gòu)建了6節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。

2008年，歐盟sECoQc組建了7節(jié)點(diǎn)的演示網(wǎng)絡(luò)。2009年。中國(guó)建設(shè)了8節(jié)點(diǎn)的“最子政務(wù)網(wǎng)”?？梢哉f(shuō)，國(guó)內(nèi)外對(duì)量子密鑰分發(fā)技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)入了工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵時(shí)期，目前已經(jīng)沒(méi)有產(chǎn)品化的技術(shù)障礙，其應(yīng)用基本上取決于市場(chǎng)。目前世界上最好的實(shí)驗(yàn)記錄是：無(wú)中繼通信距離l87km，在線(xiàn)分發(fā)密鑰的速率lMb／s以上。

1技術(shù)原理和特色

根據(jù)量子力學(xué)原理，微觀(guān)世界遵循Hd‘規(guī)berg測(cè)不準(zhǔn)原理和量子不可精確克隆定理。量子態(tài)測(cè)不準(zhǔn)并且不能精確復(fù)制，這意味著，通過(guò)竊聽(tīng)將不能得到確定的有效信息，也不能進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。更重要的是，任何針對(duì)量子信號(hào)的竊聽(tīng)都將不可避免地留下痕跡，這為在線(xiàn)檢測(cè)竊聽(tīng)提供了可能。量子態(tài)測(cè)不準(zhǔn)導(dǎo)致的直接結(jié)果是任何人都不可能進(jìn)行精確測(cè)量，從這個(gè)角度來(lái)分析，量子信道是“絕對(duì)安全”的；但是這種“絕對(duì)安全”是無(wú)意義的，因?yàn)閺闹械貌坏接行畔?。合法通信雙方為了提取在量子信道中傳輸?shù)牧孔有畔?，必須依?lài)附加的條件，即必須借助經(jīng)典信道進(jìn)行輔助信息的交互，比如竊聽(tīng)檢測(cè)所需要的交互信息必須通過(guò)可信輔助信道來(lái)傳送，這也決定了量子通信與經(jīng)典保密通信之間的互補(bǔ)關(guān)系。

量子信息是經(jīng)典信息在功能和性能上的擴(kuò)展，量子通信系統(tǒng)具有經(jīng)典通信系統(tǒng)所具有的功能以及經(jīng)典通信系統(tǒng)所不具有的新功能(比如在線(xiàn)竊聽(tīng)檢測(cè))。如果采用一組正交態(tài)對(duì)0和l進(jìn)行編碼和通信，那么通信雙方能夠進(jìn)行確定測(cè)量，因此完全可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能。當(dāng)然，這種應(yīng)用與經(jīng)典通信系統(tǒng)相比較并沒(méi)有特殊的優(yōu)越性，因此在大多數(shù)情況下，量子通信是指基于量子測(cè)不準(zhǔn)條件下的量子保密通信。

1.1量子密鑰分發(fā)

QKD基于Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)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(shù)據(jù)的完全保密傳輸問(wèn)題又因?yàn)檫@種綜合應(yīng)用具有體制上的簡(jiǎn)潔性、理想的完全保密性和簡(jiǎn)單的軟硬件實(shí)現(xiàn)性能等，代表了密碼系統(tǒng)發(fā)展和升級(jí)換代的一個(gè)趨勢(shì)。

如果QKD在密鑰分發(fā)速率方面取得了重大突破，比如達(dá)到50Mb／s，甚至達(dá)到1Gb／s以上，那么基于量子密鑰的oTP就能夠?qū)崿F(xiàn)保密語(yǔ)音通信、一些重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保密通信等，并且這種應(yīng)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(tǒng)應(yīng)用無(wú)疑對(duì)現(xiàn)在的保密通信體制是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)!當(dāng)然，尋找QKD在現(xiàn)代保密通信系統(tǒng)中的應(yīng)用切入點(diǎn)是當(dāng)務(wù)之急。

1.2量子身份識(shí)別量子身份識(shí)別是基于量子態(tài)身份信息的物理安全的身份

識(shí)別方案。量子身份識(shí)別信息是量子態(tài)，具有唯一性和不可復(fù)制性，這從根本上消除了身份信息被假冒或者事后否認(rèn)的可能性。在量子計(jì)算條件下，如何利用量子態(tài)身份的唯一性和不可復(fù)制特性實(shí)現(xiàn)完全保密的量子身份識(shí)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(tǒng)的可用性另一方面，量子身份識(shí)別信息基于量子態(tài)，具有唯一性和不可復(fù)制性，可以從根本上解決其安全問(wèn)題。

但是，由于量子身份的重復(fù)使用等技術(shù)難題導(dǎo)致量子身份識(shí)別研究進(jìn)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?yàn)槿藗円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)不依賴(lài)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(lái)的量子保密通信體制的安全性將可能不再依賴(lài)共享密鑰。但是，這并不影響QKD在一定時(shí)期內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。量子保密通信在同時(shí)解決竊聽(tīng)檢測(cè)、身份識(shí)別和信息保護(hù)等問(wèn)題的條件下，將形成一個(gè)完備的保密通信體制。量子保密通信不依賴(lài)復(fù)雜的數(shù)據(jù)加密算法(當(dāng)然，信息的本地存儲(chǔ)保護(hù)等依然需要安全的數(shù)據(jù)加密算法)，量子系統(tǒng)設(shè)備不，因此量子系統(tǒng)具有通用性，所有用戶(hù)的系統(tǒng)配置和功能可以做到完全一致，不存在系統(tǒng)分級(jí)和使用多種密碼算法等技術(shù)問(wèn)題，因此可以說(shuō)不存在互聯(lián)互通的技術(shù)障礙，它能使任何擁有量子保密通信終端的用戶(hù)之間實(shí)現(xiàn)完全保密的通信，這是目前的保密通信系統(tǒng)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(duì)于量子糾纏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于糾纏粒子之間存在不受空間限制的關(guān)聯(lián)性，并且可以實(shí)現(xiàn)隱形傳態(tài)，似乎利用這種現(xiàn)象可以突破經(jīng)典通信的距離極限，但這是不可能的。因?yàn)榧m纏粒子之間的通信依然依賴(lài)經(jīng)典信息交互，即在進(jìn)行基于糾纏的測(cè)量之后還必須通過(guò)可信經(jīng)典信道進(jìn)行相關(guān)測(cè)量信息交互之后，才能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)糾纏粒子之間的通信，這也是量子糾纏不能實(shí)現(xiàn)超光速通信的一個(gè)關(guān)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(méi)有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也很難突破經(jīng)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(jīng)典通信的極限，無(wú)論是對(duì)于理論創(chuàng)新還是對(duì)于國(guó)防軍事通信安全等都是非常有意義的。

2基礎(chǔ)研究與應(yīng)用趨勢(shì)

在QKD技術(shù)快速發(fā)展并日趨成熟的今天，量子保密通信體制還處于初級(jí)階段，量子保密通信系統(tǒng)由于系統(tǒng)自身的不穩(wěn)定性會(huì)造成一定的長(zhǎng)期誤碼率(比如量子信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程和單光子探測(cè)器暗計(jì)數(shù)等都會(huì)引入一定的誤碼，這些誤碼在理論上無(wú)法與非法侵入所引起的誤碼進(jìn)行區(qū)分)，如何克服這些誤碼的影響還有待于進(jìn)一步解決。另外，QKD的應(yīng)用研究和量子保密通信基礎(chǔ)理論研究依然是量子保密通信體制研究的重點(diǎn)，其發(fā)展趨勢(shì)可以概括為：

(1)高速量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)與應(yīng)用研究。對(duì)基于單光子實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)和完善，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，并進(jìn)行QKD系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)。對(duì)基于量子糾纏、隱形傳態(tài)等量子特性的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行深入研究，研究如何設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定的QKD系統(tǒng)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(chǔ)理論。研究新的量子密鑰分發(fā)、量子保密直接通信、量子身份識(shí)別、量子比特承諾協(xié)議等，完善量子保密通信體制理論研究量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)、工作原理和實(shí)現(xiàn)方案等：研究任意節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)互通機(jī)理以及針對(duì)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)用路由技術(shù)研究量子保密通信網(wǎng)絡(luò)與光纖通信網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通技術(shù)。

目前，量子保密通信的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程直接取決于市場(chǎng)需求和量子技術(shù)的發(fā)展。量子保密通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：量子態(tài)的制備、分發(fā)和探測(cè)技術(shù)；量子系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾解決途徑；與光纖網(wǎng)絡(luò)的兼容性等。

隨著單光子制備、量子存儲(chǔ)和探測(cè)技術(shù)以及光纖傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，量子保密通信將在國(guó)家重要領(lǐng)域內(nèi)的通信保密中扮演一個(gè)非常重要的角色。短期內(nèi)，QKD可以從根本上解決密鑰的高速在線(xiàn)分發(fā)問(wèn)題，為oTP的廣泛使用提供一種可行的技術(shù)途徑。基于景子密鑰的oTP可以用于保密電話(huà)網(wǎng)、保密數(shù)據(jù)網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的一次一密加密，確保數(shù)據(jù)的完全保密傳輸。中長(zhǎng)期內(nèi)，能夠同時(shí)解決竊聽(tīng)檢測(cè)、身份識(shí)別和信息保護(hù)的量子保密通信技術(shù)，可以提供一個(gè)完善的通信保密解決方案。

3應(yīng)對(duì)策略探討

為了積極應(yīng)對(duì)QKD和量子保密通信技術(shù)可能帶來(lái)的影響，并為相關(guān)技術(shù)發(fā)展創(chuàng)造良好的氛圍，促進(jìn)量子保密通信技術(shù)的應(yīng)用推廣，及時(shí)采取科學(xué)的應(yīng)對(duì)策略非常必要。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外量子通信研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)的綜合調(diào)研分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，以下對(duì)策或策略具有一定的代表性和較大的參考價(jià)值。

(1)信息安全形勢(shì)嚴(yán)峻，積極進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，有備無(wú)惠。近幾年，一些典型的經(jīng)典密碼算法不斷被破譯或被發(fā)現(xiàn)存在致命漏洞，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和量子計(jì)算等高性能計(jì)算技術(shù)快速發(fā)展給經(jīng)典密碼算法帶來(lái)前所未有的沖擊和挑戰(zhàn)，經(jīng)典通信保密體制面臨更新?lián)Q代的抉擇。而量子保密通信技術(shù)代表了一個(gè)實(shí)際可行的新型技術(shù)方向，代表了未來(lái)信息安全市場(chǎng)的一個(gè)新方向。在積極探索量子保密通信體制的同時(shí)，尋求量子技術(shù)與經(jīng)典技術(shù)的“融合”，促進(jìn)這種新型保密通信系統(tǒng)的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(2)潛在資源需要整合，潛在市場(chǎng)需要發(fā)掘和培育。最子保密通信技術(shù)在保密傳輸方面有著十分明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其中短期應(yīng)用前景十分明確，長(zhǎng)期推廣應(yīng)用趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。但是，量子保密通信是一個(gè)綜合交叉技術(shù)學(xué)科，系統(tǒng)核心技術(shù)需要多學(xué)科專(zhuān)業(yè)人才聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，但是目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主力依然集中在高校，基本上還處在“單兵作戰(zhàn)”的狀態(tài)，還不能形成具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品研發(fā)平臺(tái)。

美國(guó)MagiQ公司的副總裁AndrewHammond估計(jì)QKD短期市場(chǎng)份額將達(dá)到20億美元，在不久的未來(lái)其市場(chǎng)份額將達(dá)到10億美元／年。在今后幾年內(nèi)，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)份額派工流程與安全知識(shí)庫(kù)緊密相關(guān)，在故障處理時(shí)從安全知識(shí)庫(kù)中提供專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和歷史資料進(jìn)行參考，在派工處理完畢后的反饋又放入安全知識(shí)庫(kù)中作為下次事件的歷史資料。安全知識(shí)庫(kù)包括安全知識(shí)文章、漏洞庫(kù)，補(bǔ)丁庫(kù)、事故案例庫(kù)等。

3.1報(bào)告報(bào)表網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)具有強(qiáng)大的事件分析報(bào)告和安全趨勢(shì)

報(bào)告系統(tǒng)。能夠收集和整理所有的安全事件報(bào)告，整理分析，產(chǎn)生針對(duì)不同閱讀者的專(zhuān)業(yè)安全報(bào)表。安全報(bào)表能夠?qū)⒁欢螘r(shí)期內(nèi)的整體安全狀況、攻擊來(lái)源、攻擊方式、攻擊目標(biāo)、最多的和最少的攻擊排序、IP子網(wǎng)攻擊、IP子網(wǎng)攻擊目標(biāo)、設(shè)備類(lèi)型、事件警告類(lèi)型、事件狀況類(lèi)型和事件的嚴(yán)重性等等做出專(zhuān)業(yè)的分析報(bào)告。

3.2趨勢(shì)分析趨勢(shì)分析指依據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)策略體系，將多源安全事

件經(jīng)編碼格式標(biāo)準(zhǔn)化、歸并關(guān)聯(lián)等處理后，進(jìn)行安全指標(biāo)映射與態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)生成，并借助多種可定制可視化視角而展現(xiàn)出來(lái)的網(wǎng)絡(luò)總體安全狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)對(duì)安全事件、審計(jì)日志和一些輔助信息的分析，能夠生成實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)報(bào)表、態(tài)勢(shì)告警、態(tài)勢(shì)預(yù)案等安全態(tài)勢(shì)分析報(bào)告，對(duì)總體的安全建設(shè)提供有價(jià)值的指導(dǎo)意見(jiàn)。安全態(tài)勢(shì)分析需要綜合眾多最新的信息安全管理技術(shù)，具有極大的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

第6篇：量子計(jì)算的發(fā)展范文

1.1量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)可簡(jiǎn)單理解為遵循量子力學(xué)能夠進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲(chǔ)和處理信息的計(jì)算機(jī)，它是在社會(huì)對(duì)高速度、保密好、容量大的通訊及計(jì)算提出較高要求的情況下產(chǎn)生的。物理主體主要包括：液態(tài)核磁共振量子計(jì)算機(jī)、(固態(tài))硅晶體核磁共振量子計(jì)算機(jī)、離子陷阱、量子光學(xué)、腔室量子電動(dòng)力學(xué)、超導(dǎo)體方案等。量子計(jì)算機(jī)的功能在于進(jìn)行大數(shù)的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時(shí)也提供了另一種保密通訊的方式，此外還可以用來(lái)做量子系統(tǒng)的模擬。但是在昨晚高難度運(yùn)算后，能耗高、壽命短，散熱量大等缺點(diǎn)則暴露出來(lái)，真正有價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)還有待繼續(xù)研究。

1.2光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯等內(nèi)容利用的是光信號(hào)，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，主要由激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件設(shè)備組成。它具有運(yùn)算、處理能力極強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，兼具容錯(cuò)性，能夠進(jìn)行模糊處理，但并不影響運(yùn)算結(jié)果，智能化更高端。它主要具有以下好處：光子不帶電荷，不產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受磁場(chǎng)作用影響；光子也不具有靜止質(zhì)量，可以在真空和介質(zhì)兩種狀態(tài)下傳播；信息存儲(chǔ)容量大，通道寬，通信能力強(qiáng)；能量耗用低，散熱量小，節(jié)能環(huán)保性較強(qiáng)，也避免了計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部過(guò)熱的情況。目前雖然光子計(jì)算機(jī)在功能和運(yùn)算速度方面和電子計(jì)算機(jī)有一定差距，但光子計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步研制、完善，在對(duì)圖像處理、目標(biāo)識(shí)別和人工智能等方面發(fā)揮重大作用。

1.3生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)也叫做放生計(jì)算機(jī)，是以仿生學(xué)研究為基礎(chǔ)而形成的新型計(jì)算機(jī)技術(shù)，它以生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白分子制成生物芯片作為基礎(chǔ)元件。它具有并行處理的功能，運(yùn)行速度比普通的電子計(jì)算機(jī)要快10萬(wàn)倍，存儲(chǔ)空間占用更是少之又少。它具有的優(yōu)點(diǎn)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(fù)功能，它的內(nèi)部芯片出現(xiàn)故障時(shí)，不需要人工修理，能自我修復(fù)，永久性、可靠新高；再者，能耗很低，能量消耗僅占普通電子計(jì)算機(jī)的10億分之1，散熱量很小；第四，不受電路間信號(hào)干擾。目前，這種計(jì)算機(jī)還在研制階段，存在技術(shù)不成熟、信息提取難等問(wèn)題，還需要繼續(xù)優(yōu)化。

1.4納米計(jì)算機(jī)納米計(jì)算機(jī)研制是計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的一場(chǎng)革命，它以納米技術(shù)為基礎(chǔ)研制出計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積相當(dāng)于發(fā)絲直徑的千分之一，生產(chǎn)成本非常低，不需要建造超潔凈生產(chǎn)車(chē)間，也不需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人數(shù)眾多的生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)，同時(shí)，納米計(jì)算機(jī)也需要耗費(fèi)能源可以忽略不計(jì)，但是對(duì)其強(qiáng)大其性能的發(fā)揮絲毫不產(chǎn)生影響。納米計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用到微型機(jī)器人，以至于日用電子設(shè)備，甚至玩具中，都能獲得強(qiáng)大的微處理功能，其應(yīng)用范圍也涉及到現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、建筑學(xué)、材料學(xué)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。這項(xiàng)新的課題技術(shù)也在不斷的完善和發(fā)展，將為計(jì)算機(jī)發(fā)展帶來(lái)新的內(nèi)容。

2云技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展

2.1云技術(shù)云計(jì)算是分布式計(jì)算的一種形式，它通過(guò)將計(jì)算拆散計(jì)算再進(jìn)行組合回傳的方式進(jìn)行，可以達(dá)到和超級(jí)計(jì)算機(jī)同樣強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這是云技術(shù)的根本。云技術(shù)不僅僅作為資料搜集手段，它是集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、整合技術(shù)管理平臺(tái)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)為一體的綜合資源池，靈活便捷。云技術(shù)作為一種商業(yè)模式的體現(xiàn)方式，其應(yīng)用非常廣泛，目前，已經(jīng)在搜索引擎、網(wǎng)絡(luò)信箱等領(lǐng)域投入使用，未來(lái)在手機(jī)、GPS等行動(dòng)裝置上也可實(shí)現(xiàn)。云技術(shù)正以它的可靠、實(shí)用、安全等性能逐漸被人們所接受，云物聯(lián)、云存儲(chǔ)、云呼叫、私有云、云游戲、云教育、云會(huì)議以及云社交等正逐步強(qiáng)化它的服務(wù)功能。

2.2網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展有賴(lài)于光纖技術(shù)的快速發(fā)展。光導(dǎo)纖維技術(shù)在通信、電子和電力等領(lǐng)域日益擴(kuò)展，成為大有前途的新型基礎(chǔ)材料，與之相伴的光纖技術(shù)也以新奇、便捷贏(yíng)得人們的青睞。它具有耐濕、耐輻射、易于安裝和保養(yǎng)、24小時(shí)的連續(xù)工作等性能被廣泛應(yīng)用。尤其在塑料光纖產(chǎn)生后，海底光纜工程得以順利實(shí)施，對(duì)世界范圍網(wǎng)絡(luò)通信起到良好的推動(dòng)作用。

3移動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展

目前最熱門(mén)的是wifi無(wú)線(xiàn)技術(shù)，而最新的是4G通信技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)對(duì)移動(dòng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的支撐作用。4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代剛剛開(kāi)啟，目前開(kāi)始應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備上，但是在微型便攜計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用尚未起步。如何將移動(dòng)計(jì)算機(jī)等終端產(chǎn)品通過(guò)芯片等形式與4G網(wǎng)絡(luò)完沒(méi)相連接，如發(fā)展移動(dòng)電視、移動(dòng)電腦、成為一項(xiàng)熱門(mén)話(huà)題，有待進(jìn)一步研究探索。

4結(jié)束語(yǔ)

第7篇：量子計(jì)算的發(fā)展范文

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代；計(jì)算機(jī)技術(shù)；發(fā)展；方向；趨勢(shì)

0引言

計(jì)算機(jī)是我們工作生活中一個(gè)比較常見(jiàn)的物品，又被人們習(xí)慣性地稱(chēng)為“電腦”，它不僅被應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)跟邏輯的運(yùn)算，而且具備強(qiáng)大的存儲(chǔ)與修改功能，是一種現(xiàn)代化的智能電子設(shè)備。計(jì)算機(jī)有兩部分主體結(jié)構(gòu)，一部分是硬件系統(tǒng)，另一部分是軟件系統(tǒng)，共同保障計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。伴隨著科技水平的不斷提升，計(jì)算機(jī)技術(shù)也在隨之發(fā)展，計(jì)算機(jī)作為一個(gè)綜合型的生活辦公工具應(yīng)用到人們生活工作中的同時(shí)，其發(fā)展備受人們的關(guān)注，相關(guān)行業(yè)人員也在致力于計(jì)算機(jī)的發(fā)展研究過(guò)程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐漸走上了一個(gè)越來(lái)越成熟的軌道。但是，當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也受到了一定的阻礙，人們過(guò)于關(guān)注對(duì)計(jì)算機(jī)娛樂(lè)方面的應(yīng)用，比如聊天、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物等內(nèi)容，卻忽視了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，甚至不了解。本文將帶領(lǐng)大家一起去了解一下現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程以及未來(lái)的發(fā)展動(dòng)向。

1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程

世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在1946年2月，埃克特和莫克利這兩位美國(guó)的發(fā)明家在美國(guó)的賓夕法尼亞大學(xué)共同將它研制出來(lái)。世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的問(wèn)世開(kāi)啟了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的新篇章，讓社會(huì)發(fā)展邁出了一大步，開(kāi)啟了人們的新生活，帶領(lǐng)人們進(jìn)入了信息革命時(shí)期。世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)跟我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)外形差距較大，那臺(tái)計(jì)算機(jī)有好幾間房子一樣大，但是它的計(jì)算速度卻并沒(méi)有高于我們現(xiàn)在使用的微型計(jì)算機(jī)。從世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問(wèn)世到現(xiàn)在我們使用的計(jì)算機(jī)，無(wú)數(shù)的計(jì)算機(jī)研發(fā)人員一直在努力，尤其是科學(xué)家馮諾依曼在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮了重要的作用，被后人稱(chēng)為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”。馮諾依曼開(kāi)啟了計(jì)算機(jī)發(fā)展的新時(shí)代，帶動(dòng)了廣大科研人員對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究。隨著時(shí)間的推移，計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以分為四代：

1.1電子計(jì)算機(jī)

電子計(jì)算機(jī)時(shí)代是計(jì)算機(jī)發(fā)展的第一個(gè)時(shí)代，從1946年開(kāi)始，到1957年結(jié)束。電子計(jì)算機(jī)與世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)有些類(lèi)似，電子元件是計(jì)算機(jī)的主要器件，電子計(jì)算機(jī)也因此得名。電子管具的體積比較大，但是存儲(chǔ)的容量相對(duì)較小，因此電子計(jì)算機(jī)的耗電比較快，不具備穩(wěn)定性。這類(lèi)計(jì)算機(jī)一般應(yīng)用于科學(xué)研究過(guò)程中，而且在電子計(jì)算機(jī)時(shí)代，計(jì)算機(jī)一般使用機(jī)器語(yǔ)言或者是匯編語(yǔ)言，并不具備系統(tǒng)軟件。

1．2晶體管計(jì)算機(jī)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，量子力學(xué)和固體物理能帶論的不斷呈現(xiàn)，開(kāi)啟了半導(dǎo)體器件的計(jì)算機(jī)時(shí)代，理論研究給半導(dǎo)體器件的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，提供了實(shí)踐的依據(jù)。早在20世紀(jì)50年代上下，點(diǎn)接觸晶體管就被兩位科學(xué)家研制出來(lái)。隨著科學(xué)的發(fā)展，結(jié)型晶體管又相繼問(wèn)世。自此之后，晶體管的發(fā)展就步入一個(gè)相對(duì)成熟的軌道，成功的應(yīng)用與計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程匯總，讓計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了第二個(gè)時(shí)代，也就是我們所說(shuō)的晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代。晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代從1958年開(kāi)始，結(jié)束于1964年。晶體管具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，它雖然體積較小，但是質(zhì)量比較輕，而且工作的效率相對(duì)較高，散熱比較少，損耗較低，對(duì)于電子管的效能發(fā)揮到了一定的程度，因此，二代計(jì)算機(jī)的體積在不斷減少，但是使用的年限卻在增加，這就為計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。除此之外，晶體管計(jì)算機(jī)的創(chuàng)新之處在于它擁有浮點(diǎn)算法這一新應(yīng)用，對(duì)于計(jì)算機(jī)運(yùn)算水平是一個(gè)大的提升，讓計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)處理以及工業(yè)控制方面有了更大的突破。

1．3中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

隨著晶體管的呈現(xiàn)，使得集成電路的發(fā)展更加順暢。不久之后，科研人員開(kāi)始著手于研究晶體管以及其他電學(xué)元件，以此來(lái)制作更加復(fù)雜高端精密的集成電路。在1959年，有位著名的發(fā)明學(xué)家叫做羅伯特羅伊斯，他發(fā)明的集成電路更加復(fù)雜化，是通過(guò)平面工藝生產(chǎn)出來(lái)的，可以應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。從那之后，計(jì)算機(jī)開(kāi)始利用中小規(guī)模集成電路來(lái)進(jìn)行技術(shù)發(fā)展，也就隨之進(jìn)入了第三個(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)代，被人們稱(chēng)為中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代與之前存在的兩個(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)代相比，又有所不同，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)的中心部分仍舊是存儲(chǔ)器，但是計(jì)算機(jī)的體積開(kāi)始不斷減小，與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)的能耗在不斷降低，但是運(yùn)算的速度以及可靠的程度卻又在不斷提升過(guò)程中。除此之外，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備得到完善與更新，它的功能組件強(qiáng)化，不僅可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理，還能夠在企業(yè)管理、輔助設(shè)計(jì)、輔助制造跟自動(dòng)控制領(lǐng)域進(jìn)行充分的應(yīng)用。

1．4大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提升，工業(yè)制造水平也在逐步提升，集成電路的技術(shù)有了新的發(fā)展。摩爾定律表明，當(dāng)價(jià)格不變的時(shí)候，集成電路上能夠容納的晶體管數(shù)目，每隔18個(gè)月就能夠增加一倍，在這個(gè)過(guò)程中，它的性能水平也在提升，計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代，被人們稱(chēng)為大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。自從1970年之后，以大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路為標(biāo)志的計(jì)算機(jī)開(kāi)啟了第四個(gè)全新的計(jì)算機(jī)時(shí)代。升級(jí)發(fā)展之后的第四代計(jì)算機(jī)的性能有了明顯的優(yōu)勢(shì)，存儲(chǔ)的容量明顯得到了提升，在一個(gè)一厘米的圓形芯片上可以容納上百萬(wàn)的電子元件。在這一時(shí)期，第四代計(jì)算機(jī)時(shí)代呈現(xiàn)出一個(gè)關(guān)鍵性的分化，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為依托不斷發(fā)展起來(lái)的微處理器以及微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以大致分為四個(gè)階段。第一個(gè)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(gè)類(lèi)型。第二個(gè)階段是1973年到1977年，這一個(gè)時(shí)間段是微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展以及創(chuàng)新的時(shí)期。第三個(gè)階段是從1978年開(kāi)始到1983年結(jié)束，在這一時(shí)間段里，是十六位微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段。第四個(gè)階段從1983年開(kāi)始，也是三十二位微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段。

2計(jì)算機(jī)技術(shù)的新發(fā)展方向與趨勢(shì)

時(shí)代在不斷變革和發(fā)展，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)也處在一個(gè)時(shí)刻發(fā)展與創(chuàng)新的過(guò)程中，但是隨著經(jīng)濟(jì)水平以及科技水平的提升，現(xiàn)代各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展也隨之進(jìn)行著，無(wú)論是生物領(lǐng)域還是物理領(lǐng)域，以及一些新材料的出現(xiàn)，都為新型計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定著前提條件。一系列新型計(jì)算機(jī)已經(jīng)在醞釀發(fā)展的過(guò)程中，比如生物計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)以及納米計(jì)算機(jī)等?；蛘哌@些新型計(jì)算機(jī)的發(fā)展還未成型或者技術(shù)發(fā)展沒(méi)有十分成熟，但是它們的呈現(xiàn)代表著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的新方向與新趨勢(shì)。

2.1生物計(jì)算機(jī)

生物計(jì)算機(jī)是一種全新的計(jì)算機(jī)類(lèi)型，還有一個(gè)別名叫做仿生計(jì)算機(jī)，它的創(chuàng)新之處在于使用了生物芯片替代了原本半導(dǎo)體上大量晶體管。生物計(jì)算機(jī)主要通過(guò)生物工程技術(shù)所出現(xiàn)的蛋白質(zhì)分子來(lái)作為主要的原料以及生物芯片，所以被叫做生物計(jì)算機(jī)。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(jié)構(gòu)，因此，它具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)，而且運(yùn)算能力非常強(qiáng)大，與傳統(tǒng)硅片相比更是略勝一籌。數(shù)據(jù)顯示，一毫克的DNA的存儲(chǔ)能力與一萬(wàn)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(shí)進(jìn)行兆個(gè)運(yùn)算指令。這一系列的優(yōu)勢(shì)因素都給生物計(jì)算機(jī)的成熟發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，讓它具備了集成電路所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，大致可以歸結(jié)于五點(diǎn)。第一點(diǎn)，生物計(jì)算機(jī)的體積比較小，但是容量卻比較大。第二，生物計(jì)算機(jī)具有良好的可靠性，這主要得益于計(jì)算機(jī)的內(nèi)部芯片，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，這個(gè)內(nèi)部芯片可以自行進(jìn)行恢復(fù)。第三，生物計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比較大，有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，一立方米的生物大分子溶液里大約可以存儲(chǔ)一萬(wàn)億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。第四，生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比較快，這主要得益于DNA能夠同時(shí)處理兆個(gè)指令的特別優(yōu)勢(shì)。第五，生物計(jì)算機(jī)具有良好的并行性。跟過(guò)去的計(jì)算機(jī)不同的是，生物計(jì)算機(jī)得益于DNA與蛋白質(zhì)，因此充分發(fā)揮并行功能。生物計(jì)算機(jī)以它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要工程，當(dāng)前，生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向主要有兩個(gè)，一個(gè)是研制有機(jī)分子元件，利用它來(lái)替換半導(dǎo)體元件，為分子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)提供幫助。另一個(gè)是通過(guò)不斷探究人腦結(jié)構(gòu)跟思維規(guī)律來(lái)研究生物計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，為生物計(jì)算機(jī)的成熟呈現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2．2量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)也是新型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它是建立在量子力學(xué)規(guī)律以及依托量子效應(yīng)和量子比特而進(jìn)行的超速運(yùn)算、強(qiáng)大存儲(chǔ)的一種新型計(jì)算機(jī)裝置。假如這個(gè)裝置處理和運(yùn)算時(shí)使用的是量子信息，那么在進(jìn)行量子算法的時(shí)候，就是所謂的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)與一般計(jì)算機(jī)的一個(gè)不同之處在于它不僅能夠使用0和1進(jìn)行存儲(chǔ)，還能夠用粒子的量子疊加來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)信息的匯總。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)四十位元的量子計(jì)算機(jī)可以解開(kāi)一千零二十四位的集成電路計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)幾十年才能夠解決的問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度令人驚嘆。到現(xiàn)在為止，全球還沒(méi)有呈現(xiàn)出一個(gè)成熟意義上的量子計(jì)算機(jī)，不同國(guó)家和地區(qū)的科研人員仍然沒(méi)有放棄努力，致力于對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究過(guò)程中，呈現(xiàn)出許多跟量子計(jì)算機(jī)相關(guān)的科學(xué)方案以及科學(xué)假設(shè)。在實(shí)際研究過(guò)程中，這一系列的科學(xué)方案仍然存在著一些不成熟的地方，但是伴隨著時(shí)代的進(jìn)步，相信量子計(jì)算機(jī)終究會(huì)被攻克，完美地呈現(xiàn)在人們的生活中。

2．3光子計(jì)算機(jī)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)著光學(xué)的發(fā)展，科研人員開(kāi)始著手用光子來(lái)替代電子，光運(yùn)算開(kāi)始慢慢取代電運(yùn)算，一系列的光學(xué)元件開(kāi)始取代電子元件與電子設(shè)備，不斷應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程中。光子計(jì)算機(jī)主要是運(yùn)用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯測(cè)算以及信息的存儲(chǔ)處理等的新型計(jì)算機(jī)，主要的優(yōu)勢(shì)可以歸納為三個(gè)方面：第一，強(qiáng)可靠性，光子沒(méi)有電荷，所以就不存在電磁相互作用，具有較強(qiáng)的可靠性。第二，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度極高，光子的并行性比較強(qiáng)，因此具有較強(qiáng)的處理能力，加上光子傳播速度很快，進(jìn)一步提升了光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。第三具有超大的存儲(chǔ)容量，光子互聯(lián)不受到電磁的干擾，因此具有較高的互聯(lián)密度。

2．4納米計(jì)算機(jī)

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(yīng)用解放了傳統(tǒng)意義上的晶體管。納米計(jì)算機(jī)解決了一些頑固的技術(shù)難題，與此同時(shí)，由于納米材料研發(fā)的芯片具有更低的生產(chǎn)成本，因此，納米計(jì)算機(jī)的發(fā)展前景更加樂(lè)觀(guān)。作為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，相信隨著科研人員的不斷探索與發(fā)現(xiàn)，納米計(jì)算機(jī)技術(shù)一定可以隨著時(shí)間的推移走進(jìn)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(wèn)題。

3總結(jié)

時(shí)代在不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平也在不斷提升。社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展要求越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)作為人們工作生活中一個(gè)必不可少的輔助用品，必將走在不斷發(fā)展的路上，微型、智能、多功能發(fā)展，生物計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)以及納米計(jì)算機(jī)等一系列新型計(jì)算機(jī)，作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向與趨勢(shì)一定可以破除各種技術(shù)阻礙，通過(guò)科研人員堅(jiān)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(gòu)建增添色彩。

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第8篇：量子計(jì)算的發(fā)展范文

多年來(lái)雖然摩爾定律已走到極限的說(shuō)法不絕于耳，但是半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步卻從來(lái)沒(méi)有停止。目前特征尺寸32nm的半導(dǎo)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(shí)，結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)也在進(jìn)行。2011年5月4日，Intel宣布經(jīng)過(guò)近十年的研究，在半導(dǎo)體技術(shù)上取得革命性突破，將推出被稱(chēng)為三柵極（Tri-Gate）的全新3D架構(gòu)晶體管設(shè)計(jì)，并將在年內(nèi)開(kāi)始批量制造。傳統(tǒng)的二位平面柵極結(jié)構(gòu)被豎起的3D硅鰭狀物代替，實(shí)現(xiàn)在晶體管在“關(guān)”狀態(tài)下的低功耗，并可實(shí)現(xiàn)“開(kāi)”、“關(guān)”狀態(tài)的快速切換，從而可以實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的電子器件。

多核處理器的成熟

2006年出現(xiàn)的雙核處理器標(biāo)志著以主頻論英雄的年代正式結(jié)束開(kāi)始，處理器領(lǐng)域已進(jìn)入一個(gè)多核時(shí)代，無(wú)論是業(yè)界巨 擘Intel還是AMD都已經(jīng)明確表示，今后CPU將會(huì)是雙核乃至多核的世界。多核設(shè)計(jì)為摩爾定律帶來(lái)了新的生命力，在保持較低的時(shí)鐘頻率的同時(shí)，提高并行處理能力和計(jì)算密度，大大減少了散熱和功耗。多核處理器提供了高性?xún)r(jià)比和高效節(jié)能的新途徑，可以緩解當(dāng)今處理器設(shè)計(jì)所面臨的各種挑戰(zhàn)。多核處理器是已成為主流處理器的發(fā)展趨勢(shì)。

由于多核技術(shù)仍然是基于傳統(tǒng)的“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu)，處理器內(nèi)核數(shù)量的增加并沒(méi)有緩解并行處理技術(shù)中算法并行化、并行編程的難題，多核的性能并不能充分發(fā)揮。因此近年來(lái)內(nèi)核數(shù)量增加的速度有所減緩，集成多種功能電路的混合異構(gòu)多核成為流行的結(jié)構(gòu)，目前Intel的酷睿二代處理器采用四核結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成顯示芯片。

超級(jí)計(jì)算機(jī)從高性能到高效能轉(zhuǎn)變

國(guó)外歷來(lái)強(qiáng)調(diào)高性能計(jì)算器在國(guó)家安全關(guān)鍵領(lǐng)域的戰(zhàn)略作用。美國(guó)早年提出的“加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新”（ASCI）計(jì)劃，其目的就是在全球全面禁止核試驗(yàn)的情況下，美國(guó)能夠繼續(xù)保持它的核威懾能力和核壟斷地位。主要的手段是利用數(shù)學(xué)方程和三維建模仿真核武器的爆炸效果，確保現(xiàn)有庫(kù)存核武器的性能、安全和可靠性。從1997年到2007年，為ASCI計(jì)劃專(zhuān)門(mén)研制的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，已經(jīng)經(jīng)歷了五代，2004年達(dá)到100萬(wàn)億次，2010年達(dá)到1000萬(wàn)億次量級(jí)的高性能計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)2015年達(dá)到萬(wàn)萬(wàn)億次以上量級(jí)。我國(guó)的“天河一號(hào)”目前名列超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜首，速度高達(dá)4700萬(wàn)億次。

除了性能的不斷提高，計(jì)算機(jī)處理的效能也在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域逐步得到重視。據(jù)估算，一臺(tái)持續(xù)千萬(wàn)億次計(jì)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要專(zhuān)門(mén)建設(shè)發(fā)電站，每年的電費(fèi)開(kāi)銷(xiāo)可能高達(dá)1億元以上。根據(jù)超級(jí)計(jì)算機(jī)世界500強(qiáng)排行榜重新排序的綠色500強(qiáng)排行榜中，IBM的超級(jí)計(jì)算機(jī)排名榜首，功耗效率達(dá)到1684Mflops/瓦，“天河一號(hào)”排在第十位，為635 Mflops/瓦。

不斷探索采用新器件、新原理的計(jì)算機(jī)

以硅晶體管為基本單元的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在小型化的過(guò)程中將逐步接近其物理極限。研究表明，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的快慢與芯片之間信號(hào)傳輸?shù)乃俣戎苯酉嚓P(guān)，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在傳輸信號(hào)的過(guò)程中會(huì)吸收掉一部分信號(hào)，從而延長(zhǎng)了信息傳輸?shù)臅r(shí)間。

據(jù)報(bào)道，美國(guó)紐約倫斯雷爾·保利技術(shù)公司的科學(xué)家發(fā)明了一種利用空氣的絕緣性能來(lái)成倍地提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的新技術(shù)：芯片或晶體管之間由膠滯體包裹的導(dǎo)線(xiàn)連接，“空氣膠滯體”導(dǎo)線(xiàn)幾乎不吸收任何信號(hào)，因而能夠更迅速地傳輸各種信息，可以成倍地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。

將納米技術(shù)與計(jì)算機(jī)制造技術(shù)相結(jié)合的納米計(jì)算機(jī)（Nanometer Computer）也是很有發(fā)展前景。現(xiàn)在納米技術(shù)正從MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積不過(guò)數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，10年后納米技術(shù)將會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

此外，以生物計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)為代表的新概念計(jì)算機(jī)研究也非常引人注目。

生物計(jì)算機(jī)（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成（所以又稱(chēng)分子計(jì)算機(jī)）。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，運(yùn)算速度比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十分之一，并且擁有巨大的存儲(chǔ)能力。由于蛋白質(zhì)分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能自動(dòng)修復(fù)芯片發(fā)生的故障，還能模仿人腦的思考機(jī)制。

美國(guó)已研制出生物計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)入實(shí)用階段。

光子計(jì)算機(jī)（Optical Computer）

光子計(jì)算機(jī)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(hào)傳輸根本不需要導(dǎo)線(xiàn)，即使在光線(xiàn)交匯時(shí)也不會(huì)互相干擾、互相影響。一塊直徑僅2厘米的光棱鏡可通過(guò)的信息比特率可以超過(guò)全世界現(xiàn)有全部電纜總和的300多倍。光腦還具有與人腦相似的容錯(cuò)性，如果系統(tǒng)中某一元件遭到損壞或運(yùn)算出現(xiàn)局部錯(cuò)誤時(shí)，并不影響最終的計(jì)算結(jié)果。目前光腦的許多關(guān)鍵技術(shù)，如光存儲(chǔ)技術(shù)、光存儲(chǔ)器、光電子集成電路（OIC）等都已取得突破?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)，光子計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步研制將是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的重大課題。

量子計(jì)算機(jī)（Quantum Computer）

量子計(jì)算機(jī)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)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(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算, 其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的PentiumⅢ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(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國(guó)家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。

第9篇：量子計(jì)算的發(fā)展范文

關(guān)鍵詞： RSA密碼系統(tǒng)； 量子密碼 ； 一次一密； 量子密鑰分發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN918?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）21?0083?03

0 引 言

保密通信在人類(lèi)社會(huì)中有著重要的地位，關(guān)系到國(guó)家的軍事、國(guó)防、外交等領(lǐng)域，同時(shí)也與人們的日常生活息息相關(guān)，如銀行帳戶(hù)存取、網(wǎng)絡(luò)郵箱管理等。保密通信關(guān)鍵在于密碼協(xié)議，簡(jiǎn)稱(chēng)“密鑰”。密鑰的安全性關(guān)系到通信的保密性。密碼學(xué)的發(fā)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(shù)的相互博弈中發(fā)展前行的，兩者互為勁敵，但又互相促進(jìn)。隨著量子計(jì)算機(jī)理論的發(fā)展，傳統(tǒng)的安全通信系統(tǒng)從原理上講已不再安全。那么，是否存在一種無(wú)條件安全的通信呢？量子密碼又將給信息的安全傳輸帶來(lái)怎樣的新思路呢？本文從科學(xué)史的角度分析人類(lèi)傳統(tǒng)的密碼方案，考察量子密碼發(fā)展的來(lái)龍去脈，為科學(xué)家提供關(guān)于量子密碼的宏觀(guān)視角，以便更好地推進(jìn)關(guān)于量子密碼的各項(xiàng)科學(xué)研究。

1 人類(lèi)歷史上影響巨大的密鑰思想

密碼學(xué)有著古老歷史，在近代逐漸發(fā)展成為一門(mén)系統(tǒng)的應(yīng)用科學(xué)。密碼是一個(gè)涉及互相不信任的兩方或多方的通信或計(jì)算問(wèn)題。在密碼學(xué)中，要傳送的以通用語(yǔ)言明確表達(dá)的文字內(nèi)容稱(chēng)為明文，由明文經(jīng)變換而形成的用于密碼通信的那一串符號(hào)稱(chēng)為密文，把明文按約定的變換規(guī)則變換為密文的過(guò)程稱(chēng)為加密，收信者用約定的變換規(guī)則把密文恢復(fù)為明文的過(guò)程稱(chēng)為解密。敵方主要圍繞所截獲密文進(jìn)行分析以找出密碼變換規(guī)則的過(guò)程，稱(chēng)為破譯。密碼協(xié)議大致可以分為兩類(lèi)：私鑰密碼系統(tǒng)（Private Key Cryptosystem）和公鑰密碼系統(tǒng)（Public Key Cryposystem）。

1.1 我國(guó)古代的一種典型密鑰——陰符

陰符是一種秘密的兵符，在戰(zhàn)爭(zhēng)中起到了非常重要的作用。據(jù)《六韜·龍韜·陰符》記載，陰符是利用不同的長(zhǎng)度來(lái)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(qǐng)求補(bǔ)給糧草、增加兵力”；三寸的兵符代表“戰(zhàn)斗失利，士卒傷亡”。

從現(xiàn)在的密碼學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這是一種“私鑰”，私鑰密碼系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)言之就是：通信雙方享有同一個(gè)他人不知道的私鑰，加密和解密的具體方式依賴(lài)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(lái)暗中傳遞消息，而不泄露朝廷和戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)密的通信手段。即便是陰符被敵軍截去，也無(wú)法識(shí)破它的奧秘。由于分配密鑰的過(guò)程有可能被竊聽(tīng)，它的保密性是由軍令來(lái)保證的。

1.2 古斯巴達(dá)人使用的“天書(shū)”

古斯巴達(dá)人使用的“sc仔tale”密碼，譯為“天書(shū)”。天書(shū)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(xiàn)明文所要表達(dá)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(shū)”的示意圖，它也是一種“私鑰”，信息的發(fā)送方在信息時(shí)將細(xì)長(zhǎng)的紙條纏繞在某一直徑的圓柱體上書(shū)寫(xiě)，寫(xiě)好后從圓柱體上拿下來(lái)便是密文。但是，它的保密性也非常的有限，只要找到對(duì)應(yīng)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(jì)由凱撒大帝（Caesar）親自設(shè)計(jì)用于傳遞軍事文件的秘密通信工具，當(dāng)凱撒密碼被用于高盧戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，起到了非常重要的作用。圖2為“凱撒密表”。從現(xiàn)代密碼學(xué)的角度看，它的密鑰思想非常簡(jiǎn)單，加密時(shí)，每個(gè)字母用其后的第[n]個(gè)字母表示，解密的過(guò)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(guó)密碼機(jī)——“恩尼格瑪”

二戰(zhàn)期間德國(guó)用來(lái)傳遞軍事機(jī)密的“ENIGMA”密碼機(jī)，它的思想基本類(lèi)似于“凱撒密表”，但比“凱撒密表”復(fù)雜很多倍，它的結(jié)構(gòu)主要分為三部分：鍵盤(pán)、密鑰輪和顯示燈盤(pán)。鍵盤(pán)可以用于輸入明文，顯示燈盤(pán)用于輸出密文，密鑰輪是其核心部分，通常由3個(gè)橡膠或膠木制成的直徑為6 cm的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，密鑰輪可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行編制密碼，能夠編制出各種各樣保密性相當(dāng)強(qiáng)的密碼。它的神奇之處在于它不是一種簡(jiǎn)單的字母替換，同一個(gè)字母在明文的不同位置時(shí)，可以被不同的字母替換。而密文中不同位置的同一個(gè)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(wàn)無(wú)一失，由于德國(guó)人太迷戀自己的“ENIGMA”密碼機(jī)，久久不愿更換密鑰，所以免不了被破譯的結(jié)局。

2 目前人類(lèi)廣泛使用的密鑰及其存在的問(wèn)題

2.1 現(xiàn)代廣泛使用的密碼系統(tǒng)——RSA密碼系統(tǒng)受到前所未有的挑戰(zhàn)

現(xiàn)代廣泛被用于電子銀行、網(wǎng)絡(luò)等民用事業(yè)的RSA密碼系統(tǒng)是一種非對(duì)稱(chēng)密鑰。早在20世紀(jì)60年代末70年代初，英國(guó)情報(bào)機(jī)構(gòu)（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(lèi)似的密碼系統(tǒng)，并以三個(gè)人的名字命名為“RSA”。它是一種公鑰密碼系統(tǒng)，工作原理如下：假設(shè)通信雙方分別為Bob和Alice。Bob公布一個(gè)公鑰，Alice用這個(gè)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B(niǎo)ob有與公鑰配對(duì)的私鑰。

RSA公鑰密碼系統(tǒng)巧妙地運(yùn)用了分解因數(shù)和解離散對(duì)數(shù)這類(lèi)難題，它的安全性依賴(lài)于計(jì)算的復(fù)雜性。雖然原理上可以計(jì)算出，但是計(jì)算出來(lái)也需要幾萬(wàn)年的時(shí)間。然而，隨著量子計(jì)算機(jī)理論的成熟，RSA密碼體受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，隨著計(jì)算時(shí)間的縮短，RSA密碼系統(tǒng)的安全性令人堪憂(yōu)，RSA密碼系統(tǒng)有可能隨著量子時(shí)代的到來(lái)被人類(lèi)完全拋棄。

2.2 “一次一密”的最大的問(wèn)題是密鑰分配

RSA密碼系統(tǒng)受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)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(dāng)中使用與消息長(zhǎng)度等長(zhǎng)的隨機(jī)密鑰， 密鑰本身只使用一次。原理如下：首先選擇一個(gè)隨機(jī)位串作為密鑰，然后將明文轉(zhuǎn)變成一個(gè)位串，比如使用明文的ASCII表示法。最后，逐位計(jì)算這兩個(gè)位串的異或值，結(jié)果得到的密文不可能被破解，因?yàn)榧词褂辛俗銐驍?shù)量的密文樣本，每個(gè)字符的出現(xiàn)概率都是相等的，每任意個(gè)字母組合出現(xiàn)的概率也是相等的。香農(nóng)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(zhǎng)的密碼本，并且需要經(jīng)常更換，它的漏洞在于密鑰在傳遞和分發(fā)上存在很大困難?？茖W(xué)家試圖使用公鑰交換算法如RSA[2]，DES[3]等方式進(jìn)行密鑰交換， 但都使得一次一密的安全性降低。因此，經(jīng)典保密通信系統(tǒng)最大的問(wèn)題是密鑰分配。

3 量子密碼結(jié)合“一次一密”實(shí)現(xiàn)無(wú)條件保密

通信

量子密碼學(xué)是量子力學(xué)和密碼學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，簡(jiǎn)言之，就是利用信息載體的量子特性，以量子態(tài)作為符號(hào)描述的密碼。

3.1 運(yùn)用科學(xué)史的視角探究量子密碼的發(fā)展過(guò)程

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

第一個(gè)量子密碼術(shù)方案的提出是在1984年，Charles Bennett， Gills Brassard提出一種無(wú)竊聽(tīng)的保密協(xié)議，即，BB84方案[5]，時(shí)隔5年后有了實(shí)驗(yàn)原型[6]。隨后，各類(lèi)量子密碼術(shù)相繼出現(xiàn)，如簡(jiǎn)單效率減半方案——B92方案[7] 。

1994年后，RSA密碼系統(tǒng)面臨前所未有的威脅，因?yàn)?，?jīng)典保密通信依賴(lài)于計(jì)算的復(fù)雜性，然而，Peter Shor 提出尋找整數(shù)的質(zhì)因子問(wèn)題和所謂離散對(duì)數(shù)的問(wèn)題可以用量子計(jì)算機(jī)有效解決[8]。1995年，Lov Gover 證明在沒(méi)有結(jié)構(gòu)的搜索空間上搜索問(wèn)題在量子計(jì)算機(jī)上可以被加速，論證了量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)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(jì)算的驚人能力，另一方面，由于經(jīng)典密碼系統(tǒng)受到嚴(yán)重威脅，促使各國(guó)將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向量子密碼學(xué)。

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(gè)難題。

量子密鑰在傳輸過(guò)程中，如果有竊聽(tīng)者存在，他必然要復(fù)制或測(cè)量量子態(tài)。然而，測(cè)不準(zhǔn)原理和量子不可克隆定理指出，一個(gè)未知的量子態(tài)不能被完全拷貝，由某一個(gè)確定的算符去測(cè)量量子系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)致不完備的測(cè)量，從而得不到量子態(tài)的全部信息。另外，測(cè)量塌縮理論指出測(cè)量必然導(dǎo)致態(tài)的改變，從而被發(fā)現(xiàn)，通信雙方可以放棄原來(lái)的密鑰，重新建立密鑰，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)無(wú)竊聽(tīng)保密通信。量子密碼的安全性不是靠計(jì)算的復(fù)雜性來(lái)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(fā)，竊聽(tīng)行為可以被檢測(cè)。因此，使用量子密鑰分配分發(fā)的安全密鑰，結(jié)合“一次一密”的加密方法，可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的保密通信。

4 結(jié) 語(yǔ)

與經(jīng)典密碼系統(tǒng)相比較，量子密碼不會(huì)受到計(jì)算速度提高的威脅，并且可以檢測(cè)到竊聽(tīng)者的存在，在提出近30年的時(shí)間里，逐漸從理論轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)，有望為下一代保密通信提供保障，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的保密通信。

參考文獻(xiàn)

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

[3] 王偉，郭錫泉.一次一密DES算法的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)安全，2006（5）：17?18.

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

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