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關鍵詞：數字攝影測量 計算機視覺 多目立體視覺 影像匹配

引言

攝影測量學是一門古老的學科，若從1839年攝影術的發明算起，攝影測量學已有170多年的歷史，而被普遍認為攝影測量學真正起點的是1851―1859年“交會攝影測量”的提出。在這漫長的發展過程中，攝影測量學經歷了模擬法、解析法和數字化三個階段。模擬攝影測量和解析攝影測量分別是以立體攝影測量的發明和計算機的發明為標志，因此很大程度上，計算機的發展決定了攝影測量學的發展。在解析攝影測量中，計算機用于大規模的空中三角測量、區域網平差、數字測圖，還用于計算共線方程，在解析測圖儀中起著控制相片盤的實時運動，交會空間點位的作用。而出現在數字攝影測量階段的數字攝影測量工作站（digital　photogrammetry　workstation，DPW）就是一臺計算機+各種功能的攝影測量軟件。如果說從模擬攝影測量到解析攝影測量的發展是一次技術的進步，那么從解析攝影測量到數字攝影測量的發展則是一場技術的革命。數字攝影測量與模擬、解析攝影測量的最大區別在于：它處理的是數字影像而不再是模擬相片，更為重要的是它開始并將不斷深入地利用計算機替代作業員的眼睛。[1-2]毫無疑問，攝影測量進入數字攝影測量時代已經與計算機視覺緊密聯系在一起了[2]。

計算機視覺是一個相對年輕而又發展迅速的領域。其目標是使計算機具有通過二維圖像認知三維環境信息的能力，這種能力將不僅使機器能感知三維環境中物體的幾何信息，包括它的形狀、位置、姿態、運動等，而且能對它們進行描述、存儲、識別與理解[3]。數字攝影測量具有類似的目標，也面臨著相同的基本問題。數字攝影測量學涉及多個學科，如圖像處理、模式識別以及計算機圖形學等。由于它與計算機視覺的聯系十分緊密，有些專家將其看做是計算機視覺的分支。

數字攝影測量的發展已經借鑒了許多計算機視覺的研究成果[4]。數字攝影測量發展導致了實時攝影測量的出現，所謂實時攝影測量是指利用多臺CCD數字攝影機對目標進行影像獲取，并直接輸入計算機系統中，在實時軟件的幫助下，立刻獲得和提取需要的信息，并用來控制對目標的操作[1]。在立體觀測的過程中，其主要利用計算機視覺方法實現計算機代替人眼。隨著數碼相機技術的發展和應用，數字近景攝影測量已經成為必然趨勢。近景攝影測量是利用近距離攝影取得的影像信息，研究物體大小形狀和時空位置的一門新技術，它是一種基于數字信息和數字影像技術的數據獲取手段。量測型的計算機視覺與數字近景攝影測量的學科交叉將會在計算機視覺中形成一個新的分支――攝影測量的計算機視覺，但是它不應僅僅局限于地學信息[2]。

1.　計算機視覺與數字攝影測量的差異

1.1　目的不同導致二者的坐標系和基本公式不同

攝影測量的基本任務是嚴格建立相片獲取瞬間所存在的像點與對應物點之間的幾何關系，最終實現利用攝影片上的影像信息測制各種比例尺地形圖，建立地形數據庫，為各種地理信息系統建立或更新提供基礎數據。因此，它是在測繪領域內發展起來的一門學科。

而計算機視覺領域的突出特點是其多樣性與不完善性。計算機視覺的主要任務是通過對采集的圖片或視頻進行處理以獲得相應場景的三維信息，因此直到計算機的性能提高到足以處理大規模數據時它才得到正式的關注和發展，而這些發展往往起源于其他不同領域的需要。比如在一些不適合于人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用計算機來替代人工視覺。

由于攝影測量是測繪地形圖的重要手段之一，為了測繪某一地區而攝影的所有影像，必須建立統一的坐標系。而計算機視覺是研究怎樣用計算機模擬人的眼睛，因此它是以眼睛（攝影機中心）與光軸構成的坐標系為準。因此，攝影測量與計算機視覺目的不同，導致它們對物體與影像之間關系的描述也不同。

1.2　二者處理流程不同

2.　可用于數字攝影測量領域的計算機視覺理論――立體視覺

2.1　立體視覺

立體視覺是計算機視覺中的一個重要分支，一直是計算機視覺研究的重點和熱點之一，在20多年的發展過程中，逐漸形成了自己的方法和理論。立體視覺的基本原理是從兩個（或多個）視點觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計算像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。一個完整的立體視覺系統通?？煞譃閳D像獲取、攝像機定標、特征提取、影像匹配、深度確定及內插等6個大部分[5]。其中影像匹配是立體視覺中最重要也是最困難的問題，也是計算機視覺和數字攝影測量的核心問題。

2.2　影像匹配

立體視覺的最終目的是為了恢復景物可視表面的完整信息。當空間三維場景被投影為二維圖像時，同一景物在不同視點下的圖像會有很大不同，而且場景中的諸多因素，如光照條件，景物幾何形狀和物理特性、噪聲干擾和畸變以及攝像機特性等，都被綜合成單一的圖像中的灰度值。因此，要準確地對包含了如此之多不利因素的圖像進行無歧義的匹配，顯然是十分困難的。

在攝影測量中最基本的過程之一就是在兩幅或者更多幅的重疊影像中識別并定位同名點，以產生立體影像。在模擬攝影測量和解析攝影測量中，同名點的識別是通過人工操作方式完成的；而在數字攝影測量中則利用計算機代替人工解決同名點識別的問題，即采用影像匹配的方法。

2.3　多目立體視覺

根據單張相片只能確定地面某個點的方向，不能確定地面點的三維空間位置，而有了立體像對則可構成與地面相似的立體模型，解求地面點的空間位置。雙目立體視覺由不同位置的兩臺或者一臺攝像機（CCD）經過移動或旋轉拍攝同一幅場景，就像人有了兩只眼睛，才能看三維立體景觀一樣，然后通過計算空間點在兩幅圖像中的視差，獲得該點的三維坐標值。現在的數字攝影測量中的立體像對技術通常是在一條基線上進行的，但是由于采用計算機匹配替代人眼測定影像同名像對時存在大量的誤匹配，使自動匹配的結果很不可靠。其存在的問題主要是，對存在特殊結構的景物，如平坦、缺乏紋理細節、周期性的重復特征等易產生假匹配；在攝像機基線距離增大時，遮擋嚴重，能重建的空間點減少。為了解決這些問題，降低雙目匹配的難度，自1986年以來出現了三目立體視覺系統，即采用3個攝像機同時攝取空間景物，通過利用第三目圖像提供的信息來消除匹配的歧義性[5]。采用“多目立體視覺技術”可以利用攝影測量的空中三角測量原理，對多度重疊點進行“多方向的前方交會”，既能較有效地解決隨機的誤匹配問題，同時又能增加交會角，提高高程測量的精度[2]。這項技術的應用，將很大程度地解決自動匹配結果的不可靠性，提高數字攝影測量系統的準確性。

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關鍵詞：計算機 趨勢 發展

一、計算機科學與技術的發展趨勢

（一）計算機科學與技術實現了智能化的超級計算

可能你不知道，超高速計算機采用平行處理技術改進計算機結構，使計算機系統同時執行多條指令或同時對多個數據進行處理，進一步提高計算機運行速度。超級計算機通常是由數百數千甚至更多的處理器（機）組成，能完成普通計算機和服務器不能計算的大型復雜任務。從超級計算機獲得數據分析和模擬成果，能推動各個領域高精尖項目的研算、傳翰和存儲。光子計算機即全光數字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數據，可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速地并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升?？傊嬎銠C科學與技術實現了智能化的超級計算。

（二）計算機科學與技術實現了分子計算機

大家都知道，分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其它分子形式與外部環境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、分子化學反應算法等幾種類型。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進制數據。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進人實用階段。也就是說計算機科學與技術實現了分子計算機。

（三）計算機科學與技術實現了納米計算機

納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質地堅固，有著極強的導電性，能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品?，F在納米技術正從微電子算機也會像現在的馬達一樣，存在于家中的各種電器中，那時問你家里有多少計算機，你也數不清，你的筆記本，書籍都已電子化。再過十幾、二十幾年，可能學生們上課用的不再是教科書，而只是一個筆記本大小的計算機，不同的學生可以根據自己的需要方便地從中查到想要的資料所以有人預言未來計算機可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計算機將成為不被人注意的最常用的日用品。

（四）計算機科學與技術實現了量子計算機

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態。使信息沿著聚合物移動。從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲。由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前計算機的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。目前已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機使計算的概念煥然一新。

二、計算機科學與技術的發展趨勢總結

計算機科學與技術的發展，將朝著向信息的智能化發展。計算機技術的大多數領域以應用學科和工程學科的出現為標志，這些學科的職責是促進與實踐有關的認識的發展，這些學科常吸收更為基礎的學科，提高就能有實踐的進步，在對計算機技術研究中，發現常有另外一條路徑，這個過程存在著強烈的相互作用，有關半導體是如何運行的理論也建立了起來，這是用它們能夠使計算機技術的實踐中普遍存在的問題得到解決，或者說是促進實踐的發展。能實現或更困難一些。顯然，選擇機制在計算機技術的實踐進化和認識進化之間明顯地提供了一種雙向的連接，推動計算機技術的快速發展。參考文獻：

[1]王華.計算機技術發展[J].電腦與電信，2013（02）.

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[關鍵詞]：計算科學　計算工具　圖靈模型　量子計算

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A　文章編號：1003-8809(2010)-09-0004-01

1、“摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題，學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉換為計算的結果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發展的運動被哲學界認為是禁止的，因此，傳統電子計算機的計算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學家認為到21世紀30年代，芯片內導線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時，導線內運動的電子將不再遵循經典物理規律――牛頓力學沿導線運行，而是按照量子力學的規律表現出奇特的“電子亂竄”的現象，從而導致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應干擾而呈現出奇特的反常效應。

哲學家和科學家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發展的可喜景象很可能在21世紀前30年內終止。著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學)。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想―發現―解釋―夢想”的不斷循環，我們可以開拓一個個新領域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯系和有意義的?！盵論/文/網LunWenNe#Com]

2、量子計算系統

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀80年代。物理學家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統的電子計算機模擬量子力學對象的行為。他遇到一個問題：量子力學系統的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發生的情況就會多出一倍，也就是問題的規模呈指數級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了，不過，在費曼眼里，這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面，量子力學系統的行為也具有良好的可預測性：在干涉實驗中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認為如果算出干涉實驗中發生的現象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實驗，測量其結果，就恰好相當于完成了一個復雜的計算。因此，只要在計算機運行的過程中，允許它在真實的量子力學對象上完成實驗，并把實驗結果整合到計算中去，就可以獲得遠遠超出傳統計算機的運算速度。

在費曼設想的啟發下，1985年英國牛津大學教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學定律推導出一種超越傳統的計算概念的方法即推導出更強的丘奇――圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現的，即把計算看作由“神諭”來實現的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領域內確實比傳統計算更強，例如，現代信息安全技術的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(如1024位的十進制數)分解為兩個質數的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數的質因子分解問題，大約需要28萬年，這已經遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數位數的增多指數級增大，也就是說如果要分解2046位的整數，所需要的時間已經遠遠超過宇宙現有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數了。

3、量子計算中的神諭

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經過電子管計算機，晶體管計算機，到現在的電子計算機，再到量子計算。筆者發現這其中的過程讓人思考：首先是人們發現用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算，隨后，人們發明了算盤，來幫助人們進行計算。當人們發現不僅人手可以搬動“算珠”，機器也可以用來搬動“算珠”，而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時，數學家們開始對計算的本質展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現，則徹底打破了這種認識與創新規律。它建立在對量子力學實驗的在現實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復雜的大量運算?？梢哉f，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”，即使是最先進的電子計算機的CPU內部，64位的寄存器(register)，也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒有人弄清楚神諭內部的機理，卻對“神諭”內部產生的結果深信不疑。人們可以把它當作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內部發生了什么和為什么這樣發生確并不知道。

4、“神諭”的挑戰與人類自身的回應人類的思考能力

隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯網的出現，大大加強了人類整體的科研能力，那么，量子計算系統的產生，會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當今時代的量子“神諭”。不僅如此，量子計算系統會更加深刻的揭示計算的本質，把人類對計算本質的認識從牛頓世界中擴充到量子世界中。

如果觀察歷史，會發現人類文明不斷增多的“發現”已經構成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統在不斷的增大，隨著該系統的不斷增大，人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規律：

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關鍵詞:計算科學計算工具圖靈模型量子計算

1計算的本質

抽象地說,所謂計算,就是從一個符號串f變換成另一個符號串g。比如說,從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。定理證明也是如此,令f表示一組公理和推導規則,令g是一個定理,那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個角度看,文字翻譯也是計算,如f代表一個英文句子,而g為含意相同的中文句子,那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串)開始,一步一步地改變符號(串),經過有限步驟,最后得到一個滿足預先規定的符號(串)的變換過程。

從類型上講,計算主要有兩大類:數值計算和符號推導。數值計算包括實數和函數的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導包括代數與各種函數的恒等式、不等式的證明,幾何命題的證明等。但無論是數值計算還是符號推導,它們在本質上是等價的、一致的,即二者是密切關聯的,可以相互轉化,具有共同的計算本質。隨著數學的不斷發展,還可能出現新的計算類型。

2遠古的計算工具

人們從開始產生計算之日,便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此,計算和計算工具是息息相關的。

早在公元前5世紀,中國人已開始用算籌作為計算工具,并在公元前3世紀得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后來,人們發明了算盤,并在15世紀得到普遍采用,取代了算籌。它是在算籌基礎上發明的,比算籌更加方便實用,同時還把算法口訣化,從而加快了計算速度。

3近代計算系統

近代的科學發展促進了計算工具的發展:在1614年,對數被發明以后,乘除運算可以化為加減運算,對數計算尺便是依據這一特點來設計。1620年,岡特最先利用對數計算尺來計算乘除。1850年,曼南在計算尺上裝上光標,因此而受到當時科學工作者,特別是工程技術人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現的,是計算工具上的一大發明。帕斯卡于1642年發明了帕斯卡加法器。在1671年,萊布尼茨發明了一種能作四則運算的手搖計算器,是長1米的大盒子。自此以后,經過人們在這方面多年的研究,特別是經過托馬斯、奧德內爾等人的改良后,出現了多種多樣的手搖計算器,并風行全世界。

4電動計算機

英國的巴貝奇于1834年,設計了一部完全程序控制的分析機,可惜礙于當時的機械技術限制而沒有制成,但已包含了現代計算的基本思想和主要的組成部分了。此后,由于電力技術有了很大的發展,電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計算器,實現了100多年前巴貝奇的理想。

5電子計算機

20世紀初,電子管的出現,使計算器的改革有了新的發展,美國賓夕法尼亞大學和有關單位在1946年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現和發展,使人類進入了一個全新的時代。它是20世紀最偉大的發明之一,也當之無愧地被認為是迄今為止由科學和技術所創造的最具影響力的現代工具。

在電子計算機和信息技術高速發展過程中,因特爾公司的創始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對電子計算機產業所依賴的半導體技術的發展作出預言:半導體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實證明,自20世紀60年代以后的數十年內,芯片的集成度和電子計算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番,而價格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發展速度被公認為“摩爾定律”。

6“摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題,學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉換為計算的結果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發展的運動被哲學界認為是禁止的,因此,傳統電子計算機的計算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學家認為到21世紀30年代,芯片內導線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米),此時,導線內運動的電子將不再遵循經典物理規律——牛頓力學沿導線運行,而是按照量子力學的規律表現出奇特的“電子亂竄”的現象,從而導致芯片無法正常工作;同樣,芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后,晶體管也將受到量子效應干擾而呈現出奇特的反常效應。

哲學家和科學家對此問題的看法十分一致:摩爾定律不久將不再適用。也就是說,電子計算機計算能力飛速發展的可喜景象很可能在21世紀前30年內終止。著名科學家,哈佛大學終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學)。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢想—發現—解釋—夢想”的不斷循環,我們可以開拓一個個新領域,世界最終會變得越來越清晰,我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯系和有意義的7量子計算系統

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀80年代。物理學家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統的電子計算機模擬量子力學對象的行為。他遇到一個問題:量子力學系統的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現象為例,在干涉過程中,相互作用的光子每增加一個,有可能發生的情況就會多出一倍,也就是問題的規模呈指數級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了,不過,在費曼眼里,這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面,量子力學系統的行為也具有良好的可預測性:在干涉實驗中,只要給定初始條件,就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認為如果算出干涉實驗中發生的現象需要大量的計算,那么搭建這樣一個實驗,測量其結果,就恰好相當于完成了一個復雜的計算。因此,只要在計算機運行的過程中,允許它在真實的量子力學對象上完成實驗,并把實驗結果整合到計算中去,就可以獲得遠遠超出傳統計算機的運算速度。

在費曼設想的啟發下,1985年英國牛津大學教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學定律推導出一種超越傳統的計算概念的方法即推導出更強的丘奇——圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時,不需要考慮計算是如何實現的,即把計算看作由“神諭”來實現的:這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計算在一些特定的計算領域內確實比傳統計算更強,例如,現代信息安全技術的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(如1024位的十進制數)分解為兩個質數的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數的質因子分解問題,大約需要28萬年,這已經遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且,分解的難度隨著整數位數的增多指數級增大,也就是說如果要分解2046位的整數,所需要的時間已經遠遠超過宇宙現有的年齡。而利用一臺量子計算機,我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數了。

8量子計算中的神諭

人類的計算工具,從木棍、石頭到算盤,經過電子管計算機,晶體管計算機,到現在的電子計算機,再到量子計算。筆者發現這其中的過程讓人思考:首先是人們發現用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算,隨后,人們發明了算盤,來幫助人們進行計算。當人們發現不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“算珠”,而且效率更高,速度更快。隨后,人們用繼電器替代了純機械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時,數學家們開始對計算的本質展開了研究,圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現,則徹底打破了這種認識與創新規律。它建立在對量子力學實驗的在現實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復雜的大量運算?？梢哉f。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前,所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進的電子計算機的CPU內部,64位的寄存器(register),也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同,對于量子計算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內部的機理,卻對“神諭”內部產生的結果深信不疑。人們可以把它當作一個黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對于黑盒子內部發生了什么和為什么這樣發生確并不知道。

9“神諭”的挑戰與人類自身的回應人類的思考能力,隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯網的出現,大大加強了人類整體的科研能力,那么,量子計算系統的產生,會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當今時代的量子“神諭”。不僅如此,量子計算系統會更加深刻的揭示計算的本質,把人類對計算本質的認識從牛頓世界中擴充到量子世界中。

如果觀察歷史,會發現人類文明不斷增多的“發現”已經構成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統在不斷的增大,隨著該系統的不斷增大,人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規律:

“計算工具不斷發展—整體思維能力的不斷增強—公理系統的不斷擴大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產生”不斷循環。

無論量子計算的本質是否被發現,也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會隨著量子計算機工具的發展而得到解決,它將“計算科學”從牛頓時代引向量子時代,并會給人類文明帶來更加深刻的影響。

參考文獻

[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation[M].CambridgeUniversityPress,2000.

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抽象地說，所謂計算，就是從一個符號串f變換成另一個符號串g.比如說，從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。定理證明也是如此，令f表示一組公理和推導規則，令g是一個定理，那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個角度看，文字翻譯也是計算，如f代表一個英文句子，而g為含意相同的中文句子，那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號（串）開始，一步一步地改變符號（串），經過有限步驟，最后得到一個滿足預先規定的符號（串）的變換過程。

從類型上講，計算主要有兩大類：數值計算和符號推導。數值計算包括實數和函數的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導包括代數與各種函數的恒等式、不等式的證明，幾何命題的證明等。但無論是數值計算還是符號推導，它們在本質上是等價的、一致的，即二者是密切關聯的，可以相互轉化，具有共同的計算本質。隨著數學的不斷發展，還可能出現新的計算類型。

2遠古的計算工具

人們從開始產生計算之日，便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此，計算和計算工具是息息相關的。

早在公元前5世紀，中國人已開始用算籌作為計算工具，并在公元前3世紀得到普遍的采用，一直沿用了二千年。后來，人們發明了算盤，并在15世紀得到普遍采用，取代了算籌。它是在算籌基礎上發明的，比算籌更加方便實用，同時還把算法口訣化，從而加快了計算速度。

3近代計算系統

近代的科學發展促進了計算工具的發展：在1614年，對數被發明以后，乘除運算可以化為加減運算，對數計算尺便是依據這一特點來設計。1620年，岡特最先利用對數計算尺來計算乘除。1850年，曼南在計算尺上裝上光標，因此而受到當時科學工作者，特別是工程技術人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現的，是計算工具上的一大發明。帕斯卡于1642年發明了帕斯卡加法器。在1671年，萊布尼茨發明了一種能作四則運算的手搖計算器，是長1米的大盒子。自此以后，經過人們在這方面多年的研究，特別是經過托馬斯、奧德內爾等人的改良后，出現了多種多樣的手搖計算器，并風行全世界。

4電動計算機

英國的巴貝奇于1834年，設計了一部完全程序控制的分析機，可惜礙于當時的機械技術限制而沒有制成，但已包含了現代計算的基本思想和主要的組成部分了。此后，由于電力技術有了很大的發展，電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年，德國的楚澤采用了繼電器，制成了第一部過程控制計算器，實現了100多年前巴貝奇的理想。

5電子計算機

20世紀初，電子管的出現，使計算器的改革有了新的發展，美國賓夕法尼亞大學和有關單位在1946年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現和發展，使人類進入了一個全新的時代。它是20世紀最偉大的發明之一，也當之無愧地被認為是迄今為止由科學和技術所創造的最具影響力的現代工具。

在電子計算機和信息技術高速發展過程中，因特爾公司的創始人之一戈登·摩爾（GodonMoore）對電子計算機產業所依賴的半導體技術的發展作出預言：半導體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實證明，自20世紀60年代以后的數十年內，芯片的集成度和電子計算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番，而價格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發展速度被公認為“摩爾定律”.

6“摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升？傳統計算機計算能力的提高有沒有極限？對此問題，學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉換為計算的結果--造成熵的降低，這種向低熵方向無限發展的運動被哲學界認為是禁止的，因此，傳統電子計算機的計算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道（R.Landauer）為代表的理論科學家認為到21世紀30年代，芯片內導線的寬度將窄到納米尺度（1納米=10-9米），此時，導線內運動的電子將不再遵循經典物理規律--牛頓力學沿導線運行，而是按照量子力學的規律表現出奇特的“電子亂竄”的現象，從而導致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸（約5納米）后，晶體管也將受到量子效應干擾而呈現出奇特的反常效應。

哲學家和科學家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發展的可喜景象很可能在21世紀前30年內終止。著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜（EdwardO.Wilson）指出：“科學代表著一個時代最為大膽的猜想（形而上學）。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋”夢想-發現-解釋-夢想“的不斷循環，我們可以開拓一個個新領域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯系和有意義的?！?/p>

7量子計算系統

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀80年代。物理學家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統的電子計算機模擬量子力學對象的行為。他遇到一個問題：量子力學系統的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發生的情況就會多出一倍，也就是問題的規模呈指數級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了，不過，在費曼眼里，這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面，量子力學系統的行為也具有良好的可預測性：在干涉實驗中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認為如果算出干涉實驗中發生的現象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實驗，測量其結果，就恰好相當于完成了一個復雜的計算。因此，只要在計算機運行的過程中，允許它在真實的量子力學對象上完成實驗，并把實驗結果整合到計算中去，就可以獲得遠遠超出傳統計算機的運算速度。

在費曼設想的啟發下，1985年英國牛津大學教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學定律推導出一種超越傳統的計算概念的方法即推導出更強的丘奇--圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現的，即把計算看作由“神諭”來實現的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”（Oracle）。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領域內確實比傳統計算更強，例如，現代信息安全技術的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數（如1024位的十進制數）分解為兩個質數的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數的質因子分解問題，大約需要28萬年，這已經遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數位數的增多指數級增大，也就是說如果要分解2046位的整數，所需要的時間已經遠遠超過宇宙現有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數了。

8量子計算中的神諭

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經過電子管計算機，晶體管計算機，到現在的電子計算機，再到量子計算。筆者發現這其中的過程讓人思考：首先是人們發現用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算，隨后，人們發明了算盤，來幫助人們進行計算。當人們發現不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“算珠”,而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時，數學家們開始對計算的本質展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現，則徹底打破了這種認識與創新規律。它建立在對量子力學實驗的在現實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復雜的大量運算?？梢哉f。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進的電子計算機的CPU內部，64位的寄存器（register），也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內部的機理，卻對“神諭”內部產生的結果深信不疑。人們可以把它當作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內部發生了什么和為什么這樣發生確并不知道。

9“神諭”的挑戰與人類自身的回應

人類的思考能力，隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯網的出現，大大加強了人類整體的科研能力，那么，量子計算系統的產生，會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當今時代的量子“神諭”.不僅如此，量子計算系統會更加深刻的揭示計算的本質，把人類對計算本質的認識從牛頓世界中擴充到量子世界中。

如果觀察歷史，會發現人類文明不斷增多的“發現”已經構成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統在不斷的增大，隨著該系統的不斷增大，人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規律：

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關鍵詞：計算機；發展史；前景展望

1 前言

計算機由機械技術向電子技術以及生物技術、智能技術的轉變，為我們的生活帶來了巨大的變化。計算機已經擁有了60年的發展歷程，共經歷了5個重要的發展階段，將在不久的未來經歷第六個發展階段。

2 計算機發展歷史

（1）電子管計算機（1946-1958年）

用陰極射線管或汞延尺線作主存儲器，外存主要使用紙帶、卡片等，程序設計主要使用機器指令或符號指令，應用鄰域主要是科學計算。

（2）晶體管計算機（1958-1964年）

主存儲器均采用磁蕊存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的外存儲器，程序設計使用了更接近于人類自然語言的高級程序設計語言，計算機的應用領域也從科學計算擴展到了事務處理，工程設計等各個方面。

（3）小規模集成電路計算機(1964-1971年)

半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，計算機也進入了產品標準化、模塊化、系列化的發展時期，使計算機使用效率明顯提高。

（4）大規模集成電路（1972年-至今）

大規模、超大規模集成電路應用的一個直接結果是微處理器和微型計算機的誕生。微處理器自1971年誕生以來幾乎每隔二至三年就要更新換代，以高檔微處理器為核心構成的高檔微型計算機系統已達到和超過了傳統超極小型計算機水平，其運算速度可以達到每秒數億次。由于微型計算機體積小、功耗低、其性能價格比占有很大優勢，因而得到了廣泛的應用。

（5）人工智能計算機——神經計算機。

其特點是可以實現分布式聯想記憶．并能在一定程度上模擬人和動物的學習功能。它是一種有知識、會學習、能推理的計算機，具有能理解自然語言、聲音、文字和圖像的能力，并且具有說話的能力，使人機能夠用自然語言直接對話，它可以利用已有的和不斷學習到的知識，進行思維、聯想、推理，并得出結論，能解決復雜問題，具有匯集、記憶、檢索有關知識的能力。

3 計算機發展前景展望

計算機的發展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。計算發展如此之快，計算機界據此總結出了“ 摩爾法則”，該法則認為每 18個月左右計算機性能就會提高一倍。因此，在未來，第六代計算機發展方向如下：

（1）分子計算機

分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其它分子形式與外部環境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，而效率大大提高， 分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10 微微秒，比人的思維速度快 100 萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲 1 萬億億的二進制數據。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。

（2）光子計算機

光子計算機利用光子取代電子進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數據，這遠勝于電子計算機中通過電子“0”和“1” 狀態變化進行的二進制運算, 可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。

（3）量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲。由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此, 一個量子位可以存儲2個數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前計算機的 PentiumⅢ晶片快10億倍。

（4）納米計算機

納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍, 質地堅固,有著極強的導電性, 能代替硅芯片制造計算機?！凹{米”是一個計量單位, 一個納米等于10-9米, 大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品?，F在納米技術正從微電子機械系統起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源， 而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。

（5）生物計算機[1]

20世紀80年代以來，生物工程學家對人腦、神經元和感受器的研究傾注了很大精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高教的第六代計算機——生物計算機。用蛋白質制造的電腦芯片，存儲量可以達到普通電腦的10億倍。生物電腦元件的密度比大腦神經元的密度高100萬倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬倍。

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量子計算機（Qantum computer），遵循量子力學的規律，進行高速的數學和邏輯運算，是存儲和處理量子信息的裝置。如果裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法，那這個裝置就是我們下面要談的量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，研究可逆計算機的目的就是為了解決計算機中的能耗問題。

只聞其名，量子計算機，大概就能猜到它是實現量子計算的機器。要說清楚量子計算，首先要先看經典計算。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行變換的機器，其算法是由計算機的內部邏輯電路來實現的。1920年，奧地利人薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克共同創建了一個前所未有的新學科——量子力學。量子力學的誕生為人類未來的第四次工業革命打下了基礎，在此基礎上發現了一項新技術，那就是量子計算機。量子計算機的技術概念最早由理查得·費曼提出的，后來經過若干年的研究，這項技術已初見成效了。

2013年5月23日，Google與NASA（美國宇航局）合作建立了一個實驗室，其目的就是研究量子計算機。Google與高?？臻g研究協會（與NASA有密切合作的非盈利組織）購買了量子計算機，開始進行量子計算的研究工作。

量子計算與傳統計算的區別

傳統計算機利用幾百萬個電子晶體管進行數字運算，將0和1作為基本元素。量子計算則完全不同，它更有彈性，不再使用二進位代碼，取而代之的是量子位元，又叫量子比特，它可以同時代表0和1。

傳統計算機在0和1的二進制系統上運行，但量子計算機要更為強大，它可以在量子比特上運算，可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子，像陀螺一樣旋轉，它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。按常識理解原子的旋轉可能向上，可能向下，但不可能既向上又向下。但在量子世界里，原子被描述為兩種狀態的總和，它一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和，即每一種物體都可以被使用所有不可思議狀態的總和來描述。

換一種表述，傳統計算機只能使用“開”和“關”兩種狀態來控制電流，而量子計算機具有“開”和“關”同時存在的第三種狀態，這是量子世界不同于粒子世界的特性。使用量子計算機能并行處理更多的信息，計算速度遠超傳統計算機。要進行量子計算并不容易，但在某些傳統計算機容易失敗的領域，它卻可以充分發揮優勢。

量子計算機依賴的是量子機制來提高其計算速度，量子機制決定了所有物質和能量的行為表現，即使只利用量子機制的簡單特性，構造出的計算機表現就遠遠超出任何一臺超級電子計算機。加拿大公司D-Wave表示，它的“Orion”只是傳統計算機的補充和增強，并不是要取代誰。換句話說，量子計算機還沒有發展到可以“獨領”的地步。

用一個簡單的例子來描述量子計算機和傳統計算機的差別：在一個虛擬界面上存在山岡和低谷，目標是找到最低點。傳統計算機是從一個點開始尋找，不斷搜索，有系統地搜索：是這里嗎？這里呢？查找的過程很慢，除非有無限的時間和無窮的耐心，否則就只能選擇“足夠好”?，F在的答案固然不錯，但新的、更低的點也許在幾次計算后才出現。相比量子計算機的效率就要高得多了，因為它可以同時用多個標準來評估，從而大大改進計算的效率。

量子計算機無法替代傳統計算機

IBM和微軟等許多公司都在研究量子計算技術。D-Wave是唯一銷售量子計算機硬件的廠商，公司表示，在少數復雜問題上，量子計算機的速度要比傳統計算機快5萬倍。但需要注意的是，“高速”是有前提的，因此所謂的高速是受條件限制的。如果你只想發個郵箱、聽首音樂，量子計算機不會讓你覺得有什么太大的區別，但要完成復雜任務就不同了。Google Research工程主管表示，希望量子計算機可以讓研究人員更有效率地工作，更準確地為一切研究建模，包括語音識別、網絡搜索、蛋白質折疊等。

因此，量子計算機不會很快淘汰傳統計算機，它有自己的限制，而且它很難建造，價格很高。到目前，量子計算機大多是基于理論的，量子人工實驗室設立的目的之一就是推動理論的發展。它的目標是將理論用于實踐，解決現實問題，為真正的量子設備編寫代碼。

Google為什么對量子計算機感興趣

Google對新技術一直很癡迷，社交網、可穿戴設備、自駕汽車，現在又是量子計算機。這些項目的相似之處，就是它們都可以強化公司的數據中心基礎設施。

Google希望利用量子計算更好地理解人類的語音提問，這項技術不只可以用在搜索引擎上，還可以用在移動應用上，如Google Now和Google Maps。

Google稱：“我們已經開發一些量子機器學習算法。當中一些可以提高識別能力，比如在移動設備電源不足時識別。一些可以處理高度污染的訓練數據，在現實世界中，許多時候數據被貼錯標簽。我們還可以從中學習到一些經驗，比如，純粹使用量子計算不會得到最好的結果，將量子計算與傳統計算結合會更好?！?/p>

在谷歌的量子人工智能實驗室當中，量子計算機會先進行機器學習，這是電腦學習的信息模式，可以提高它們的輸出“吞吐量”。然后，量子計算機要負責進行個性化的互聯網搜索和以GPS數據預測交通的擁堵情況。另外，還要進行面部或語音的識別、生物行為，或者是龐大且復雜的系統管理工作。

Google官方博客表示，如果世界需要建立有效的環境政策，就需要建立更好的模型來描述全球的天氣和氣候，否則就不會有令人信服的證據。

谷歌已經為量子計算機修改了機器學習算法，這種算法原本由D-Wave系統公司設計。D-Wave向洛克希德·馬丁公司出售了首臺商用量子計算機，洛克希德公司官員表示，計算機會被用于測試和測量工作，如噴氣飛機的設計或衛星系統的可靠性。

量子計算機的廣闊前景

近年來，由于社會對高速、保密、大容量的通訊和計算的需求，促進了量子信息、量子計算理論和實驗的迅速發展。

2007年2月，加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。

2009年11月，世界首臺量子計算機正式在美國誕生，這一量子計算機由美國國家標準技術研究院研制，可處理兩個量子比特的數據。較傳統計算機中的0和1比特，量子比特能存儲更多的信息，其性能大大超越傳統計算機。

2010年3月，德國某研究中心發表公報稱其超級計算機成功仿真42位量子計算機。在此基礎上，研究人員首次可以仔細地研究高位數量子計算機的系統特性。

IBM的科學家在量子計算方面取得重大突破，2012年1月完成系列量子計算試驗，在絕對零度條件下證實了通過量子技術一秒鐘可以進行億萬次運算。傳統計算機數據位非0即1，而一個量子可以擁有0、1以及同時0與1三種狀態。這項技術突破允許科學家在初步計算中減少數據錯誤率，同時在量子位中保持量子機械屬性的完整性。

量子計算機可以進行大數的因式分解和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進行量子通訊的實驗中發現，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息。正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實現的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外量子計算機還可以用來做量子系統的模擬，一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在傳統計算機上做數值計算，便可精確地研究量子體系特征。

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關鍵詞：計算科學　工具　圖靈模型　量子計算

所謂計算，就是從一個符號串f 變換成另一個符號串g。比如說，從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2，而符號串g是2x，從f到g的計算就是微分。定理證明也是如此，令f表示一組公理和推導規則，令g是一個定理，那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個角度看，文字翻譯也是計算，如f代表一個英文句子，而g為含意相同的中文句子，那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串) 開始，一步一步地改變符號(串)，經過有限步驟，最后得到一個滿足預先規定的符號(串) 的變換過程。

從類型上講，計算主要有兩大類: 數值計算和符號推導。數值計算包括實數和函數的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等；符號推導包括代數與各種函數的恒等式、不等式的證明，幾何命題的證明等。但無論是數值計算還是符號推導，它們在本質上是等價的、一致的，即二者是密切關聯的，可以相互轉化，具有共同的計算本質。隨著數學的不斷發展，還可能出現新的計算類型。

以IBM 研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學家認為，到21世紀30年代，芯片內導線的寬度將窄到納米尺度，此時，導線內運動的電子將不再遵循經典物理規律——牛頓力學沿導線運行，而是按照量子力學的規律表現出奇特的“電子亂竄”的現象，從而導致芯片無法正常工作; 同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米) 后，晶體管也將受到量子效應干擾而呈現出奇特的反常效應。

哲學家和科學家對此問題的看法十分一致: 摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發展的可喜景象很可能在21世紀前30年內終止。著名科學家、哈佛大學終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學)”，它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想——發現——解釋——夢想”的不斷循環，我們可以開拓一個個新領域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯系和有意義的。

在費曼設想的啟發下，1985年英國牛津大學教授多伊奇DavidDeutsch 提出：是否可以用物理學定律推導出一種超越傳統的計算概念的方法即推導出更強的丘奇——圖靈論題？費曼指出，使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現的，即把計算看作由“神諭”來實現的: 這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明: 量子計算在一些特定的計算領域內確實比傳統計算更強，例如，現代信息安全技術的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(如1024位的十進制數) 分解為兩個質數的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。 目前，就是將全世界所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數的質因子分解問題，大約需要28萬年，這已經遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數位數的增多指數級增大，也就是說如果要分解2046位的整數，所需要的時間已經遠遠超過宇宙現有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數了。

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經過電子管計算機，晶體管計算機，到現在的電子計算機，再到量子計算，筆者發、這其中的過程讓人思考: 首先是人們發現用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算，隨后，人們發明了算盤，來幫助人們進行計算。當人們發現不僅人手可以搬動“算珠”，機器也可以用來搬動“算珠”，而且效率更高、速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時，數學家們開始對計算的本質展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。量子計算的出現，則徹底打破了這種認識與創新規律。它建立在對量子力學實驗的在現實世界的不可計算性，試圖利用一個實驗來代替一系列復雜的大量運算?？梢哉f，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

如果觀察歷史，會發現人類文明不斷增多的“發現”已經構成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統在不斷地增大，隨著該系統的不斷增大，人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規律:

“計算工具不斷發展— 整體思維能力的不斷增強——公理系統的不斷擴大——舊的神諭被解決——新的神諭不斷產生”不斷循環。

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論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發展有著重要的意義。

量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。

一、在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程新.[學位論文].武漢:武漢工業大學材料科學與工程學院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業大學學報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

篇10

關健詞：生物計算機；分子計算機；光計算機超導計算機；量子計算機

中圖分類號：TP38文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)04-11136-01

1 引言

自從1946年世界上第一臺電子計算機誕生以來， 電子計算機已經走過了半個多世紀的歷程。從第一代電子管計算機到現在正在開發的第六代神經網絡計算機，計算機的體積不斷變小，但性能、速度卻在不斷提高。自計算機問世50多年來，運算速度已提高了約10億倍。在最新一代芯片中，晶體管之間的連接導線的厚度已被蝕刻到只有0.03微米，是人頭發的1/4500。然而，原有發展起來的以硅為基礎的芯片制造技術的發展不是無限的，由于存在磁場效應、熱效應、量子效應以及制作上的困難，當線寬低于0.1mm以后將不可避免地達到僅有單個分子大小的物理學極限。越來越多的專家認識到，在傳統計算機的基礎上大幅度提高計算機的性能必將遇到難以逾越的障礙，從其它技術方面尋找計算機發展的突破口才是正確的道路。目前至少有5種可能的技術來生產出未來的計算機，它們是：生物計算機，分子計算機、光計算機、超導計算機和量子計算機。就像電子計算機對20世紀產生了重大影響一樣，各種新穎的計算機也必將對未來產生重大影響。

2 生物計算機

DNA生物計算機是美國南加州大學阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想。由于蛋白質分子中的氫也有兩種電態。因此，一個蛋白質分子就是一個開關。從理論上講，用蛋白質分子作為元件，就能制造出蛋白質型的計算機，又被稱作“生物計算機”?？茖W家設計的生物計算機模型中DNA絕大多數都是懸浮于充滿液體的試管之內來執行運算。與傳統電子計算機以“0”和“1”來代表信息不同，在DNA計算機中，信息將以分子代碼的形式排列于DNA上，特定的酶可充當“軟件”來完成所需的各種信息處理工作。DNA計算機技術的誘惑力，在于其和傳統硅技術相比所具有的巨大存儲能力：一克DNA所能存儲的信息量，估計可與1萬億張CD光盤相當；數百萬億個DNA分子擁有可感受和回應周圍環境的所有計算結構，可在一個狹小的表面區域通過生物化學反應來協調工作，這一并行處理能力據認為可與目前功能最為強大的超級電子計算機媲美。

生物計算機具有三大顯著優點：

(1)信息以波的形式傳播，運算速度比當今最新一代計算機快10萬倍；

(2)只需很少能量就可工作，不存在發熱問題。并且擁有巨大的存儲能力；

(3)由于蛋白質分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能自動修復芯片發生的故障，還能模仿人腦的思考機制。

3 分子計算機

分子計算機是在納米電子技術的基礎上發展起來的，現在的納米電子技術有望水到渠成地成為目前以硅等為基礎的微米級集成電路技術的“接班人”。分子計算機的運行靠的是分子晶體可以吸收以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。憑借著分子納米級的尺寸，分子計算機的體積將劇減。此外，分子計算機耗電可大大減少并能更長期地存儲大量數據。

與目前的計算機相比，分子計算機運行所需的電力將大大減少，并且有可能永久保存大量數據，從而使用戶不必進行刪除文檔的操作。此外，這些計算機還能免受計算機病毒、系統死機或其他故障的影響。

4 光學計算機

所謂光計算機，就是利用光作為信息的傳輸媒體。未來的光計算機可能是混合型的，即把極細的激光束與快速的芯片相結合。那時，計算機將不采用金屬引線，而是以大量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數據從一個芯片傳送到另一個芯片。這種傳送方式稱為自由空間光學技術。

光計算機有三大優勢：

(1)光子的傳播速度無與倫比，電子在導線中的運行速度與其相比就像蝸牛爬行那樣。今天電子計算機的傳送速度最高為每秒109個字節，而采用硅－光混合技術后，其傳送速度就可達到每秒萬億字節；

(2)更重要的是光子不像帶電的電子那樣相互作用，因此經過同樣窄小的空間通道可以傳送更多數據；

(3)尤其值得一提的是光無須物理連接。如能將普通的透鏡和激光器做得很小，足以裝在微芯片的背面，那么明天的計算機就可以通過稀薄的空氣傳送信號了。

5 超導計算機

導體在溫度下降到某一值時，電阻會突然消失，這一奇妙的現象叫做超導現象。它是在1911年由荷蘭物理學家昂尼斯首先發現的。具有超導性的物質稱之為超導體。超導體在超導狀態下電阻為零，可輸送大電流而不發熱、不損耗，具有高載流能力，可長時間無損耗地儲存大量的電能以及能產生極強的磁場。1962年，正在英國劍橋大學攻讀博士學位的研究生約瑟夫遜提出了超導效應（亦稱約瑟夫遜效應）的原理，超導技術自此開始嶄露頭角，展現出引人注目的前景。利用約瑟夫遜效應，在約瑟夫遜結上加電源，當電流低于某一個臨界值時，絕緣層上不出現電壓降，此時結處于超導態；當電流超過臨界值時，結呈現電阻，并產生幾毫伏的電壓降，即轉變為正常態。如在結上加一個控制極來控制通過結的電流或利用外加磁場，可使結在兩 個工作狀態之間轉換，這就成了典型的超導開關。利用超導開關可制成超導存儲器、超導大規模集成電路，這是計算機中理想的超高速器件。

利用超導器件制成的超導計算機與普通計算機相比具有諸多優勢：(1)運行速度快。超導開關的開關速度目前已達幾微微秒（1微微秒＝10的12次方秒），這使得超導計算機的運行速度將比目前的計算機快100倍。二是功耗低，集成度高。由于電流在超導體中流動時不發熱，也不損耗，超導集成電路的功耗僅為硅集成電路的幾百分之一，為一般晶體管的二千分之一，因此其集成度可望做得很高。目前已達到大規模集成電路的水平；(2)超導器件的結構基本上可用現行大規模集成電路工藝制作，因而無需花費大量的財力與人力；(3)利用超導傳輸線來完成計算機中元器件之間的信號傳輸時具有信號無損耗和低色散的特點。

6 量子計算機

什么是量子計算機呢？把量子力學和計算機結合起來的可能性是在1982年由美國著名物理學家理查德?費因曼首次提出的。隨后，英國牛津大學物理學家戴維?多伊奇于1985年初步闡述了量子計算機的概念。量子計算機是利用處于多現實態的原子作為數據進行運算，這是一種采用基于量子力量的深層次的計算模式的計算機。這一模式只由物質世界中一個原子的行為所決定，而不是像傳統的二進制計算機那樣將信息分為0和1，用晶體管的開與關來處理這些信息。在量子計算機中最小的信息單元是一個量子比特(quantum bit)。量子比特不只是開、關兩種狀態，而是以多種狀態同時出現。這種數據結構對使用并行結構計算機來處理信息是非常有利的。

與傳統的電子計算機相比，量子計算機有以下優勢：(1)解題速度快。傳統的電子計算機用“1”和“0”表示信息，而量子粒子可以有多種狀態，使量子計算機能夠采用更為豐富的信息單位，從而大大加快了運行速度。例如，電子計算機使用的RSA公鑰加密系統是以巨大數的質因子非常難以分解為基礎設計的一種多達400位長的“天文數字”，如果要對其進行因子分解，即使使用目前世界上運算速度最快的超級計算機，也需要耗時10億年。如果用量子計算機來進行因子分解，則只需10個月左右；(2)存儲量大。電子計算機用二進制存儲數據，量子計算機用量子位存儲，具有疊加效應，有m個量子位就可以存儲2m個數據。因此，量子計算機的存儲能力比電子計算機大得多；(3)搜索功能強勁。美國朗訊科技公司貝爾實驗室的洛夫?格羅佛教授發現，量子計算機能夠組成一種量子超級網絡引擎，可輕而易舉地從浩如煙海的信息海洋中快速搜尋出特定的信息。其方法是采用不同的量子位狀態組合，分別檢索數據庫里的不同部分，其中必然有一種狀態組合會找到所需的信息；(4)安全性較高?？茖W家們發現，如果過往的原子因發生碰撞而導致信息丟失時，量子計算機能自動擴展信息，與家族伙伴成為一體，于是系統可以從其家族伙伴中找到替身而使丟失的信息得以恢復。

7 誰將是未來的計算機