時間：2024-03-13 14:48:49
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那么，PXI究竟處于什么樣的技術和歷史位置呢?因為自動測量技術的核心是計算機技術，所以測量總線技術的發展是與計算機總線的發展密切相關的。要了解測量總線的歷史，把握其目前的技術態勢，我們需要通過知曉計算機總線技術的發展歷程和走向，來分析測量總線技術。
可用于測量的總線標準很多。衡量一種總線技術的優劣主要看兩個參數：帶寬和延遲。在實際應用中，由于需求不同以及成本等方面的限制，各種總線都有其適合的應用領域。流行的高性能測量總線主要有GPIB、VXI和PXI。如圖1所示，從帶寬和延遲的角度，PXI明顯優于傳統的GPIB和VXI總線。
下面聯系計算機技術分別回顧這三種總線的歷史。
HP-IB／GPIB
HP(惠普公司)是計算機技術的先行者之一。其第一款計算機HP 2116A于1966年面世，用于控制該公司眾多的測量儀器。GPIB(General PurposeInterface Bus即通用接口總線)源于HP-IB，這是HP 1965年設計的接口總線，用于連接HP的計算機和可編程儀器。由于其轉換速率高(通常可達1MB／s)，這種接口總線逐漸得到普遍認可，1975年成為IEEE 488-1975標準。
可以說，HP開創了基于計算機的數字化測量測試儀器，進入20世紀80年代后，虛擬儀器技術的創始人NI逐漸成為全球最大的GPIB供應商。通過使用LabVIEW和儀器驅動軟件，工程師們可以自動化地控制測試儀器，由此，自動化測試測量的時代正式開始。GPIB的出現使電子測量從獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展，并且使得自動測量中儀器的互聯有了統一的標準。此后，各種帶標準接口的測量儀器不斷出現，使檢測計量人員能夠很方便組成各種功能強大的自動測量儀器系統。
GPIB測量系統的結構和命令簡單，有專為儀器控制所設計的接口信號和接插件，具有突出的堅固性和可靠性。經過30余年普及，幾乎所有獨立儀器都已配有GPIB接口，網絡上也有各種GPIB驅動，因而具有最好的兼容性。GPIB適合自動化現有的設備、混合系統和特別要求專用儀器的系統。
VME／VXI
VXI是VME eXtensions for Instrumentation的縮寫。它是VME(Versa Module Eurocard)總線在儀器領域的擴展。顯然，要了解VXI，首先要了解VME。
VME總線源于VERSAbus，這是摩托羅拉公司1980年設計推出用以支持其MC68000微處理器產品線的技術。摩托羅拉在計算機領域有著輝煌的歷史，是早期CPU的研發、生產廠商之一。摩托羅拉于1974年推出MC6800處理器。MC68000于1979年面世，與Intel8086以及Intel 80286競爭并取得一些成功。
最早的VERSAbus設計有一個特點：插拔卡的尺寸很大。因為這一點，歐洲的設計人員非常不喜歡。后來設計出一種較小的、具有相似功能的總線供歐洲人使用，稱作Versa Module European，或VME，意歐式變種模塊。摩托羅拉、飛利浦、湯姆森等公司是倡導者。該總線從1982年開始很快被接受。1987年，VME被IEEE正式接受為萬用背板總線標準(ANSI／IEEE 1014-1987)。同年，Colorado DataSystem、HP、Racal Dana、Tektronix和Wavetek等5家儀器公司的技術代表成立了一個技術委員會(即后來的VXI總線聯盟)，了VXI規范的第1個版本。幾經修改和完善，VME總線標準于1993年9月20日出版發行。
VXI作為一種內部總線，比GPIB具有更高的帶寬，且具有更好的延遲率，所以它一推出就得到了軍工／航空航天的大量采用。但由于成本較高，所以很難向其他領域應用進行擴展。
PCIf／cPCI／PXI
追根溯源，PCI技術的開創者實為計算機行業的老大Intel公司。1991年下半年，由于原有的ISA、EISA已遠遠不能適應要求而成為整個系統的主要瓶頸，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團。PCI是Peripheral Component Interconnect(外設部件互連)的縮寫，它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產品上都帶有這種插槽。而且作為內部總線，PCI能夠達到很高的帶寬。
1994年提出的CompactPCI簡稱cPCI，中文又稱緊湊型PCI，是在PCI技術基礎之上經過改造而成。它采用經過20年實踐檢驗后的高可靠歐洲卡結構，改善了散熱條件，提高了抗振動沖擊能力，符合電磁兼容性要求，更適合構建高可用性系統，滿足電信、數字通信、軍事裝備以及其他高可靠領域的要求。
1997年，NI公司為鋇0試和測量應用提出PxI(PCI eXtensions forInstrumentation)，這是專為測試任務而優化的CompactPCI，PXI基于cPCI總線的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，并增加了專門的同步總線，用于模塊至模塊之間的同步和觸發。PXI控制器運行Windows操作系統，采用最快速的處理器、內存等PC技術，并能連接各種外部總線接口(例如USB、串口等)，此外NI等一些廠商還提供與PXI控制器配合的GPIB控制器，因此，PXI是混合系統中理想的核心部分。1998年，NI與其他測試設備廠商合作的PXI系統聯盟將PXI作為一個開放的工業標準推向市場，迄今為止PXI聯盟已經擁有70余家公司和超過1200種產品供選擇，所以這樣的模塊化平臺可以讓用戶自由選擇測試功能、用戶界面、分析軟件等其他要素。此外，商業技術的運用和在模塊間共享電源等優勢為用戶極大地降低了成本。 以上這些都使其成為測量和自動化系統的高性能、低成本運載平臺。
未來發展
目前，PXI技術得到大力推廣，市場發展迅速。根據Frost & Sullivan 2005年度的調查顯示(見圖2)，PXI市場的增長速度遠高于VME／VXI，以及測試測量行業的平均值。NI和PXI聯盟成員也在繼續為PXI加大投資，隨著IntelPCI Express總線的推出，PXISA在2005年第三季度正式推出了PXIExpress的軟硬件標準，通過在背板使用PCI Express的技術，PXI Express能夠將帶寬整整提高45倍，從原來PXI的132MB／s提高到現在6GB／s；同時保持了和原來PXI模塊在軟硬件上的向后兼容性。
然而，由于VXI大量用于軍工和航天等對成本及對新技術不敏感、但對可靠性和性能要求苛刻的領域，所以還會在相當長的時間內存在。另外，供應商們也在嘗試為VME加入新技術，比如提升帶寬的新技術，試圖使這種總線技術的服役期限再延長10年甚至20年。
即便是更老的GPIB技術也不會馬上消失，被新的總線(例如以太網、USB或FireWire)所取代。GPIB安裝基數非常大，精通的使用者和供應商眾多。一些大型測試和測量公司如安捷倫、吉時利、羅德與施瓦茨和Tektronix仍以GPIB為主要的儀器總線并配之以所需的USB或以太網。GPIB還可以用來將VXI和PXI連接到控制器。此外，一些特殊儀器，例如吉時利儀器公司的2800RF模型動力分析儀，就只能采用GPIB連接平臺。基于此，一些廠商如吉時利仍然看好GPIB的發展前景。
在遺產(英文legacy，西方人不稱舊的或過時的)技術繼續存在的同時，更新的總線技術還在不斷涌現，例如，安捷倫于2004年提出LXI平臺概念。LXI(LAN eXtensions forInstrumentation)據稱以獨特的方式將GPIB的優勢和VXI的優勢結合在一起。基于LAN的測試總線適合于遠程測量和控制，其廣泛性和低成本的特點使之成為現有儀器控制總線(如GPIB等)的一個極具競爭力的替代項。然而對于設備與設備之間的同步，就必須要結合IEEE 1588，那么這樣的話用戶就要為開關盒增加額外的成本。LXI協會于2004年9月成立，一年后了第一版LXI規范，迄今大部分的產品都是基于LAN控制，而不是結合1588標準。
關鍵詞：工程預結算；自動計算軟件
Abstract: The development of the computer technology, and infiltrated all walks of life and computer graphic design technology promotion, the computer graphics technology is applied to the calculation of engineering quantity possible, automatic calculation software application and development is the inevitable trend of the building engineering budget.
Key words : the project pre-settlement; automatic calculation software
中圖分類號：F811.3文獻標識碼： A文章編號：2095-2104（2012）
建筑工程預結算是建筑行業中非常重要的一項工作，而工程量計算又是這項工作中至關重要的一部分。如何提高工程量計算的效率、減少其工作量，做到準確無誤，一直是工程預算行業急待解決的一個課題。
計算機技術的日益發展，并滲入到各行各業中以及計算機平面設計技術的推廣，使得計算機繪圖技術應用到工程量計算中成為可能，工程量自動計算軟件的應用和發展是建筑工程預結算的必然趨勢。
2003年7月我在公司預算處開始從事工程預算工作，剛參加工作時，工程預算對我來說非常陌生，書本理論與實際應用之間差距太大。經過很長一段努力，我的預算技能雖然有所提高，但對于計算規則和定額的深入理解以及計算速度的有效提高等方面仍有相當的不足。
2007年，在參與我公司內蒙古商廈的審計結算工作中，我接觸到了魯班算量軟件，同時，在學習和應用當中感受到它給我的工作帶來了很大的方便。
（一）在工作方式上，魯班軟件采用的是AutoCad界面和繪圖方式，這正是我在校期間的學習內容，所以感覺上手很快，達到熟練程度也比較容易。
當然對于很多初學者來說，軟件入門的確有一定的困難，但這只是暫時的，只要我們把握正確的方法，通過正確的渠道，再加上自己的努力就一定能掌握它。
（二）對于工程量計算規則，其中大部分已經在魯班軟件中設置完畢，我們只要稍做修改就可以正確應用。
顯而易見，工程量計算軟件為預算初學者提供了學習的捷徑。因為老預算員精通定額，熟練掌握計算規則，但計算機水平都不是很高，而對于初學者來說計算機操作是我們的優勢，計算規則已經由軟件定義，我們就可以先入門學習軟件再逐漸熟悉定額和計算規則。通過這種方式我感到預算水平提高很快。
（三）在工作步驟上，使用工程量計算軟件省略了原先的計算書匯總、上表套定額的手工工序，完全由計算機自動完成，極大程度上節省了時間。
在工作效率上，以前用手工算量大約用一星期才能完成的工程量，用算量軟件五天就能完成。
（四）在采用的工作方式上，魯班軟件采用AutoCad繪圖方式，省略了手工計算時使用的鉛筆、橡皮、計算器和大量的工程量計算書等耗材，簡化了手寫計算式的步驟和手按計算器計算的繁復工作，在極大程度上實現了無紙辦公。
（五）在打印輸出格式上，魯班軟件打印輸出的整潔版面是手工書寫無法比擬的，其格式明確，計算公式詳細，匯總方式合理，做為預算資料的保存和查閱十分適用。
另外，在核對工程量時，還可以利用電子計算書的分類匯總和條件匯總功能，在計算機中隨時調用有用的數據，減少了手工計算書不易分類、不易匯總的麻煩。
再有，軟件提供了自動輸出到TXT、EXCEL、XML多種文件形式，極大程度上方便了各種用戶的轉化與應用。
（六）圖形算量軟件作為一種高科技含量的新興技術產業，具有很大的發展前景，通過每一次的軟件不定期升級，軟件必將越做越成熟，越做越合乎人性化設計。到目前為止，該軟件已經由最初的2007版升級到2008版，而且2009版已經在網上公布并進入全國巡回展覽階段。
我相信，新一版的魯班軟件設計一定會有更強大的功能，有更出色的表現，讓我們拭目以待。
關鍵詞：量子保密；通信技術；應用；未來發展
引言
隨著信息化時代的到來，人們無時無刻都在接發文字信息、視頻信息、電子信息等，給人們的生活、工作、學習和社會各個領域帶來了新的改變。為了保障信息通信的安全，防止信息傳遞過程中存在的泄露風險，采取量子保密通信技術，有效避免信息被攻擊破譯，保障了信息傳遞的絕對安全[1]。量子保密通信改變了傳統加密通信的局限性和不安全性，解決了存在的安全隱患問題，根據量子力學原理與科學信息技術的有效結合，采用高精度量子測量技術和高精準量子計算技術進行計算、編碼和信息傳輸，發揮了高效安全的通信性能。量子計算利用量子力學規律來調控量子信息單元進行計算，能夠進行大規模、多線程地數據處理，具有超強的計算能力和精密的邏輯性[2]。在依靠量子比特工作中，由于量子位存在的并行性、糾纏性和疊加性，量子算法在進行問題處理時就能夠做出傳統計算無法比擬的超強處理能力，實現超高精度、超高速度的工作效率[3]。隨著國內外量子信息技術科技的發展，針對現有公鑰體系在單向計算時存在的易被攻擊威脅，造成信息發生泄漏的嚴重后果，開展量子密鑰分發技術的保密通信的創新研發，滿足了當前信息化社會和數字化經濟時代的需求。通過量子保密通信技術的研究與應用，推動了量子保密通信標準化工作的進行和未來的無限發展。
1量子保密通信技術應用
1.1量子密鑰分發技術應用
量子密鑰分發是根據量子測不準原理、量子不可分割和量子態不可復制的特性來實現，量子生成的通信密碼校驗絕對的安全性，不會被任何方式破解。通信雙方建立量子密碼分享協議，發送方和接受方以單光子的狀態作為信息載體來建立密鑰，保證密鑰分發的安全性，密鑰分發采取一次一密的加密體制建立安全通信密碼。密鑰分發完成后需要進行信息協同和隱私保密增強，糾正密鑰中存在的錯誤，使密鑰保持一致性，進一步增強信息隱私的保密安全。根據協議隨機選擇調制每一個光子的基矢，隨機的基矢可以對接收端進行監測，在偏振編碼過程中采用單光子的水平偏振態（0°）、垂直偏振態（90°）、偏振態（+45°）和偏振態（-45°）的4個量子態，來進行不同自由度的編碼，可以選擇垂直方向，也可以沿水平方向或其它角度作為量子信息的載體。發送方隨機使用2組基矢，按照事先約定的單光子水平偏振態通過量子信道發送給協議用戶，當用戶接收到光子后也隨機地使用2組基矢進行偏振態的測量，如果制備基矢和檢測基矢兼容，則表示收發隨機數完全一致，如果存在不同，發送方和用戶在從新進行比對制備基和測量基基矢，直到收發雙方擁有完全一致的隨機數序列密鑰。密鑰分發、生成后不會被破譯或計算破解，即使在密鑰生成過程中被竊聽也會被通信方發現，仍然不會泄密，保證了絕對的安全性[4]。
1.2量子保密通信與后量子安全加密應用
近年來，我國在量子信息技術領域發展迅速，在量子保密通信的研發中獲得突破性進展，利用量子保密通信技術克服了傳統通信技術存在的安全隱患問題，保證了通信的安全性和可靠性[5]。量子保密通信具備巨大的信息存儲與攜帶性能，量子計算機可以面對各種復雜難度的計算，并能進行高時速、高精準的并行計算處理能力。量子保密通信是在原有的公鑰體系進行創新改進，采取量子密鑰分發和加密的量子保密通信方案，以應對原有量子計算體系內存在的安全威脅，并對現有加密體制進行升級，應用計算破解能力的后量子加密技術提高了被破解能力，避免信息泄露。量子保密通信與后量子加密的應用，為未來量子安全信息加密技術的創新發展具有重要的意義[6]。
1.2.1量子保密通信方案量子保密通信利用量子態的疊加性和量子不可克隆原理，采取密鑰分發的密碼技術，對傳輸的信息進行一次一密的加密方法，完善了加密體制，實現了信息傳輸的安全性。
1.2.2后量子加密后量子加密技術是一種新的加密方法，通過運用許多先進的技術對現有的加密體制算法進行升級改進，例如網格編碼算法和橢圓曲線算法等，增加了防御能力，可以完全抵抗黑客的計算破解，后量子新型信息加密技術能夠與現有的信息安全系統實現兼容和平滑升級演進。
1.3量子保密通信應用
量子保密通信為未來信息安全提供了保障，是信息領域的重要技術手段，在量子保密通信中量子密鑰分發作為關鍵技術，與典型網絡組織和現有通信系統結構相融合，建立了網絡管控、安全服務、密鑰生成層、密鑰分發層、密鑰應用層等組織結構，實現了通信網絡的可用性和安全可靠性，并應具備靈活高效、可擴展的未來發展的建設需求。系統分為發送裝置和接受裝置，利用公共信道對密鑰分發協議合法的通信雙方發送共享的隨機密鑰。其中，密鑰生成層將生成制備的量子密鑰提供給上層，在密鑰中繼、密鑰轉發、密鑰存儲、密鑰輸出過程中，密鑰應用層為量子密鑰的保密通信服務提供服務，網絡管控平臺負責網絡運營管理，安全服務平臺則負責密碼服務和安全管理。量子密鑰分發是以量子物理與信息學為基礎，利用量子態糾纏重疊的力學特性，在通訊雙方之間產生并分享一個隨機的安全的密鑰，運用一次一密的加密方法，通過量子信道完成信息的安全傳送。由于傳統量子信道在傳送數據進行量子密鑰服務的加密業務時，量子信道存在傳輸損耗，量子密鑰分發距離會被限制距離，需設置中繼節點來完成長距離的接力傳送，導致安全防護存在困難，存在安全隱患。因此在現有較大規模的量子保密通信網絡中，都采用可信中繼技術是異或后的中繼技術，量子密鑰只會在節點處暫存經過異或后，不會對中繼節點造成影響，具有信息傳輸的安全性和高效率。
2量子保密通信目前發展狀況
隨著量子保密通信的發展，世界各國試用點呈現逐步成熟趨勢，但在應用推廣方面暴露出一些問題。主要包括三個方面：（1）應用場景受到限制當前，量子保密通信主要面向金融、政府等長期安全性較高的特定場景之中，市場規模較為分散，傳統通信業界對于量子保密通信應用目前仍然處于熱情度較低的狀態。此外，由于量子態信號與傳統信號混合傳輸時，將引入劣化性能，導致量子保密通信組網需要借助額外獨立光纖鏈路才能獲取所需資源。（2）技術瓶頸待解決在百公里長距離傳輸情況下，量子保密通信可用安全碼率大約為15kbit/s量級，相比于當前光傳達網技術實現的量級信息傳輸差距較大，無法實現對信號的一一加密。此外，在量子保密通信組網方面，由于量子態存儲技術尚不成熟，因此，有關量子存儲方面難以實現，其中涉及的關鍵技術仍需進一步驗證分析。（3）安全性存在一定風險在實際通信過程中，信道節點不理想特性使其難以滿足安全性標準，成為不法分子利用的安全漏洞，所以針對通信安全性升級將是運營維護所面臨的一個難題，現階段，由于通信密鑰生成碼率也相對較低，很難滿足一次一密要求。現階段，我國量子保密通信技術在業務、市場、商用的應用都處于推廣初期階段，在量子密鑰分發技術組網理念和技術研究中，仍然面臨一些問題有待研究和探討。
3量子保密通信標準化工作策略與未來發展
3.1量子保密通信標準化工作策略
在未來量子保密通信技術研發中，應保證量子保密通信設備系統的功能與性能的一致性和可靠性，增加設備系統和網絡層面的兼容性、靈活性和安全性，在設備和系統技術、安全性能、組網以及加密等各個方面，逐步完善應用體制，在未來發展中形成完整的標準規范體系。首先，在國家政策支持的基礎上，應加強量子密鑰分發技術前沿技術領域的研究工作，創新開發新型協議技術、系統器件和架構方案，加快提升量子密鑰分發技術和系統設備成熟度、實用化水平和性價比，不斷提高量子密鑰分發和后量子加密的技術水平，完善加密體制。然后，應加強量子保密通信的商業化應用和市場開拓規劃的工作策略和未來發展方向，積極推進產業合作，開展多樣化的商業部署模式，制定標準化工作策略，為應用發展做好引導和培育市場需求。最后，應加快我國量子保密通信網絡項目工程的建設，升級設備完善標準，提高量子密鑰分發系統的網管和運維能力，使量子保密通信系統和網絡在完善的密鑰管理設備與加密通信設備進行安全可靠的通信，以商業化應用推廣和市場化發展為未來建設目標，增加網絡建設的實際可用性和安全性等標準的建設規模。目前，我國量子保密通信技術已經實現了實用化、產業化的發展水平，在國家政策的大力支持下在社會各領域得到了廣泛的應用。隨著國家實施創新驅動發展戰略規劃，量子信息技術作為我國科技創新的重要發展技術，應加快發展量子信息產業，推動量子技術與社會經濟領域的深度融合，增加產業經濟的發展，為國家安全、國防軍事提供強大的技術支持，新興的量子信息產業推動了我國戰略性發展方向。
3.2未來發展前景
量子保密通信技術在未來發展進程中，量子保密通信網絡建設和產業發展是未來量子技術發展的關鍵，需要加強技術成熟度、設備可靠性和投入產出性價比等各方面的研究，開展標準化工作策略以促進技術和產業的快速發展。近年來，隨著量子保密通信技術的不斷創新，世界各國在量子保密通信技術與產業的市場競爭日趨激烈，我國雖然處于世界領先地位，應需加強對量子技術研究機構、系統設備廠商和建設運營單位進行大力扶持，在政策支持優勢下強化關鍵技術創新和可持續發展能力，以增強科技實力，提高市場競爭能力。積極推廣大規模產業鏈發展，標準規范產業發展方向，促進量子保密通信商業化推廣、產業鏈壯大和產業化得到健康發展。
3.2.1分發系統性能指標和實用化水平有提升空間量子密鑰分發系統在現有光纖網絡之中單跨傳輸距離在百公里以內，密鑰成碼率有待進一步提高。同時，量子密鑰系統工程化也具有一定提升空間。此外，量子保密通信系統仍需要密鑰管理，將其與信息通信行業緊密融合，加密通信設備。
3.2.2抗量子計算破解的安全加密面向未來量子計算對于現有加密體系存在的破解威脅，需設計抗量子計算破解安全加密方案，快速提升量子密鑰分發技術和實用化水平，這是贏得加密技術體制的關鍵。
3.2.3量子保密通信商業化開拓仍需進一步探索量子保密通信是對現有通信技術的一種有效安全性提升技術，能夠解決密鑰分發安全性問題，提升通信安全性等級，具有長期性和高安全性。尤其在金融專網方面，其產業規模相對有限，因此，在后續研究進程中，逐漸完善量子通信保密技術，將其推廣到投入產出性行業之中，從設備升級、標準完善、市場探索等方面進行逐一推廣與應用。因此，在今后發展過程中，應凝聚各方形成合力，提升工程化實用水平，引導應用產業健康發展，重視標準化測試，引導產業健康發展。
關鍵詞：計算機網絡路由選擇；改進量子進化算法；研究
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0033-02
隨著計算機網絡的不斷發展與廣泛應用，其已經成為了我國人民在日常生活中及工作中不可缺少的技術，它為人們的衣食住行提供了方面，也為我國社會經濟的發展提供了基礎。目前我國計算機網絡正在朝著更大規模范圍發展，在此過程中也暴露了計算機網絡路由選擇中的一系列問題。現如今的計算機網絡路由選擇已經滿足不了人們及社會的發展需求，也對計算機網絡的正常運行造成了一定的影響，所以對其的優化改進是目前最重要的內容。
1 淺析計算機網絡路由選擇
計算機網絡路由選擇中有多種方法，包括梯度法、列表尋優法、爬山法及模擬退算法等。由于這些方式具有局限性，收到多種條件的限制，導致本身的作用都得不到很好的發揮。計算機網絡路由選擇主要是在能夠滿足計算機網絡通信容量、網絡拓撲及網絡節點需求的基礎上，對計算機網絡中的各節點路由進行選擇，使計算機網絡可以縮短到最小時延。一般計算機網絡路由選擇可以使用優化工作，比如：其一，如果計算機網絡中節點內部具有較大容量的緩沖器，那么就不會溢出或者丟失其數據包；其二，如果能夠以實際的指數分布為基礎設置報文長度，就可以按照泊松到達；其三忽略計算機網絡中節點處理報文的時延；計算機網絡中報文傳輸服務都是一個等級。【1】
2 探析改進量子進化算法
實際上量子進化算法就是進化算法和量子計劃相結合產生的，此事以態矢量為基礎，以量子比特編碼為染色體，其更新染色體要以量子旋轉門和非門進行實現，從而才能優化計算機網絡路由。量子進化算法中的染色體排列矩陣為：
一個量子染色體表示問題解的特性，其原理就是對量子染色體進行隨機測量，以此得出結果和概率，使用二進制實現坍塌，在此過程中可以了解到量子染色體可以有效地解決問題。另外改進量子進化算法的實現是根據量子旋轉門，通過搜索法使公式的解得到最佳，增加或者減少概率，以此保留或者刪除結果，以此來改進量子進化算法。
上表中的xi表示第i個量子染色體的二進制解，bi表示第i個最優解。
量子進化算法的流程主要包括三個部分：其一，要對種群進行初始化，在此基礎上對初始種種群進行測量，以此得到與個體相依狀態的相關記錄表；其二，在合適的狀態下對記錄進行針對性的評估，并且對最佳個體和個體的適應值進行相關記錄；其三，在還沒有完全結束的時候，進行其他操作。
對于量子進化算法來說，此過程是非常復雜的，用相關的符號表示事務，之后進行計算。比如可以使用M表示染色體長度，染色體可以維護解的多樣性。這樣才能使算法簡單的表述。【2】
3計算機網絡路由選擇的改進量子進化算法研究
在計算機網絡中，量子進化算法是非常值得熱議的話題，在計算機網絡路由選擇中的量子進化算法，其主要問題就是量子進化算法是針對性對表格進行參照，以此來找出相應的解法。這種方法會造成旋轉角之間沒有較好的關聯性，另外在搜索問題的時候會有跳躍性，對于計算機在日常運行工作的時候是非常不利的。為了能夠通過量子進化算法解決計算機路由選擇中的問題，就要對其進行創新和改進。首先優化其中的旋轉角，使其值能夠滿足路由選擇。優化后的旋轉表式子可以寫為：
?θi=0.001π*50fb-fx/fx
根據此式子可以了解到旋轉角在不同的情況下會有不同的結果，簡單來說就是不同的旋轉角值具有不同的含義。如果旋轉角的值越小，那么就說明個體與最優個體之間的距離就越小，就縮小了搜索網絡。在此狀況下搜索就可以達到最優；如果旋轉角的值越大，就說明個體與最優個體之間的距離越大，就逐漸擴大了搜索網絡。在此狀況下就要使所搜速度加快，這樣才能夠使計算機網絡路由選擇更多方面。
另外就是優化調整其中的函數，可以使用組合優化的方式進行，要求函數達到最佳狀態，這樣才能夠得出最優解。通過此方式可以了解到，個體基因之間并沒有較強的關聯性。所以就可以通過計算機網絡路由選擇，對量子進化算法中的函數調整并優化。如果處于歸一化的基礎上，實現對應的實屬對，并且使他們與量子位一一對應。基于此就可以做量子進化算法的仿真實驗，并且對其進行對比，是否有優勢。實驗結果表示，計算機網絡路由選擇中的性能能夠了解量子進化算法優化后比傳統更優秀，此結果可以見圖1。
從圖1可以了解到，在計算機網絡路由選擇中的改進量子進化算法中，不斷是收斂速度、尋優能力還是其中的性能，都優于傳統量子進化算法。在進行仿真測試時，能夠使改進量子進化算法之后發揮自身的作用，也能夠在計算機網絡路由選擇中完善自身的應用。在此情況下計算機路由選擇面對問題能夠很好地解決，并且能夠及時發現其中的問題，有效地提高了工作人員的工作質量和效率，還使計算機在正常運行和工作的過程中保持一個良好的狀態。【3】
4結束語
在目前計算機網絡技術被廣泛應用的基礎上，要重視計算機網絡路由的選擇。同時，改進量子進化算法也是非常重要的，通過優化旋轉角，以此提高搜索速率及范圍。計算機網絡技術自發展應用以來，量子進化算法都有著較好的應用和前景，那么優化量子進化算法有效地促進了計算機網絡技術的進一步發展，使計算機網絡技術可以為我國各行各業提供更好的服務，也有效促進我國經濟的可持續發展。
參考文獻：
[1] 宋明紅，俞華鋒，陳海燕.改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇中的應用研究[J].科技通報，2014（1）：170-173.
量子密碼應運而生
量子計算的原理與傳統計算機采用的原理有很大不同，傳統計算機采用單路串行操作，而量子計算機采用多路并行操作，它們運算速度的差異就如同萬只飛鳥同時升上天空與萬只蝸牛排隊過獨木橋的區別。
20世紀70年代，英國和美國最早開始對量子計算的研究。近年來，量子計算的理論和實踐都相繼取得重大進展，產生了多種新的量子算法，研制了多種量子計算機原型。
科學家預測，未來10～20年將研制成功103～104量子比特的大型量子計算機，其運算能力可以在幾分鐘內破譯現有任何采用非對稱密鑰系統生成的密碼。
面對量子計算未來可能隨時“秒殺”傳統密碼的危險，科學家致力于尋找不基于數學問題，能有效抵抗量子計算攻擊的新型密碼體制。解鈴還須系鈴人，同樣基于量子信息技術的量子密碼應運而生，成為對抗量子計算的“神器”。
又一個可能的“技術差”
二戰中，英國破譯德軍ENGMA密碼，獲知其即將轟炸考文垂市，但為保守德軍密碼已被破譯的秘密，英國斷然犧牲考文垂這個重要工業城市，不發出防空警報任由德軍轟炸；美軍在中途島海戰的勝利，以及擊落山本五十六座機等影響戰爭進程的重大事件，與其成功破譯日軍“紫密”有直接關系。一些專家們甚至估計，盟軍在密碼破譯上的成功至少使二戰縮短了8年。
當前，戰場網絡已成為連接人與武器、武器與武器的技術紐帶，構成了信息化軍隊的神經中樞。偵察預警、指揮協同、武器控制、后勤保障等作戰活動均離不開網絡的支持。安全可靠的戰場網絡是保證自身作戰體系穩定，在體系對抗中謀取勝勢的重要前提，而戰場網絡的安全又十分依賴于網絡通信密碼提供的“安全屏障”。
一個國家的軍隊一旦率先實現量子密碼和量子計算的武器化，并在戰爭中投入使用，將與對手形成巨大的“技術差”，在保持自身網絡通信絕對安全的同時，可隨時破譯對方網絡通信密碼，洞悉對手的一舉一動，從而占據絕對信息優勢，甚至可以直接癱瘓和控制對方網絡，由此將置作戰對手于極為被動的不利地位，戰局可能出現“一邊倒”的情況。
以超常措施推進軍事應用
意大利軍事家杜黑指出：“勝利只向那些能預見戰爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發生才去適應的人微笑。”面對量子信息技術的機遇與挑戰，只有未雨綢繆，盡早規劃，提前部署，才能在未來戰爭中占據先機和主動，避免對手利用技術突然性陷我于被動。
目前，量子密碼已經從實驗室演示性研究邁向實際應用。發達國家軍隊已把量子信息技術作為引領未來軍事革命的顛覆性、戰略性技術。例如，美國防高級研究計劃局專門制定“量子信息科學和技術發展規劃”、研發量子芯片的“微型曼哈頓”計劃等。美國正加速推進量子信息技術的實際應用，美國白宮和五角大樓已安裝量子通信系統并已投入使用。英、法、德、日等國軍隊也相繼制定實施一系列發展量子信息技術的計劃。
關鍵詞：量子比特；量子力學；量子相干性；并行運算
0 引言
自1946年第一臺電子計算機誕生至今，共經歷了電子管、晶體管、中小規模集成電路和大規模集成電路四個時代。計算機科學日新月異，但其性能卻始終滿足不了人類日益增長的信息處理需求，且存在不可逾越的“兩個極限”。
其一，隨著傳統硅芯片集成度的提高，芯片內部晶體管數與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小(如現在的英特爾雙核處理器采用最新45納米制造工藝，在143平方毫米內集成2.91億晶體管)。根據摩爾定律估算，20年后制造工藝將達到幾個原子級大小，甚至更小，從而導致芯片內部微觀粒子性越來越弱，相反其波動性逐漸顯著，傳統宏觀物理學定律因此不再適用，而遵循的是微觀世界煥然一新的量子力學定理。也就是說，20年后傳統計算機將達到它的“物理極限”。
其二，集成度的提高所帶來耗能與散熱的問題反過來制約著芯片集成度的規模，傳統硅芯片集成度的停滯不前將導致計算機發展的“性能極限”。如何解決其發熱問題?研究表明，芯片耗能產生于計算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串數據的異或操作而最終結果卻只有一列數據的輸出，這過程是不可逆的，根據能量守恒定律，消失的數據信號必然會產生熱量。倘若輸出時處理器能保留一串無用序列，即把不可逆轉換為可逆過程，則能從根本上解決芯片耗能問題。利用量子力學里的玄正變換把不可逆轉為可逆過程，從而引發了對量子計算的研究。
1 量子計算的基本原理
1.1 傳統計算的存儲方式
首先回顧傳統計算機的工作原理。傳統電子計算機采用比特作為信息存儲單位。從物理學角度，比特是兩態系統，它可保持其中一種可識別狀態，即“1”或者“()”。對于“1”和“0”，可利用電流的通斷或電平的高低兩種方法表示，然后可通過與非門兩種邏輯電路的組合實現加、減、乘、除和邏輯運算。如把0～0個數相加，先輸入“00”，處理后輸入“01”，兩者相“與”再輸入下個數“10”，以此類推直至處理完第n個數，即輸入一次，運算一次，n次輸入，n次運算。這種串行處理方式不可避免地制約著傳統計算機的運算速率，數據越多影響越深，單次運算的時間累積足可達到驚人的數字。例如在1994年共1600個工作站歷時8月才完成對129位(迄今最大長度)因式的分解。倘若分解位數多達1000位，據估算，即使目前最快的計算機也需耗費1025年。而遵循量子力學定理的新一代計算機利用超高速并行運算只需幾秒即可得出結果。現在讓我們打開量子計算的潘多拉魔盒，走進奇妙神秘的量子世界。
1.2 量子計算的存儲方式
量子計算的信息存儲單位是量子比特，其兩態的表示常用以下兩種方式：
(1)利用電子自旋方向。如向左自轉狀態代表“1”，向右自轉狀態代表“0”。電子的自轉方向可通過電磁波照射加以控制。
(2)利用原子的不同能級。原子有基態和激發態兩種能級，規定原子基態時為“0”，激發態時為“1”。其具體狀態可通過辨別原子光譜或核磁共振技術辨別。
量子計算在處理0～n個數相加時，采用的是并行處理方式將“00”、“01”、“10”、“11”等n個數據同時輸入處理器，并在最后做一次運算得出結果。無論有多少數據，量子計算都是同時輸入，運算一次，從而避免了傳統計算機輸入一次運算一次的耗時過程。當對海量數據進行處理時，這種并行處理方式的速率足以讓傳統計算機望塵莫及。
1.3 量子疊加態
量子計算為何能實現并行運算呢?根本原因在于量子比特具有“疊加狀態”的性質。傳統計算機每個比特只能取一種可識別的狀態“0”或“1”，而量子比特不僅可以取“0”或“1”，還可同時取“0”和“1”，即其疊加態。以此類推，n位傳統比特僅能代表2n中的某一態，而n位量子比特卻能同時表示2n個疊加態，這正是量子世界神奇之處。運算時量子計算只須對這2n個量子疊加態處理一次，這就意味著一次同時處理了2n個量子比特(同樣的操作傳統計算機需處理2n次，因此理論上量子計算工作速率可提高2n倍)，從而實現了并行運算。
量子疊加態恐怕讀者一時難以接受，即使當年聰明絕頂的愛因斯坦也頗有微詞。但微觀世界到底有別于我們所處的宏觀世界，存在著既令人驚訝又不得不承認的事實，并取得了多方面驗證。以下用量子力學描述量子疊加態。
現有兩比特存儲單元，經典計算機只能存儲00，01，10，11四位二進制數，但同一時刻只能存儲其中某一位。而量子比特除了能表示“0”或“1”兩態，還可同時表示“0”和“1”的疊加態，量子力學記為：
lφ〉＝al1〉＋blO〉
其中ab分別表示原子處于兩態的幾率，a＝0時只有“0”態，b＝0時只有“1”態，ab都不為0時既可表示“0”，又可表示“1”。因此，兩位量子比特可同時表示4種狀態，即在同一時刻可存儲4個數，量子力學記為：
1.4 量子相干性
量子計算除可并行運算外，還能快速高效地并行運算，這就用到了量子的另外一個特性――量子相干性。
量子相干性是指量子之間的特殊聯系，利用它可從一個或多個量子狀態推出其它量子態。譬如兩電子發生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉的，那么根據動量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉。這兩電子間所存在的這種聯系就是量子相干性。
可以把量子相干性應用于存儲當中。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協同運行的同一整體，對其中某一比特的處理就會影響到其它比特的運行狀態，正所謂牽一發而動全身。量子計算之所以能快速高效地運算緣歸于此。然而令人遺憾的是量子相干性很難保持，在外部環境影響下很容易丟失相干性從而導致運算錯誤。雖然采用量子糾錯碼技術可避免出錯，但其也只是發現和糾正錯誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達高效量子計算時代還有一段漫長曲折之路。
2 對傳統密碼學的沖擊
密碼通信源遠流長。早在2500年前，密碼就已廣泛應用于戰爭與外交之中，當今的文學作品也多有涉獵，如漢帝賜董承的衣帶詔，文人墨客的藏頭詩，金庸筆下的蠟丸信等。隨著歷史的發展，密碼和秘密通訊備受關注，密碼學也應運而生。防與攻是一個永恒的活題，當科學家們如火如荼地研究各種加密之策時，破譯之道也得以迅速發展。
傳統理論認為，大數的因式分解是數學界的一道難題，至今也無有效的解決方案和算法。這一點在密碼學有重要應用，現在廣泛應用于互聯網，銀行和金融系統的RSA加密系統就是基于因式難分解而開發出來的。然而，在理論上包括RSA在內的任何加密算法都不是天衣無縫的，利用窮舉法可一一破解，只要衡量破解與所耗費的人力物力和時間相比是否合理。如上文提到傳統計算機需耗費1025年才能對1000位整數進行因式分解，從時間意義上講，RSA加密算法是安全的。但是，精通高速并行運算的量子計算一旦問世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統密碼學將受到前所未有的巨大沖擊。但正所謂有矛必有盾，相信屆時一套更為安全成熟的量子加密體系終會醞釀而出。
3 近期研究成果
目前量子計算的研究仍處于實驗階段，許多科學家都以極大熱忱追尋量子計算的夢想，實現方案雖不少，但以現在的科技水平和實驗條件要找到一種合適的載體存儲量子比特，并操縱和觀測其微觀量子態實在是太困難了，各界科學家歷時多年才略有所獲。
(1)1994年物理學家尼爾和艾薩克子利用丙胺酸制出一臺最為基本的量子計算機，雖然只能做一些像1＋1＝2這樣簡單的運算，但對量子計算的研究具有里程碑的意義。
(2)2000年8月IBM用5個原子作為處理和存儲器制造出當時最為先進的量子計算機，并以傳統計算機無法匹敵的速度完成對密碼學中周期函數的計算。
(3)2000年日本日立公司成功開發出“單電子晶體管”量子元件，它可以控制單個電子的運動，且具有體積小，功耗低的特點(比目前功耗最小的晶體管約低1000倍)。
(4)2001年IBM公司阿曼頓實驗室利用核磁共振技術建構出7位量子比特計算機，其實現思想是用離子兩個自轉狀態作為一個量子比特，用微波脈沖作為地址。但此法還不能存儲15位以上的量子單元。
(5)2003年5月《Nature》雜志發表了克服量子相關性的實驗結果，對克服退相干，實現量子加密、糾錯和傳輸在理論上起到指導作用，從此量子通信振奮人心。
(6)2004年9月，NTT物性科學研究所試制出新一代存儲量子比特的新載體――“超導磁束量子位”。它可通過微波照射大幅度提高對量子比特自由度的控制，其量子態也相對容易保持。
【關鍵詞】 超導量子比特 超導電路 量子計算 量子糾錯
1 引言
量子算法解決問題的概念最早由舒爾在上世紀末引入，因其在計算復雜性理論革命性的成果，量子計算受到歡迎，但在當時認為實際建造一個量子計算機是不可能的，隨后科學家發現了量子糾錯等理論，希望通過這些理論實現量子計算機。文章主要討論量子信息處理與超導量子比特物理實現，就少數重要方面討論猜測量子計算未來方向。
2 量子計算機發展的七個階段
開發一個量子計算機涉及幾個重疊且互相連接的階段，首先必須能控制量子系統的量子比特的有足夠的長的退相干時間供系統去操作和讀出，在第二階段，小量子算法可以在邏輯量子比特上進行，作為一個實用的量子計算，這前兩個階段中，必須滿足下面的五個標準[1]：
（1）可規模化的很好兩能級系統（量子比特）；
（2）量子比特具有良好的制備初態的能力；
（3）與量子邏輯門操作的時間相比，量子比特具有相對較長的退相干時間。
（4）量子比特能夠用來建造通用量子邏輯門；
（5）具有對量子比特進行測量的能力。
從上面的標準可以看出，量子比特的相干性是非常重要的。如果量子比特的相干性受到破壞，量子計算就會變成經典計算。第三階段以后要求系統能夠實現量子糾錯，在第三階段，實現量子非破壞測量和控制，量子非破壞測量可以利用奇偶校驗糾正一些錯誤。第四個階段實現更長時間的邏輯量子比特記憶，目標是實現量子存儲器，量子糾錯的實施，使得系統的相干性比任何組件的相干時間都長，通過量子糾錯存儲的邏輯量子比特的退相干時間大大超過單個量子比特退相干時間，但這個目標還未在任何實際系統中實現。最后的兩個階段是多邏輯量子比特算法和容錯型量子計算，最終目標是實現容錯量子信息處理，有能力在一個具有主動糾錯機制邏輯量子比特做所有單量子比特操作，并且能夠執行多個邏輯門之間的操作。量子信息處理的七個階段發展。每個進步需要掌握前面的階段，但每個也代表了一個持續的任務，必須協同別的階段。第三階段中的超導量子比特是唯一固態量子計算實施，目的是實現第四階段，這個也是目前研究的重要的環節。下面我們就介紹下超導電路。
3 超導電路哈密頓量設計
超導電路（圖1）基于LC振蕩器，超導量子比特的操作是基于兩個成熟的現象：超導性和約瑟夫森效應。超導量子比特可以描述為一個電感為約瑟夫森結，電容C和一個電感L組成的并聯電路。電路中電子流的集體運動的為通過電感的通量Φ，相當于在彈簧機械振蕩器質心位置。不同于純LC諧振電路的，約瑟夫森結把電路變成一個真正的人工原子，可以選擇性的從基態躍遷到激發態，當作一個量子比特。約瑟夫森結和電感并聯，甚至可以取代電感，幾個作為人工原子非線性振蕩器組成的量子比特耦合振蕩腔時，可以獲得多量子比特與多腔相互作用系統的有效哈密頓量[2]的形式為
哈密頓量中指標為j表示非諧振模式的量子比特耦合指標m表示諧振腔，符號a，b和ω分別代表振幅和頻率，在適當的驅動信號作用下，系統可以執行任意的量子操作，操作速度取決于非線性影響因素和，通常單量子門操作時間為5到50ns和二量子比特糾纏控制在50到500ns，忽略了腔的非簡諧振動的影響。適當設計的電路，盡量的減少由于量子比特周圍電介質的影響而引起的損耗，同時減少能量的輻射到其他電路環境，使得量子比特相干時間為100μs，這使得相干時間內成百上千操作成為可能。
4 目前主要的問題
目前實驗規模相對較小，只有少數量子比特相互作用，且所有的系統都會在糾纏情況下發生耗散，影響系統的相干性，要實現下一階段量子信息處理，需要通過糾錯增加相干時間，因為只有在保持量子記憶狀態的情況下，才能進行后來的算法計算，這要求建立新的系統，并且計算時通過利用連續測量和實時反饋進行量子糾錯進而保存量子信息。
使用當前的方法來糾錯，會大幅增加計算復雜性，一個比特信息往往需要幾十個甚至成千上萬的物理量子比特實現糾錯的功能，這個對于控制和設計哈密頓量是一個巨大的挑戰。此外，根據五個基本原理，在各個階段都需要其他的硬件增加，以求得能夠向下一個階段實現，但發展到一個階段并不是簡單的大規模生產相同類型的電路和量子比特的問題。
目前制造含有大量單元晶片在實際中并不困難，畢竟超導量子比特最大的優點是目前制作晶片的技術非常的成熟。盡管如此，設計構建和操作一個超導量子計算機對于半導體集成電路或超導電子學提出了實質性的挑戰，由于電路元件之間的相互作用可能會導致加熱或抵消，不同部件之間的相互干擾會引發問題，引發比特錯誤或電路故障。
還有我們必須知道怎么設計多量子比特和控制系統的哈密頓量，這個超出當前的能力，描述一個系統糾纏的哈密頓量時，需要測量的數據指數級增大，將來必須設計構建和操作超過幾十個自由度系統，這樣的話，量子計算的力量，經典情況下不能被模擬出來，這也許表明大型量子處理器應該由可以單獨測試和表征小模塊構成。
5 量子計算的未來設計
可能要花多長時間來實現超導電路完善，未來發展中，量子糾錯理論可能大大改良電路復雜度和性能限制，理論上是存在幾種不同的方法，但在實際中仍然相對不成熟。
首先是量子糾錯編碼模型，信息編碼寄存在糾纏物理量子比特中，假設發生錯誤，通過收集量子比特的信息，監測特定量子比特的集體屬性，然后在信息發生不可逆轉的損壞之前，通過特殊的門撤銷之前的錯誤。
另一種方法是表面代碼模型，大量相同的物理量子比特被連接在矩形網格中，通過特定的四個相鄰的量子比特之間的聯系，可以快速進行量子非破壞測量，防止整個網格發生錯誤。這個方法的吸引力在于只需要數量很少的不同類型的元素，一旦這個基本單元是成功的，后續的發展階段可能只是通過相對簡單的設計就能實現，而且容錯率較高，即使在當前的容錯水平也能達到百分之幾。
第三個方法是嵌套模塊模型，這里最基本的單元是邏輯記憶量子比特組成的寄存器，這個寄存器能夠在進行存儲量子信息的同時并進行量子糾錯，另外寄存器中存在一些額外的量子比特為可以與內存其他模塊通訊。通過量子比特的通信的糾纏，可以分發糾纏，最終在模塊間執行通用計算。在這里，操作之間的通信部分允許有相對較高的錯誤率。
其他方法可能包括量子科學那些與現有標準根本不同的一些方法，上面描述的方案都是基于“量子比特寄存器模型”，需要在構建較大的能夠容納很多二能級系統的希爾伯特空間，但在原子物理領域非計算態的利用已經超出二能級的水平，被用來作為一個三比特門超導電路的捷徑，在現有不引入新的錯誤的情況下，多能級非線性振蕩器的使用能夠取代多量子比特方程，這提供了一種新的設計思路。
6 結語
超導電路實現量子信息處理已經取得顯著進展，同時量子糾錯不在僅僅限制在理論上，復雜的量子系統真正進入一個未知的領域，但即使這個階段成功，未來依然會有很多的挑戰，經過不斷的探索，實用的量子信息處理未來可能成為現實。
參考文獻：
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。可以說。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.
IBM近日慶祝在技術創新領域取得的輝煌紀錄，以此慶賀公司百年華誕。IBM研制出了動態隨機存儲器（DRAM）、磁盤驅動器、用在信用卡上的磁條，以及其他許多發明。IBM是世界上最富有創新精神的公司之一。
但計算機行業正在邁向新的未來技術，這項新技術具有與當年推出的硅芯片一樣的顛覆性和革命性，那就是量子計算。量子計算系統利用亞原子粒子的行為，處理現在由芯片上晶體管處理的計算任務。
這個未來距離今天還有10年到20年，甚至更遙遠。但如果能夠完全發揮量子計算的潛力，它也許會在芯片和硬件設計領域掀起一股開發熱潮，讓人聯想起幾十年前硅谷經歷的那一幕。
IBM的創新副總裁兼IBM院士Bernard Meyerson說：“想一想我們如今在著手處理的改變游戲規則的技術（指量子計算）。”Meyerson的職責就是有確保世人不會僅僅認為IBM在過去100年的輝煌就是其最好的。那是他談論芯片行業會出現變化的原因之一。
按照摩爾定律，將來這類晶體管的尺寸會比今天最先進處理器上的晶體管再縮小10倍，變得實在太小了，“以至于進入到量子力學操作的范疇――這方面根本沒有先例。”
Meyerson表示，一旦現有的技術達到尺寸縮小方面的極限――大概10年后，還會設法繼續取得進步，因為工程師們使用集成度很高的芯片制造緊密耦合系統，另外會在存儲器、緩存和速度處理方面有所改進。
不斷發展的這種勢頭會延長到20年，但之后，“你最好要有錦囊妙計。”Meyerson說。而其中一個錦囊妙計也許就是量子計算。
IBM研究中心的量子計算高級經理Bill Gallagher表示，IBM的研究人員多年來在研究量子計算的理論和潛力；最近他們一直在針對概念進行試驗。
Gallagher說：“這是我們在眼下最重要的基礎性研究項目之一，可能也是規模最大的基礎性研究項目之一。”他說，“已取得了良好的進展，但還有很長一段路要走。”
普通計算機由一組二進制比特數字組成，這個比特可能是0或1。但量子比特可以同時保存0和1這兩個狀態。量子計算機中的處理能力可以急劇增強，而不是一個接一個地執行計算。兩個量子比特（qubit）可保存4個不同的狀態――這4個狀態可以同時處理；三個量子比特可保存8個狀態，十個量子比特可保存1024個狀態。研究人員期望有朝一日，研制出有數千個量子比特的計算機。
但量子計算的亞原子世界帶來了嚴峻挑戰。要保持“量子相干性”（即運行計算的原子和電子之間相互作用保持一種穩定狀態）有多種方法，包括在-273℃攝氏度的溫度下進行處理（接近絕對零度），以減少熱干擾；以及使用超導金屬。延長可以保持相干狀態的時間是研究人員面臨的挑戰之一。
隨著研究的不斷繼續深入，量子計算市場正儼然形成。
關注的問題之一是，量子計算機最終能夠突破密碼保護技術。Security Innovation這家公司之前就一直在考慮這個問題，并研發出了公開密鑰算法NTRUSign。該公司表示，這種算法能夠抵御量子計算攻擊。它最近獲得了專利。
Security Innovation的首席科學家William Whyte說：“誰要是在制造需要十年后安全，很難升級的系統，就應該認真考慮這個問題：如果量子計算出現在世人面前，會發生什么。”
Whyte所在的公司是最早關注量子計算所帶來影響的一批公司之一。
Whyte關注量子計算市場的不斷發展，同時看到了業界在探索制造量子計算系統的種種想法和材料。
“我認為，你會看到非常有創意的想法迸發出來，”Whyte說；新公司如雨后春筍般地冒出來，有望“超越現有廠商”。
加拿大不列顛哥倫比亞省伯納比的D-Wave Systems就是這樣一家在制造量子計算系統的公司。D-Wave公司在上個月宣布，它已將第一套完整系統賣給了洛克希德?馬丁公司。該公司的研究成果上個月還發表在了《自然》科學雜志上。
D-Wave Systems的聯合創始人兼首席技術官Geordie Rose表示，經營了12年的這家公司在研制一種128量子比特的處理器，現已發展到了第23代。
量子系統旨在解決無法用傳統計算機很好地處理的一類問題，如機器學習、人工智能和數理邏輯。Rose表示，這類問題需要核查數量龐大的可能性，以便找到最佳答案。
在發展的初期階段， Rose認為創業公司具有優勢。他說：“因為條條框框少得多，效率就高得多；遠見卓識的人其角色重要得多。”
D-Wave這個例子還表明：即使在量子計算這個全新的領域，崛起的新興公司也會對傳統老牌公司構成新的挑戰。
IBM的Myerson持有發明證書，擁有多項專利權，還為硅鍺技術的研發作出了卓越貢獻。
如今，Meyerson肩負在IBM促進創新的重任，他及其團隊致力于提供全面的、跨學科領域的集成，以便在新領域獲得重大突破，又要確保IBM有一套流程以便不斷改進現有技術。
