量子計算的優(yōu)勢大全11篇

時間：2024-01-03 14:42:09

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量子計算的優(yōu)勢

篇（1）

中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-7068-03

Optimal Knowledge Distribution Based on the Quantum Genetic Algorithm

ZHANG Wei, HE Rong

(Yunnan Medical College, Kunming 650051, China)

Abstract: Researched the question about knowledge distribution of intelligent examination system, based on the theory of quantum computing, applied quantum genetic algorithm, to improve the strategy of knowledge distribution optimization for better coverage and efficiency.

Key words: quantum algorithm; genetic algorithm; intelligent optimization; test system

智能組卷是一種新型的計算機考試系統(tǒng)。試卷由撒布在測試區(qū)域內(nèi)的考題按一定出題規(guī)則自組織而成, 這些考題具有一定的代表性,能檢測出學(xué)生對考察科目知識的學(xué)習(xí)掌握情況。考試系統(tǒng)中,考題的分布以及組織對于提高系統(tǒng)的測試水平具有重要的意義。傳統(tǒng)的考試系統(tǒng)知識分布有兩種策略,一種是人工規(guī)劃(Planning模式),另一種是大規(guī)模的隨機分散(Scattering模式)。前者缺乏靈活性與多樣性,且效率低下,不適宜計算機組卷等大規(guī)模考試。而后者若要取得較好的分布,就必須設(shè)置遠多于實際需要的考題才能較完整地覆蓋考察科目的測試區(qū)域,這與試卷中題目數(shù)量的有限性是相互矛盾的,試卷中可能存在考題不合理分布造成的測試陰影和盲區(qū)。因此考題的合理分布對智能考試系統(tǒng)的測試效果有重要的作用。盡管針對考試系統(tǒng)國內(nèi)外進行大量的組卷算法研究,但對于知識點的分布優(yōu)化問題研究工作還很少,很多研究運用傳統(tǒng)遺傳算法組卷[1],優(yōu)化效果不盡理想。針對此問題,本文應(yīng)用量子遺傳算法優(yōu)化知識點的分布,克服測試陰影和盲區(qū),使考試系統(tǒng)更大范圍地測試到更有效的學(xué)生學(xué)習(xí)信息。

1 知識覆蓋問題

通過對考試科目的學(xué)習(xí),學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的知識儲存在頭腦中。由于學(xué)生個體之間的學(xué)習(xí)差異,導(dǎo)致每個學(xué)生大腦中儲存和掌握的情況具有不確定性。考試的目的在于,通過試卷測試對學(xué)生學(xué)習(xí)情況做出相對確定的評價。科目知識是相對固定的,我們總是將科目知識當作圖譜,按圖索驥地構(gòu)造出試卷去測試學(xué)生大腦中相關(guān)區(qū)域中知識的學(xué)習(xí)掌握情況,即是否掌握,掌握水平如何等。但在目標試卷生成以前,題庫中的考題相對與目標試卷而言表現(xiàn)為存在或不存在兩種可能形態(tài)。基于此,本文引入量子態(tài)對考題進行描述、編碼和處理。

1.1 試卷分布構(gòu)成

試卷覆蓋是指由計算機考試系統(tǒng)生成一組考題集合(試卷)對測試區(qū)域各個知識點的涵蓋。試卷的目的是系統(tǒng)地測試和評價試卷覆蓋知識區(qū)域內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,并對這些數(shù)據(jù)進行處理,獲得詳盡而準確的信息,傳送到需要這些信息的教師和教學(xué)管理部門。

考題是由考點以問題的形式構(gòu)成的。其中考點與考試科目的相關(guān)知識點對應(yīng)。因此考題的分布是考試系統(tǒng)獲取學(xué)生學(xué)習(xí)信息的關(guān)鍵因素之一,其覆蓋范圍以及分布優(yōu)化也隨之成為研究領(lǐng)域中的重點。

1.2 試卷覆蓋問題

試卷由數(shù)量有限的考題組成,每道考題包含若干有針對性的知識點所設(shè)置的考點。這些考點形成了考題的測試范圍。如何組織試卷完成對目標區(qū)域的檢測,就是考試系統(tǒng)覆蓋性的問題。考題分布優(yōu)化的任務(wù)就是在保持試卷結(jié)構(gòu)完整的前提下,動態(tài)調(diào)整考題組成,以獲得盡可能大的覆蓋率,也就是使試卷能獲得更廣泛的信息。在保持考點充分覆蓋的前提下,引入以下定義。

假設(shè)考察科目所涵蓋的知識范圍用集合S表示,組成每套試卷的考題用集合Q={qi,i=1,2,...,n}表示,每道考題測試的知識范圍為ci,試卷的測試目標知識區(qū)域為A,(A?哿S),則理想的探測效果為。設(shè)為試卷有效覆蓋知識區(qū)域的度量(考點數(shù)),d2=A為目標科目知識區(qū)域的度量(知識點數(shù)),則稱ρ=d1/d2為試卷覆蓋度。

覆蓋性問題不僅反映了試卷所能測試的范圍,而且通過合理的覆蓋控制還可以使試卷中的考題組合得到優(yōu)化,提高試卷的命題質(zhì)量。

1.3 約束條件

我們采用以下公理化方式對知識覆蓋問題進行描述(目標):在考題集合Q={q1,q2,...,qn}中求一個子集T作為試卷,使得滿足以下約束條件。

① 各考題滿足試卷總體約束條件;

② 試卷覆蓋度ρ最大;

③ 考題數(shù)目T為最少。

3 量子遺傳算法的考題分布優(yōu)化

試卷的考題分布優(yōu)化是一個多目標優(yōu)化問題 ,需要在考題數(shù)與知識覆蓋率之間達到平衡。即在保持試卷中考題數(shù)目與題型符合命題要求的情況下,盡可能增加試卷的知識覆蓋度,使考題獲取最廣泛的測試信息。

3.1 量子遺傳算法

量子遺傳算法是量子計算與遺傳算法相結(jié)合的產(chǎn)物。它以量子計算的一些概念和理論為基礎(chǔ),用量子比特編碼來表示染色體,用量子門作用和量子門更新來完成進化搜索[2]。

我們根據(jù)考題在科目知識中的分布和權(quán)重(主要是指命題價值)按字典序編號,形成知識地圖的坐標。由于題庫中的考題在目標試卷生成以前具有不確定性,即在目標試卷中既可能存在,也可能不存在。這符合量子力學(xué)中的測不準原則。我們對這些編號進行量子編碼,并用量子遺傳算法在命題規(guī)則的約束下進行知識分布優(yōu)化。

3.1.1 量子編碼

1) 量子態(tài)引入

我們用Dirac算符|>和|>分別表示考題在目標試卷中表現(xiàn)為存在或不存在的兩種可能形態(tài)。若用“1”表示存在,用“0”表示不存在。考題以疊加態(tài)的形式存在。即將一個量子比特可能處于|0>和|1>之間的中間態(tài)。可表示為:

|Ψ>=α|0>+β|1> (2)

其中α和β分別是|0>和|1>的概率幅,且滿足下列歸一化條件:

|α|2+|β|2=1(3)

式(3)中,|α|2表示量子比特的觀測值在|0>狀態(tài)的概率投影,|β|2表示量子比特的觀測值在|1>狀態(tài)的概率投影。

定義2.1滿足式(2)和式(3)的一對實數(shù)α、β稱為一個量子比特的概率幅,記為[α,β]T。

定義2.2角度ζ(ζ∈[-π/2,π/2])定義為一個量子比特的相位,即ζ=arctan(β/α)。

2) 染色體量子編碼

我們從題型、章節(jié)、考題三個方面對試卷的染色體及種群進行量子編碼。

其中,m為染色體的基因個體表示知識分布數(shù)量(章節(jié)數(shù));k為每個基因的量子比特數(shù)表示每道題的屬性數(shù)量。n個這樣的個體構(gòu)成的種群Q(t)={q1t,q2t,...,qnt}表示試卷,其中n為題型數(shù)量。

3.1.2 量子旋轉(zhuǎn)門

量子旋轉(zhuǎn)門是實現(xiàn)演化操作的執(zhí)行機構(gòu)。[3-5]圖1為量子旋轉(zhuǎn)門示意圖。

其操作規(guī)律如下:

θi=k*f(αi,βi) (6)

其中k是一個與算法收斂速度有關(guān)的系數(shù),k的取值必須合理選取,如果k的取值過大,算法搜索的網(wǎng)格就很大,容易出現(xiàn)早熟現(xiàn)象,算法易于收斂于局部極值點,反之,如果 k 的取值過小,則搜索速度太慢甚至?xí)幱谕顟B(tài)。因此,本文將k視為一個變量,將k定義為一個與進化代數(shù)有關(guān)的變量,如,其中t為進化代數(shù),max t是根據(jù)待求解的具體問題而設(shè)定的一個常數(shù),因此k可以根據(jù)進化代數(shù)合理地調(diào)整網(wǎng)格大小。

函數(shù)f(αi,βi)的作用是使算法朝著最優(yōu)解得方向搜索。本文采用表1的搜索策略。其原理是使當前解逐漸逼近搜索到的最佳解,從而確定量子旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)方向。其中符號e表示α和β的乘積,即e=α*β,e的正負值代表此量子比特的相位ζ在平面坐標中所處的象限。如果 e的值為正,則表示ζ處于第一、三象限,否則處于第二或第四象限。

在表1中,α1和β1是搜索到的最佳節(jié)的概率幅,α2和β2是當前解的概率幅,當e1,e2同時大于0時,意味著當前解和搜索到的最佳解均處于第一或第三象限。當|ζ1|>|ζ2|時,表明當前解應(yīng)朝著逆時針方向旋轉(zhuǎn),其值為 +1,反之為 -1。同理可推出其他三種情況。

這樣,量子門的更新過程可以描述為qjt+1=G(t)*qjt其中,上標t為進化代數(shù),G(t)為第t代量子門,為第t代某個個體的概率幅,qjt+1為第t+1代相應(yīng)個體的概率幅。

3.1.3 量子遺傳算法流程(見圖2)

①初始化種群,種群Q={q1,q2,...,qn},其中qj為種群中的第 j 個個體。令種群中全部的染色體基因(αi,βi) (i=1,2,...,m)都被初始化為,這意味著一個染色體所表達的是其所有可能狀態(tài)的等概率疊加。同時初始化進化代數(shù)t=0。

②量子坍塌法測量:對處于疊加態(tài)的量子位進行觀測時,疊加態(tài)將因此受到干擾,并發(fā)生變化,稱為坍塌。擾動使為疊加態(tài)坍縮為基本態(tài)。確定種群大小n和量子位的數(shù)目m,包含n個個體的種群通過量子坍塌,得到P(t),其中為第t代種群的第j個解(即第j個個體的測量值),表現(xiàn)形式為長度m為的二進制串,其中每一位為0或1。(量子坍塌即對Q進行測量,測量的步驟是生成一個[0,1] 之間的隨機數(shù),若其大于概率幅的平方,則測量結(jié)果值取1,否則取0。

③群體的適應(yīng)度評價,保存最優(yōu)解作為下一步演化的目標值。

④算法進入循環(huán)。首先判斷是否滿足算法終止條件,如果滿足,則程序運行結(jié)束;否則對種群中個體實施一次測量,獲得一組解及其相應(yīng)的適應(yīng)度。

⑤根據(jù)當前的演化目標,運用量子旋轉(zhuǎn)門進行調(diào)整更新,獲得子代種群。調(diào)整過程為根據(jù)式(6)計算量子旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)角,并應(yīng)用式(5)作用于種群中的所有個體的概率幅,即更新Q。

⑥群體災(zāi)變:當接連數(shù)代的最優(yōu)個體為局部極值,這時就實行群體災(zāi)變操作,即對進化過程中的種群施加一個較大擾動,使其脫離局部最優(yōu)點,開始新的搜索。具體操作為:只保留最優(yōu)值,重新生成其余個體。

⑦迭代與終止進化代數(shù)t'=t+1,算法轉(zhuǎn)至式(2)繼續(xù)執(zhí)行,直到算法結(jié)束。

4 仿真試驗

為了驗證算法的有效性,我們對傳統(tǒng)遺傳算法(CGA)與量子遺傳算法(QGA)所獲得的考題知識覆蓋度進行仿真對比。我們將考題對考查科目所含知識的覆蓋問題簡化為:用12個半徑為200的圓所代表的考題去覆蓋一塊1200×1000的二維平面內(nèi)用矩形代表的知識區(qū)域;種群個體數(shù) P = 45,量子位數(shù)目 m = 30,運行 600 代。算法運行結(jié)果對照如下。

從圖3所示考題知識分布優(yōu)化中覆蓋度的變化特性可以看出在不同階段的變化中,量子遺傳算法優(yōu)化性能高于傳統(tǒng)遺傳算法而且穩(wěn)定性也更強。

5 結(jié)論

在試卷中存在考題不合理分布造成的測試陰影和盲區(qū)。通過量子遺傳算法優(yōu)化考題分布,使其在保證命題要求的情況下,用最少的考題取得最大的覆蓋率,可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點。仿真結(jié)果也表明,算法能夠較好地完成試卷考題的分布優(yōu)化,從而有效提高試卷的測試能力,對于實際的試卷命制提供了可靠的解決方案和調(diào)整依據(jù)。本文提出了創(chuàng)新性的考題分布的優(yōu)化方法,即確立了試卷的覆蓋模型,并以此為目標函數(shù),運用量子遺傳算法對考題分布進行優(yōu)化。

參考文獻:

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

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

篇（2）

極其嚴格的要求

另一方面，也有一些持懷疑態(tài)度的聲音，懷疑D-Wave所謂的量子計算機是否是真正意義上的量子計算機。多年以來，世界各國的科學(xué)家一直不懈努力地研發(fā)量子計算裝置，但都沒能夠走出實驗室階段，沒有獲得太多實質(zhì)性的進展。這是因為對于量子計算機的要求是極其嚴格的。首先，需要通過原子粒子的性質(zhì)來制備量子位，這是量子現(xiàn)象發(fā)生的必要要求；其次，該系統(tǒng)必須從環(huán)境中隔離并冷卻到幾乎絕對零度，因為量子現(xiàn)象會受到外部影響；其三，人們必須謹慎地從外部進行干預(yù)，并分配單個量子位的初始值，觸發(fā)量子力學(xué)的“糾纏”進行所需的算術(shù)運算；其四，讀取結(jié)果。

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

應(yīng)用范圍有限

篇（3）

今年3月，谷歌也推出了自己的量子電路，并聲稱量子計算機的運算能力將超過普通計算機數(shù)萬倍。

隨著IT巨頭紛紛量子計算研究成果，素來低調(diào)的量子計算機突然成為熱門話題。但從已面世的量子計算機來看，不論其應(yīng)用面還是單價效率，相比傳統(tǒng)計算機都還存在差距。

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

理論遐想

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

量子計算機的構(gòu)想，正是基于量子力學(xué)理論的疊加態(tài)原理而設(shè)計的。

量子計算機的理念，最早是1982年由諾貝爾獎獲得者美國物理學(xué)家費曼在一次學(xué)術(shù)會議上提出。費曼的設(shè)想則是受到其好友――加州理工學(xué)院計算機教授弗雷德金的啟發(fā)。當時，弗雷德金正從數(shù)理上研究一種新型處理器。

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

對于傳統(tǒng)處理器來說，“繞遠”就是將電路上的信號擦除，載入新的邏輯信號。這個過程將耗費大量的能量并發(fā)熱。在極高的運行速度下，處理器會因高溫融化。

另外，因為量子計算機處理的量子信息是一種疊加態(tài)，而非傳統(tǒng)計算機的0和1二進制。這就使得量子計算機在進行邏輯運算時，可一次得到多種甚至全部的運算結(jié)果。

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

但此時的量子計算機理論并沒引起關(guān)注，因為不論從量子物理學(xué)角度還是計算機應(yīng)用方面來看，量子計算機的實現(xiàn)過程都極其困難。

而著名的摩爾定律此時已然在科技界生效，簡單、可靠的實現(xiàn)方法，讓晶體管以百萬計的超大規(guī)模集成電路形態(tài)，順著電腦流水線進入企業(yè)和家庭，且價格越發(fā)低廉。而直到1988年費曼去世，量子計算機依舊停留在物理學(xué)家的腦海中。

機遇與爭議

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

20世紀末隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)的普及，通信安全也成為棘手問題。而基于大素數(shù)乘積原理的RSA算法因為運算量大，難以被破解，被普遍應(yīng)用于信息加密。

有盾就有矛。在貝爾實驗室工作的舒爾，依據(jù)自己的算法提出用量子計算機可快速破解RSA密碼。舒爾推論，當時需1000臺計算機8個月才能破解的129比特位RSA密鑰，一臺量子計算機不到10秒就能破解。

問題在于，此時的量子計算機雖然算法理論儲備豐富，但工程學(xué)上怎么才能造出一臺量子計算機，仍是個難題。

直到1999年，研發(fā)實際應(yīng)用量子計算機的加拿大D-WAVE公司成立，造出一臺量子計算機的想法，才得以實現(xiàn)。

因量子計算機在密碼破解上的優(yōu)勢理論，D-WAVE公司得到了美國中情局的支持。2011年，D-WAVE公司與洛克希德馬丁公司以簽署合作協(xié)議的形式，售出了世界上第一臺商用量子計算機。該量子計算機售價被披露高達1000萬美元。2013年，D-WAVE公司又將第二臺量子計算機賣給了美國航空航天局與谷歌的聯(lián)合實驗室。

D-WAVE公司的兩次交易均獲成功，量子計算機實用化的大門似乎已向人們敞開。但對于量子計算機的爭論，也由此不斷出現(xiàn)。

雖然D-WAVE公司聲稱，其量子計算機比傳統(tǒng)計算機的運算速度大約快3.55萬倍。但很多研究團隊在考察過后表示，D-WAVE公司的量子計算機只有5倍于傳統(tǒng)電腦的運算速度，在某些情況下其速度甚至只有1/100。

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

只是一小步

雖然質(zhì)疑聲不斷，但科學(xué)界還是給予D-WAVE公司的量子計算機部分肯定。畢竟它應(yīng)用了量子原理來進行運算和儲存，并使得量子計算機能從實驗室走出來，跟傳統(tǒng)電腦就某一領(lǐng)域就行比武。

但即便如此，量子計算機還是個造價昂貴的“計算器”。購買同等計算能力，量子計算機用戶恐怕要多付出6000倍的價格。要終結(jié)行將失效的摩爾定律，量子計算機的產(chǎn)業(yè)化之路還有很長要走。

50年前，英特爾創(chuàng)始人之一戈登?摩爾在美國微電子雜志發(fā)表文章時預(yù)言，每過一年芯片單位面積上的晶體管數(shù)量和性能將會翻倍。

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

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

篇（4）

當年7月，九州量子（原名“都飛通信”）正式成立，經(jīng)過4年發(fā)展，九州量子不但躋身量子通信領(lǐng)域中國領(lǐng)軍企業(yè)之列，更是憑借量子加密通信技術(shù)和產(chǎn)品長期領(lǐng)先于同行業(yè)的競爭優(yōu)勢，成為量子通信領(lǐng)域首個市場化全產(chǎn)業(yè)鏈公司。

2015年12月，由九州量子承建的全球第一條量子保密通信商用干線――“滬杭干線”項目啟動，作為“七橫七縱”量子國家干線規(guī)劃的核心承建企業(yè)，九州量子同時承接了浙江省域網(wǎng)、長三角環(huán)網(wǎng)、杭州城網(wǎng)、烏鎮(zhèn)城網(wǎng)、量子小鎮(zhèn)（量子產(chǎn)業(yè)園）浙江省政務(wù)云等項目建設(shè)和運營。今年6月13日，九州量子在新三板掛牌上市，成為“量子通信第一股”。九州量子董事長鄭韶輝。

“九州量子在浙江省構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，提供基于量子技術(shù)的高可信安全網(wǎng)絡(luò)運營服務(wù)，與我國現(xiàn)有的量子通信產(chǎn)業(yè)化平臺一起，構(gòu)成量子通信技術(shù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。”鄭韶輝接受《財經(jīng)國家周刊》記者專訪時表示，九州量子致力于打造一條包含上中下游的產(chǎn)業(yè)鏈條，主攻量子手機、量子白板等量子終端產(chǎn)品應(yīng)用，為量子通信盡早造福社會做出貢獻。

中國優(yōu)勢

《財經(jīng)國家周刊》：目前全球量子信息產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展情況如何？中國的地位如何？

鄭韶輝：量子信息目前有三個領(lǐng)域，第一個是量子計算，量子計算目前還談不上產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)化最快也要六七年之后。第二個是量子測量，我認為中國跟美國的水平差不多，美國可能更強一點。第三個是量子通信，中國在這個方面雖然不是做得最早的，但是這兩年突飛猛進，特別在應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快，“京滬干線”、“滬杭干線”、通訊衛(wèi)星等，中國都處于一個較為領(lǐng)先的地位。

從全球來看，只用了10多年時間就在一個行業(yè)里面尤其是這種高精尖的領(lǐng)域領(lǐng)先，是非常難得的。目前各國正在展開量子通信的產(chǎn)業(yè)化競賽，中國應(yīng)該抓住這個窗口，抓緊把產(chǎn)業(yè)化推動起來。

《財經(jīng)國家周刊》：你怎么看中國量子通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向？

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

要解決這個問題，不但科學(xué)家要展開技術(shù)攻關(guān)，市場也要跟得上，運用市場化的機制，可以展開一些并購，我認為3年左右時間，如果能使設(shè)備成本下降到現(xiàn)在的十分之一，就能為大規(guī)模的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

第二個3年是運營商的3年，這3年里，要構(gòu)建一個初步的量子通信網(wǎng)絡(luò)，就像人體的毛細血管一樣，在全國范圍內(nèi)鋪開量子通信網(wǎng)絡(luò)。

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

從設(shè)備商到運營商再到平臺商，每個3年，拿出9年時間來塑造整個全產(chǎn)業(yè)鏈，屆時中國擁抱的將是“量子+”時代的到來。

《財經(jīng)國家周刊》：九州量子致力于打造行業(yè)首個全產(chǎn)業(yè)鏈高科技企業(yè)，你們的競爭力體現(xiàn)在哪里？

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

量子通信同任何新興產(chǎn)業(yè)一樣，在發(fā)展的早期階段是研發(fā)驅(qū)動，但發(fā)展到今天這個階段的時候，行業(yè)已經(jīng)到了爆發(fā)周期，需要的是通過工業(yè)化的方式快速形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在這方面我們團隊是有競爭優(yōu)勢的。

產(chǎn)業(yè)化未來

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

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

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

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

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

在我看來，網(wǎng)建得越多，那么未來的用途越廣泛，用戶也就越多。大概今年10月底，我們會接通“滬杭干線”，但是真正運營可能會晚些時候，未來“滬杭干線”還將會和“京滬干線”接通。

按照九州量子的發(fā)展規(guī)劃，明年我們還將啟動浙江省網(wǎng)和長三角環(huán)網(wǎng)，從2018年開始，我們會與三大運營商合作，建設(shè)全國性的骨干網(wǎng)及其無線量子城域網(wǎng)，推動制定量子通信國家標準，在2020年，打造多行業(yè)系列化的量子應(yīng)用產(chǎn)品，成為全球量子通信產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)軍企業(yè)。

《財經(jīng)國家周刊》：我們注意到，九州量子最近與盛洋科技、清華大學(xué)等企業(yè)和機構(gòu)都達成了合作，有什么具體規(guī)劃？

鄭韶輝：我們是一個市場化的公司，是要把產(chǎn)品賣到全球去的。所以在這個產(chǎn)業(yè)化過程中，我們希望有更多的企業(yè)更多的力量來參與進來，我們愿意跟別人合作，一起解決發(fā)展中的難題。

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

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

《財經(jīng)國家周刊》：按照潘建偉院士的預(yù)測，15年左右的時間，裝有芯片的量子手機將會進入尋常百姓家，對這個預(yù)測，你怎么看？通用的量子計算機技術(shù)，業(yè)內(nèi)說法是15年的時間可以突破，對當下的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來巨大沖擊。

鄭韶輝：我比他要激進些，我覺得這個時間可能會縮短到9到10年左右。當然這些都是預(yù)測，最終還是要取決于量子計算機技術(shù)發(fā)展。通用的量子計算機技術(shù)，業(yè)內(nèi)說法是15年的時間可以突破，但我相信用不了15年，也許9年之內(nèi)，量子計算機技術(shù)就會在某種特殊用途上有所突破，這會對當下的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來巨大沖擊。

《財經(jīng)國家周刊》：具體而言，量子通信將來的終端產(chǎn)品會是什么樣子？

鄭韶輝：我們目前最關(guān)心的量子通信終端產(chǎn)品，一個是量子手機，這個產(chǎn)品目前我們已經(jīng)有了一套技術(shù)解決方案。因為量子通訊設(shè)備太大，目前我們還做不到小型化，而且量子密鑰還無法實現(xiàn)自動生成，我們的做法是通過機器設(shè)備實現(xiàn)，在設(shè)備里安放芯片，好像手機充電一樣。

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

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

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

《財經(jīng)國家周刊》：有不少觀點認為，量子通信已經(jīng)進入了產(chǎn)業(yè)化的前期，你認為往下走的話，還面臨著哪些困難？

鄭韶輝：我認為，目前有利的因素很多，和過去比困難少多了，應(yīng)該說當前已經(jīng)進入黃金時代了。國家戰(zhàn)略上有政策支持，社會上的資本進入的意愿也非常強烈。

篇（5）

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

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

傳統(tǒng)電子計算機要算15萬年的難題，量子計算機只需1秒

1981年，美國物理學(xué)家費曼指出，由于量子系統(tǒng)具有天然的并行處理能力，用它所實現(xiàn)的計算機很可能會遠遠超越經(jīng)典計算機。1994年，麻省理工學(xué)院的Peter？Shor教授提出分解大質(zhì)因數(shù)的高效量子算法，量子計算引發(fā)了世界各國的強烈興趣。

“由于量子比特是0和1的疊加態(tài)，在原理上具有超快的并行算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長。這一特點使得量子計算可為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。”潘建偉說，“比如，300位10進制那么長數(shù)，用我們目前萬億次的傳統(tǒng)電子計算機拿來算的話，大概需要算15萬年。但如果能夠造出一臺量子計算機，它計算的頻率也是萬億次的話，只需要1秒鐘就可以算完。從這個角度上講，量子的并行計算能力是非常強大的。”

此外，一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過超級計算機。

那哪些算特定問題呢？

朱曉波說：“比如說大數(shù)字分解，這個是用于現(xiàn)在加密的一個標準的算法。那么你如果能解一個大數(shù)字分解，就能解密現(xiàn)在很多的加密算法。如果很多加密算法都失效了，國家金融安全、軍事安全等都會受到嚴重影響。還有，量子計算機做到一定規(guī)模之后，很有可能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速搜索，以后在解決搜索問題的時候就具有巨大的優(yōu)勢。”

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

研究仍處早期，我國計劃在年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱

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

潘建偉說：“實驗測試表明，該原型機的‘玻色取樣’速度不僅比國際同行類似的之前所有實驗加快至少2.4萬倍，同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和第一臺晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10～100倍。”

這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典超級計算能力的量子計算這一國際學(xué)術(shù)界稱之為“量子稱霸”的目標奠定了堅實的基礎(chǔ)。

“量子計算領(lǐng)域有幾個大家共同努力的指標性節(jié)點：第一，展示超越首臺電子計算機的計算能力；第二，展示超越商用CPU的計算能力；第三，展示超越超級計算機的計算能力。我們實現(xiàn)的只是其中的第一步，也是一小步，但是是重要的一步。”潘建偉說。

“朝著這個目標，我們研究團隊將計劃在今年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，將接近目前最好的商用CPU。”陸朝陽說。

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

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

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，對計算能力的需求可以用一個詞來形容，就叫做“貪得無厭”。同時，計算能力的強弱也對社會的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。當人們能夠把數(shù)據(jù)里面有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過計算給提取出來的話，每一個數(shù)據(jù)才會成為真正的財富。

談到量子計算機未來的應(yīng)用前景，潘建偉充滿信心：“我認為量子技術(shù)領(lǐng)域目前主要有幾個方面離實用非常近：量子通信主要是用在保密方面，它可以大大提高信息安全水平。除此之外，量子計算可能很快在某些特定計算方面超越目前傳統(tǒng)的超級計算。這些技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測、藥物設(shè)計、基因分析、各種導(dǎo)航等方面也將起到巨大的作用，會給我們的生活帶來極大的改變。比如，我們現(xiàn)在的天氣預(yù)報只能預(yù)報幾天，因為如果要預(yù)報第六天、第七天，計算的時間可能需要100天，而100天后再來預(yù)測第六七天的天氣就沒什么意義了。”

據(jù)潘建偉介紹，在我國即將啟動的量子通信和量子計算機的重大項目里，對光、超導(dǎo)、超冷原子等方向上都已經(jīng)做了相應(yīng)的布局。

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

篇（6）

2016年8月16日凌晨1時40分，世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”由我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。全國人們?yōu)榇藲g呼雀躍，各大媒體也爭相報道這一科研壯舉。目前，我國已經(jīng)成為世界上首個實現(xiàn)太空一地面量子通信的國家，然而對于普通人來說基于量子物理學(xué)發(fā)展而來的量子通信技術(shù)依然是晦澀難懂的深奧科學(xué)。那么，我們便基于量子衛(wèi)星的發(fā)射來談一談量子衛(wèi)星所涉及的基本科學(xué)問題。

1量子衛(wèi)星

1.1量子衛(wèi)星“墨子號”名稱的由來

在我國古代，墨子先生不僅創(chuàng)立了墨家學(xué)說，更是在傳世的《墨經(jīng)》一書中提出了“光學(xué)八條”的理論。在“光學(xué)八條”中不僅描述了我國古代人民對光線的認識，也設(shè)計出了我國最早的小孔成像實驗，這是我國有關(guān)光學(xué)研究的基礎(chǔ)。為了紀念墨子先生，我國發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星便被命名為“墨子號”。

1.2“量子”的定義

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

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

1.3量子通信

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

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

1.4量子通信衛(wèi)星

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

2我國量子通信技術(shù)的發(fā)展

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

2）我國的量子通信技術(shù)布局較早，發(fā)展較快，成果也更為顯著。早在1995年，中科院物理所便在實驗室內(nèi)完成了我國首個的量子密鑰分發(fā)實驗演示。在其后，我國先后成立了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息研究部、中國科學(xué)院量子技術(shù)與應(yīng)用研究中心和中國科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心。這些研究中學(xué)的成立將會進一步推進我國量子通信技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)進步，使我國的量子通信技術(shù)研究始終走在全球前列。

篇（7）

當今社會是一個數(shù)據(jù)化時代，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域。對于在已知網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點的通信需求下，怎樣選擇計算機通信網(wǎng)鏈路的高效路由，這一受到多個條件約束的雜亂非線性規(guī)劃問題，在傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)理論中尚未得到有效的解決方法。面對這個問題，傳統(tǒng)的算法都存在一定的局限性，計算也比較復(fù)雜，在很多條件限制下都難以發(fā)揮其作用，無法給出滿意的解決方案。本文主要是對改進量子進化算法在計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇上的應(yīng)用進行探究。

一、計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇意義

傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)路由的選擇方式主要有爬山法、梯度法、模擬退算法以及列表尋優(yōu)法，但其都具有很大程度上的局限性，受到的限制條件也比較多，不能有效地發(fā)揮其作用。網(wǎng)絡(luò)路由選擇的定義主要有：在已有的計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲和網(wǎng)鏈路通信容量以及各個節(jié)點需求的情況下，對各節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)路由進行確定，以最大限度縮小互聯(lián)網(wǎng)的時延性。這種路由選擇方式，可在選擇過程中采取一些簡化工作，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的數(shù)據(jù)包完好無缺，不受通信容量影響，報文長度則以實際指數(shù)分布為基準，來進行路由選擇。

二、計算機網(wǎng)絡(luò)路由選擇中改進量子進化算法的應(yīng)用

（一）量子進化算法的概述及算法流程

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

在進行計算中，可以采用矩形陣表示量子染色體，設(shè)其長度為m

量子進化算法流程主要有以下幾個步驟：

首先，將種群Q（t）初始化，設(shè)t=0，并測量種群中的每個個體，得到種群的狀態(tài)P（t）；其次，對P（t）的適應(yīng)度進行評估，將最佳個體狀態(tài)和適應(yīng)值進行記錄；最后，采用

While非結(jié)束狀態(tài)do，

begin

1、t=t+1；

2、對種群進行測量Q（t-1），其狀態(tài)為P（t）；

3、進行P（t）的適應(yīng)度評估；

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

5、對每個個體的最佳狀態(tài)以及適應(yīng)值進行記錄。

End

（二）旋轉(zhuǎn)角的優(yōu)化調(diào)整

（三）函數(shù)調(diào)整優(yōu)化

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

表1 優(yōu)化方案

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

（四）仿真測試

以仿真實驗的方式對以上的分析進行檢驗，與傳統(tǒng)的量子進化算法為比較對象，證明改進量子進化算法在計算機網(wǎng)絡(luò)路由的選擇性能存在優(yōu)越性。仿真實驗的結(jié)果如圖1；

圖1 改進算法和傳統(tǒng)算法的對比

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

結(jié)束語

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

參考文獻

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

篇（8）

2.環(huán)保化：計算機性能的提高也將產(chǎn)生更多的能耗，無論是生產(chǎn)還是生活中，大量的使用計算機必定會損耗更多的電量。為了解決這個問題，在不久的將來計算機技術(shù)將會向環(huán)保型發(fā)展，通過提高計算機的效率減少能耗。例如，使用量子技術(shù)和光子技術(shù)代替原來的硅架構(gòu)。

3.軟件生產(chǎn)構(gòu)件化：計算機技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域是十分廣泛的，為了適計算機硬件的發(fā)展解決供需矛盾，計算機軟件生產(chǎn)也要實現(xiàn)構(gòu)件化。目前，對軟件生產(chǎn)的重點是其可生產(chǎn)性和并行處理，在軟件開發(fā)的問題上也將會以更高的水平對其進行解決。

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

二、計算機種類發(fā)展趨勢

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

1.量子計算機：量子計算機是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算的新型計算機。量子計算機的優(yōu)勢在于其能夠?qū)α孔有畔⑦M行計算和處理，當計算機運行量子算法時我們可以稱之為量子計算機。計算機領(lǐng)域中使用量子技術(shù)是一項新的研究，而量子計算機與當前的計算機相比較而言，其存儲空間是巨大的，而且在進行計算時其速度也是當前計算機無法比擬的。對于量子計算機的應(yīng)用，初步預(yù)測在2030年能夠?qū)崿F(xiàn)，以當前計算機技術(shù)發(fā)展的速度和趨勢來看，實現(xiàn)量子計算機的使用的時代將很快到來。

2.分子計算機：分子生物計算機是指通過分子來處理信息的計算機。這種計算機主要是通過分子晶體運行的，其優(yōu)勢在于實現(xiàn)了高效的組織排列，而且體積小，速度快，存儲時間長等。在不久的將來，當分子技術(shù)在不斷的發(fā)展的時候分子計算機的出現(xiàn)也指日可待。

3.生物計算機：所謂生物計算機就是指通過生物芯片集成晶體管而制成的計算機。生物計算機的優(yōu)勢在于，耗能低，運算的速度很快且其存儲空間巨大。不過，這種計算機也存在一定的缺陷，譬如從生物計算機中提取信息比較困難，因而生物計算機要得到發(fā)展以目前的計算機技術(shù)條件還無法得到廣泛的應(yīng)用。不過在未來計算機發(fā)展下，其缺陷會得到解決，其前景也將會是良好的。

4.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機：該計算機是通過模仿人的大腦神經(jīng)脈絡(luò)制成計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加以運行的新型計算機。和人腦運行的速度相比，電腦功能是無法達到的，在這個基礎(chǔ)上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機被視為巨大的機器，其要處理很多繁雜的信息。因而，在此過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機可以在判斷和處理信息時得出結(jié)果。其內(nèi)部的信息組要是在神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)中被存儲，而一旦神經(jīng)元結(jié)點出現(xiàn)問題，該計算機還能夠?qū)υ瓉泶鎯Φ男畔⑦M行備份，確保這些信息不丟失。

三、計算機技術(shù)未來發(fā)展的建議

1.做好技術(shù)革新經(jīng)濟的發(fā)展促使人們對計算機技術(shù)改進有了更高的關(guān)注。在計算機技術(shù)發(fā)展的過程當中，為了更好地推進其發(fā)展就會做好創(chuàng)建計算機技術(shù)的相關(guān)措施，對在其發(fā)展中有可能面臨的問題做出相應(yīng)的處理。而要做好這點首先要對其進行全面的認識，對計算機技術(shù)的實施形成系統(tǒng)的了解，在開發(fā)新技術(shù)時也要遵循自然以及經(jīng)濟的規(guī)律，體現(xiàn)其科學(xué)性和實效性等等。兼顧這些在計算機技術(shù)改進和發(fā)展中才能更加的完善，為人所用。

2.增強計算機研發(fā)人員的培訓(xùn)實現(xiàn)計算機技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于有一批具備高素質(zhì)和高技能的技術(shù)研發(fā)人員，要想計算機技術(shù)的發(fā)展能夠得到保障就要依賴于這些研發(fā)人員在掌握技術(shù)要領(lǐng)和工作規(guī)范的基礎(chǔ)上進行工作。同時，提高研發(fā)人員的責任意識和創(chuàng)新意識，擁有責任意識的員工能夠確保計算機技術(shù)發(fā)展得到重視，而創(chuàng)新意識則是推動計算機技術(shù)革新的動力。在生產(chǎn)和生活中計算機技術(shù)發(fā)揮了很大的作用，要使得生活水平得到進一步的提高，就要能夠確保計算機技術(shù)更為完善和順利的發(fā)展。

篇（9）

中圖分類號：P315.69 文獻標識碼：A文章編號：1005-5312（2011）20-0282-01

一、計算機的發(fā)展概況

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

第一個階段主要是字長為4位的微型機和字長為8位的低檔微型機。這一階段的典型微處理器有：世界上第一個微處理器芯片4004，以及隨后的改進版4040，它們都是字長為4位的。

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

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

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

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

二、新一代計算機: 量子計算機

近年來，如何使處理器中晶體管體積的減小成為計算機性能改進的關(guān)鍵所在。但是，這種不斷的減小有一個極限。正如哲學(xué)里說，萬物有矛盾兩面。如果晶體管變得太小，將會限制它的性能。因此，看起來我們的計算機技術(shù)，會在不久的將來達到極限，它們真的會嗎？在1982年，諾貝爾獎獲得者――物理學(xué)家Richard Feynman想出了 “量子計算機” 的概念，那是一種利用量子機械的影響作為優(yōu)勢的計算機。說起Richard Feynman是本世紀誕生于美國的最偉大的物理學(xué)家，費曼于40年展了用路徑積分表達量子振幅的方法，并于1948年提出量子電動力學(xué)新的理論形式、計算方法和重正化方法，從而避免了量子電動力學(xué)中的發(fā)散困難。費曼還建立了解決液態(tài)氦超流體現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論。他和莫雷蓋爾曼在弱相互作用領(lǐng)域，做了一些奠基性工作費曼還是一位富有建設(shè)性的公眾人物。1986年，挑戰(zhàn)者號失事后，費曼做了著名的O型環(huán)演示實驗，只用一杯冰水和一只橡皮環(huán)，就在國會向公眾揭示了挑戰(zhàn)者失事的根本原因－低溫下橡膠失去彈性。1965年因量子電動力學(xué)方面的貢獻獲得諾貝爾物理獎。量子計算機概念正是Feynman這個大理論物理學(xué)家提出，從而有一段時間，“量子計算機”的想法主要僅僅停留在理論興趣階段，但最近的發(fā)展令這個想法引起了每一個人的注意。其中一個進步就是一種在量子計算機上計算大量數(shù)據(jù)的算法的發(fā)明，由Peter Shor(貝爾實驗室)設(shè)計。

三、量子計算機與傳統(tǒng)計算機區(qū)別

在量子計算機中，基本信息單元叫做一個量子位不同于傳統(tǒng)計算機，并不是二進制位而是按照性質(zhì)四個一組組成的單元。量子位具有這種性質(zhì)的直接原因是因為它遵循了量子動力學(xué)的規(guī)律，而量子動力學(xué)從本質(zhì)上說完全不同于傳統(tǒng)物理學(xué)。量子位不僅能在相應(yīng)于傳統(tǒng)計算機位的邏輯狀態(tài)0和1穩(wěn)定存在，而且也能在相應(yīng)于這些傳統(tǒng)位的混合或重疊狀態(tài)存在。這種現(xiàn)象看起來和人的直覺不符，因為在人類的日常生活中發(fā)生的現(xiàn)象遵循的是傳統(tǒng)物理規(guī)律，而不是量子力學(xué)的規(guī)律，量子規(guī)律只統(tǒng)治原子級的世界。

四、所遇到的問題

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中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0267-03

Implementation of SVG-based Quantum Circuit Design Platform

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

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

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

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

1 目研究背景

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

當前生成量子電路圖的軟件主要有三種：

1）Dmitri Maslov 等人開發(fā)的可逆電路繪圖軟件：開源軟件QCViewer和非開源軟件RCViewer以及其升級版RCViewer+。

2）Robert Wille等人開發(fā)可逆電路設(shè)計工具軟件RevKit

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

盡管三者用戶數(shù)量龐大，但仍然有很多因素制約用戶的使用：

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

2）生成電路圖的分辨率低，且點陣無法修改，無法生成獨立圖片文件。

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

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

2 基本概念

2.1 SVG

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

2.2 EasyUI

EasyUI 是基于JQuery的一組UI插件集合，可以幫助開發(fā)者快速開發(fā)美觀的Web頁面，簡化JavaScript 編寫細節(jié)。

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

2.3 TFC文件格式

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

2.4 JavaScript與JQuery操作SVG方法

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

3 平臺實現(xiàn)

3.1 繪制量子門

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

3.2 繪制工具

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

3.3 繪制組合量子門

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

3.4 參數(shù)修改

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

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

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

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

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

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

事件的委托：例如 onclick、onmouseover、onmouseout等即事件，委托即讓其他對象來完成原對象所需完成的實踐。委托能帶來性能上的優(yōu)勢，例如對html中每個需要添加事件的節(jié)點上添加一個或多個事件，click、mouseover等事件不僅會增加內(nèi)存，增加瀏覽器的負擔，還會降低程序運行效率。如果將事件添加到body或者其他的標簽上，利用冒泡的原理，body等標簽也會接收到對應(yīng)的事件，再根據(jù)事件本身的參數(shù)即可進行處理。SVG圖形事件的處理就是利用了這一特點。

5 結(jié)束語

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

參考文獻：

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篇（11）

量子計算機是大勢所趨

所謂量子計算機，簡單來說就是利用量子攜帶信息、存儲數(shù)據(jù)，遵循量子算法進行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運算的物理設(shè)備。我們熟知的傳統(tǒng)計算機的“心臟”依賴的是硅芯片，但是一個芯片的面積總是有限的。

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

為了突破這道瓶頸，

IBM一直致力于研發(fā)碳納米管芯片，其研究人員在一個硅芯片上放置了1萬多個碳納米晶體管，從而能夠獲得比硅質(zhì)器件更快的運行速度。IBM聲稱這一成果有望讓摩爾定律在下一個十年中繼續(xù)生效。但是，如何獲得高純度的碳、如何實現(xiàn)完美的制造工藝又是不可避免的問題。

因為量子計算機是利用量子攜帶信息的，所以，傳統(tǒng)計算機面臨的挑戰(zhàn)恰恰是量子計算機的優(yōu)勢所在。量子計算機中的每個數(shù)據(jù)由不同粒子的量子狀態(tài)決定，根據(jù)量子力學(xué)原理，粒子的量子狀態(tài)是不同量子狀態(tài)的疊加。所以，量子計算機計算時采用的量子比特在同一時間內(nèi)能夠呈現(xiàn)出多種狀態(tài)——既可以是1也可以是0，傳統(tǒng)計算機在運算中采用的傳統(tǒng)比特在特定時間內(nèi)只能代表一個狀態(tài)——1或者0。這就是量子計算機與傳統(tǒng)計算機最大的不同之處。由于量子疊加狀態(tài)的不確定性，量子計算可以同時進行大量運算，它的潛在應(yīng)用包括搜索由非結(jié)構(gòu)化信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，進行任務(wù)最優(yōu)化和解決此前無法解答的數(shù)學(xué)問題。所以，量子計算機是大勢所趨。

實現(xiàn)方案眾多

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

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

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

中國科學(xué)院院士郭光燦這樣評價阿羅什和瓦恩蘭的成就：量子計算這個領(lǐng)域已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)超過當初的技術(shù)，但是起點是他們。我們現(xiàn)在關(guān)注的不是單個離子，而是多個離子的糾纏，比如兩個腔怎么連在一起，這是將來要做的，此外，還會有各種各樣的腔，比如光學(xué)腔、物體腔和超導(dǎo)腔等。現(xiàn)在做量子計算機，實際上就是做芯片，把很多離子糾纏在一起，分到各個區(qū)里面，如果這一步能實現(xiàn)，量子計算機有希望在這方面實現(xiàn)實質(zhì)性突破。

過程艱難但前景樂觀

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

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

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

需要注意的是，量子計算機的出現(xiàn)會將網(wǎng)絡(luò)安全置于非常危險的境地，給現(xiàn)有的社會和經(jīng)濟體系以及國防帶來潛在威脅。目前大部分的網(wǎng)絡(luò)保密是使用“RSA公開碼”的密碼技術(shù)。想要破譯這種密碼，就要對大數(shù)分解質(zhì)因子，這是極其困難的。按照現(xiàn)有的理論計算，分解一個400位數(shù)的質(zhì)因子，用目前最先進的巨型計算機也需要用10億年的時間，而人類的歷史才不過幾百萬年。然而，量子計算機能夠借助其強大的運算功能瞬間完成密碼破譯，這嚴重動搖了RSA公共碼的安全性。

目前，量子計算機給人們的印象不過類似于一個玩具，娛樂價值似乎更高一些，但是在不久的將來，它一定能夠引領(lǐng)計算機世界的潮流。

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量子計算機發(fā)展簡史

1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）提出“量子計算機”的概念。

1985年，英國牛津大學(xué)的D. Deutsch進一步闡述了量子計算機的概念，并且證明了量子計算機比經(jīng)典圖靈計算機具有更強大的功能。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計算機能夠完成對數(shù)運算，而且速度遠勝傳統(tǒng)計算機。

2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，它基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

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

2009年，世界第一臺通用編程量子計算機在美國國家標準技術(shù)研究院誕生。

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

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