CPU的未来新技术展望2

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2.3量子计算机重大理论难题于实际工艺方面的突破
2.3.1量子技术理论

目前的计算机是通过控制位、二进制数字来实现的，也就是说，每一位代表了0或1。从数字和字母到我们所用的鼠标或调制解调器的状态等等和计算机有关的所有东西都可以用一系列0和1的组合来代表。这些位和经典物理学表示世界的方法对应的很好，在现实世界中，如电子开关的开和关，某物在某地或者不在某地等等，这样的两种状态可以分别用计算机中的0和1来表征。但是，量子计算机并没有被经典物理世界所限制，量子计算机依赖于对量子位或者说昆比特（qubit）的观察，量子位可能代表了一个0或者一个1，也可能代表了二者的结合或者可能代表了在0和1之间的一种状态。
在量子计算机中，基本信息单元（叫做一个量子位或者qubit，也叫做昆比特）不同于传统计算机，并不是二进制位而是按照性质四个一组组成的单元。qubit具有这种性质的直接原因是因为它遵循了量子动力学的规律，而量子动力学从本质上说完全不同于传统物理学。qubit不仅能在相应于传统计算机位的逻辑状态0和1稳定存在，而且也能在相应于这些传统位的混合或重叠状态存在。换句话说，qubit能作为单个的0或1存在，也可以同时既作为0也作为1，而且用数字系数代表了每种状态的可能性。这种现象看起来和人的直觉不符，因为在人类的日常生活中发生的现象遵循的是传统物理规律，而不是量子力学的规律，量子规律只统治原子级的世界。下面的图3是简单的过程图。
从某光源发射的光子沿某条路径射向一个一面涂有银的镜子。该镜子使光束分离，其中的一半垂直射向接收器A，另一半则射向接收器B。但是，一个光子作为光的最小单位并不能被分离，所以光子被接收器A或B检测到的机率相等。如果凭直觉我们可能认为光子离开镜子的方向是随机的，或者沿垂直方向，或者沿平行方向。但是，量子动力学告诉我们，光子实际上是沿平行和垂直两个方向同时传播的。


2.3.2量子计算机研究获新进展  
　　量子计算机重大理论难题突破  
“量子不可克隆定理”成为量子计算机研究的重要障碍，但同时也为量子编码的绝对安全性提供了基础。量子计算中，要解决信息的存储和传递，就必须解决好量子的复制问题。国际学术界广泛研究保真度小于1的量子复制机，一直未获实质性结果。为了攻克这一世界性难题，中科大郭光灿教授和他的课题组通过试验发现，量子态在超辐射的条件下会发生集体效应，能在消相干的环境下保持其相干性，这一研究成果被国际学术界称为“无消相干子空间理论”。研究小组独辟蹊径，避开量子不可克隆的研究方向，提出了“量子概率克隆机”，这一理论随后被国际许多著名的实验室所证明，被誉为“段-郭概率克隆机”，他们推导出的最大概率克隆效率公式，被国际上称为“段-郭界限”。他们的研究结果表明，量子计算理论的突破，将使目前世界上的计算机有望被量子计算机取代，使计算机向更微观的原子领域进军，为信息领域的技术革命奠定了理论基础。
2001.08瑞士日内瓦大学教授研制成功一种能使光子人工二元组合的滤光镜，将量子计算机研究向前推动了一步。
　　这种滤光镜由两个偏极滤光器组成，可各自截获成对光子中的一个光子，然后用一条“电话线”把这两个滤光器连接。实验证明，利用这种方法能较好地保证成对光子的连接质量。如果让“电话线”一端的这个光子带上信息，它就会以光速传递给另一端的与之结对的光子，这种成对光子的“量子密码”能够保证信息的安全快捷传递。利用这种技术制造量子计算机，用10秒钟时间就能完成现今超级计算机10年的工作量，这必将大大推动世界信息革命的进程。这是目前世界各国科学家研究的重大技术攻关项目之一。
据专家介绍，研制量子计算机的难点在于如何获得这一对光子，并使它们的连接质量不受到扰乱和破坏。目前的研究成果只是“开头”，今后还有大量技术难关有待攻克，研制量子计算机的工作仍任重道远。


  2002年，IBM阿尔马登研究中心的科学家们完成了迄今为止世界上最复杂的量子计算机运算。他们在试管中将整个经过特殊设计的分子制作成一个7量子位（qubit）量子计算机，这种量子计算机能够在当今的许多数据安全加密系统的核心部分处理简单的数学问题。
IBM研究部信息物理学部经理战略分析师Nabil Amer说：“这一结果使我们进一步认识到量子计算机将来某一天将可能解开一些功能最强大的超级计算机运行数百万年都无法解开的难题。”但是真正投入生产的时候，苦恼还需要15年左右的时间。到那时，量子计算机是当摩尔法则不能成立的时代，也就是当电路设计尺寸小到原子及分子尺寸时的2020年代的电脑的时代了。

量子计算机的发展方兴未艾。自从Shor提出大数的因子分解的量子算法后，基于量子并行处理的一些超快速算法接连地被发现，现在已形成一门新的研究领域：量子复杂性理论。另一方面，量子计算机中消相干的克服，在理论上和实验上都是人们最关注的问题，量予纠错方案被寄予高度厚望，自1996后，量子纠错理论成为研究中最热门的课题。与量子理论上的突飞猛进相比，其的实验方案还很初步。现在的实验只制备出单个的量子逻辑门，远未达到实现计算所需要的逻辑门网络。实验物理学家正在寻找更有效的制备途径，以克服消相干并实现逻辑门的级联。理论上虽然已提出各种量子纠错码，但在实验上如何利用量子编码来有效地克服消相干，这还是一个富于挑战性的问题。我们对此已进行了一系列研究（尚未出版），其目的是，根据量子计算机的具体物理模型，来寻找相应的最有效的消相干克服方案。总体来讲，实现量子计算，已经不存在原则性的困难。按照现在的发展速度，可以比较肯定地预计，在不远的将来，量子计算机一定会成为现实，虽然这中间还会有一段艰难而曲折的道路。（星航上的人工语音计算机就是量子超级计算机。）



三 展望与结束语
    纳米技术和量子技术在未来比将是一种大力可发展的新技术，其研究领域和科技成果也将是无限的。量子计算机从某种程度上来说只能是我们的设想，但是量子计算机和量子信息技术在科技界的领先地位却是不可动摇的。而纳米技术，以它的高超的制造工艺，在市场中占有重大的地位。虽然，这样的技术，离我们很遥远，但是我想，他们的高速发展，在不久的将来也会来到我们这样的一般的工作人员的身边。
参考文献：
[1.] 白中英，计算机组成原理（第三版）科技出版社，2000
[2.] 郑纬民、汤志忠，计算机系统结构（第二版）清华大学出版社，1997
[3.]  Willian Stallings，计算机组织与结构－性能设计（第五版），电子工业出版社