量子计算的作用大全11篇
时间：2024-03-30 17:42:49
量子计算的作用篇（1）
虽然中国高性能计算已经取得了里程碑性的成绩，但是科研工作者的脚步不会停止。他们已经在思考未来的发展方向在哪里，并将目光瞄向了“天然的超级计算机”―量子计算机。
“杞人忧天”的物理学家们与量子计算机的诞生
量子计算机的诞生和著名的摩尔定律有关，还和“杞人忧天”的物理学家们有关。
众所周知，摩尔定律的技术基础是不断提高电子芯片的集成度（单位芯片的晶体管数）。集成度不断提高，速度就不断加快，我们的手机、电脑就能不断更新换代。
20世纪80年代，摩尔定律很贴切地反映了信息技术行业的发展，但“杞人忧天”的物理学家们却提出了一个“大煞风景”的问题： 摩尔定律有没有终结的时候？
之所以提出这个问题，是因为摩尔定律的技术基础天然地受到两个主要物理限制。
一是巨大的能耗，芯片有被烧坏的危险。芯片发热主要是因为计算机门操作时，其中不可逆门操作会丢失比特。物理学家计算出每丢失一个比特所产生的热量，操作速度越快，单位时间内产生的热量就越多，算机温度必然迅速上升，这时必须消耗大量能量来散热，否则芯片将被烧坏。
二是为了提高集成度，晶体管越做越小，当小到只有一个电子时，量子效应就会出现。此时电子将不再受欧姆定律管辖，由于它有隧道效应，本来无法穿过的壁垒也穿过去了，所以量子效应会阻碍信息技术继续按照摩尔定律发展。
所谓隧道效应，即由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿。它在本质上是量子跃迁，粒子迅速穿越势垒。在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按照经典力学的说法，粒子是不可能越过势垒的；而对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒，实际上也的确如此。
这两个限制就是物理学家们预言摩尔定律会终结的理由所在。
虽然这个预言在当时没有任何影响力，但“杞人忧天”的物理学家们并不“死心”，继续研究，提出了第二个问题：如果摩尔定律终结，在后摩尔时代，提高运算速度的途径是什么？
这就导致了量子计算概念的诞生。
量子计算所遵从的薛定谔方程是可逆的，不会出现非可逆操作，所以耗能很小；而量子效应正是提高量子计算并行运算能力的物理基础。
甲之砒霜，乙之蜜糖。它们对于电子计算机来说是障碍的量子效应，对于量子计算机来说，反而成了资源。
量子计算的概念最早是1982年由美国物理学家费曼提出的。1985年，英国物理学家又提出了“量子图灵机”的概念，之后许多物理学家将“量子图灵机”等效为量子的电子线路模型，并开始付诸实践。但当年这些概念的提出都没有动摇摩尔定律在信息技术领域的地位，因为在相当长的时间内，摩尔定律依然在支撑着电子计算机的运算速度的飞速提高。
直到今年，美国政府宣布，摩尔定律终结了。微电子未来的发展是低能耗、专用这两个方向，而不再是追求速度。
由此可见，基础研究可能在当时看不到有什么实际价值，但未来却会发挥出巨大作用。
量子计算机虽然好，研制起来却非常难
量子计算机和电子计算机一样，其功用在于计算具体数学问题。不同的是，电子计算机所用的电子存储器在某个时间只能存一个数据，它是确定的，操作一次就把一个比特（bit，存储器最小单元）变成另一个比特，实行串行运算模式；而量子计算机利用量子性质，一个量子比特可以同时存储两个数值，N个量子比特可以同时存储2的N次方数据，操作一次会将这个2的N次方数据变成另外一个2的N次方数据，以此类推，运行模式为一个CPU的并行运算模式，运行操作能力指数上升，这是量子计算机来自量子性的优点。量子计算本来就是并行运算，所以说量子计算机天然就是“超级计算机”。
要想研制量子计算机，除了要研制芯片、控制系统、测量装置等硬件外，还需要研制与之相关的软件，包括编程、算法、量子计算机的体系结构等。
一台量子计算机运行时，数据输入后，被编制成量子体系的初始状态，按照量子计算机欲计算的函数，运用相应的量子算法和编程，编制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作变换，将量子计算机的初态变成末态，最后对末态实施量子测量，读出运算的结果。
一台有N个量子比特的量子计算机，要保证能够实施一个量子比特的任意操作和任意两个量子比特的受控非操作，才能进行由这两个普适门操作的组合所构成的幺正操作，完成量子计算机的运算任务。这是量子芯片的基本要求。如果要超越现有电子计算水平，需要多于1000个量子比特构成的芯片。目前，这还无法实现。这种基于“量子图灵机”的标准量子计算是量子计算机研制的主流。
除此以外，还有其他量子计算模型，如单向量子计算、分布式量子计算，但其研制的困难程度并没有减小。另外，还有拓扑量子计算、绝热量子计算等。
由于对硬件和软件的全新要求，量子计算机的所有方面都需要重新进行研究，这就意味着量子计算是非常重要的交叉学科，是需要不同领域的人共同来做才能做成的复杂工程。
把量子计算机从“垃圾桶”捡回来的量子编码与容错编码
实现量子计算最困难的地方在于，这种宏观量子系统是非常脆弱的，周围的环境都会破坏量子相干性（消相干），一旦量子特性被破坏，将导致量子计算机并行运算能力基础消失，变成经典的串行运算。
所以，早期许多科学家认为量子计算机只是纸上谈兵，不可能被制造出来。直到后来，科学家发明了量子编码。
量子编码的发现等于把量子计算机从“垃圾桶”里又捡回来了。
采用起码5个量子比特编码成1个逻辑比特，可以纠正消相干引起的所有错误。
不仅如此，为了避免在操作中的错误，使其能够及时纠错，科学家又研究容错编码，在所有量子操作都可能出错的情况下，它仍然能够将整个系统纠回理想的状态。这是非常关键的。
什么条件下能容错呢？这里有个容错阈值定理。每次操作，出错率要低于某个阈值，如果大于这个阈值，则无法容错。
这个阈值具体是多大呢？
这与计算机结构有关，考虑到量子计算的实际构型问题，在一维或准一维的构型中，容错的阈值为10^-5，在二维情况（采用表面码来编码比特）中，阈值为10^-2。
目前，英国Lucas团队的离子阱模型、美国Martinis团队的超导模型在单、双比特下操作精度已达到这个阈值。
所以，我们的目标就是研制大规模具有容错能力的通用量子计算机。
量子计算机的“量子芯”
量子芯片的研究已经从早期对各种可能的物理系统的广泛研究，逐步聚焦到了少数物理系统。
20世纪90年代时，美国不知道什么样的物理体系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，发现许多体系根本不可能最终做成量子计算机，所以他们转而重点支持固态系统。
固态系统的优点是易于集成（能够升级量子比特数目），但缺点是容错性不好，固态系统的消相干特别严重，相干时间很短，操控误差大。
2004年以来，世界上许多著名的研究机构，如美国哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学，日本东京大学，荷兰Delft大学等都做了很大的努力，在半导体量子点作为未来量子芯片的研究方面取得了一系列重大进展。最近几年，半导体量子芯片的相干时间已经提高到200微秒。
国际上，在自旋量子比特研究方面，于2012年做到两个比特之后，一直到2015年，还是停留在四个量子点编码的两个自旋量子比特研究上，实现了两个比特的CNOT（受控非）。
虽然国际同行关于电荷量子比特的研究比我们早，但是至今也只做到四个量子点编码的两个比特。我们研究组在电荷量子比特上的研究，2010年左右制备单个量子点，2011年实现双量子点，2012～2013年实现两个量子点编码的单量子比特， 2014～2015年实现四量子点编码的两个电荷量子比特。目前，已研制成六个量子点编码为三个量子比特，并实现了三个比特量子门操作，已经达到国际领先水平。
超导量子芯片要比半导体量子芯片发展得更快。
近几年，科学家使用各种方法把超导的相干时间尽可能拉长，到现在已达到了100多微秒。这花了13年的基础研究，相干时间比原来提高了5万倍。
超导量子计算在某些指标上有更好的表现，比如：
1.量子退相干时间超过0.1ms，高于逻辑门操作时间1000倍以上，接近可实用化的下限。
2.单比特和两比特门运算的保真度分别达到99.94%和99.4%，达到量子计算理论的容错率阈值要求。
3.已经实现9个量子比特的可控耦合。
4.在量子非破坏性测量中，达到单发测量的精度。
5.在量子存储方面，实现超高品质因子谐振腔。
美国从90年代到现在，在基础研究阶段超导领域的突破已经引起了企业的重视。美国所有重大的科技公司，包括微软、苹果、谷歌都在量子计算机研制领域投入了巨大的力量，尽最大的努力来争夺量子计算机这块“巨大的蛋糕”！
其中，最典型的就是谷歌在量子计算机领域的布局。它从加州大学圣芭芭拉分校高薪引进国际上超导芯片做得最好的J. Matinis团队（23人），从事量子人工智能方面的研究。
他们制定了一个目标―明年做到50个量子比特。定这个目标是因为，如果能做49个量子比特的话，在大数据处理等方面，就远远超过了电子计算机所有可能的能力。
整体来看，量子计算现在正处于“从晶体管向集成电路过渡阶段”。
尚未研制成功的量子计算机，我们仍有机会！
很多人都问，实际可用的量子计算机究竟什么时候能做出来？
中国和欧洲估计需要15年，美国可能会更快，美国目前的发展确实也更快。
量子计算是量子信息领域的主流研究方向，从90年代开始，美国就在这方面花大力气进行研究，在硬件、软件、材料各个方面投入巨大，并且它有完整的对量子计算研究的整体策划，不仅各个指标超越世界其他国家，各个大公司的积极性也被调动了起来。
美国的量子计算机研制之路分三个阶段：第一阶段，由政府主导，主要做基础研究；第二阶段，企业开始投入；第三阶段，加快产出速度。
量子计算的作用篇（2）
中图分类号：P315.69 文献标识码：A文章编号：1005-5312（2011）20-0282-01
一、计算机的发展概况
1946年2月美国宾夕法尼亚大学莫尔学院制成的大型电子数字积分计算机(ENIAC)，最初也专门用于火炮弹道计算，后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。，一直到现在，微机计算机的发展非常迅速。对于微型计算机的发展，现在普遍以字长和典型的微处理器芯片作为划分标志，将微型计算机的发展划分为五个阶段：
第一个阶段主要是字长为4位的微型机和字长为8位的低档微型机。这一阶段的典型微处理器有：世界上第一个微处理器芯片4004，以及随后的改进版4040，它们都是字长为4位的。
第二个阶段主要是字长为8位的中、高档微型机。这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的I8080、I8085。
第三个阶段主要是字长为16位的微型机。这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的8086/8088/80286。
第四个阶段主要是字长为32位的微型机。这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的80386/486/Pentium系列。
第五个阶段出现了字长为64位的微处理器芯片。主要还是面向服务器和工作站等一些高端应用场合。
二、新一代计算机: 量子计算机
近年来，如何使处理器中晶体管体积的减小成为计算机性能改进的关键所在。但是，这种不断的减小有一个极限。正如哲学里说，万物有矛盾两面。如果晶体管变得太小，将会限制它的性能。因此，看起来我们的计算机技术，会在不久的将来达到极限，它们真的会吗？在1982年，诺贝尔奖获得者――物理学家Richard Feynman想出了 “量子计算机” 的概念，那是一种利用量子机械的影响作为优势的计算机。说起Richard Feynman是本世纪诞生于美国的最伟大的物理学家，费曼于40年展了用路径积分表达量子振幅的方法，并于1948年提出量子电动力学新的理论形式、计算方法和重正化方法，从而避免了量子电动力学中的发散困难。费曼还建立了解决液态氦超流体现象的数学理论。他和莫雷盖尔曼在弱相互作用领域，做了一些奠基性工作费曼还是一位富有建设性的公众人物。1986年，挑战者号失事后，费曼做了著名的O型环演示实验，只用一杯冰水和一只橡皮环，就在国会向公众揭示了挑战者失事的根本原因－低温下橡胶失去弹性。1965年因量子电动力学方面的贡献获得诺贝尔物理奖。量子计算机概念正是Feynman这个大理论物理学家提出，从而有一段时间，“量子计算机”的想法主要仅仅停留在理论兴趣阶段，但最近的发展令这个想法引起了每一个人的注意。其中一个进步就是一种在量子计算机上计算大量数据的算法的发明，由Peter Shor(贝尔实验室)设计。
三、量子计算机与传统计算机区别
在量子计算机中，基本信息单元叫做一个量子位不同于传统计算机，并不是二进制位而是按照性质四个一组组成的单元。量子位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。量子位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。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。
四、所遇到的问题
量子计算的作用篇（3）
计算机技术的普及已成为社会发展的必然趋势，在未来的社会发展中，计算机技术必然将朝着超高速、超小型、平行面处理和智能化方向发展。尽管在目前的社会发展中受到物理极限的约束与影响，以硅芯片为主的计算机核心部件和中央处理器性能持续增长。作为Moore定律驱动下不断影响，驱动器不断的发展和优化，并在工作中逐步形成了以晶体管为主的微型处理器，其性能更是高达10万MIPS（1000亿条指令/秒）。这种计算机核心元件的出现对于计算机技术的更进与优化有着十分重要的意义，同时对于全面开展计算机技术工作流程和模式显得更为有效和可靠。在未来计算机技术的发展中，超高速、微型化和智能化的计算机将成为人们工作研究的主要重点，也是在工作中将计算机技术形成多个数据处理的核心理念。基于目前计算机技术的稳定、明显和快速发展，超高速计算机将成为未来计算机得以改变和发展的主要基础，也是在生活中将各种相关因素融入和运用到计算机中的主要方法和手段。
一、计算机技术的发展史
计算机诞生之初，其主要的作用是用于计算导弹的运行弹道。但是由于在过去的工作中计算机成本较为昂贵，在上个世纪五十年代以前，计算机主要应用在军事领域。直到上个世纪六七十年代，计算机成本逐步降低，使得部分单位和企业有能力在工作中采用计算机进行工作，也使得计算机技术得到飞速发展。随着Intel4位中央处理器的诞生以及普及，在1982年，世界上第一台个人计算机诞生，并被成功的应用在家庭。到了上个世纪九十年代末期，计算机技术已经成功的应用在诸多家庭和企业，同时设计领域也逐步广泛企业。在这种社会现状下，计算机技术的发展与应用逐步形成了两个不同的方向和趋势，其一主要指的是被应用在科研机构、军事机构的计算机，由于这些领域往往都是计算困难、计算精度较高的工作环节，因此在计算就发展中对于计算机的计算能力和计算精确度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中应用在家庭和中小企业的计算机，这些计算机可以说主要是往实惠、小体积和轻重量的方向发展。纵观计算机发展史我们可以得知，计算机创新能力的推动与普及与人们生活和社会发展紧密相连，其在工作中也推动了整个社会领域的正常进行。
二、计算机现状
计算机技术在当今社会中发挥着不可替代的作用，对于促进社会信息化的实现有着主导作用。伴随着科学技术的深入发展，计算机技术也逐步实现了硬件系统与软件系统同步发展的核心技术观念，也在工作中实现了信息化、现代化的核心技术处理要求。
（一）现代微型处理器的情况
在当前社会中，计算机技术的性能提升和处理主要在于发展微型处理器，这也是目前计算机发展的整体趋势，在计算机发展工作中，其主要的实质在于提高处理器芯片中的晶体线宽与尺寸的大小。一般在研究的过程中，多采用较短的波长来曝光光源，从而做打破掩膜曝光要求。如今的微型处理器发展与计算中，主要是通过紫外线进行运用和曝光光源的管理与申花，并且在工作中对于深层芯片进行全面总结和处理，这种工作流程和工作方式多是采用量子效应与电子行为来进行分析，这种社会分析现状也是微处理器发展的首要基础。所以也就引起专家的注视，紫外线光源对微处理器性能的提升已经没有多大作用了。
（二）以纳米为主的电子科学技术
伴随着科学技术的不断提高，各种先进材料不断的引进，进而对微处理器进行优化和总结。就目前的计算机应用与发展分析而言，在计算机工作中，准确高效的计算机技术和微型化电子元件的需求已成为人们对计算机发展提出的新观念，但就目前的社会现状而言这种目标还远远没有达到。因此在未来的计算机发展中，我们不仅要深入研究计算机处理技术，同时更是要引进各种新材料、新技术。在这种现状之下，以纳米为主的计算机技术已成为目前我们工作和认识的重点形式，也是当前社会发展中存在的核心问题。
三、计算机技术发展趋势预测
伴随着科学技术的不断发展和国民经济的进步，计算机技术在人们生活和工作中发挥着越来越重要的作用。二十一世纪作为一个信息时代，人类在生活、工作中都进入了智能化、信息化时代，对各种先进技术和信息要求都越来越高，以计算机为基础的新技术已成为目前社会发展的关键。
（一）改善计算机的体系结构
计算机是一个组合体。是一个具有不同功能的体系结构。其中，当前计算机主流的体系结构是并行计算，可以同时处理不同的问题，几乎所有的大型工作站或微型电脑都具备此功能；此外，对于大型电脑来说，另一种发展趋势是集群系统，它能够给用户提高可靠性以及相融性。
（二）网络技术的发展
如今计算机的运用越来越广泛，与人们的生活息息相关。这最主要的原因就是网络技术的发展。通过网络。人们可以进行商品的买卖、娱乐、了解更多的信息。因此，大力发展网络技术有利于计算机的发展。随着科技的进步，人们将步人物联网、智能电网的时代。这些都必须基于先进的网络技术。
四、未来计算机发展
1、量子计算机
量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。量子计算机中数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前个人计算机的PentiumⅢ晶片快10亿倍。
光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。
量子计算的作用篇（4）
计算机从1946年被发明到现在，已有六十多年，随着经济的快速发展和科学的不断进步，使人们进入信息化时代，计算机被广泛应用于生活的各个领域，如教育领域、经济领域、军事领域等。本文对科学与技术的迅速发展趋势给出自己的建议。
1.计算机科学与技术的迅速发展的原因
1.1科学与技术持续进步，推动了计算机科学与技术的发展
由于第二次世界大战对信息的需求迫切，花费大量的人才与资源，创造出计算机。随着科研所、政府机关、学校、企业对信息处理和科学运算的需求强烈，使计算机被民用化，社会的不断进步，尖端的技术领域，如数学、工程测量、天文地理等对计算机运算的速度与存储量的要求越来越高。计算机技术人员对计算机进行反复的实验，在试验中不断的得到灵感，得出新的计算机设计理念，如：铝圭触面集成电路。这种不断循环的研究、创新、设计过程，让计算机科技与技术被迅速发展起来。
1.2共享信息的建立，使计算机科学与技术得以迅速发展
共享信息平台的建立成为计算机的发展的关键，信息的共享可以为计算机科学与技术在进行创新时提供最新资料，能减少计算机创新研究的周期，避免了不必要的浪费，同时还提高了研究的质量。
1.3迅速、稳定、明显的悬着机制
信息的共享推动了国际经济的发展，企业家们为了让自己能在激烈的竞争中获取最大的利益，需要在第一时间利用计算机，选择出正确的机制，选择的环境往往是非常稳定和敏锐的。因此，企业需不断加大对计算机科学与技术的科研的力度，这些原因让计算机科学和技术能发展快速。
2.计算机科学与技术的发展趋势
为了适应社会、经济的发展要求，计算机科学与技术不断地在进行创新，因此，计算机不但没有时代淘汰，反而被广泛应用，成为了人们生活的必须品，不仅使人们的生活品质得到提升还提高了生产的效率。
2.1智能化计算机
因为智能化的超级计算机采用了独有的设计结构与新型的平行处理技术，能够同时对多条指令和数据进行处理与执行，使得智能化的超级计算机能比普通计算机的运算速度高出许多。而且，超级计算机是利用大量的处理器并行完成对指令与数据的处理工作，因此可以轻易的完成普通计算机与服务器完成不了或是需要大量时间来完成的计算工作。
智能超级计算机可以被利用在高端精尖的领域中，推动其研究项目的时间与开发，因为，它不但能对数据进行分析，还能进行模型推演，能够通过计算机对实验进行模拟运行，能够节约大量的实验成本一时间。在日常生活中，智能超级计算机拥有接近人类大脑的复制性能，比人类大脑具备的只能成分更多，为人们的工作、生活、学习提供了方便。如：现在受到全世界欢迎的动画片，将静态的漫画，利用超级计算机与后期软件进行处理，使其放映出来的效果绚彩夺目，冲击人们的视觉感官。目前美国、日本、中国、以色列及印度成为了世界计算机每秒运行1万亿次的国家，超级计算机已经成为了科技行业创新和开发的重点对象。
2.2新型计算机
近年里，硅芯片的高速发展，使硅技术的开发潜力已快要到达极限，因此，世界各国的计算机技术人员，通过摩尔定律，不断地研究与开发，使计算机技术与结构有了质和量的变化，新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机和纳米计算机被研发出来，相信这些新型计算机将会在不久的未来被广泛使用。
2.2.1量子计算机
量子计算机概念的提出，建立在可逆计算机研究的基础上，量子计算机利用量子力学的规律，让计算机能够实现高速数学、逻辑运算、处理大量的量子信息及存储的一种物理装置，它是开发源自于量子效益，这类计算机是透过激光脉冲使一种链状的分子聚合物发生变化后的特性，来表示量子计算机的开、关状态，开、关的状态不断进行转换，让信息能沿着聚合物移动来完成运算的整个过程。量子计算机的数据是利用量子位来储存的，一个量子位能够对2个数据进行储存，由于量子计算机的量子能够叠加，与同样有着相同数量储存位的创痛计算机相比，数量的储存量高出许多。量子计算机因为可以并行运算，所以运算速度比传统计算机Pentium DI晶片还要快上10亿倍。此外，量子计算机的保密体系和对安全性能也是传统计算机不能相比的。
量子计算机利用量子的相干性，世界各国的计算机技术人员还在对其进行各种实验，提出不同的方案，如超导量子干涉、量子点操纵、电子或核自旋共振、冷阱束缚离子等。对量子计算机的编码进行纠错、防错、预错的方法，让量子计算机的设计概念能够焕然一新。
2.2.2光子计算机
光子计算机是一种用光子代替电子对数据的进行运算、储存、传输的计算机，光子计算器将创痛计算机的导线相互连接变为了关的互联，把电子硬件替换成了光硬件，运算方式也由光运算替代了电运算。用不同的波长光来代表不同的数据，因此关子计算机能够对快速的完成计算量较大、较为复杂的并行处理，大大的提升了目前的运算速度的指数。
2.3纳米计算机
纳米计算机将纳米技术与计算机的研发相结合，因为耐你管元件的尺寸只有几至几十纳米的范围之内，所以元件小于现在的电子元件许多，而且质地坚固、还具备极强的导电性能，能够取代硅芯片制造的计算机。纳米是种计量单位，纳米技术是在80年代才被兴起的，当时主要是利用纳米自由的控制原子，现在，把纳米技术引入到微电子机械系统中，将电动机、传感器和处理器都放在同一个硅芯片上，构成一个系统。用纳米技术制造的计算机内存芯片的体积相当于人头发直径的千分之一，因此纳米计算机的耗能很小，小到能够忽略不计，并且纳米计算机的整体性能高于传统计算机很多。纳米计算机由于造价较低、储存量大、体积小、整体性能好，不久之后将会渐渐地取代芯片计算机，使计算机行业得到快速的发展。
3.结束语
计算机科学与技术的发展主要是朝着高、广、深三个方向发展。“高”，是使计算机的操作系统的性能变高、速度变快，让各个处理期间能够进行高速的通信工作，对成百上千的机算计的能协调运行，提高管理的有效性“广”，让计算机能够无处不在，存在在生活的各个领域，让计算机成为家中最平常的日常必需品；“深”，也就是让信息向智能化的方向发展，让计算机中的虚拟内容变为现实。
现今，智能化的超级计算机，处理速度快，让人们的学习、生活、工作变得更为方便；新型的高性能计算机，由于硅的使用快要到达极限，因此出现了量子、光子、纳米等新型的计算机，运行快、耗能少、储存量大、保密系统高。特别是纳米计算机造价较低，在不久的将来能够代替芯片计算机。大大的推动了计算机科技与技术的发展。 [科]
【参考文献】
量子计算的作用篇（5）
量子计算机研究进展显著
量子计算机是基于量子力学的叠加原理和量子纠缠等性质来进行数据计算的计算机，在密码学、科学模拟、大数据处理等领域，具有传统计算机无法比拟的优势。
欧美科学界和企业界不断加大投入，并有了重大进展。一是研究机构与企业投入力度不断加大。微软研究院2012年成立了量子体系结构与计算研究组；谷歌公司与美国国家航空航天局（NASA）于2013 年联合成立了量子人工智能实验室。此外，欧盟2016年4月宣布，将于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目；澳大利亚政府2016 年4 月宣布，将在澳大利亚量子计算与通信技术中心成立量子计算实验室，进一步加大对半导体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，加州大学圣塔芭芭拉分校实现了9量子比特的超导量子芯片，新南威尔士大学实现了2量子比特的硅基半导体量子芯片，牛津大学实现了5量子比特的离子阱量子芯片。
在量子计算机方面，谷歌于2015年推出了声称比其它计算机快1亿倍的量子退火机D-Wave；IBM于2016年5月了5超导量子比特的量子计算机，谷歌和西班牙巴斯克大学于2016 年6 月公布了具有9超导量子比特的模拟量子计算机，马里兰大学与美国国家标准与技术研究院于2016年8月了5个量子比特的可编程量子计算机。
目前我国在量子计算领域部分研究成果已达到国际一流水平，但总体上基础较为薄弱，与欧美等国家和地区仍有一定差距。
量子计算机距离可用仍有较大距离
虽然在研究方面取得了较大进展，但量子计算机在理论层面和物理实现方面均面临诸多难题，距离可用仍有很长的路要走。
在理论层面，量子计算机需要特定的量子算法才能发挥强大性能，但并不是所有的计算都可以用量子算法加速，类似Shor算法（用于大数质因子分解）和Grover 算法（用于无序数据库搜索）等完全超越传统算法的仍较少。
在物理实现层面，科学家普遍认为，可用的量子计算机至少应具有几十个以上的量子比特、比特逻辑门的保真度达到99%，以及操作速度和退相干时间在合理范围，但目前国际最先进的水平都未达到这一要求。与此同时，量子比特非常脆弱，外界任何微弱的环境变化都可能对其造成破坏性影响，量子计算机的核心部件通常处于比太空更加寒冷的密封极低温环境中。
量子计算机的应用将产生巨大影响
一、量子计算机将影响国际政治格局。量子计算技术关系到一个国家未来的基础计算能力，拥有了这种能力才可能迅速建立起全方位的战略优势，引领量子信息时代的国际发展。
二、量子计算机将颠覆IT产业格局。一方面，作为现代计算机的颠覆者，未来量子计算机会像传统计算机一样形成庞大的技术产业链，为信息和材料等科学技术的发展开辟广阔空间，带动包括材料、信息、技术、能源在内的一大批产业实现飞跃式发展。另一方面，量子计算机技术也为IT产业各参与方提供了弯道超车的机会。
量子计算的作用篇（6）
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0033-02
随着计算机网络的不断发展与广泛应用，其已经成为了我国人民在日常生活中及工作中不可缺少的技术，它为人们的衣食住行提供了方面，也为我国社会经济的发展提供了基础。目前我国计算机网络正在朝着更大规模范围发展，在此过程中也暴露了计算机网络路由选择中的一系列问题。现如今的计算机网络路由选择已经满足不了人们及社会的发展需求，也对计算机网络的正常运行造成了一定的影响，所以对其的优化改进是目前最重要的内容。
1 浅析计算机网络路由选择
计算机网络路由选择中有多种方法，包括梯度法、列表寻优法、爬山法及模拟退算法等。由于这些方式具有局限性，收到多种条件的限制，导致本身的作用都得不到很好的发挥。计算机网络路由选择主要是在能够满足计算机网络通信容量、网络拓扑及网络节点需求的基础上，对计算机网络中的各节点路由进行选择，使计算机网络可以缩短到最小时延。一般计算机网络路由选择可以使用优化工作，比如：其一，如果计算机网络中节点内部具有较大容量的缓冲器，那么就不会溢出或者丢失其数据包；其二，如果能够以实际的指数分布为基础设置报文长度，就可以按照泊松到达；其三忽略计算机网络中节点处理报文的时延；计算机网络中报文传输服务都是一个等级。【1】
2 探析改进量子进化算法
实际上量子进化算法就是进化算法和量子计划相结合产生的，此事以态矢量为基础，以量子比特编码为染色体，其更新染色体要以量子旋转门和非门进行实现，从而才能优化计算机网络路由。量子进化算法中的染色体排列矩阵为：
一个量子染色体表示问题解的特性，其原理就是对量子染色体进行随机测量，以此得出结果和概率，使用二进制实现坍塌，在此过程中可以了解到量子染色体可以有效地解决问题。另外改进量子进化算法的实现是根据量子旋转门，通过搜索法使公式的解得到最佳，增加或者减少概率，以此保留或者删除结果，以此来改进量子进化算法。
上表中的xi表示第i个量子染色体的二进制解，bi表示第i个最优解。
量子进化算法的流程主要包括三个部分：其一，要对种群进行初始化，在此基础上对初始种种群进行测量，以此得到与个体相依状态的相关记录表；其二，在合适的状态下对记录进行针对性的评估，并且对最佳个体和个体的适应值进行相关记录；其三，在还没有完全结束的时候，进行其他操作。
对于量子进化算法来说，此过程是非常复杂的，用相关的符号表示事务，之后进行计算。比如可以使用M表示染色体长度，染色体可以维护解的多样性。这样才能使算法简单的表述。【2】
3计算机网络路由选择的改进量子进化算法研究
在计算机网络中，量子进化算法是非常值得热议的话题，在计算机网络路由选择中的量子进化算法，其主要问题就是量子进化算法是针对性对表格进行参照，以此来找出相应的解法。这种方法会造成旋转角之间没有较好的关联性，另外在搜索问题的时候会有跳跃性，对于计算机在日常运行工作的时候是非常不利的。为了能够通过量子进化算法解决计算机路由选择中的问题，就要对其进行创新和改进。首先优化其中的旋转角，使其值能够满足路由选择。优化后的旋转表式子可以写为：
?θi=0.001π*50fb-fx/fx
根据此式子可以了解到旋转角在不同的情况下会有不同的结果，简单来说就是不同的旋转角值具有不同的含义。如果旋转角的值越小，那么就说明个体与最优个体之间的距离就越小，就缩小了搜索网络。在此状况下搜索就可以达到最优；如果旋转角的值越大，就说明个体与最优个体之间的距离越大，就逐渐扩大了搜索网络。在此状况下就要使所搜速度加快，这样才能够使计算机网络路由选择更多方面。
另外就是优化调整其中的函数，可以使用组合优化的方式进行，要求函数达到最佳状态，这样才能够得出最优解。通过此方式可以了解到，个体基因之间并没有较强的关联性。所以就可以通过计算机网络路由选择，对量子进化算法中的函数调整并优化。如果处于归一化的基础上，实现对应的实属对，并且使他们与量子位一一对应。基于此就可以做量子进化算法的仿真实验，并且对其进行对比，是否有优势。实验结果表示，计算机网络路由选择中的性能能够了解量子进化算法优化后比传统更优秀，此结果可以见图1。
从图1可以了解到，在计算机网络路由选择中的改进量子进化算法中，不断是收敛速度、寻优能力还是其中的性能，都优于传统量子进化算法。在进行仿真测试时，能够使改进量子进化算法之后发挥自身的作用，也能够在计算机网络路由选择中完善自身的应用。在此情况下计算机路由选择面对问题能够很好地解决，并且能够及时发现其中的问题，有效地提高了工作人员的工作质量和效率，还使计算机在正常运行和工作的过程中保持一个良好的状态。【3】
4结束语
在目前计算机网络技术被广泛应用的基础上，要重视计算机网络路由的选择。同时，改进量子进化算法也是非常重要的，通过优化旋转角，以此提高搜索速率及范围。计算机网络技术自发展应用以来，量子进化算法都有着较好的应用和前景，那么优化量子进化算法有效地促进了计算机网络技术的进一步发展，使计算机网络技术可以为我国各行各业提供更好的服务，也有效促进我国经济的可持续发展。
参考文献：
量子计算的作用篇（7）
1 计算机的发展史
第一台计算机于1942年出现在宾夕法尼亚大学，这台计算机的出现标志着计算机时代的到来。第一台计算机的制作初衷是为了计算火炮弹道，主要用于军事用途。这一代的计算机采用的是电子线路执行逻辑运算、算术运算与信息存储的计算机，其计算速度相较于继电器计算机快一千倍。但是，这台计算机的程序设备仍然是外加式，并且存储容量也相对较小，尚不具备现代计算机的特征。
1945年数学家冯诺依曼提出了更为先进的逻辑结构并且应用于计算机制造，计算机自动化程度提高，开始进入了发展时期。该时期的计算机开始应用到工业与生活中。到20实际中期以后，计算机技术便进入了高速发展时期，计算机的组成也更加复杂，由单纯的硬件变为了硬件、固件与软件三部分组成。同时，计算机的系统与性能不断提高，计算机的种类也呈多样化，出现了大型计算机、通用计算机、小型计算机、微型计算机等类型。此外，还出现了一些专用计算机，如模拟数字混合计算机、特殊类型的控制计算机等。进入到20世纪70年代后计算机的研究与生产能力大增，计算机的性能得到了很大提升。尤其是微型计算机开始进入大规模生产时期，进入到了生产生活的各个领域。微型计算机在很短的时间内便进入到了家庭、企业、机关与研发单位中，发展到现在，微型计算机已经成为了社会生活与工作中不可或缺的部分。
2 计算机的发展趋势
未来计算机主要呈现两个方向：微型计算机与超极计算机。超极计算机应用于较重要的科研与工业技术，注重强大的计算能力。超极计算机采用平行处理技术，可以使计算机系统在同一时间处理多个数据或者执行多条指令。在未来，超极计算机的计算能力仍将被进一步提升，并且应用领域也将进一步扩大。在未来，军事技术、科研技术空间技术、经济分析技术等都将用到超极计算机。可以说，未来计算机技术的发展主要方向之一是计算能力与速度的提升。
此外，分子计算机技术也在研究中，在未来可能成为现实。这些都是未来计算机的发展趋势，而对其核心技术的发展我们在接下来的文章中将进行细解。
3 计算机核心技术的发展
⑴量子计算机。量子计算机是在量子效应基础上研究出来的，它利用某种链状分子聚合物的特性来表达开与关的状态，并利用激光脉冲来改变分子状态，促使信息沿着聚合物移动从而实现运算活动。量子计算机介于构架与器件之间，其中的数据用量子位进行储存。量子具有叠加效应，故而，一个量子位既可以是1也可以是0，既可以存储1又可以存储0，也就是说一个量子位可以存储两个数据。同样数量的存储，量子计算机的存储量相较于其他计算机要大很多。量子计算机还可实行量子并行计算，运算速度非常快。
⑵光子计算机。光子计算机也就是全光数字计算机，该计算机的核心理念是以光子代替电子、光硬件代替电子硬件、光互联代替导线互联、光运算代替电运算。相较于电子计算机，光计算机的信息传递平行通道密度更大，通道的通过能力是电话电缆的几倍。同时，光具有高速、并行的特性，这也决定了光子计算机的处理能力更强、运算速度更快。在当前，超高速计算机只能在低温状态下工作，而具有同样运行速度的光子计算机在室温下即可工作。光子计算机还具有容错性，某一原件损坏或出错不会影响到最终的计算结果。现在，光子计算机已经研究成功，可以预计的是，在不久的将来，光子计算机将成为计算机的主要研究发展方向，会像当前计算机一样普及，并且在社会生活工作中发挥更大的作用。
⑶纳米计算机。目前硅芯片发展到现阶段已经到达其物理极限，它的体积无法再缩小，通电与断电的频率也无法再提高，其功耗的提升空间也已经很小。解决这些问题，很重要的途径是研制纳米晶体管，并采用纳米晶体管制作纳米计算机。应用纳米技术进行计算机的研究制造不仅能够减小计算机的体积更能提升其工作效率、降低其功耗、现阶段纳米计算机的研究已经取得了很大成绩，在未来必然可以实现推广应用。
⑷生物计算机。生物技术是未来的主要发展技术之一，生物计算机的工作过程是蛋白质分子与周围介质的相互作用过程。在生物计算机中，酶充当计算机的转换开关，而酶合成系统的本身与蛋白质的结构将进行系统的体现。蛋白质分子比硅片上的电子元件小很多，并且彼此距离更近，生物计算机完成一项运算所需时间甚至比人的思维速度快百万倍，是现代计算机无法比拟的。同时，DNA分子计算机具有惊人的存储容量，与极低的能量消耗，是电子计算机的十亿分之一。
总之，未来计算机的发展将建立在现有技术的发展之上，其发展程度甚至会超过人类的预期又或许会极大程度代替人力成为社会发展新动力。但，不管怎样的发展都要以人类的需求为根本，以为人类提供便利为原则，我们要谨记这一点，把握计算机的发展方向，不使其发生偏差。
[参考文献]
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[3]赵艳玲.计算机的发展趋势与应用前景浅析[J].硅谷.2009（10）.
量子计算的作用篇（8）
Abstract
This is a preliminary investigation of alloy design for multi-element alloys at electronic and atomic
scale. The research shows that this idea of alloy design was feasible that first calculating the properties
of matrix with different compositions by interatomic potential， secondly selecting the attempt total composition of the alloy， then calculating the carbide volume fraction by empirical formulae， until obtaining the appropriate total composition of the alloy corresponding to the desired phase structure， finally testing the design by experiment.
Keywords: first principles， Interatomic potentials， Multi-element alloy， alloy design
1．引言
目前从电子、原子层次上进行材料设计是材料科学领域的学者们广泛关注的热点问题， 主要研究方法有第一性原理方法，第一性原理赝势方法，原子间相互作用势方法，分子力学 方法，分子动力学方法及蒙特卡罗方法等。其中前两种方法是在电子层次上进行材料设计的 方法，其方法的物理基础可靠，但由于计算工作量很大，因而所计算的体系受到一定的限制。 后几种方法是在原子及分子层次上的设计方法，这几种方法不考虑电子结构的影响，虽然会 损失一些精度，但大体上反映出由相互作用势所决定的晶体结构，以及由晶体结构所决定的 材料性质，且计算速度明显提高[1]。本文在多元合金的电子、原子层次的理论计算上联合使 用了第一性原理方法和原子间相互作用势方法，根据 3 种系列合金的关键问题进行理论计算 并结合其他理论计算和经验计算进行了合金设计探讨。
2．Fe-Cr-Mn-C 系亚稳奥氏体基铸造合金
Fe-Cr-Mn-C 系亚稳奥氏体基铸造合金有优异的耐磨性和高的抗冲刷腐蚀能力。其合金 设计的关键理论问题是 B 对该多元合金奥氏体体系的影响，以及对含 B 多元合金奥氏体电 子、原子层次的计算研究。通过对奥氏体合金大体系的能量计算，既可以解释 B 元素在奥 氏体中占位、分布、固溶度、与 C 的替代作用、与其他合金元素的配合对奥氏体的影响， 又可进而解释 B 对摩擦诱发马氏体相变的作用[2]。Fe-Cr-Mn-C-B 系铸造合金一般为基体（奥 氏体或马氏体）和碳硼化物组成的双相系统，其中 C 元素和 B 元素在奥氏体基体中的作用 对合金材料的性能有重要影响。C 在奥氏体中的固溶度和占位已很清楚，而 B 的固溶度和 占位还不很清楚，采用量子化学从头计算方法，通过对含 C、B 的奥氏体小团簇电子结构计 算，来研究 B 在奥氏体中的固溶度和占位情况。
团簇的选取以从奥氏体的实测晶格结构出发，从中选取奥氏体中的八面体和四面体小团 簇。并在团簇中心分别加入一个 B 或 C 原子，计算团簇的结合能，见表 1。由表 1 可见奥 氏体中 Fe4 四面体团簇的原子平均结合能略大于 Fe6 八面体的，因为八面体中存在距离较远 的三对原子，使结合能降低。B 和 C 均使四面体体积增大很多（棱长增加 34.2%），使结合 能降低，表明它们在四面体间隙存在的可能性很小，尤其是 B 更小。B 使八面体的体积增 大（棱长增加 16.2%），结合能略有升高；在体积不变时，C 使八面体的结合能略有降低， 表明 C 在奥氏体八面体间隙中的溶解度要远大于 B。
表 1 量子化学从头算合金小团簇的电子结构计算结果
采用量子化学从头计算精确处理含 B 小团簇，以半经验原子间相互作用对势处理大团
簇，研究含微量 B 元素的合金奥氏体大体系。对含微量元素小团簇进行局部精确计算，对 大团簇采用低精度的计算方法，既能反映微量元素的作用，也使电子、原子层次的计算处理 多元合金大体系成为现实。
应用量子化学从头计算方法对含 B、C 奥氏体大体系进行局部精确计算，计算结果：B 在八面体间隙中的原子平均结合能为 1.6978eV，最近键距为 0.29967nm；C 在八面体间隙中 的原子平均结合能为 1.3520eV，最近键距为 0.25780nm；每个八面体间隙 B 原子使奥氏体
Fe 团簇总结合能降低 116.91443eV，每个 C 原子使小团簇总结合能降低 0.459142eV，B 原
子对奥氏体能量的影响是 C 原子的 254.6 倍。利用量子化学从头计算方法计算了
Fe-Cr-Mn-C-B 系双原子团簇的势能，提出按势能曲线最低点与从头计算所得的势能最低值 相重合的拟合原则，得出半经验原子间相互作用对势的参数，并计算了奥氏体团簇的平均结 合能、平衡原子间距，结果与实验符合。将量子化学从头计算方法精确计算小团簇和半经验 原子间相互作用对势处理大团簇相结合，计算分析 B、C 元素在奥氏体中的间隙固溶度，得 出了 B 原子处于奥氏体的八面体间隙中时的固溶度为 0.097wt%，此时对奥氏体大体系能量 的影响贡献最大，B 在晶界和缺陷中存在对体系能量影响很小。表 2 是随含量增加合金奥 氏体的原子平均结合能的变化。
表 2奥氏体中其他元素近似不变时 B 含量变化引起的团簇原子平均能的变化
根据半经验原子间相互作用对势计算结果，B 在晶界上与 Fe 较易结合，B 在固溶体中
晶界上的存在几率很大，而且 B 在硼碳化物中的含量比率也很高，由此，可估算出奥氏体 基铁合金中 B 的加入量范围约为 0.05~1.00wt%。计算了奥氏体大团簇中 Cr、Mn、C 元素含 量固定时，B 的加入对团簇原子平均结合能的影响。随奥氏体中 B 量的增加，原子平均结 合能降低，当 B 含量增至 0.0427wt%时，原子平均结合能与纯铁奥氏体相比降低 10%，将此 时的 B 含量定义为 B 在该团簇中的极限含量，当其他元素含量改变时，B 在奥氏体中极限 含量将有所变化。随着结合能的降低，奥氏体更易摩擦诱发马氏体相变。图 1 分别是无 B 和含 B 合金磨损表面的 XRD 衍射谱。所研究开发的 Fe-Cr-Mn-C-B 系亚稳奥氏体基耐磨铸 造合金为新型耐磨材料（图 2）。
（a）合金 1
（b）合金 4
图 1 Fe-Cr-Mn-C-B 系合金摩擦表面 XRD 图
图 2 Fe-Cr-Mn-C-B 奥氏体基合金的组织(1000×)，
(a)合金 2，
(b)合金 3，
(c)合金 4
3．Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系马氏体基铸造合金
高铬铸铁是高性能的耐磨材料。以高钒作为合金强化元素加入到高铬铸铁中，有利于大 幅度提高高铬铸铁耐磨性，并提高冲击韧性。高铬铸铁一般经高温淬火得到马氏体，但高钒 高铬铸铁在高温时因强烈的氧化而不适合热处理。为此，研究高钒高铬铸铁在铸态下得到稳 定的马氏体基体而省略淬火过程具有重要的实际意义。铸态下直接得到马氏体的关键是选择 合适的化学成分。
将 Finnis-Sinclair 多体势扩展到多元合金，建立适合于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系的多元合金的
原子间 相互 作用势 函数 ；利用 第一 性原理 从头 算所得 的平 衡距离 及结 合能， 拟合
Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中与 Si 和 C 有关的对势函数；利用第一性原理赝势平面波方法 计算 Fe-Cr、Fe-V、Fe-Ni、Cr-V、Cr-Ni、Ni-V 二元合金的晶格常数、结合能及体弹性模量， 并根据计算得到的这些数据，构造 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中与 Fe、Cr、V、Ni 有关的 二元合金的 F-S 多体势函数；这样便得到了应用于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子间相 互作用势函数[3]。利用所得 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子间相互作用势函数，研究该 多元合金奥氏体基体的稳定性；并且通过金相显微镜、X-Ray 衍射仪、扫描电镜及电子探针
等分析测试设备对多元合金样品进行测试，对测试结果进行分析，与计算结果进行比较。 采用了独立于实验数据的基于第一性原理计算的晶格常数、结合能及体弹性模量构建了 原子间相互作用势函数，该方法对于目前还没有足够实验数据的合金特别是多元合金的研究 是一个很有效的方法。将 F-S 多体势扩展到多元合金，拓宽了理论的应用范围。研究结果表 明：当基体中 含 C 量大于 0.6wt%，含 Ni 量在 1.02～1.50wt%范围内时，合金奥氏体基体 较稳定。当合金中 Ni 含量从 0.8wt%至 1.6wt%逐渐增加时，合金的奥氏体基体越来越稳定；
但是，当合金中 Ni 含量达到 2.4wt%时，奥氏体基体能量却上升，稳定性反而下降（表 4），
Ni 含量 2.4wt%铸造合金的残余奥氏体量明显低于马氏体量。计算结果与 X 射线衍射结果一 致（参见图 3）。
表 4 合金奥氏体基体(Fe-7.5Cr-2.2V-Ni-1.8Si-0.9C)的晶体特性
图 3 合金 N5-N8 的铸态下 X 射线衍射图
图 4 合金(1.2Ni)的铸态组织
图 5 合金 (1.2 及 2.4 Ni)的回火硬度
实验表明，含 Ni 高 V 高 Cr 铸铁浇注后即形成马氏体加奥氏体组织（图 4），通过高温
回火残余奥氏体分解，并获得二次硬化（图 5），避免了高温淬火时的严重氧化现象，成为 具有实际应用价值的耐磨合金。
4．Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 系合金钢
多元合金高碳钢成分设计合适时，钢中存在多类型碳化物（M3C、M23C6、M7C3、 M6C 和 MC），在常规的锻轧加工和退火工艺条件下，碳化物具有超细化特征。为了开发适 应不同生产条件的多类型超细碳化物高碳合金钢，其固溶强化的 Si 元素部分以 Ni 元素替代。
因此，合理的成分设计是常规热处理工艺下获得超细碳化物高碳合金钢的关键。 利用扩充的量子化学从头计算程序计算 Fe、Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、C 组成的双原 子团簇的电子结构数据，由于该程序只能计算包括 Mo 在内的元素周期表中前 54 号元素， 而不能计算与 W 相关的双原子团簇电子结构数据，利用第一性原理赝势平面波方法计算 W 与其它原子组成的二元合金的电子结构数据，拟合半经验原子间相互作用对势。利用半经验 原子间相互作用对势，选择八面体为中心的奥氏体晶胞模型、马氏体晶胞模型，计算奥氏体、 马氏体中各类晶胞室温、常压下的结合能信息。相对 γ-Fe 基体、α-Fe 基体而言，含有碳原 子和合金元素原子的晶胞均具有较大的结合能，起到固溶强化作用。
采用直接将第一性原理赝势平面波方法计算 W 的结果与从头计算程序计算其它原子的 结果联合使用，或考虑 CASTEP 软件计算结果与从头计算程序计算结果存在整体差异，联 合使用存在 “未校准零点”误差，将第一性原理赝势平面波方法计算 W 的结果除以修正系 数后与从头计算程序计算其它原子的结果联合使用，或考虑不含 W 元素的情况下利用从头 计算程序计算的结果，研究 Si、Ni、C 的变化对 Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 多元合金基体原 子间的结合能的影响，通过三种方法计算结果比较，采用修正系数处理的方法比较合理。得 出：合金奥氏体基体、马氏体基体原子间的结合能随着含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的增加呈 逐渐增加的趋势，随 Si 含量的增加原子间的结合能急剧上升，随 Ni 含量的增加原子间的结 合能缓慢上升，即 Si 含量的变化比 Ni 含量的变化对马氏体基体强度影响大。当 Si 或 Ni 以 外的元素含量都不变时， Si 或 Ni 的含量在 0.2%~0.6%时， Ni 含量对原子间的结合能影响 高于 Si。Si 或 Ni 的含量在 0.6%~0.8%时，转换为 Si 含量对原子间的结合能影响高于 Ni（图
6）。上述结果为合金设计时根据性能要求确定 Si、Ni 含量提供理论依据。
图 6 DM8A 合金马氏体基体原子间的结合能随含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的变化
表 5 是 3 种钢在淬火温度下的基体成分。DM8， DM8A 和 DM8B 钢的基体的 C 和合金元
素含量是用相平衡热力学和在电子、原子层次上马氏体的原子间结合能计算的。实验结果表 明原子间结合能与力学性能有对应关系，其比值是 2.3 10-4-2.5 10-4(表.6).
表 5 三种钢基体成分(wt%)
表 6 三种钢马氏体结合能和机械性能
实验研究表明，三种中合金钢退火后剩余碳化物均达到了超细化的程度（图 7）。根据
三种钢实验结果，分析碳化物超细化的原因主要是由碳化物溶解、形核的转变过程所引起的。 加热至 相变附近的温度再退火或淬火的碳化物的细化程度依赖于碳化物类型及其比 例，因此，合理的成分设计是常规热处理工艺下获得超细碳化物高碳低、中合金钢的关键。 与同类型钢比较，其抗弯强度、屈服强度、挠度和冲击韧性均明显提高。
图 7 三种钢的淬火组织
根据碳化物随温度变化的规律，并结合热力学相平衡计算，设计的多类型碳化物 DM7S
钢，成分(wt%)为：C 0.85-0.95，Mn 0.3-0.5，Si 0.3-0.50，Cr 6.0-7.0， W 2.5-3.5，V 1.0-1.5，
Mo 0.85-1.5，Ni 0.25-0.42。在常规的热处理工艺条件下，碳化物具有超细化特性（图 8）。
1080℃以上淬火，500-560℃回火时出现二次硬化效应，最高硬度接近 64HRC。
图 8 DM7S 钢 1100℃淬火显微组织（a）及其碳化物颗粒尺寸分布（b）
5. 结语
本文以第一原理计算（量子化学从头计算方法和第一性原理赝势方法）按势能曲线最低
点的拟合原则，对小团簇进行局部精确计算和对大团簇采用低精度的计算方法进行能量叠 加，以及用偏聚结构晶胞的计算用于多元合金的理论计算上。虽然其理论依据和计算精度有
待于进一步探讨，但却实现了多元合金的电子、原子层次的理论计算。针对三种多元合金材
料的不同问题采用了不同的计算方法，计算结果与某些实验结果相对应。近年来，我们采用 相平衡热力学计算、电子、原子层次上的计算以及经验公式相结合的合金设计计算，所开发 的合金已经作为高性能材料用于实际生产中[5-7]。
参考文献
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25(3)15-18
量子计算的作用篇（9）
1 影响建筑工程清单预算编制准确性的因素
1、图纸熟悉程度。图纸是计算工程量的基础，首先应熟悉图纸，认真阅读设计说明，了解工程的材料和做法。注重核对结构图和建筑图的标高、尺寸是否一致，图纸是否齐全，发现图纸有矛盾或缺漏的，及时把问题集中起来反映给业主和设计。
2、计算规则的熟悉程度。工程量计算规则是编制工程清单预算最根本的依据，预算员对规则的熟悉程度对快速、准确地计算工程量是很关键的。因此平时工作中应熟记常用计算规则及注意收集整理相关数据，做到随拿随用，例如，铁的比重是7.85，即一立方米钢材重量为7.85吨，计算钢栏杆及钢结构工程就会经常用到这个数据。
3、计算工具的先进及熟练程度。工程量计算约占全部预算编制工作量的75%以上，工时最长，出错可能性也最大，因此一定要抓好工程量的准确性。目前工程量还大都使用电子表格计算，测量工具从以往的手工测量（直尺、卷尺、比例尺测量）发展到近几年使用AutoCAD电子图进行测量，准确度得到很大的提高。
近年基于AutoCAD三维建模技术的算量软件也就是图形算量软件得到较快的发展，更是令工程量计算模式有了根本性的转变：传统电子表格计算法是将数据、计算式输入，通过一系列计算步骤得到工程量；图形算量软件计算法是通过设定构件属性、添加匹配清单、按设计图纸画图，即可以由软件自动计算生成工程量清单。图形算量能够用三维立体效果图直观地检查绘图是否准确，与传统电子表格计算比较，图形算量法计算准确度更高，不过这个是要基于对软件熟练运用的基础上。本人初学图形算量用于计算一栋教学楼工程时，基础梁的梁面标高在建立构件时没有设置好，画好图了才想起要修改梁面标高，回到建立构件的界面修改，结果对数时才发现错了。因为改属性是应该在画图界面，点击需要修改的基础梁，才能修改属性。这些步骤都是经过一定的实践才能深刻理解的。
2 算量软件的特点及在工程量清单编制中的应用
图形算量和传统表格算量这两种计算方法各有优势，选择哪种方法计算取决于工程的具体情况，本人从以下几个方面分析图形算量的优缺点。
1、计算精确度
目前大部分工程在拿到施工图的时候，业主同时会提供电子AutoCAD图，这是使用图形算量软件的最大优势。绘图是图形算量中耗时最多的步骤，现在可以直接从AutoCAD图精确导入轴线、各结构和建筑工程的主要构件，大大缩减了绘图时间，而且对于不规则图形，例如是弧形构件的输入和计算，有着比传统表格算量绝对的精确优势。
2、计算关联性和快速性
图形算量中，应遵循结构建筑装饰的输入顺序，每一步都是紧密联系的，画好了柱、梁、板后再画墙体，是因为墙体的长度要扣减柱子，高度要扣减梁板。装饰是依附在结构和建筑基础上设置的，画好柱、梁、板和闭合的墙体后，只需设置好装饰构件属性，即可以在板上点击布置地面和天棚装饰，在墙体上点击布置墙面和踢脚线装饰。在传统表格计算中，装饰是耗时最多的计算内容，但软件计算由于内在的关联性，能够快速地获得准确的计算结果。
3、计算过程开放性
开放性指计算过程对使用者开放，除了软件默认的计算规则，还可以根据需要自由组合软件提供的工程量过程代码，进行计算规则灵活处理，某些相互关联的构件不用画图，用代码设置就可以计算出所需的工程量。
4、功能的完善性
图形算量软件能按照清单计价和定额计价规则算量，一图两算，自由选择计算规则；能通过建立构件、给定尺寸、选配清单项或定额子目、构件属性定义、画图、三维效果图检查等步骤，汇总计算后得到工程量清单；能计算钢筋工程、结构工程、机电工程、建筑工程、简装修工程及精装修工程，涵盖工程造价的各个领域，适用面广。
5、报表输出的多样性
报表输出是算量工作的最后一步，算量软件能生成多种类型的工程量汇总表、明细表、计算表等。报表可以预览还能重新设计调整，增减行、列，修改名称等，很丰富地输出结果。
6、算量软件的不足
（1）、计算范围有限
虽然算量软件能带来较高的工作效率，使预算员从繁重的手工算量中解放出来，可并不代表用它能独立完成整个工程全部构件或所有结构类型的工程。例如一些零星的构件(屋檐、栏杆、外墙装饰线条等)和钢结构工程等处理起来比较困难，需要辅助以电子表格或手工计算进行补充；另外室内装修工程的墙面装饰若设计有多种变化，如一面墙上同时使用墙纸、木装饰线、软包等做法，用算量软件计算工程量就较困难。
（2）、操作门槛过高
对于长期以来一直使用手工和电子表格算量的造价人员来说，他们中部分人的计算机操作能力不强且算量软件思路同前者有很大差别，对部分资历较高、年龄较大的预算员来说，熟习算量软件的使用会有一定难度，使用效果可能比用电子表格算量效果差。
（3）、将AutoCAD图导入算量软件虽然可以大大节省绘图时间，但由于设计院AutoCAD出图的标准可能与软件的设定有差异，目前的算量软件导图并不能将图形100%准确地导入，需要人工一点点地将错漏的部分按施工图核对修改，这样同样需要很大的工作量。
3 应用实例
以本人之前做过的一个体育馆工程为例，该体育馆是钢筋混凝土结合钢结构工程，外墙设计为弧形，简装修。遵循先结构后建筑再到装饰工程的原则，本人先使用钢筋软件输入钢筋工程，然后利用“钢筋与图形互导的功能”，将钢筋工程中混凝土构件导入到图形算量软件中，这是一种全新的算量思路，不仅保证了算量的准确，而且结构中大部分的设计参数只需要录入一次即可，减少了重复翻图的工作量，可以获得更高的效率。
量子计算的作用篇（10）
中图分类号TP3 文献标识码A 文章编号1674-6708（2016）159-0085-03
计算机科学与技术是当前社会各界高度关注的内容，不仅许多盈利性企事业单位对计算机科学与技术的关注度较高，一些社会团体也迫切需要通过计算机科学与技术进行发展环境的改良，因此，很多社会团队都加强了对计算机科学与技术的关注。
1分析计算机科学与技术发展趋势的重要意义
电子计算机的出现很大程度上改变了20世纪40年代以来的人类生活状态，早在计算机技术诞生之初，人类就已经进入了信息化时代。当前，计算机技术广泛存在与人类社会的各个领域，能够使用计算机技术对原有的工作形态进行替代，就能够很大程度上提升计算机技术的应用水平[1]。在当前计算机技术不断发展完善的时代背景下，计算机技术下一步该如何发展是社会各界高度关注的问题。总的来看，计算机设备的发展趋势必须同人类的发展需要相适应，既要保证计算机的服务性能逐步提高，也要保证计算机的使用便捷程度越来于强，还要使计算机技术能够在更加广阔的范围内对人类生活形成积极影响，因此，在计算机技术发展速度较快的情况下，对计算机科学和技术的发展趋势进行研究，是提升计算机技术发展质量的重要工作。
2当前计算机科学与技术的发展现状
2.1计算机科学与技术很大程度上提高了社会发展质量
随着计算机科学与技术的快速发展，我国社会的很多领域使用计算机设备进行了工作方式的改良，并取得了良好的效果[2]。目前，电子计算机是我国公民生活的必备物品，不仅在具备盈利性质的工作领域需要进行计算机的操作，在生活休闲领域也很大程度上需要依靠计算机技术进行生活水平的提升。因此，将计算机技术更好的应用于生活的各个领域，可以使人们的生活质量得到较大的提高。另外，计算机科学技术的发展使得很多工作环境得到了改变，仅仅在计算机运行速度的提高方面，许多公司大量资料的管理效率和管理质量就得到了较大程度的增强。另外，计算机科学技术的发展也使得我国社会的精神娱乐活动得到了较大程度的改良，目前，电子游戏已经广泛的存在于人们生活的各个领域，并很大程度上改善着人们的精神娱乐生活。在计算机科学技术不断发展的背景下，社会各界对计算机科学技术的改良获得了较大程度的认同，人们在计算机的影响下转变了生活的方式，使得社会的精神文明等级不断的得到发展完善。另外，计算机技术在人性化建设方面处于较高的等级，很多新兴技术不仅对一些社会事业进行了工作效率的改良，也从人类生活习惯的角度出发，对提升人类生活质量的机制进行了构建，使得当前社会的人们更加喜爱使用计算机技术进行生活水平的提升。计算机设备的整体体积较小，在运行的过程中也具有较为便捷的特点，因此，计算机技术在提升人们生活便捷性的同时，不会为人们的生活带来较大的负担。计算机技术长期以来处于较快的发展阶段，早在70年前，计算机就已经诞生，最初的计算机设备尚且需要通过电子管技术进行基础性运作，但是，在短短几十年的发展过程中，计算机设备不仅很大程度上缩小的体积，也使得计算机的运行效率得到了较大程度的提高，计算机的功能也更加丰富多样，因此，在计算机科学与技术已经较为成熟的背景下，计算机设备在我国社会发挥了较为重要的积极影响。
2.2计算机科学技术发展引发了一些社会问题
虽然计算机技术是20世纪人类的一项伟大发明，但是，计算机科学与技术的发展还是对人类社会构成了一定的负面影响。计算机技术带来的安全性问题就是计算机技术的主要负面影响之一[3]。例如，计算机网络病毒的出现使得很多计算机设备遭受了严重的威胁，而一些对计算机技术形成依赖的产业，一旦受到计算机病毒的威胁，将很容易出现产业发展质量受损，进而导致很多社会事务不能按照既定的方案进行实现。另外，计算机技术具有较强的复杂性，一旦技术当中的某一细节出现错误，将会在很短的时间内将问题进行扩展，使更多的计算机设备受到不良影响，因此，计算机设备在技术层面的漏洞存在较大的脆弱性，如果遭到网络病毒等因素的影响，将会在很大的社会范围内产生不良影响。
2.3计算机科学技术正处在规范方案的完善阶段
良好的规划设计是提升计算机科学技术发展质量的重要因素，目前，我国的计算机科学技术发展规划方案正处在快速完善的阶段。我国的计算机技术发展方案科学的进行了重要等级的划分，首先，计算机技术需要让步于公共安全事务，任何高科技手段只有在正义的掌握之中才能更好的为人类服务。因此，我国的计算机科学技术需要首先服务于国防事业和公安事业，促进我国社会的公平正义，使我国公民生活在更加安全和谐的环境当中。另外，计算机技术需要服务于关系到国计民生的重大事业当中，尤其在我国经济发展的重要领域，目前已经加强了对计算机科学技术的关注，并对计算机科学技术的发展方案进行了完善，使得我国经济的发展可以得到技术层面的保障，提升我国社会的和谐等级。另外，我国很多规划机构对计算机技术的突出价值进行了分析，并对计算机不同性能的社会影响进行了全面的研究，根据当前我国社会发展的需要，对计算机技术的后续发展方案进行了科学的设计，使计算机设备可以更好的结合现有的各项功能提升社会服务等级。另外，我国在计算机软件和硬件开发领域已经进行了高水平的规划设计，使计算机技术的发展能够借助世界范围内的技术发展情况进行技术应用水平的提升，使计算机技术能够更大程度上提升对社会的积极影响力。
3计算机科学与技术的主要发展趋势
3.1巨型计算机的发展和使用
首先，进行计算机科学技术研究的人员，需要加强对计算机的优势分析，充分了解到计算机技术的高效便捷是计算机技术的主要优势，并从在这一思维出发，对计算机技术的具体发展路径进行科学的规划。要将巨型计算机作为提升计算机技术社会价值的重要研究方向，巨型计算机相比于普通计算机具有更加强大的运算能力，能够在短时间内对大量的信息数据进行处理，并保证处理的准确性。巨型计算机还拥有较强的信息储存功能，在保证信息资源储存安全性和完整性的同时，不会使存储设备占据较大的体积空间，使巨型计算机能够更好的使用于档案管理等涉及到较大信息资源的领域。目前，已经掌握的巨型计算机技术已经可以在一秒的时间内进行百亿次以上的运算，因此，巨型计算机完全可以胜任艺术领域和尖端科技领域的信息存储工作。另外，巨型计算机的内存容量较大，能够保持在百兆字节以上，因此，巨型计算机在气相领域和地质领域能够得到较为广泛的应用。巨型计算机的发展正处于快速阶段，大量的市场需求使得巨型计算机的技术研发获得了大量的利益驱动，因此，巨型计算机的发展必定在短时间内替代传统形式的计算机，并在许多重要的社会领域发挥建设性作用。另外，巨型计算机技术的发展也会很大程度上带动传统计算机技术的发展，使更大社会范围内的事业得到计算机技术的支持。
3.2智能型计算机的发展和使用
目前，智能型计算机的技术正处在快速发展的过程中，智能型计算机最突出的优势是具备平行处理技术，因此，智能型计算机不仅能够对传统计算机的优势进行保留，还能够在相同的时间内对多个信息指令进行高效的处理。另外，智能型计算机拥有较强的数据分析能力，能够在固定的时间内使用多个信息处理机制对信息资源实施高效处置，使信息资源的处理效率能够实现成倍增长。另外，智能型计算机虽然进行多种信息资源的操作，但是，并不会由于信息处理渠道的增加而产生数据处理时间的延长。因此，智能型计算机目前已经受到了我国尖端科技领域的高度重视，并且将智能型计算机的技术使用于复杂信息资源的管理领域，使大量的信息资源可以更加高质量的完成推演和分析，降低尖端科技领域的信息管理成本。另外，智能型计算机在常规服务方面具有较强的人性化特点，因为智能型计算机的设计理念方面同人类大脑有着较为相似的设计意图，使得现有的智能型计算机的服务性能更加贴近人类生活和发展的需求，因此智能型计算机相比于普通形式的计算机拥有较强的人性化特点，在人性化需求较为强烈的社会环境中，依然具备较大的发展空间。
3.3量子计算机的发展和使用
量子计算机科学的运用了量子力学的科学原理对计算机的应用技术进行了改良，使得计算机在处理大量信息资源的过程中能够表现得更加高效。另外，量子计算机在信息处理方面也具有较强的性能，由于量子力学理论在技术层面可以进行逆向处理，使得量子计算机可以在物理装置的协同之下进行信息储存机制的完善。因此，量子计算机在进行大量信息资源储存的过程中，需要根据物理装置的特点进行计算机造作性能的提高，因此，量子计算机可以结合技术的研制需要，对技术发展的过程进行细化处理，结合信息储存功能的需求，对已经掌握的技术进行信息存储层面的在开发，使量子计算机能够丰富信息资源的储存形式，实现对大量信息资源的高水平处理。当前，已经掌握的量子计算机技术，可以高质量的进行激光脉冲的控制，使激光脉冲具备较强的灵活性特点。另外，量子计算机可以使用现有技术对链状分子进行深度控制，并使现有的链状分子能够按照计算机服务的需要进行重新组合，并保证量子计算机能够通过开关装置更好的进行聚合物的处理，提升聚合物的移动频率。另外，量子计算机在技术层面具有量子理论的一些优势，可以通过量子的叠加效益进行计算机存储机制的完善，使计算机的信息总存储量可以得到扩展。量子计算机当前的信息存储效率已经较常规计算机设备高出十几亿倍，并且能够保证信息存储的安全性。
3.4光子计算机的发展和使用
计算机设备在进行基础性信息资源处理的过程中，大多使用电子形式进行储存机制的构建，而光子计算机的出现，使得光子技术替代了电子技术，在计算机应用领域起到了较好的作用。例如，光子计算机传递信息不再需要使用实体导线进行电子资源的连通，只需要使用光子技术对信息实施传递，使信息资源能够更大程度上提升传递的便捷性。另外，信息资源的运算也是决定计算机设备使用性能的重要因素，光子计算机在进行信息运算的过程中，可以利用光子技术对现代化信息运算模式进行操作，使光运算的优势可以得到更大程度的发挥。光子计算机可以将计算机当前处理的信息，以不同形式的光波进行处理，并通过波长的合理控制实现表现质量的提升，使光运算技术能够在更加快速的模式下进行信息资源的处理，因此，光子计算机受到了信息技术领域尤其是计算机技术领域的充分重视，目前正处于快速成熟的阶段。
3.5纳米计算机的发展和使用
纳米计算机属于技术等级较高的计算机，目前在我国一些社会领域并没有得到普及，但在我国尖端科技领域已经得到了广泛的应用。纳米计算机不仅拥有纳米技术的一系列优势，也能够良好的整合传统计算机的一系列优势，因此，纳米计算机在技术层面能够实现新老技术的科学整合。此外，纳米计算机能够很好的进行纳米元件的使用，使纳米计算机可以保证以较小的体积对丰富的信息资源进行处理，因此，纳米计算机在现实操作的过程中有着较强的便捷性特点。另外，在纳米技术不断完善的背景下，纳米计算机的技术正处在快速变革的过程中，目前，很多纳米计算机在导电性能方面已经具备了较为理想的性能。在进行纳米计算机芯片使用的过程中，纳米元件越来越多的受到了技术团队的关注，而传统计算机在进行硬件调整改造的过程中，也将纳米技术使用于中央控制器和信息传感装置等多个方面。另外，纳米计算机在进行信息处理的过程中，可以将大量信息计算设备的功能利用芯片装置进行储存，使计算机的各项技术成果可以构成一个整体的系统。在纳米计算机的硬件设施当中，芯片所占的体积较小，但纳米计算机由于纳米技术的使用，能够在增强信息处理质量方面比传统形式的计算机更具优势，因此，纳米技术是提升纳米计算机实用价值的重要技术，必定在未来的纳米计算机发展过程中发挥关键性作用。
4结论
深入的研究计算机科学与技术的发展现状，并对计算机科学与技术的重要意义进行分析，可以使社会各界更加清楚计算机的发展意义和发展必要性，因此，对计算机的发展趋势实施科学分析，是提升计算机科学与技术发展水平的重要工作。
参考文献
[1]张瑞.计算机科学与技术的发展趋势探析[J].制造业自化，2010（8）：237-240.
量子计算的作用篇（11）
1 计算的本质
抽象地说， 所谓计算， 就是从一个符号串f 变换成另一个符号串g 。比如说， 从符号串1 2 + 3 变换成1 5 就是一个加法计算。如果符号串f 是x2，而符号串g 是2x，从f 到g 的计算就是微分。定理证明也是如此， 令f 表示一组公理和推导规则， 令g 是一个定理， 那么从f 到g 的一系列变换就是定理g的证明。从这个角度看， 文字翻译也是计算， 如f 代表一个英文句子， 而g 为含意相同的中文句子， 那么从f 到g 就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点？为什么把它们都叫做计算？因为它们都是从己知符号( 串) 开始， 一步一步地改变符号( 串) ， 经过有限步骤， 最后得到一个满足预先规定的符号( 串) 的变换过程。
从类型上讲， 计算主要有两大类: 数值计算和符号推导。数值计算包括实数和函数的加减乘除、幂运算、开方运算、方程的求解等。符号推导包括代数与各种函数的恒等式、不等式的证明， 几何命题的证明等。但无论是数值计算还是符号推导，它们在本质上是等价的、一致的， 即二者是密切关联的， 可以相互转化， 具有共同的计算本质。随着数学的不断发展， 还可能出现新的计算类型。
2 远古的计算工具
人们从开始产生计算之日， 便不断寻求能方便进行和加速计算的工具。因此，计算和计算工具是息息相关的。
早在公元前5 世纪， 中国人已开始用算筹作为计算工具， 并在公元前3 世纪得到普遍的采用， 一直沿用了二千年。后来， 人们发明了算盘， 并在15 世纪得到普遍采用， 取代了算筹。它是在算筹基础上发明的， 比算筹更加方便实用， 同时还把算法口诀化，从而加快了计算速度。
3 近代计算系统
近代的科学发展促进了计算工具的发展: 在1 6 1 4 年， 对数被发明以后， 乘除运算可以化为加减运算， 对数计算尺便是依据这一特点来设计。1 6 2 0 年， 冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1 8 5 0 年， 曼南在计算尺上装上光标， 因此而受到当时科学工作者， 特别是工程技术人员广泛采用。机械式计算器是与计算尺同时出现的， 是计算工具上的一大发明。帕斯卡于1642 年发明了帕斯卡加法器。在1671 年，莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算器， 是长1 米的大盒子。自此以后， 经过人们在这方面多年的研究， 特别是经过托马斯、奥德内尔等人的改良后， 出现了多种多样的手摇计算器， 并风行全世界。
4 电动计算机
英国的巴贝奇于1 8 3 4 年， 设计了一部完全程序控制的分析机， 可惜碍于当时的机械技术限制而没有制成， 但已包含了现代计算的基本思想和主要的组成部分了。此后， 由于电力技术有了很大的发展，电动式计算器便慢慢取代以人工为动力的计算器。1 9 4 1 年， 德国的楚泽采用了继电器， 制成了第一部过程控制计算器， 实现了1 0 0 多年前巴贝奇的理想。
5 电子计算机
2 0 世纪初， 电子管的出现， 使计算器的改革有了新的发展， 美国宾夕法尼亚大学和有关单位在1 9 4 6 年制成了第一台电子计算机。电子计算机的出现和发展， 使人类进入了一个全新的时代。它是2 0 世纪最伟大的发明之一， 也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。
在电子计算机和信息技术高速发展过程中， 因特尔公司的创始人之一戈登·摩尔(GodonMoore)对电子计算机产业所依赖的半导体技术的发展作出预言: 半导体芯片的集成度将每两年翻一番。事实证明，自2 0 世纪6 0 年代以后的数十年内， 芯片的集成度和电子计算机的计算速度实际是每十八个月就翻一番， 而价格却随之降低一倍。这种奇迹般的发展速度被公认为“摩尔定律”。
6 “摩尔定律”与“计算的极限”
人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升? 传统计算机计算能力的提高有没有极限? 对此问题， 学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高， 最终地球上所有的能量将转换为计算的结果——造成熵的降低， 这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的， 因此， 传统电子计算机的计算能力必有上限。
而以IBM 研究中心朗道(R.Landauer)为代表的理论科学家认为到2 1 世纪3 0 年代， 芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度( 1纳米= 1 0 - 9 米) ， 此时， 导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律——牛顿力学沿导线运行， 而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象， 从而导致芯片无法正常工作; 同样， 芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸( 约5 纳米) 后， 晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。
哲学家和科学家对此问题的看法十分一致: 摩尔定律不久将不再适用。也就是说， 电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在2 1 世纪前3 0 年内终止。著名科学家， 哈佛大学终身教授威尔逊(EdwardO.Wilson)指出: “科学代表着一个时代最为大胆的猜想( 形而上学) 。它纯粹是人为的。但我们相信， 通过追寻“梦想—发现—解释—梦想”的不断循环， 我们可以开拓一个个新领域， 世界最终会变得越来越清晰， 我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的
7 量子计算系统
量子计算最初思想的提出可以追溯到20 世纪80 年代。物理学家费曼RichardP.Feynman 曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例，在干涉过程中， 相互作用的光子每增加一个， 有可能发生的情况就会多出一倍， 也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了， 不过， 在费曼眼里， 这却恰恰提供一个契机。因为另一方面， 量子力学系统的行为也具有良好的可预测性: 在干涉实验中， 只要给定初始条件， 就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断认为如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算， 那么搭建这样一个实验， 测量其结果， 就恰好相当于完成了一个复杂的计算。因此， 只要在计算机运行的过程中， 允许它在真实的量子力学对象上完成实验， 并把实验结果整合到计算中去， 就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。
在费曼设想的启发下， 1 9 8 5 年英国牛津大学教授多伊奇DavidDeutsch 提出是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇——图灵论题。费曼指出使用量子计算机时，不需要考虑计算是如何实现的， 即把计算看作由“神谕”来实现的: 这类计算在量子计算中被称为“神谕”(Oracle)。种种迹象表明: 量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强， 例如，现代信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数( 如1 0 2 4 位的十进制数) 分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”， 困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。目前， 就是将全世界的所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1 0 2 4 位整数的质因子分解问题， 大约需要2 8 万年， 这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且， 分解的难度随着整数位数的增多指数级增大， 也就是说如果要分解2 0 4 6 位的整数， 所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机， 我们只需要大约4 0 分钟的时间就可以分解1024 位的整数了。
8 量子计算中的神谕
人类的计算工具， 从木棍、石头到算盘， 经过电子管计算机， 晶体管计算机， 到现在的电子计算机， 再到量子计算。笔者发现这其中的过程让人思考: 首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算， 随后， 人们发明了算盘， 来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”， 机器也可以用来搬动“算珠”， 而且效率更高， 速度更快。随后， 人们用继电器替代了纯机械， 最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时，数学家们开始对计算的本质展开了研究，图灵机模型告诉了人们答案。
量子计算的出现， 则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说。这是一种革命性的思考与解决问题的方式。
因为在此之前， 所有计算均是模拟一个快速的“算盘”， 即使是最先进的电子计算机的CPU 内部，64 位的寄存器(register)，也是等价于一个有着6 4 根轴的二进制算盘。量子计算则完全不同， 对于量子计算的核心部件， 类似于古代希腊中的“ 神谕”， 没有人弄清楚神谕内部的机理， 却对“神谕”内部产生的结果深信不疑。人们可以把它当作一个黑盒子， 人们通过输入， 可以得到输出， 但是对于黑盒子内部发生了什么和为什么这样发生确并不知道。
9 “神谕”的挑战与人类自身的回应人类的思考能力， 随着计算工具的不断进化而不断加强。电子计算机和互联网的出现， 大大加强了人类整体的科研能力，那么， 量子计算系统的产生， 会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力， 并最终解决困扰当今时代的量子“神谕”。不仅如此， 量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质， 把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。
如果观察历史， 会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“ 公理”， 人们的公理系统在不断的增大， 随着该系统的不断增大， 人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律:
“ 计算工具不断发展— 整体思维能力的不断增强—公理系统的不断扩大—旧的神谕被解决—新的神谕不断产生”不断循环。
无论量子计算的本质是否被发现， 也不会妨碍量子计算时代的到来。量子计算是计算科学本身的一次新的革命， 也许许多困扰人类的问题， 将会随着量子计算机工具的发展而得到解决， 它将“计算科学”从牛顿时代引向量子时代， 并会给人类文明带来更加深刻的影响。
参考文献
