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篇1

一、人力資本價值會計計量方法的理論概述

根據會計的基本理論要求可知，一般人力資源的會計計量方法主要分為兩大類，一類是貨幣性計量，另一類則是非貨幣性計量。下面就讓我們深入的來了解一下具體的會計計量方法吧。

(一)貨幣性計量

貨幣性計量方法是會計計量在人力資本價值核算的基本方法，它主要包括成本法和價值法兩種。1.成本法

該種會計計量方法的主要依據是人力資源取得、開發、應用及替代成本。它包括：

(1)歷史成本法

歷史成本法就是將企業以往的用于人力資源的費用進行核算、統計并用具體的資金表示出來的一種方法。該種方法應用于人力資本價值之上具有一定的落后性，因為各個時期的人員工資以及成本是不一致的。

(2)重置成本法

重置成本法就是企業對于已有的存貨以及固定資產等進行全面清查，在對于生產過程之中所需要重新購置的資產進行成本估算的一種方法。該種方法雖然有利于人力成本價值的核算，但是較為復雜。

(3)機會成本法

機會成本法對于人力資本價值而言就是指對將企業的工作人員離開企業后所帶來的后果進行核算計量的一種方法，對于該種方法無非會出現兩種結果：一個是企業人員的離開會給企業帶來損失，另一種與之相反。

2.價值法

該種會計計量法是貨幣性計量的另一種重要形式，它主要包括了隨機報酬價值法、未來收益折現法、工資報酬折現法和機會價值法這四種會計計量法。其中：

(1)隨機報酬價值法

隨機報酬價值法是用人力資源為組織提供的服務所創造的價值來計算人力資源的價值。具體來說就是指體育運動俱樂部的工作人員為企業的生產經營活動所帶來的經濟效益。

(2)未來收益折現法

就是指一個公司企業的工作人員如：職業體育俱樂部的工作人員他們的日常工作能夠為公司的未來經營所帶來的經濟效益，并通過金融市場學之中的現值公式將其預算價值換算成現值，并加以比較來核算人力資本價值。

(3)工資報酬折現法

具體來說就是將工作人員的工作價值換算成現值，并以工資的形式表現出來。

(4)機會價值法

機會價值法是將人力資源給企業帶來的自由現金流量進行貼現作為人力資源的價值。

(二)非貨幣計量

1.行為矩陣法

人力資源的需求狀況、價值體系乃至每類人力資源主體的有關情況等作為變量,形成矩陣,通過模糊運算得出人力資源的工作滿足感、在職傾向和工作意愿三個產出變量。

2.經濟價值法

經濟價值法就是將一個企業的預期的未來盈利視為企業人力資源群體的未來服務潛能,然后按照一定的折現率折成現值,

3.內部投標法

內部投標法假定企業內的人力資源是稀缺的和富有價值的,各個部門可以通過內部競爭的方式,投標最高者/部門取得該人力資源主體。那么最高競標者的標底即該人力資源的價值。

二、職業體育運動員人力資源價值會計計量運用模式構建

(一)成本評估

對于職業體育俱樂部而言，其核心的工作人員就是該俱樂部的運動員，所以，對于職業體育俱樂部的成本估計而言就是指對于職業俱樂部的運動員的培養過程之中的成本估計，主要包括運動員的取得成本,培訓成本,使用成本,機會成本和保障成本.其中,取得成本包括招募成本,選材成本,錄用成本等；培訓成本主要是指為了培訓運動員而購買材料、訓練器械以及教練工資等成本支出；使用成本就是在培養運動員過程之中所使用的一切機械材料以及人力資源的成本：保障成本就是指為了保障運動員的訓練安全以及人身安全所支出的一切費用等。

在職業體育運動員人力資源價值的會計計量之中，成本估計是最為基礎的一項運用模式，以為它關乎到職業體育俱樂部的生存與發展問題，應該引起俱樂部相關工作人員的高度注意。

(二)新增價值評估

在職業體育俱樂部之中的優秀運動員因為其自身的水平而得到了社會公眾的認可與喜愛，因而也會給俱樂部帶來一定的收益，這主要是人力資源創造的結果,其中新增價值主要表現在代言產品的所得報酬、廣告代言費用、贊助商對于比賽的贊助費用等。

對于職業體育運動員的人力資本價值中性增加值的評估主要是采用未來收益折現法以及機會成本法來進行會計計量。這樣，對于運動員的培養以及成本估算也是很有幫助的。

三、職業體育運動員人力資本價值會計計量方法的具體應用

對于職業體育運動員人力資本價值的核算主要是采取會計計量法來進行核算。所以，為了對運動員的人力資本價值有一個非常準確的分析與核算就要求在進行人力資源的資本價值核算之前對職業體育俱樂部的運動員進行一個簡單而又合理的分類。

(一)普通的運動員

對于普通運動員的定義而言，并不是對他們運動實力的一個否定，而是說在此時他們的新增價值還并不是很高，仍然還處于技術的提高階段。所以對于該類運動員而言，其成本價值還是較高的，所以對于他們的資本價值的核算主要體現在以下方面：

第一，職業體育俱樂部的初始人力資產是與職業體育俱樂部是否取得人力資產是無關的,可以將每年在教育方面的投資進行貼現來計算初始人力資產。或者就是將隨機報酬貼現法應用其中，對于這類普通的運動員主要是注重其技術技能的培養，所以主要是對其每年的培養費用進行核算貼現處理，從而初始化人力資產。

第二，職業體育俱樂部的后續人力資產應該根據職業體育俱樂部實際發生的投資成本予以計量。對于該種會計計量類型同樣也是采取貨幣性計量法中的價值法來進行人力資本價值的核算。所以，這就要求職業體育俱樂部的會計人員秉著公平、公正、公開的原則對職業俱樂部實際發生的投資成本進行計量。

第三，在年末根據職業體育俱樂部績效考核結果對人力資源的計量進行調整。對于普通運動員的人力資本價值核算不是和核心的運動員考察一樣，而是通過年末職業體育俱樂部績效考核法來進行核算。因為普通運動員所帶來的新增價值較少，所以為了很好地核算普通運動員的人力資本價值而進行年末績效核算就顯得尤為的重要了。

(二)掌握關鍵技術、出類拔萃的運動員

一般而言，掌握關鍵技術、出類拔萃的運動員可以為職業體育俱樂部帶來更多的經濟利益，還為職業體育俱樂部的長遠發展打下了堅實的基礎性作用。而且掌握關鍵技術、出類拔萃的運動員的取得方式、薪酬待遇以及離職后給企業帶來的損失都和普通的運動員是有區別的，因此應當單獨計量。

所以根據會計基礎的理論要求，對掌握關鍵技術、出類拔萃的運動員的人力資本價值的會計計量可以采用機會成本法與未來收益折現法來進行計量。

1.未來收益折現法

也就是說通過對職業體育運動員現在的技能以及新增價值進行計量計算，來預計職業體育運動員現在的技術水平能夠為職業俱樂部的未來發展與收益帶來怎樣的收益，并通過現值公式折算成現值來計量掌握關鍵技術、出類拔萃的運動員的人力資本價值。

2.機會成本法

也就是通過預測關鍵職業體育運動員離職會給企業造成的損失，來測算關鍵職業體育運動員的價值。雖然機會成本法本身具有較大的主觀性，但由于職業體育運動員的專業性較強，一般不易更換職業范圍，可以參考同等資歷人員在市場上的價值來進行估算，可以降低部分主觀性。

四、結語

會計計量法在職業體育運動員人力資本價值核算中的運用不僅有利于職業體育俱樂部的長久發展，還對于俱樂部運動員的技術提高有推動的作用。相信會計計量法在人力資源上的應用不僅會推動該項產業的發展，還會為我國的體育事業的發展有著積極的作用。

參考文獻

篇2

如今，愛因斯坦逝世已逾六十載，可謎團仍未完全破解。因此，可以毫不夸張地說，量子理論就是這么一個“幽靈”。

在量子理論對世界的描述中，一個物體可以同時處于多個位置，粒子也可以無阻礙似地穿過障礙物，所有的物體都有“波粒二象性”，它既是粒子又是波，兩個分得很開的物體也可以進行某種類似“精神性”的合作……

這些描述聽上去令人毛骨悚然，不可捉摸。難怪量子理論創立者之一的玻爾說過：“如果一個人沒有被量子力學所震驚，那么他就沒有真正懂得量子力學。”

什么是“量子”

“量子”不是一種粒子，它是一個能量的最小單位。所有的微觀粒子（包括分子、原子、電子、光子）都是量子的一種表現形態。

眾所周知，世界是由微觀粒子組成的。因此從某種意義上來說，世界本身就是由量子組成的。在物理學中提到“量子”時，實際上指的是微觀世界的一種行為傾向：物質或者說粒子的能量和其他一些性質（統稱為可觀測物理量）都傾向于不連續的變化。

以光為例，我們說一個“光量子”，是因為一個光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的，例如，在沒有被電離的原子中，繞核運動的電子的能量是“量子化”的，也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量，對于原子中的電子，角動量也不再是連續變化的。

量子物理學告訴我們，電子繞原子核運動時也只能處在一些特定的運動模式上。在這些模式上，電子的角動量分別具有特定的數值，介于這些模式之間的運動方式是極不穩定的。即使電子暫時以其他的方式繞核運動，很快就必須回到特定運動模式上來。

實際上在量子物理學中，所有的物理量的值都可能必須不連續地、離散地變化。在上世紀初，物理學家馬克斯?普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續的。

出生于德國傳統保守家庭的普朗克從小受到良好的教育，雖然具有音樂天賦，十分迷戀音樂，但仍舊立志獻身于科學，研究物理。當他去慕尼黑大學時，一位物理學教授曾勸說他不要學習物理，因為“這門科學中的一切都已經被研究過了，只有一些不重要的空白需要填補”。教授的一席話正代表了當時大多數物理學家的心態。

然而執著的普朗克卻表示：“我并不期望發現新大陸，只希望能理解已經存在的美麗的物理理論，或許能將其加深和發展那么一點點。”命運總是喜歡開玩笑。本來并未期望在物理研究中“發現新大陸”的普朗克，卻在不經意間成為了量子力學的創始人。

當時，解釋熱力學中的輻射問題，主要有瑞利-金斯定律和維恩位移定律，前者適用于低頻輻射，卻無法解釋高頻率下的測量結果；而維恩位移定律可以正確反映高頻率下的結果，但無法符合低頻率下的結果。

如何才能導出一個新的公式，使得高頻、低頻下都能符合實驗結果呢？普朗克使用了一種巧妙新穎的方法：運用玻爾茲曼的統計物理，把光當成一個一個的諧振子。在他的假設中，既然輻射的是一個一個的諧振子，也就是說在黑體輻射時，能量就不是連續地，而是一份一份地發射出來的。

據此，普朗克導出了一個新公式，這個公式在頻率較小時自動回到瑞利-金斯公式，在頻率較大時又自動回到維恩公式。因此，新公式能在所有的頻率范圍與實驗結果符合。

1900年12月14日，在柏林亥姆霍茲研究所的德國物理學會上，普朗克宣讀了關于這一結果的論文。而這一天也被物理學家們定為量子力學的誕生之日。

然而，這一發現并不是普朗克的初衷。作為一名傳統而保守的物理學家，他只是按照科學方法辦事，并未想要掀起一場革命，連他自己都不知道，自己已經把量子這個“妖精”引進了物理學。

普朗克有些后悔，認為自己制造的這個量子“妖精”破壞了物理學的完美。他曾歷經15年的時間，試圖尋求一種經典物理方法來導出同樣的公式，解決黑體輻射問題，以便挽回“局面”。

然而，他沒有成功。直到1905年，26歲的愛因斯坦利用光量子的假說圓滿解釋了光電效應；1913年，28歲的玻爾提出了量子化的原子結構理論；1923年，31歲的德布羅意提出了德布羅意波；1925年，24歲的海森堡創立了矩陣力學；1926年，37歲的薛定諤建立了薛定諤方程……量子力學才逐漸羽翼豐滿，真正使人們看到了量子概念所閃現的耀眼光芒。

說一說“量子疊加”

量子有一個非常奇怪的特性――量子疊加。

什么是量子疊加？經典事件里可以用某個物體的兩個狀態代表0或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時處于死和活的狀態中間。

但在量子世界，不僅有0和1的狀態，某些時候像原子、分子、光子可以同時處于0和1狀態相干的疊加。比如光子的偏振狀態，在真空中傳遞的時候，可以沿水平方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處于45°斜振動，這個現象正是水平和豎直偏振兩個狀態的相干疊加。

這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經典世界的根本區別。

著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個佯謬。在經典世界里，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態上。那么這只量子“薛定諤貓”到底是死的還是活的呢？

量子測量原理給出的答案是，如果你不去看這只貓，它既不是死的也不是活的！如果你去看這只貓，那么它也許是死的，也許是活的！

正因為有量子疊加狀態，才導致量子力學不確定原理，即如果事先不知道單個量子狀態，就不可能通過測量把狀態的信息完全讀取；不能讀取就不能復制。這是量子的兩個基本特性。

在量子疊加原理基礎之上，衍生出了量子的另一個奇妙特性，叫做“量子糾纏”。比方說，甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個游戲――擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率隨機得到1到6結果中的某一個；同時，乙在另一地擲骰子，盡管兩人每一次單邊結果都是隨機的，但每一次的結果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應一樣。這就是“量子糾纏”。

若兩個量子粒子處在特殊的狀態（俗稱“糾纏態”）中，不管其空間分離得多遠，當對其中一個粒子施行操作或測量，遠處的另一個粒子狀態會瞬時地發生相應的改變，愛因斯坦稱這個現象為“幽靈般的超距作用”。當時，愛因斯坦認為，怎么會允許兩個客體在遙遠的兩地之間有這種詭異的互動呢？據此，他質疑量子理論的完備性。

1982年，法國物理學家Alain Aspect和他的小組證實了“量子糾纏”的超距作用確實存在。

但直到2015年，荷蘭代爾夫特理工大學物理學家Ronald Hanson領導的團隊進行了一項被他們稱之為“無漏洞貝爾測試”的實驗，“幽靈般的超距作用”才得到比較嚴格的驗證。

有了量子糾纏，量子隱形傳輸的概念便呼之欲出。

通俗來講，量子隱形傳輸是將甲地某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來。由于量子力學的不確定原理和量子態不可克隆原理，限制我們將原量子態的所有信息精確地全部提取出來。因此必須將原量子態的所有信息分為經典信息和量子信息兩部分，它們分別由經典通道和量子通道送到乙地。根據這些信息，在乙地構造出原量子態的全貌。

1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。

量子也可以“接地氣”

多年來，科學家們努力運用量子世界種種奇異的性質開拓出適用于經典世界的新技術，將向來被公眾認為高深莫測“詭異”的量子物理從云端落地到人世間，服務社會大眾。

其實，量子理論是一門非常實用的學科。

早在第二次世界大戰之前，它的原理就已經被運用于分析金屬和半導體的電學和熱學性質。戰后，晶體管和激光器這兩個運用量子理論原理且廣為人知的裝置，更是極大地推動了信息革命的發展。

到本世紀初，在我們的周圍隨處可見直接或間接運用量子理論的技術和裝置。從常見的CD唱片機到龐大的現代光纖通信系統、從無水涂料到激光制動車閘、從醫院的核磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術已經滲透到我們的生活中。

另外，計算能力的飛躍也是量子理論的重要應用之一。在經典計算機中，每個比特都只有0和1這兩種狀態。但在量子計算中，每個比特可以處在0和1的疊加狀態，一旦操縱的量子數目增多，它就會以指數增長的形式來提升運算速度，有并行運算的能力。

比如，利用萬億次經典計算機分解300位的大數需要15萬年，利用萬億次量子計算機，只需要1秒。同樣，在大數據和人工智能里，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號”計算機大概需要100年左右，但是如果利用萬億次的量子計算機，只需要0.01秒。

量子計算的應用非常廣泛，不僅可以解決大規模的計算機難題，破解經典密碼，進行氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導、量子霍爾效應等復雜的物理機制。不過，量子糾纏“分身術”的特性有一個更為直接的應用，便是量子保密通信。

現在被認為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認為是安全的。但隨著科技發展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號。

這是因為經典通信的信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。比方說，兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進入另一根線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。“棱鏡門”等事件的曝光便是最好的例證。

篇3

“在一個硬件研發團隊的協助下，量子人工智能研究小組現在能夠落實新的設計并測試新的產品。”谷歌在博客中寫道。

在整理和分析海量數據方面，量子計算機將具有比傳統計算機更快的解決速度。谷歌量子人工智能小組成員馬蘇德?莫森（Masoud Mohseni）曾經與人合作撰寫過具有領先學術水平的量子技術論文。谷歌也一直被視為這一新技術革命的領導力量之一。

此外，谷歌的競爭對手微軟也在進軍這個新領域，并建立了一個名為“量子架構和計算（Quantum Architectures and Computation Group）”的研究小組。

探秘量子計算機

量子計算機，早先由理查德?費曼提出，一開始是從物理現象的模擬而來的。可他發現當模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運算時間變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理查德?費曼當時就想到，如果用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。

從物理層面上來看，量子計算機不是基于普通的晶體管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如質子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（學校實驗大多用這個）等等作為載體。當然從理論上來看任何一個多能級系統都可以作為量子比特的載體。

從計算原理上來看，量子計算機的輸入態既可以是離散的本征態（如傳統的計算機一樣），也可以是疊加態（幾種不同狀態的幾率疊加），對信息的操作從傳統的“和”，“或”，“與”等邏輯運算擴展到任何幺正變換，輸出也可以是疊加態或某個本征態。所以量子計算機會更加靈活，并能實現并行計算。

量子計算機或不再遙遠

據外媒報道，美國普林斯頓大學研究人員近日設計出一種裝置，可以讓光子遵循實物粒子的運動規律。現存的計算機是基于經典力學研發而成的，在解釋量子力學方面有很大局限性。量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

研究人員制作出一種超導體，里面有1000億個原子，在聚集起來之后，眾多原子如同一個大的“人工原子”。科學家把“人工原子”放在載有光子的超導電線上，結果顯示，光子在“人工原子”的影響下改變了原有的運動軌跡，開始呈現實物粒子的性質。例如，在正常情況下，光子之間是互不干涉的，但是在這一裝置里，光子開始相互影響，呈現出液體和固體粒子的運動特性，光子的這種運動“前所未有”。

現存的計算機是基于經典力學研發而成的，在解釋量子力學方面有很大局限性。量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。研究人員稱，在改變光子的運動規律之后，量子計算機的發明也許不再遙遠。

就我國量子計算機而言，相關研究也一直處于世界領先水平。早在2013年12月30日，美國物理學會《物理》雜志就公布了2013年度國際物理學領域的十一項重大進展，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事張強、馬雄峰和陳騰云等“利用測量器件無關量子密鑰分發解決量子黑客隱患”的研究成果位列其中。

《物理》雜志以“量子勝利的一年――但還沒有量子計算機”為題報道了中國科學家成功解決量子黑客隱患這一重要成果。

篇4

一、計算機技術的發展史

計算機誕生之初，其主要的作用是用于計算導彈的運行彈道。但是由于在過去的工作中計算機成本較為昂貴，在上個世紀五十年代以前，計算機主要應用在軍事領域。直到上個世紀六七十年代，計算機成本逐步降低，使得部分單位和企業有能力在工作中采用計算機進行工作，也使得計算機技術得到飛速發展。隨著Intel4位中央處理器的誕生以及普及，在1982年，世界上第一臺個人計算機誕生，并被成功的應用在家庭。到了上個世紀九十年代末期，計算機技術已經成功的應用在諸多家庭和企業中，同時設計領域也逐步廣泛到企業。

在這種社會現狀下，計算機技術的發展與應用逐步形成了兩個不同的方向和趨勢，其一主要指的是被應用在科研機構、軍事機構的計算機，由于這些領域往往都是計算困難、計算精度較高的工作環節，因此在發展中對于計算機的計算能力和計算精確度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中應用在家庭和中小企業的計算機，這些計算機可以說主要是往實惠、小體積和輕重量的方向發展。縱觀計算機發展史我們可以得知，計算機創新能力的推動與普及與人們生活和社會發展緊密相連，其在工作中也推動了整個社會領域的正常進行。

二、計算機現狀

計算機技術在當今社會中發揮著不可替代的作用，對于促進社會信息化的實現有著主導作用。伴隨著科學技術的深入發展，計算機技術也逐步實現了硬件系統與軟件系統同步發展的核心技術觀念，也在工作中實現了信息化、現代化的核心技術處理要求。

（一）現代微型處理器的情況

在當前社會中，計算機技術的性能提升和處理主要在于發展微型處理器，這也是目前計算機發展的整體趨勢，在計算機發展工作中，其主要的實質在于提高處理器芯片中的晶體線寬與尺寸的大小。一般在研究的過程中，多采用較短的波長來曝光光源，從而做打破掩膜曝光要求。如今的微型處理器發展與計算中，主要是通過紫外線進行運用和曝光光源的管理與深化，并且在工作中對于深層芯片進行全面總結和處理，這種工作流程和工作方式多是采用量子效應與電子行為來進行分析，這種社會分析現狀也是微處理器發展的首要基礎。所以也就引起專家的注視，紫外線光源對微處理器性能的提升已經沒有多大作用了。

（二）以納米為主的電子科學技術

伴隨著科學技術的不斷提高，各種先進材料不斷的引進，進而對微處理器進行優化和總結。就目前的計算機應用與發展分析而言，在計算機工作中，準確高效的計算機技術和微型化電子元件的需求已成為人們對計算機發展提出的新觀念，但就目前的社會現狀而言這種目標還遠遠沒有達到。因此在未來的計算機發展中，我們不僅要深入研究計算機處理技術，同時更是要引進各種新材料、新技術。在這種現狀之下，以納米為主的計算機技術已成為目前我們工作和認識的重點形式，也是當前社會發展中存在的核心問題。

三、計算機技術發展趨勢預測

篇5

“杞人憂天”的物理學家們與量子計算機的誕生

量子計算機的誕生和著名的摩爾定律有關，還和“杞人憂天”的物理學家們有關。

眾所周知，摩爾定律的技術基礎是不斷提高電子芯片的集成度（單位芯片的晶體管數）。集成度不斷提高，速度就不斷加快，我們的手機、電腦就能不斷更新換代。

20世紀80年代，摩爾定律很貼切地反映了信息技術行業的發展，但“杞人憂天”的物理學家們卻提出了一個“大煞風景”的問題： 摩爾定律有沒有終結的時候？

之所以提出這個問題，是因為摩爾定律的技術基礎天然地受到兩個主要物理限制。

一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險。芯片發熱主要是因為計算機門操作時，其中不可逆門操作會丟失比特。物理學家計算出每丟失一個比特所產生的熱量，操作速度越快，單位時間內產生的熱量就越多，算機溫度必然迅速上升，這時必須消耗大量能量來散熱，否則芯片將被燒壞。

二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當小到只有一個電子時，量子效應就會出現。此時電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應，本來無法穿過的壁壘也穿過去了，所以量子效應會阻礙信息技術繼續按照摩爾定律發展。

所謂隧道效應，即由微觀粒子波動性所確定的量子效應，又稱勢壘貫穿。它在本質上是量子躍遷，粒子迅速穿越勢壘。在勢壘一邊平動的粒子，當動能小于勢壘高度時，按照經典力學的說法，粒子是不可能越過勢壘的；而對于微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘，實際上也的確如此。

這兩個限制就是物理學家們預言摩爾定律會終結的理由所在。

雖然這個預言在當時沒有任何影響力，但“杞人憂天”的物理學家們并不“死心”，繼續研究，提出了第二個問題：如果摩爾定律終結，在后摩爾時代，提高運算速度的途徑是什么？

這就導致了量子計算概念的誕生。

量子計算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會出現非可逆操作，所以耗能很小；而量子效應正是提高量子計算并行運算能力的物理基礎。

甲之砒霜，乙之蜜糖。它們對于電子計算機來說是障礙的量子效應，對于量子計算機來說，反而成了資源。

量子計算的概念最早是1982年由美國物理學家費曼提出的。1985年，英國物理學家又提出了“量子圖靈機”的概念，之后許多物理學家將“量子圖靈機”等效為量子的電子線路模型，并開始付諸實踐。但當年這些概念的提出都沒有動搖摩爾定律在信息技術領域的地位，因為在相當長的時間內，摩爾定律依然在支撐著電子計算機的運算速度的飛速提高。

直到今年，美國政府宣布，摩爾定律終結了。微電子未來的發展是低能耗、專用這兩個方向，而不再是追求速度。

由此可見，基礎研究可能在當時看不到有什么實際價值，但未來卻會發揮出巨大作用。

量子計算機雖然好，研制起來卻非常難

量子計算機和電子計算機一樣，其功用在于計算具體數學問題。不同的是，電子計算機所用的電子存儲器在某個時間只能存一個數據，它是確定的，操作一次就把一個比特（bit，存儲器最小單元）變成另一個比特，實行串行運算模式；而量子計算機利用量子性質，一個量子比特可以同時存儲兩個數值，N個量子比特可以同時存儲2的N次方數據，操作一次會將這個2的N次方數據變成另外一個2的N次方數據，以此類推，運行模式為一個CPU的并行運算模式，運行操作能力指數上升，這是量子計算機來自量子性的優點。量子計算本來就是并行運算，所以說量子計算機天然就是“超級計算機”。

要想研制量子計算機，除了要研制芯片、控制系統、測量裝置等硬件外，還需要研制與之相關的軟件，包括編程、算法、量子計算機的體系結構等。

一臺量子計算機運行時，數據輸入后，被編制成量子體系的初始狀態，按照量子計算機欲計算的函數，運用相應的量子算法和編程，編制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作變換，將量子計算機的初態變成末態，最后對末態實施量子測量，讀出運算的結果。

一臺有N個量子比特的量子計算機，要保證能夠實施一個量子比特的任意操作和任意兩個量子比特的受控非操作，才能進行由這兩個普適門操作的組合所構成的幺正操作，完成量子計算機的運算任務。這是量子芯片的基本要求。如果要超越現有電子計算水平，需要多于1000個量子比特構成的芯片。目前，這還無法實現。這種基于“量子圖靈機”的標準量子計算是量子計算機研制的主流。

除此以外，還有其他量子計算模型，如單向量子計算、分布式量子計算，但其研制的困難程度并沒有減小。另外，還有拓撲量子計算、絕熱量子計算等。

由于對硬件和軟件的全新要求，量子計算機的所有方面都需要重新進行研究，這就意味著量子計算是非常重要的交叉學科，是需要不同領域的人共同來做才能做成的復雜工程。

把量子計算機從“垃圾桶”撿回來的量子編碼與容錯編碼

實現量子計算最困難的地方在于，這種宏觀量子系統是非常脆弱的，周圍的環境都會破壞量子相干性（消相干），一旦量子特性被破壞，將導致量子計算機并行運算能力基礎消失，變成經典的串行運算。

所以，早期許多科學家認為量子計算機只是紙上談兵，不可能被制造出來。直到后來，科學家發明了量子編碼。

量子編碼的發現等于把量子計算機從“垃圾桶”里又撿回來了。

采用起碼5個量子比特編碼成1個邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯誤。

不僅如此，為了避免在操作中的錯誤，使其能夠及時糾錯，科學家又研究容錯編碼，在所有量子操作都可能出錯的情況下，它仍然能夠將整個系統糾回理想的狀態。這是非常關鍵的。

什么條件下能容錯呢？這里有個容錯閾值定理。每次操作，出錯率要低于某個閾值，如果大于這個閾值，則無法容錯。

這個閾值具體是多大呢？

這與計算機結構有關，考慮到量子計算的實際構型問題，在一維或準一維的構型中，容錯的閾值為10^-5，在二維情況（采用表面碼來編碼比特）中，閾值為10^-2。

目前，英國Lucas團隊的離子阱模型、美國Martinis團隊的超導模型在單、雙比特下操作精度已達到這個閾值。

所以，我們的目標就是研制大規模具有容錯能力的通用量子計算機。

量子計算機的“量子芯”

量子芯片的研究已經從早期對各種可能的物理系統的廣泛研究，逐步聚焦到了少數物理系統。

20世紀90年代時，美國不知道什么樣的物理體系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，發現許多體系根本不可能最終做成量子計算機，所以他們轉而重點支持固態系統。

固態系統的優點是易于集成（能夠升級量子比特數目），但缺點是容錯性不好，固態系統的消相干特別嚴重，相干時間很短，操控誤差大。

2004年以來，世界上許多著名的研究機構，如美國哈佛大學、麻省理工學院、普林斯頓大學，日本東京大學，荷蘭Delft大學等都做了很大的努力，在半導體量子點作為未來量子芯片的研究方面取得了一系列重大進展。最近幾年，半導體量子芯片的相干時間已經提高到200微秒。

國際上，在自旋量子比特研究方面，于2012年做到兩個比特之后，一直到2015年，還是停留在四個量子點編碼的兩個自旋量子比特研究上，實現了兩個比特的CNOT（受控非）。

雖然國際同行關于電荷量子比特的研究比我們早，但是至今也只做到四個量子點編碼的兩個比特。我們研究組在電荷量子比特上的研究，2010年左右制備單個量子點，2011年實現雙量子點，2012～2013年實現兩個量子點編碼的單量子比特， 2014～2015年實現四量子點編碼的兩個電荷量子比特。目前，已研制成六個量子點編碼為三個量子比特，并實現了三個比特量子門操作，已經達到國際領先水平。

超導量子芯片要比半導體量子芯片發展得更快。

近幾年，科學家使用各種方法把超導的相干時間盡可能拉長，到現在已達到了100多微秒。這花了13年的基礎研究，相干時間比原來提高了5萬倍。

超導量子計算在某些指標上有更好的表現，比如：

1.量子退相干時間超過0.1ms，高于邏輯門操作時間1000倍以上，接近可實用化的下限。

2.單比特和兩比特門運算的保真度分別達到99.94%和99.4%，達到量子計算理論的容錯率閾值要求。

3.已經實現9個量子比特的可控耦合。

4.在量子非破壞性測量中，達到單發測量的精度。

5.在量子存儲方面，實現超高品質因子諧振腔。

美國從90年代到現在，在基礎研究階段超導領域的突破已經引起了企業的重視。美國所有重大的科技公司，包括微軟、蘋果、谷歌都在量子計算機研制領域投入了巨大的力量，盡最大的努力來爭奪量子計算機這塊“巨大的蛋糕”！

其中，最典型的就是谷歌在量子計算機領域的布局。它從加州大學圣芭芭拉分校高薪引進國際上超導芯片做得最好的J. Matinis團隊（23人），從事量子人工智能方面的研究。

他們制定了一個目標―明年做到50個量子比特。定這個目標是因為，如果能做49個量子比特的話，在大數據處理等方面，就遠遠超過了電子計算機所有可能的能力。

整體來看，量子計算現在正處于“從晶體管向集成電路過渡階段”。

尚未研制成功的量子計算機，我們仍有機會！

很多人都問，實際可用的量子計算機究竟什么時候能做出來？

中國和歐洲估計需要15年，美國可能會更快，美國目前的發展確實也更快。

量子計算是量子信息領域的主流研究方向，從90年代開始，美國就在這方面花大力氣進行研究，在硬件、軟件、材料各個方面投入巨大，并且它有完整的對量子計算研究的整體策劃，不僅各個指標超越世界其他國家，各個大公司的積極性也被調動了起來。

美國的量子計算機研制之路分三個階段：第一階段，由政府主導，主要做基礎研究；第二階段，企業開始投入；第三階段，加快產出速度。

篇6

The Challenge of Quantum Computing to Information Security and Our Countermeasures

ZHANG Huanguo, GUAN Haiming, WANG Houzheng

（Key Lab of Aerospace Information Security and Trusted Computing of Ministry of Education, Computer School, Whan University, Wuhan 430072, China）

Abstract: What cryptosystem to use is a severe challenge that we face in the quantum computing era. It is the only correct choice to research and establish an independent resistant quantum computing cryptosystem. This paper introduces to the research and development of resistant quantum computing cryptography, especially the signature scheme based on HASH function，lattice-based public key cryptosystem，MQ public key cryptosystem and public key cryptosystem based on error correcting codes. Also the paper gives some suggestions for further research on the quantum information theory，the complexity theory of quantum computing，design and analysis of resistant quantum computing cryptosystems .

Key words: information security; cryptography; quantum computing; resistant quantum computing cryptography

1 量子信息時代

量子信息技術的研究對象是實現量子態的相干疊加并對其進行有效處理、傳輸和存儲，以創建新一代高性能的、安全的計算機和通信系統.量子通信和量子計算的理論基礎是量子物理學.量子信息科學技術是在20世紀末期發展起來的新學科，預計在21世紀將有大的發展［1］.

量子有許多經典物理所沒有的奇妙特性.量子的糾纏態就是其中突出的一個.原來存在相互作用、以后不再有相互作用的2個量子系統之間存在瞬時的超距量子關聯，這種狀態被稱為量子糾纏態［1］.

量子的另一個奇妙特性是量子通信具有保密特性.這是因為量子態具有測不準和不可克隆的屬性，根據這種屬性除了合法的收發信人之外的任何人竊取信息，都將破壞量子的狀態.這樣，竊取者不僅得不到信息，而且竊取行為還會被發現，從而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比較成熟的技術是，利用量子器件產生隨機數作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按傳統的“一次一密”方式加密.量子糾纏態的超距作用預示，如果能夠利用量子糾纏態進行通信，將獲得超距和超高速通信.

量子計算機是一種以量子物理實現信息處理的新型計算機.奇妙的是量子計算具有天然的并行性.n量子位的量子計算機的一個操作能夠處理2n個狀態，具有指數級的處理能力，所以可以用多項式時間解決一些指數復雜度的問題.這就使得一些原來在電子計算機上無法解決的困難問題，在量子計算機上卻是可以解決的.

2 量子計算機對現有密碼提出嚴重挑戰

針對密碼破譯的量子計算機算法主要有以下2種.

第1種量子破譯算法叫做Grover算法［3］.這是貝爾實驗室的Grover在1996年提出的一種通用的搜索破譯算法，其計算復雜度為O(N).對于密碼破譯來說，這一算法的作用相當于把密碼的密鑰長度減少到原來的一半.這已經對現有密碼構成很大的威脅，但是并未構成本質的威脅，因為只要把密鑰加長1倍就可以了.

第2種量子破譯算法叫做Shor算法［4］.這是貝爾實驗室的Shor在1997年提出的在量子計算機上求解離散對數和因子分解問題的多項式時間算法.利用這種算法能夠對目前廣泛使用的RSA、ECC公鑰密碼和DH密鑰協商體制進行有效攻擊.對于橢圓曲線離散對數問題，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子計算機上可以容易地求解k比特的橢圓曲線離散對數問題［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.對于整數的因子分解問題，Beauregard指出：在N量子位的量子計算機上可以容易地分解k比特的整數［5］，其中N≈2k.根據這種分析，利用1448qbit的計算機可以求解256位的橢圓曲線離散對數，因此也就可以破譯256位的橢圓曲線密碼，這可能威脅到我國第2代身份證的安全.利用2048qbit的計算機可以分解1024位的整數，因此也就可以破譯1024位的RSA密碼，這就可能威脅到我們電子商務的安全

Shor算法的攻擊能力還在進一步擴展，已從求廣義解離散傅里葉變換問題擴展到求解隱藏子群問題(HSP)，凡是能歸結為HSP的公鑰密碼將不再安全.所以，一旦量子計算機能夠走向實用，現在廣泛應用的許多公鑰密碼將不再安全，量子計算機對我們的密碼提出了嚴重的挑戰.

3 抗量子計算密碼的發展現狀

抗量子計算密碼（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3類：

第1類，量子密碼；第2類，DNA密碼；第3類是基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼.

量子保密的安全性建立在量子態的測不準與不可克隆屬性之上，而不是基于計算的［1,6］.類似地，DNA密碼的安全性建立在一些生物困難問題之上，也不是基于計算的［7-8］.因此，它們都是抗量子計算的.由于技術的復雜性，目前量子密碼和DNA密碼尚不成熟.

第3類抗量子計算密碼是基于量子計算機不擅長的數學問題構建的密碼.基于量子計算機不擅長計算的那些數學問題構建密碼，就可以抵御量子計算機的攻擊.本文主要討論這一類抗量子計算密碼［9］.

所有量子計算機不能攻破的密碼都是抗量子計算的密碼.國際上關于抗量子計算密碼的研究主要集中在以下4個方面.

3.1 基于HASH函數的數字簽名

1989年Merkle提出了認證樹簽名方案(MSS)［10］. Merkle 簽名樹方案的安全性僅僅依賴于Hash函數的安全性.目前量子計算機還沒有對一般Hash函數的有效攻擊方法, 因此Merkle簽名方案具有抗量子計算性質.與基于數學困難性問題的公鑰密碼相比,Merkle簽名方案不需要構造單向陷門函數,給定1個單向函數(通常采用Hash函數)便能造1個Merkle簽名方案.在密碼學上構造1個單向函數要比構造1個單向陷門函數要容易的多,因為設計單向函數不必考慮隱藏求逆的思路, 從而可以不受限制地運用置換、迭代、移位、反饋等簡單編碼技巧的巧妙組合,以簡單的計算機指令或廉價的邏輯電路達到高度復雜的數學效果.新的Hash標準SHA-3［11］的征集過程中,涌現出了許多新的安全的Hash函數,利用這些新的Hash算法可以構造出一批新的實用Merkle簽名算法.

Merkle 簽名樹方案的優點是簽名和驗證簽名效率較高，缺點是簽名和密鑰較長,簽名次數受限.在最初的Merkle簽名方案中, 簽名的次數與需要構造的二叉樹緊密相關.簽名的次數越多,所需要構造的二叉樹越大,同時消耗的時間和空間代價也就越大.因此該方案的簽名次數是受限制的.近年來,許多學者對此作了廣泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了簽名的次數, 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR樹算法［12,15］,只需要采用抗原像攻擊和抗第2原像攻擊的Hash函數,便能構造出安全的簽名方案.而在以往的Merkle簽名樹方案中,則要求Hash函數必須是抗強碰撞的.這是對原始Merkle簽名方案的有益改進.上述這些成果,在理論上已基本成熟,在技術上已基本滿足工程應用要求, 一些成果已經應用到了Microsoft Outlook 以及移動路由協議中［16］.

雖然基于Hash函數的數字簽名方案已經開始應用，但是還有許多問題需要深入研究.如增加簽名的次數、減小簽名和密鑰的尺寸、優化認證樹的遍歷方案以及如何實現加密和基于身份的認證等功能，均值得進一步研究.

3.2 基于糾錯碼的公鑰密碼

基于糾錯碼的公鑰密碼的基本思想是: 把糾錯的方法作為私鑰, 加密時對明文進行糾錯編碼，并主動加入一定數量的錯誤, 解密時運用私鑰糾正錯誤, 恢復出明文.

McEliece利用Goppa碼有快速譯碼算法的特點, 提出了第1個基于糾錯編碼的McEliece公鑰密碼體制［17］.該體制描述如下, 設G是二元Goppa碼［n;k;d］的生成矩陣,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分別為GF(2)k和GF(2)n.隨機選取有限域GF(2)上的k階可逆矩陣S和n階置換矩陣P,并設G′=SGP,則私鑰為,公鑰為G′.如果要加密一個明文m∈GF(2)k,則計算c=mG′+z,這里z∈GF(2)n是重量為t的隨機向量.要解密密文c, 首先計算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置換矩陣, 顯然z與zP-1的重量相等且為t,于是可利用Goppa的快速譯碼算法將cP-1譯碼成m′= mS,則相應明文m= m′S-1.

1978年Berlekamp等證明了一般線性碼的譯碼問題是NPC問題［18］，McEliece密碼的安全性就建立在這一基礎上.McEliece密碼已經經受了30多年來的廣泛密碼分析,被認為是目前安全性最高的公鑰密碼體制之一.雖然McEliece 公鑰密碼的安全性高且加解密運算比較快, 但該方案也有它的弱點, 一是它的公鑰尺寸太大，二是只能加密不能簽名.

1986年Niederreiter提出了另一個基于糾錯碼的公鑰密碼體制［19］. 與McEliece密碼不同的是它隱藏的是Goppa碼的校驗矩陣.該系統的私鑰包括二元Goppa碼［n;k;d］的校驗矩陣H以及GF(2)上的可逆矩陣M和置換矩陣P.公鑰為錯誤圖樣的重量t和矩陣H′=MHP.假如明文為重量為t 的n 維向量m, 則密文為c=mH′T .解密時,首先根據加密表達式可推導出z(MT )-1=mPTHT,然后通過Goppa碼的快速譯碼算法得到mPT,從而可求出明文m .1994年我國學者李元興、王新梅等［20］證明了Niederreiter密碼與McEliece密碼在安全性上是等價的.

McEliece密碼和Niederreiter密碼方案不能用于簽名的主要原由是,用Hash算法所提取的待簽消息摘要向量能正確解碼的概率極低.2001年Courtois等提出了基于糾錯碼的CFS簽名方案［21］.CFS 簽名方案能做到可證明安全, 短簽名性質是它的最大優點. 其缺點是密鑰量大、簽名效率低，影響了其實用性.

因此, 如何用糾錯碼構造一個既能加密又簽名的密碼, 是一個相當困難但卻非常有價值的開放課題.

3.3 基于格的公鑰密碼

近年來,基于格理論的公鑰密碼體制引起了國內外學者的廣泛關注.格上的一些難解問題已被證明是NP難的，如最短向量問題(SVP)、最近向量問題(CVP)等.基于格問題建立公鑰密碼方案具有如下優勢:①由于格上的一些困難性問題還未發現量子多項式破譯算法，因此我們認為基于格上困難問題的密碼具有抗量子計算的性質.②格上的運算大多為線性運算,較RSA等數論密碼實現效率高,特別適合智能卡等計算能力有限的設備.③根據計算復雜性理論,問題類的復雜性是指該問題類在最壞情況下的復雜度.為了確保基于該類困難問題的密碼是安全的，我們希望該問題類的平均復雜性是困難的，而不僅僅在最壞情況下是困難的.Ajtai在文獻［22］中開創性地證明了:格中一些問題類的平均復雜度等于其最壞情況下的復雜度.Ajtai和Dwork利用這一結論設計了AD公鑰密碼方案［23］.這是公鑰密碼中第1個能被證明其任一隨機實例與最壞情況相當.盡管AD公鑰方案具有良好的安全性, 但它的密鑰量過大以及實現效率太低、而缺乏實用性.

1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公鑰密碼［24］. 這是目前基于格的公鑰密碼中最具影響的密碼方案.NTRU的安全性建立在在一個大維數的格中尋找最短向量的困難性之上.NTRU 密碼的優點是運算速度快，存儲空間小.然而, 基于NTRU的數字簽名方案卻并不成功.

2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS簽名體制［25］, 這個體制在簽名時泄露了私鑰信息,導致了一類統計攻擊,后來被證明是不安全的.2001年設計者改進了NSS 體制,提出了R-NSS 簽名體制［26］,不幸的是它的簽名仍然泄露部分私鑰信息.Gentry 和Szydlo 結合最大公因子方法和統計方法,對R-NSS 作了有效的攻擊.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign數字簽名體制［27］.NTRUSign 簽名算法較NSS與R-NSS兩個簽名方案做了很大的改進,在簽名過程中增加了對消息的擾動, 大大減少簽名中對私鑰信息的泄露, 但卻極大地降低了簽名的效率, 且密鑰生成過于復雜.但這些簽名方案都不是零知識的,也就是說,簽名值會泄露私鑰的部分相關信息.以NTRUSign 方案為例,其推薦參數為(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),設計值保守推薦該方案每個密鑰對最多只能簽署107 次,實際中一般認為最多可簽署230次.因此，如何避免這種信息泄露缺陷值得我們深入研究.2008 年我國學者胡予濮提出了一種新的NTRU 簽名方案［28］，其特點是無限制泄露的最終形式只是關于私鑰的一組復雜的非線性方程組，從而提高了安全性.總體上這些簽名方案出現的時間都還較短，還需要經歷一段時間的安全分析和完善.

由上可知，進一步研究格上的困難問題，基于格的困難問題設計構造既能安全加密又能安全簽名的密碼，都是值得研究的重要問題.

3.4 MQ公鑰密碼

MQ公鑰密碼體制, 即多變量二次多項式公鑰密碼體制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下簡稱為MQ密碼.它最早出現于上世紀80年代,由于早期的一些MQ密碼均被破譯,加之經典公鑰密碼如RSA算法的廣泛應用,使得MQ公鑰算法一度遭受冷落.但近10年來MQ密碼的研究重新受到重視,成為密碼學界的研究熱點之一.其主要有3個原因:一是量子計算對經典公鑰密碼的挑戰;二是MQ密碼孕育了代數攻擊的出現［29-31］,許多密碼(如AES)的安全性均可轉化為MQ問題,人們試圖借鑒MQ密碼的攻擊方法來分析這些密碼,反過來代數攻擊的興起又帶動了MQ密碼的蓬勃發展;三是MQ密碼的實現效率比經典公鑰密碼快得多.在目前已經構造出的MQ密碼中, 有一些非常適用于智能卡、RFID、移動電話、無線傳感器網絡等計算能力有限的設備, 這是RSA等經典公鑰密碼所不具備的優勢.

MQ密碼的安全性基于有限域上的多變量二次方程組的難解性.這是目前抗量子密碼學領域中論文數量最多、最活躍的研究分支.

設U、T 是GF(q)上可逆線性變換(也叫做仿射雙射變換),而F 是GF(q)上多元二次非線性可逆變換函數,稱為MQ密碼的中心映射.MQ密碼的公鑰P為T 、F 和U 的復合所構成的單向陷門函數,即P = T•F•U,而私鑰D 由U、T 及F 的逆映射組成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何構造具有良好密碼性質的非線性可逆變換F是MQ密碼設計的核心.根據中心映射的類型劃分,目前MQ密碼體制主要有:Matsumoto-Imai體制、隱藏域方程(HFE) 體制、油醋(OV)體制及三角形(STS)體制［32］.

1988年日本的Matsumoto和Imai運用"大域-小域"的原理設計出第1個MQ方案,即著名的MI算法［33］.該方案受到了日本政府的高度重視,被確定為日本密碼標準的候選方案.1995年Patarin利用線性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密碼是多變量公鑰密碼發展的一個里程碑,為該領域帶來了一種全新的設計思想,并且得到了廣泛地研究和推廣.改進MI算法最著名的是SFLASH簽名體制［35］,它在2003年被歐洲NESSIE 項目收錄,用于智能卡的簽名標準算法.該標準簽名算法在2007年美密會上被Dubois、Fouque、Shamir等徹底攻破［36］.2008年丁津泰等結合內部擾動和加模式方法給出了MI的改進方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、張煥國也給出了一種SFLASH的改進方案［39-40］，改進后的方案可以抵抗文獻［36］的攻擊.但這些改進方案的安全性還需進一步研究.

1996年Patarin針對MI算法的弱點提出了隱藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作為是對MI的實質性改進.2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE體制的Challenge-1［42］.HFE主要有2種改進算法.一是HFEv-體制,它是結合了醋變量方法和減方法改進而成,特殊參數化HFEv-體制的Quartz簽名算法［43］.二是IPHFE體制［44］,這是丁津泰等結合內部擾動方法對HFE的改進.這2種MQ密碼至今還未發現有效的攻擊方法.

油醋(OilVinegar)體制［45］是Patarin在1997年利用線性化方程的原理,構造的一種MQ公鑰密碼體制.簽名時只需隨機選擇一組醋變量代入油醋多項式,然后結合要簽名的文件,解一個關于油變量的線性方程組.油醋簽名體制主要分為3類:1997年Patarin提出的平衡油醋(OilVinegar)體制, 1999年歐密會上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)體制［46］以及丁津泰在ACNS2005會議上提出的彩虹(Rainbow)體制［47］.平衡的油醋體制中,油變量和醋變量的個數相等，但平衡的油醋體制并不安全.彩虹體制是一種多層的油醋體制,即每一層都是油醋多項式,而且該層的所有變量都是下一層的醋變量,它也是目前被認為是相對安全的MQ密碼之一.

三角形體制是現有MQ密碼中較為特殊的一類,它的簽名效率比MI和HFE還快,而且均是在較小的有限域上進行.1999年Moh基于Tame變換提出了TTM 密碼體制［48］,并在美國申請了專利.丁津泰等指出當時所有的TTM實例均滿足線性化方程.Moh等隨后又提出了一個新的TTM 實例,這個新的實例被我國學者胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破［49］.目前三角形體制的設計主要是圍繞鎖多項式的構造、結合其它增強多變量密碼安全性的方法如加減(plus-minus) 模式以及其它的代數結構如有理映射等.

我國學者也對MQ密碼做了大量研究，取得了一些有影響的研究成果.2007年管海明引入單向函數鏈對MQ密碼進行擴展,提出了有理分式公鑰密碼系統［50］.胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破了Moh提出的一個TTM新實例［51］.2010年本文作者王后珍、張煥國給出了一種SFLASH的改進方案［39-40］.2010年王后珍、張煥國基于擴展MQ，設計了一種Hash函數［52-53］，該Hash函數具有一些明顯的特點.同年，王后珍、張煥國借鑒有理分式密碼單向函數鏈的思想［52］，對MQ密碼進行了擴展，設計了一種新的抗量子計算擴展MQ密碼［54］.這些研究對于擴展MQ密碼結構，做了有益的探索.但是這些方案提出的時間較短，其安全性有待進一步分析.

根據上面的介紹,目前還沒有一種公認安全的MQ公鑰密碼體制.目前MQ公鑰密碼的主要缺點是:只能簽名,不能安全加密(加密時安全性降低)，公鑰大小較長，很難設計出既安全又高效的MQ公鑰密碼體制.

3.5 小結

無論是量子密碼、DNA密碼，還是基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼，都還存在許多不完善之處，都還需要深入研究.

量子保密通信比較成熟的是，利用量子器件產生隨機數作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按“一次一密”方式加密.在這里，量子的作用主要是密鑰產生和密鑰分配，而加密還是采用的傳統密碼.因此，嚴格說這只能叫量子保密，尚不能叫量子密碼.另外，目前的量子數字簽名和認證方面還存在一些困難.

對于DNA密碼，目前雖然已經提出了DNA傳統密碼和DNA公鑰密碼的概念和方案，但是理論和技術都還不成熟［9-10］.

對于基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼，現有的密碼方案也有許多不足.如，Merkle樹簽名可以簽名，不能加密；基于糾錯碼的密碼可以加密，簽名不理想；NTRU密碼可以加密，簽名不理想；MQ密碼可以簽名，加密不理想.這說明目前尚沒有形成的理想的密碼體制.而且這些密碼的安全性還缺少嚴格的理論分析.

總之，目前尚未形成理想的抗量子密碼.

4 我們的研究工作

我們的研究小組從2007年開始研究抗量子計算密碼.目前獲得了國家自然科學基金等項目的支持，并取得了以下2個階段性研究成果.

4.1 利用多變量問題，設計了一種新的Hash函數

Hash 函數在數字簽名、完整性校驗等信息安全技術中被廣泛應用.目前 Hash 函數的設計主要有3類方法:①直接構造法.它采用大量的邏輯運算來確保Hash函數的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函數均是采用這種方法設計的.②基于分組密碼的Hash 函數，其安全性依賴于分組密碼的安全性.③基于難解性問題的構造法.利用一些難解性問題諸如離散對數、因子分解等來構造Hash 函數.在合理的假設下，這種Hash函數是可證明安全的，但一般來講其效率較低.

我們基于多變量非線性多項式方程組的難解性問題，構造了一種新的Hash 函數［54-55］.它的安全性建立在多變量非線性多項式方程組的求解困難性之上.方程組的次數越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取決多變量方程組的稀疏程度，方程組越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我們可以權衡安全性和效率來控制多變量多項式方程組的次數和稠密度，以構造出滿足用戶需求的多變量Hash 函數.

4.2 對MQ密碼進行了擴展，把Hash認證技術引入MQ密碼，得到一種新的擴展MQ密碼

擴展MQ密碼的基本思想是對傳統MQ密碼的算法空間進行拓展. 如圖1所示, 我們通過秘密變換L將傳統MQ密碼的公鑰映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隱藏到更大算法空間中得到新的公鑰映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的輸入輸出空間是不對稱的, 原像空間大于像空間(δ＞|μ|), 即具有壓縮性, 但卻并未改變映射G的可逆性質. 同時, 算法空間的拓展破壞了傳統MQ密碼的一些特殊代數結構性質, 從攻擊者的角度, 由于無法從G′中成功分解出原公鑰映射G, 因此必須在拓展空間中求解更大規模的非線性方程組G′, 另外, 新方案中引入Hash認證技術, 攻擊者偽造簽名時, 偽造的簽名不僅要滿足公鑰方程G′、 還要通過Hash函數認證, 雙重安全性保護極大地提升了傳統MQ公鑰密碼系統的安全性. 底層MQ體制及Hash函數可靈活選取, 由此可構造出一類新的抗量子計算公鑰密碼體制.這種擴展MQ密碼的特點是，既可安全簽名，又可安全加密［56］.

我們提出的基于多變量問題的Hash函數和擴展MQ密碼，具有自己的優點，也有自己的缺點.其安全性還需要經過廣泛的分析與實踐檢驗才能被實際證明.

5 今后的研究工作

5.1 量子信息論

量子信息建立在量子的物理屬性之上，由于量子的物理屬性較之電子的物理屬性有許多特殊的性質，據此我們估計量子的信息特征也會有一些特殊的性質.這些特殊性質將會使量子信息論對經典信息論有一些新的擴展.但是，具體有哪些擴展，以及這些新擴展的理論體系和應用價值體現在哪里？我們尚不清楚.這是值得我們研究的重要問題.

5.2 量子計算理論

這里主要討論量子可計算性理論和量子計算復雜性理論.

可計算性理論是研究計算的一般性質的數學理論.它通過建立計算的數學模型，精確區分哪些是可計算的，哪些是不可計算的.如果我們研究清楚量子可計算性理論，將有可能構造出量子計算環境下的絕對安全密碼.但是我們目前對量子可計算性理論尚不清楚，迫切需要開展研究.

計算復雜性理論使用數學方法對計算中所需的各種資源的耗費作定量的分析，并研究各類問題之間在計算復雜程度上的相互關系和基本性質.它是密碼學的理論基礎之一，公鑰密碼的安全性建立在計算復雜性理論之上.因此，抗量子計算密碼應當建立在量子計算復雜性理論之上.為此，應當研究以下問題.

1） 量子計算的問題求解方法和特點.量子計算復雜性建立在量子圖靈機模型之上，問題的計算是并行的.但是目前我們對量子圖靈機的計算特點及其問題求解方法還不十分清楚，因此必須首先研究量子計算問題求解的方法和特點.

2） 量子計算復雜性與傳統計算復雜性之間的關系.與電子計算機環境的P問題、NP問題相對應, 我們記量子計算環境的可解問題為QP問題, 難解問題為QNP問題.目前人們對量子計算復雜性與傳統計算復雜性的關系還不夠清楚，還有許多問題需要研究.如NP與QNP之間的關系是怎樣的？ NPC與QP的關系是怎樣的？NPC與QNP的關系是怎樣的？能否定義QNPC問題？這些問題關系到我們應基于哪些問題構造密碼以及所構造的密碼是否具有抗量子計算攻擊的能力.

3） 典型難計算問題的量子計算復雜度分析.我們需要研究傳統計算環境下的一些NP難問題和NPC問題，是屬于QP還是屬于QNP問題？

5.3 量子計算環境下的密碼安全性理論

在分析一個密碼的安全性時，應首先分析它在電子計算環境下的安全性，如果它是安全的，再進一步分析它在量子計算環境下的安全性.如果它在電子計算環境下是不安全的，則可肯定它在量子計算環境下是不安全的.

1） 現有量子計算攻擊算法的攻擊能力分析.我們現在需要研究的是Shor算法除了攻擊廣義離散傅里葉變換以及HSP問題外，還能攻擊哪些其它問題？如果能攻擊，攻擊復雜度是多大？

2) 尋找新的量子計算攻擊算法.因為密碼的安全性依賴于新攻擊算法的發現.為了確保我們所構造的密碼在相對長時間內是安全的，必須尋找新的量子計算攻擊算法.

3) 密碼在量子計算環境下的安全性分析.目前普遍認為, 基于格問題、MQ問題、糾錯碼的譯碼問題設計的公鑰密碼是抗量子計算的.但是，這種認識尚未經過量子計算復雜性理論的嚴格的論證.這些密碼所依賴的困難問題是否真正屬于QNP問題？這些密碼在量子計算環境下的實際安全性如何？只有經過了嚴格的安全性分析，我們才能相信這些密碼.

5.4 抗量子計算密碼的構造理論與關鍵技術

通過量子計算復雜性理論和密碼在量子計算環境下的安全性分析的研究，為設計抗量子計算密碼奠定了理論基礎，并得到了一些可構造抗量子計算的實際困難問題.但要實際設計出安全的密碼，還要研究抗量子計算密碼的構造理論與關鍵技術.

1) 量子計算環境下的單向陷門設計理論與方法.理論上，公鑰密碼的理論模型是單向陷門函數.要構造一個抗量子計算公鑰密碼首先就要設計一個量子計算環境下的單向陷門函數.單向陷門函數的概念是簡單的，但是單向陷門函數的設計是困難的.在傳統計算復雜性下單向陷門函數的設計已經十分困難，我們估計在量子計算復雜性下單向陷門函數的設計將更加困難.

2） 抗量子計算密碼的算法設計與實現技術.有了單向陷門函數，還要進一步設計出密碼算法.有了密碼算法，還要有高效的實現技術.這些都是十分重要的問題.都需要認真研究才能做好.

6 結語

量子計算時代我們使用什么密碼，是擺在我們面前的重大戰略問題.研究并建立我國獨立自主的抗量子計算密碼是我們的唯一正確的選擇.本文主要討論了基于量子計算機不擅長計算的數學問題所構建的一類抗量子計算的密碼，介紹了其發展現狀，并給出了進一步研究的建議.

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篇7

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。試卷由撒布在測試區域內的考題按一定出題規則自組織而成, 這些考題具有一定的代表性,能檢測出學生對考察科目知識的學習掌握情況。考試系統中,考題的分布以及組織對于提高系統的測試水平具有重要的意義。傳統的考試系統知識分布有兩種策略,一種是人工規劃(Planning模式),另一種是大規模的隨機分散(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模考試。而后者若要取得較好的分布,就必須設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域,這與試卷中題目數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。因此考題的合理分布對智能考試系統的測試效果有重要的作用。盡管針對考試系統國內外進行大量的組卷算法研究,但對于知識點的分布優化問題研究工作還很少,很多研究運用傳統遺傳算法組卷[1],優化效果不盡理想。針對此問題,本文應用量子遺傳算法優化知識點的分布,克服測試陰影和盲區,使考試系統更大范圍地測試到更有效的學生學習信息。

1 知識覆蓋問題

通過對考試科目的學習,學生學習掌握的知識儲存在頭腦中。由于學生個體之間的學習差異,導致每個學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,通過試卷測試對學生學習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,按圖索驥地構造出試卷去測試學生大腦中相關區域中知識的學習掌握情況,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為存在或不存在兩種可能形態。基于此,本文引入量子態對考題進行描述、編碼和處理。

1.1 試卷分布構成

試卷覆蓋是指由計算機考試系統生成一組考題集合(試卷)對測試區域各個知識點的涵蓋。試卷的目的是系統地測試和評價試卷覆蓋知識區域內學生的學習情況,并對這些數據進行處理,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管理部門。

考題是由考點以問題的形式構成的。其中考點與考試科目的相關知識點對應。因此考題的分布是考試系統獲取學生學習信息的關鍵因素之一,其覆蓋范圍以及分布優化也隨之成為研究領域中的重點。

1.2 試卷覆蓋問題

試卷由數量有限的考題組成,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域的檢測,就是考試系統覆蓋性的問題。考題分布優化的任務就是在保持試卷結構完整的前提下,動態調整考題組成,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域為A,(A?哿S),則理想的探測效果為。設為試卷有效覆蓋知識區域的度量(考點數),d2=A為目標科目知識區域的度量(知識點數),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化,提高試卷的命題質量。

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 考題數目T為最少。

3 量子遺傳算法的考題分布優化

試卷的考題分布優化是一個多目標優化問題 ,需要在考題數與知識覆蓋率之間達到平衡。即在保持試卷中考題數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合的產物。它以量子計算的一些概念和理論為基礎,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]。

我們根據考題在科目知識中的分布和權重(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則的約束下進行知識分布優化。

3.1.1 量子編碼

1) 量子態引入

我們用Dirac算符|>和|>分別表示考題在目標試卷中表現為存在或不存在的兩種可能形態。若用“1”表示存在,用“0”表示不存在。考題以疊加態的形式存在。即將一個量子比特可能處于|0>和|1>之間的中間態。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>狀態的概率投影,|β|2表示量子比特的觀測值在|1>狀態的概率投影。

定義2.1滿足式(2)和式(3)的一對實數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、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量(章節數);k為每個基因的量子比特數表示每道題的屬性數量。n個這樣的個體構成的種群Q(t)={q1t,q2t,...,qnt}表示試卷,其中n為題型數量。

3.1.2 量子旋轉門

量子旋轉門是實現演化操作的執行機構。[3-5]圖1為量子旋轉門示意圖。

其操作規律如下:

θi=k*f(αi,βi) (6)

其中k是一個與算法收斂速度有關的系數,k的取值必須合理選取,如果k的取值過大,算法搜索的網格就很大,容易出現早熟現象,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會處于停滯狀態。因此,本文將k視為一個變量,將k定義為一個與進化代數有關的變量,如,其中t為進化代數,max t是根據待求解的具體問題而設定的一個常數,因此k可以根據進化代數合理地調整網格大小。

函數f(αi,βi)的作用是使算法朝著最優解得方向搜索。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,從而確定量子旋轉門的旋轉方向。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,表明當前解應朝著逆時針方向旋轉,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,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的等概率疊加。同時初始化進化代數t=0。

②量子坍塌法測量:對處于疊加態的量子位進行觀測時,疊加態將因此受到干擾,并發生變化,稱為坍塌。擾動使為疊加態坍縮為基本態。確定種群大小n和量子位的數目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,若其大于概率幅的平方,則測量結果值取1,否則取0。

③群體的適應度評價,保存最優解作為下一步演化的目標值。

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

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

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

⑦迭代與終止進化代數t'=t+1,算法轉至式(2)繼續執行,直到算法結束。

4 仿真試驗

為了驗證算法的有效性,我們對傳統遺傳算法(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的二維平面內用矩形代表的知識區域;種群個體數 P = 45,量子位數目 m = 30,運行 600 代。算法運行結果對照如下。

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

5 結論

在試卷中存在考題不合理分布造成的測試陰影和盲區。通過量子遺傳算法優化考題分布,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域內的陰影和盲點。仿真結果也表明,算法能夠較好地完成試卷考題的分布優化,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整依據。本文提出了創新性的考題分布的優化方法,即確立了試卷的覆蓋模型,并以此為目標函數,運用量子遺傳算法對考題分布進行優化。

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篇8

硅芯片技術高速發展的同時，也意味看硅技術越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發新型計算機，計算機的體系結構與技術都將產生一次量與質的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀走進我們的生活，遍布各個領域。

（1）量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。量子計算機(quorum computer)是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的。量子計算機大規模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度是普通電腦望塵莫及的。

（2）光子計算機。現有的計算機是由電子來傳遞和處理信息。電場在導線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運載工具運動的速度都快。但是，從發展高速率計算機來說，采用電子做輸運信息載體還不能滿足快的要求，提高計算機運算速度也明顯表現出能力有限了。而光子計算機以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導線瓦連，以光硬件代替電子硬件，以光運算代替電運算，利用激光來傳送信號，并由光導纖維與各種光學元件等構成集成光路，從而進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長、頻率、偏振態及相位的光代表不同的數據，這遠勝于電子計算機中通過電子狀態變化進行的二進制運算，可以對復雜度高，計算量大的任務實現快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。

（3）分子計算機。分子計算計劃就是嘗試利用分子計算的能力進行信息的處理。分子計算機的運行靠的是分子晶體可以吸收以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。憑借著分子納米級的尺寸，分子計算機的體積將劇減。

三、探究研究策略的依據

筆者認為開展計算機發展史研究的一種思路是：本著實用主義的態度，分階段提取計算機發展過程中的關鍵問題。圍繞這些問題展開研究，尤其要著力于問題解決過程中碰到的困難，以及問題解決后發現的新問題。

（1）“實用主義”無褒貶之分。彌補對計算機發展的歷史認知，不宜再去重做實驗，推倒人類已有的技術規范重來：只能進一步的學習和研究，在研究和學習中發現問題，找出規律。同時，“實用’，也是發揮后發優勢的應有之義。

（2）緊緊圍繞“問題”。在科學發展的歷史進程中，問題要比問題的解決更重要，“一個好的問題堪比一所好的大學”計算機的發展也是在不斷地提出問題、解決問題中發展進步，每一次問題的提煉和解決都促進了計算機水平得到一次升華和提高。

（3）事物的發展是動態的，已有問題的解決必然帶來新的問題新的問題是對已有問題解決方法的挑戰與審視，抑或是新科學新技術尋找用武之地發揮作用的要求，嘗試主動提出可預見的問題并設法解決是現代思維方式的一個顯著特征，愛岡斯坦曾說：提出一個問題往往比解決一個問題更重要，正是這個意思。提新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，這一切需要有創造性的想象力。往往是獲得認識突破的契機，這種習慣或者素養是極其寶貴的。

四、結束語

計算機是20世紀人類最偉大的發明之一。在這個世紀之交，知識經濟時代呼嘯而來，作為知識和信息的處理、傳輸和存儲之載體的計算機。在即將來臨的2I世紀，將會不斷地開發出新的品種。而這些新穎的計算機的發展將趨向超高速、超小型并行處理和智能化。為達到預想的目的各種新型材料將被運用到新型計算機的開發當中，如量子、光子分子等。未來量子、光子和分子計算機將具有感知、思考、判斷、學習以及一定的自然語言能力，使計算機進人人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術革命，對人類社會的發展產生深遠的影響。

參考文獻：

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篇9

0引言

半導體工業在過去的幾十年發展表明：計算機的中央處理器在每1-2年就會增長一倍，芯片上的集成的晶體管數目更是呈指數形式增長。在不遠的將來每個芯片上的晶體管將會超過十億個，這樣的增長速度使得半導體的加工變得越來越困難。另一方面，隨著納米技術的發展，今后計算機的儲存尺度單位將是原子級別的。當人們把這些器件加工到原子尺度程度的時候，就應該用量子理論來描述這些性質。量子理論作為描述微觀世界的理論，它具有與經典理論有許多的不同之處，甚至和我們日常經驗發生矛盾。

在1994年Peter Shor首次提出一種具體的量子大數因子分解加密算法，這個對RSA等公鑰密碼系統的安全性來說是一個挑戰。隨后在1996年，Grover發現了Grover迭代算法，它能求解某些解典計算機不能解決的問題，如經典的NPC問題。除此外，利用量子不可克隆實現保密通信，可以防止通信過程中被監聽。這些性質使得量子通信具有廣泛地應用前景而成為一個較熱的課題。量子信息和量子計算已被我國列入“十三五”重大研究課題。

1量子比特

在經典的計算機里，基本的構造單元是比特。不論是用電子管來實現的一個比特還是用晶體管來實現的比特，其基本原理都要遵從牛頓力學定律。在一個經典的計算機里，其儲存量是用比特的多少來衡量的。它的運算速度可有單位時間內比特的轉換數目來決定。

在圖1中可以看到，經典的比特實質是就是兩個點10>和11>，所以在儲存的時候也只能是10>和11>。因此我們想要提高其運行速度就受到了原理上的限制。首先是我們在追求速度時，就需要不斷地提高微電子元件的集成度，小型化的電子器件必然會受到量子極限尺寸的限制。其次就是由于經典計算機的操作是不可逆的，由熱力學原理知道，計算芯片必然發熱，這是提高經典計算機的計算能力主要障礙。最后就是經典計算機不具備內在的并行運算。通過連接更多的計算資源來解決并行運算是比較復雜且難以實現的。

2量子比特

量子比特是計算信息科學里一個重要的概念，是量子計算機的基本單元，因此在這里我們對它做一個詳細的介紹。

量子比特其可以對應量子力學里一個粒子態的疊加，對于一個自旋為1/2的粒子，其本征態為兩種定態 ，單粒子的疊加態可表示為

| >= |1>+ |0> （1.1）

這里的 ， 為任意復數，其分別對應兩個定態在疊加態中所占的比例，如果 =0或者是 =0 時，疊加態就轉化為定態，兩個系數的模方 分別代表粒子狀態在每一個定態中的幾率。Bloch球面中則表示在量子力學里一個一把態的疊加。我們可以看到，經典的兩個比特只是Bloch球面中一種特殊的情況，其被Bloch球面所包圍。而量子態在三維的坐標中表示出來就是Bloch球面上的一個點。所以一個量子比特有無窮個態，每個態對應Bloch上的一個點，對量子比特進行操縱，就是把Bloch球面上的一個點移到另外的一個點，這個操縱是一個幺正變換。

3量子計算機

從（1.1）式我們可以看到，經典計算機是只是量子計算機的特例，量子計算機是經典計算機的推廣，這一推廣使得其計算能力成指數倍的增長。對于由量子力學原理所支配的量子計算機來說，原則上制約著經典計算機計算能力的原理都不存在，首先因為構成量子計算機的一些芯片實質上就是量子器件。其次是量子計算是由一系列幺正演化來完成的，所以這是一個可逆的過程，不存在耗熱問題。最后就是量子計算是建立在量子疊加態基礎上的，所以具有并行性運算能力。因而某些在經典的計算機里需要進行指數倍運算，在量子計算機里卻只需進行多項式分解運算。

其實，在早期（1982年）就有人預想到了量子元件的計算能力比經典的元件強很多，不過在這個時期并沒有受到人們的關注。直到20世紀初Shor首次提出Shor算法后使得量子計算機有了現實意義，即能對現行信息安全所依仗的大數因子分解難題進行有效的破解。從此以后就有越來越多的科研工作者開始關注量子計算機，關心和探討適合量子元件運算規律的算法。

要實現量子計算過程，大致有一下三個步驟：

首先是初態的制備，在經典的計算機中，進行一個有用的計算最重要的要求是制備期望的輸入。同樣在量子計算機里，我們將芯片中的各個比特制備在某個特定的量子態上，這個過程中要求比特保持良好的量子相干性，以便保證量子疊加態能夠一直成立。

其次是去實施完成所預想的各種可逆幺正變換，這些幺正變換就是我們通常所說的各種操作。在量子計算機里，人們相信量子計算機和經典計算機一樣，都是由一系列的基本的邏輯運算組成。目前已經證明任何的量子計算都可以通過一個基本量子邏輯門集的組合來完成。

最后就是信息的讀取，對量子器件進行測量來讀出計算結果。需要注意的是，量子力學所掌握的是關于微觀系統的規律是一種統計規律，它只能告訴我們在某個時刻一個微觀系統的各個物理量取不同值的概率。在大多數時候，我們得到的末態有可能也是一個量子疊加態，所以我們測量的結果一般都是概率性的。量子計算通常要重復多次才能得到比較明確的結果。

4量子算法

在Shor算法為提出以后，人們意識到這將對當今廣泛應用著的公匙密碼體系的安全性構成嚴重的威脅，因為它能實現大數因子分解。

通常來說，RSA公匙密碼體系中，密碼的生成方式是這樣的：第一步是去尋找兩個大的質數m，n，計算Q=mn的值以及歐拉函數 （Q）=（m 1） （n 1）。第二步是在區間1≤e≤ （Q）隨機選擇一個和 （Q）互質的整數，計算模 （Q）下的逆元d=e-1mod （Q）；最后一步是定義公匙私匙（M，e）是d。

由此可知，RAS公匙密碼的安全性完全取決于大整數n的質因數分解的困難性，目前經典計算機是不能破解的。而在物理上，Shor量子算法是有效的，Shor算法是對大數因子分解的一種有效的算法：其復雜程度隨著問題的規模只是多項式的增加。

5結論

在本文我們介紹了經典的比特和量子比特。經典的比特只是Bloch球上的兩個點，而量子比特則是Bloch球上的所有點。可以看出，經典比特只是量子比特的一種特例。同時我們也討論了經典的計算機和量計算機，量子計算機所執行的是一個可逆幺正演化且具備并行運算的能力，使得量子計算機能解決經典計算機所不能解決的問題，尤其是對大數因子的分解。量子計算機是目前量子信息科學中最重要的研究領域之一，這將是目前以及未來一段時間內科學家門所要研究的重點。

參考文獻

[1] Shor P W.Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory，Phys.Rev.A.1995，52（4）：2493-2496.

[2] Geover L K，Quantum computers can search rapidly by using almost any transformation.Phys.Rev.Lett.1998，80（19）：4329-4332.

篇10

一、 在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

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

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

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

（二） 在金屬及合金材料方面的應用

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

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

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

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

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子， 如低級芳香烴作為碳/ 碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian 98 程序中的半經驗方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。 轉貼于

（二）在鋰離子電池研究中的應用

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

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li + 離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago 等[8] 用半經驗分子軌道法以C32 H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li - C 和具有共價性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

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

三、 在生物大分子體系研究中的應用

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

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

參考文獻：

[1]程新. [ 學位論文] .武漢:武漢工業大學材料科學與工程學院，1994

[2]程新，馮修吉.武漢工業大學學報，1995，17 (4) :12

[3]李北星，程新.建筑材料學報，1999，2(2):147

[4]閔新民，沈爾忠， 江元生等.化學學報，1990，48(10): 973

[5]程新，陳亞明.山東建材學院學報，1994，8(2):1

[6]閔新民.化學學報，1992，50(5):449

[7]王寶俊，張玉貴，秦育紅等.煤炭轉化，2003，26(1):1

[8]Ago H ，Nagata K， Yoshizaw A K， et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.，1997，70:1717

篇11

為了計算導彈的運行彈道,歷史上第一臺電子計算機（肯尼亞克）于1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學誕生。到20世紀60年代和80年代后,計算機除應用于軍用單位以外,很多政府部門和大型的科研機構,甚至一些比較有實力的企業部門也開始應用計算機進行管理。之后,Intel4位中央處理器的問世讓計算機的普及與發展更深入,并于1982年創造了第一臺個人計算機,促使了計算機成本的飛速降低,實現了計算機除有能力的單位或研究組織和軍事機構之外的家庭和小型企業也能使用。20世紀90年代開始,很多企業和家庭也使用了計算機。同時計算機向兩極分化:一方面是往微、往小、往便宜發展進入家庭;另一個向高、向難、向大發展,仍然運用于軍事、科學技術。現在,計算機在互聯網、公司、政府機關、家庭等領域得到廣泛應用。

從計算機的發展歷史我們不難發現,計算機技術作為一項歷史突破性技術,不斷的在快速成長、更新和發展,而它的每次更新也都必然促進它自身的發展與推廣。

2、新型計算機系統的出現

2.1 光子計算機

光子計算機是以光子代替電子,將光子作為計算機的傳導粒子,將傳統的導線連接創新為光互連接,傳統的計算機硬件也將被光硬件設備取代。在運算形式上,光子計算機能夠在并行度及運行速度上得到飛躍式提高。光子計算機的通訊量也是傳統計算機望塵莫及的,此外,光子計算機還具有十分強大的糾錯特性,能夠確保當某一計算機出現問題時,其他的計算機能夠繼續安全運行,從而在一定程度上保護的計算機是計算結果的正確程度。

2.2 納米計算機

納米計算機使計算機在外觀上大有改變,在能源的消耗方面,納米技術具有十分明顯的優勢。納米計算機技術使電腦耗材的使用量大大減少,提高了相關硬件的使用年限。因此,在諸多新興計算機當中,納米計算機可以說是最先進。

2.3 分子計算機

分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。計算機的轉換開關由酶來充當,而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。DNA計算機消耗的能量非常小,只有電子計算機的十億分之一,由于生物芯片的原材料是蛋白質分子,所以生物計算機既有自我修復的功能,又可直接與生物活體相聯。

2.4 量子計算機

量子計算機是基于量子效應基礎上開發的,它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態,利用激光脈沖來改變分子的狀態,使信息沿著聚合物移動,從而進行運算。量子計算機在特征上介于器件與架構之間,量子計算機中數據用量子位存儲。

3、計算機技術發展趨勢預測

3.1 納米技術將廣泛發展和應用

由于納米技術突破了計算機集成和處理速度的雙重限制,因此需要大力發展該項技術,它也將隨著科技發展的大趨勢成為未來計算機發展的一個重要方向。量子計算機的運算速度可達每秒1萬億次,儲存容量可達到1萬億億二進位。隨著納米技術的發展,可以產生量子計算機和生物計算機,而它們的運算速度,存儲能力都遠遠超過目前的計算機,因而納米技術的進一步發展和應用,將是未來的一個重要方向。

3.2 改善計算機的體系結構

計算機是一個組合體,是一個具有不同功能的體系結構。當前計算機在結構設計方面主要是進行多任務的并行計算,這樣可以利用同一臺機器進行多個任務的處理。對于大型電腦來說,另一種發展趨勢是集群系統,它能夠給用戶提高可靠性以及相融性。因此,為了提升當前計算機和用戶之間的交互性,應該重點發展集群性的計算機系統,強化系統的可靠性以及兼容性。

3.3 網絡技術的發展

計算機的運用越來越廣泛,與人們的生活息息相關,這最主要的原因就是網絡技術的發展。正是網絡的出現與快速發展使得計算機有了更加廣闊的發展空間。當前計算機的發展已經離不開網絡。隨著網絡技術的不斷的成熟和發展,人們和網絡之間的聯系也在不斷的密切。這就使得未來的互聯網云技術的發展提供了廣闊的空間。因此,大力發展網絡技術有利于計算機的發展。隨著科技的進步,人們將步入物聯網、智能電網的時代,這些都必須基于先進的網絡技術。

3.4 軟件技術

對于計算機來說,軟件是非常重要的。目前主流的操作系統和計算機硬件性能作對比,軟件性能作用不小。用實際使用系統來說,屬于Microsoft的都形成了工業臺式計算機的占多數的實際使用系統,還能促進對企業工程區域進展。數據庫的作用越來越完整,不過針對數據內容的解決會脫離僅僅限制在數字與符號等,對于多媒體消息的解決還可以超過仍然還處于單一的進制代碼文件的儲備。程序語言是

軟件性能的主要構成類別,因為互聯網的通用性,多種類的語言逐一實行支撐互聯網新技術。計算機協調工作性能同樣仍然是現在軟件技術進展的相同目標。

3.5 多媒體性能

多媒體性能的開拓與進展把服務器、路由器以及轉換器諸多互聯網需要的設施的技術明顯提高,其中包含有用戶端、內存、圖形片諸多硬件性能。互聯網使用人不再像原來一樣被動地接受解決信息的形態,而是更加以踴躍主動的形式來進入現在的互聯網空間。除此以外還有藍牙技能的發明運用,令多媒體通信技能無線電、數字信息、個人區域網絡、無線寬帶局域網等快速更新。

事實上,多媒體性能數字化是促使將來技能擴展的主要方面。由于多媒體性能是電腦賴以生存與發展的基礎,數字多媒體芯片性能就會變成將來多媒體性能生命里的核心。

4、結語

計算機技術是一個自我生存能力、自我發展能力極其強大、前途無量的一門新技術,軟件、互聯網、計算機系統組織、納米等技術的運用,不僅是實現發展高速化、智能化、多元化和微型化的前提,還是未來計算機技術提高的關鍵環節。因此,總結和了解計算機技術發展的歷史、現狀并對其未來發展進行預測,能夠有助于我們進一步發展計算機技術和計算機產業,更好地讓計算機技術服務于我們的生產和生活。

參考文獻

篇12

如今計算機的發展已經進入了人工智能時代，新型計算機的時代又將是新一輪的計算機革命，這又將對社會的發展產生深遠的影響。

1 新型計算機系統陸續出現

信息時代對信息的獲得能力決定了一個國家或者地區在這個時代的發展能力。全球化已經越來越迅速的今天，世界各國都在加緊研發新型的計算機，計算機的各個方面都出現了質的飛躍。而新型的量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等也將在不久的將來進入我們生活的各個領域，甚至有些已經進入了我們的生活。

1.1 量子計算機：量子計算機的研發是基于量子效應理論開發的，它的運算工作原理是：利用鏈狀分子聚合物的特性來表示信號的開和關，并用激光脈沖來改變分子的狀態，使得信息沿著聚合物移動，進行運算。量子計算機的存儲單位比以往的計算機都要小許多，是用量子位存儲的。具體的表現就是一個量子位可以存儲2個數據，這樣量子計算機的優勢就是比存儲量就變的非常龐大，對于工作要求存儲量大的電腦用戶來說是一個極佳的選擇。目前正在研發的量子計算機類型主要有3種，第一種是核磁共振量子計算機，第二種是硅半導體量子計算機，第三種是離子阱量子計算機。科學家們預測，量子計算機將在不久的2030年獲得普及。

1.2 光子計算機：光子計算機也可以被稱作是全數字計算機，它的工作原理是以光子代替電子，光互連的特性替代導線的互連，用光硬件代替電腦中的硬件設備，用光運算的方式代替電運算的方式進行運算。這種計算機的優勢是信息傳遞的平行通道密度大，而光具有高速、并行的特性，這也就決定了光子計算機并行處理能力強大，運算速度遠超人們的想象。

1.3 生物計算機：生物計算機亦稱作DNA分子計算機，它的運算過程簡單來說就是蛋白質分子與周圍物理化學介質相互作用的過程。計算過程中需要的轉換開關是用酶來擔任的，程序的表示也將在酶合成系統與蛋白質結構中變得極其明顯。生物計算機的運算速度比人腦的運算速度要快100萬倍，也就是說生物計算機完成一項運算需要的時間僅僅是10微微秒。這種計算機的優勢是驚人的存儲量，根據計算，1立方米的DNA溶液可以存儲1萬億億的二進制數據。

1.4 納米計算機：納米作為一種計量單位，許多人對其并不陌生，但是對其的具體感覺卻并不直觀，它的長度大約是一個氫原子的直徑的10倍，它的具體表述就是10-9米。現在納米技術在計算機領域正在從微電子機械系統中被運用，這個系統是把傳感器、電動機和計算機的個各種處理器放在了同一個芯片上。這種用納米技術的計算機芯片非常微小，體積一般不過就是數百個原子的大小。它的優點就是幾乎不需要消耗任何能源，性能更是比現在的計算機要強大的多。

2 計算機技術發展

2.1 現代微型處理器技術發展：計算機性能的提升關鍵技術就是微型處理器的發展，這種技術追求的就是把處理器里的晶體線寬和尺寸的減小。要實現減小的目的，一般是通過用較短的波長的曝光光源來掩膜曝光，使做出的聯通晶體管的導線和刻蝕于硅片上的晶體管更細更小的方法來實現的，這種技術到現在一般是用紫外線作為曝光光源，不管有個限制難題就是線寬小于或等于0.10流明的情況下會受到阻礙，也因此現在的計算機技術已經不再追求利用紫外線做光源來提升計算機的性能發展方向了。

2.2 以納米為主的電子科學技術：當今計算機技術的發展障礙是處理速度和集成度，盡管現在的電子計算機的電子元件得到了有效的改善，但是相對于現在要求電子計算機的高速化，智能化，和微型化的要求是遠遠不夠的， 所以今后計算機的技術發展也不再是局限在單純的縮小尺寸方面，還要用其他的創新手段來完善計算機技術。

2.3 分組交換技術的發展：分組交換技術是把需要傳送的數據劃分為一些等長的部分，每個部分叫做一個數據段的技術。在這些數據段的前面添加一個控制信息組成首部，就可以構成一個分組。分組通過首部指明了需要發往的地址，然后節點交互機根據分組的地址，將他們發往目的地。整個過程就是分組交換過程，這種技術很好的提升了通信的效率。

3 計算機技術發展方向

現在的計算機在人們的生活中已經扮演了一個非常重要的角色，但是它的角色只會變得越來越重要，因為以計算機技術為基礎，人類將進入智能化、物聯網的時代。

3.1 納米技術需要大力發展：納米技術不受到傳統的計算機集成和處理速度的限制，納米技術就成了今后計算機技術大力發展的一個方向了。今后出現的量子計算機和生物計算機的發展都有賴于納米技術在計算機領域的應用和發展，為推動今后計算機的運算速度和存儲能力遠遠超越現在的計算機，大力發展納米技術也成了一個必要的選擇。

3.2 著力改善計算機的體系結構：計算機是一個具有不同功能的體系結構，也是一個組合體。當代幾乎所有的大型電腦和微型電腦都有可以同時處理不同問題的能力，這種功能就是是當前計算機的主流結構：并行計算。另外大型電腦有一個群集的發展趨勢，使用戶對相融性和可靠性的需求獲得提高。

篇13

一、計算機技術的發展史

計算機誕生之初，其主要的作用是用于計算導彈的運行彈道。但是由于在過去的工作中計算機成本較為昂貴，在上個世紀五十年代以前，計算機主要應用在軍事領域。直到上個世紀六七十年代，計算機成本逐步降低，使得部分單位和企業有能力在工作中采用計算機進行工作，也使得計算機技術得到飛速發展。隨著Intel4位中央處理器的誕生以及普及，在1982年，世界上第一臺個人計算機誕生，并被成功的應用在家庭。到了上個世紀九十年代末期，計算機技術已經成功的應用在諸多家庭和企業，同時設計領域也逐步廣泛企業。在這種社會現狀下，計算機技術的發展與應用逐步形成了兩個不同的方向和趨勢，其一主要指的是被應用在科研機構、軍事機構的計算機，由于這些領域往往都是計算困難、計算精度較高的工作環節，因此在計算就發展中對于計算機的計算能力和計算精確度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中應用在家庭和中小企業的計算機，這些計算機可以說主要是往實惠、小體積和輕重量的方向發展。縱觀計算機發展史我們可以得知，計算機創新能力的推動與普及與人們生活和社會發展緊密相連，其在工作中也推動了整個社會領域的正常進行。

二、計算機現狀

計算機技術在當今社會中發揮著不可替代的作用，對于促進社會信息化的實現有著主導作用。伴隨著科學技術的深入發展，計算機技術也逐步實現了硬件系統與軟件系統同步發展的核心技術觀念，也在工作中實現了信息化、現代化的核心技術處理要求。

（一）現代微型處理器的情況

在當前社會中，計算機技術的性能提升和處理主要在于發展微型處理器，這也是目前計算機發展的整體趨勢，在計算機發展工作中，其主要的實質在于提高處理器芯片中的晶體線寬與尺寸的大小。一般在研究的過程中，多采用較短的波長來曝光光源，從而做打破掩膜曝光要求。如今的微型處理器發展與計算中，主要是通過紫外線進行運用和曝光光源的管理與申花，并且在工作中對于深層芯片進行全面總結和處理，這種工作流程和工作方式多是采用量子效應與電子行為來進行分析，這種社會分析現狀也是微處理器發展的首要基礎。所以也就引起專家的注視，紫外線光源對微處理器性能的提升已經沒有多大作用了。

（二）以納米為主的電子科學技術

伴隨著科學技術的不斷提高，各種先進材料不斷的引進，進而對微處理器進行優化和總結。就目前的計算機應用與發展分析而言，在計算機工作中，準確高效的計算機技術和微型化電子元件的需求已成為人們對計算機發展提出的新觀念，但就目前的社會現狀而言這種目標還遠遠沒有達到。因此在未來的計算機發展中，我們不僅要深入研究計算機處理技術，同時更是要引進各種新材料、新技術。在這種現狀之下，以納米為主的計算機技術已成為目前我們工作和認識的重點形式，也是當前社會發展中存在的核心問題。

三、計算機技術發展趨勢預測

伴隨著科學技術的不斷發展和國民經濟的進步，計算機技術在人們生活和工作中發揮著越來越重要的作用。二十一世紀作為一個信息時代，人類在生活、工作中都進入了智能化、信息化時代，對各種先進技術和信息要求都越來越高，以計算機為基礎的新技術已成為目前社會發展的關鍵。

（一）改善計算機的體系結構

計算機是一個組合體。是一個具有不同功能的體系結構。其中，當前計算機主流的體系結構是并行計算，可以同時處理不同的問題，幾乎所有的大型工作站或微型電腦都具備此功能；此外，對于大型電腦來說，另一種發展趨勢是集群系統，它能夠給用戶提高可靠性以及相融性。

（二）網絡技術的發展

如今計算機的運用越來越廣泛，與人們的生活息息相關。這最主要的原因就是網絡技術的發展。通過網絡。人們可以進行商品的買賣、娛樂、了解更多的信息。因此，大力發展網絡技術有利于計算機的發展。隨著科技的進步，人們將步人物聯網、智能電網的時代。這些都必須基于先進的網絡技術。

四、未來計算機發展

1、量子計算機

量子計算機是基于量子效應基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。量子計算機中數據用量子位存儲。由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此一個量子位可以存儲2個數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前個人計算機的PentiumⅢ晶片快10億倍。

光子計算機即全光數字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。