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那么，PXI究竟处于什么样的技术和历史位置呢?因为自动测量技术的核心是计算机技术，所以测量总线技术的发展是与计算机总线的发展密切相关的。要了解测量总线的历史，把握其目前的技术态势，我们需要通过知晓计算机总线技术的发展历程和走向，来分析测量总线技术。
可用于测量的总线标准很多。衡量一种总线技术的优劣主要看两个参数：带宽和延迟。在实际应用中，由于需求不同以及成本等方面的限制，各种总线都有其适合的应用领域。流行的高性能测量总线主要有GPIB、VXI和PXI。如图1所示，从带宽和延迟的角度，PXI明显优于传统的GPIB和VXI总线。
下面联系计算机技术分别回顾这三种总线的历史。
HP-IB／GPIB
HP(惠普公司)是计算机技术的先行者之一。其第一款计算机HP 2116A于1966年面世，用于控制该公司众多的测量仪器。GPIB(General PurposeInterface Bus即通用接口总线)源于HP-IB，这是HP 1965年设计的接口总线，用于连接HP的计算机和可编程仪器。由于其转换速率高(通常可达1MB／s)，这种接口总线逐渐得到普遍认可，1975年成为IEEE 488-1975标准。
可以说，HP开创了基于计算机的数字化测量测试仪器，进入20世纪80年代后，虚拟仪器技术的创始人NI逐渐成为全球最大的GPIB供应商。通过使用LabVIEW和仪器驱动软件，工程师们可以自动化地控制测试仪器，由此，自动化测试测量的时代正式开始。GPIB的出现使电子测量从独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，并且使得自动测量中仪器的互联有了统一的标准。此后，各种带标准接口的测量仪器不断出现，使检测计量人员能够很方便组成各种功能强大的自动测量仪器系统。
GPIB测量系统的结构和命令简单，有专为仪器控制所设计的接口信号和接插件，具有突出的坚固性和可靠性。经过30余年普及，几乎所有独立仪器都已配有GPIB接口，网络上也有各种GPIB驱动，因而具有最好的兼容性。GPIB适合自动化现有的设备、混合系统和特别要求专用仪器的系统。
VME／VXI
VXI是VME eXtensions for Instrumentation的缩写。它是VME(Versa Module Eurocard)总线在仪器领域的扩展。显然，要了解VXI，首先要了解VME。
VME总线源于VERSAbus，这是摩托罗拉公司1980年设计推出用以支持其MC68000微处理器产品线的技术。摩托罗拉在计算机领域有着辉煌的历史，是早期CPU的研发、生产厂商之一。摩托罗拉于1974年推出MC6800处理器。MC68000于1979年面世，与Intel8086以及Intel 80286竞争并取得一些成功。
最早的VERSAbus设计有一个特点：插拔卡的尺寸很大。因为这一点，欧洲的设计人员非常不喜欢。后来设计出一种较小的、具有相似功能的总线供欧洲人使用，称作Versa Module European，或VME，意欧式变种模块。摩托罗拉、飞利浦、汤姆森等公司是倡导者。该总线从1982年开始很快被接受。1987年，VME被IEEE正式接受为万用背板总线标准(ANSI／IEEE 1014-1987)。同年，Colorado DataSystem、HP、Racal Dana、Tektronix和Wavetek等5家仪器公司的技术代表成立了一个技术委员会(即后来的VXI总线联盟)，了VXI规范的第1个版本。几经修改和完善，VME总线标准于1993年9月20日出版发行。
VXI作为一种内部总线，比GPIB具有更高的带宽，且具有更好的延迟率，所以它一推出就得到了军工／航空航天的大量采用。但由于成本较高，所以很难向其他领域应用进行扩展。
PCIf／cPCI／PXI
追根溯源，PCI技术的开创者实为计算机行业的老大Intel公司。1991年下半年，由于原有的ISA、EISA已远远不能适应要求而成为整个系统的主要瓶颈，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团。PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。而且作为内部总线，PCI能够达到很高的带宽。
1994年提出的CompactPCI简称cPCI，中文又称紧凑型PCI，是在PCI技术基础之上经过改造而成。它采用经过20年实践检验后的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件，提高了抗振动冲击能力，符合电磁兼容性要求，更适合构建高可用性系统，满足电信、数字通信、军事装备以及其他高可靠领域的要求。
1997年，NI公司为钡0试和测量应用提出PxI(PCI eXtensions forInstrumentation)，这是专为测试任务而优化的CompactPCI，PXI基于cPCI总线的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线，用于模块至模块之间的同步和触发。PXI控制器运行Windows操作系统，采用最快速的处理器、内存等PC技术，并能连接各种外部总线接口(例如USB、串口等)，此外NI等一些厂商还提供与PXI控制器配合的GPIB控制器，因此，PXI是混合系统中理想的核心部分。1998年，NI与其他测试设备厂商合作的PXI系统联盟将PXI作为一个开放的工业标准推向市场，迄今为止PXI联盟已经拥有70余家公司和超过1200种产品供选择，所以这样的模块化平台可以让用户自由选择测试功能、用户界面、分析软件等其他要素。此外，商业技术的运用和在模块间共享电源等优势为用户极大地降低了成本。 以上这些都使其成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。
未来发展
目前，PXI技术得到大力推广，市场发展迅速。根据Frost & Sullivan 2005年度的调查显示(见图2)，PXI市场的增长速度远高于VME／VXI，以及测试测量行业的平均值。NI和PXI联盟成员也在继续为PXI加大投资，随着IntelPCI Express总线的推出，PXISA在2005年第三季度正式推出了PXIExpress的软硬件标准，通过在背板使用PCI Express的技术，PXI Express能够将带宽整整提高45倍，从原来PXI的132MB／s提高到现在6GB／s；同时保持了和原来PXI模块在软硬件上的向后兼容性。
然而，由于VXI大量用于军工和航天等对成本及对新技术不敏感、但对可靠性和性能要求苛刻的领域，所以还会在相当长的时间内存在。另外，供应商们也在尝试为VME加入新技术，比如提升带宽的新技术，试图使这种总线技术的服役期限再延长10年甚至20年。
即便是更老的GPIB技术也不会马上消失，被新的总线(例如以太网、USB或FireWire)所取代。GPIB安装基数非常大，精通的使用者和供应商众多。一些大型测试和测量公司如安捷伦、吉时利、罗德与施瓦茨和Tektronix仍以GPIB为主要的仪器总线并配之以所需的USB或以太网。GPIB还可以用来将VXI和PXI连接到控制器。此外，一些特殊仪器，例如吉时利仪器公司的2800RF模型动力分析仪，就只能采用GPIB连接平台。基于此，一些厂商如吉时利仍然看好GPIB的发展前景。
在遗产(英文legacy，西方人不称旧的或过时的)技术继续存在的同时，更新的总线技术还在不断涌现，例如，安捷伦于2004年提出LXI平台概念。LXI(LAN eXtensions forInstrumentation)据称以独特的方式将GPIB的优势和VXI的优势结合在一起。基于LAN的测试总线适合于远程测量和控制，其广泛性和低成本的特点使之成为现有仪器控制总线(如GPIB等)的一个极具竞争力的替代项。然而对于设备与设备之间的同步，就必须要结合IEEE 1588，那么这样的话用户就要为开关盒增加额外的成本。LXI协会于2004年9月成立，一年后了第一版LXI规范，迄今大部分的产品都是基于LAN控制，而不是结合1588标准。
关键词：工程预结算；自动计算软件
Abstract: The development of the computer technology, and infiltrated all walks of life and computer graphic design technology promotion, the computer graphics technology is applied to the calculation of engineering quantity possible, automatic calculation software application and development is the inevitable trend of the building engineering budget.
Key words : the project pre-settlement; automatic calculation software
中图分类号：F811.3文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
建筑工程预结算是建筑行业中非常重要的一项工作，而工程量计算又是这项工作中至关重要的一部分。如何提高工程量计算的效率、减少其工作量，做到准确无误，一直是工程预算行业急待解决的一个课题。
计算机技术的日益发展，并渗入到各行各业中以及计算机平面设计技术的推广，使得计算机绘图技术应用到工程量计算中成为可能，工程量自动计算软件的应用和发展是建筑工程预结算的必然趋势。
2003年7月我在公司预算处开始从事工程预算工作，刚参加工作时，工程预算对我来说非常陌生，书本理论与实际应用之间差距太大。经过很长一段努力，我的预算技能虽然有所提高，但对于计算规则和定额的深入理解以及计算速度的有效提高等方面仍有相当的不足。
2007年，在参与我公司内蒙古商厦的审计结算工作中，我接触到了鲁班算量软件，同时，在学习和应用当中感受到它给我的工作带来了很大的方便。
（一）在工作方式上，鲁班软件采用的是AutoCad界面和绘图方式，这正是我在校期间的学习内容，所以感觉上手很快，达到熟练程度也比较容易。
当然对于很多初学者来说，软件入门的确有一定的困难，但这只是暂时的，只要我们把握正确的方法，通过正确的渠道，再加上自己的努力就一定能掌握它。
（二）对于工程量计算规则，其中大部分已经在鲁班软件中设置完毕，我们只要稍做修改就可以正确应用。
显而易见，工程量计算软件为预算初学者提供了学习的捷径。因为老预算员精通定额，熟练掌握计算规则，但计算机水平都不是很高，而对于初学者来说计算机操作是我们的优势，计算规则已经由软件定义，我们就可以先入门学习软件再逐渐熟悉定额和计算规则。通过这种方式我感到预算水平提高很快。
（三）在工作步骤上，使用工程量计算软件省略了原先的计算书汇总、上表套定额的手工工序，完全由计算机自动完成，极大程度上节省了时间。
在工作效率上，以前用手工算量大约用一星期才能完成的工程量，用算量软件五天就能完成。
（四）在采用的工作方式上，鲁班软件采用AutoCad绘图方式，省略了手工计算时使用的铅笔、橡皮、计算器和大量的工程量计算书等耗材，简化了手写计算式的步骤和手按计算器计算的繁复工作，在极大程度上实现了无纸办公。
（五）在打印输出格式上，鲁班软件打印输出的整洁版面是手工书写无法比拟的，其格式明确，计算公式详细，汇总方式合理，做为预算资料的保存和查阅十分适用。
另外，在核对工程量时，还可以利用电子计算书的分类汇总和条件汇总功能，在计算机中随时调用有用的数据，减少了手工计算书不易分类、不易汇总的麻烦。
再有，软件提供了自动输出到TXT、EXCEL、XML多种文件形式，极大程度上方便了各种用户的转化与应用。
（六）图形算量软件作为一种高科技含量的新兴技术产业，具有很大的发展前景，通过每一次的软件不定期升级，软件必将越做越成熟，越做越合乎人性化设计。到目前为止，该软件已经由最初的2007版升级到2008版，而且2009版已经在网上公布并进入全国巡回展览阶段。
我相信，新一版的鲁班软件设计一定会有更强大的功能，有更出色的表现，让我们拭目以待。
关键词：量子保密；通信技术；应用；未来发展
引言
随着信息化时代的到来，人们无时无刻都在接发文字信息、视频信息、电子信息等，给人们的生活、工作、学习和社会各个领域带来了新的改变。为了保障信息通信的安全，防止信息传递过程中存在的泄露风险，采取量子保密通信技术，有效避免信息被攻击破译，保障了信息传递的绝对安全[1]。量子保密通信改变了传统加密通信的局限性和不安全性，解决了存在的安全隐患问题，根据量子力学原理与科学信息技术的有效结合，采用高精度量子测量技术和高精准量子计算技术进行计算、编码和信息传输，发挥了高效安全的通信性能。量子计算利用量子力学规律来调控量子信息单元进行计算，能够进行大规模、多线程地数据处理，具有超强的计算能力和精密的逻辑性[2]。在依靠量子比特工作中，由于量子位存在的并行性、纠缠性和叠加性，量子算法在进行问题处理时就能够做出传统计算无法比拟的超强处理能力，实现超高精度、超高速度的工作效率[3]。随着国内外量子信息技术科技的发展，针对现有公钥体系在单向计算时存在的易被攻击威胁，造成信息发生泄漏的严重后果，开展量子密钥分发技术的保密通信的创新研发，满足了当前信息化社会和数字化经济时代的需求。通过量子保密通信技术的研究与应用，推动了量子保密通信标准化工作的进行和未来的无限发展。
1量子保密通信技术应用
1.1量子密钥分发技术应用
量子密钥分发是根据量子测不准原理、量子不可分割和量子态不可复制的特性来实现，量子生成的通信密码校验绝对的安全性，不会被任何方式破解。通信双方建立量子密码分享协议，发送方和接受方以单光子的状态作为信息载体来建立密钥，保证密钥分发的安全性，密钥分发采取一次一密的加密体制建立安全通信密码。密钥分发完成后需要进行信息协同和隐私保密增强，纠正密钥中存在的错误，使密钥保持一致性，进一步增强信息隐私的保密安全。根据协议随机选择调制每一个光子的基矢，随机的基矢可以对接收端进行监测，在偏振编码过程中采用单光子的水平偏振态（0°）、垂直偏振态（90°）、偏振态（+45°）和偏振态（-45°）的4个量子态，来进行不同自由度的编码，可以选择垂直方向，也可以沿水平方向或其它角度作为量子信息的载体。发送方随机使用2组基矢，按照事先约定的单光子水平偏振态通过量子信道发送给协议用户，当用户接收到光子后也随机地使用2组基矢进行偏振态的测量，如果制备基矢和检测基矢兼容，则表示收发随机数完全一致，如果存在不同，发送方和用户在从新进行比对制备基和测量基基矢，直到收发双方拥有完全一致的随机数序列密钥。密钥分发、生成后不会被破译或计算破解，即使在密钥生成过程中被窃听也会被通信方发现，仍然不会泄密，保证了绝对的安全性[4]。
1.2量子保密通信与后量子安全加密应用
近年来，我国在量子信息技术领域发展迅速，在量子保密通信的研发中获得突破性进展，利用量子保密通信技术克服了传统通信技术存在的安全隐患问题，保证了通信的安全性和可靠性[5]。量子保密通信具备巨大的信息存储与携带性能，量子计算机可以面对各种复杂难度的计算，并能进行高时速、高精准的并行计算处理能力。量子保密通信是在原有的公钥体系进行创新改进，采取量子密钥分发和加密的量子保密通信方案，以应对原有量子计算体系内存在的安全威胁，并对现有加密体制进行升级，应用计算破解能力的后量子加密技术提高了被破解能力，避免信息泄露。量子保密通信与后量子加密的应用，为未来量子安全信息加密技术的创新发展具有重要的意义[6]。
1.2.1量子保密通信方案量子保密通信利用量子态的叠加性和量子不可克隆原理，采取密钥分发的密码技术，对传输的信息进行一次一密的加密方法，完善了加密体制，实现了信息传输的安全性。
1.2.2后量子加密后量子加密技术是一种新的加密方法，通过运用许多先进的技术对现有的加密体制算法进行升级改进，例如网格编码算法和椭圆曲线算法等，增加了防御能力，可以完全抵抗黑客的计算破解，后量子新型信息加密技术能够与现有的信息安全系统实现兼容和平滑升级演进。
1.3量子保密通信应用
量子保密通信为未来信息安全提供了保障，是信息领域的重要技术手段，在量子保密通信中量子密钥分发作为关键技术，与典型网络组织和现有通信系统结构相融合，建立了网络管控、安全服务、密钥生成层、密钥分发层、密钥应用层等组织结构，实现了通信网络的可用性和安全可靠性，并应具备灵活高效、可扩展的未来发展的建设需求。系统分为发送装置和接受装置，利用公共信道对密钥分发协议合法的通信双方发送共享的随机密钥。其中，密钥生成层将生成制备的量子密钥提供給上层，在密钥中继、密钥转发、密钥存储、密钥输出过程中，密钥应用层为量子密钥的保密通信服务提供服务，网络管控平台负责网络运营管理，安全服务平台则负责密码服务和安全管理。量子密钥分发是以量子物理与信息学为基础，利用量子态纠缠重叠的力学特性，在通讯双方之间产生并分享一个随机的安全的密钥，运用一次一密的加密方法，通过量子信道完成信息的安全传送。由于传统量子信道在传送数据进行量子密钥服务的加密业务时，量子信道存在传输损耗，量子密钥分发距离会被限制距离，需设置中继节点来完成长距离的接力传送，导致安全防护存在困难，存在安全隐患。因此在现有较大规模的量子保密通信网络中，都采用可信中继技术是异或后的中继技术，量子密钥只会在节点处暂存经过异或后，不会对中继节点造成影响，具有信息传输的安全性和高效率。
2量子保密通信目前发展状况
随着量子保密通信的发展，世界各国试用点呈现逐步成熟趋势，但在应用推广方面暴露出一些问题。主要包括三个方面：（1）应用场景受到限制当前，量子保密通信主要面向金融、政府等长期安全性较高的特定场景之中，市场规模较为分散，传统通信业界对于量子保密通信应用目前仍然处于热情度较低的状态。此外，由于量子态信号与传统信号混合传输时，将引入劣化性能，导致量子保密通信组网需要借助额外独立光纤链路才能获取所需资源。（2）技术瓶颈待解决在百公里长距离传输情况下，量子保密通信可用安全码率大约为15kbit/s量级，相比于当前光传达网技术实现的量级信息传输差距较大，无法实现对信号的一一加密。此外，在量子保密通信组网方面，由于量子态存储技术尚不成熟，因此，有关量子存储方面难以实现，其中涉及的关键技术仍需进一步验证分析。（3）安全性存在一定风险在实际通信过程中，信道节点不理想特性使其难以满足安全性标准，成为不法分子利用的安全漏洞，所以针对通信安全性升级将是运营维护所面临的一个难题，现阶段，由于通信密钥生成码率也相对较低，很难满足一次一密要求。现阶段，我国量子保密通信技术在业务、市场、商用的应用都处于推广初期阶段，在量子密钥分发技术组网理念和技术研究中，仍然面临一些问题有待研究和探讨。
3量子保密通信标准化工作策略与未来发展
3.1量子保密通信标准化工作策略
在未来量子保密通信技术研发中，应保证量子保密通信设备系统的功能与性能的一致性和可靠性，增加设备系统和网络层面的兼容性、灵活性和安全性，在设备和系统技术、安全性能、组网以及加密等各个方面，逐步完善应用体制，在未来发展中形成完整的标准规范体系。首先，在国家政策支持的基础上，应加强量子密钥分发技术前沿技术领域的研究工作，创新开发新型协议技术、系统器件和架构方案，加快提升量子密钥分发技术和系统设备成熟度、实用化水平和性价比，不断提高量子密钥分发和后量子加密的技术水平，完善加密体制。然后，应加强量子保密通信的商业化应用和市场开拓规划的工作策略和未来发展方向，积极推进产业合作，开展多样化的商业部署模式，制定标准化工作策略，为应用发展做好引导和培育市场需求。最后，应加快我国量子保密通信网络项目工程的建设，升级设备完善标准，提高量子密钥分发系统的网管和运维能力，使量子保密通信系统和网络在完善的密钥管理设备与加密通信设备进行安全可靠的通信，以商业化应用推广和市场化发展为未来建设目标，增加网络建设的实际可用性和安全性等标准的建设规模。目前，我国量子保密通信技术已经实现了实用化、产业化的发展水平，在国家政策的大力支持下在社会各领域得到了广泛的应用。随着国家实施创新驱动发展战略规划，量子信息技术作为我国科技创新的重要发展技术，应加快发展量子信息产业，推动量子技术与社会经济领域的深度融合，增加产业经济的发展，为国家安全、国防军事提供强大的技术支持，新兴的量子信息产业推动了我国战略性发展方向。
3.2未来发展前景
量子保密通信技术在未来发展进程中，量子保密通信网络建设和产业发展是未来量子技术发展的关键，需要加强技术成熟度、设备可靠性和投入产出性价比等各方面的研究，开展标准化工作策略以促进技术和产业的快速发展。近年来，随着量子保密通信技术的不断创新，世界各国在量子保密通信技术与产业的市场竞争日趋激烈，我国虽然处于世界领先地位，应需加强对量子技术研究机构、系统设备厂商和建设运营单位进行大力扶持，在政策支持优势下强化关键技术创新和可持续发展能力，以增强科技实力，提高市场竞争能力。积极推广大规模产业链发展，标准规范产业发展方向，促进量子保密通信商业化推广、产业链壮大和产业化得到健康发展。
3.2.1分发系统性能指标和实用化水平有提升空间量子密钥分发系统在现有光纤网络之中单跨传输距离在百公里以内，密钥成码率有待进一步提高。同时，量子密钥系统工程化也具有一定提升空间。此外，量子保密通信系统仍需要密钥管理，将其与信息通信行业紧密融合，加密通信设备。
3.2.2抗量子计算破解的安全加密面向未来量子计算对于现有加密体系存在的破解威胁，需设计抗量子计算破解安全加密方案，快速提升量子密钥分发技术和实用化水平，这是赢得加密技术体制的关键。
3.2.3量子保密通信商业化开拓仍需进一步探索量子保密通信是对现有通信技术的一种有效安全性提升技术，能够解决密钥分发安全性问题，提升通信安全性等级，具有长期性和高安全性。尤其在金融专网方面，其产业规模相对有限，因此，在后续研究进程中，逐渐完善量子通信保密技术，将其推广到投入产出性行业之中，从设备升级、标准完善、市场探索等方面进行逐一推广与应用。因此，在今后发展过程中，应凝聚各方形成合力，提升工程化实用水平，引导应用产业健康发展，重视标准化测试，引导产业健康发展。
关键词：计算机网络路由选择；改进量子进化算法；研究
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：
[1] 宋明红，俞华锋，陈海燕.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用研究[J].科技通报，2014（1）：170-173.
量子密码应运而生
量子计算的原理与传统计算机采用的原理有很大不同，传统计算机采用单路串行操作，而量子计算机采用多路并行操作，它们运算速度的差异就如同万只飞鸟同时升上天空与万只蜗牛排队过独木桥的区别。
20世纪70年代，英国和美国最早开始对量子计算的研究。近年来，量子计算的理论和实践都相继取得重大进展，产生了多种新的量子算法，研制了多种量子计算机原型。
科学家预测，未来10～20年将研制成功103～104量子比特的大型量子计算机，其运算能力可以在几分钟内破译现有任何采用非对称密钥系统生成的密码。
面对量子计算未来可能随时“秒杀”传统密码的危险，科学家致力于寻找不基于数学问题，能有效抵抗量子计算攻击的新型密码体制。解铃还须系铃人，同样基于量子信息技术的量子密码应运而生，成为对抗量子计算的“神器”。
又一个可能的“技术差”
二战中，英国破译德军ENGMA密码，获知其即将轰炸考文垂市，但为保守德军密码已被破译的秘密，英国断然牺牲考文垂这个重要工业城市，不发出防空警报任由德军轰炸；美军在中途岛海战的胜利，以及击落山本五十六座机等影响战争进程的重大事件，与其成功破译日军“紫密”有直接关系。一些专家们甚至估计，盟军在密码破译上的成功至少使二战缩短了8年。
当前，战场网络已成为连接人与武器、武器与武器的技术纽带，构成了信息化军队的神经中枢。侦察预警、指挥协同、武器控制、后勤保障等作战活动均离不开网络的支持。安全可靠的战场网络是保证自身作战体系稳定，在体系对抗中谋取胜势的重要前提，而战场网络的安全又十分依赖于网络通信密码提供的“安全屏障”。
一个国家的军队一旦率先实现量子密码和量子计算的武器化，并在战争中投入使用，将与对手形成巨大的“技术差”，在保持自身网络通信绝对安全的同时，可随时破译对方网络通信密码，洞悉对手的一举一动，从而占据绝对信息优势，甚至可以直接瘫痪和控制对方网络，由此将置作战对手于极为被动的不利地位，战局可能出现“一边倒”的情况。
以超常措施推进军事应用
意大利军事家杜黑指出：“胜利只向那些能预见战争特性变化的人微笑，而不是向那些等待变化发生才去适应的人微笑。”面对量子信息技术的机遇与挑战，只有未雨绸缪，尽早规划，提前部署，才能在未来战争中占据先机和主动，避免对手利用技术突然性陷我于被动。
目前，量子密码已经从实验室演示性研究迈向实际应用。发达国家军队已把量子信息技术作为引领未来军事革命的颠覆性、战略性技术。例如，美国防高级研究计划局专门制定“量子信息科学和技术发展规划”、研发量子芯片的“微型曼哈顿”计划等。美国正加速推进量子信息技术的实际应用，美国白宫和五角大楼已安装量子通信系统并已投入使用。英、法、德、日等国军队也相继制定实施一系列发展量子信息技术的计划。
关键词：量子比特；量子力学；量子相干性；并行运算
0 引言
自1946年第一台电子计算机诞生至今，共经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路四个时代。计算机科学日新月异，但其性能却始终满足不了人类日益增长的信息处理需求，且存在不可逾越的“两个极限”。
其一，随着传统硅芯片集成度的提高，芯片内部晶体管数与日俱增，相反其尺寸却越缩越小(如现在的英特尔双核处理器采用最新45纳米制造工艺，在143平方毫米内集成2.91亿晶体管)。根据摩尔定律估算，20年后制造工艺将达到几个原子级大小，甚至更小，从而导致芯片内部微观粒子性越来越弱，相反其波动性逐渐显著，传统宏观物理学定律因此不再适用，而遵循的是微观世界焕然一新的量子力学定理。也就是说，20年后传统计算机将达到它的“物理极限”。
其二，集成度的提高所带来耗能与散热的问题反过来制约着芯片集成度的规模，传统硅芯片集成度的停滞不前将导致计算机发展的“性能极限”。如何解决其发热问题?研究表明，芯片耗能产生于计算过程中的不可逆过程。如处理器对输入两串数据的异或操作而最终结果却只有一列数据的输出，这过程是不可逆的，根据能量守恒定律，消失的数据信号必然会产生热量。倘若输出时处理器能保留一串无用序列，即把不可逆转换为可逆过程，则能从根本上解决芯片耗能问题。利用量子力学里的玄正变换把不可逆转为可逆过程，从而引发了对量子计算的研究。
1 量子计算的基本原理
1.1 传统计算的存储方式
首先回顾传统计算机的工作原理。传统电子计算机采用比特作为信息存储单位。从物理学角度，比特是两态系统，它可保持其中一种可识别状态，即“1”或者“()”。对于“1”和“0”，可利用电流的通断或电平的高低两种方法表示，然后可通过与非门两种逻辑电路的组合实现加、减、乘、除和逻辑运算。如把0～0个数相加，先输入“00”，处理后输入“01”，两者相“与”再输入下个数“10”，以此类推直至处理完第n个数，即输入一次，运算一次，n次输入，n次运算。这种串行处理方式不可避免地制约着传统计算机的运算速率，数据越多影响越深，单次运算的时间累积足可达到惊人的数字。例如在1994年共1600个工作站历时8月才完成对129位(迄今最大长度)因式的分解。倘若分解位数多达1000位，据估算，即使目前最快的计算机也需耗费1025年。而遵循量子力学定理的新一代计算机利用超高速并行运算只需几秒即可得出结果。现在让我们打开量子计算的潘多拉魔盒，走进奇妙神秘的量子世界。
1.2 量子计算的存储方式
量子计算的信息存储单位是量子比特，其两态的表示常用以下两种方式：
(1)利用电子自旋方向。如向左自转状态代表“1”，向右自转状态代表“0”。电子的自转方向可通过电磁波照射加以控制。
(2)利用原子的不同能级。原子有基态和激发态两种能级，规定原子基态时为“0”，激发态时为“1”。其具体状态可通过辨别原子光谱或核磁共振技术辨别。
量子计算在处理0～n个数相加时，采用的是并行处理方式将“00”、“01”、“10”、“11”等n个数据同时输入处理器，并在最后做一次运算得出结果。无论有多少数据，量子计算都是同时输入，运算一次，从而避免了传统计算机输入一次运算一次的耗时过程。当对海量数据进行处理时，这种并行处理方式的速率足以让传统计算机望尘莫及。
1.3 量子叠加态
量子计算为何能实现并行运算呢?根本原因在于量子比特具有“叠加状态”的性质。传统计算机每个比特只能取一种可识别的状态“0”或“1”，而量子比特不仅可以取“0”或“1”，还可同时取“0”和“1”，即其叠加态。以此类推，n位传统比特仅能代表2n中的某一态，而n位量子比特却能同时表示2n个叠加态，这正是量子世界神奇之处。运算时量子计算只须对这2n个量子叠加态处理一次，这就意味着一次同时处理了2n个量子比特(同样的操作传统计算机需处理2n次，因此理论上量子计算工作速率可提高2n倍)，从而实现了并行运算。
量子叠加态恐怕读者一时难以接受，即使当年聪明绝顶的爱因斯坦也颇有微词。但微观世界到底有别于我们所处的宏观世界，存在着既令人惊讶又不得不承认的事实，并取得了多方面验证。以下用量子力学描述量子叠加态。
现有两比特存储单元，经典计算机只能存储00，01，10，11四位二进制数，但同一时刻只能存储其中某一位。而量子比特除了能表示“0”或“1”两态，还可同时表示“0”和“1”的叠加态，量子力学记为：
lφ〉＝al1〉＋blO〉
其中ab分别表示原子处于两态的几率，a＝0时只有“0”态，b＝0时只有“1”态，ab都不为0时既可表示“0”，又可表示“1”。因此，两位量子比特可同时表示4种状态，即在同一时刻可存储4个数，量子力学记为：
1.4 量子相干性
量子计算除可并行运算外，还能快速高效地并行运算，这就用到了量子的另外一个特性――量子相干性。
量子相干性是指量子之间的特殊联系，利用它可从一个或多个量子状态推出其它量子态。譬如两电子发生正向碰撞，若观测到其中一电子是向左自转的，那么根据动量和能量守恒定律，另外一电子必是向右自转。这两电子间所存在的这种联系就是量子相干性。
可以把量子相干性应用于存储当中。若某串量子比特是彼此相干的，则可把此串量子比特视为协同运行的同一整体，对其中某一比特的处理就会影响到其它比特的运行状态，正所谓牵一发而动全身。量子计算之所以能快速高效地运算缘归于此。然而令人遗憾的是量子相干性很难保持，在外部环境影响下很容易丢失相干性从而导致运算错误。虽然采用量子纠错码技术可避免出错，但其也只是发现和纠正错误，却不能从根本上杜绝量子相干性的丢失。因此，到达高效量子计算时代还有一段漫长曲折之路。
2 对传统密码学的冲击
密码通信源远流长。早在2500年前，密码就已广泛应用于战争与外交之中，当今的文学作品也多有涉猎，如汉帝赐董承的衣带诏，文人墨客的藏头诗，金庸笔下的蜡丸信等。随着历史的发展，密码和秘密通讯备受关注，密码学也应运而生。防与攻是一个永恒的活题，当科学家们如火如荼地研究各种加密之策时，破译之道也得以迅速发展。
传统理论认为，大数的因式分解是数学界的一道难题，至今也无有效的解决方案和算法。这一点在密码学有重要应用，现在广泛应用于互联网，银行和金融系统的RSA加密系统就是基于因式难分解而开发出来的。然而，在理论上包括RSA在内的任何加密算法都不是天衣无缝的，利用穷举法可一一破解，只要衡量破解与所耗费的人力物力和时间相比是否合理。如上文提到传统计算机需耗费1025年才能对1000位整数进行因式分解，从时间意义上讲，RSA加密算法是安全的。但是，精通高速并行运算的量子计算一旦问世，萦绕人类很久的因式分解难题迎刃而解，传统密码学将受到前所未有的巨大冲击。但正所谓有矛必有盾，相信届时一套更为安全成熟的量子加密体系终会酝酿而出。
3 近期研究成果
目前量子计算的研究仍处于实验阶段，许多科学家都以极大热忱追寻量子计算的梦想，实现方案虽不少，但以现在的科技水平和实验条件要找到一种合适的载体存储量子比特，并操纵和观测其微观量子态实在是太困难了，各界科学家历时多年才略有所获。
(1)1994年物理学家尼尔和艾萨克子利用丙胺酸制出一台最为基本的量子计算机，虽然只能做一些像1＋1＝2这样简单的运算，但对量子计算的研究具有里程碑的意义。
(2)2000年8月IBM用5个原子作为处理和存储器制造出当时最为先进的量子计算机，并以传统计算机无法匹敌的速度完成对密码学中周期函数的计算。
(3)2000年日本日立公司成功开发出“单电子晶体管”量子元件，它可以控制单个电子的运动，且具有体积小，功耗低的特点(比目前功耗最小的晶体管约低1000倍)。
(4)2001年IBM公司阿曼顿实验室利用核磁共振技术建构出7位量子比特计算机，其实现思想是用离子两个自转状态作为一个量子比特，用微波脉冲作为地址。但此法还不能存储15位以上的量子单元。
(5)2003年5月《Nature》杂志发表了克服量子相关性的实验结果，对克服退相干，实现量子加密、纠错和传输在理论上起到指导作用，从此量子通信振奋人心。
(6)2004年9月，NTT物性科学研究所试制出新一代存储量子比特的新载体――“超导磁束量子位”。它可通过微波照射大幅度提高对量子比特自由度的控制，其量子态也相对容易保持。
【关键词】 超导量子比特 超导电路 量子计算 量子纠错
1 引言
量子算法解决问题的概念最早由舒尔在上世纪末引入，因其在计算复杂性理论革命性的成果，量子计算受到欢迎，但在当时认为实际建造一个量子计算机是不可能的，随后科学家发现了量子纠错等理论，希望通过这些理论实现量子计算机。文章主要讨论量子信息处理与超导量子比特物理实现，就少数重要方面讨论猜测量子计算未来方向。
2 量子计算机发展的七个阶段
开发一个量子计算机涉及几个重叠且互相连接的阶段，首先必须能控制量子系统的量子比特的有足够的长的退相干时间供系统去操作和读出，在第二阶段，小量子算法可以在逻辑量子比特上进行，作为一个实用的量子计算，这前两个阶段中，必须满足下面的五个标准[1]：
（1）可规模化的很好两能级系统（量子比特）；
（2）量子比特具有良好的制备初态的能力；
（3）与量子逻辑门操作的时间相比，量子比特具有相对较长的退相干时间。
（4）量子比特能够用来建造通用量子逻辑门；
（5）具有对量子比特进行测量的能力。
从上面的标准可以看出，量子比特的相干性是非常重要的。如果量子比特的相干性受到破坏，量子计算就会变成经典计算。第三阶段以后要求系统能够实现量子纠错，在第三阶段，实现量子非破坏测量和控制，量子非破坏测量可以利用奇偶校验纠正一些错误。第四个阶段实现更长时间的逻辑量子比特记忆，目标是实现量子存储器，量子纠错的实施，使得系统的相干性比任何组件的相干时间都长，通过量子纠错存储的逻辑量子比特的退相干时间大大超过单个量子比特退相干时间，但这个目标还未在任何实际系统中实现。最后的两个阶段是多逻辑量子比特算法和容错型量子计算，最终目标是实现容错量子信息处理，有能力在一个具有主动纠错机制逻辑量子比特做所有单量子比特操作，并且能够执行多个逻辑门之间的操作。量子信息处理的七个阶段发展。每个进步需要掌握前面的阶段，但每个也代表了一个持续的任务，必须协同别的阶段。第三阶段中的超导量子比特是唯一固态量子计算实施，目的是实现第四阶段，这个也是目前研究的重要的环节。下面我们就介绍下超导电路。
3 超导电路哈密顿量设计
超导电路（图1）基于LC振荡器，超导量子比特的操作是基于两个成熟的现象：超导性和约瑟夫森效应。超导量子比特可以描述为一个电感为约瑟夫森结，电容C和一个电感L组成的并联电路。电路中电子流的集体运动的为通过电感的通量Φ，相当于在弹簧机械振荡器质心位置。不同于纯LC谐振电路的，约瑟夫森结把电路变成一个真正的人工原子，可以选择性的从基态跃迁到激发态，当作一个量子比特。约瑟夫森结和电感并联，甚至可以取代电感，几个作为人工原子非线性振荡器组成的量子比特耦合振荡腔时，可以获得多量子比特与多腔相互作用系统的有效哈密顿量[2]的形式为
哈密顿量中指标为j表示非谐振模式的量子比特耦合指标m表示谐振腔，符号a，b和ω分别代表振幅和频率，在适当的驱动信号作用下，系统可以执行任意的量子操作，操作速度取决于非线性影响因素和，通常单量子门操作时间为5到50ns和二量子比特纠缠控制在50到500ns，忽略了腔的非简谐振动的影响。适当设计的电路，尽量的减少由于量子比特周围电介质的影响而引起的损耗，同时减少能量的辐射到其他电路环境，使得量子比特相干时间为100μs，这使得相干时间内成百上千操作成为可能。
4 目前主要的问题
目前实验规模相对较小，只有少数量子比特相互作用，且所有的系统都会在纠缠情况下发生耗散，影响系统的相干性，要实现下一阶段量子信息处理，需要通过纠错增加相干时间，因为只有在保持量子记忆状态的情况下，才能进行后来的算法计算，这要求建立新的系统，并且计算时通过利用连续测量和实时反馈进行量子纠错进而保存量子信息。
使用当前的方法来纠错，会大幅增加计算复杂性，一个比特信息往往需要几十个甚至成千上万的物理量子比特实现纠错的功能，这个对于控制和设计哈密顿量是一个巨大的挑战。此外，根据五个基本原理，在各个阶段都需要其他的硬件增加，以求得能够向下一个阶段实现，但发展到一个阶段并不是简单的大规模生产相同类型的电路和量子比特的问题。
目前制造含有大量单元晶片在实际中并不困难，毕竟超导量子比特最大的优点是目前制作晶片的技术非常的成熟。尽管如此，设计构建和操作一个超导量子计算机对于半导体集成电路或超导电子学提出了实质性的挑战，由于电路元件之间的相互作用可能会导致加热或抵消，不同部件之间的相互干扰会引发问题，引发比特错误或电路故障。
还有我们必须知道怎么设计多量子比特和控制系统的哈密顿量，这个超出当前的能力，描述一个系统纠缠的哈密顿量时，需要测量的数据指数级增大，将来必须设计构建和操作超过几十个自由度系统，这样的话，量子计算的力量，经典情况下不能被模拟出来，这也许表明大型量子处理器应该由可以单独测试和表征小模块构成。
5 量子计算的未来设计
可能要花多长时间来实现超导电路完善，未来发展中，量子纠错理论可能大大改良电路复杂度和性能限制，理论上是存在几种不同的方法，但在实际中仍然相对不成熟。
首先是量子纠错编码模型，信息编码寄存在纠缠物理量子比特中，假设发生错误，通过收集量子比特的信息，监测特定量子比特的集体属性，然后在信息发生不可逆转的损坏之前，通过特殊的门撤销之前的错误。
另一种方法是表面代码模型，大量相同的物理量子比特被连接在矩形网格中，通过特定的四个相邻的量子比特之间的联系，可以快速进行量子非破坏测量，防止整个网格发生错误。这个方法的吸引力在于只需要数量很少的不同类型的元素，一旦这个基本单元是成功的，后续的发展阶段可能只是通过相对简单的设计就能实现，而且容错率较高，即使在当前的容错水平也能达到百分之几。
第三个方法是嵌套模块模型，这里最基本的单元是逻辑记忆量子比特组成的寄存器，这个寄存器能够在进行存储量子信息的同时并进行量子纠错，另外寄存器中存在一些额外的量子比特为可以与内存其他模块通讯。通过量子比特的通信的纠缠，可以分发纠缠，最终在模块间执行通用计算。在这里，操作之间的通信部分允许有相对较高的错误率。
其他方法可能包括量子科学那些与现有标准根本不同的一些方法，上面描述的方案都是基于“量子比特寄存器模型”，需要在构建较大的能够容纳很多二能级系统的希尔伯特空间，但在原子物理领域非计算态的利用已经超出二能级的水平，被用来作为一个三比特门超导电路的捷径，在现有不引入新的错误的情况下，多能级非线性振荡器的使用能够取代多量子比特方程，这提供了一种新的设计思路。
6 结语
超导电路实现量子信息处理已经取得显著进展，同时量子纠错不在仅仅限制在理论上，复杂的量子系统真正进入一个未知的领域，但即使这个阶段成功，未来依然会有很多的挑战，经过不断的探索，实用的量子信息处理未来可能成为现实。
参考文献：
关键词:计算科学计算工具图灵模型量子计算
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12+3变换成15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1614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。1620年,冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1850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1834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。1941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100多年前巴贝奇的理想。
5电子计算机
20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1946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20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20世纪60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21世纪30年代,芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度(1纳米=10-9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21世纪前30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,1985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1024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1024位整数的质因子分解问题,大约需要28万年,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2046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40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64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
[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation[M].CambridgeUniversityPress,2000.
IBM近日庆祝在技术创新领域取得的辉煌纪录，以此庆贺公司百年华诞。IBM研制出了动态随机存储器（DRAM）、磁盘驱动器、用在信用卡上的磁条，以及其他许多发明。IBM是世界上最富有创新精神的公司之一。
但计算机行业正在迈向新的未来技术，这项新技术具有与当年推出的硅芯片一样的颠覆性和革命性，那就是量子计算。量子计算系统利用亚原子粒子的行为，处理现在由芯片上晶体管处理的计算任务。
这个未来距离今天还有10年到20年，甚至更遥远。但如果能够完全发挥量子计算的潜力，它也许会在芯片和硬件设计领域掀起一股开发热潮，让人联想起几十年前硅谷经历的那一幕。
IBM的创新副总裁兼IBM院士Bernard Meyerson说：“想一想我们如今在着手处理的改变游戏规则的技术（指量子计算）。”Meyerson的职责就是有确保世人不会仅仅认为IBM在过去100年的辉煌就是其最好的。那是他谈论芯片行业会出现变化的原因之一。
按照摩尔定律，将来这类晶体管的尺寸会比今天最先进处理器上的晶体管再缩小10倍，变得实在太小了，“以至于进入到量子力学操作的范畴――这方面根本没有先例。”
Meyerson表示，一旦现有的技术达到尺寸缩小方面的极限――大概10年后，还会设法继续取得进步，因为工程师们使用集成度很高的芯片制造紧密耦合系统，另外会在存储器、缓存和速度处理方面有所改进。
不断发展的这种势头会延长到20年，但之后，“你最好要有锦囊妙计。”Meyerson说。而其中一个锦囊妙计也许就是量子计算。
IBM研究中心的量子计算高级经理Bill Gallagher表示，IBM的研究人员多年来在研究量子计算的理论和潜力；最近他们一直在针对概念进行试验。
Gallagher说：“这是我们在眼下最重要的基础性研究项目之一，可能也是规模最大的基础性研究项目之一。”他说，“已取得了良好的进展，但还有很长一段路要走。”
普通计算机由一组二进制比特数字组成，这个比特可能是0或1。但量子比特可以同时保存0和1这两个状态。量子计算机中的处理能力可以急剧增强，而不是一个接一个地执行计算。两个量子比特（qubit）可保存4个不同的状态――这4个状态可以同时处理；三个量子比特可保存8个状态，十个量子比特可保存1024个状态。研究人员期望有朝一日，研制出有数千个量子比特的计算机。
但量子计算的亚原子世界带来了严峻挑战。要保持“量子相干性”（即运行计算的原子和电子之间相互作用保持一种稳定状态）有多种方法，包括在-273℃摄氏度的温度下进行处理（接近绝对零度），以减少热干扰；以及使用超导金属。延长可以保持相干状态的时间是研究人员面临的挑战之一。
随着研究的不断继续深入，量子计算市场正俨然形成。
关注的问题之一是，量子计算机最终能够突破密码保护技术。Security Innovation这家公司之前就一直在考虑这个问题，并研发出了公开密钥算法NTRUSign。该公司表示，这种算法能够抵御量子计算攻击。它最近获得了专利。
Security Innovation的首席科学家William Whyte说：“谁要是在制造需要十年后安全，很难升级的系统，就应该认真考虑这个问题：如果量子计算出现在世人面前，会发生什么。”
Whyte所在的公司是最早关注量子计算所带来影响的一批公司之一。
Whyte关注量子计算市场的不断发展，同时看到了业界在探索制造量子计算系统的种种想法和材料。
“我认为，你会看到非常有创意的想法迸发出来，”Whyte说；新公司如雨后春笋般地冒出来，有望“超越现有厂商”。
加拿大不列颠哥伦比亚省伯纳比的D-Wave Systems就是这样一家在制造量子计算系统的公司。D-Wave公司在上个月宣布，它已将第一套完整系统卖给了洛克希德?马丁公司。该公司的研究成果上个月还发表在了《自然》科学杂志上。
D-Wave Systems的联合创始人兼首席技术官Geordie Rose表示，经营了12年的这家公司在研制一种128量子比特的处理器，现已发展到了第23代。
量子系统旨在解决无法用传统计算机很好地处理的一类问题，如机器学习、人工智能和数理逻辑。Rose表示，这类问题需要核查数量庞大的可能性，以便找到最佳答案。
在发展的初期阶段， Rose认为创业公司具有优势。他说：“因为条条框框少得多，效率就高得多；远见卓识的人其角色重要得多。”
D-Wave这个例子还表明：即使在量子计算这个全新的领域，崛起的新兴公司也会对传统老牌公司构成新的挑战。
IBM的Myerson持有发明证书，拥有多项专利权，还为硅锗技术的研发作出了卓越贡献。
如今，Meyerson肩负在IBM促进创新的重任，他及其团队致力于提供全面的、跨学科领域的集成，以便在新领域获得重大突破，又要确保IBM有一套流程以便不断改进现有技术。
