CPU的發(fā)展與量子計算機

王博　任東飛

摘 要 隨著計算機的快速發(fā)展及普及，在各行各業(yè)的應用中都取得了巨大的成就，但從計算機技術而言，其發(fā)展過程正經(jīng)歷著一次變革。傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)不能滿足計算機發(fā)展的需求，量子計算機、光子計算機等新型計算機的研究就是該問題的解決方案，本文從CPU的制造技術為著力點，闡述計算機變革的必然性，重點講解量子計算機的理論，研發(fā)可行性及目前的發(fā)展情況，對光子計算機、生物計算機也有涉及。

關鍵詞 計算機技術；CPU制造；量子計算機；光子計算機；生物計算機

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0005-02

1 概述

計算機從1946年正式出現(xiàn)在人們的生活中，到現(xiàn)在經(jīng)歷了將近70年的發(fā)展，從5000次每秒的加法運算能力到現(xiàn)在的5.59億億次每秒的峰值計算速度；從進行簡單的科學計算到現(xiàn)在各種領域的數(shù)據(jù)處理；從單機處理到現(xiàn)在的全球網(wǎng)絡相互通信協(xié)同工作；從人工連線驅動計算到現(xiàn)在的智能化自主控制機器人的誕生；從方方面面顯示出其在人類文明發(fā)展進程中的旺盛生命力。

計算機根據(jù)使用的主要電子元件不同分為電子管計算機、晶體管計算機和集成電路計算機，后者根據(jù)其集成度（芯片中集成元件個數(shù)）分為中小規(guī)模集成電路計算機和大規(guī)模超大規(guī)模集成電路計算機。集成度目前已經(jīng)達到了19億。CPU制造技術的理論基石是通過增加集成度提高性能，芯片上的線寬尺寸要無限制縮小，極限情況下材料的物理性能將發(fā)生變化，現(xiàn)行的半導體器件將無法工作，出現(xiàn)系統(tǒng)開銷增大，系統(tǒng)不穩(wěn)定等情況。CPU的制造工藝使摩爾定律走到了盡頭。再增加集成度已經(jīng)意義不大，必須有一種新的CPU制造理論來解決。

2 目前的新理論及發(fā)展方向

1）量子計算機。1920年奧地利人愛因斯坦、薛定諤和德國人海森伯格、狄拉克共同創(chuàng)建了量子力學。對于滿足量子力學規(guī)律進行量子態(tài)運算的電子設備稱為量子計算機，從對可逆計算機的研究中發(fā)展而來，目前主要用于量子安全通信、量子搜索、大數(shù)分解等，是量子力學、計算機科學、信息科學、通訊技術的復合產(chǎn)物。用現(xiàn)行計算機需要幾個月才能分解的129位大數(shù)，量子計算機一分鐘即可破解。一旦技術實現(xiàn)，目前的密碼系統(tǒng)將無密可保，并能使人類的文明躍升到新的層次。我們在下文將詳細進行論述。

2）光子計算機。是使用光子信號來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子信號進行數(shù)據(jù)處理的計算機，使用激光器、光學反應器、透鏡、反射鏡、濾波器等設備構成。在集成的光處理單元中進行運算。主要優(yōu)勢是在介質中光子信息失真極小，能量消耗極低，不同波長、頻率、偏振態(tài)、及相位代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復雜度高計算量大的任務實現(xiàn)快速的并行處理。光處理器和光存儲技術是光子計算機研究的重要技術。計算機生成全息技術、光學信息處理是光子計算機的主要應用領域。但是，可用商業(yè)化光處理器不多，光存儲器也存在應用難、價格昂貴諸多限制。

3）生物計算機。也叫DNA分子計算機，主要是利用生物蛋白質替代半導體進行運算，其運算過程就是蛋白質分子與周圍化學介質相互作用的過程，生物酶充當轉換開關，程序在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質的結構中明顯的表示出來。由于DNA分子特異性復雜，超強的并行操作，和微小性等天然特性，具有高密信息存儲能力，良好的相容性和較強的控制能力，但目前的生物計算機受環(huán)境的干擾，計算結果難以控制，生化反應不能保證絕對成功，和電子技術結合困難，無法使其像傳統(tǒng)計算機一樣進行信息處理，只能活躍在計算技術方面。

4）其他計算機。新型的計算機還有納米計算機，神經(jīng)網(wǎng)絡計算機等。

在眾多的新型計算機中，量子計算機目前研究的成果比較豐富，具有比較大的操作可行性和商用可能性?，F(xiàn)有主要影響的是：量子點、離子阱、量子光學等設計方案，各方案都有關鍵問題需要解決。

3 量子計算機的相關理論

3.1 量子力學

3.1.1 量子力學的五個基本假設

1）量子系統(tǒng)狀態(tài)可用希爾伯空間中的態(tài)矢量描述。

2）量子系統(tǒng)的所有力學量都對應希爾伯特空間中的線性厄米算符或厄米矩陣。

3）力學量算符間有確定的對易關系，稱為量子條件，力學量算符由其對應的量子條件確定。

4）孤立量子系統(tǒng)的態(tài)矢量隨時間演化遵從薛定諤方程。

5）描述全同粒子系統(tǒng)的態(tài)矢量對于任意一對粒子進行交換是對稱（波色子）或反對稱（費米子）。

3.1.2 量子態(tài)迭加原理

量子態(tài)是可以迭加的，是幾率幅的迭加，是同一個量子體系各可能狀態(tài)的線性迭加，迭加后的態(tài)是一個新態(tài)，具有新的特性，仍然是此量子系統(tǒng)的一個可能態(tài)。

3.1.3 測不準原理

不可能對一個物理體系同時測準兩個不相容的物理量，不相容的物理量是不對移的。比如動量和坐標就是不相容的物理量，不可能同時測準量子的位置和動量。

3.1.4 量子糾纏態(tài)和貝爾不等式理論

對于兩粒子系統(tǒng)A和B，若存在態(tài)使得兩粒子系統(tǒng)的量子態(tài)可以寫成直積形式，稱量子系統(tǒng)處于直積態(tài)，否則量子系統(tǒng)處于糾纏態(tài)。貝爾基態(tài)是兩粒子系統(tǒng)的最大糾纏態(tài)。目前研究一個量子態(tài)是否糾纏，以及如何判斷量子糾纏的大小是量子信息的基礎理論研究中的重要研究方向。

3.1.5 量子幺正操作和量子邏輯門

孤立量子系統(tǒng)態(tài)矢量隨時間的動力學演化根據(jù)量子力學理論遵從薛定諤方程。幺正算符對應的變化通常稱為幺正變換或幺正操作，幺正演化通過量子邏輯門完成。根據(jù)作用量子位數(shù)目，量子邏輯門分單量子邏輯門、雙量子邏輯門和多量子邏輯門。

3.2 量子計算機的硬件系統(tǒng)研究

3.2.1 量子點系統(tǒng)

通過特殊結構的裝置把電子的3個維度都控制在100納米之內，類似于一個點狀，稱為量子點。量子點系統(tǒng)是基于固態(tài)量子計算的一種量子物理系統(tǒng)和操控模式。量子比特、量子邏輯門、量子相干性和量子測量實驗中都已實現(xiàn)，半導體量子點作為量子計算機基本元器件是目前可行道路。endprint

3.2.2 離子阱系統(tǒng)

基于量子光學的量子計算系統(tǒng)，利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制電子運動，將其局限在某個小范圍內進行操作。目前有線性離子阱、多元離子阱、晶格離子阱、基于光子中介離子阱多種方案，由多國不同的科學小組進行研究。

3.2.3 量子光學系統(tǒng)

量子光學最初是從量子電動力學理論中發(fā)展、演變而來。根據(jù)有關光的量子理論來研發(fā)的量子計算機硬件系統(tǒng)稱為量子光學系統(tǒng)。目前光的量子理論尚不完善，但已取得了一系列重大進展?？茖W家成功使兩個光量子的糾纏態(tài)達到創(chuàng)紀錄的103維，在開發(fā)量子計算機方面取得重大進展。

4 量子計算機的研究狀況

1）1982年：諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出量子計算機的概念。

2）1994年：量子計算機研究正式開始，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾證明利用量子計算機可用隨位數(shù)呈多項式增長的運算次數(shù)實現(xiàn)分解大數(shù)。從根本上動搖了當代密鑰的安全基礎，成為各國政府和工業(yè)界關注的熱點。

3）1995年，量子搜索算法，證明了量子計算機中對無序數(shù)據(jù)庫進行搜索可以平方根加速。

4）1997年：開始進行實用量子計算機實驗研究，對相應物理系統(tǒng)的性質和干預能力提出以下要求。

①系統(tǒng)的量子體系基本單元是兩能級的。

②系統(tǒng)能夠歸零操作（初態(tài)制備）。

③能對單個量子比特實施任意單量子的幺正操作。

④可以有效監(jiān)測量子演化終態(tài)。

⑤量子相干時間應滿足操作要求。

5）2005年：世界第一臺量子計算機原型在美國誕生，他基本符合量子力學的全部本質特性。

6）2007年：加拿大D-波公司研制成功16位量子比特的超導量子計算機。

7）2009年：世界第一臺通用編程量子計算機在美國國家標準技術研究院誕生。

8）2010年：美國哈佛大學和澳洲昆士蘭大學的科學家利用量子計算機準確算出了氫分子所含的能量。同年3月德國于利希研究院中心發(fā)表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。

9）2011年5月：德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科學家格哈德·瑞普領導的科研小組，首次成功的實現(xiàn)了用單原子存儲量子信息。

10）2012年12月：塞爾日·阿羅什和戴維·維因蘭，由于“獨立發(fā)明和發(fā)展了測量和操縱單個粒子的同時，又保持其量子性質的方法”而獲得2012年諾貝爾物理獎。

11）2013年5月：谷歌公司和美國國家航空航天局聯(lián)手購入全球僅有的第二臺D-波商用量子計算機，將建立一個專門實驗室致力于借助量子計算推動人工智能領域的諸多課題。但是該計算機只是模擬設備，用冷卻到接近絕對零度的超導線路上的電流方向來模擬量子的自旋態(tài)，雖然計算機的速度不是很快，但的確是利用量子效應運行的，并非一臺通用量子計算機，是可編程的量子模擬實驗機。

5 結論

目前，在少數(shù)幾個量子比特的物理體系中，人們已經(jīng)成功地演示了量子計算的基本原理、邏輯門操作、量子編碼和簡單的量子算法，證實量子計算機實現(xiàn)不存在原則性的困難。并且已經(jīng)在離子阱系統(tǒng)中實現(xiàn)多達16個量子比特的操控。預計在未來5-10年隨著材料學和量子科學的發(fā)展，必然會出現(xiàn)實質性技術突破，真正的量子計算機將會出現(xiàn)在我們的世界中，將人類的文明提升到新的高度。

參考文獻

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