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量子計(jì)算發(fā)展前景范文第1篇

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，支配計(jì)算機(jī)領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)44年之久的摩爾定律已經(jīng)逐漸失效。讓我們最為擔(dān)憂的是在摩爾定律之后計(jì)算機(jī)領(lǐng)域會(huì)發(fā)生怎樣的變革。我們可以通過(guò)從根本上改變芯片的涉及、尋找替代硅的新材料或者改變目前的計(jì)算框架。其中一種框架就是基于日前獲得2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的拓?fù)湎嘧兝碚摗Ｍ負(fù)浣^緣體就是拓?fù)洳牧系囊环N，其在量子計(jì)算機(jī)中具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。本文將重點(diǎn)關(guān)注拓?fù)浣^緣體器件在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用前景，從專利和期刊文獻(xiàn)的角度，對(duì)其發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：拓?fù)浣^緣體；量子反?；魻栃?yīng)；量子計(jì)算機(jī)；應(yīng)用發(fā)展

1.引言

拓?fù)湮飸B(tài)目前而言是一個(gè)內(nèi)容豐富并且蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，作為先驅(qū)者，索利斯、霍爾丹和科斯特利茲獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是實(shí)至名歸。最早索利斯和他的合作者提出采用“陳數(shù)”（華人數(shù)學(xué)家陳省身提出的概念）來(lái)理解量子霍爾效應(yīng)，隨后霍爾丹建立的量子反常霍爾效應(yīng)模型則以巧妙的方式實(shí)現(xiàn)了非零陳數(shù)。然而這個(gè)模型一直未得到足夠的重視，直到近年來(lái)清華大學(xué)薛啟坤教授等課題組在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體和其它拓?fù)洳牧现械膶?shí)驗(yàn)中才被得以證實(shí)。

2.拓?fù)浣^緣體的理論發(fā)展

2004年Geim和Novoselov制備出單原子層的石墨烯，2005年Kane和Mele在單層石墨烯模型中引入自旋軌道耦合作用替代原先假想周期磁場(chǎng)，從而發(fā)現(xiàn)了與量子霍爾系統(tǒng)不同的時(shí)間反演不變拓?fù)浣^緣體，也稱作Z2拓?fù)浣^緣體[1]。首晟通過(guò)其它理論獨(dú)立的提出了量子自旋霍爾效應(yīng)[2]。三維拓?fù)浣^緣體的體能帶在費(fèi)米能級(jí)處具有能隙，在其表面卻具有無(wú)能隙的表面態(tài)。這種表面態(tài)的能量-動(dòng)量色散關(guān)系具有類似于石墨烯電子態(tài)的二維狄拉克錐形結(jié)構(gòu)。和石墨烯不同的是，這種表面態(tài)除了狄拉克點(diǎn)之外都是自旋極化的（如圖1c），因此有可能直接產(chǎn)生自旋相關(guān)的效應(yīng)，這為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了全新的思路。Z2拓?fù)浣^緣體概念的提出使得人們很快發(fā)現(xiàn)大量材料屬于這一類拓?fù)浣^緣體。這大大拓寬了拓?fù)洳牧虾托?yīng)的研究范圍，使得人們看到了拓?fù)浣^緣體在未來(lái)應(yīng)用的發(fā)展前景。

左圖箭頭表示電流方向，右圖箭頭表示自旋方向。

自旋量子霍爾效應(yīng)和霍爾效應(yīng)一樣，電子在塊體的邊界上游走。霍爾效應(yīng)里電子在某一個(gè)邊界上只沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)（如圖1），但是在自旋量子霍爾效應(yīng)中，每一個(gè)邊界上有兩條邊界態(tài)構(gòu)成的能帶，每有一個(gè)（k，+）態(tài)，那么有一個(gè)另一個(gè)能帶上對(duì)應(yīng)的（-k，-）態(tài)，這里的+-代表自旋。因此電子同時(shí)具有沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，也有沿反方向運(yùn)動(dòng)的。它們數(shù)目相等從而沒(méi)有凈電流，也就是沒(méi)有霍爾電導(dǎo)。但是這兩種沿不同方向傳導(dǎo)的電子的自旋方向相反，因此有凈自旋流，而且類似于霍爾效應(yīng)，這個(gè)自旋流的電導(dǎo)是量子化的，因此稱為自旋量子霍爾效應(yīng)。自旋量子霍爾效應(yīng)和量子霍爾效應(yīng)的區(qū)別就是，沒(méi)有外加磁場(chǎng)。如果有外加磁場(chǎng)體系的時(shí)間反演對(duì)稱性被破壞，這個(gè)時(shí)候自旋量子霍爾效應(yīng)不再存在。

自旋量子霍爾效應(yīng)體系材料則是拓?fù)浣^緣體中的一種。自旋量子霍爾效應(yīng)中每個(gè)邊界上有兩個(gè)邊界能帶，這兩個(gè)能帶的手性是一樣的，因此會(huì)出現(xiàn)自旋量子霍爾效應(yīng)，但是假設(shè)我們一個(gè)邊界上有四個(gè)能帶，其中兩個(gè)能帶的手性一樣，但是另兩個(gè)能帶的手性不一樣，那么此時(shí)沿邊界上一個(gè)方向走的電子自旋可以為正，也可以為負(fù)，兩者數(shù)目相等，相消。此時(shí)既沒(méi)有電流，也沒(méi)有自旋流。因此是另一種絕緣體。這兩種絕緣體的不同是由于它們能帶的拓?fù)湫再|(zhì)不同。這里所說(shuō)的是就是二維拓?fù)涞那樾巍Ｍㄋ讈?lái)講就是塊體內(nèi)部的電子是絕緣態(tài)，而邊緣電子由于可以隧穿能帶間的帶隙，因而邊緣態(tài)是導(dǎo)電的。

3.拓?fù)浣^緣體在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用發(fā)展

由著名物理學(xué)家費(fèi)曼于1982年在一個(gè)公開(kāi)演講中提出了利用量子計(jì)算體系實(shí)現(xiàn)計(jì)算的新奇想法，并由英國(guó)物理學(xué)家杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)物理學(xué)家塞爾日?阿羅什和美國(guó)物理學(xué)家戴維?瓦恩蘭，以表彰他們?cè)诹孔游锢韺W(xué)方面的卓越研究。

清華大學(xué)于2012年12月21日申請(qǐng)的專利201210559480.6中提出一種包括磁性摻雜拓?fù)浣^緣體量子阱薄膜器件，薄膜的材料Cry（BixSb1-x）2-yTe3，其中Cr引入的空穴型載流子和Bi引入的電子型載流子相互抵消，從而宏觀上具有量子反?；魻栃?yīng)。

而在2013年麻省理工學(xué)院的科學(xué)家在《Nature Communications》上發(fā)表文章[3]，稱可以在特定條件下，將石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浣^緣體，為量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)提供了新的思路。這表明石墨烯型拓?fù)浣^緣體在量子計(jì)算機(jī)中具有極大的潛在價(jià)值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申請(qǐng)的專利201610291358.3中提出具有量子反?；魻栃?yīng)的材料和由其形成的霍爾器件。器件包括拓?fù)浣^緣體基材，摻雜到基材中的三種元素分別引入電子型載流子、空穴型載流子和磁性，從而形成雙磁性摻雜拓?fù)浣^緣體。其中拓?fù)浣^緣體基材采用的是Sb2Te3材料。上述發(fā)現(xiàn)為低能耗的電子器件如晶體管的制造并最終促成全拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了元器件基礎(chǔ)。

從最近的專利與文獻(xiàn)分析中可以看出，目前的研究重點(diǎn)主要集中在中美等科研強(qiáng)國(guó)，其從自然界存在的石墨烯到人工合成的拓?fù)洳牧?，再到各種基于拓?fù)浣^緣體的元器件都有一定的研究基礎(chǔ)。

4.結(jié)論

盡管拓?fù)浣^緣體以及量子反常霍爾效應(yīng)的相關(guān)理論研究已經(jīng)日漸成熟，但是其在元器件上的應(yīng)用仍然具有十分長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。并且通過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)在量子反常霍爾效應(yīng)領(lǐng)域的發(fā)明專利的申請(qǐng)量非常少，由此可見(jiàn)，在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，拓?fù)浣^緣體以及量子反?；魻栃?yīng)的相關(guān)元器件專利布局的競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，在新一代計(jì)算機(jī)―量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)領(lǐng)域，我們還有很長(zhǎng)的路要走。

參考文獻(xiàn)

[1] Kane C L， Mele E J， Quantum spin Hall effect in Graphene， Physical Review Letters， 95， 226801（2005）.

量子計(jì)算發(fā)展前景范文第2篇

多年來(lái)雖然摩爾定律已走到極限的說(shuō)法不絕于耳，但是半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步卻從來(lái)沒(méi)有停止。目前特征尺寸32nm的半導(dǎo)體工藝已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不斷縮小工藝尺寸的同時(shí)，結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)也在進(jìn)行。2011年5月4日，Intel宣布經(jīng)過(guò)近十年的研究，在半導(dǎo)體技術(shù)上取得革命性突破，將推出被稱為三柵極（Tri-Gate）的全新3D架構(gòu)晶體管設(shè)計(jì)，并將在年內(nèi)開(kāi)始批量制造。傳統(tǒng)的二位平面柵極結(jié)構(gòu)被豎起的3D硅鰭狀物代替，實(shí)現(xiàn)在晶體管在“關(guān)”狀態(tài)下的低功耗，并可實(shí)現(xiàn)“開(kāi)”、“關(guān)”狀態(tài)的快速切換，從而可以實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的電子器件。

多核處理器的成熟

2006年出現(xiàn)的雙核處理器標(biāo)志著以主頻論英雄的年代正式結(jié)束開(kāi)始，處理器領(lǐng)域已進(jìn)入一個(gè)多核時(shí)代，無(wú)論是業(yè)界巨 擘Intel還是AMD都已經(jīng)明確表示，今后CPU將會(huì)是雙核乃至多核的世界。多核設(shè)計(jì)為摩爾定律帶來(lái)了新的生命力，在保持較低的時(shí)鐘頻率的同時(shí)，提高并行處理能力和計(jì)算密度，大大減少了散熱和功耗。多核處理器提供了高性價(jià)比和高效節(jié)能的新途徑，可以緩解當(dāng)今處理器設(shè)計(jì)所面臨的各種挑戰(zhàn)。多核處理器是已成為主流處理器的發(fā)展趨勢(shì)。

由于多核技術(shù)仍然是基于傳統(tǒng)的“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu)，處理器內(nèi)核數(shù)量的增加并沒(méi)有緩解并行處理技術(shù)中算法并行化、并行編程的難題，多核的性能并不能充分發(fā)揮。因此近年來(lái)內(nèi)核數(shù)量增加的速度有所減緩，集成多種功能電路的混合異構(gòu)多核成為流行的結(jié)構(gòu)，目前Intel的酷睿二代處理器采用四核結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成顯示芯片。

超級(jí)計(jì)算機(jī)從高性能到高效能轉(zhuǎn)變

國(guó)外歷來(lái)強(qiáng)調(diào)高性能計(jì)算器在國(guó)家安全關(guān)鍵領(lǐng)域的戰(zhàn)略作用。美國(guó)早年提出的“加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新”（ASCI）計(jì)劃，其目的就是在全球全面禁止核試驗(yàn)的情況下，美國(guó)能夠繼續(xù)保持它的核威懾能力和核壟斷地位。主要的手段是利用數(shù)學(xué)方程和三維建模仿真核武器的爆炸效果，確?，F(xiàn)有庫(kù)存核武器的性能、安全和可靠性。從1997年到2007年，為ASCI計(jì)劃專門(mén)研制的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，已經(jīng)經(jīng)歷了五代，2004年達(dá)到100萬(wàn)億次，2010年達(dá)到1000萬(wàn)億次量級(jí)的高性能計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)2015年達(dá)到萬(wàn)萬(wàn)億次以上量級(jí)。我國(guó)的“天河一號(hào)”目前名列超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜首，速度高達(dá)4700萬(wàn)億次。

除了性能的不斷提高，計(jì)算機(jī)處理的效能也在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域逐步得到重視。據(jù)估算，一臺(tái)持續(xù)千萬(wàn)億次計(jì)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要專門(mén)建設(shè)發(fā)電站，每年的電費(fèi)開(kāi)銷可能高達(dá)1億元以上。根據(jù)超級(jí)計(jì)算機(jī)世界500強(qiáng)排行榜重新排序的綠色500強(qiáng)排行榜中，IBM的超級(jí)計(jì)算機(jī)排名榜首，功耗效率達(dá)到1684Mflops/瓦，“天河一號(hào)”排在第十位，為635 Mflops/瓦。

不斷探索采用新器件、新原理的計(jì)算機(jī)

以硅晶體管為基本單元的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在小型化的過(guò)程中將逐步接近其物理極限。研究表明，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的快慢與芯片之間信號(hào)傳輸?shù)乃俣戎苯酉嚓P(guān)，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在傳輸信號(hào)的過(guò)程中會(huì)吸收掉一部分信號(hào)，從而延長(zhǎng)了信息傳輸?shù)臅r(shí)間。

據(jù)報(bào)道，美國(guó)紐約倫斯雷爾·保利技術(shù)公司的科學(xué)家發(fā)明了一種利用空氣的絕緣性能來(lái)成倍地提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的新技術(shù)：芯片或晶體管之間由膠滯體包裹的導(dǎo)線連接，“空氣膠滯體”導(dǎo)線幾乎不吸收任何信號(hào)，因而能夠更迅速地傳輸各種信息，可以成倍地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。

將納米技術(shù)與計(jì)算機(jī)制造技術(shù)相結(jié)合的納米計(jì)算機(jī)（Nanometer Computer）也是很有發(fā)展前景?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積不過(guò)數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。專家預(yù)測(cè)，10年后納米技術(shù)將會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

此外，以生物計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)為代表的新概念計(jì)算機(jī)研究也非常引人注目。

生物計(jì)算機(jī)（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成（所以又稱分子計(jì)算機(jī)）。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，運(yùn)算速度比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十分之一，并且擁有巨大的存儲(chǔ)能力。由于蛋白質(zhì)分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能自動(dòng)修復(fù)芯片發(fā)生的故障，還能模仿人腦的思考機(jī)制。

美國(guó)已研制出生物計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)入實(shí)用階段。

光子計(jì)算機(jī)（Optical Computer）

光子計(jì)算機(jī)利用光作為信息的傳輸媒體。由于光子具有電子所不具備的頻率及偏振特征，從而大大提高了傳載信息的能力。此外，光信號(hào)傳輸根本不需要導(dǎo)線，即使在光線交匯時(shí)也不會(huì)互相干擾、互相影響。一塊直徑僅2厘米的光棱鏡可通過(guò)的信息比特率可以超過(guò)全世界現(xiàn)有全部電纜總和的300多倍。光腦還具有與人腦相似的容錯(cuò)性，如果系統(tǒng)中某一元件遭到損壞或運(yùn)算出現(xiàn)局部錯(cuò)誤時(shí)，并不影響最終的計(jì)算結(jié)果。目前光腦的許多關(guān)鍵技術(shù)，如光存儲(chǔ)技術(shù)、光存儲(chǔ)器、光電子集成電路（OIC）等都已取得突破?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)，光子計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步研制將是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的重大課題。

量子計(jì)算機(jī)（Quantum Computer）

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算, 其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的PentiumⅢ晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國(guó)家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。

量子計(jì)算發(fā)展前景范文第3篇

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)；體系結(jié)構(gòu)；發(fā)展局限

0 引言

1946年世界上誕生第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC，拉開(kāi)了人類計(jì)算機(jī)發(fā)展的序幕，經(jīng)過(guò)60余的發(fā)展已經(jīng)成為人類工作和生活不可缺少的一部分，它是科技發(fā)展史上最具影響力的成果。

然而，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展所遵循的基本結(jié)構(gòu)形式始終是馮?諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“程序存儲(chǔ)，共享數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行”，需要CPU從存儲(chǔ)器取出指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，因此CPU與共享存儲(chǔ)器間的信息交換的速度成為影響系統(tǒng)性能的主要因素，而信息交換速度的提高又受制于存儲(chǔ)元件的速度、存儲(chǔ)器的性能和結(jié)構(gòu)等諸多條件。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在數(shù)值處理方面已經(jīng)到達(dá)較高的速度和精度，而隨著非數(shù)值處理應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ?jì)算機(jī)性能的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)已經(jīng)難以到達(dá)這些要求，所以需要尋求新的體系結(jié)構(gòu)來(lái)解決問(wèn)題。

1 馮?諾依曼體系計(jì)算機(jī)發(fā)展的局限

1.1 集成電路生產(chǎn)技術(shù)制約存儲(chǔ)器的性能，存儲(chǔ)器的性能制約系統(tǒng)的性能

傳統(tǒng)馮?諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)程序方式造成了系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的依賴，CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器的速度制約了系統(tǒng)運(yùn)行的速度。集成電路IC芯片的技術(shù)水平?jīng)Q定了存儲(chǔ)器及其他硬件的性能。為了提高硬件的性能，以英特爾公司為代表的芯片制造企業(yè)在集成電路生產(chǎn)方面做出了極大的努力，且獲得了巨大的技術(shù)成果?，F(xiàn)在每隔18個(gè)月IC的集成度翻一倍，性能也提升一倍，產(chǎn)品價(jià)格降低一半，這就是所謂的“摩爾定律”。這個(gè)規(guī)律已經(jīng)持續(xù)了40多年，估計(jì)還將延續(xù)若干年。然而，電子產(chǎn)品面臨的二個(gè)基本限制是客觀存在的：光的速度和材料的原子特性。首先，信息傳播的速度最終將取決于電子流動(dòng)的速度，電子信號(hào)在元件和導(dǎo)線里流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，頻率過(guò)高會(huì)造成信號(hào)畸變，所以元件的速度不可能無(wú)限的提高直至達(dá)到光速。第二，計(jì)算機(jī)的電子信號(hào)存儲(chǔ)在以硅晶體材料為代表晶體管上，集成度的提高在于晶體管變小，但是晶體管不可能小于一個(gè)硅原子的體積。隨著半導(dǎo)體技術(shù)逐漸逼近硅工藝尺寸極限，摩爾定律原導(dǎo)出的規(guī)律將不再適用。

現(xiàn)在集成電路中兩個(gè)晶體管之間的距離只有22納米，相當(dāng)于只有100個(gè)硅原子那么大了。可以推測(cè)將來(lái)會(huì)有15納米，7.7納米，5.4納米，可能2023年做到2.7納米，2030年0.9納米。0.9納米只有4個(gè)硅原子那么大，4個(gè)硅原子不可能構(gòu)成實(shí)用的晶體管，可以確定2030年以前硅材料為代表的IC技術(shù)到達(dá)發(fā)展極限。

因此，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)硬件的發(fā)展屆時(shí)將受到嚴(yán)重制約，需要從基礎(chǔ)物理、材料科學(xué)及生產(chǎn)技術(shù)多方面來(lái)重新思考計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)成，更需要從體系結(jié)構(gòu)方面有所創(chuàng)新。

1.2 對(duì)馮?諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)缺陷的分析

（1）指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，形成系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的過(guò)分依賴。如果儲(chǔ)存器件的發(fā)展受阻，系統(tǒng)的發(fā)展也將受阻。

（2）指令在存儲(chǔ)器中按其執(zhí)行順序存放，由指令計(jì)數(shù)器PC指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址。然后取出指令執(zhí)行操作任務(wù)。所以指令的執(zhí)行是串行。影響了系統(tǒng)執(zhí)行的速度。

（3）存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)的線性編址，按順序排列的地址訪問(wèn)，利于存儲(chǔ)和執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言指令，適用于作數(shù)值計(jì)算。但是高級(jí)語(yǔ)言表示的存儲(chǔ)器則是一組有名字的變量，按名字調(diào)用變量，不按地址訪問(wèn)。機(jī)器語(yǔ)言同高級(jí)語(yǔ)言在語(yǔ)義上存在很大的間隔，稱之為馮?諾依曼語(yǔ)義間隔。消除語(yǔ)義間隔成了計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨的一大難題。

（4）馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)是為算術(shù)和邏輯運(yùn)算而誕生的，目前在數(shù)值處理方面已經(jīng)到達(dá)較高的速度和精度，而非數(shù)值處理應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展緩慢，需要在體系結(jié)構(gòu)方面有重大的突破。

（5）傳統(tǒng)的馮?諾依曼型結(jié)構(gòu)屬于控制驅(qū)動(dòng)方式。它是執(zhí)行指令代碼對(duì)數(shù)值代碼進(jìn)行處理，只要指令明確，輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，啟動(dòng)程序后自動(dòng)運(yùn)行而且結(jié)果是預(yù)期的。一旦指令和數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，機(jī)器不會(huì)主動(dòng)修改指令并完善程序。而人類生活中有許多信息是模糊的，事件的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)果是不能預(yù)期的，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的智能是無(wú)法應(yīng)對(duì)如此復(fù)雜任務(wù)的?？梢?jiàn)計(jì)算機(jī)從自動(dòng)機(jī)器到自為機(jī)器還有很遙遠(yuǎn)的路要走。

2 非馮?諾依曼體系計(jì)算機(jī)的發(fā)展

2.1 非馮?諾依曼體系計(jì)算機(jī)研究的主要線路

近幾年來(lái)人們努力謀求突破傳統(tǒng)馮?諾依曼體制的局限，各類非諾依曼化計(jì)算機(jī)的研究如雨后春筍蓬勃發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）對(duì)傳統(tǒng)馮?諾依曼機(jī)進(jìn)行改良，如傳統(tǒng)體系計(jì)算機(jī)只有一個(gè)處理部件是串行執(zhí)行的，改成多處理部件形成流水處理，依靠時(shí)間上的重疊提高處理效率。

（2）由多個(gè)處理器構(gòu)成系統(tǒng)，形成多指令流多數(shù)據(jù)流支持并行算法結(jié)構(gòu)。這方面的研究目前已經(jīng)取得一些成功。

（3）否定馮?諾依曼機(jī)的控制流驅(qū)動(dòng)方式。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)工作方式的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)，只要數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，有關(guān)的指令就可并行地執(zhí)行。這是真正非諾依曼化的計(jì)算機(jī)，這樣的研究還在進(jìn)行中，已獲得階段性的成果，如神經(jīng)計(jì)算機(jī)。

（4）徹底跳出電子的范疇，以其它物質(zhì)作為信息載體和執(zhí)行部件，如光子、生物分子、量子等。眾多科學(xué)家正為進(jìn)行這些前瞻性的研究。

2.2 具有代表性的非馮?諾依曼體系計(jì)算機(jī)研究方向如下

2.2.1 光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計(jì)算機(jī)。

歐洲科學(xué)家研制成功第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)行速度比普通的電子計(jì)算機(jī)快1000倍。電子計(jì)算機(jī)是由電子來(lái)存儲(chǔ)傳遞和處理信息，光子計(jì)算機(jī)利用激光來(lái)傳送信號(hào)，靠激光束進(jìn)入反射鏡和透鏡組成的陣列進(jìn)行運(yùn)算處理，它可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理，這遠(yuǎn)勝通過(guò)電子“0”、“1”狀態(tài)變化進(jìn)行的運(yùn)算。光子計(jì)算機(jī)在圖像處理、目標(biāo)識(shí)別和人工智能等方面發(fā)展的潛力巨大。

2.2.2 量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。半導(dǎo)體靠控制集成電路來(lái)記錄和運(yùn)算信息，量子電腦則希望控制原子或小分子的狀態(tài)，記錄和運(yùn)算信息。使用量子門(mén)替代晶體管邏輯門(mén)的功能。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得?秀爾（Peter Shore）證明量子計(jì)算機(jī)能完成對(duì)數(shù)運(yùn)算，而且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。這是因?yàn)榱孔硬幌癜雽?dǎo)體只能記錄0與1，可以同時(shí)表示多種狀態(tài)。如果把半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)比成單一樂(lè)器，量子計(jì)算機(jī)就像交響樂(lè)團(tuán)，一次運(yùn)算可以處理多種不同狀況，因此，一個(gè)40位元的量子計(jì)算機(jī)，就能解開(kāi)1024位元的電子計(jì)算機(jī)花上數(shù)十年解決的問(wèn)題。

2.2.3 神經(jīng)計(jì)算機(jī)

神經(jīng)計(jì)算機(jī)是模仿人的大腦判斷能力和適應(yīng)能力，并具有可并行處理多種數(shù)據(jù)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織和容錯(cuò)自修復(fù)功能。神經(jīng)計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)最大的不同是：電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)部件和處理部件是兩個(gè)不同的部分，而模仿大腦神經(jīng)記憶的信息存放在神經(jīng)元上，神經(jīng)元又是處理信息的基本單元，所以二者是不可分的。

目前，美國(guó)科學(xué)家研究出左腦和右腦兩個(gè)神經(jīng)塊連接而成的神經(jīng)電子計(jì)算機(jī)。右腦為經(jīng)驗(yàn)功能部分，有1萬(wàn)多個(gè)神經(jīng)元，適于圖像識(shí)別；左腦為識(shí)別功能部分，含有100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，用于存儲(chǔ)單詞和語(yǔ)法規(guī)則。它能識(shí)別文字，符號(hào)，圖形，語(yǔ)言以及聲納和雷達(dá)收到的信號(hào)，控制智能機(jī)器人，進(jìn)行智能決策和智能指揮等。神經(jīng)計(jì)算機(jī)它可能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)從自動(dòng)運(yùn)行走向自覺(jué)和自為工作，這將是人工智能發(fā)展的主攻方向。

3 結(jié)論

馮?諾依曼計(jì)算機(jī)的發(fā)展的硬件基礎(chǔ)受到集成電路生產(chǎn)技術(shù)的制約，結(jié)構(gòu)體系上存儲(chǔ)控制流驅(qū)動(dòng)任務(wù)的方式，已經(jīng)滿足不了人們對(duì)計(jì)算機(jī)更高速、更智能和使用更方便的要求。結(jié)構(gòu)改良之路已經(jīng)走到盡頭，只有突破現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)的制約并尋求新的物質(zhì)作為計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，才能使得計(jì)算機(jī)有質(zhì)的飛躍，光子計(jì)算機(jī)和神經(jīng)計(jì)算機(jī)將是最具發(fā)展前景的探索。

馮?諾依曼計(jì)算機(jī)是全人類智慧的結(jié)晶，由于技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、軟件豐富及人們的使用習(xí)慣，馮?諾依曼計(jì)算機(jī)將繼續(xù)長(zhǎng)期在人類的工作和生活中發(fā)揮重要的作用。當(dāng)然，未來(lái)會(huì)有商品化的非馮?諾依曼計(jì)算機(jī)問(wèn)世，我們將會(huì)迎來(lái)一個(gè)各類型計(jì)算機(jī)百花爭(zhēng)艷的信息時(shí)代。

【參考文獻(xiàn)】

[1]白中英.計(jì)算機(jī)組成原理[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

量子計(jì)算發(fā)展前景范文第4篇

本世紀(jì)初興起了納米科技，促進(jìn)其到來(lái)的是由于微電子小型化的發(fā)展趨勢(shì)，推動(dòng)科技發(fā)展進(jìn)入納米時(shí)代，不僅電子學(xué)將進(jìn)入納電子學(xué)領(lǐng)域，物理學(xué)進(jìn)入介觀物理領(lǐng)域，各類科技，包括生物醫(yī)學(xué)等都在探索納米結(jié)構(gòu)與特性。涂層和表面改性越來(lái)越多地增加了納米科技的內(nèi)容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術(shù)的主流，將迅速地改變傳統(tǒng)制造技術(shù)的方法、理論和觀念，作為現(xiàn)今國(guó)際上的制造大國(guó)，世界加工廠，我們更應(yīng)該注意研究制造技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)。

1突破傳統(tǒng)制造技術(shù)的觀念

納米科技研究的內(nèi)容主要是在原子、分子尺度上構(gòu)造材料和器件，測(cè)量表征其結(jié)構(gòu)和特性，探索、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律和應(yīng)用領(lǐng)域。與我們熟悉傳統(tǒng)的相比，納米材料和器件具有顯著的維數(shù)效應(yīng)和尺寸效應(yīng)。近幾年來(lái)，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結(jié)構(gòu)和特性測(cè)量、表征上取得了顯著成果。接下來(lái)深入到納米線、納米管和納米帶的研究，出現(xiàn)了一些成功有效的制造方法，發(fā)現(xiàn)了一些驚人的結(jié)構(gòu)和特性。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了納米復(fù)合材料的研究，展現(xiàn)了非常有希望的應(yīng)用前景。近來(lái)人們?cè)诩{米科技初期成果的基礎(chǔ)上挑戰(zhàn)某些產(chǎn)品的傳統(tǒng)加工技術(shù)，比如Al組件的快速加工。

T.B.Sercombe等人報(bào)道了快速加工鋁(Al)組件的新方法，這個(gè)方法的主要特征是用快速成型技術(shù)先形成樹(shù)脂鍵合件，然后在氮?dú)夥罩蟹纸馄滏I和第二次滲入鋁合金。在熱處理過(guò)程中，鋁與氮反應(yīng)形成氮化鋁骨架，在滲透過(guò)程中得到剛體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，這個(gè)過(guò)程是簡(jiǎn)單的快速的，可以制造任何復(fù)雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過(guò)程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡像，再滲入Al時(shí)將形成密實(shí)結(jié)構(gòu)。(c)是燒結(jié)的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強(qiáng)度都達(dá)到了傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的水平。他們還制作了公斤重量多種結(jié)構(gòu)的樣品。這是一種冶金技術(shù)的探索，開(kāi)辟了一種新的冶金和制造技術(shù)途徑。

2納米材料的完美定律

描述材料結(jié)構(gòu)的常用術(shù)語(yǔ)是原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。原子結(jié)構(gòu)的主要參量是晶格常數(shù)、鍵長(zhǎng)、鍵角；電子結(jié)構(gòu)的主要參量是能帶、量子態(tài)、分布函數(shù)。對(duì)于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數(shù)，但對(duì)于納米體系，多數(shù)參量隨著原子數(shù)量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個(gè)重要規(guī)律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡(jiǎn)單語(yǔ)言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數(shù)規(guī)則，即含有13、55、147…等數(shù)量原子的原子團(tuán)是穩(wěn)定的，對(duì)于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對(duì)于碳59或碳71等結(jié)構(gòu)體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當(dāng)初能在大量的富勒烯中首先發(fā)現(xiàn)碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。對(duì)于一維納米結(jié)構(gòu)，包括納米管和納米線，存在類似的規(guī)則。可以模型上認(rèn)為是由殼層構(gòu)成的，每個(gè)殼層中更精細(xì)的結(jié)構(gòu)稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結(jié)構(gòu)，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結(jié)構(gòu)，等等，構(gòu)成最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這是一維納米結(jié)構(gòu)的魔數(shù)規(guī)則。對(duì)二維納米膜存在類似的缺陷熔化規(guī)則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過(guò)臨界值，缺陷自發(fā)產(chǎn)生，完全破壞二維晶態(tài)結(jié)構(gòu)。上述這些低維結(jié)構(gòu)特征是完美定律的具體表述，進(jìn)步普遍表述理論是正在研究中的課題。

完美定律是我們討論涂層材料的出發(fā)點(diǎn)，因?yàn)榧{米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過(guò)程中，方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)額高、成本低是最有競(jìng)爭(zhēng)力的?？梢韵胂?，制造成本很高的材料和器件能有市場(chǎng)，一定是不計(jì)成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會(huì)需求。因此在我們探索納米材料制造時(shí)，首先考慮的應(yīng)是滿足完美定律的技術(shù)，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術(shù)，電化學(xué)沉積法制備金屬納米線陣列技術(shù)，以及電爐燒結(jié)法制造氧化物納米帶技術(shù)等等。

3涂層納米材料將給我們帶來(lái)什么?

涂層納米材料是納米科技領(lǐng)域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結(jié)構(gòu)，或者是低維納米材料填充的復(fù)合結(jié)構(gòu)。兩者都比傳統(tǒng)材料有驚人的結(jié)構(gòu)和特性。如新型高效光電池、各向異性結(jié)構(gòu)材料、新型面光源材料等，這里舉例介紹基于熱電效應(yīng)的新型納米熱電變換材料。

熱電效應(yīng)器件的代表是熱電偶，即利用不同導(dǎo)體接觸的溫差電現(xiàn)象進(jìn)行溫度測(cè)量的器件?；跓犭娦?yīng)可以制成兩類器件：熱產(chǎn)生電和電產(chǎn)生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發(fā)電，如將焦電材料涂于內(nèi)燃機(jī)缸表面，利用缸體溫度高于環(huán)境幾百度的溫差發(fā)電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無(wú)污染，沒(méi)有活動(dòng)部件，長(zhǎng)壽命，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應(yīng)用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結(jié)構(gòu)能否解決熱電效應(yīng)的效率問(wèn)題。認(rèn)為用量子點(diǎn)超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級(jí)分裂，有利于載流子的共振輸運(yùn)和降低晶格熱傳導(dǎo)，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報(bào)告了量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)的熱-電效應(yīng)器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點(diǎn)超晶格(QDSL)結(jié)構(gòu)，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結(jié)構(gòu)和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長(zhǎng)5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導(dǎo)而形成這同結(jié)接觸，用一根細(xì)金屬線與熱槽連接。當(dāng)如圖2(a)所示加電流源時(shí)，將致冷降溫。對(duì)于這種納米線超晶格結(jié)構(gòu)，由于量子限制效應(yīng)，發(fā)生間隔很大的能級(jí)分裂，從而得到很高的熱電轉(zhuǎn)換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關(guān)系，電流坐標(biāo)表示相應(yīng)通過(guò)器件的電流。為熱端溫度Th與電流I的關(guān)系，其溫度對(duì)于流過(guò)器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關(guān)系，其溫度對(duì)于電流是敏感的。圖中A是測(cè)得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時(shí)，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。

電熱效應(yīng)的逆過(guò)程的應(yīng)用就是焦電器件，即利用熱源與環(huán)境的溫差發(fā)電。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)、鍋爐、致冷器高溫?zé)岫说仍O(shè)備的熱壁，涂上超晶格納米結(jié)構(gòu)涂層，利用剩余熱能發(fā)電，將是人們利用納米材料和組裝技術(shù)研究的重要課題。

類似面致冷、取暖，面光源，面環(huán)境監(jiān)測(cè)等涂層功能材料，將給家電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性的影響，將會(huì)極大地改變?nèi)祟惖纳罘绞胶陀^念。

4含鐵碳納米管薄膜場(chǎng)發(fā)射

碳納米管陣列或含碳納米管涂層場(chǎng)發(fā)射被廣泛研究，以其為場(chǎng)發(fā)射陰極做成了平板顯示器。研究結(jié)果表明碳管的前端有較強(qiáng)的場(chǎng)發(fā)射能力，因此碳管涂層膜中多數(shù)碳管是平放在基底上的，場(chǎng)電子發(fā)射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側(cè)向有更大的場(chǎng)發(fā)射能力，有利于用涂層法制造平板場(chǎng)發(fā)射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發(fā)生顯著改變。(b)是碳管場(chǎng)發(fā)射I-V特性曲線，I是CVD生長(zhǎng)的豎直排列碳納米管的場(chǎng)發(fā)射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場(chǎng)發(fā)射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場(chǎng)發(fā)射曲線，有最強(qiáng)的場(chǎng)發(fā)射能力。根據(jù)此結(jié)果，將含鐵的碳納米管用作涂層場(chǎng)發(fā)射陰極，有利于研制平板顯示器。

5電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和軟凝聚態(tài)物質(zhì)

上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當(dāng)今國(guó)際上研究的熱門(mén)課題，會(huì)很快取得重要成果，甚至有新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。當(dāng)我們?cè)谟懻撨@個(gè)納米科技中的重要方向時(shí)，不能不考慮更深層的理論問(wèn)題和更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。這就涉及到物理學(xué)的重要理論問(wèn)題，即電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態(tài)物質(zhì)(softcondensationmatter)。

在量子力學(xué)出現(xiàn)之前，金屬材料電導(dǎo)的來(lái)源是個(gè)謎，20世紀(jì)初量子力學(xué)誕生后，解決了金屬導(dǎo)電問(wèn)題。基于Bloch假設(shè)：晶體中原子的外層電子，適應(yīng)晶格周期調(diào)整它們的波長(zhǎng)，在整個(gè)晶體中傳播；電子-電子間沒(méi)有相互作用。這是量子力學(xué)的簡(jiǎn)化模型，沒(méi)有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態(tài)電子的強(qiáng)相互作用。2003年又有人提出了金屬導(dǎo)電問(wèn)題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導(dǎo)電問(wèn)題。當(dāng)計(jì)入電子間的相互作用時(shí)，可能產(chǎn)生的多體態(tài)，超導(dǎo)和巨磁阻就是這種狀態(tài)。晶體中的缺陷破壞了完善導(dǎo)體，導(dǎo)致電子局域化。電子與核作用的等效結(jié)果表現(xiàn)為電子間的吸引作用，導(dǎo)致電荷載流子為Cooper對(duì)。但這個(gè)對(duì)的形成，不是超導(dǎo)的充分條件。當(dāng)所有Cooper對(duì)都成為單量子態(tài)時(shí)，才能觀察到超導(dǎo)性。這樣，對(duì)于費(fèi)米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產(chǎn)生宏觀上的單量子態(tài)。Cooper對(duì)的旋轉(zhuǎn)半徑小于通常兩個(gè)電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現(xiàn)單量子態(tài)，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內(nèi)，超導(dǎo)性可能認(rèn)為是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，這個(gè)觀點(diǎn)現(xiàn)今被很多人接受。從20世紀(jì)初至今，對(duì)于基本粒子的量子統(tǒng)計(jì)有兩種，一是Fermi統(tǒng)計(jì)，遵從Paulii不相容原理，即每個(gè)能量量子態(tài)上只能容納自旋不同的2個(gè)電子，而B(niǎo)ose子則不受這個(gè)限制。在凝聚態(tài)物質(zhì)中有兩個(gè)基態(tài)：即共有化Bose子呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，局域化Bose子呈現(xiàn)絕緣態(tài)。然而，在幾個(gè)薄合金膜的實(shí)驗(yàn)中，觀察到金屬相，破壞了超導(dǎo)體和絕緣體之間直接轉(zhuǎn)換。經(jīng)分析認(rèn)為這是玻色金屬態(tài)，參與導(dǎo)電的是Bose子。推斷這個(gè)金屬相可能是渦流玻璃態(tài)，這個(gè)現(xiàn)象在銅氧化物超導(dǎo)體中得到了驗(yàn)證。

軟凝聚態(tài)物質(zhì)研究的對(duì)象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長(zhǎng)程作用力，表觀上呈現(xiàn)的粘稠物質(zhì)形態(tài)，稱為軟凝聚態(tài)。至今，人類對(duì)于晶體和原子存在強(qiáng)相互作用的固體已經(jīng)知道得相當(dāng)透徹了，但對(duì)軟凝聚態(tài)的很多科學(xué)問(wèn)題還沒(méi)有深入研究，21世紀(jì)以來(lái)，引起了科學(xué)家的極大興趣。軟凝聚態(tài)物質(zhì)包括流體、離子液體、復(fù)合流體、液晶、固體電解、離子導(dǎo)體、有機(jī)粘稠體、有機(jī)柔性材料、有機(jī)復(fù)合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場(chǎng)需求，是被研究得相當(dāng)清楚的一種。其他軟凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和特性的科學(xué)問(wèn)題和應(yīng)用前景是目前被關(guān)注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機(jī)半導(dǎo)體、有機(jī)陶瓷、流體類導(dǎo)體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機(jī)晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復(fù)合，統(tǒng)稱為分子調(diào)控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結(jié)構(gòu)的多變性和柔性，研究材料的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)和特性的測(cè)量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定體系，光、電、熱、機(jī)械特性，以及載流子及其輸運(yùn)。關(guān)于軟凝聚態(tài)物質(zhì)，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對(duì)其理論研究處于初期階段?？茖W(xué)的發(fā)展和應(yīng)用的需求促進(jìn)深入的理論研究，判斷體系穩(wěn)定存在的依據(jù)是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對(duì)于軟凝聚態(tài)物質(zhì)體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜行為，更多的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)，不再是單粒子統(tǒng)計(jì)所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統(tǒng)計(jì)理論。多樣性是這個(gè)體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復(fù)雜問(wèn)題。

物理學(xué)是探索物態(tài)結(jié)構(gòu)與特性的基礎(chǔ)學(xué)科，是認(rèn)識(shí)自然和發(fā)展科技的基礎(chǔ)，其中以原子間有較強(qiáng)作用的稠密物質(zhì)體系為主要研究對(duì)象的凝聚態(tài)物理近些年有了迅速進(jìn)展，研究范圍不斷擴(kuò)大，從固體結(jié)構(gòu)、相變、光電磁特性擴(kuò)展到液晶、復(fù)雜流體、聚合物和生物體結(jié)構(gòu)等。幾乎每一二十年就有新物質(zhì)狀態(tài)被發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)和對(duì)其規(guī)律把握能力，推動(dòng)了科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。21世紀(jì)仍有一些老的科學(xué)問(wèn)題需要深入研究，一些新科學(xué)問(wèn)題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問(wèn)題。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的介觀物理，后來(lái)發(fā)展成為納米科技所涉及的學(xué)科領(lǐng)域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問(wèn)題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規(guī)則和結(jié)論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統(tǒng)問(wèn)題的描述和表征，將會(huì)有更多的新現(xiàn)象、新效應(yīng)、新規(guī)律被發(fā)現(xiàn)。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測(cè)量、表征，涉及有機(jī)材料、無(wú)機(jī)／有機(jī)復(fù)合材料和生物材料，這將大大的擴(kuò)展了物理學(xué)研究的范圍和深度。涉及的重大科學(xué)前沿問(wèn)題和重點(diǎn)發(fā)展方向有①?gòu)?qiáng)關(guān)聯(lián)和軟凝聚態(tài)物質(zhì)，及其他新奇特性凝聚態(tài)物質(zhì)；②低維量子限域體系的結(jié)構(gòu)和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結(jié)構(gòu)和特性；③粒子物理，描述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和基本相互作用的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和有關(guān)問(wèn)題，以及復(fù)雜系統(tǒng)物理；④極端條件下的物理問(wèn)題，探索高能過(guò)程、核結(jié)構(gòu)、等離子體、新物理現(xiàn)象和核物質(zhì)新形態(tài)等；⑤生命活動(dòng)中的物理問(wèn)題，物理學(xué)的基本規(guī)律、概念、技術(shù)引入生命科學(xué)中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能等，其研究關(guān)鍵將在于定量化和系統(tǒng)性，必然是多學(xué)科的交叉發(fā)展，成為未來(lái)科學(xué)的重要領(lǐng)域。

量子計(jì)算發(fā)展前景范文第5篇

關(guān)于21世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展，我主要想講講物理科學(xué)的前景，我不敢講其他的科學(xué)，就是物理科學(xué)的前景也是我個(gè)人的看法。我認(rèn)為，物理科學(xué)的發(fā)展前景是很好的。為什么呢？因?yàn)槟壳暗那闆r正像20世紀(jì)初出現(xiàn)的情況一樣。20世紀(jì)初的兩個(gè)著名的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，提出了兩個(gè)科學(xué)疑問(wèn)：即光順地球轉(zhuǎn)動(dòng)和逆地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度為什么一樣？如何解釋熱的東西發(fā)光的光譜？現(xiàn)在，我們同樣也有兩個(gè)疑問(wèn)：第一，目前我們的物理理論都是對(duì)稱的，而實(shí)驗(yàn)表明有些對(duì)稱性在弱作用過(guò)程中被破壞了（1997年是吳健雄先生做的宇稱不守恒定律實(shí)驗(yàn)的40周年紀(jì)念，她的文章是1957年的2月15日發(fā)表的，她是1997年2月16日去世的）；另外一個(gè)疑問(wèn)是一半基本粒子是永遠(yuǎn)獨(dú)立不出來(lái)的。我們現(xiàn)在知道，所有的中子、質(zhì)子、原子、分子都是由兩類基本粒子組成的：一類是夸克，另一類是輕子。一共有6種夸克，6種輕子?？墒沁@6種夸克，每一個(gè)都不能單獨(dú)自由行動(dòng)，從來(lái)沒(méi)有人觀察到它們可以自由地存在。我們現(xiàn)在認(rèn)為，理論是對(duì)稱的而實(shí)驗(yàn)表明對(duì)稱被破壞這個(gè)疑問(wèn)被解答為這個(gè)破壞來(lái)自于真空。什么是真空？真空是沒(méi)有物質(zhì)的態(tài)，可它仍有作用，有作用就有能量的漲落。這能量的漲落是可以破壞對(duì)稱的。為什么夸克走不出來(lái)呢？這和超導(dǎo)類似。超導(dǎo)是抗磁場(chǎng)的，假如有一塊材料沒(méi)有變成超導(dǎo)前有磁場(chǎng)通過(guò)，一變成超導(dǎo)，磁場(chǎng)就被排出來(lái)了。假如有一個(gè)圓圈，里面有磁場(chǎng)，沒(méi)變成超導(dǎo)前磁場(chǎng)可以任意進(jìn)出，一旦變成超導(dǎo)，磁場(chǎng)就走不出來(lái)了。我們認(rèn)為，在真空的漲落中，很可能有單磁子和反單磁子，它們抗量子色動(dòng)力學(xué)的場(chǎng)。我們認(rèn)為，真空是物理的相對(duì)論性的凝聚態(tài)，它雖然是沒(méi)有物質(zhì)的態(tài)，但卻是有作用的，也是可以激發(fā)的。

相對(duì)論的重離子碰撞，通過(guò)高能量100GeV/N的金核和金核相碰撞后，金核可以相互穿過(guò)去，在二核中間產(chǎn)生新的真空，這里面夸克就可以自由行動(dòng)。這個(gè)方面正在研究，這臺(tái)對(duì)撞機(jī)建造在Brookhaven，1999年造成，總投資約十億美元。如果真空是可以被激發(fā)的，那么粒子的微觀世界和宏觀的真空就結(jié)合起來(lái)了。這將是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。

在宇宙中，有一種叫做類星體（quasar）的東西，我們不知道它是什么，它不是普通的星，它的能量來(lái)源我們不知道，每個(gè)類星體的能量可以是太陽(yáng)的1015倍，這是很大很大的。估計(jì)在宇宙里約有100萬(wàn)個(gè)類星體，其中有1000個(gè)我們?cè)谧屑?xì)研究。這個(gè)能量絕對(duì)不是核能量，太陽(yáng)的能量來(lái)自核能量，它比太陽(yáng)的能量大得多。類星體的發(fā)現(xiàn)是在1961年，那年發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)。最早發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)類星體之一，是3C273，3C是英國(guó)劍橋目錄的第三本，273是其中第273星。這個(gè)類星體在1982年2月，一天之內(nèi)能量增加一倍，這是非常稀奇的，不僅能量大，而且可以一天之內(nèi)增加一倍。宇宙中還有很大能量的來(lái)源我們是不知道的。

另一個(gè)在宇宙中的大問(wèn)題是暗物質(zhì)。從引力我們知道有暗物質(zhì)存在，可是用光看不見(jiàn)，紅外、紫外、X光都看不見(jiàn)。宇宙里90%以上是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)存在的證明很簡(jiǎn)單，拿一個(gè)星系（galaxy），在距離這星系中心r處，量任何星或星際塵埃（dust）、粒子等的速度u，M（r）是從星系中心至r間的引力質(zhì)量。從牛頓定理 ，G是牛頓引力常數(shù)，離galaxy非常遠(yuǎn)。如果M（r）不繼續(xù)增加，u應(yīng)該越來(lái)越小，可是事實(shí)上不然。拿任何一個(gè)星系，u并不減小，就說(shuō)明有很多引力質(zhì)量在里面。NGC3192不是單獨(dú)的一個(gè)例子，現(xiàn)在已測(cè)量的有967個(gè)星系，所有的都是這樣，沒(méi)有一個(gè)例外。這些暗物質(zhì)是什么我們不知道。所以在宇宙中有90%以上的物質(zhì)我們不知道，有極大的能量來(lái)源我們不知道。真空有可能被激發(fā)。我們研究這個(gè)問(wèn)題的方法是想制造一個(gè)狀態(tài)，它和當(dāng)初宇宙開(kāi)始大爆炸的情況相似。大爆炸開(kāi)始就是一個(gè)激發(fā)的真空，制造出這個(gè)狀態(tài)也許可以使我們測(cè)量出它的特性。

在110多年前，湯姆遜（Thompson）發(fā)現(xiàn)電子，從那以后影響了我們這世紀(jì)的物理思想，即大的是由小的組成的，小的是由更小的組成的，找到了最基本的粒子就知道最大的構(gòu)造。這個(gè)思想不僅影響到物理，還影響到本世紀(jì)生物的發(fā)展，要知道生命就應(yīng)研究它的基因（gene），知道基因就可能會(huì)知道生命。我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這并不然。小的粒子，是在很廣泛的真空里，而真空很復(fù)雜，是個(gè)凝聚態(tài)，是有構(gòu)造的。也就是微觀的粒子和宏觀的真空是分不開(kāi)的，這兩個(gè)必須同時(shí)處理。知道基本粒子就知道真空的觀念是不對(duì)的。從這個(gè)簡(jiǎn)單化的觀點(diǎn)出發(fā)不會(huì)有暗物質(zhì)，也不會(huì)有類星體這類的東西。我覺(jué)得，基因組（genome）也是這樣，僅是基因并不能解開(kāi)生命之謎，生命是宏觀的。

20世紀(jì)的文明是微觀的。我認(rèn)為，21世紀(jì)微觀和宏觀應(yīng)結(jié)合成一體。