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關(guān)鍵詞:工程預(yù)結(jié)算;自動(dòng)計(jì)算軟件
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
中圖分類號(hào):F811.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào):2095-2104(2012)
建筑工程預(yù)結(jié)算是建筑行業(yè)中非常重要的一項(xiàng)工作,而工程量計(jì)算又是這項(xiàng)工作中至關(guān)重要的一部分。如何提高工程量計(jì)算的效率、減少其工作量,做到準(zhǔn)確無(wú)誤,一直是工程預(yù)算行業(yè)急待解決的一個(gè)課題。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展,并滲入到各行各業(yè)中以及計(jì)算機(jī)平面設(shè)計(jì)技術(shù)的推廣,使得計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)應(yīng)用到工程量計(jì)算中成為可能,工程量自動(dòng)計(jì)算軟件的應(yīng)用和發(fā)展是建筑工程預(yù)結(jié)算的必然趨勢(shì)。
2003年7月我在公司預(yù)算處開(kāi)始從事工程預(yù)算工作,剛參加工作時(shí),工程預(yù)算對(duì)我來(lái)說(shuō)非常陌生,書(shū)本理論與實(shí)際應(yīng)用之間差距太大。經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段努力,我的預(yù)算技能雖然有所提高,但對(duì)于計(jì)算規(guī)則和定額的深入理解以及計(jì)算速度的有效提高等方面仍有相當(dāng)?shù)牟蛔恪?/p>
2007年,在參與我公司內(nèi)蒙古商廈的審計(jì)結(jié)算工作中,我接觸到了魯班算量軟件,同時(shí),在學(xué)習(xí)和應(yīng)用當(dāng)中感受到它給我的工作帶來(lái)了很大的方便。
(一)在工作方式上,魯班軟件采用的是AutoCad界面和繪圖方式,這正是我在校期間的學(xué)習(xí)內(nèi)容,所以感覺(jué)上手很快,達(dá)到熟練程度也比較容易。
當(dāng)然對(duì)于很多初學(xué)者來(lái)說(shuō),軟件入門(mén)的確有一定的困難,但這只是暫時(shí)的,只要我們把握正確的方法,通過(guò)正確的渠道,再加上自己的努力就一定能掌握它。
(二)對(duì)于工程量計(jì)算規(guī)則,其中大部分已經(jīng)在魯班軟件中設(shè)置完畢,我們只要稍做修改就可以正確應(yīng)用。
顯而易見(jiàn),工程量計(jì)算軟件為預(yù)算初學(xué)者提供了學(xué)習(xí)的捷徑。因?yàn)槔项A(yù)算員精通定額,熟練掌握計(jì)算規(guī)則,但計(jì)算機(jī)水平都不是很高,而對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)計(jì)算機(jī)操作是我們的優(yōu)勢(shì),計(jì)算規(guī)則已經(jīng)由軟件定義,我們就可以先入門(mén)學(xué)習(xí)軟件再逐漸熟悉定額和計(jì)算規(guī)則。通過(guò)這種方式我感到預(yù)算水平提高很快。
(三)在工作步驟上,使用工程量計(jì)算軟件省略了原先的計(jì)算書(shū)匯總、上表套定額的手工工序,完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,極大程度上節(jié)省了時(shí)間。
在工作效率上,以前用手工算量大約用一星期才能完成的工程量,用算量軟件五天就能完成。
(四)在采用的工作方式上,魯班軟件采用AutoCad繪圖方式,省略了手工計(jì)算時(shí)使用的鉛筆、橡皮、計(jì)算器和大量的工程量計(jì)算書(shū)等耗材,簡(jiǎn)化了手寫(xiě)計(jì)算式的步驟和手按計(jì)算器計(jì)算的繁復(fù)工作,在極大程度上實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙辦公。
(五)在打印輸出格式上,魯班軟件打印輸出的整潔版面是手工書(shū)寫(xiě)無(wú)法比擬的,其格式明確,計(jì)算公式詳細(xì),匯總方式合理,做為預(yù)算資料的保存和查閱十分適用。
另外,在核對(duì)工程量時(shí),還可以利用電子計(jì)算書(shū)的分類匯總和條件匯總功能,在計(jì)算機(jī)中隨時(shí)調(diào)用有用的數(shù)據(jù),減少了手工計(jì)算書(shū)不易分類、不易匯總的麻煩。
再有,軟件提供了自動(dòng)輸出到TXT、EXCEL、XML多種文件形式,極大程度上方便了各種用戶的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。
(六)圖形算量軟件作為一種高科技含量的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè),具有很大的發(fā)展前景,通過(guò)每一次的軟件不定期升級(jí),軟件必將越做越成熟,越做越合乎人性化設(shè)計(jì)。到目前為止,該軟件已經(jīng)由最初的2007版升級(jí)到2008版,而且2009版已經(jīng)在網(wǎng)上公布并進(jìn)入全國(guó)巡回展覽階段。
我相信,新一版的魯班軟件設(shè)計(jì)一定會(huì)有更強(qiáng)大的功能,有更出色的表現(xiàn),讓我們拭目以待。
量子密碼應(yīng)運(yùn)而生
量子計(jì)算的原理與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用的原理有很大不同,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用單路串行操作,而量子計(jì)算機(jī)采用多路并行操作,它們運(yùn)算速度的差異就如同萬(wàn)只飛鳥(niǎo)同時(shí)升上天空與萬(wàn)只蝸牛排隊(duì)過(guò)獨(dú)木橋的區(qū)別。
20世紀(jì)70年代,英國(guó)和美國(guó)最早開(kāi)始對(duì)量子計(jì)算的研究。近年來(lái),量子計(jì)算的理論和實(shí)踐都相繼取得重大進(jìn)展,產(chǎn)生了多種新的量子算法,研制了多種量子計(jì)算機(jī)原型。
科學(xué)家預(yù)測(cè),未來(lái)10~20年將研制成功103~104量子比特的大型量子計(jì)算機(jī),其運(yùn)算能力可以在幾分鐘內(nèi)破譯現(xiàn)有任何采用非對(duì)稱密鑰系統(tǒng)生成的密碼。
面對(duì)量子計(jì)算未來(lái)可能隨時(shí)“秒殺”傳統(tǒng)密碼的危險(xiǎn),科學(xué)家致力于尋找不基于數(shù)學(xué)問(wèn)題,能有效抵抗量子計(jì)算攻擊的新型密碼體制。解鈴還須系鈴人,同樣基于量子信息技術(shù)的量子密碼應(yīng)運(yùn)而生,成為對(duì)抗量子計(jì)算的“神器”。
又一個(gè)可能的“技術(shù)差”
二戰(zhàn)中,英國(guó)破譯德軍ENGMA密碼,獲知其即將轟炸考文垂市,但為保守德軍密碼已被破譯的秘密,英國(guó)斷然犧牲考文垂這個(gè)重要工業(yè)城市,不發(fā)出防空警報(bào)任由德軍轟炸;美軍在中途島海戰(zhàn)的勝利,以及擊落山本五十六座機(jī)等影響戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程的重大事件,與其成功破譯日軍“紫密”有直接關(guān)系。一些專家們甚至估計(jì),盟軍在密碼破譯上的成功至少使二戰(zhàn)縮短了8年。
當(dāng)前,戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)已成為連接人與武器、武器與武器的技術(shù)紐帶,構(gòu)成了信息化軍隊(duì)的神經(jīng)中樞。偵察預(yù)警、指揮協(xié)同、武器控制、后勤保障等作戰(zhàn)活動(dòng)均離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的支持。安全可靠的戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)是保證自身作戰(zhàn)體系穩(wěn)定,在體系對(duì)抗中謀取勝勢(shì)的重要前提,而戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的安全又十分依賴于網(wǎng)絡(luò)通信密碼提供的“安全屏障”。
一個(gè)國(guó)家的軍隊(duì)一旦率先實(shí)現(xiàn)量子密碼和量子計(jì)算的武器化,并在戰(zhàn)爭(zhēng)中投入使用,將與對(duì)手形成巨大的“技術(shù)差”,在保持自身網(wǎng)絡(luò)通信絕對(duì)安全的同時(shí),可隨時(shí)破譯對(duì)方網(wǎng)絡(luò)通信密碼,洞悉對(duì)手的一舉一動(dòng),從而占據(jù)絕對(duì)信息優(yōu)勢(shì),甚至可以直接癱瘓和控制對(duì)方網(wǎng)絡(luò),由此將置作戰(zhàn)對(duì)手于極為被動(dòng)的不利地位,戰(zhàn)局可能出現(xiàn)“一邊倒”的情況。
以超常措施推進(jìn)軍事應(yīng)用
意大利軍事家杜黑指出:“勝利只向那些能預(yù)見(jiàn)戰(zhàn)爭(zhēng)特性變化的人微笑,而不是向那些等待變化發(fā)生才去適應(yīng)的人微笑?!泵鎸?duì)量子信息技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn),只有未雨綢繆,盡早規(guī)劃,提前部署,才能在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)和主動(dòng),避免對(duì)手利用技術(shù)突然性陷我于被動(dòng)。
目前,量子密碼已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示性研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用。發(fā)達(dá)國(guó)家軍隊(duì)已把量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來(lái)軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。例如,美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局專門(mén)制定“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”、研發(fā)量子芯片的“微型曼哈頓”計(jì)劃等。美國(guó)正加速推進(jìn)量子信息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,美國(guó)白宮和五角大樓已安裝量子通信系統(tǒng)并已投入使用。英、法、德、日等國(guó)軍隊(duì)也相繼制定實(shí)施一系列發(fā)展量子信息技術(shù)的計(jì)劃。
關(guān)鍵詞:計(jì)算科學(xué)計(jì)算工具圖靈模型量子計(jì)算
1計(jì)算的本質(zhì)
抽象地說(shuō),所謂計(jì)算,就是從一個(gè)符號(hào)串f變換成另一個(gè)符號(hào)串g。比如說(shuō),從符號(hào)串12+3變換成15就是一個(gè)加法計(jì)算。如果符號(hào)串f是x2,而符號(hào)串g是2x,從f到g的計(jì)算就是微分。定理證明也是如此,令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則,令g是一個(gè)定理,那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個(gè)角度看,文字翻譯也是計(jì)算,如f代表一個(gè)英文句子,而g為含意相同的中文句子,那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點(diǎn)?為什么把它們都叫做計(jì)算?因?yàn)樗鼈兌际菑募褐?hào)(串)開(kāi)始,一步一步地改變符號(hào)(串),經(jīng)過(guò)有限步驟,最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)(串)的變換過(guò)程。
從類型上講,計(jì)算主要有兩大類:數(shù)值計(jì)算和符號(hào)推導(dǎo)。數(shù)值計(jì)算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運(yùn)算、開(kāi)方運(yùn)算、方程的求解等。符號(hào)推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明,幾何命題的證明等。但無(wú)論是數(shù)值計(jì)算還是符號(hào)推導(dǎo),它們?cè)诒举|(zhì)上是等價(jià)的、一致的,即二者是密切關(guān)聯(lián)的,可以相互轉(zhuǎn)化,具有共同的計(jì)算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展,還可能出現(xiàn)新的計(jì)算類型。
2遠(yuǎn)古的計(jì)算工具
人們從開(kāi)始產(chǎn)生計(jì)算之日,便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計(jì)算的工具。因此,計(jì)算和計(jì)算工具是息息相關(guān)的。
早在公元前5世紀(jì),中國(guó)人已開(kāi)始用算籌作為計(jì)算工具,并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后來(lái),人們發(fā)明了算盤(pán),并在15世紀(jì)得到普遍采用,取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的,比算籌更加方便實(shí)用,同時(shí)還把算法口訣化,從而加快了計(jì)算速度。
3近代計(jì)算系統(tǒng)
近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展:在1614年,對(duì)數(shù)被發(fā)明以后,乘除運(yùn)算可以化為加減運(yùn)算,對(duì)數(shù)計(jì)算尺便是依據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。1620年,岡特最先利用對(duì)數(shù)計(jì)算尺來(lái)計(jì)算乘除。1850年,曼南在計(jì)算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時(shí)科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機(jī)械式計(jì)算器是與計(jì)算尺同時(shí)出現(xiàn)的,是計(jì)算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年,萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計(jì)算器,是長(zhǎng)1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過(guò)人們?cè)谶@方面多年的研究,特別是經(jīng)過(guò)托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后,出現(xiàn)了多種多樣的手搖計(jì)算器,并風(fēng)行全世界。
4電動(dòng)計(jì)算機(jī)
英國(guó)的巴貝奇于1834年,設(shè)計(jì)了一部完全程序控制的分析機(jī),可惜礙于當(dāng)時(shí)的機(jī)械技術(shù)限制而沒(méi)有制成,但已包含了現(xiàn)代計(jì)算的基本思想和主要的組成部分了。此后,由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展,電動(dòng)式計(jì)算器便慢慢取代以人工為動(dòng)力的計(jì)算器。1941年,德國(guó)的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過(guò)程控制計(jì)算器,實(shí)現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。
5電子計(jì)算機(jī)
20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計(jì)算器的改革有了新的發(fā)展,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,也當(dāng)之無(wú)愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。
在電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過(guò)程中,因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對(duì)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言:半導(dǎo)體芯片的集成度將每?jī)赡攴环?。事?shí)證明,自20世紀(jì)60年代以后的數(shù)十年內(nèi),芯片的集成度和電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度實(shí)際是每十八個(gè)月就翻一番,而價(jià)格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”。
6“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”
人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無(wú)止境地提升?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒(méi)有極限?對(duì)此問(wèn)題,學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無(wú)限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無(wú)限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。
而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代,芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米),此時(shí),導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律——牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行,而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作;同樣,芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后,晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。
哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)此問(wèn)題的看法十分一致:摩爾定律不久將不再適用。也就是說(shuō),電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家,哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過(guò)追尋“夢(mèng)想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢(mèng)想”的不斷循環(huán),我們可以開(kāi)拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域,世界最終會(huì)變得越來(lái)越清晰,我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。”
7量子計(jì)算系統(tǒng)
量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問(wèn)題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例,在干涉過(guò)程中,相互作用的光子每增加一個(gè),有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍,也就是問(wèn)題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了,不過(guò),在費(fèi)曼眼里,這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫?量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測(cè)性:在干涉實(shí)驗(yàn)中,只要給定初始條件,就可以推測(cè)出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算,那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn),測(cè)量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此,只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中,允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn),并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去,就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。
在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下,1985年英國(guó)牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇——圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí),不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的,即把計(jì)算看作由“神諭”來(lái)實(shí)現(xiàn)的:這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng),例如,現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)典型的“困難問(wèn)題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒(méi)有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來(lái)來(lái)計(jì)算上面的這個(gè)1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問(wèn)題,大約需要28萬(wàn)年,這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類所能夠等待的時(shí)間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大,也就是說(shuō)如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī),我們只需要大約40分鐘的時(shí)間就可以分解1024位的整數(shù)了。
8量子計(jì)算中的神諭
人類的計(jì)算工具,從木棍、石頭到算盤(pán),經(jīng)過(guò)電子管計(jì)算機(jī),晶體管計(jì)算機(jī),到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī),再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過(guò)程讓人思考:首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算,隨后,人們發(fā)明了算盤(pán),來(lái)幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”,機(jī)器也可以用來(lái)搬動(dòng)“算珠”,而且效率更高,速度更快。隨后,人們用繼電器替代了純機(jī)械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí),數(shù)學(xué)家們開(kāi)始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開(kāi)了研究,圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。
量子計(jì)算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算??梢哉f(shuō)。這是一種革命性的思考與解決問(wèn)題的方式。
因?yàn)樵诖酥?所有計(jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤(pán)”,即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤(pán)。量子計(jì)算則完全不同,對(duì)于量子計(jì)算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒(méi)有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理,卻對(duì)“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子,人們通過(guò)輸入,可以得到輸出,但是對(duì)于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。
9“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)人類的思考能力,隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力,那么,量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會(huì)給人類整體帶來(lái)更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”。不僅如此,量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì),把人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。
如果觀察歷史,會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大,隨著該系統(tǒng)的不斷增大,人們認(rèn)清并解決了許多問(wèn)題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律:
“計(jì)算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強(qiáng)—公理系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。
無(wú)論量子計(jì)算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會(huì)妨礙量子計(jì)算時(shí)代的到來(lái)。量子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問(wèn)題,將會(huì)隨著量子計(jì)算機(jī)工具的發(fā)展而得到解決,它將“計(jì)算科學(xué)”從牛頓時(shí)代引向量子時(shí)代,并會(huì)給人類文明帶來(lái)更加深刻的影響。
參考文獻(xiàn)
[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation[M].CambridgeUniversityPress,2000.
實(shí)際上,量子信息以多種形式存在著,比如一個(gè)光子的兩極化狀態(tài),電子的自轉(zhuǎn)或是原子的激發(fā)狀態(tài)。目前,已經(jīng)發(fā)展出多種技術(shù)用以傳輸這樣的狀態(tài)??墒牵壳耙廊淮嬖谠S多阻礙技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題。比如,兩極化光量子能在超過(guò)100公里的范圍內(nèi)用于傳輸量子信息,但只是從概率上說(shuō)。超導(dǎo)設(shè)備通過(guò)芯片無(wú)損地通訊,但是只維持一瞬間,之后就有可能被其他相互作用爭(zhēng)奪了信息傳輸。
兩種方式
現(xiàn)在,全球在遠(yuǎn)距離通信方面最先進(jìn)的科技是用于可見(jiàn)光的量子信息的瞬間傳輸。量子信息以(quantumbits)量子比特為單位計(jì)或是qubits,這些可以通過(guò)光一瞬間分散的特性表現(xiàn),比如它的兩級(jí)狀態(tài),或是以電磁波的連續(xù)狀態(tài)形容,比如微波電場(chǎng)的密度和強(qiáng)度。瞬間傳輸信息,需要發(fā)送和接收雙方都擁有一對(duì)糾纏的量子系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)送者改變系統(tǒng)狀態(tài)時(shí),接收者系統(tǒng)會(huì)同樣受到影響。
兩極化量子比特在距離方面的表現(xiàn)最好,其最高紀(jì)錄能達(dá)到143公里。不過(guò)目前,僅有50%的量子比特能夠瞬間傳輸。實(shí)際上,瞬間傳輸需要傳送方進(jìn)行名為“鈴流檢測(cè)“的操作。操作中,兩個(gè)量子的兩極被充分相連形成四種可能性組合。簡(jiǎn)單的光學(xué)和光電探測(cè)器能夠最多分辨兩種。
長(zhǎng)距離的傳輸也會(huì)帶來(lái)進(jìn)一步的技術(shù)難題,比如對(duì)大氣亂流和地面活動(dòng)的彌補(bǔ)。所以,需要利用一些先進(jìn)科技同步傳輸?shù)膬啥?,比如使用原子鐘。現(xiàn)代經(jīng)典的通訊更加依賴于衛(wèi)星技術(shù)。
持續(xù)變量的體系衡量所有鈴流檢測(cè)的結(jié)果更加容易,只用簡(jiǎn)單的線性光學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)的光電探測(cè)器即可進(jìn)行。這樣的系統(tǒng)能夠同時(shí)傳送許多量子比特,因此在高速量子通訊中更加青睞使用這樣的系統(tǒng)。
我們需要找到一種方式能夠綜合分散變量(長(zhǎng)距離傳輸)與持續(xù)變量(快速確定的傳輸)中最好的特性。有實(shí)驗(yàn)表明,將分散量子比特與持續(xù)變量糾纏粒子的結(jié)合,就能夠完整瞬間傳輸量子信息。我們需要進(jìn)一步研究擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)中的距離,并整合其他量子技術(shù)類型,比如用于移動(dòng)通訊儲(chǔ)存的量子存儲(chǔ)器?;旌霞夹g(shù)的研究需要在不同領(lǐng)域、不同團(tuán)隊(duì)之間展開(kāi)更廣泛的合作與交流。
量子網(wǎng)絡(luò)
實(shí)現(xiàn)全球分布的量子計(jì)算機(jī)或量子網(wǎng)絡(luò),其中最大的阻礙之一就是網(wǎng)絡(luò)之間糾纏的節(jié)點(diǎn)。所謂量子比特(量子位)能夠在任意兩個(gè)量子之間瞬間移動(dòng),并且依靠本地量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
理想狀態(tài)的節(jié)點(diǎn),在任意一雙量子間糾纏,或是創(chuàng)造出一個(gè)巨大多重糾纏的“團(tuán)簇”,向所有的節(jié)點(diǎn)散布。團(tuán)簇狀態(tài)就是連接實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的數(shù)以千計(jì)的節(jié)點(diǎn)。而最大的挑戰(zhàn)就是證明它們?nèi)绾卧陂L(zhǎng)距離之間展開(kāi),就如同怎樣在各節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)量子態(tài)一樣,以及如何利用量子節(jié)點(diǎn)不斷地更新它們。
在近乎完美的精確和大容量下,量子存儲(chǔ)器需要將電磁輻射轉(zhuǎn)化為物理變化?!白赞D(zhuǎn)集合”代表了一種量子存儲(chǔ)器。超冷原子氣體包括了100萬(wàn)原子的銣元素,它能夠?qū)蝹€(gè)的光量子轉(zhuǎn)化為稱為自轉(zhuǎn)波的集合原子。儲(chǔ)存時(shí)間接近100毫秒,需要在全球之間發(fā)送光信號(hào)。
量子網(wǎng)絡(luò)需要存儲(chǔ)器存入量子信息,保護(hù)信息免受不需要的交互作用的影響。因此,量子計(jì)算需要通過(guò)這樣存儲(chǔ)器的技術(shù)支持以及通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的量子糾纏分布。
超導(dǎo)量子比特是以物理數(shù)量定義的,比如電感器的流量或電容器的電荷,通過(guò)釋放或吸收微波光量子,與量子處理器之間相互作用。為達(dá)到固體量子存儲(chǔ)的成功集合,量子信息的可逆的存儲(chǔ)和檢索將成為可能。這需要微波光量子與固態(tài)量子存儲(chǔ)器原子自轉(zhuǎn)之間有效的交接,與處理器相連接。如果成功,這項(xiàng)混合技術(shù)將是最有希望擴(kuò)大成為大型分布式的量子計(jì)算機(jī)的設(shè)備。
另一方面,量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算做了極大的擴(kuò)充,在數(shù)學(xué)形式上,經(jīng)典計(jì)算可看做是一類特殊的量子計(jì)算。量子網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一個(gè)疊加分量進(jìn)行變換,所有這些變換同時(shí)完成,并按一定的概率幅疊加起來(lái),給出結(jié)果,這種計(jì)算稱作量子并行計(jì)算。
未來(lái)的發(fā)展
為了實(shí)現(xiàn)這一愿景,量子瞬間傳輸科技需要發(fā)展以下三方面:
第一,在分散變量與連續(xù)變量之間進(jìn)行更多的理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究。這樣可以綜合目前各種不同的研究方法,進(jìn)行整合深入發(fā)掘最佳的成果。繼續(xù)進(jìn)行兩極化量子比特的衛(wèi)星實(shí)驗(yàn),利用自由空間或光纖進(jìn)行跨越城市之間的信息互通的連續(xù)變量的瞬間傳輸。
第二,最成功的技術(shù)就是整合數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。我們需要促進(jìn)超導(dǎo)量子處理器和固態(tài)量子存儲(chǔ)器之間找到更加高效的結(jié)合點(diǎn)。這能夠改善微波光子存儲(chǔ)與檢索性能。而下一步切實(shí)的發(fā)展,是實(shí)現(xiàn)在超導(dǎo)量子比特與本地量子存儲(chǔ)器的氮晶格空位中心之間進(jìn)行芯片上的瞬間傳輸。
美國(guó):列入國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)系列突破
在美國(guó),對(duì)量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始得較早,并最先被列入到國(guó)家戰(zhàn)略、國(guó)防和安全的研發(fā)計(jì)劃。
上世紀(jì)末,美國(guó)政府便將量子信息列為“保持國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力”計(jì)劃的重點(diǎn)支持課題。而隸屬于政府的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)則將量子信息作為三個(gè)重點(diǎn)研究方向之一。隨后,美國(guó)加州理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院和南加州大學(xué)聯(lián)合成立了量子信息與計(jì)算研究所,直接歸美國(guó)軍隊(duì)研究部門(mén)管轄,從屬于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局超大規(guī)模計(jì)算工程系統(tǒng)。體制上的規(guī)劃與布局,為各機(jī)構(gòu)與部門(mén)間的研發(fā)鋪平了道路。
早在1989年,美國(guó)IBM公司在實(shí)驗(yàn)室中以10bit/s的傳輸速率成功實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子信息傳輸,雖然傳輸距離只有32公分,但卻拉開(kāi)了量子通信實(shí)驗(yàn)研究的序幕。1994年,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局便開(kāi)始著手,用3到5年的時(shí)間全面推進(jìn)量子通信技術(shù)方面的研究,而且已經(jīng)通過(guò)軍隊(duì)實(shí)施了相應(yīng)方式的向戰(zhàn)場(chǎng)和向全球傳輸報(bào)文能力的量子通信計(jì)劃。
在大量科研資源與研發(fā)力量投入的情況下,美國(guó)在量子通信研究方面取得了一系列的突破。2000年,Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布,他們于全日照條件下實(shí)現(xiàn)了1.6公里自由空間的量子密鑰分發(fā),使量子通信向?qū)嵱霉こ袒~進(jìn)了一大步。不僅如此,在美國(guó)國(guó)防部2013年至2017年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”中,“量子信息與控制技術(shù)”已被列為未來(lái)重點(diǎn)關(guān)注的六大顛覆性研究領(lǐng)域,同時(shí)將IBM、美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國(guó)洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領(lǐng)域的重要研究機(jī)構(gòu);美國(guó)國(guó)防部支持的“高級(jí)研究與發(fā)展活動(dòng)”(ARDA)計(jì)劃到2014年將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)。
如今,量子技術(shù)已經(jīng)成為美國(guó)軍方六大技術(shù)方向之一,即對(duì)未來(lái)美軍的戰(zhàn)略需求和軍事任務(wù)行動(dòng)能產(chǎn)生長(zhǎng)期、廣泛、深遠(yuǎn)、重大的影響。量子通信產(chǎn)業(yè)已滲透到美國(guó)國(guó)家發(fā)展的各個(gè)層面,包括國(guó)防、外交、經(jīng)濟(jì)、信息、社會(huì)等不同領(lǐng)域的內(nèi)容。
當(dāng)前,以美國(guó)為代表的世界主要軍事強(qiáng)國(guó)關(guān)注的量子科技發(fā)展動(dòng)向主要涉及量子通信、量子計(jì)算及量子密鑰等領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了多項(xiàng)量子通信方面的相關(guān)研究計(jì)劃,對(duì)其開(kāi)展了廣泛探索??梢哉f(shuō),量子通信技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無(wú)與倫比的廣闊前景。
在量子通信領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展規(guī)劃下,美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng),同時(shí)美國(guó)非常重視量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)拓展,谷歌、微軟、IBM都已投入研究量子計(jì)算機(jī)技術(shù),以量子計(jì)算機(jī)技術(shù)研究為突破點(diǎn),延伸到物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)領(lǐng)域,形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)。
歐盟:聯(lián)合攻關(guān)共建量子互聯(lián)網(wǎng)
提前“操練”,打牢根基,政策法規(guī)護(hù)航,并貫穿到與國(guó)家利益、國(guó)家安全以及國(guó)家對(duì)內(nèi)對(duì)外戰(zhàn)略影響相關(guān)的不同環(huán)節(jié),這是歐盟在量子通信領(lǐng)域發(fā)展方面采取的主要手段。
早在20世紀(jì)90年代,歐洲就意識(shí)到量子信息處理和通信技術(shù)的巨大潛力,充分認(rèn)定其高風(fēng)險(xiǎn)性和長(zhǎng)期應(yīng)用前景,從歐盟第五研發(fā)框架計(jì)劃(FP5)開(kāi)始,就持續(xù)對(duì)泛歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點(diǎn)支持。
緊接著,歐盟了《歐洲研究與發(fā)展框架規(guī)劃》,專門(mén)提出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的《歐洲量子科學(xué)技術(shù)》計(jì)劃以及《歐洲量子信息處理與通信》計(jì)劃。與此同時(shí),還專門(mén)成立了包括英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、奧地利和西班牙等國(guó)在內(nèi)的量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)。
2008年,歐盟《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》,提出歐洲在未來(lái)五年和十年的量子通信發(fā)展目標(biāo)。同年9月,歐盟了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書(shū),啟動(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究,并聯(lián)合了來(lái)自12個(gè)歐盟國(guó)家的41個(gè)伙伴小組成立了“基于量子密碼的安全通信”(SECOQC)工程。這是繼歐洲核子中心和國(guó)際空間站后又一大規(guī)模的國(guó)際科技合作。自1993年開(kāi)始,歐盟就加強(qiáng)了對(duì)量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā),在理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上均取得了重大突破,涉及的領(lǐng)域包括量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。利用歐盟國(guó)家的聯(lián)合技術(shù)力量,在多個(gè)研究機(jī)構(gòu)之間形成有效的合作體制,是歐洲量子通信領(lǐng)域一直走在前列的“制勝法寶”。
在量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)的框架下,1993年至2011年期間,英國(guó)、瑞士、奧地利、德國(guó)、法國(guó)、瑞典等國(guó)的科學(xué)家曾連續(xù)創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)、量子密碼通信、太空絕密傳輸量子信息及量子信息存儲(chǔ)等一系列的根本性突破,為下一步量子互聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)鋪平道路。
從2007年至2014年,歐盟開(kāi)始致力于量子密碼通信和量子密集編碼研究,實(shí)現(xiàn)了量子漫步、太空和地球之間的信息傳輸,為衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間進(jìn)行量子通信提供了可能性。
發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)就是為了構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。2008年以來(lái),歐盟加緊推進(jìn)星載量子通信計(jì)劃。一場(chǎng)世界范圍的技術(shù)與才智競(jìng)賽已悄然拉開(kāi)帷幕。歐洲不應(yīng)落后,更不能讓人才和知識(shí)流失。于是,就在今年4月19日,歐盟委員會(huì)正式宣布,計(jì)劃啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目,目標(biāo)是建立極具競(jìng)爭(zhēng)性的歐洲量子產(chǎn)業(yè),包括量子通信、量子計(jì)算及量子測(cè)量等,以增強(qiáng)歐洲在量子研究方面的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力和卓越性。
日本:緊跟大勢(shì)有所作為
日本政府和科技界一貫重視量子科技領(lǐng)域的研發(fā)攻關(guān),并將量子技術(shù)視為本國(guó)占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)的高新科技領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)展、重點(diǎn)引導(dǎo)。
美國(guó)和歐盟在量子通信領(lǐng)域的一連串突飛猛進(jìn),使日本備感形勢(shì)緊迫。
早在2000年,日本郵政省就將量子通信技術(shù)作為一項(xiàng)國(guó)家級(jí)高技術(shù)列入開(kāi)發(fā)計(jì)劃,預(yù)備10年內(nèi)投資400多億日元,主要致力于研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術(shù),并專門(mén)制訂了跨度為10年的中長(zhǎng)期定向研究目標(biāo),計(jì)劃到2020年使保密通信網(wǎng)絡(luò)和量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達(dá)到實(shí)用化水平,最終建成全國(guó)性高速量子通信網(wǎng),實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用上的飛躍,在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)。
在當(dāng)年題為《創(chuàng)造面向21世紀(jì)劃時(shí)代的量子信息通信技術(shù)》的報(bào)告中曾明確指出,國(guó)家應(yīng)該充實(shí)及完善該領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)體制, 并促進(jìn)民間企業(yè)和大學(xué)等進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。在接到該報(bào)告書(shū)后,郵政省正式啟動(dòng)了研究和開(kāi)發(fā)量子信息通信的活動(dòng)。該技術(shù)的實(shí)用化預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生在2030年至2100年期間。
盡管日本對(duì)量子通信技術(shù)的研究晚于美國(guó)和歐盟,但相關(guān)研究發(fā)展迅速。在國(guó)家科技政策和戰(zhàn)略計(jì)劃的支持和引導(dǎo)下,日本科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)積極性高漲,投入了大量研發(fā)資本積極參與和承擔(dān)量子通信技術(shù)的研究工作,實(shí)際地介入到量子通信技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)當(dāng)中。
數(shù)年前,日本提出了以新一代量子通信技術(shù)為對(duì)象的長(zhǎng)期研究戰(zhàn)略,并計(jì)劃在2020~2030年間建成絕對(duì)安全保密的高速量子通信網(wǎng)。目前,日本每年投入2億美元,規(guī)劃在5至10年內(nèi)建成全國(guó)性的高速量子通信網(wǎng)。不僅如此,日本的國(guó)家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)也啟動(dòng)了一個(gè)長(zhǎng)期支持計(jì)劃。日本國(guó)立信息通信研究院也計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼,到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。
高強(qiáng)度的研發(fā)投入,“產(chǎn)官學(xué)”聯(lián)合攻關(guān)的方式極大推進(jìn)了研究開(kāi)發(fā),推動(dòng)了量子通信的關(guān)鍵技術(shù)如超高速計(jì)算機(jī)、光量子傳輸技術(shù)和無(wú)法破譯的光量子密碼技術(shù)的攻關(guān)和實(shí)用化、工程化探索,在量子通信專利申請(qǐng)上成績(jī)顯著。比如NEC、東芝、日本國(guó)立信息通信研究院、東京大學(xué)、玉川大學(xué)、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等,各大企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在量子通信領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量居全球領(lǐng)先,專利質(zhì)量較高,技術(shù)水平突出。
就目前而言,在量子通信領(lǐng)域的研究?jī)?yōu)勢(shì)上,日本主要集中在延長(zhǎng)量子通信傳輸距離、提高信息傳輸速度和改進(jìn)量子通訊的加密協(xié)議等方面。