计算机领域前沿技术综述.pdf

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1、补充资料计算机领域前沿技术综述计算机领域前沿技术综述计算机技术简介，目前的计算机应用已经遍布我们生活的各个领域，从我们日常使用的手机、到智能电视，再到无所不在的网络。可以说，我们正在经历着电子化和信息化快速发展的过程。按照推测，未来10年计算机技术大突破的概率应该在90%以上。目前国家提出了“大众创业，万众创新”的口号，要求利用互联网来改造我们的传统行业，并借此提出了”互联网+“的战略部署。那么”量子计算”、“物联网”、”Web2.0“、”Html5“等新奇的技术名称后面都代表了计算机领域哪些新的技术呢？本文试图从易懂的

2、方面对当前计算机领域的前沿技术进行归纳总结。一、量子计算2014年7月30日下午，阿里云宣布联合中科院成立一个全新的实验室，共同开展在量子信息科学领域的前瞻性研究，研制量子计算机。那么为什么阿里云要和中科院联合要研制量子计算机呢？通俗的解释是：我国的天河二号超级计算机是当前速度最快的超级计算机，其最大性能可达33.8千万亿次浮点计算每秒。但它仍然基于传统计算架构，已经达到一定的瓶颈。世界各国尤其是美国正在积极探索下一代计算架构，尤其是量子计算。量子计算机是一种遵循量子力学规律，进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置，

3、其运行的是量子算法，处理速度惊人，比传统计算机快数十亿倍。量子计算带给我们的是惊人的处理速度，更小的存储空间。美国的NASA、NSA、Google、IBM、微软、洛克希德马丁等国际顶级机构或企业都在这方面持续大力投入。那么量子计算为什么会有这么快的计算速度，量子计算又有哪些与传统计算架构不同的地方呢？为了更好地解释这个问题，通常将量子计算的原理划分为两个部分，它们分别是量子计算机的物理原理和物理实现，即量子计算和量子算法。1.量子计算原理量子计算是一种依照量子力学理论进行的新型计算，量子计算的基础和原理以及重要量子算法为

4、在计算速度上超越图灵机模型提供了可能。量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储这四个数，因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话，计算能力就呈指数级提高。(1)量子位（量子比特，qubit）量子位是量子计算的理论基石。在常规计算机中，信息单元用二进制的1个位来表示，补充资料计算机领域前沿技术综述它不是处于“0”态就是处于“1”态.在二进制量子计算机中，信息单元称

5、为量子位，它除了处于“0”态或“1”态外，还可处于叠加态（SuperPosedState)。叠加态是“0”态和“1”态的任意线性叠加，它既可以是“0”态又可以是“1”态，“0”态和“1”态各以一定的概率同时存在。通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“0”态或“1”态。任何两态的量子系统都可用来实现量子位，例如氢原子中的电子的基态（groundstate）和第一激发态（firstexcitedstate)、质子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圆偏振光的左旋和右旋等。图1量子位的叠加态的示意图一个量子系统包含

6、若干粒子，这些粒子按照量子力学的规律运动，称此系统处于态空间的某种量子态。量子态空间由多个本征态（eigenstate，即基本量子态）构成，基本量子态简称基本态（basicstate）或基矢（basicvector)。态空间可用希尔伯特（Hilbert）空间（线性复向量空间）来表述，即希尔伯特空间可以表述量子系统的各种可能的量子态。(2)重叠原理把量子考虑成磁场中的电子。电子的旋转可能与磁场一致，称为上旋转状态，或者与磁场相反，称为下旋状态。通过提供脉冲能量使电子旋转从一种状态变为两种状态，例如使用激光，这里假设需要使用

7、一单位的激光能量。但是如果仅用半单位的激光能量并完全消除外界对微粒的影响将会怎样呢？根据量子理论，微粒将进入重叠状态，即同时处于两种状态下，每一个量子比特呈现重叠状态0和1。因此量子计算机的计算数是2的n次方，n是量子比特的位数。量子计算机如果有500个量子比特，就在每一步作2^500次运算。这是一个可怕的数，2^500比地球上已知的原子数还要多。但是这些微粒如何相互作用呢？他们通过量子牵连来做。(3)牵连原理在某点上相互作用的微粒（像光子、电子）之间具有一种关系，能够成对的纠缠在一起，这一过程被称为相关性。知道了纠缠在

8、一起的一个微粒的状态是上或下的话，它同伴的补充资料计算机领域前沿技术综述旋转是在其相反的方向上。令人惊奇的是，由于层叠现象，被测定的微粒没有单独的旋转方向，而是同时成对的处于上旋和下旋状态。被测微粒的旋转状态由测量时间和与其相关的微粒决定，其相关微粒同时处于相反的旋转方向。这一真实的现象至今没有任何恰当的理论可以解释