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  新樂(lè)小男人year 2007-05-07 00:00:00

  生物計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī) 首先是生物計(jì)算機(jī) 人類有一門學(xué)科叫仿生學(xué)，即通過(guò)對(duì)自然界生物特性的研究與模仿，來(lái)達(dá)到為人類社會(huì)更好地服務(wù)的目的。典型的例子如，通過(guò)研究蜻蜒的飛行制造出了直升機(jī)；對(duì)青蛙眼睛的表面“視而不見”，實(shí)際“明察秋毫”的認(rèn)識(shí)，研制出了電子蛙眼；對(duì)蒼蠅飛行的研究，仿制出一種新型導(dǎo)航儀——振動(dòng)陀螺儀，它能使飛機(jī)和火箭自動(dòng)停止危險(xiǎn)的“跟頭”飛行，當(dāng)飛機(jī)強(qiáng)烈傾斜時(shí)，能自動(dòng)得以平衡，使飛機(jī)在Z復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時(shí)也萬(wàn)無(wú)一失；對(duì)蝙蝠沒(méi)有視力，靠發(fā)出超聲波來(lái)定向飛行的特性研究，制造出了雷達(dá)、超聲波定向儀等；對(duì)“變色龍”的研究，產(chǎn)生了隱身科學(xué)和保護(hù)色的應(yīng)用…… 仿生學(xué)同樣可應(yīng)用到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中。 科學(xué)家通過(guò)對(duì)生物組織體研究，發(fā)現(xiàn)組織體是由無(wú)數(shù)的細(xì)胞組成，細(xì)胞由水、鹽、蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)物組成，而有些有機(jī)物中的蛋白質(zhì)分子像開關(guān)一樣，具有“開”與“關(guān)”的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術(shù)，仿制出這種蛋白質(zhì)分子，用來(lái)作為元件制成計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)家把這種計(jì)算機(jī)叫做生物計(jì)算機(jī)。 生物計(jì)算機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 首先，它體積小，功效高。在一平方毫米的面積上，可容納幾億個(gè)電路，比目前的集成電路小得多，用它制成的計(jì)算機(jī)，已經(jīng)不像現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的形狀了，可以隱藏在桌角、墻壁或地板等地方。 其次，當(dāng)我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中，不小心碰傷了身體，有的上點(diǎn)兒藥，有的年輕人甚至藥都不上，過(guò)幾天，傷口就愈合了。這是因?yàn)槿梭w具有自我修復(fù)功能。同樣，生物計(jì)算機(jī)也有這種功能，當(dāng)它的內(nèi)部芯片出現(xiàn)故障時(shí)，不需要人工修理，能自我修復(fù)，所以，生物計(jì)算機(jī)具有性和很高的可靠性。 再者，生物計(jì)算機(jī)的元件是由有機(jī)分子組成的生物化學(xué)元件，它們是利用化學(xué)反應(yīng)工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了，因此，不會(huì)像電子計(jì)算機(jī)那樣，工作一段時(shí)間后，機(jī)體會(huì)發(fā)熱，而它的電路間也沒(méi)有信號(hào)干擾。 1983年，美國(guó)公布了研制生物計(jì)算機(jī)的設(shè)想之后，立即激起了發(fā)達(dá)國(guó)家的研制熱潮。當(dāng)前，美國(guó)、日本、德國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家正在積極開展生物芯片的開發(fā)研究。從1984年開始，日本每年用于研制生物計(jì)算機(jī)的科研投資為86億日元。 目前，生物芯片仍處于研制階段，但在生物元件，特別是在生物傳感器的研制方面已取得不少實(shí)際成果。這將會(huì)促使計(jì)算機(jī)、電子工程和生物工程這三個(gè)學(xué)科的專家通力合作，加快研究開發(fā)生物芯片。 生物計(jì)算機(jī)一旦研制成功，可能會(huì)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)引起一場(chǎng)劃時(shí)代的革命。 然后是量子計(jì)算機(jī) 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。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究。研究可逆計(jì)算機(jī)的目的是為了解決計(jì)算機(jī)中的能耗問(wèn)題。 20世紀(jì)60年代至70年代，人們發(fā)現(xiàn)能耗會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)中的芯片發(fā)熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限制了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。研究發(fā)現(xiàn)，能耗來(lái)源于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作。那么，是否計(jì)算過(guò)程必須要用不可逆操作才能完成呢？問(wèn)題的答案是：所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)都可以找到一種對(duì)應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)，而且不影響運(yùn)算能力。既然計(jì)算機(jī)中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學(xué)中，它就可以用一個(gè)幺正變換來(lái)表示。早期量子計(jì)算機(jī)，實(shí)際上是用量子力學(xué)語(yǔ)言描述的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，并沒(méi)有用到量子力學(xué)的本質(zhì)特性，如量子態(tài)的疊加性和相干性。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，基本信息單位為比特，運(yùn)算對(duì)象是各種比特序列。與此類似，在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單位是量子比特，運(yùn)算對(duì)象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計(jì)算的可能，而且還將帶來(lái)許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測(cè)量得出計(jì)算結(jié)果。因此，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計(jì)算可看作是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)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。除了進(jìn)行并行計(jì)算外，量子計(jì)算機(jī)的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項(xiàng)工作是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的。 無(wú)論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實(shí)際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，它會(huì)與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導(dǎo)致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，一個(gè)核心問(wèn)題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的克服消相干Z有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯(cuò)碼、量子避錯(cuò)碼和量子防錯(cuò)碼。量子糾錯(cuò)碼是經(jīng)典糾錯(cuò)碼的類比，是目前研究的Z多的一類編碼，其優(yōu)點(diǎn)為適用范圍廣，缺點(diǎn)是效率不高。 迄今為止，世界上還沒(méi)有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。但是，世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，方案并不少，問(wèn)題是在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等?，F(xiàn)在還很難說(shuō)哪一種方案更有前景，只是量子點(diǎn)方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來(lái)也許現(xiàn)有的方案都派不上用場(chǎng)，Z后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計(jì)，而這種新設(shè)計(jì)又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導(dǎo)體材料對(duì)于電子計(jì)算機(jī)一樣。研究量子計(jì)算機(jī)的目的不是要用它來(lái)取代現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新，這是量子計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)如光計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)等的不同之處。量子計(jì)算機(jī)的作用遠(yuǎn)不止是解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。

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