量子计算的应用十篇

量子计算的应用篇1

摘要：本文针对大学化学的学科特点，从四个方面探讨了量子化学计算软件在大学化学教学的应用实例。运用形象直观的量子化学软件，结合多媒体教学手段，将枯燥、深奥、抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、直观、立体的形式呈现出来，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见、生动活泼的学习氛围，从而开拓学生思路，激发学生学习兴趣。结果表明，该方法对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程的教学方法。

关键词：量子化学；密度泛函理论；计算化学；Gaussian 09

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）50-0176-04

传统的化学是一门实验科学，它的发展已经经历了几千年的时间。发展至今，化学科学已经成为了包含有机化学、无机化学、物理化学、生物化学、分析化学、实验化学、理论化学、应用化学、精细化学、材料化学等众多子学科的中心学科。在大学化学基础理论的教学中，涉及很多抽象的化学知识和概念，比如原子、分子及晶体结构等，无法通过肉眼进行直接观测，而且微观结构难以用宏观模型进行科学的描述。传统的教学模式很难满足学生学习化学的需求，这就需要引入新型的先进教学方法和手段。上个世纪20年代开始形成了一门新的化学子学科――量子化学。量子化学是用量子力学原理研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论，以及无机和有机化合物、生物大分子和各种功能材料的结构和性能关系的科学[1]。理论与计算化学能渗透到化学领域的很多方面，与其他学科交叉，并形成了很多分支学科，例如：物理化学方面，我们可以通过量子化学方法计算分子的热力学性质、动力学性质、光谱性质、固体的化学成键性质等，从而形成了量子电化学、量子反应动力学等子学科；在有机化学方面，可以通过量子化学计算预测异构体的相对稳定性、反应中间体性质、反应机理与谱学性质（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有机化学；在分析化学方面，可以借助于计算化学进行实验光谱的解析等；无机化学方面，可以进行过渡金属化合物的成键性质的解析等，并形成了量子无机化学；在生物化学领域中，也可以通过理论计算研究生物分子活性中心结构、结构环境效应、酶与底物相互作用等，并逐渐产生了量子生物化学。随着计算量子化学方法与计算机科学的发展，本世纪有望在复杂体系的精确量子化学计算研究方面取得较大进展，从而更好地从微观角度去理解和预测宏观化学现象。本文通过四个教学实例，运用形象直观的量子化学软件，结合多媒体教学手段，将枯燥、深奥、抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、直观、立体的形式呈现出来，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见、生动活泼的学习氛围，从而开拓学生思路，激发学生学习兴趣。结果表明，该方法对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程的教学方法。

一、常用量子化学软件Gaussian/GaussView简介

Gaussian软件是一个功能强大的量子化学综合软件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系统中运行，是在半经验计算和从头计算中使用最为广泛的计算化学软件之一。该软件可以计算分子的能量和结构、键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径等。该软件的量子化学计算可以对体系的基态或激发态执行，可以预测周期体系的能量，结构和分子道。因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响、化学反应机理、势能曲面和激发能等等，因此我们可以从微观角度去理解和预测很多宏观的化学性质及现象。Gaussian计算软件经常与相应的可视化软件GaussView连用。目前Gaussian软件的最新版本是Gaussian 09[2]。

二、量子化学理论及软件在大学化学教学中的应用实例

1.分子稳定性预测。1，3-丁二烯分子中的碳-碳单键能够自由旋转，因而理论上可以形成顺式和反式异构体。那么两种异构体的热力学稳定性如何？我们可以通过理论计算给出合理的预测。运用密度泛函理论（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我们分别优化了顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的几何结构，并做了频率分析。频率计算无虚频，说明所得到的顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均为最小点。图1给出了B3LYP/6-31G*优化得到的顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的几何结构和相对应的分子的能量。理论计算结果表明，相对于顺式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大约低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的热力学稳定性更强，这就解释了为什么实验上没有发现顺式-1，3丁二烯构象的存在。

2.分子的红外吸收光谱和振动模式。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外光谱法的工作原理是由于振动能级不同，化学键具有不同的频率。因此，通过理论上的频率计算，就可以相应地得到分子的红外吸收光谱，并可以与实验得到的红外光谱进行比较。以最常见的H2O为例，基于水分子稳定点，通过DFT理论，在B3LYP/6-31G*水平计算了H2O分子的频率，并得到了相应的红外光谱图。如图2所示，在计算的水分子的红外光谱图中，一共有三个吸收峰，理论值与实验值（括号内的数值）是一致的。并且按照波数从小到大，分别对应H2O分子中O-H键的三种振动模式，分别是剪式振动，对称性伸缩振动，非对称的伸缩振动模式。通过理论计算和图形界面的动画演示，有利于加强学生对红外光谱的理解。

3.苯的前线分子轨道。分子轨道理论是结构化学教学的重点和难点内容之一。分子轨道理论是指当原子组合成分子时，原来专属于某个原子的电子将在整个分子范围内运动，其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个分子所共有的分子轨道。关于分子轨道的概念非常抽象，单纯从理论和数学的角度学生难以理解[3，4]。如果能够结合量子化学软件将分子轨道图形化，有助于学生深入理解该理论。以苯分子的分子轨道计算为例，简单说明量子化学在结构化学教学中的应用。苯分子中有6个碳原子，6个π电子。这6个π电子杂化成6个π型分子轨道，其中三个成键轨道三个反键轨道。图3是通过Gaussian 09软件，在B3LYP/6-31G*水平计算得到苯分子的所有π型轨道，并通过GaussView可视化软件，将这6个π轨道显示出来。从图3中可以看出，这6个π型分子轨道的节面数分别是0，1，2或3。这6个π型轨道共有四个能级，节面为1和2的分子轨道，分别有两个简并能级。

4.溶剂化显色效应的模拟及其机理解释。溶剂分子能引起溶质吸收带的位置，强度，甚至谱线形状的变化[5]。这种现象称为溶剂化显色现象。在从微观结构研究溶剂对噻吩类化合物结构及性能影响方面，理论计算起着越来越重要的作用。图4（a）展示了含时密度泛函（TD-DFT）方法计算得到的齐聚噻吩的吸收光谱图，谱线按Lorentzian线形展开，从气相到强极性的水溶液，聚噻吩的吸收光谱发生了红移现象，与实验现象一致。根据Frank-Condon原理，垂直激发通常伴随着电荷的重新分布，因此激发过程可能会导致溶质偶极矩和能量发生变化。基于此，我们采用完全活性空间自洽场方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分别计算了二噻吩气相与溶液中基态和第一单重激发态的能量。如图4（b）所示，随着溶剂极性的增加，基态和激发态能量均随着溶剂极性增加而降低，但是激发态的能量降低的比基态的能量降低的要多一些，从而从本质上解释了噻吩吸收光谱发生红移的原因[6]。

运用量子化学计算软件Gaussian 09和可视化软件GaussView，结合多媒体技术，将大学化学教学中抽象难懂的化学知识以一种形象、直观、易于理解的形式呈现出来，有利于学生更加深入形象地理解化学知识，还能提高学习效率，对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促M作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程教学的方法。

参考文献：

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量子计算的应用篇2

【关键词】量子计算；量子计算机；量子算法；量子信息处理

1、引言

在人类刚刚跨入21山_纪的时刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子计算机的诞生。德国科学家已在实验室研制成功5个量子位的量子计算机，而美国LosAlamos国家实验室正在进行7个量子位的量子计算机的试验。它预示着人类的信息处理技术将会再一次发生巨大的飞跃，而研究面向量子计算机以量子计算为基础的量子信息处理技术已成为一项十分紧迫的任务。

2、子计算的物理背景

任何计算装置都是一个物理系统。量子计算机足根据物理系统的量子力学性质和规律执行计算任务的装置。量子计算足以量子计算目L为背景的计算。是在量了力。4个公设（postulate）下做出的代数抽象。Feylllilitn认为，量子足一种既不具有经典耗子性，亦不具有经典渡动性的物理客体（例如光子）。亦有人将量子解释为一种量，它反映了一些物理量（如轨道能级）的取值的离散性。其离散值之问的差值（未必为定值）定义为量子。按照量子力学原理，某些粒子存在若干离散的能量分布。称为能级。而某个物理客体（如电子）在另一个客体（姻原子棱）的离散能级之间跃迁（transition。粒子在不同能量级分布中的能级转移过程）时将会吸收或发出另一种物理客体（如光子），该物理客体所携带的能量的值恰好是发生跃迁的两个能级的差值。这使得物理“客体”和物理“量”之问产生了一个相互沟通和转化的桥梁；爱因斯坦的质能转换关系也提示了物质和能量在一定条件下是可以相互转化的因此。量子的这两种定义方式是对市统并可以相互转化的。量子的某些独特的性质为量了计算的优越性提供了基础。

3、量子计算机的特征

量子计算机，首先是能实现量子计算的机器，是以原子量子态为记忆单元、开关电路和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，是指组成计算机硬件的各种元件达到原子级尺寸，其体积不到现在同类元件的1%。量子计算机是一物理系统，它能存储和处理关于量子力学变量的信息。量子计算机遵从的基本原理是量子力学原理：量子力学变量的分立特性、态迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力学变量的分立特性使它们可以记录信息：即能存储、写入、读出信息，信息的一个量子位是一个二能级（或二态）系统，所以一个量子位可用一自旋为1/2的粒子来表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的两个极化方向来表示0和1；或用一原子的基态代表0第一激发态代表1。就是说在量子计算机中，量子信息是存储在单个的自旋’、光子或原子上的。对光子来说，可以利用Kerr非线性作用来转动一光束使之线性极化，以获取写入、读出；对自旋来说，则是把电子（或核）置于磁场中，通过磁共振技术来获取量子信息的读出、写入；而写入和读出一个原子存储的信息位则是用一激光脉冲照射此原子来完成的。量子计算机使用两个量子寄存器，第一个为输入寄存器，第二个为输出寄存器。函数的演化由幺正演化算符通过量子逻辑门的操作来实现。单量子位算符实现一个量子位的翻转。两量子位算符，其中一个是控制位，它确定在什么情况下目标位才发生改变；另一个是目标位，它确定目标位如何改变；翻转或相位移动。还有多位量子逻辑门，种类很多。要说清楚量子计算，首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行交换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。经典计算机具有如下特点：

a）其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是：其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110，用量子记号，即10110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加Cl10110110>+C2I1001001>。

b）经典计算机内部的每一步变换都将正交态演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换（或计算）只对应一类特殊集。

相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特），量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的幺正变换。因此量子计算机的特点为：

a）量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；

b）量子计算机中的变换为所有可能的幺正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算的输出结果。这种计算称为量子并行计算，量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，这是量子计算机的优越性之一。

4、量子计算机的应用

量子计算机惊人的运算能使其能够应用于电子、航空、航人、人文、地质、生物、材料等几乎各个学科领域，尤其是信息领域更是迫切需要量子计算机来完成大量数据处理的工作。信息技术与量子计算必然走向结合，形成新兴的量子信息处理技术。目前，在信息技术领域有许多理论上非常有效的信息处理方法和技术，由于运算量庞大，导致实时性差，不能满足实际需要，因此制约了信息技术的发展。量子计算机自然成为继续推动计算速度提高，进而引导各个学科全面进步的有效途径之一。在目前量子计算机还未进入实际应用的情况下，深入地研究量子算法是量子信息处理领域中的主要发展方向，其研究重点有以下三个方面；

（1）深刻领悟现有量子算法的木质，从中提取能够完成特定功能的量子算法模块，用其代替经典算法中的相应部分，以便尽可能地减少现有算法的运算量；

（2）以现有的量子算法为基础，着手研究新型的应用面更广的信息处理量子算法；

（3）利用现有的计算条件，尽量模拟量子计算机的真实运算环境，用来验证和开发新的算法。

5、量子计算机的应用前景

目前经典的计算机可以进行复杂计算，解决很多难题。但依然存在一些难解问题，它们的计算需要耗费大量的时间和资源，以致在宇宙时间内无法完成。量子计算研究的一个重要方向就是致力于这类问题的量子算法研究。量子计算机首先可用于因子分解。因子分解对于经典计算机而言是难解问题，以至于它成为共钥加密算法的理论基础。按照Shor的量子算法，量子计算机能够以多项式时间完成大数质因子的分解。量子计算机还可用于数据库的搜索。1996年，Grover发现了未加整理数据库搜索的Grover迭代量子算法。使用这种算法，在量子计算机上可以实现对未加整理数据库Ⅳ的平方根量级加速搜索，而且用这种加速搜索有可能解决经典上所谓的NP问题。量子计算机另一个重要的应用是计算机视觉，计算机视觉是一种通过二维图像理解三维世界的结构和特性的人工智能。计算机视觉的一个重要领域是图像处理和模式识别。由于图像包含的数据量很大，以致不得不对图像数据进行压缩。这种压缩必然会损失一部分原始信息。

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量子计算的应用篇3

关键词：未来；计算机；核心技术；发展方向

1 计算机的发展史

第一台计算机于1942年出现在宾夕法尼亚大学，这台计算机的出现标志着计算机时代的到来。第一台计算机的制作初衷是为了计算火炮弹道，主要用于军事用途。这一代的计算机采用的是电子线路执行逻辑运算、算术运算与信息存储的计算机，其计算速度相较于继电器计算机快一千倍。但是，这台计算机的程序设备仍然是外加式，并且存储容量也相对较小，尚不具备现代计算机的特征。

1945年数学家冯诺依曼提出了更为先进的逻辑结构并且应用于计算机制造，计算机自动化程度提高，开始进入了发展时期。该时期的计算机开始应用到工业与生活中。到20实际中期以后，计算机技术便进入了高速发展时期，计算机的组成也更加复杂，由单纯的硬件变为了硬件、固件与软件三部分组成。同时，计算机的系统与性能不断提高，计算机的种类也呈多样化，出现了大型计算机、通用计算机、小型计算机、微型计算机等类型。此外，还出现了一些专用计算机，如模拟数字混合计算机、特殊类型的控制计算机等。进入到20世纪70年代后计算机的研究与生产能力大增，计算机的性能得到了很大提升。尤其是微型计算机开始进入大规模生产时期，进入到了生产生活的各个领域。微型计算机在很短的时间内便进入到了家庭、企业、机关与研发单位中，发展到现在，微型计算机已经成为了社会生活与工作中不可或缺的部分。

2 计算机的发展趋势

未来计算机主要呈现两个方向：微型计算机与超极计算机。超极计算机应用于较重要的科研与工业技术，注重强大的计算能力。超极计算机采用平行处理技术，可以使计算机系统在同一时间处理多个数据或者执行多条指令。在未来，超极计算机的计算能力仍将被进一步提升，并且应用领域也将进一步扩大。在未来，军事技术、科研技术空间技术、经济分析技术等都将用到超极计算机。可以说，未来计算机技术的发展主要方向之一是计算能力与速度的提升。

此外，分子计算机技术也在研究中，在未来可能成为现实。这些都是未来计算机的发展趋势，而对其核心技术的发展我们在接下来的文章中将进行细解。

3 计算机核心技术的发展

⑴量子计算机。量子计算机是在量子效应基础上研究出来的，它利用某种链状分子聚合物的特性来表达开与关的状态，并利用激光脉冲来改变分子状态，促使信息沿着聚合物移动从而实现运算活动。量子计算机介于构架与器件之间，其中的数据用量子位进行储存。量子具有叠加效应，故而，一个量子位既可以是1也可以是0，既可以存储1又可以存储0，也就是说一个量子位可以存储两个数据。同样数量的存储，量子计算机的存储量相较于其他计算机要大很多。量子计算机还可实行量子并行计算，运算速度非常快。

⑵光子计算机。光子计算机也就是全光数字计算机，该计算机的核心理念是以光子代替电子、光硬件代替电子硬件、光互联代替导线互联、光运算代替电运算。相较于电子计算机，光计算机的信息传递平行通道密度更大，通道的通过能力是电话电缆的几倍。同时，光具有高速、并行的特性，这也决定了光子计算机的处理能力更强、运算速度更快。在当前，超高速计算机只能在低温状态下工作，而具有同样运行速度的光子计算机在室温下即可工作。光子计算机还具有容错性，某一原件损坏或出错不会影响到最终的计算结果。现在，光子计算机已经研究成功，可以预计的是，在不久的将来，光子计算机将成为计算机的主要研究发展方向，会像当前计算机一样普及，并且在社会生活工作中发挥更大的作用。

⑶纳米计算机。目前硅芯片发展到现阶段已经到达其物理极限，它的体积无法再缩小，通电与断电的频率也无法再提高，其功耗的提升空间也已经很小。解决这些问题，很重要的途径是研制纳米晶体管，并采用纳米晶体管制作纳米计算机。应用纳米技术进行计算机的研究制造不仅能够减小计算机的体积更能提升其工作效率、降低其功耗、现阶段纳米计算机的研究已经取得了很大成绩，在未来必然可以实现推广应用。

⑷生物计算机。生物技术是未来的主要发展技术之一，生物计算机的工作过程是蛋白质分子与周围介质的相互作用过程。在生物计算机中，酶充当计算机的转换开关，而酶合成系统的本身与蛋白质的结构将进行系统的体现。蛋白质分子比硅片上的电子元件小很多，并且彼此距离更近，生物计算机完成一项运算所需时间甚至比人的思维速度快百万倍，是现代计算机无法比拟的。同时，DNA分子计算机具有惊人的存储容量，与极低的能量消耗，是电子计算机的十亿分之一。

总之，未来计算机的发展将建立在现有技术的发展之上，其发展程度甚至会超过人类的预期又或许会极大程度代替人力成为社会发展新动力。但，不管怎样的发展都要以人类的需求为根本，以为人类提供便利为原则，我们要谨记这一点，把握计算机的发展方向，不使其发生偏差。

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量子计算的应用篇4

【关键词】计算机技术 发展 运用

本文针对于未来计算机技术发展与运用主要进行如下几个方面的分析和研究：一是详细分析了计算机技术迅速发展的原因。由于在需求的驱动下，并且计算机技术建立在共享信息的基础上，因此全面的促进了计算机技术的发展。另外，计算机技术稳定、迅速的选择机制也在客观上促进了计算机技术的发展。二是详细探讨了计算机技术的发展趋势。针对当今较为先进的计算机类型进行了具体的分析和研究，主要研究了如下几种计算机技术：智能化超级计算机、新型高性能计算机、量子计算机、分子计算机以及纳米计算机等等。三是分析了计算机技术的发展特点。计算机会向着高度，广度和深度发展。通过对上述3个方面的分析和研究，进而完成本文要呈现给读者的全部内容。

1 计算机技术迅速发展的原因分析

1.1 在需求的驱动下需要持续不断的创新

随着社会经济的发展，需要生产力不断的提高，才能够进一步满足社会经济的发展需求，因而需要在最短的时间内获得最大的生产效率。另外，由于生产力的发展需要大量的信息资源，因而需要运用先进的设备去传输大量的信息，这也在一定程度上促进计算机工业的发展。伴随着科学技术的发展，对计算机的性能以及能量等方面也有了更高的要求，因此，计算机技术需要比市场的需求要发展的迅速，这也在一定程度上督促了计算机技术的发展。

1.2 计算机技术建立在共享信息的基础上

计算机技术之所以得到迅速的发展还建立在共享信息的基础上，信息共享是科学技术进步的标志。只有将信息进行共享，才能够让计算机让更多的人所熟知，被更多的人所应用，才能够得到迅速的发展。计算机技术正是满足了信息共享的条件，将创造活动建立在最新的信息平台上，进而促进了计算机技术的发展。

1.3 稳定、迅速的选择机制

何为稳定、迅速的选择机制？主要就是指在大多数情况下，围绕计算机技术的若干选择判据和机制及其影响要素在同时发挥作用，选择的环境常常是非常敏锐和稳定的，这是计算机技术迅速发展的一个重要原因。具体体现在以下几个方面。

一是在计算机技术的实践方面。由于计算机技术是面向市场，面向用户的，因此，在实际的应用中，计算机技术需要面向多方面的选择，不仅需要被市场所接受，并且被用户所接受，才能够在激烈的市场竞争中占有优势。因此，计算机技术研究者为了能够更好的占有市场上的份额，在激烈的市场竞争中占有绝对的优势，需要不断的创新计算机技术，这在客观上也进一步促进了计算机技术的迅速发展。

二是计算机技术专家与用户团体之间的认识是一致的。计算机专家通过不断的研究新技术，使其能够更好的被用户所接受，用户通对计算机技术的了解，选择更好的计算机技术进行应用。归根结底，计算机技术专家与用户团体都是要选择最好的计算机技术。由此可见，计算机技术专家与用户团体之间的认识是一致的，选择机制在计算机技术的实践进化和认识进化之间明显地提供了一种双向的连接，这在一定程度上也促进了计算机技术的发展。

2 计算机技术的发展趋势分析

2.1 智能化超级计算机

伴随着社会经济的不断发展，也相应的促进了计算机技术的发展，进而计算机的功能和性能也在不断的提高，在如今的发展中，出现了智能化超级计算机。智能化超级计算机主要的优势在于计算机的结构采用的是平行处理技术，进而能够使智能化超级计算机系统在进行命令的执行过程中，能够对多项命令进行执行，并且可以在数据处理上也能够对多项数据进行同时处理[5]。另外，在运行速度上，智能化超级计算机运行速度也是非常快的。智能化超级计算机在设计上，与普通的计算机相比，智能化超级计算机是由上千个处理器组成的，能够完成更多的大型复杂的任务， 进而为各种大型的研究提供了很好的技术支持。智能化超级计算机具有更多的智能成份，在智能方面接近于人脑，能够进行更多的智力活动。在智能化超级计算机的实践方面，像很多电影中的特技效果都是通过智能化超级计算机来完成的。进而全面的促进了我国计算机技术的发展，也带动了整个计算机行业的发展。

2.2 新型高性能计算机

新型高性能计算机的问世，也进一步促进了计算机技术的发展。新型高性能计算机的优势在于应用的硅技术，其芯片的材料是由硅构成的，在未来的发展中，新型高性能计算机是计算机发展的趋势所在，并且在计算机专家的不断实践和探索中，新型高性能计算机技术会日渐的趋于成熟，有利于促进计算机行业的发展。

2.3 量子计算机

在二十一世纪计算机技术的发展中，会逐渐的向量子计算机发展。所谓的量子计算机主要就是指一种遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置[6]。量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态。使信息沿着聚合物移动。从而进行运算。量子计算机技术虽然在技术研发方面还存在着很多的问题，但是，相信伴随着科学技术的发展和进步，量子计算机在计算机技术研发方法能够得到更大的突破，进而也会推动整个计算机技术的不断的发展，促进社会经济的发展和进步。

2.4 光子计算机

光子计算机也是计算机技术的发展趋势。光子计算机主要就是利用光子进行数据的传输，光子计算机主要有几下几个方面的技术特点。一是光子计算机在数据的传输上，由光子完全的取代了电子，并且光互连替代了导线的互联，大大的提高了数据传输的速度，促进了计算机技术的发展。二是不同波长的光能够对复杂的任务进行处理，并且光子计算机运算的速度更快，更有效率。

2.5 分子计算机

分子计算机主要的优势体型非常的小，并且存储量非常的大。分子计算机主要有以下几个方面的技术特点。第一，速度快。如果运用分子计算机进行计算，大概需要的时间为10微微秒，与人类的计算速度相比，至少比人类的计算速度快200万倍。第二，存储容量大。分子计算机1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。第三，耗能较小。分子计算机与电子计算机相比，电子计算机的耗能量大概是分子计算机的十亿倍。分子计算机是未来计算机的发展趋势，在未来的十年内，分子计算机技术就会相当的成熟，并且分子计算机也会得到广泛的应用，为人类进行更好的服务。

2.6 纳米计算机

纳米计算机也是未来计算机的发展趋势。纳米技术已经较为的成熟，并且已经被广泛的应用到各个行业中。但是，纳米技术在计算机行业的应用近几年才开始的。纳米技术在计算机领域的应用已经取得了显效的成果。相信在未来的20年内，纳米计算机会相继的问世，并且会得到广泛的接受和认可。纳米计算机主要有以下几个方面的优势，第一，通过采用纳米技术研究的计算机芯片，其体积与电子芯片相比，电子芯片的体积是纳米芯片的数百倍，第二，纳米计算机不仅不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。纳米计算机在日后的计算机发展中，会逐渐的成为主流，并且会被社会公众广泛的所接受。具体如图1所示。

3 计算机技术的发展特点分析

3.1 向“高”度方向发展

从计算机技术的发展特点上来看，首先表现在“高”上。“高”主要就是指计算机技术发展的2个方向，一是速度越来越快。从计算机技术更新的速度来看，可谓是越来越快，主要体现在各种处理器的高速运行，并且体现在多台计算机的并行操作，计算机技术发展速度越来越快，是市场选择的结果，市场竞争激烈，如果计算机不进行技术的创新，那么很容易被市场所淘汰，因而计算机技术在实际的发展中，各个计算机品牌都在研发自己的核心技术，以提高自身的市场竞争力，占有更多的市场份额，促进企业的良好发展。二是计算机性能越来越好。计算机的性能主要与处理器有关，在一个计算机中，一般有上千个处理器，而计算机技术的关键在于如何把大量的计算机连接起来，处理相互之间的高速通信。因此，在进行计算机技术的研发过程中，需要结合处理器的性能情况，更好地提高处理器的性能，才能够更好的推动计算机技术的发展。

3.2 向“广”度方向发展

就目前的形势来看，计算机技术已经被应用到各个行业当中，可以说，现如今各个行业已经无法离开计算机技术。并且随着计算机的普及，人们的娱乐、生活以及工作都需要以计算机为媒介进行，计算机技术正在向着更广泛的范围发展。相关研究学者认为，计算机的普及趋势可以称之为无处不在的计算。主要表现在未来的家庭生活中，计算机会成为人们生活中不可或缺的一部分，如在家庭中各种电器中寻找到计算机，也可能在未来的学校中，学生已经不再使用纸质的书籍，而是使用计算机。在计算机的价格上，会随着社会的发展，价格也会越来的越便宜，进而成为家庭生活中的日用品。由此可见，计算机会随着社会的发展向着更为广度的范围发展。

3.3 向“深”度方向发展

计算机技术还会朝着深度的方向发展。主要就是指信息的智能发展。计算机会通过采用自身的技术将大量的网络信息进行筛选，进而将有用的信息进行归纳，并且将有用的信息进行更好的利用。因此，对信息的处理是计算机技术研发的重要课题。在日后的计算机技术的发展中，计算机也会具备更多的智能成分，像可以通过人工语言的方法与计算机进行对话，进而能够做到人机交流，逐渐的实现虚拟现实技术在计算机领域的实现，促进人类社会的进步。

4 结束语

本文针对于未来计算机技术发展与应用进行了具体的分析和研究。通过本文的探讨，我们了解到，在计算机技术的发展过程中，不仅需要社会生产力的推动，还需要计算机技术人员的努力。只有全面提高自身的专业素质和专业能力，与时俱进，不断创新，才能够进一步促进我国计算机技术的进一步发展，促进我国社会经济的繁荣进步。

参考文献

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[4]张舒婷.浅谈计算机技术的应用[J].太原大学教育学院学报，2011（S1）.

[5]邱志明.探索计算机科学与技术的发展趋势[J].黑龙江科技信息，2011（16）.

[6]黄建儿.浅析计算机科学与技术的发展趋势[J].民营科技，2011（09）.

[7]杨佩璐.未来三年计算机产业经济发展的前景预测与分析[J].中国商贸，2009（07）.

量子计算的应用篇5

【关链词】计算机发展趋势 新型计算机

一、 前言

计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。自从1944年世界上第一台 电子 计算机诞生以来，计算机技术迅猛发展，传统计算机的性能受到挑战，开始从基本原理上寻找计算机发展的突破口，新型计算机的研发应运而生。未来量子、光子和分子计算机将具有感知、思考、判断、学习以及一定的自然语言能力，使计算机进人人工智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计算技术革命，对人类社会的发展产生深远的影响。

二、智能化的超级计算机

超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构，使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理，进一步提高计算机运行速度。超级计算机通常是由数百数千甚至更多的处理器(机)组成，能完成普通计算机和服务器不能计算的大型复杂任务。从超级计算机获得数据分析和模拟成果，能推动各个领域高精尖项目的研究与开发，为我们的日常生活带来各种各样的好处。最大的超级计算机接近于复制人类大脑的能力，具备更多的智能成份.方便人们的生活、学习和工作。世界上最受欢迎的动画片、很多耗巨资拍摄的电影中，使用的特技效果都是在超级计算机上完成的。日本、美国、以色列、

3.分子 计算 机

分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法等几种类型。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高，分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10微微秒，比人的思维速度快100万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的dna溶液可存储1万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有 电子 计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子，所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。美国已研制出分子计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列 科学 家已经研制出一种由dna分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进人实用阶段。

4.纳米计算机

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围，质地坚固，有着极强的导电性，能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速 发展 起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。美国正在研制一种连接纳米管的方法，用这种方法连接的纳米管可用作芯片元件，发挥电子开关、放大和晶体管的功能。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。

我们相信，新型计算机与相关技术的研发和应用，是二十一世纪科技领域的重大创新，必将推进全球 经济 社会高速发展，实现人类发展史上的重大突破。科学在发展，人类在进步， 历史 上的新生事物都要经过一个从无到有的艰难历程，随着一代又一代科学家们的不断努力，未来的计算机一定会是更加方便人们的工作、学习、生活的好伴侣。

参考 文献 ：

[1]刘科伟，黄建国.量子计算与量子计算机.计算机工程与应用，2002，(38).

[2]王延汀.谈谈光子计算机. 现代 物理知识，2004，(16).

[3]陈连水，袁凤辉，邓放.分子计算机.分子信息学，2005，(3).

量子计算的应用篇6

一、云计算技术分析

“云计算”这种计算方式从其诞生起就被视为高端技术。云计算是一种基于计算机、网络、通信等技术基础上的利用互联网开展计算的方式。利用云计算，通过互联网联接的各种硬件设备可以进一步获得相应的数据和信息。所谓的“云”就是一种多的意思，是对网络的一种形象讲法。随着网络技术不断突飞猛进，云计算技术也进入了发展的快车道，越来越被社会和人们所认识。云计算方式主要利用分布计算和虚拟化的手段，组建一种信息和数据优化配置的管理控制层，将很多的相对比较分散的信息网络资源进一步聚集，形成一种大的信息源数据库，这个数据库相对是随时随地变化的。

二、现代电子商务分析

近些年，随着信息技术的不断发展，网络技术的普遍应用，电子商务作为新行的交易手段，当下正在迅速发展壮大。无论是B2B，B2C，C2C，O2O……等，如今正在广泛的被人们所接受。电子商务的市场份额正在不断扩大，对于部分年轻人来说，电子商务平台的消费已经成为生活的主要内容。人们对电子商务的依赖程度越来越大。尤其是近些年随着“互联网+”概念的提出，O2O成为迅速发展壮大的商务模式。O2O是指线上线下联合交易（Online To Offline），使线上线下融为一体，在未来，传统的商务模式很有可能被这种O2O模式所取代。电子商务未来的发展空间不可限量。

三、云计算技术在现代电子商务中应用的必然性分析

用户对现代电子商务的需求越来越复杂与人性化，用户不要看到固定的信息或服务，而是希望信息是以用户为主导的、贴近用户需求的，可扩展的、可挖掘的、可定制的，甚至用户可以看到惊喜的。而云计算的优势就在于其对于海量资源的统一管理，快速响应，最终满足为用户统一提供多种服务与信息的需求。云计算技术在现代电子商务中应用的是云计算技术发展的必须结果，同时也是现代电子商务技术发展壮大的必然性需求。

电子商务通常要以超低的折扣丰富的产品吸引网民的追捧。从电子商务的流量看有较强的突发性，如果没有作出充足的技术准备，服务器在面对众多网民同时登陆的时候会出现堵塞甚至崩溃现象。云计算可以解决同时处理海量数据的问题，如果不用云，那么企业自身必须具备充足的计算能力、存储能力来应对。

电子商务企业大多为中小型企业，云计算富有弹性的服务和收费模式大受欢迎。中小企业可根据自身业务需要的变化而对IT资源进行弹性地扩展，最大程度上避免资源的冗余和浪费。

其次，全国各地区纷纷建立云计算平台服务电子商务企业。

基于云计算原理设计的网购平台，可以汇集各个领域的网络产品和应用服务。用户的信息处理、网络购物、资讯、游戏等网络需求可以一站集成。因此云计算不仅可以解决数据处理问题，还可以带来一体化的服务，这大大吸引了各电子商务企业的关注。电子商务大亨率先插足云计算，另外各地区也纷纷推出地方性云服务平台，来为电子商务企业提供服务。

软件企业纷纷推出全程电子商务，并且在各地方建立服务平台，这也大大推动了电子商务企业在云端的应用。

四、云计算技术为现代电子商务带来的创新应用

1.服务整合，节约成本

现代电子商务平台，通过计算机、手机、网络以及软件的联合应用，使得多种服务统一整合到电子商务平台当中。无论是进货、出货、还是经营中的成本都可以通过电子商务平台进行操作，通过服务的整合，节约了商家的服务成本。云计算技术可以将大量的服务器运用到企业的电子商务中，可以实现自我管理和维护资源。云计算技术的计算能力非常强，它可以在一定程度上补充或替代内部的处理资源，从而使企业不再为峰值而担忧。所以，企业电子商务在应用云计算技术后不仅可以节约本身资源还能大大减少成本。

2.高性能、低投入

对于传统的电子商务来说，企业在购买支持电子商务的硬件产品、软件产品过程当中，需要投入大量资金，以及人力资源。而在云计算技术应用环境下。硬件上的比如大容量存储设备、计算设备等，都由云计算提供商进行提供，用于云计算的软件也不需要由电子商务企业来购买，只需要付少量使用费用就可以。这样无疑是降低了企业投入。而云计算技术所带来的高性能，较传统的电子商务模式来说，由于其先进的计算方式，大量资源的整合，使其可以实现高性能运转，为电子商务平台带来整体的高性能服务。

3.定制信息，个性服务

对于用户而言，定制式信息推送等是更加人性化的商业服务。而在“云计算”环境下，系统可以识别用户的信息需求、服务需求，通过云计算迅速为用户提供其所需要的服务与信息，这种个性服力就像量身定制一样，即满足客户的需求。同时，也为商家扩展销售提供了机会。

4.协作方便，管理便捷

这里所指的协作与管理是对电子商务企业而言。传统的企业与企业之间的协作，由于受到时间、地域等限制，在协作完成一项任务时，往往需要双方不停地沟通数据变化等。而在云计算技术下，企业与企业之间或者企业内部之间的协作变得简单轻松。由于数据的云端平台存储，使得企业在进行项目管理时可以依赖云端数据平台，这样，双方不需要交换数据，每一文档、数据的改变都会在云端平台变化，并且自动提示相关人员进行阅读，这样可以轻松实现企业之间的高效协作。

五、云计算技术在现代电子商务中应用的安全策略

信息时代，数据安全一直是倍受关注的内容，凡是与网络信息相关的数据都面临着安全隐患。因此，合理设计安全策略也是云计算技术正在不断完善的技术难题。为了防止信息泄露、篡改、销毁等。

当前，“专有云”技术发展迅速，是保障电子商务应用安全的重要手段之一。所谓的专有云就是属于电子商务企业所有的专有存储空间与数据。不同企业的专有云只能由相应的企业内部进行访问，其它企业不能访问。因此，电子商务企业可以将数据放置在专有云当中，这样即可以享受到云计算为电子商务企业带来的方便与快捷，同时又可以使自己的数据与信息受到保护。另外，云计算机技术还提供镜像备份服务。为了防止云端数据丢失，企业还可以定期将重要数据通过镜像备份服务备份至企业自身的存储设备当中。这样，一旦云端数据发生损坏与丢失，电子商务企业还可以将企业存储设备中的备份文件恢复到云端继续使用。

量子计算的应用篇7

关键词：pH平均值计算应用电离

中图分类号：D922.68 文献标识码：A

前言

pH值，是我们在环境监测工作中非常重要的一项指标，在水环境质量监测、废水监测、降水监测、土壤监测等一系列监测活动中都需要监测pH值。在监测及数据统计的过程中，我们常常会遇到需要计算所监测到一系列pH值的平均值的情况。本文中的pH平均值仅考虑溶液混合后的酸碱中和反应和水的电离反应，不考虑其它因素。

pH值

pH值在GB 6920-86《水质pH值的测定玻璃电极法》中的定义为：在物质的量浓度小于0.1mo1/L的稀薄水溶液有限范围，既非强酸性又非强碱性（2＜pH＜12）时

式中代表氢离子H+的物质的量浓度，y代表溶液中典型1-1价电解质的活度系数，与y的乘积就是氢离子活度，所以上式就可以等同于《水和废水分析监测方法》中的

因此在日常监测中，我们使用pH计测得的pH值实际上是氢离子活度取负对数后的另一种表示方法。在稀溶液中，氢离子活度约等于氢离子的浓度，因此可以用氢离子浓度来进行近似计算。

在日常工作中，我们常使用电极法测量pH值，即利用玻璃电极及参考电极，测定水样中电位变化，可得到氢离子活度（浓度），从而以氢离子浓度指数（pH）表示之。

常用的pH平均值计算方法

在工作中，常常会遇到需要统计数个水样中不同指标的平均值的情况。通常对于非无量纲数据的平均值，我们取其算数平均值，即可准确的反应一组数据的平均情况，而对于无量纲的pH值，我们则不能这么简单的对待了。

3.1算数平均值

如果对pH值取算数品均值，则会与实际情况有非常大的偏差，比如求以下三个pH值的平均值：5.00、8.00、8.00，如果以算数平均值计算，得到的结果为7。很显然，如果将等量的以上三个不同pH值的水样混合，在只考虑酸碱反应的情况下得到的水样一定是酸性，即pH＜7的，因此以算数平均值求pH平均值是不可取的。

3.2氢离子浓度[H+]水量加权法

在国家环保局1986年版《环境监测技术规范》第二册中规定,降水pH平均值采用氢离子浓度[H+]水量加权法计算。此方法即为求出各样品中氢离子浓度的平均值后再由此得出pH值，

此法虽然比单纯求算数平均值有了一定的进步，但是在现实计算中，也会出现一些问题。比如求解下列各组等量水样的混合后的pH平均值：

表1pH平均值计算表1

其中第1组的计算结果未发现异常，但是后四组的计算结果均得出了不符合理论的结果，其中第2组数据中，pH=9的水样碱性更强，等量混合后的pH结果应该更接近于9，而不是更接近8；第3组数据中等量的水样混合后结果应该为中性，即pH=7；第4组数据的计算结果与实际情况接近，但不准确；第5组数据的结果明显应该为碱性，但计算的结果为酸性，也与实际情况不符。因此此种方法只适用于一些pH＜7的平均值计算。

由于采用氢离子浓度[H+]水量加权法计算对于第2组数据不能计算，我们可以试用氢氧根离子浓度[OH-]水量加权法计算：

则我们得到的平均值为8.74，结果与实际情况相符，因此对于一些pH＞7的平均值计算，可以用氢氧根离子浓度[OH-]水量加权法计算。

3.3[H+ ][OH- ]溶液体积加权中和法

此方法综合考虑了溶液中的H+与OH-的相互作用与酸碱中和反应，经中和反应后剩余的氢离子或氢氧根离子在混合溶液中将建立新的水电离平衡，由平衡后的混合溶液中的[H+ ]和[OH- ]较高者，即可计算得到混合溶液的pH值。

当时，溶液为中性，pH=7

当时，溶液为酸性，

当时，溶液为碱性，

由此计算重新表1中5组数据的pH值

表2pH平均值计算表2

以上计算结果均与理论情况相符，为了进一步验证方法的可行性，我们继续求解一组数据的pH平均值

表3pH平均值计算表3

从上表可看出，五组数据中除第3组数据外，其余四组数据计算得到的pH平均值均不在两个pH组成的区间内，很显然与理论情况是不相符的。因此，单纯的用[H+ ][OH- ]溶液体积加权中和法还是不能解决pH≈7时的平均值计算问题，而pH≈7的情况是我们在地表水监测结果中常常会遇到的。

优化的计算方法

4.1优化算法

有精确的实验证明，水是一种极弱的电解质，它能微弱的电离，生成氢离子和氢氧根离子，即：，且在25℃时，溶液中

。

当混合前的溶液，混合后的pH=7

当混合前的溶液, 混合后的溶液显酸性，溶液中除了酸碱中和后剩下的氢离子，还有一部分氢离子是由水电离产生的, 而水电离产生的氢离子浓度和氢氧根离子浓度相等, 因此有:

由以上三式可以得到

求解得

混合后的

同理，当混合前的溶液,可以得到

混合后的

用优化后的计算方法重新计算表3中的pH平均值，

表4pH平均值计算表4

组别 1 2 3 4 5

特点 酸+酸 碱+碱 酸碱中和 酸强碱弱 酸弱碱强

pH1 6.70 7.10 6.70 6.70 6.90

pH2 6.90 7.30 7.30 7.10 7.30

平均值 6.80 7.20 7.00 6.89 7.11

从上表可以看出，通过优化后的计算方法得到的pH平均值与理论情况是相符的。

4.2 实验验证

取相同体积的已知pH值的氢氧化钠或盐酸水溶液于烧杯中混合均匀。用酸度计测定混合溶液的pH值即为这些水溶液pH平均值。

首先用pH计测的7个溶液的pH值分别为7.22、8.07、6.11、5.44、6.78、4.25、9.54，将上述溶液任意取2~4个进行等量混合，然后测定混合后的溶液pH值与计算得到的pH值进行对比。

表5pH平均值实测与计算结果对照表

由以上对照结果可以看出，实测值与计算得到的理论值非常相近，可以较为准确地反应混合溶液pH值的真实情况。

用excel表格快速计算pH平均值

建立一个excel表格，在B、C列分别输入公式，通过分步计算H+和OH-的浓度、平均浓度、混合后剩余浓度、总浓度，最终得到混合溶液的pH值。

表6pH平均值计算表

表6中b、c列中的内容即为B、C列中应该输入的公式。

当时，计算得到的[H+剩]为负数，此时应该用[OH-剩]计算[OH-总]，从而计算pH值。但由表6可以看出，虽然[H+剩]为负数的情况在理论中不存在，但最终仍然可以计算得出正确的pH平均值结果，因此在实际应用中可直接用[H+]计算。

速算pH平均值

通过EXCEL表格计算出大量pH平均值的结果，可以发现其中的规律，下表中列举出了一些速算的规律，在工作中可以利用这些规律快速估算两个pH值的平均值。虽然估算出的平均值不一定精确，但是对于快速判断两种溶液混合后的pH值却非常实用。

表7pH平均值速算规律表

如果遇到2n个pH数据需要求平均值时，可以利用上表中的规律将数据两两求平均值，再将得到的数据两两求平均值，最终得到的一个数据为这组数据的pH平均值，例如表5中的第七组数据，利用上表求得9.54、6.78平均值为9.24；7.22、8.07平均值为7.87；最后求得9.24、7.87平均值8.94即为四个pH值数据的平均值，与计算结果相符。

参考文献：

王心芳、魏复盛、齐文启等水和废水监测分析方法中国环境科学出版社。

量子计算的应用篇8

未来的计算机技术将向超高速、超小型、平行处理、智能化的方向发展。尽管受到物理极限的约束，采用硅芯片的计算机的核心部件CPU的性能还会持续增长。作为Moore定律驱动下成功企业的典范Inter预计2001年推出1亿个晶体管的微处理器，并预计在2010年推出集成10亿个晶体管的微处理器，其性能为10万MIPS（1000亿条指令／秒）。而每秒100万亿次的超级计算机将出现在本世纪初出现。超高速计算机将采用平行处理技术，使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理，这是改进计算机结构、提高计算机运行速度的关键技术。

同时计算机将具备更多的智能成分，它将具有多种感知能力、一定的思考与判断能力及一定的自然语言能力。除了提供自然的输入手段（如语音输入、手写输入）外，让人能产生身临其境感觉的各种交互设备已经出现，虚拟现实技术是这一领域发展的集中体现。

传统的磁存储、光盘存储容量继续攀升，新的海量存储技术趋于成熟，新型的存储器每立方厘米存储容量可达10TB（以一本书30万字计，它可存储约1500万本书）。信息的永久存储也将成为现实，千年存储器正在研制中，这样的存储器可以抗干扰、抗高温、防震、防水、防腐蚀。如是，今日的大量文献可以原汁原味保存、并流芳百世。

新型计算机系统不断涌现

硅芯片技术的高速发展同时也意味着硅技术越来越近其物理极限，为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机从体系结构的变革到器件与技术革命都要产生一次量的乃至质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会在21世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

量子计算机

量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。

量子计算机中数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前个人计算机的PentiumⅢ晶片快10亿倍。目前正在开发中的量子计算机有3种类型：核磁共振(NMR)量子计算机、硅基半导体量子计算机、离子阱量子计算机。预计2030年将普及量子计算机。

光子计算机

光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。

与电子计算机相比，光计算机的“无导线计算机”信息传递平行通道密度极大。一枚直径5分硬币大小的棱镜，它的通过能力超过全世界现有电话电缆的许多倍。光的并行、高速，天然地决定了光计算机的并行处理能力很强，具有超高速运算速度。超高速电子计算机只能在低温下工作，而光计算机在室温下即可开展工作。光计算机还具有与人脑相似的容错性。系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。

目前，世界上第一台光计算机已由欧共体的英国、法国、比利时、德国、意大利的70多名科学家研制成功，其运算速度比电子计算机快1000倍。科学家们预计，光计算机的进一步研制将成为21世纪高科技课题之一。

生物计算机（分子计算机）

生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。

20世纪70年代，人们发现脱氧核糖核酸(DNA)处于不同状态时可以代表信息的有或无。DNA分子中的遗传密码相当于存储的数据，DNA分子间通过生化反应，从一种基因代玛转变为另一种基因代码。反应前的基因代码相当于输入数据，反应后的基因代码相当于输出数据。如果能控制这一反应过程，那么就可以制作成功DNA计算机。

蛋白质分子比硅晶片上电子元件要小得多，彼此相距甚近，生物计算机完成一项运算，所需的时间仅为10微微秒，比人的思维速度快100万倍。DNA分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的DNA溶液，可存储1万亿亿的二进制数据。DNA计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白质分子，所以生物计算机既有自我修复的功能，又可直接与生物活体相联。预计10～20年后，DNA计算机将进入实用阶段。

纳米计算机

“纳米”是一个计量单位，一个纳米等于10[-9]米，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。

现在纳米技术正从MEMS（微电子机械系统）起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。

目前，纳米计算机的成功研制已有一些鼓舞人心的消息，惠普实验室的科研人员已开始应用纳米技术研制芯片，一旦他们的研究获得成功，将为其他缩微计算机元件的研制和生产铺平道路。

互联网络继续蔓延与提升

今天人们谈到计算机必然地和网络联系起来，一方面孤立的未加入网络的计算机越来越难以见到，另一方面计算机的概念也被网络所扩展。二十世纪九十年代兴起的Internet在过去如火如荼地发展，其影响之广、普及之快是前所未有的。从没有一种技术能像Internet一样，剧烈地改变着我们的学习、生活和习惯方式。全世界几乎所有国家都有计算机网络直接或间接地与Internet相连，使之成为一个全球范围的计算机互联网络。人们可以通过Internet与世界各地的其它用户自由地进行通信，可从Internet中获得各种信息。

回顾一下我国互联网络的发展，就可以感受到互联网普及之快。近三年中国互联网络信息中心(CNNIC)对我国互联网络状况的调查表明我国的Internet发展呈现爆炸式增长，2000年1月我国上网计算机数为350万台，2001年的统计数为892万台，翻一番多；2000年1月我国上网用户人数890万；2001年1月的统计数为2250万人，接近于3倍；2000年1月CN下注册的域名数为48575，2001年1月的统计数为122099个，接近于3倍；国际线路的总容量目前达2799M，8倍于2000年1月的351M。

人们已充分领略到网络的魅力，Internet大大缩小了时空界限，通过网络人们可以共享计算机硬件资源、软件资源和信息资源。“网络就是计算机”的概念被事实一再证明，被世人逐步接受。

在未来10年内，建立透明的全光网络势在必行，互联网的传输速率将提高100倍。在Internet上进行医疗诊断、远程教学、电子商务、视频会议、视频图书馆等将得以普及。同时，无线网络的构建将成为众多公司竞争的主战场，未来我们可以通过无线接入随时随地连接到Internet上，进行交流、获取信息、观看电视节目。

移动计算技术与系统

随着因特网的迅猛发展和广泛应用、无线移动通信技术的成熟以及计算机处理能力的不断提高，新的业务和应用不断涌现。移动计算正是为提高工作效率和随时能够交换和处理信息所提出，业已成为产业发展的重要方向。

移动计算包括三个要素：通信、计算和移动。这三个方面既相互独立又相互联系。移动计算概念提出之前，人们对它们的研究已经很长时间了，移动计算是第一次把它们结合起来进行研究。它们可以相互转化，例如，通信系统的容量可以通过计算处理（信源压缩，信道编码，缓存，预取）得到提高。

移动性可以给计算和通信带来新的应用，但同时也带来了许多问题。最大的问题就是如何面对无线移动环境带来的挑战。在无线移动环境中，信号要受到各种各样的干扰和衰落的影响，会有多径和移动，给信号带来时域和频域弥散、频带资源受限、较大的传输时延等等问题。这样一个环境下，引出了很多在移动通信网络和计算机网络中未遇到的问题。第一，信道可靠性问题和系统配置问题。有限的无线带宽、恶劣的通信环境使各种应用必须建立在一个不可靠的、可能断开的物理连接上。在移动计算网络环境下，移动终端位置的移动要求系统能够实时进行配置和更新。第二，为了真正实现在移动中进行各种计算，必须要对宽带数据业务进行支持。第三，如何将现有的主要针对话音业务的移动管理技术拓展到宽带数据业务。第四，如何把一些在固定计算网络中的成熟技术移植到移动计算网络中。

量子计算的应用篇9

关键词：反应堆；中子U散方程；等效均匀化方法

1 概述

在堆芯计算中，中子学方法要求在堆芯物理求解过程中充分考虑组件内存在的局部非均匀性对于燃料棒栅元的中子注量率分布的影响，获得基于棒尺度的精细少群中子注量率分布，从而提高燃料棒栅元的各种围观反应率的计算精度。而传统压水堆燃料管理计算中，堆芯物理采用基于节块方法的中子扩散求解器进行燃料管理计算和核设计计算分析（如SIMULATE-3[1]，SMART[2]等），在获得堆芯各节块的中子注量率等物理计算结果的基础上，采用功率重构方法，获得堆芯内燃料棒的精细功率分布结果。使用节块方法进行堆芯计算时，生成组件少群参数的过程中已经将组件均化处理为节块计算所需的信息（节块少群宏观截面及不连续因子等），组件内的非均匀特性被均匀化处理，实际上无法得到组件内各栅元真实的通量分布。通过节块方法和精细功率重构的方法和真实堆芯内栅元均匀化方法进行功率计算求解是存在着差异的。需要针对核反应系统开展栅元均匀化的通量求解。

为了实现堆芯层面的栅元均匀化计算需求，同时满足堆芯中子注量率计算效率，本文采用SRAC程序[3]进行二维组件的共振计算和输运计算，获得组件少群均匀化参数；采用CITATION程序[4]进行三维堆芯的扩散计算，以获得堆芯内各栅元网格内的中子注量率分布。本文采用SPH等效均匀化方法[5]，进行少群截面的修正。通过引入能群相关的SPH（Super homogenization）因子，进而实现对少群截面参数调整，保证均匀化前后反应率守恒。

2 等效均匀化方法实现

组件输运程序（SRAC）和堆芯扩散程序（CITATION）计算SPH的计算流程。在SPH迭代过程中，输运计算所获得组件均匀化参数如式（1）所示：

采用SPH修正后的中子学参数进行扩散计算，如式（2）所示。

式中，i-空间均匀化区域标识，g-能群标识。

最终获得各区域的各中子能群的平均中子注量率（式（3）），并保证总的中子注量率积分守恒进行反应率归一，如式（4）所示。式下次迭代所需的能群相关的SPH因子计算结果

其中，？滋■■=1.0，迭代收敛准则ε（10-4）用于判断SPH因子迭代收敛，如式（6）所示。

图1给出了参数均匀化过程中，SPH因子的计算流程。

3 数值验证

OECD-L336 C5基准题由L.C. Lefebvre 等人定义，该问题描述了一个1/4对称的堆芯，其中UOX和MOX燃料组件棋盘式布置方式。采用该基准题进行程序进行SPH计算模块的验证。均匀化栅元栅距为1.26cm，组件采用17×17压水堆组件排布方式，外部慢化剂反射层厚度为21.42cm，堆芯为真空边界条件。

表1给出了CITATION和DORT[8]进行栅元均匀化求解后堆芯keff结果比较。棒相对功率偏差结果则如表2所示。当前计算结果表明：在进行堆芯反应性计算时，CITATION和DORT的计算结果吻合较好；棒的相对功率偏差的均方根结果显示主要的棒功率偏差出现在组件-组件或组件-反射层的交界面附近，这是由于中子注量率梯度变化较大导致的。针对堆芯扩散求解方法计算时采用的少群参数进行SPH因子修正，用以保证组件输运计算到堆芯扩散计算过程中的中子注量率守恒。

4 应用分析

基于现役压水堆燃料组件几何和材料定义，进行了单组件的建模计算，分析了等效均匀修正对于棒尺度的精细功率计算结果的影响，比较了等效均匀修正对于。通过SRAC程序产生SPH修正的均匀化两群群常数，使用CITATION进行相应的堆芯扩散求解。当前选取组件内具有较强非均匀性的算例（控制棒插入和带有20根钆棒装载方式），进行了相应的反应性计算分析。组件示意图如图 2所示。

表3给出了等效均匀化对于计算算例的无限增殖因子（kinf）的结果。结果表明：由于控制棒的插入或是可燃毒物钆棒的装载，组件内非均匀性较强，因此在进行基于棒尺度的精细功率计算时，通过采用SPH修正因子，保证组件输运计算和堆芯扩散计算的反应率守恒，保证了中子学计算的精度。

5 结束语

在基于栅元均匀化的全堆棒尺度的中子扩散方程求解中，通过SPH等效均匀化因子进行中子反应截面的修正，进而保证在“组件输运-堆芯扩散”计算过程中的中子反应率守恒，从而保证了基于棒尺度的精细功率计算的准确性。OECD-L336基准题验证了当前的SPH修正计算流程的正确性。通过现役压水堆燃料组件的棒尺度精细功率建模计算结果表明，采用SPH等效均匀化因子，针对于具有较强的非均匀问题，可以有效的保证中子学计算的准确性。

参考文献

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[4]Fowler TB， Vondy D， Cummingham GW. Nuclear Reactor Analysis Code： CITAITION[R]. Oak Ridge National Laboratory， 1969.

[5]Hebert A. A Consistent Technique for the Pin-by-Pin Homogenization of a Pressurized Water Reactor Assembly[J]. Nuclear Science and Engineering， 1993， 113 （3）： 227-238.

量子计算的应用篇10

4月30 日，外媒报道称，IBM已完成四量子位原型电路的研发，为推出真正量子计算机奠定基础。这是IBM去年5月宣布未来五年将投入30亿美元研发新一代半导体后的首次成果展示。

今年3月，谷歌也推出了自己的量子电路，并声称量子计算机的运算能力将超过普通计算机数万倍。

随着IT巨头纷纷量子计算研究成果，素来低调的量子计算机突然成为热门话题。但从已面世的量子计算机来看，不论其应用面还是单价效率，相比传统计算机都还存在差距。

这种烧钱的大块头什么时候能终结摩尔定律，并“塌缩”成我们手中的智能手机，依然是个未知数。

理论遐想

如人类学会生火一般，量子力学理论作为20世纪人类最伟大的发现，对当今世界产生了深远的影响。从核弹到电子显微镜，在支配量子理论基础上，人类创造出众多跨时代的产品。

量子计算机的构想，正是基于量子力学理论的叠加态原理而设计的。

量子计算机的理念，最早是1982年由诺贝尔奖获得者美国物理学家费曼在一次学术会议上提出。费曼的设想则是受到其好友――加州理工学院计算机教授弗雷德金的启发。当时，弗雷德金正从数理上研究一种新型处理器。

传统处理器的逻辑门（集成电路最基本的运算组件）不可逆，而弗雷德金构想的新型处理器逻辑门是可逆的，这样的好处就如同将单向车道丁字路口改为双向车道十字路口，使得信息可在线路上掉头，不必绕远。

对于传统处理器来说，“绕远”就是将电路上的信号擦除，载入新的逻辑信号。这个过程将耗费大量的能量并发热。在极高的运行速度下，处理器会因高温融化。

另外，因为量子计算机处理的量子信息是一种叠加态，而非传统计算机的0和1二进制。这就使得量子计算机在进行逻辑运算时，可一次得到多种甚至全部的运算结果。

这就相当于将高速路上的小轿车全部替换为双层巴士，极大提高了运算量。科学家们由此推论，采用新逻辑门的量子处理器优势显而易见，它比传统处理器能耗更低且速度更快。

但此时的量子计算机理论并没引起关注，因为不论从量子物理学角度还是计算机应用方面来看，量子计算机的实现过程都极其困难。

而著名的摩尔定律此时已然在科技界生效，简单、可靠的实现方法，让晶体管以百万计的超大规模集成电路形态，顺着电脑流水线进入企业和家庭，且价格越发低廉。而直到1988年费曼去世，量子计算机依旧停留在物理学家的脑海中。

机遇与争议

真正激发起人们对量子计算机的热情，源自1994年舒尔提出的量子算法。

20世纪末随着计算机和网络的普及，通信安全也成为棘手问题。而基于大素数乘积原理的RSA算法因为运算量大，难以被破解，被普遍应用于信息加密。

有盾就有矛。在贝尔实验室工作的舒尔，依据自己的算法提出用量子计算机可快速破解RSA密码。舒尔推论，当时需1000台计算机8个月才能破解的129比特位RSA密钥，一台量子计算机不到10秒就能破解。

问题在于，此时的量子计算机虽然算法理论储备丰富，但工程学上怎么才能造出一台量子计算机，仍是个难题。

直到1999年，研发实际应用量子计算机的加拿大D-WAVE公司成立，造出一台量子计算机的想法，才得以实现。

因量子计算机在密码破解上的优势理论，D-WAVE公司得到了美国中情局的支持。2011年，D-WAVE公司与洛克希德马丁公司以签署合作协议的形式，售出了世界上第一台商用量子计算机。该量子计算机售价被披露高达1000万美元。2013年，D-WAVE公司又将第二台量子计算机卖给了美国航空航天局与谷歌的联合实验室。

D-WAVE公司的两次交易均获成功，量子计算机实用化的大门似乎已向人们敞开。但对于量子计算机的争论，也由此不断出现。

虽然D-WAVE公司声称，其量子计算机比传统计算机的运算速度大约快3.55万倍。但很多研究团队在考察过后表示，D-WAVE公司的量子计算机只有5倍于传统电脑的运算速度，在某些情况下其速度甚至只有1/100。

另外，D-WAVE公司使用的模拟运算算法，也被指责不是真正意义上的量子计算机。 人们当然愿意看到传统计算机之外的新兴计算机产业发展。但量子计算机目前的成就，只能说是迈出了一小步。

只是一小步

虽然质疑声不断，但科学界还是给予D-WAVE公司的量子计算机部分肯定。毕竟它应用了量子原理来进行运算和储存，并使得量子计算机能从实验室走出来，跟传统电脑就某一领域就行比武。

但即便如此，量子计算机还是个造价昂贵的“计算器”。购买同等计算能力，量子计算机用户恐怕要多付出6000倍的价格。要终结行将失效的摩尔定律，量子计算机的产业化之路还有很长要走。

50年前，英特尔创始人之一戈登・摩尔在美国微电子杂志发表文章时预言，每过一年芯片单位面积上的晶体管数量和性能将会翻倍。

到1975年，摩尔发现一年太短，表示两年才能翻倍。如今需要的时间更长，量产芯片的关键尺寸从28纳米降到14纳米的过程，即便两年也难以完成。

IBM研究中心主管苏普拉蒂克・古哈表示，“可以肯定，摩尔定律会在未来10年内结束。”

与摩尔定律相伴的，还有一条洛克定理。洛克曾为摩尔当过财务顾问。在他看来，为提高半导体芯片晶体管的集成度。半导体工厂的投建费用，要以每四年翻一倍的速度增加。