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篇1
一、人力资本价值会计计量方法的理论概述
根据会计的基本理论要求可知，一般人力资源的会计计量方法主要分为两大类，一类是货币性计量，另一类则是非货币性计量。下面就让我们深入的来了解一下具体的会计计量方法吧。
(一)货币性计量
货币性计量方法是会计计量在人力资本价值核算的基本方法，它主要包括成本法和价值法两种。1.成本法
该种会计计量方法的主要依据是人力资源取得、开发、应用及替代成本。它包括：
(1)历史成本法
历史成本法就是将企业以往的用于人力资源的费用进行核算、统计并用具体的资金表示出来的一种方法。该种方法应用于人力资本价值之上具有一定的落后性，因为各个时期的人员工资以及成本是不一致的。
(2)重置成本法
重置成本法就是企业对于已有的存货以及固定资产等进行全面清查，在对于生产过程之中所需要重新购置的资产进行成本估算的一种方法。该种方法虽然有利于人力成本价值的核算，但是较为复杂。
(3)机会成本法
机会成本法对于人力资本价值而言就是指对将企业的工作人员离开企业后所带来的后果进行核算计量的一种方法，对于该种方法无非会出现两种结果：一个是企业人员的离开会给企业带来损失，另一种与之相反。
2.价值法
该种会计计量法是货币性计量的另一种重要形式，它主要包括了随机报酬价值法、未来收益折现法、工资报酬折现法和机会价值法这四种会计计量法。其中：
(1)随机报酬价值法
随机报酬价值法是用人力资源为组织提供的服务所创造的价值来计算人力资源的价值。具体来说就是指体育运动俱乐部的工作人员为企业的生产经营活动所带来的经济效益。
(2)未来收益折现法
就是指一个公司企业的工作人员如：职业体育俱乐部的工作人员他们的日常工作能够为公司的未来经营所带来的经济效益，并通过金融市场学之中的现值公式将其预算价值换算成现值，并加以比较来核算人力资本价值。
(3)工资报酬折现法
具体来说就是将工作人员的工作价值换算成现值，并以工资的形式表现出来。
(4)机会价值法
机会价值法是将人力资源给企业带来的自由现金流量进行贴现作为人力资源的价值。
(二)非货币计量
1.行为矩阵法
人力资源的需求状况、价值体系乃至每类人力资源主体的有关情况等作为变量,形成矩阵,通过模糊运算得出人力资源的工作满足感、在职倾向和工作意愿三个产出变量。
2.经济价值法
经济价值法就是将一个企业的预期的未来盈利视为企业人力资源群体的未来服务潜能,然后按照一定的折现率折成现值,
3.内部投标法
内部投标法假定企业内的人力资源是稀缺的和富有价值的,各个部门可以通过内部竞争的方式,投标最高者/部门取得该人力资源主体。那么最高竞标者的标底即该人力资源的价值。
二、职业体育运动员人力资源价值会计计量运用模式构建
(一)成本评估
对于职业体育俱乐部而言，其核心的工作人员就是该俱乐部的运动员，所以，对于职业体育俱乐部的成本估计而言就是指对于职业俱乐部的运动员的培养过程之中的成本估计，主要包括运动员的取得成本,培训成本,使用成本,机会成本和保障成本.其中,取得成本包括招募成本,选材成本,录用成本等；培训成本主要是指为了培训运动员而购买材料、训练器械以及教练工资等成本支出；使用成本就是在培养运动员过程之中所使用的一切机械材料以及人力资源的成本：保障成本就是指为了保障运动员的训练安全以及人身安全所支出的一切费用等。
在职业体育运动员人力资源价值的会计计量之中，成本估计是最为基础的一项运用模式，以为它关乎到职业体育俱乐部的生存与发展问题，应该引起俱乐部相关工作人员的高度注意。
(二)新增价值评估
在职业体育俱乐部之中的优秀运动员因为其自身的水平而得到了社会公众的认可与喜爱，因而也会给俱乐部带来一定的收益，这主要是人力资源创造的结果,其中新增价值主要表现在代言产品的所得报酬、广告代言费用、赞助商对于比赛的赞助费用等。
对于职业体育运动员的人力资本价值中性增加值的评估主要是采用未来收益折现法以及机会成本法来进行会计计量。这样，对于运动员的培养以及成本估算也是很有帮助的。
三、职业体育运动员人力资本价值会计计量方法的具体应用
对于职业体育运动员人力资本价值的核算主要是采取会计计量法来进行核算。所以，为了对运动员的人力资本价值有一个非常准确的分析与核算就要求在进行人力资源的资本价值核算之前对职业体育俱乐部的运动员进行一个简单而又合理的分类。
(一)普通的运动员
对于普通运动员的定义而言，并不是对他们运动实力的一个否定，而是说在此时他们的新增价值还并不是很高，仍然还处于技术的提高阶段。所以对于该类运动员而言，其成本价值还是较高的，所以对于他们的资本价值的核算主要体现在以下方面：
第一，职业体育俱乐部的初始人力资产是与职业体育俱乐部是否取得人力资产是无关的,可以将每年在教育方面的投资进行贴现来计算初始人力资产。或者就是将随机报酬贴现法应用其中，对于这类普通的运动员主要是注重其技术技能的培养，所以主要是对其每年的培养费用进行核算贴现处理，从而初始化人力资产。
第二，职业体育俱乐部的后续人力资产应该根据职业体育俱乐部实际发生的投资成本予以计量。对于该种会计计量类型同样也是采取货币性计量法中的价值法来进行人力资本价值的核算。所以，这就要求职业体育俱乐部的会计人员秉着公平、公正、公开的原则对职业俱乐部实际发生的投资成本进行计量。
第三，在年末根据职业体育俱乐部绩效考核结果对人力资源的计量进行调整。对于普通运动员的人力资本价值核算不是和核心的运动员考察一样，而是通过年末职业体育俱乐部绩效考核法来进行核算。因为普通运动员所带来的新增价值较少，所以为了很好地核算普通运动员的人力资本价值而进行年末绩效核算就显得尤为的重要了。
(二)掌握关键技术、出类拔萃的运动员
一般而言，掌握关键技术、出类拔萃的运动员可以为职业体育俱乐部带来更多的经济利益，还为职业体育俱乐部的长远发展打下了坚实的基础性作用。而且掌握关键技术、出类拔萃的运动员的取得方式、薪酬待遇以及离职后给企业带来的损失都和普通的运动员是有区别的，因此应当单独计量。
所以根据会计基础的理论要求，对掌握关键技术、出类拔萃的运动员的人力资本价值的会计计量可以采用机会成本法与未来收益折现法来进行计量。
1.未来收益折现法
也就是说通过对职业体育运动员现在的技能以及新增价值进行计量计算，来预计职业体育运动员现在的技术水平能够为职业俱乐部的未来发展与收益带来怎样的收益，并通过现值公式折算成现值来计量掌握关键技术、出类拔萃的运动员的人力资本价值。
2.机会成本法
也就是通过预测关键职业体育运动员离职会给企业造成的损失，来测算关键职业体育运动员的价值。虽然机会成本法本身具有较大的主观性，但由于职业体育运动员的专业性较强，一般不易更换职业范围，可以参考同等资历人员在市场上的价值来进行估算，可以降低部分主观性。
四、结语
会计计量法在职业体育运动员人力资本价值核算中的运用不仅有利于职业体育俱乐部的长久发展，还对于俱乐部运动员的技术提高有推动的作用。相信会计计量法在人力资源上的应用不仅会推动该项产业的发展，还会为我国的体育事业的发展有着积极的作用。
参考文献
篇2
如今，爱因斯坦逝世已逾六十载，可谜团仍未完全破解。因此，可以毫不夸张地说，量子理论就是这么一个“幽灵”。
在量子理论对世界的描述中，一个物体可以同时处于多个位置，粒子也可以无阻碍似地穿过障碍物，所有的物体都有“波粒二象性”，它既是粒子又是波，两个分得很开的物体也可以进行某种类似“精神性”的合作……
这些描述听上去令人毛骨悚然，不可捉摸。难怪量子理论创立者之一的玻尔说过：“如果一个人没有被量子力学所震惊，那么他就没有真正懂得量子力学。”
什么是“量子”
“量子”不是一种粒子，它是一个能量的最小单位。所有的微观粒子（包括分子、原子、电子、光子）都是量子的一种表现形态。
众所周知，世界是由微观粒子组成的。因此从某种意义上来说，世界本身就是由量子组成的。在物理学中提到“量子”时，实际上指的是微观世界的一种行为倾向：物质或者说粒子的能量和其他一些性质（统称为可观测物理量）都倾向于不连续的变化。
以光为例，我们说一个“光量子”，是因为一个光量子的能量是光能量变化的最小单位，光的能量是以光量子的能量为单位一份一份地变化的。其他的粒子情况也是类似的，例如，在没有被电离的原子中，绕核运动的电子的能量是“量子化”的，也就是说电子的能量只能取特定的离散的值。只有这样，原子才能稳定存在，我们才能解释原子辐射的光谱。不仅能量，对于原子中的电子，角动量也不再是连续变化的。
量子物理学告诉我们，电子绕原子核运动时也只能处在一些特定的运动模式上。在这些模式上，电子的角动量分别具有特定的数值，介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即使电子暂时以其他的方式绕核运动，很快就必须回到特定运动模式上来。
实际上在量子物理学中，所有的物理量的值都可能必须不连续地、离散地变化。在上世纪初，物理学家马克斯・普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。
出生于德国传统保守家庭的普朗克从小受到良好的教育，虽然具有音乐天赋，十分迷恋音乐，但仍旧立志献身于科学，研究物理。当他去慕尼黑大学时，一位物理学教授曾劝说他不要学习物理，因为“这门科学中的一切都已经被研究过了，只有一些不重要的空白需要填补”。教授的一席话正代表了当时大多数物理学家的心态。
然而执着的普朗克却表示：“我并不期望发现新大陆，只希望能理解已经存在的美丽的物理理论，或许能将其加深和发展那么一点点。”命运总是喜欢开玩笑。本来并未期望在物理研究中“发现新大陆”的普朗克，却在不经意间成为了量子力学的创始人。
当时，解释热力学中的辐射问题，主要有瑞利-金斯定律和维恩位移定律，前者适用于低频辐射，却无法解释高频率下的测量结果；而维恩位移定律可以正确反映高频率下的结果，但无法符合低频率下的结果。
如何才能导出一个新的公式，使得高频、低频下都能符合实验结果呢？普朗克使用了一种巧妙新颖的方法：运用玻尔兹曼的统计物理，把光当成一个一个的谐振子。在他的假设中，既然辐射的是一个一个的谐振子，也就是说在黑体辐射时，能量就不是连续地，而是一份一份地发射出来的。
据此，普朗克导出了一个新公式，这个公式在频率较小时自动回到瑞利-金斯公式，在频率较大时又自动回到维恩公式。因此，新公式能在所有的频率范围与实验结果符合。
1900年12月14日，在柏林亥姆霍兹研究所的德国物理学会上，普朗克宣读了关于这一结果的论文。而这一天也被物理学家们定为量子力学的诞生之日。
然而，这一发现并不是普朗克的初衷。作为一名传统而保守的物理学家，他只是按照科学方法办事，并未想要掀起一场革命，连他自己都不知道，自己已经把量子这个“妖精”引进了物理学。
普朗克有些后悔，认为自己制造的这个量子“妖精”破坏了物理学的完美。他曾历经15年的时间，试图寻求一种经典物理方法来导出同样的公式，解决黑体辐射问题，以便挽回“局面”。
然而，他没有成功。直到1905年，26岁的爱因斯坦利用光量子的假说圆满解释了光电效应；1913年，28岁的玻尔提出了量子化的原子结构理论；1923年，31岁的德布罗意提出了德布罗意波；1925年，24岁的海森堡创立了矩阵力学；1926年，37岁的薛定谔建立了薛定谔方程……量子力学才逐渐羽翼丰满，真正使人们看到了量子概念所闪现的耀眼光芒。
说一说“量子叠加”
量子有一个非常奇怪的特性――量子叠加。
什么是量子叠加？经典事件里可以用某个物体的两个状态代表0或1，比如一只猫，或者是死，或者是活，但不能同时处于死和活的状态中间。
但在量子世界，不仅有0和1的状态，某些时候像原子、分子、光子可以同时处于0和1状态相干的叠加。比如光子的偏振状态，在真空中传递的时候，可以沿水平方向振动，可以沿竖直方向振动，也可以处于45°斜振动，这个现象正是水平和竖直偏振两个状态的相干叠加。
这种所谓的量子相干叠加是量子世界与经典世界的根本区别。
著名的“薛定谔猫”形象地描述了这个佯谬。在经典世界里，猫要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的猫却可以处在“死”和“活”的叠加状态上。那么这只量子“薛定谔猫”到底是死的还是活的呢？
量子测量原理给出的答案是，如果你不去看这只猫，它既不是死的也不是活的！如果你去看这只猫，那么它也许是死的，也许是活的！
正因为有量子叠加状态，才导致量子力学不确定原理，即如果事先不知道单个量子状态，就不可能通过测量把状态的信息完全读取；不能读取就不能复制。这是量子的两个基本特性。
在量子叠加原理基础之上，衍生出了量子的另一个奇妙特性，叫做“量子纠缠”。比方说，甲、乙两人分处异地，两人同时玩一个游戏――掷骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率随机得到1到6结果中的某一个；同时，乙在另一地掷骰子，尽管两人每一次单边结果都是随机的，但每一次的结果却是一模一样的，就好像是双胞胎心灵感应一样。这就是“量子纠缠”。
若两个量子粒子处在特殊的状态（俗称“纠缠态”）中，不管其空间分离得多远，当对其中一个粒子施行操作或测量，远处的另一个粒子状态会瞬时地发生相应的改变，爱因斯坦称这个现象为“幽灵般的超距作用”。当时，爱因斯坦认为，怎么会允许两个客体在遥远的两地之间有这种诡异的互动呢？据此，他质疑量子理论的完备性。
1982年，法国物理学家Alain Aspect和他的小组证实了“量子纠缠”的超距作用确实存在。
但直到2015年，荷兰代尔夫特理工大学物理学家Ronald Hanson领导的团队进行了一项被他们称之为“无漏洞贝尔测试”的实验，“幽灵般的超距作用”才得到比较严格的验证。
有了量子纠缠，量子隐形传输的概念便呼之欲出。
通俗来讲，量子隐形传输是将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。由于量子力学的不确定原理和量子态不可克隆原理，限制我们将原量子态的所有信息精确地全部提取出来。因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典通道和量子通道送到乙地。根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。
1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。
量子也可以“接地气”
多年来，科学家们努力运用量子世界种种奇异的性质开拓出适用于经典世界的新技术，将向来被公众认为高深莫测“诡异”的量子物理从云端落地到人世间，服务社会大众。
其实，量子理论是一门非常实用的学科。
早在第二次世界大战之前，它的原理就已经被运用于分析金属和半导体的电学和热学性质。战后，晶体管和激光器这两个运用量子理论原理且广为人知的装置，更是极大地推动了信息革命的发展。
到本世纪初，在我们的周围随处可见直接或间接运用量子理论的技术和装置。从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统、从无水涂料到激光制动车闸、从医院的核磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已经渗透到我们的生活中。
另外，计算能力的飞跃也是量子理论的重要应用之一。在经典计算机中，每个比特都只有0和1这两种状态。但在量子计算中，每个比特可以处在0和1的叠加状态，一旦操纵的量子数目增多，它就会以指数增长的形式来提升运算速度，有并行运算的能力。
比如，利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年，利用万亿次量子计算机，只需要1秒。同样，在大数据和人工智能里，求解一个亿亿亿变量的方程组，利用目前最快的亿亿次“天河二号”计算机大概需要100年左右，但是如果利用万亿次的量子计算机，只需要0.01秒。
量子计算的应用非常广泛，不仅可以解决大规模的计算机难题，破解经典密码，进行气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探，而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。不过，量子纠缠“分身术”的特性有一个更为直接的应用，便是量子保密通信。
现在被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里，外面得不到能量，所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展，只需让光缆泄露哪怕很少一部分能量，我们就能够窃听光缆传递的信号。
这是因为经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。比方说，两人打电话时，他人可通过窃听器从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。“棱镜门”等事件的曝光便是最好的例证。
篇3
“在一个硬件研发团队的协助下，量子人工智能研究小组现在能够落实新的设计并测试新的产品。”谷歌在博客中写道。
在整理和分析海量数据方面，量子计算机将具有比传统计算机更快的解决速度。谷歌量子人工智能小组成员马苏德・莫森（Masoud Mohseni）曾经与人合作撰写过具有领先学术水平的量子技术论文。谷歌也一直被视为这一新技术革命的领导力量之一。
此外，谷歌的竞争对手微软也在进军这个新领域，并建立了一个名为“量子架构和计算（Quantum Architectures and Computation Group）”的研究小组。
探秘量子计算机
量子计算机，早先由理查德・费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德・费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。
从物理层面上来看，量子计算机不是基于普通的晶体管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如质子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（学校实验大多用这个）等等作为载体。当然从理论上来看任何一个多能级系统都可以作为量子比特的载体。
从计算原理上来看，量子计算机的输入态既可以是离散的本征态（如传统的计算机一样），也可以是叠加态（几种不同状态的几率叠加），对信息的操作从传统的“和”，“或”，“与”等逻辑运算扩展到任何幺正变换，输出也可以是叠加态或某个本征态。所以量子计算机会更加灵活，并能实现并行计算。
量子计算机或不再遥远
据外媒报道，美国普林斯顿大学研究人员近日设计出一种装置，可以让光子遵循实物粒子的运动规律。现存的计算机是基于经典力学研发而成的，在解释量子力学方面有很大局限性。量子计算机（quantum computer）是一类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。
研究人员制作出一种超导体，里面有1000亿个原子，在聚集起来之后，众多原子如同一个大的“人工原子”。科学家把“人工原子”放在载有光子的超导电线上，结果显示，光子在“人工原子”的影响下改变了原有的运动轨迹，开始呈现实物粒子的性质。例如，在正常情况下，光子之间是互不干涉的，但是在这一装置里，光子开始相互影响，呈现出液体和固体粒子的运动特性，光子的这种运动“前所未有”。
现存的计算机是基于经典力学研发而成的，在解释量子力学方面有很大局限性。量子计算机（quantum computer）是一类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。研究人员称，在改变光子的运动规律之后，量子计算机的发明也许不再遥远。
就我国量子计算机而言，相关研究也一直处于世界领先水平。早在2013年12月30日，美国物理学会《物理》杂志就公布了2013年度国际物理学领域的十一项重大进展，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事张强、马雄峰和陈腾云等“利用测量器件无关量子密钥分发解决量子黑客隐患”的研究成果位列其中。
《物理》杂志以“量子胜利的一年――但还没有量子计算机”为题报道了中国科学家成功解决量子黑客隐患这一重要成果。
篇4
一、计算机技术的发展史
计算机诞生之初，其主要的作用是用于计算导弹的运行弹道。但是由于在过去的工作中计算机成本较为昂贵，在上个世纪五十年代以前，计算机主要应用在军事领域。直到上个世纪六七十年代，计算机成本逐步降低，使得部分单位和企业有能力在工作中采用计算机进行工作，也使得计算机技术得到飞速发展。随着Intel4位中央处理器的诞生以及普及，在1982年，世界上第一台个人计算机诞生，并被成功的应用在家庭。到了上个世纪九十年代末期，计算机技术已经成功的应用在诸多家庭和企业中，同时设计领域也逐步广泛到企业。
在这种社会现状下，计算机技术的发展与应用逐步形成了两个不同的方向和趋势，其一主要指的是被应用在科研机构、军事机构的计算机，由于这些领域往往都是计算困难、计算精度较高的工作环节，因此在发展中对于计算机的计算能力和计算精确度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中应用在家庭和中小企业的计算机，这些计算机可以说主要是往实惠、小体积和轻重量的方向发展。纵观计算机发展史我们可以得知，计算机创新能力的推动与普及与人们生活和社会发展紧密相连，其在工作中也推动了整个社会领域的正常进行。
二、计算机现状
计算机技术在当今社会中发挥着不可替代的作用，对于促进社会信息化的实现有着主导作用。伴随着科学技术的深入发展，计算机技术也逐步实现了硬件系统与软件系统同步发展的核心技术观念，也在工作中实现了信息化、现代化的核心技术处理要求。
（一）现代微型处理器的情况
在当前社会中，计算机技术的性能提升和处理主要在于发展微型处理器，这也是目前计算机发展的整体趋势，在计算机发展工作中，其主要的实质在于提高处理器芯片中的晶体线宽与尺寸的大小。一般在研究的过程中，多采用较短的波长来曝光光源，从而做打破掩膜曝光要求。如今的微型处理器发展与计算中，主要是通过紫外线进行运用和曝光光源的管理与深化，并且在工作中对于深层芯片进行全面总结和处理，这种工作流程和工作方式多是采用量子效应与电子行为来进行分析，这种社会分析现状也是微处理器发展的首要基础。所以也就引起专家的注视，紫外线光源对微处理器性能的提升已经没有多大作用了。
（二）以纳米为主的电子科学技术
伴随着科学技术的不断提高，各种先进材料不断的引进，进而对微处理器进行优化和总结。就目前的计算机应用与发展分析而言，在计算机工作中，准确高效的计算机技术和微型化电子元件的需求已成为人们对计算机发展提出的新观念，但就目前的社会现状而言这种目标还远远没有达到。因此在未来的计算机发展中，我们不仅要深入研究计算机处理技术，同时更是要引进各种新材料、新技术。在这种现状之下，以纳米为主的计算机技术已成为目前我们工作和认识的重点形式，也是当前社会发展中存在的核心问题。
三、计算机技术发展趋势预测
篇5
“杞人忧天”的物理学家们与量子计算机的诞生
量子计算机的诞生和著名的摩尔定律有关，还和“杞人忧天”的物理学家们有关。
众所周知，摩尔定律的技术基础是不断提高电子芯片的集成度（单位芯片的晶体管数）。集成度不断提高，速度就不断加快，我们的手机、电脑就能不断更新换代。
20世纪80年代，摩尔定律很贴切地反映了信息技术行业的发展，但“杞人忧天”的物理学家们却提出了一个“大煞风景”的问题： 摩尔定律有没有终结的时候？
之所以提出这个问题，是因为摩尔定律的技术基础天然地受到两个主要物理限制。
一是巨大的能耗，芯片有被烧坏的危险。芯片发热主要是因为计算机门操作时，其中不可逆门操作会丢失比特。物理学家计算出每丢失一个比特所产生的热量，操作速度越快，单位时间内产生的热量就越多，算机温度必然迅速上升，这时必须消耗大量能量来散热，否则芯片将被烧坏。
二是为了提高集成度，晶体管越做越小，当小到只有一个电子时，量子效应就会出现。此时电子将不再受欧姆定律管辖，由于它有隧道效应，本来无法穿过的壁垒也穿过去了，所以量子效应会阻碍信息技术继续按照摩尔定律发展。
所谓隧道效应，即由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿。它在本质上是量子跃迁，粒子迅速穿越势垒。在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按照经典力学的说法，粒子是不可能越过势垒的；而对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒，实际上也的确如此。
这两个限制就是物理学家们预言摩尔定律会终结的理由所在。
虽然这个预言在当时没有任何影响力，但“杞人忧天”的物理学家们并不“死心”，继续研究，提出了第二个问题：如果摩尔定律终结，在后摩尔时代，提高运算速度的途径是什么？
这就导致了量子计算概念的诞生。
量子计算所遵从的薛定谔方程是可逆的，不会出现非可逆操作，所以耗能很小；而量子效应正是提高量子计算并行运算能力的物理基础。
甲之砒霜，乙之蜜糖。它们对于电子计算机来说是障碍的量子效应，对于量子计算机来说，反而成了资源。
量子计算的概念最早是1982年由美国物理学家费曼提出的。1985年，英国物理学家又提出了“量子图灵机”的概念，之后许多物理学家将“量子图灵机”等效为量子的电子线路模型，并开始付诸实践。但当年这些概念的提出都没有动摇摩尔定律在信息技术领域的地位，因为在相当长的时间内，摩尔定律依然在支撑着电子计算机的运算速度的飞速提高。
直到今年，美国政府宣布，摩尔定律终结了。微电子未来的发展是低能耗、专用这两个方向，而不再是追求速度。
由此可见，基础研究可能在当时看不到有什么实际价值，但未来却会发挥出巨大作用。
量子计算机虽然好，研制起来却非常难
量子计算机和电子计算机一样，其功用在于计算具体数学问题。不同的是，电子计算机所用的电子存储器在某个时间只能存一个数据，它是确定的，操作一次就把一个比特（bit，存储器最小单元）变成另一个比特，实行串行运算模式；而量子计算机利用量子性质，一个量子比特可以同时存储两个数值，N个量子比特可以同时存储2的N次方数据，操作一次会将这个2的N次方数据变成另外一个2的N次方数据，以此类推，运行模式为一个CPU的并行运算模式，运行操作能力指数上升，这是量子计算机来自量子性的优点。量子计算本来就是并行运算，所以说量子计算机天然就是“超级计算机”。
要想研制量子计算机，除了要研制芯片、控制系统、测量装置等硬件外，还需要研制与之相关的软件，包括编程、算法、量子计算机的体系结构等。
一台量子计算机运行时，数据输入后，被编制成量子体系的初始状态，按照量子计算机欲计算的函数，运用相应的量子算法和编程，编制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作变换，将量子计算机的初态变成末态，最后对末态实施量子测量，读出运算的结果。
一台有N个量子比特的量子计算机，要保证能够实施一个量子比特的任意操作和任意两个量子比特的受控非操作，才能进行由这两个普适门操作的组合所构成的幺正操作，完成量子计算机的运算任务。这是量子芯片的基本要求。如果要超越现有电子计算水平，需要多于1000个量子比特构成的芯片。目前，这还无法实现。这种基于“量子图灵机”的标准量子计算是量子计算机研制的主流。
除此以外，还有其他量子计算模型，如单向量子计算、分布式量子计算，但其研制的困难程度并没有减小。另外，还有拓扑量子计算、绝热量子计算等。
由于对硬件和软件的全新要求，量子计算机的所有方面都需要重新进行研究，这就意味着量子计算是非常重要的交叉学科，是需要不同领域的人共同来做才能做成的复杂工程。
把量子计算机从“垃圾桶”捡回来的量子编码与容错编码
实现量子计算最困难的地方在于，这种宏观量子系统是非常脆弱的，周围的环境都会破坏量子相干性（消相干），一旦量子特性被破坏，将导致量子计算机并行运算能力基础消失，变成经典的串行运算。
所以，早期许多科学家认为量子计算机只是纸上谈兵，不可能被制造出来。直到后来，科学家发明了量子编码。
量子编码的发现等于把量子计算机从“垃圾桶”里又捡回来了。
采用起码5个量子比特编码成1个逻辑比特，可以纠正消相干引起的所有错误。
不仅如此，为了避免在操作中的错误，使其能够及时纠错，科学家又研究容错编码，在所有量子操作都可能出错的情况下，它仍然能够将整个系统纠回理想的状态。这是非常关键的。
什么条件下能容错呢？这里有个容错阈值定理。每次操作，出错率要低于某个阈值，如果大于这个阈值，则无法容错。
这个阈值具体是多大呢？
这与计算机结构有关，考虑到量子计算的实际构型问题，在一维或准一维的构型中，容错的阈值为10^-5，在二维情况（采用表面码来编码比特）中，阈值为10^-2。
目前，英国Lucas团队的离子阱模型、美国Martinis团队的超导模型在单、双比特下操作精度已达到这个阈值。
所以，我们的目标就是研制大规模具有容错能力的通用量子计算机。
量子计算机的“量子芯”
量子芯片的研究已经从早期对各种可能的物理系统的广泛研究，逐步聚焦到了少数物理系统。
20世纪90年代时，美国不知道什么样的物理体系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，发现许多体系根本不可能最终做成量子计算机，所以他们转而重点支持固态系统。
固态系统的优点是易于集成（能够升级量子比特数目），但缺点是容错性不好，固态系统的消相干特别严重，相干时间很短，操控误差大。
2004年以来，世界上许多著名的研究机构，如美国哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学，日本东京大学，荷兰Delft大学等都做了很大的努力，在半导体量子点作为未来量子芯片的研究方面取得了一系列重大进展。最近几年，半导体量子芯片的相干时间已经提高到200微秒。
国际上，在自旋量子比特研究方面，于2012年做到两个比特之后，一直到2015年，还是停留在四个量子点编码的两个自旋量子比特研究上，实现了两个比特的CNOT（受控非）。
虽然国际同行关于电荷量子比特的研究比我们早，但是至今也只做到四个量子点编码的两个比特。我们研究组在电荷量子比特上的研究，2010年左右制备单个量子点，2011年实现双量子点，2012～2013年实现两个量子点编码的单量子比特， 2014～2015年实现四量子点编码的两个电荷量子比特。目前，已研制成六个量子点编码为三个量子比特，并实现了三个比特量子门操作，已经达到国际领先水平。
超导量子芯片要比半导体量子芯片发展得更快。
近几年，科学家使用各种方法把超导的相干时间尽可能拉长，到现在已达到了100多微秒。这花了13年的基础研究，相干时间比原来提高了5万倍。
超导量子计算在某些指标上有更好的表现，比如：
1.量子退相干时间超过0.1ms，高于逻辑门操作时间1000倍以上，接近可实用化的下限。
2.单比特和两比特门运算的保真度分别达到99.94%和99.4%，达到量子计算理论的容错率阈值要求。
3.已经实现9个量子比特的可控耦合。
4.在量子非破坏性测量中，达到单发测量的精度。
5.在量子存储方面，实现超高品质因子谐振腔。
美国从90年代到现在，在基础研究阶段超导领域的突破已经引起了企业的重视。美国所有重大的科技公司，包括微软、苹果、谷歌都在量子计算机研制领域投入了巨大的力量，尽最大的努力来争夺量子计算机这块“巨大的蛋糕”！
其中，最典型的就是谷歌在量子计算机领域的布局。它从加州大学圣芭芭拉分校高薪引进国际上超导芯片做得最好的J. Matinis团队（23人），从事量子人工智能方面的研究。
他们制定了一个目标―明年做到50个量子比特。定这个目标是因为，如果能做49个量子比特的话，在大数据处理等方面，就远远超过了电子计算机所有可能的能力。
整体来看，量子计算现在正处于“从晶体管向集成电路过渡阶段”。
尚未研制成功的量子计算机，我们仍有机会！
很多人都问，实际可用的量子计算机究竟什么时候能做出来？
中国和欧洲估计需要15年，美国可能会更快，美国目前的发展确实也更快。
量子计算是量子信息领域的主流研究方向，从90年代开始，美国就在这方面花大力气进行研究，在硬件、软件、材料各个方面投入巨大，并且它有完整的对量子计算研究的整体策划，不仅各个指标超越世界其他国家，各个大公司的积极性也被调动了起来。
美国的量子计算机研制之路分三个阶段：第一阶段，由政府主导，主要做基础研究；第二阶段，企业开始投入；第三阶段，加快产出速度。
篇6
The Challenge of Quantum Computing to Information Security and Our Countermeasures
ZHANG Huanguo, GUAN Haiming, WANG Houzheng
（Key Lab of Aerospace Information Security and Trusted Computing of Ministry of Education, Computer School, Whan University, Wuhan 430072, China）
Abstract: What cryptosystem to use is a severe challenge that we face in the quantum computing era. It is the only correct choice to research and establish an independent resistant quantum computing cryptosystem. This paper introduces to the research and development of resistant quantum computing cryptography, especially the signature scheme based on HASH function，lattice-based public key cryptosystem，MQ public key cryptosystem and public key cryptosystem based on error correcting codes. Also the paper gives some suggestions for further research on the quantum information theory，the complexity theory of quantum computing，design and analysis of resistant quantum computing cryptosystems .
Key words: information security; cryptography; quantum computing; resistant quantum computing cryptography
1 量子信息时代
量子信息技术的研究对象是实现量子态的相干叠加并对其进行有效处理、传输和存储，以创建新一代高性能的、安全的计算机和通信系统.量子通信和量子计算的理论基础是量子物理学.量子信息科学技术是在20世纪末期发展起来的新学科，预计在21世纪将有大的发展［1］.
量子有许多经典物理所没有的奇妙特性.量子的纠缠态就是其中突出的一个.原来存在相互作用、以后不再有相互作用的2个量子系统之间存在瞬时的超距量子关联，这种状态被称为量子纠缠态［1］.
量子的另一个奇妙特性是量子通信具有保密特性.这是因为量子态具有测不准和不可克隆的属性，根据这种属性除了合法的收发信人之外的任何人窃取信息，都将破坏量子的状态.这样，窃取者不仅得不到信息，而且窃取行为还会被发现，从而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比较成熟的技术是，利用量子器件产生随机数作为密钥，再利用量子通信分配密钥，最后按传统的“一次一密”方式加密.量子纠缠态的超距作用预示，如果能够利用量子纠缠态进行通信，将获得超距和超高速通信.
量子计算机是一种以量子物理实现信息处理的新型计算机.奇妙的是量子计算具有天然的并行性.n量子位的量子计算机的一个操作能够处理2n个状态，具有指数级的处理能力，所以可以用多项式时间解决一些指数复杂度的问题.这就使得一些原来在电子计算机上无法解决的困难问题，在量子计算机上却是可以解决的.
2 量子计算机对现有密码提出严重挑战
针对密码破译的量子计算机算法主要有以下2种.
第1种量子破译算法叫做Grover算法［3］.这是贝尔实验室的Grover在1996年提出的一种通用的搜索破译算法，其计算复杂度为O(N).对于密码破译来说，这一算法的作用相当于把密码的密钥长度减少到原来的一半.这已经对现有密码构成很大的威胁，但是并未构成本质的威胁，因为只要把密钥加长1倍就可以了.
第2种量子破译算法叫做Shor算法［4］.这是贝尔实验室的Shor在1997年提出的在量子计算机上求解离散对数和因子分解问题的多项式时间算法.利用这种算法能够对目前广泛使用的RSA、ECC公钥密码和DH密钥协商体制进行有效攻击.对于椭圆曲线离散对数问题，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子计算机上可以容易地求解k比特的椭圆曲线离散对数问题［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.对于整数的因子分解问题，Beauregard指出：在N量子位的量子计算机上可以容易地分解k比特的整数［5］，其中N≈2k.根据这种分析，利用1448qbit的计算机可以求解256位的椭圆曲线离散对数，因此也就可以破译256位的椭圆曲线密码，这可能威胁到我国第2代身份证的安全.利用2048qbit的计算机可以分解1024位的整数，因此也就可以破译1024位的RSA密码，这就可能威胁到我们电子商务的安全
Shor算法的攻击能力还在进一步扩展，已从求广义解离散傅里叶变换问题扩展到求解隐藏子群问题(HSP)，凡是能归结为HSP的公钥密码将不再安全.所以，一旦量子计算机能够走向实用，现在广泛应用的许多公钥密码将不再安全，量子计算机对我们的密码提出了严重的挑战.
3 抗量子计算密码的发展现状
抗量子计算密码（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3类：
第1类，量子密码；第2类，DNA密码；第3类是基于量子计算不擅长计算的那些数学问题所构建的密码.
量子保密的安全性建立在量子态的测不准与不可克隆属性之上，而不是基于计算的［1,6］.类似地，DNA密码的安全性建立在一些生物困难问题之上，也不是基于计算的［7-8］.因此，它们都是抗量子计算的.由于技术的复杂性，目前量子密码和DNA密码尚不成熟.
第3类抗量子计算密码是基于量子计算机不擅长的数学问题构建的密码.基于量子计算机不擅长计算的那些数学问题构建密码，就可以抵御量子计算机的攻击.本文主要讨论这一类抗量子计算密码［9］.
所有量子计算机不能攻破的密码都是抗量子计算的密码.国际上关于抗量子计算密码的研究主要集中在以下4个方面.
3.1 基于HASH函数的数字签名
1989年Merkle提出了认证树签名方案(MSS)［10］. Merkle 签名树方案的安全性仅仅依赖于Hash函数的安全性.目前量子计算机还没有对一般Hash函数的有效攻击方法, 因此Merkle签名方案具有抗量子计算性质.与基于数学困难性问题的公钥密码相比,Merkle签名方案不需要构造单向陷门函数,给定1个单向函数(通常采用Hash函数)便能造1个Merkle签名方案.在密码学上构造1个单向函数要比构造1个单向陷门函数要容易的多,因为设计单向函数不必考虑隐藏求逆的思路, 从而可以不受限制地运用置换、迭代、移位、反馈等简单编码技巧的巧妙组合,以简单的计算机指令或廉价的逻辑电路达到高度复杂的数学效果.新的Hash标准SHA-3［11］的征集过程中,涌现出了许多新的安全的Hash函数,利用这些新的Hash算法可以构造出一批新的实用Merkle签名算法.
Merkle 签名树方案的优点是签名和验证签名效率较高，缺点是签名和密钥较长,签名次数受限.在最初的Merkle签名方案中, 签名的次数与需要构造的二叉树紧密相关.签名的次数越多,所需要构造的二叉树越大,同时消耗的时间和空间代价也就越大.因此该方案的签名次数是受限制的.近年来,许多学者对此作了广泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了签名的次数, 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR树算法［12,15］,只需要采用抗原像攻击和抗第2原像攻击的Hash函数,便能构造出安全的签名方案.而在以往的Merkle签名树方案中,则要求Hash函数必须是抗强碰撞的.这是对原始Merkle签名方案的有益改进.上述这些成果,在理论上已基本成熟,在技术上已基本满足工程应用要求, 一些成果已经应用到了Microsoft Outlook 以及移动路由协议中［16］.
虽然基于Hash函数的数字签名方案已经开始应用，但是还有许多问题需要深入研究.如增加签名的次数、减小签名和密钥的尺寸、优化认证树的遍历方案以及如何实现加密和基于身份的认证等功能，均值得进一步研究.
3.2 基于纠错码的公钥密码
基于纠错码的公钥密码的基本思想是: 把纠错的方法作为私钥, 加密时对明文进行纠错编码，并主动加入一定数量的错误, 解密时运用私钥纠正错误, 恢复出明文.
McEliece利用Goppa码有快速译码算法的特点, 提出了第1个基于纠错编码的McEliece公钥密码体制［17］.该体制描述如下, 设G是二元Goppa码［n;k;d］的生成矩阵,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分别为GF(2)k和GF(2)n.随机选取有限域GF(2)上的k阶可逆矩阵S和n阶置换矩阵P,并设G′=SGP,则私钥为,公钥为G′.如果要加密一个明文m∈GF(2)k,则计算c=mG′+z,这里z∈GF(2)n是重量为t的随机向量.要解密密文c, 首先计算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置换矩阵, 显然z与zP-1的重量相等且为t,于是可利用Goppa的快速译码算法将cP-1译码成m′= mS,则相应明文m= m′S-1.
1978年Berlekamp等证明了一般线性码的译码问题是NPC问题［18］，McEliece密码的安全性就建立在这一基础上.McEliece密码已经经受了30多年来的广泛密码分析,被认为是目前安全性最高的公钥密码体制之一.虽然McEliece 公钥密码的安全性高且加解密运算比较快, 但该方案也有它的弱点, 一是它的公钥尺寸太大，二是只能加密不能签名.
1986年Niederreiter提出了另一个基于纠错码的公钥密码体制［19］. 与McEliece密码不同的是它隐藏的是Goppa码的校验矩阵.该系统的私钥包括二元Goppa码［n;k;d］的校验矩阵H以及GF(2)上的可逆矩阵M和置换矩阵P.公钥为错误图样的重量t和矩阵H′=MHP.假如明文为重量为t 的n 维向量m, 则密文为c=mH′T .解密时,首先根据加密表达式可推导出z(MT )-1=mPTHT,然后通过Goppa码的快速译码算法得到mPT,从而可求出明文m .1994年我国学者李元兴、王新梅等［20］证明了Niederreiter密码与McEliece密码在安全性上是等价的.
McEliece密码和Niederreiter密码方案不能用于签名的主要原由是,用Hash算法所提取的待签消息摘要向量能正确解码的概率极低.2001年Courtois等提出了基于纠错码的CFS签名方案［21］.CFS 签名方案能做到可证明安全, 短签名性质是它的最大优点. 其缺点是密钥量大、签名效率低，影响了其实用性.
因此, 如何用纠错码构造一个既能加密又签名的密码, 是一个相当困难但却非常有价值的开放课题.
3.3 基于格的公钥密码
近年来,基于格理论的公钥密码体制引起了国内外学者的广泛关注.格上的一些难解问题已被证明是NP难的，如最短向量问题(SVP)、最近向量问题(CVP)等.基于格问题建立公钥密码方案具有如下优势:①由于格上的一些困难性问题还未发现量子多项式破译算法，因此我们认为基于格上困难问题的密码具有抗量子计算的性质.②格上的运算大多为线性运算,较RSA等数论密码实现效率高,特别适合智能卡等计算能力有限的设备.③根据计算复杂性理论,问题类的复杂性是指该问题类在最坏情况下的复杂度.为了确保基于该类困难问题的密码是安全的，我们希望该问题类的平均复杂性是困难的，而不仅仅在最坏情况下是困难的.Ajtai在文献［22］中开创性地证明了:格中一些问题类的平均复杂度等于其最坏情况下的复杂度.Ajtai和Dwork利用这一结论设计了AD公钥密码方案［23］.这是公钥密码中第1个能被证明其任一随机实例与最坏情况相当.尽管AD公钥方案具有良好的安全性, 但它的密钥量过大以及实现效率太低、而缺乏实用性.
1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公钥密码［24］. 这是目前基于格的公钥密码中最具影响的密码方案.NTRU的安全性建立在在一个大维数的格中寻找最短向量的困难性之上.NTRU 密码的优点是运算速度快，存储空间小.然而, 基于NTRU的数字签名方案却并不成功.
2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS签名体制［25］, 这个体制在签名时泄露了私钥信息,导致了一类统计攻击,后来被证明是不安全的.2001年设计者改进了NSS 体制,提出了R-NSS 签名体制［26］,不幸的是它的签名仍然泄露部分私钥信息.Gentry 和Szydlo 结合最大公因子方法和统计方法,对R-NSS 作了有效的攻击.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign数字签名体制［27］.NTRUSign 签名算法较NSS与R-NSS两个签名方案做了很大的改进,在签名过程中增加了对消息的扰动, 大大减少签名中对私钥信息的泄露, 但却极大地降低了签名的效率, 且密钥生成过于复杂.但这些签名方案都不是零知识的,也就是说,签名值会泄露私钥的部分相关信息.以NTRUSign 方案为例,其推荐参数为(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),设计值保守推荐该方案每个密钥对最多只能签署107 次,实际中一般认为最多可签署230次.因此，如何避免这种信息泄露缺陷值得我们深入研究.2008 年我国学者胡予濮提出了一种新的NTRU 签名方案［28］，其特点是无限制泄露的最终形式只是关于私钥的一组复杂的非线性方程组，从而提高了安全性.总体上这些签名方案出现的时间都还较短，还需要经历一段时间的安全分析和完善.
由上可知，进一步研究格上的困难问题，基于格的困难问题设计构造既能安全加密又能安全签名的密码，都是值得研究的重要问题.
3.4 MQ公钥密码
MQ公钥密码体制, 即多变量二次多项式公钥密码体制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下简称为MQ密码.它最早出现于上世纪80年代,由于早期的一些MQ密码均被破译,加之经典公钥密码如RSA算法的广泛应用,使得MQ公钥算法一度遭受冷落.但近10年来MQ密码的研究重新受到重视,成为密码学界的研究热点之一.其主要有3个原因:一是量子计算对经典公钥密码的挑战;二是MQ密码孕育了代数攻击的出现［29-31］,许多密码(如AES)的安全性均可转化为MQ问题,人们试图借鉴MQ密码的攻击方法来分析这些密码,反过来代数攻击的兴起又带动了MQ密码的蓬勃发展;三是MQ密码的实现效率比经典公钥密码快得多.在目前已经构造出的MQ密码中, 有一些非常适用于智能卡、RFID、移动电话、无线传感器网络等计算能力有限的设备, 这是RSA等经典公钥密码所不具备的优势.
MQ密码的安全性基于有限域上的多变量二次方程组的难解性.这是目前抗量子密码学领域中论文数量最多、最活跃的研究分支.
设U、T 是GF(q)上可逆线性变换(也叫做仿射双射变换),而F 是GF(q)上多元二次非线性可逆变换函数,称为MQ密码的中心映射.MQ密码的公钥P为T 、F 和U 的复合所构成的单向陷门函数,即P = T•F•U,而私钥D 由U、T 及F 的逆映射组成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何构造具有良好密码性质的非线性可逆变换F是MQ密码设计的核心.根据中心映射的类型划分,目前MQ密码体制主要有:Matsumoto-Imai体制、隐藏域方程(HFE) 体制、油醋(OV)体制及三角形(STS)体制［32］.
1988年日本的Matsumoto和Imai运用"大域-小域"的原理设计出第1个MQ方案,即著名的MI算法［33］.该方案受到了日本政府的高度重视,被确定为日本密码标准的候选方案.1995年Patarin利用线性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密码是多变量公钥密码发展的一个里程碑,为该领域带来了一种全新的设计思想,并且得到了广泛地研究和推广.改进MI算法最著名的是SFLASH签名体制［35］,它在2003年被欧洲NESSIE 项目收录,用于智能卡的签名标准算法.该标准签名算法在2007年美密会上被Dubois、Fouque、Shamir等彻底攻破［36］.2008年丁津泰等结合内部扰动和加模式方法给出了MI的改进方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、张焕国也给出了一种SFLASH的改进方案［39-40］，改进后的方案可以抵抗文献［36］的攻击.但这些改进方案的安全性还需进一步研究.
1996年Patarin针对MI算法的弱点提出了隐藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作为是对MI的实质性改进.2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE体制的Challenge-1［42］.HFE主要有2种改进算法.一是HFEv-体制,它是结合了醋变量方法和减方法改进而成,特殊参数化HFEv-体制的Quartz签名算法［43］.二是IPHFE体制［44］,这是丁津泰等结合内部扰动方法对HFE的改进.这2种MQ密码至今还未发现有效的攻击方法.
油醋(OilVinegar)体制［45］是Patarin在1997年利用线性化方程的原理,构造的一种MQ公钥密码体制.签名时只需随机选择一组醋变量代入油醋多项式,然后结合要签名的文件,解一个关于油变量的线性方程组.油醋签名体制主要分为3类:1997年Patarin提出的平衡油醋(OilVinegar)体制, 1999年欧密会上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)体制［46］以及丁津泰在ACNS2005会议上提出的彩虹(Rainbow)体制［47］.平衡的油醋体制中,油变量和醋变量的个数相等，但平衡的油醋体制并不安全.彩虹体制是一种多层的油醋体制,即每一层都是油醋多项式,而且该层的所有变量都是下一层的醋变量,它也是目前被认为是相对安全的MQ密码之一.
三角形体制是现有MQ密码中较为特殊的一类,它的签名效率比MI和HFE还快,而且均是在较小的有限域上进行.1999年Moh基于Tame变换提出了TTM 密码体制［48］,并在美国申请了专利.丁津泰等指出当时所有的TTM实例均满足线性化方程.Moh等随后又提出了一个新的TTM 实例,这个新的实例被我国学者胡磊、聂旭云等利用高阶线性化方程成功攻破［49］.目前三角形体制的设计主要是围绕锁多项式的构造、结合其它增强多变量密码安全性的方法如加减(plus-minus) 模式以及其它的代数结构如有理映射等.
我国学者也对MQ密码做了大量研究，取得了一些有影响的研究成果.2007年管海明引入单向函数链对MQ密码进行扩展,提出了有理分式公钥密码系统［50］.胡磊、聂旭云等利用高阶线性化方程成功攻破了Moh提出的一个TTM新实例［51］.2010年本文作者王后珍、张焕国给出了一种SFLASH的改进方案［39-40］.2010年王后珍、张焕国基于扩展MQ，设计了一种Hash函数［52-53］，该Hash函数具有一些明显的特点.同年，王后珍、张焕国借鉴有理分式密码单向函数链的思想［52］，对MQ密码进行了扩展，设计了一种新的抗量子计算扩展MQ密码［54］.这些研究对于扩展MQ密码结构，做了有益的探索.但是这些方案提出的时间较短，其安全性有待进一步分析.
根据上面的介绍,目前还没有一种公认安全的MQ公钥密码体制.目前MQ公钥密码的主要缺点是:只能签名,不能安全加密(加密时安全性降低)，公钥大小较长，很难设计出既安全又高效的MQ公钥密码体制.
3.5 小结
无论是量子密码、DNA密码，还是基于量子计算不擅长计算的那些数学问题所构建的密码，都还存在许多不完善之处，都还需要深入研究.
量子保密通信比较成熟的是，利用量子器件产生随机数作为密钥，再利用量子通信分配密钥，最后按“一次一密”方式加密.在这里，量子的作用主要是密钥产生和密钥分配，而加密还是采用的传统密码.因此，严格说这只能叫量子保密，尚不能叫量子密码.另外，目前的量子数字签名和认证方面还存在一些困难.
对于DNA密码，目前虽然已经提出了DNA传统密码和DNA公钥密码的概念和方案，但是理论和技术都还不成熟［9-10］.
对于基于量子计算不擅长计算的那些数学问题所构建的密码，现有的密码方案也有许多不足.如，Merkle树签名可以签名，不能加密；基于纠错码的密码可以加密，签名不理想；NTRU密码可以加密，签名不理想；MQ密码可以签名，加密不理想.这说明目前尚没有形成的理想的密码体制.而且这些密码的安全性还缺少严格的理论分析.
总之，目前尚未形成理想的抗量子密码.
4 我们的研究工作
我们的研究小组从2007年开始研究抗量子计算密码.目前获得了国家自然科学基金等项目的支持，并取得了以下2个阶段性研究成果.
4.1 利用多变量问题，设计了一种新的Hash函数
Hash 函数在数字签名、完整性校验等信息安全技术中被广泛应用.目前 Hash 函数的设计主要有3类方法:①直接构造法.它采用大量的逻辑运算来确保Hash函数的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函数均是采用这种方法设计的.②基于分组密码的Hash 函数，其安全性依赖于分组密码的安全性.③基于难解性问题的构造法.利用一些难解性问题诸如离散对数、因子分解等来构造Hash 函数.在合理的假设下，这种Hash函数是可证明安全的，但一般来讲其效率较低.
我们基于多变量非线性多项式方程组的难解性问题，构造了一种新的Hash 函数［54-55］.它的安全性建立在多变量非线性多项式方程组的求解困难性之上.方程组的次数越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取决多变量方程组的稀疏程度，方程组越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我们可以权衡安全性和效率来控制多变量多项式方程组的次数和稠密度，以构造出满足用户需求的多变量Hash 函数.
4.2 对MQ密码进行了扩展，把Hash认证技术引入MQ密码，得到一种新的扩展MQ密码
扩展MQ密码的基本思想是对传统MQ密码的算法空间进行拓展. 如图1所示, 我们通过秘密变换L将传统MQ密码的公钥映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隐藏到更大算法空间中得到新的公钥映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的输入输出空间是不对称的, 原像空间大于像空间(δ＞|μ|), 即具有压缩性, 但却并未改变映射G的可逆性质. 同时, 算法空间的拓展破坏了传统MQ密码的一些特殊代数结构性质, 从攻击者的角度, 由于无法从G′中成功分解出原公钥映射G, 因此必须在拓展空间中求解更大规模的非线性方程组G′, 另外, 新方案中引入Hash认证技术, 攻击者伪造签名时, 伪造的签名不仅要满足公钥方程G′、 还要通过Hash函数认证, 双重安全性保护极大地提升了传统MQ公钥密码系统的安全性. 底层MQ体制及Hash函数可灵活选取, 由此可构造出一类新的抗量子计算公钥密码体制.这种扩展MQ密码的特点是，既可安全签名，又可安全加密［56］.
我们提出的基于多变量问题的Hash函数和扩展MQ密码，具有自己的优点，也有自己的缺点.其安全性还需要经过广泛的分析与实践检验才能被实际证明.
5 今后的研究工作
5.1 量子信息论
量子信息建立在量子的物理属性之上，由于量子的物理属性较之电子的物理属性有许多特殊的性质，据此我们估计量子的信息特征也会有一些特殊的性质.这些特殊性质将会使量子信息论对经典信息论有一些新的扩展.但是，具体有哪些扩展，以及这些新扩展的理论体系和应用价值体现在哪里？我们尚不清楚.这是值得我们研究的重要问题.
5.2 量子计算理论
这里主要讨论量子可计算性理论和量子计算复杂性理论.
可计算性理论是研究计算的一般性质的数学理论.它通过建立计算的数学模型，精确区分哪些是可计算的，哪些是不可计算的.如果我们研究清楚量子可计算性理论，将有可能构造出量子计算环境下的绝对安全密码.但是我们目前对量子可计算性理论尚不清楚，迫切需要开展研究.
计算复杂性理论使用数学方法对计算中所需的各种资源的耗费作定量的分析，并研究各类问题之间在计算复杂程度上的相互关系和基本性质.它是密码学的理论基础之一，公钥密码的安全性建立在计算复杂性理论之上.因此，抗量子计算密码应当建立在量子计算复杂性理论之上.为此，应当研究以下问题.
1） 量子计算的问题求解方法和特点.量子计算复杂性建立在量子图灵机模型之上，问题的计算是并行的.但是目前我们对量子图灵机的计算特点及其问题求解方法还不十分清楚，因此必须首先研究量子计算问题求解的方法和特点.
2） 量子计算复杂性与传统计算复杂性之间的关系.与电子计算机环境的P问题、NP问题相对应, 我们记量子计算环境的可解问题为QP问题, 难解问题为QNP问题.目前人们对量子计算复杂性与传统计算复杂性的关系还不够清楚，还有许多问题需要研究.如NP与QNP之间的关系是怎样的？ NPC与QP的关系是怎样的？NPC与QNP的关系是怎样的？能否定义QNPC问题？这些问题关系到我们应基于哪些问题构造密码以及所构造的密码是否具有抗量子计算攻击的能力.
3） 典型难计算问题的量子计算复杂度分析.我们需要研究传统计算环境下的一些NP难问题和NPC问题，是属于QP还是属于QNP问题？
5.3 量子计算环境下的密码安全性理论
在分析一个密码的安全性时，应首先分析它在电子计算环境下的安全性，如果它是安全的，再进一步分析它在量子计算环境下的安全性.如果它在电子计算环境下是不安全的，则可肯定它在量子计算环境下是不安全的.
1） 现有量子计算攻击算法的攻击能力分析.我们现在需要研究的是Shor算法除了攻击广义离散傅里叶变换以及HSP问题外，还能攻击哪些其它问题？如果能攻击，攻击复杂度是多大？
2) 寻找新的量子计算攻击算法.因为密码的安全性依赖于新攻击算法的发现.为了确保我们所构造的密码在相对长时间内是安全的，必须寻找新的量子计算攻击算法.
3) 密码在量子计算环境下的安全性分析.目前普遍认为, 基于格问题、MQ问题、纠错码的译码问题设计的公钥密码是抗量子计算的.但是，这种认识尚未经过量子计算复杂性理论的严格的论证.这些密码所依赖的困难问题是否真正属于QNP问题？这些密码在量子计算环境下的实际安全性如何？只有经过了严格的安全性分析，我们才能相信这些密码.
5.4 抗量子计算密码的构造理论与关键技术
通过量子计算复杂性理论和密码在量子计算环境下的安全性分析的研究，为设计抗量子计算密码奠定了理论基础，并得到了一些可构造抗量子计算的实际困难问题.但要实际设计出安全的密码，还要研究抗量子计算密码的构造理论与关键技术.
1) 量子计算环境下的单向陷门设计理论与方法.理论上，公钥密码的理论模型是单向陷门函数.要构造一个抗量子计算公钥密码首先就要设计一个量子计算环境下的单向陷门函数.单向陷门函数的概念是简单的，但是单向陷门函数的设计是困难的.在传统计算复杂性下单向陷门函数的设计已经十分困难，我们估计在量子计算复杂性下单向陷门函数的设计将更加困难.
2） 抗量子计算密码的算法设计与实现技术.有了单向陷门函数，还要进一步设计出密码算法.有了密码算法，还要有高效的实现技术.这些都是十分重要的问题.都需要认真研究才能做好.
6 结语
量子计算时代我们使用什么密码，是摆在我们面前的重大战略问题.研究并建立我国独立自主的抗量子计算密码是我们的唯一正确的选择.本文主要讨论了基于量子计算机不擅长计算的数学问题所构建的一类抗量子计算的密码，介绍了其发展现状，并给出了进一步研究的建议.
参考文献:
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篇7
Optimal Knowledge Distribution Based on the Quantum Genetic Algorithm
ZHANG Wei, HE Rong
(Yunnan Medical College, Kunming 650051, China)
Abstract: Researched the question about knowledge distribution of intelligent examination system, based on the theory of quantum computing, applied quantum genetic algorithm, to improve the strategy of knowledge distribution optimization for better coverage and efficiency.
Key words: quantum algorithm; genetic algorithm; intelligent optimization; test system
智能组卷是一种新型的计算机考试系统。试卷由撒布在测试区域内的考题按一定出题规则自组织而成, 这些考题具有一定的代表性,能检测出学生对考察科目知识的学习掌握情况。考试系统中,考题的分布以及组织对于提高系统的测试水平具有重要的意义。传统的考试系统知识分布有两种策略,一种是人工规划(Planning模式),另一种是大规模的随机分散(Scattering模式)。前者缺乏灵活性与多样性,且效率低下,不适宜计算机组卷等大规模考试。而后者若要取得较好的分布,就必须设置远多于实际需要的考题才能较完整地覆盖考察科目的测试区域,这与试卷中题目数量的有限性是相互矛盾的,试卷中可能存在考题不合理分布造成的测试阴影和盲区。因此考题的合理分布对智能考试系统的测试效果有重要的作用。尽管针对考试系统国内外进行大量的组卷算法研究,但对于知识点的分布优化问题研究工作还很少,很多研究运用传统遗传算法组卷[1],优化效果不尽理想。针对此问题,本文应用量子遗传算法优化知识点的分布,克服测试阴影和盲区,使考试系统更大范围地测试到更有效的学生学习信息。
1 知识覆盖问题
通过对考试科目的学习,学生学习掌握的知识储存在头脑中。由于学生个体之间的学习差异,导致每个学生大脑中储存和掌握的情况具有不确定性。考试的目的在于,通过试卷测试对学生学习情况做出相对确定的评价。科目知识是相对固定的,我们总是将科目知识当作图谱,按图索骥地构造出试卷去测试学生大脑中相关区域中知识的学习掌握情况,即是否掌握,掌握水平如何等。但在目标试卷生成以前,题库中的考题相对与目标试卷而言表现为存在或不存在两种可能形态。基于此,本文引入量子态对考题进行描述、编码和处理。
1.1 试卷分布构成
试卷覆盖是指由计算机考试系统生成一组考题集合(试卷)对测试区域各个知识点的涵盖。试卷的目的是系统地测试和评价试卷覆盖知识区域内学生的学习情况,并对这些数据进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的教师和教学管理部门。
考题是由考点以问题的形式构成的。其中考点与考试科目的相关知识点对应。因此考题的分布是考试系统获取学生学习信息的关键因素之一,其覆盖范围以及分布优化也随之成为研究领域中的重点。
1.2 试卷覆盖问题
试卷由数量有限的考题组成,每道考题包含若干有针对性的知识点所设置的考点。这些考点形成了考题的测试范围。如何组织试卷完成对目标区域的检测,就是考试系统覆盖性的问题。考题分布优化的任务就是在保持试卷结构完整的前提下,动态调整考题组成,以获得尽可能大的覆盖率,也就是使试卷能获得更广泛的信息。在保持考点充分覆盖的前提下,引入以下定义。
假设考察科目所涵盖的知识范围用集合S表示,组成每套试卷的考题用集合Q={qi,i=1,2,...,n}表示,每道考题测试的知识范围为ci,试卷的测试目标知识区域为A,(A?哿S),则理想的探测效果为。设为试卷有效覆盖知识区域的度量(考点数),d2=A为目标科目知识区域的度量(知识点数),则称ρ=d1/d2为试卷覆盖度。
覆盖性问题不仅反映了试卷所能测试的范围,而且通过合理的覆盖控制还可以使试卷中的考题组合得到优化,提高试卷的命题质量。
1.3 约束条件
我们采用以下公理化方式对知识覆盖问题进行描述(目标):在考题集合Q={q1,q2,...,qn}中求一个子集T作为试卷,使得满足以下约束条件。
① 各考题满足试卷总体约束条件;
② 试卷覆盖度ρ最大;
③ 考题数目T为最少。
3 量子遗传算法的考题分布优化
试卷的考题分布优化是一个多目标优化问题 ,需要在考题数与知识覆盖率之间达到平衡。即在保持试卷中考题数目与题型符合命题要求的情况下,尽可能增加试卷的知识覆盖度,使考题获取最广泛的测试信息。
3.1 量子遗传算法
量子遗传算法是量子计算与遗传算法相结合的产物。它以量子计算的一些概念和理论为基础,用量子比特编码来表示染色体,用量子门作用和量子门更新来完成进化搜索[2]。
我们根据考题在科目知识中的分布和权重(主要是指命题价值)按字典序编号,形成知识地图的坐标。由于题库中的考题在目标试卷生成以前具有不确定性,即在目标试卷中既可能存在,也可能不存在。这符合量子力学中的测不准原则。我们对这些编号进行量子编码,并用量子遗传算法在命题规则的约束下进行知识分布优化。
3.1.1 量子编码
1) 量子态引入
我们用Dirac算符|>和|>分别表示考题在目标试卷中表现为存在或不存在的两种可能形态。若用“1”表示存在,用“0”表示不存在。考题以叠加态的形式存在。即将一个量子比特可能处于|0>和|1>之间的中间态。可表示为:
|Ψ>=α|0>+β|1> (2)
其中α和β分别是|0>和|1>的概率幅,且满足下列归一化条件:
|α|2+|β|2=1(3)
式(3)中,|α|2表示量子比特的观测值在|0>状态的概率投影,|β|2表示量子比特的观测值在|1>状态的概率投影。
定义2.1满足式(2)和式(3)的一对实数α、β称为一个量子比特的概率幅,记为[α,β]T。
定义2.2角度ζ(ζ∈[-π/2,π/2])定义为一个量子比特的相位,即ζ=arctan(β/α)。
2) 染色体量子编码
我们从题型、章节、考题三个方面对试卷的染色体及种群进行量子编码。
其中,m为染色体的基因个体表示知识分布数量(章节数);k为每个基因的量子比特数表示每道题的属性数量。n个这样的个体构成的种群Q(t)={q1t,q2t,...,qnt}表示试卷,其中n为题型数量。
3.1.2 量子旋转门
量子旋转门是实现演化操作的执行机构。[3-5]图1为量子旋转门示意图。
其操作规律如下:
θi=k*f(αi,βi) (6)
其中k是一个与算法收敛速度有关的系数,k的取值必须合理选取,如果k的取值过大,算法搜索的网格就很大,容易出现早熟现象,算法易于收敛于局部极值点,反之,如果 k 的取值过小,则搜索速度太慢甚至会处于停滞状态。因此,本文将k视为一个变量,将k定义为一个与进化代数有关的变量,如,其中t为进化代数,max t是根据待求解的具体问题而设定的一个常数,因此k可以根据进化代数合理地调整网格大小。
函数f(αi,βi)的作用是使算法朝着最优解得方向搜索。本文采用表1的搜索策略。其原理是使当前解逐渐逼近搜索到的最佳解,从而确定量子旋转门的旋转方向。其中符号e表示α和β的乘积,即e=α*β,e的正负值代表此量子比特的相位ζ在平面坐标中所处的象限。 如果 e的值为正,则表示ζ处于第一、三象限,否则处于第二或第四象限。
在表1中,α1和β1是搜索到的最佳节的概率幅,α2和β2是当前解的概率幅,当e1,e2同时大于0时,意味着当前解和搜索到的最佳解均处于第一或第三象限。当|ζ1|>|ζ2|时,表明当前解应朝着逆时针方向旋转,其值为 +1,反之为 -1。同理可推出其他三种情况。
这样,量子门的更新过程可以描述为qjt+1=G(t)*qjt其中,上标t为进化代数,G(t)为第t代量子门,为第t代某个个体的概率幅,qjt+1为第t+1代相应个体的概率幅。
3.1.3 量子遗传算法流程(见图2)
①初始化种群,种群Q={q1,q2,...,qn},其中qj为种群中的第 j 个个体。 令种群中全部的染色体基因(αi,βi) (i=1,2,...,m)都被初始化为,这意味着一个染色体所表达的是其所有可能状态的等概率叠加。同时初始化进化代数t=0。
②量子坍塌法测量:对处于叠加态的量子位进行观测时,叠加态将因此受到干扰,并发生变化,称为坍塌。扰动使为叠加态坍缩为基本态。确定种群大小n和量子位的数目m,包含n个个体的种群通过量子坍塌,得到P(t),其中为第t代种群的第j个解(即第j个个体的测量值),表现形式为长度m为的二进制串,其中每一位为0或1。(量子坍塌即对Q进行测量,测量的步骤是生成一个[0,1] 之间的随机数,若其大于概率幅的平方,则测量结果值取1,否则取0。
③群体的适应度评价,保存最优解作为下一步演化的目标值。
④算法进入循环。首先判断是否满足算法终止条件,如果满足,则程序运行结束;否则对种群中个体实施一次测量,获得一组解及其相应的适应度。
⑤根据当前的演化目标,运用量子旋转门进行调整更新,获得子代种群。调整过程为根据式(6)计算量子旋转门的旋转角,并应用式(5)作用于种群中的所有个体的概率幅,即更新Q。
⑥群体灾变:当接连数代的最优个体为局部极值,这时就实行群体灾变操作,即对进化过程中的种群施加一个较大扰动,使其脱离局部最优点,开始新的搜索。具体操作为:只保留最优值,重新生成其余个体。
⑦迭代与终止进化代数t'=t+1,算法转至式(2)继续执行,直到算法结束。
4 仿真试验
为了验证算法的有效性,我们对传统遗传算法(CGA)与量子遗传算法(QGA)所获得的考题知识覆盖度进行仿真对比。我们将考题对考查科目所含知识的覆盖问题简化为:用12个半径为200的圆所代表的考题去覆盖一块1200×1000的二维平面内用矩形代表的知识区域;种群个体数 P = 45,量子位数目 m = 30,运行 600 代。算法运行结果对照如下。
从图3所示考题知识分布优化中覆盖度的变化特性可以看出在不同阶段的变化中,量子遗传算法优化性能高于传统遗传算法而且稳定性也更强。
5 结论
在试卷中存在考题不合理分布造成的测试阴影和盲区。通过量子遗传算法优化考题分布,使其在保证命题要求的情况下,用最少的考题取得最大的覆盖率,可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。仿真结果也表明,算法能够较好地完成试卷考题的分布优化,从而有效提高试卷的测试能力,对于实际的试卷命制提供了可靠的解决方案和调整依据。本文提出了创新性的考题分布的优化方法,即确立了试卷的覆盖模型,并以此为目标函数,运用量子遗传算法对考题分布进行优化。
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篇8
硅芯片技术高速发展的同时，也意味看硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机、纳米计算机等，将会在二十一世纪走进我们的生活，遍布各个领域。
（1）量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。量子计算机(quorum computer)是一类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。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的。量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，但是其精确度和速度是普通电脑望尘莫及的。
（2）光子计算机。现有的计算机是由电子来传递和处理信息。电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快。但是，从发展高速率计算机来说，采用电子做输运信息载体还不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线瓦连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高，计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。
（3）分子计算机。分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。
三、探究研究策略的依据
笔者认为开展计算机发展史研究的一种思路是：本着实用主义的态度，分阶段提取计算机发展过程中的关键问题。围绕这些问题展开研究，尤其要着力于问题解决过程中碰到的困难，以及问题解决后发现的新问题。
（1）“实用主义”无褒贬之分。弥补对计算机发展的历史认知，不宜再去重做实验，推倒人类已有的技术规范重来：只能进一步的学习和研究，在研究和学习中发现问题，找出规律。同时，“实用’，也是发挥后发优势的应有之义。
（2）紧紧围绕“问题”。在科学发展的历史进程中，问题要比问题的解决更重要，“一个好的问题堪比一所好的大学”计算机的发展也是在不断地提出问题、解决问题中发展进步，每一次问题的提炼和解决都促进了计算机水平得到一次升华和提高。
（3）事物的发展是动态的，已有问题的解决必然带来新的问题新的问题是对已有问题解决方法的挑战与审视，抑或是新科学新技术寻找用武之地发挥作用的要求，尝试主动提出可预见的问题并设法解决是现代思维方式的一个显著特征，爱冈斯坦曾说：提出一个问题往往比解决一个问题更重要，正是这个意思。提新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，这一切需要有创造性的想象力。往往是获得认识突破的契机，这种习惯或者素养是极其宝贵的。
四、结束语
计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。在这个世纪之交，知识经济时代呼啸而来，作为知识和信息的处理、传输和存储之载体的计算机。在即将来临的2I世纪，将会不断地开发出新的品种。而这些新颖的计算机的发展将趋向超高速、超小型并行处理和智能化。为达到预想的目的各种新型材料将被运用到新型计算机的开发当中，如量子、光子分子等。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。
参考文献：
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篇9
0引言
半导体工业在过去的几十年发展表明：计算机的中央处理器在每1-2年就会增长一倍，芯片上的集成的晶体管数目更是呈指数形式增长。在不远的将来每个芯片上的晶体管将会超过十亿个，这样的增长速度使得半导体的加工变得越来越困难。另一方面，随着纳米技术的发展，今后计算机的储存尺度单位将是原子级别的。当人们把这些器件加工到原子尺度程度的时候，就应该用量子理论来描述这些性质。量子理论作为描述微观世界的理论，它具有与经典理论有许多的不同之处，甚至和我们日常经验发生矛盾。
在1994年Peter Shor首次提出一种具体的量子大数因子分解加密算法，这个对RSA等公钥密码系统的安全性来说是一个挑战。随后在1996年，Grover发现了Grover迭代算法，它能求解某些解典计算机不能解决的问题，如经典的NPC问题。除此外，利用量子不可克隆实现保密通信，可以防止通信过程中被监听。这些性质使得量子通信具有广泛地应用前景而成为一个较热的课题。量子信息和量子计算已被我国列入“十三五”重大研究课题。
1量子比特
在经典的计算机里，基本的构造单元是比特。不论是用电子管来实现的一个比特还是用晶体管来实现的比特，其基本原理都要遵从牛顿力学定律。在一个经典的计算机里，其储存量是用比特的多少来衡量的。它的运算速度可有单位时间内比特的转换数目来决定。
在图1中可以看到，经典的比特实质是就是两个点10>和11>，所以在储存的时候也只能是10>和11>。因此我们想要提高其运行速度就受到了原理上的限制。首先是我们在追求速度时，就需要不断地提高微电子元件的集成度，小型化的电子器件必然会受到量子极限尺寸的限制。其次就是由于经典计算机的操作是不可逆的，由热力学原理知道，计算芯片必然发热，这是提高经典计算机的计算能力主要障碍。最后就是经典计算机不具备内在的并行运算。通过连接更多的计算资源来解决并行运算是比较复杂且难以实现的。
2量子比特
量子比特是计算信息科学里一个重要的概念，是量子计算机的基本单元，因此在这里我们对它做一个详细的介绍。
量子比特其可以对应量子力学里一个粒子态的叠加，对于一个自旋为1/2的粒子，其本征态为两种定态 ，单粒子的叠加态可表示为
| >= |1>+ |0> （1.1）
这里的 ， 为任意复数，其分别对应两个定态在叠加态中所占的比例，如果 =0或者是 =0 时，叠加态就转化为定态，两个系数的模方 分别代表粒子状态在每一个定态中的几率。Bloch球面中则表示在量子力学里一个一把态的叠加。我们可以看到，经典的两个比特只是Bloch球面中一种特殊的情况，其被Bloch球面所包围。而量子态在三维的坐标中表示出来就是Bloch球面上的一个点。所以一个量子比特有无穷个态，每个态对应Bloch上的一个点，对量子比特进行操纵，就是把Bloch球面上的一个点移到另外的一个点，这个操纵是一个幺正变换。
3量子计算机
从（1.1）式我们可以看到，经典计算机是只是量子计算机的特例，量子计算机是经典计算机的推广，这一推广使得其计算能力成指数倍的增长。对于由量子力学原理所支配的量子计算机来说，原则上制约着经典计算机计算能力的原理都不存在，首先因为构成量子计算机的一些芯片实质上就是量子器件。其次是量子计算是由一系列幺正演化来完成的，所以这是一个可逆的过程，不存在耗热问题。最后就是量子计算是建立在量子叠加态基础上的，所以具有并行性运算能力。因而某些在经典的计算机里需要进行指数倍运算，在量子计算机里却只需进行多项式分解运算。
其实，在早期（1982年）就有人预想到了量子元件的计算能力比经典的元件强很多，不过在这个时期并没有受到人们的关注。直到20世纪初Shor首次提出Shor算法后使得量子计算机有了现实意义，即能对现行信息安全所依仗的大数因子分解难题进行有效的破解。从此以后就有越来越多的科研工作者开始关注量子计算机，关心和探讨适合量子元件运算规律的算法。
要实现量子计算过程，大致有一下三个步骤：
首先是初态的制备，在经典的计算机中，进行一个有用的计算最重要的要求是制备期望的输入。同样在量子计算机里，我们将芯片中的各个比特制备在某个特定的量子态上，这个过程中要求比特保持良好的量子相干性，以便保证量子叠加态能够一直成立。
其次是去实施完成所预想的各种可逆幺正变换，这些幺正变换就是我们通常所说的各种操作。在量子计算机里，人们相信量子计算机和经典计算机一样，都是由一系列的基本的逻辑运算组成。目前已经证明任何的量子计算都可以通过一个基本量子逻辑门集的组合来完成。
最后就是信息的读取，对量子器件进行测量来读出计算结果。需要注意的是，量子力学所掌握的是关于微观系统的规律是一种统计规律，它只能告诉我们在某个时刻一个微观系统的各个物理量取不同值的概率。在大多数时候，我们得到的末态有可能也是一个量子叠加态，所以我们测量的结果一般都是概率性的。量子计算通常要重复多次才能得到比较明确的结果。
4量子算法
在Shor算法为提出以后，人们意识到这将对当今广泛应用着的公匙密码体系的安全性构成严重的威胁，因为它能实现大数因子分解。
通常来说，RSA公匙密码体系中，密码的生成方式是这样的：第一步是去寻找两个大的质数m，n，计算Q=mn的值以及欧拉函数 （Q）=（m 1） （n 1）。第二步是在区间1≤e≤ （Q）随机选择一个和 （Q）互质的整数，计算模 （Q）下的逆元d=e-1mod （Q）；最后一步是定义公匙私匙（M，e）是d。
由此可知，RAS公匙密码的安全性完全取决于大整数n的质因数分解的困难性，目前经典计算机是不能破解的。而在物理上，Shor量子算法是有效的，Shor算法是对大数因子分解的一种有效的算法：其复杂程度随着问题的规模只是多项式的增加。
5结论
在本文我们介绍了经典的比特和量子比特。经典的比特只是Bloch球上的两个点，而量子比特则是Bloch球上的所有点。可以看出，经典比特只是量子比特的一种特例。同时我们也讨论了经典的计算机和量计算机，量子计算机所执行的是一个可逆幺正演化且具备并行运算的能力，使得量子计算机能解决经典计算机所不能解决的问题，尤其是对大数因子的分解。量子计算机是目前量子信息科学中最重要的研究领域之一，这将是目前以及未来一段时间内科学家门所要研究的重点。
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篇10
一、 在材料科学中的应用
（一）在建筑材料方面的应用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ，2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致，而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr，Ba 原子键级与Sr-O，Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级，由此认为，含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。
（二） 在金属及合金材料方面的应用
过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。
量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。
二、在能源研究中的应用
（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用
煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。
量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子， 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。 转贴于
（二）在锂离子电池研究中的应用
锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。
锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。
随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。
三、 在生物大分子体系研究中的应用
生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用，甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘， 进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。
参考文献：
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为了计算导弹的运行弹道,历史上第一台电子计算机（肯尼亚克）于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学诞生。到20世纪60年代和80年代后,计算机除应用于军用单位以外,很多政府部门和大型的科研机构,甚至一些比较有实力的企业部门也开始应用计算机进行管理。之后,Intel4位中央处理器的问世让计算机的普及与发展更深入,并于1982年创造了第一台个人计算机,促使了计算机成本的飞速降低,实现了计算机除有能力的单位或研究组织和军事机构之外的家庭和小型企业也能使用。20世纪90年代开始,很多企业和家庭也使用了计算机。同时计算机向两极分化:一方面是往微、往小、往便宜发展进入家庭;另一个向高、向难、向大发展,仍然运用于军事、科学技术。现在,计算机在互联网、公司、政府机关、家庭等领域得到广泛应用。
从计算机的发展历史我们不难发现,计算机技术作为一项历史突破性技术,不断的在快速成长、更新和发展,而它的每次更新也都必然促进它自身的发展与推广。
2、新型计算机系统的出现
2.1 光子计算机
光子计算机是以光子代替电子,将光子作为计算机的传导粒子,将传统的导线连接创新为光互连接,传统的计算机硬件也将被光硬件设备取代。在运算形式上,光子计算机能够在并行度及运行速度上得到飞跃式提高。光子计算机的通讯量也是传统计算机望尘莫及的,此外,光子计算机还具有十分强大的纠错特性,能够确保当某一计算机出现问题时,其他的计算机能够继续安全运行,从而在一定程度上保护的计算机是计算结果的正确程度。
2.2 纳米计算机
纳米计算机使计算机在外观上大有改变,在能源的消耗方面,纳米技术具有十分明显的优势。纳米计算机技术使电脑耗材的使用量大大减少,提高了相关硬件的使用年限。因此,在诸多新兴计算机当中,纳米计算机可以说是最先进。
2.3 分子计算机
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。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。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。
2.4 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。量子计算机在特征上介于器件与架构之间,量子计算机中数据用量子位存储。
3、计算机技术发展趋势预测
3.1 纳米技术将广泛发展和应用
由于纳米技术突破了计算机集成和处理速度的双重限制,因此需要大力发展该项技术,它也将随着科技发展的大趋势成为未来计算机发展的一个重要方向。量子计算机的运算速度可达每秒1万亿次,储存容量可达到1万亿亿二进位。随着纳米技术的发展,可以产生量子计算机和生物计算机,而它们的运算速度,存储能力都远远超过目前的计算机,因而纳米技术的进一步发展和应用,将是未来的一个重要方向。
3.2 改善计算机的体系结构
计算机是一个组合体,是一个具有不同功能的体系结构。当前计算机在结构设计方面主要是进行多任务的并行计算,这样可以利用同一台机器进行多个任务的处理。对于大型电脑来说,另一种发展趋势是集群系统,它能够给用户提高可靠性以及相融性。因此,为了提升当前计算机和用户之间的交互性,应该重点发展集群性的计算机系统,强化系统的可靠性以及兼容性。
3.3 网络技术的发展
计算机的运用越来越广泛,与人们的生活息息相关,这最主要的原因就是网络技术的发展。正是网络的出现与快速发展使得计算机有了更加广阔的发展空间。当前计算机的发展已经离不开网络。随着网络技术的不断的成熟和发展,人们和网络之间的联系也在不断的密切。这就使得未来的互联网云技术的发展提供了广阔的空间。因此,大力发展网络技术有利于计算机的发展。随着科技的进步,人们将步入物联网、智能电网的时代,这些都必须基于先进的网络技术。
3.4 软件技术
对于计算机来说,软件是非常重要的。目前主流的操作系统和计算机硬件性能作对比,软件性能作用不小。用实际使用系统来说,属于Microsoft的都形成了工业台式计算机的占多数的实际使用系统,还能促进对企业工程区域进展。数据库的作用越来越完整,不过针对数据内容的解决会脱离仅仅限制在数字与符号等,对于多媒体消息的解决还可以超过仍然还处于单一的进制代码文件的储备。程序语言是
软件性能的主要构成类别,因为互联网的通用性,多种类的语言逐一实行支撑互联网新技术。计算机协调工作性能同样仍然是现在软件技术进展的相同目标。
3.5 多媒体性能
多媒体性能的开拓与进展把服务器、路由器以及转换器诸多互联网需要的设施的技术明显提高,其中包含有用户端、内存、图形片诸多硬件性能。互联网使用人不再像原来一样被动地接受解决信息的形态,而是更加以踊跃主动的形式来进入现在的互联网空间。除此以外还有蓝牙技能的发明运用,令多媒体通信技能无线电、数字信息、个人区域网络、无线宽带局域网等快速更新。
事实上,多媒体性能数字化是促使将来技能扩展的主要方面。由于多媒体性能是电脑赖以生存与发展的基础,数字多媒体芯片性能就会变成将来多媒体性能生命里的核心。
4、结语
计算机技术是一个自我生存能力、自我发展能力极其强大、前途无量的一门新技术,软件、互联网、计算机系统组织、纳米等技术的运用,不仅是实现发展高速化、智能化、多元化和微型化的前提,还是未来计算机技术提高的关键环节。因此,总结和了解计算机技术发展的历史、现状并对其未来发展进行预测,能够有助于我们进一步发展计算机技术和计算机产业,更好地让计算机技术服务于我们的生产和生活。
参考文献
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如今计算机的发展已经进入了人工智能时代，新型计算机的时代又将是新一轮的计算机革命，这又将对社会的发展产生深远的影响。
1 新型计算机系统陆续出现
信息时代对信息的获得能力决定了一个国家或者地区在这个时代的发展能力。全球化已经越来越迅速的今天，世界各国都在加紧研发新型的计算机，计算机的各个方面都出现了质的飞跃。而新型的量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等也将在不久的将来进入我们生活的各个领域，甚至有些已经进入了我们的生活。
1.1 量子计算机：量子计算机的研发是基于量子效应理论开发的，它的运算工作原理是：利用链状分子聚合物的特性来表示信号的开和关，并用激光脉冲来改变分子的状态，使得信息沿着聚合物移动，进行运算。量子计算机的存储单位比以往的计算机都要小许多，是用量子位存储的。具体的表现就是一个量子位可以存储2个数据，这样量子计算机的优势就是比存储量就变的非常庞大，对于工作要求存储量大的电脑用户来说是一个极佳的选择。目前正在研发的量子计算机类型主要有3种，第一种是核磁共振量子计算机，第二种是硅半导体量子计算机，第三种是离子阱量子计算机。科学家们预测，量子计算机将在不久的2030年获得普及。
1.2 光子计算机：光子计算机也可以被称作是全数字计算机，它的工作原理是以光子代替电子，光互连的特性替代导线的互连，用光硬件代替电脑中的硬件设备，用光运算的方式代替电运算的方式进行运算。这种计算机的优势是信息传递的平行通道密度大，而光具有高速、并行的特性，这也就决定了光子计算机并行处理能力强大，运算速度远超人们的想象。
1.3 生物计算机：生物计算机亦称作DNA分子计算机，它的运算过程简单来说就是蛋白质分子与周围物理化学介质相互作用的过程。计算过程中需要的转换开关是用酶来担任的，程序的表示也将在酶合成系统与蛋白质结构中变得极其明显。生物计算机的运算速度比人脑的运算速度要快100万倍，也就是说生物计算机完成一项运算需要的时间仅仅是10微微秒。这种计算机的优势是惊人的存储量，根据计算，1立方米的DNA溶液可以存储1万亿亿的二进制数据。
1.4 纳米计算机：纳米作为一种计量单位，许多人对其并不陌生，但是对其的具体感觉却并不直观，它的长度大约是一个氢原子的直径的10倍，它的具体表述就是10-9米。现在纳米技术在计算机领域正在从微电子机械系统中被运用，这个系统是把传感器、电动机和计算机的个各种处理器放在了同一个芯片上。这种用纳米技术的计算机芯片非常微小，体积一般不过就是数百个原子的大小。它的优点就是几乎不需要消耗任何能源，性能更是比现在的计算机要强大的多。
2 计算机技术发展
2.1 现代微型处理器技术发展：计算机性能的提升关键技术就是微型处理器的发展，这种技术追求的就是把处理器里的晶体线宽和尺寸的减小。要实现减小的目的，一般是通过用较短的波长的曝光光源来掩膜曝光，使做出的联通晶体管的导线和刻蚀于硅片上的晶体管更细更小的方法来实现的，这种技术到现在一般是用紫外线作为曝光光源，不管有个限制难题就是线宽小于或等于0.10流明的情况下会受到阻碍，也因此现在的计算机技术已经不再追求利用紫外线做光源来提升计算机的性能发展方向了。
2.2 以纳米为主的电子科学技术：当今计算机技术的发展障碍是处理速度和集成度，尽管现在的电子计算机的电子元件得到了有效的改善，但是相对于现在要求电子计算机的高速化，智能化，和微型化的要求是远远不够的， 所以今后计算机的技术发展也不再是局限在单纯的缩小尺寸方面，还要用其他的创新手段来完善计算机技术。
2.3 分组交换技术的发展：分组交换技术是把需要传送的数据划分为一些等长的部分，每个部分叫做一个数据段的技术。在这些数据段的前面添加一个控制信息组成首部，就可以构成一个分组。分组通过首部指明了需要发往的地址，然后节点交互机根据分组的地址，将他们发往目的地。整个过程就是分组交换过程，这种技术很好的提升了通信的效率。
3 计算机技术发展方向
现在的计算机在人们的生活中已经扮演了一个非常重要的角色，但是它的角色只会变得越来越重要，因为以计算机技术为基础，人类将进入智能化、物联网的时代。
3.1 纳米技术需要大力发展：纳米技术不受到传统的计算机集成和处理速度的限制，纳米技术就成了今后计算机技术大力发展的一个方向了。今后出现的量子计算机和生物计算机的发展都有赖于纳米技术在计算机领域的应用和发展，为推动今后计算机的运算速度和存储能力远远超越现在的计算机，大力发展纳米技术也成了一个必要的选择。
3.2 着力改善计算机的体系结构：计算机是一个具有不同功能的体系结构，也是一个组合体。当代几乎所有的大型电脑和微型电脑都有可以同时处理不同问题的能力，这种功能就是是当前计算机的主流结构：并行计算。另外大型电脑有一个群集的发展趋势，使用户对相融性和可靠性的需求获得提高。
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一、计算机技术的发展史
计算机诞生之初，其主要的作用是用于计算导弹的运行弹道。但是由于在过去的工作中计算机成本较为昂贵，在上个世纪五十年代以前，计算机主要应用在军事领域。直到上个世纪六七十年代，计算机成本逐步降低，使得部分单位和企业有能力在工作中采用计算机进行工作，也使得计算机技术得到飞速发展。随着Intel4位中央处理器的诞生以及普及，在1982年，世界上第一台个人计算机诞生，并被成功的应用在家庭。到了上个世纪九十年代末期，计算机技术已经成功的应用在诸多家庭和企业，同时设计领域也逐步广泛企业。在这种社会现状下，计算机技术的发展与应用逐步形成了两个不同的方向和趋势，其一主要指的是被应用在科研机构、军事机构的计算机，由于这些领域往往都是计算困难、计算精度较高的工作环节，因此在计算就发展中对于计算机的计算能力和计算精确度提出了新的要求。其二主要指的是在工作中应用在家庭和中小企业的计算机，这些计算机可以说主要是往实惠、小体积和轻重量的方向发展。纵观计算机发展史我们可以得知，计算机创新能力的推动与普及与人们生活和社会发展紧密相连，其在工作中也推动了整个社会领域的正常进行。
二、计算机现状
计算机技术在当今社会中发挥着不可替代的作用，对于促进社会信息化的实现有着主导作用。伴随着科学技术的深入发展，计算机技术也逐步实现了硬件系统与软件系统同步发展的核心技术观念，也在工作中实现了信息化、现代化的核心技术处理要求。
（一）现代微型处理器的情况
在当前社会中，计算机技术的性能提升和处理主要在于发展微型处理器，这也是目前计算机发展的整体趋势，在计算机发展工作中，其主要的实质在于提高处理器芯片中的晶体线宽与尺寸的大小。一般在研究的过程中，多采用较短的波长来曝光光源，从而做打破掩膜曝光要求。如今的微型处理器发展与计算中，主要是通过紫外线进行运用和曝光光源的管理与申花，并且在工作中对于深层芯片进行全面总结和处理，这种工作流程和工作方式多是采用量子效应与电子行为来进行分析，这种社会分析现状也是微处理器发展的首要基础。所以也就引起专家的注视，紫外线光源对微处理器性能的提升已经没有多大作用了。
（二）以纳米为主的电子科学技术
伴随着科学技术的不断提高，各种先进材料不断的引进，进而对微处理器进行优化和总结。就目前的计算机应用与发展分析而言，在计算机工作中，准确高效的计算机技术和微型化电子元件的需求已成为人们对计算机发展提出的新观念，但就目前的社会现状而言这种目标还远远没有达到。因此在未来的计算机发展中，我们不仅要深入研究计算机处理技术，同时更是要引进各种新材料、新技术。在这种现状之下，以纳米为主的计算机技术已成为目前我们工作和认识的重点形式，也是当前社会发展中存在的核心问题。
三、计算机技术发展趋势预测
伴随着科学技术的不断发展和国民经济的进步，计算机技术在人们生活和工作中发挥着越来越重要的作用。二十一世纪作为一个信息时代，人类在生活、工作中都进入了智能化、信息化时代，对各种先进技术和信息要求都越来越高，以计算机为基础的新技术已成为目前社会发展的关键。
（一）改善计算机的体系结构
计算机是一个组合体。是一个具有不同功能的体系结构。其中，当前计算机主流的体系结构是并行计算，可以同时处理不同的问题，几乎所有的大型工作站或微型电脑都具备此功能；此外，对于大型电脑来说，另一种发展趋势是集群系统，它能够给用户提高可靠性以及相融性。
（二）网络技术的发展
如今计算机的运用越来越广泛，与人们的生活息息相关。这最主要的原因就是网络技术的发展。通过网络。人们可以进行商品的买卖、娱乐、了解更多的信息。因此，大力发展网络技术有利于计算机的发展。随着科技的进步，人们将步人物联网、智能电网的时代。这些都必须基于先进的网络技术。
四、未来计算机发展
1、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。
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。
