量子計算機體系應用前景概論

摘要:現今,對馮諾依曼計算機體系的突破呈現多元化,主要方向集中在解決當前馮諾依曼計算機體制的侷限性上,突出的一支就在量子計算機的發展上.本文介紹了量子計算機的突出優勢及應用前景

關鍵字:計算機結構;非馮諾依曼機;量子計算機

Overview of theapplication prospect ofQuantum Computer

Abstract: In recent decades, people strive to breakthrough the limitations of the traditional Von-Neumann system, the most outstanding proposal of the Non-Von Neumann architecture computer is the Quantum Computer

This paper introduces the distinguished strength of Quantum Computer and its application prospect.

Keywords: Computer architecture; Non-Von Neumann machine;Quantum Computer.

0 引言

馮·諾依曼計算機體系結構至今已發展成熟並創造了巨大價值但仍存在缺陷並已逐漸不能滿足人類發展需求,此體系結構在以下方面存在不足.

(1) 指令和數據存儲在同一個存儲器中，形成系統對存儲器的過分依賴。如果儲存器件的發展受阻，系統的發展也將受阻。

(2) 指令在存儲器中按其執行順序存放，由指令計數器PC指明要執行的指令所在的單元地址。 然後取出指令執行操作任務。所以指令的執行是串行。影響了系統執行的速度。

(3) 存儲器是按地址訪問的線性編址，按順序排列的地址訪問，利 於存儲和執行的機器語言指令，適用於作數值計算。但是高級語言表示的存儲器則是一組有名字的變量，按名字調用變量，不按地址訪問。

(4) 馮·諾依曼體系結構計算機是為算術和邏輯運算而誕生的，目前在數值處理方面已經到達較高的速度和精度，而非數值處理應用領域發展緩慢，需要在體系結構方面有重大的突破。

(5) 傳統的馮·諾依曼型結構屬於控制驅動方式。它是執行指令代碼對數值代碼進行處理，只要指令明確，輸入數據準確，啟動程序後自動運行而且結果是預期的。一旦指令和數據有錯誤，機器不會主動修改指令並完善程序。而人類生活中有許多信息是模糊的，事件的發生、發展和結果是不能預期的，現代計算機的智能是無法應對如此複雜任務的。

現今,對馮諾依曼計算機體系的突破呈現多元化,主要方向集中在解決當前馮諾依曼計算機體制的侷限性上.未來的計算機技術將向超高速,超小型,並行處理,智能化方向發展. 突出的一支就在量子計算機的發展上.目前量子計算資源稀缺。全球範圍內可供使用的量子計算機約50台，國內能面向大眾提供量子計算服務的則少之又少。

1 量子計算機基本概念

量子計算機是一種可以實現量子計算的機器，它通過量子力學規律以實現數學和邏輯運算，處理和儲存信息。它以量子態為記憶單元和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，在量子計算機中其硬件的各種元件的尺寸達到原子或分子的量級。量子計算機是一個物理系統，它能存儲和處理用量子比特表示的信息。 [1]

如同傳統計算機是通過集成電路中電路的通斷來實現0、1之間的區分，其基本單元為硅晶片一樣，量子計算機也有着自己的基本單位——昆比特（qubit）。昆比特又稱量子比特，它通過量子的兩態的量子力學體系來表示0或1。比如光子的兩個正交的偏振方向，磁場中電子的自旋方向，或核自旋的兩個方向，原子中量子處在的兩個不同能級，或任何量子系統的空間模式等。量子計算的原理就是將量子力學系統中量子態進行演化結果

2 量子計算機相比於馮諾依曼體制計算機的優勢

1)節省時間。首先量子計算機處理數據不象傳統計算機那樣分步進行，而是同時完成，這樣就節省了不少時間，適於大規模的數據計算。傳統計算機隨着處理數據位數的增加所面臨的困難線形增加，要分解一個129位的數字需要1600台超級計算機聯網工作8個月，而要分解一個140位的數字所需的時間要幾百年。但是利用一台量子計算機，在幾秒內就可得到結果

2)體積小，集成率高。隨着信息產業的高度發展，所有的電子器件都在朝着小型化和高集成化方向發展，而作為傳統計算機物質基礎的半導體芯片由於晶體管和芯片受材料的限制，體積減小是有個限度的。而每個量子元件尺寸都在原子尺度，由它們構成的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，體積還會大大縮小

3)故障時的自我處理能力強。系統的某部分發生故障時，輸入的原始數據會自動繞過，進入系統的正確部分進行正常運算，運算能力相當於1000億個奔騰處理器，運算速度比現有的計算機快100倍。

4)量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。量子計算機應用的是量子比特，可以同時處在多個狀態。

3 量子計算機的應用與發展方向

1)天氣預報

量子計算有潛力改進傳統的數值方法，通過高效、快速地處理包含許多變量的大量數據，利用量子比特的計算能力，以及使用量子啟發的優化算法，促進氣象條件的跟蹤和預測。此外，對於理解天氣至關重要的模式識別可以利用量子機器學習來增強。如果我們使用量子計算機在同一時間對於所有的信息進行分析，並得出結果，那麼我們就可以得知天氣變化的精確走向，從而避免大量的經濟損失。

2)藥物研製

分子的構成非常複雜，傳統計算機無法精確模擬其粒子（如電子）之間的相互作用 目前，研究人員只能使用大量近似值來計算藥物研發所需的分子性質。這意味着計算得出的性質是近似的，需要實驗室實驗和患者研究來進一步驗證候選藥物的有效性。對於世界上所有制藥公司來説，這都需要花費大量的時間和資源。“而量子計算機擁有更高的精確度與效率，有望助力研究者開發更好的藥物採用雲計算、機器學習、量子計算等方法，是加速新藥研發提高成功率的新興探索途徑。量子計算機對於研製新的藥物也有着極大的優勢，量子計算機能描繪出萬億計的分子組成，並且選擇出其中最有可能的方法，這將提高人們發明新型藥物的速度，並且能夠更個性化的對於藥理進行分析。

3)交通調度

量子計算機可以簡化空中和地面交通控制的工作量，因為它們善於迅速計算出最佳路線。如果你計劃公路旅行，期間要在10個不同的地方停留，普通計算機可能需要單獨計算所有可能路線的長度，然後篩選出最佳路線。而量子計算機可以同時計算所有路線的長度，並以更快的速度篩選出最佳路線。使用量子計算機對空中交通模式進行復雜分析，意味着可進行更高效的飛行調度，並節省出行所需時間，因為我們可以更好地避免機場飛機起飛和着陸造成的瓶頸。同樣的技術也可被應用到高速公路和複雜城市電公路網中，以避免擁堵。

4)加密通信

隨着量子信息技術的發展，量子通信網絡及其應用也在不斷演進。目前，量子保密通信的應用主要集中在利用QKD鏈路加密的數據中心防護、量子隨機數發生器，並延伸到 政務、國防 等特殊領域的安全應用；未來，隨着QKD組網技術成熟，終端設備趨於小型化、移動化，QKD還將擴展到 電信網、企業網、個人與家庭、雲存儲 等應用領域；長遠來看，隨着量子衞星、量子中繼、量子計算、量子傳感等技術取得突破，通過量子通信網絡將分佈式的量子計算機和量子傳感器連接，還將產生 量子云計算、量子傳感網 等一系列全新的應用量子通信在軍事領域的應用主要在四個方面：通信密鑰生成與分發系統：這種密鑰生成與分發系統具有向未來戰場覆蓋區域內任意兩個用户分發量子密鑰的能力，由此可以構成作戰區域內機動的安全軍事通信網絡。在部署方式方面，可以以現有的軍事通信系統網絡為基礎，通過天基平台部署量子通信密鑰生成與分發系統。軍事信息對抗：量子通信可用來改進目前軍用光網信息傳輸保密性，使軍方的信息保護和信息對抗能力得到增強。量子通信能用於信息對抗的原因是由於光量子密碼的“不可破”和“竊聽可知性”性，以及光量子加密設備可與現在的光纖通信設備融合的能力。深海安全通信：量子通信的優點在於量子通信光量子隱形傳態與傳播媒質無關，因此量子通信能克服現在在海洋軍事中長波通信系統，系統龐大、抗毀性差等問題，可成為深海安全通信的有效手段，為遠洋深海安全通信提供了新的一種可靠選擇。構建超光速信息網絡：可以利用量子隱形傳態以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效率等特點，滿足軍事信息網絡對大容量、高速率傳輸處理及按需共享能力的需要，從而建立滿足軍事特殊需求的超光速軍事信息網絡。