量子计算机体系应用前景概论

摘要:现今,对冯诺依曼计算机体系的突破呈现多元化,主要方向集中在解决当前冯诺依曼计算机体制的局限性上,突出的一支就在量子计算机的发展上.本文介绍了量子计算机的突出优势及应用前景

关键字:计算机结构;非冯诺依曼机;量子计算机

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

冯·诺依曼计算机体系结构至今已发展成熟并创造了巨大价值但仍存在缺陷并已逐渐不能满足人类发展需求,此体系结构在以下方面存在不足.

(1) 指令和数据存储在同一个存储器中，形成系统对存储器的过分依赖。如果储存器件的发展受阻，系统的发展也将受阻。

(2) 指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器PC指明要执行的指令所在的单元地址。 然后取出指令执行操作任务。所以指令的执行是串行。影响了系统执行的速度。

(3) 存储器是按地址访问的线性编址，按顺序排列的地址访问，利 于存储和执行的机器语言指令，适用于作数值计算。但是高级语言表示的存储器则是一组有名字的变量，按名字调用变量，不按地址访问。

(4) 冯·诺依曼体系结构计算机是为算术和逻辑运算而诞生的，目前在数值处理方面已经到达较高的速度和精度，而非数值处理应用领域发展缓慢，需要在体系结构方面有重大的突破。

(5) 传统的冯·诺依曼型结构属于控制驱动方式。它是执行指令代码对数值代码进行处理，只要指令明确，输入数据准确，启动程序后自动运行而且结果是预期的。一旦指令和数据有错误，机器不会主动修改指令并完善程序。而人类生活中有许多信息是模糊的，事件的发生、发展和结果是不能预期的，现代计算机的智能是无法应对如此复杂任务的。

现今,对冯诺依曼计算机体系的突破呈现多元化,主要方向集中在解决当前冯诺依曼计算机体制的局限性上.未来的计算机技术将向超高速,超小型,并行处理,智能化方向发展. 突出的一支就在量子计算机的发展上.目前量子计算资源稀缺。全球范围内可供使用的量子计算机约50台，国内能面向大众提供量子计算服务的则少之又少。

1 量子计算机基本概念

量子计算机是一种可以实现量子计算的机器，它通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息。它以量子态为记忆单元和信息储存形式，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，在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。量子计算机是一个物理系统，它能存储和处理用量子比特表示的信息。 [1]

如同传统计算机是通过集成电路中电路的通断来实现0、1之间的区分，其基本单元为硅晶片一样，量子计算机也有着自己的基本单位——昆比特（qubit）。昆比特又称量子比特，它通过量子的两态的量子力学体系来表示0或1。比如光子的两个正交的偏振方向，磁场中电子的自旋方向，或核自旋的两个方向，原子中量子处在的两个不同能级，或任何量子系统的空间模式等。量子计算的原理就是将量子力学系统中量子态进行演化结果

2 量子计算机相比于冯诺依曼体制计算机的优势

1)节省时间。首先量子计算机处理数据不象传统计算机那样分步进行，而是同时完成，这样就节省了不少时间，适于大规模的数据计算。传统计算机随着处理数据位数的增加所面临的困难线形增加，要分解一个129位的数字需要1600台超级计算机联网工作8个月，而要分解一个140位的数字所需的时间要几百年。但是利用一台量子计算机，在几秒内就可得到结果

2)体积小，集成率高。随着信息产业的高度发展，所有的电子器件都在朝着小型化和高集成化方向发展，而作为传统计算机物质基础的半导体芯片由于晶体管和芯片受材料的限制，体积减小是有个限度的。而每个量子元件尺寸都在原子尺度，由它们构成的量子计算机，不仅运算速度快，存储量大、功耗低，体积还会大大缩小

3)故障时的自我处理能力强。系统的某部分发生故障时，输入的原始数据会自动绕过，进入系统的正确部分进行正常运算，运算能力相当于1000亿个奔腾处理器，运算速度比现有的计算机快100倍。

4)量子计算机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。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。量子计算机应用的是量子比特，可以同时处在多个状态。

3 量子计算机的应用与发展方向

1)天气预报

量子计算有潜力改进传统的数值方法，通过高效、快速地处理包含许多变量的大量数据，利用量子比特的计算能力，以及使用量子启发的优化算法，促进气象条件的跟踪和预测。此外，对于理解天气至关重要的模式识别可以利用量子机器学习来增强。如果我们使用量子计算机在同一时间对于所有的信息进行分析，并得出结果，那么我们就可以得知天气变化的精确走向，从而避免大量的经济损失。

2)药物研制

分子的构成非常复杂，传统计算机无法精确模拟其粒子（如电子）之间的相互作用 目前，研究人员只能使用大量近似值来计算药物研发所需的分子性质。这意味着计算得出的性质是近似的，需要实验室实验和患者研究来进一步验证候选药物的有效性。对于世界上所有制药公司来说，这都需要花费大量的时间和资源。“而量子计算机拥有更高的精确度与效率，有望助力研究者开发更好的药物采用云计算、机器学习、量子计算等方法，是加速新药研发提高成功率的新兴探索途径。量子计算机对于研制新的药物也有着极大的优势，量子计算机能描绘出万亿计的分子组成，并且选择出其中最有可能的方法，这将提高人们发明新型药物的速度，并且能够更个性化的对于药理进行分析。

3)交通调度

量子计算机可以简化空中和地面交通控制的工作量，因为它们善于迅速计算出最佳路线。如果你计划公路旅行，期间要在10个不同的地方停留，普通计算机可能需要单独计算所有可能路线的长度，然后筛选出最佳路线。而量子计算机可以同时计算所有路线的长度，并以更快的速度筛选出最佳路线。使用量子计算机对空中交通模式进行复杂分析，意味着可进行更高效的飞行调度，并节省出行所需时间，因为我们可以更好地避免机场飞机起飞和着陆造成的瓶颈。同样的技术也可被应用到高速公路和复杂城市电公路网中，以避免拥堵。

4)加密通信

随着量子信息技术的发展，量子通信网络及其应用也在不断演进。目前，量子保密通信的应用主要集中在利用QKD链路加密的数据中心防护、量子随机数发生器，并延伸到 政务、国防 等特殊领域的安全应用；未来，随着QKD组网技术成熟，终端设备趋于小型化、移动化，QKD还将扩展到 电信网、企业网、个人与家庭、云存储 等应用领域；长远来看，随着量子卫星、量子中继、量子计算、量子传感等技术取得突破，通过量子通信网络将分布式的量子计算机和量子传感器连接，还将产生 量子云计算、量子传感网 等一系列全新的应用量子通信在军事领域的应用主要在四个方面：通信密钥生成与分发系统：这种密钥生成与分发系统具有向未来战场覆盖区域内任意两个用户分发量子密钥的能力，由此可以构成作战区域内机动的安全军事通信网络。在部署方式方面，可以以现有的军事通信系统网络为基础，通过天基平台部署量子通信密钥生成与分发系统。军事信息对抗：量子通信可用来改进目前军用光网信息传输保密性，使军方的信息保护和信息对抗能力得到增强。量子通信能用于信息对抗的原因是由于光量子密码的“不可破”和“窃听可知性”性，以及光量子加密设备可与现在的光纤通信设备融合的能力。深海安全通信：量子通信的优点在于量子通信光量子隐形传态与传播媒质无关，因此量子通信能克服现在在海洋军事中长波通信系统，系统庞大、抗毁性差等问题，可成为深海安全通信的有效手段，为远洋深海安全通信提供了新的一种可靠选择。构建超光速信息网络：可以利用量子隐形传态以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效率等特点，满足军事信息网络对大容量、高速率传输处理及按需共享能力的需要，从而建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络。