導語：如何才能寫好一篇量子計算現狀，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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[關鍵詞]量子計算 量子通信 通信效率 安全通信

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）09-0128-01

引言

隨著科學技術的飛速發展，量子信息學逐漸得到人們的關注與重視，在近代物理學、計算機科學等領域都有所涉及。通過量子力學的基礎，不斷的發展與延伸。量子信息學，是量子力學與信息科學相結合的產物，是以量子力學的態疊加原理為基礎，研究信息處理的一門新興前沿科學。包括量子密碼術、量子通信、量子計算機等幾個方面。我們在這里，著重的了解一些量子通信。

一、 量子通信協議概念

1，量子通信協議定義

量子通信系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置。按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。其中隱形傳送是指脫離實物的一種“完全”的信息傳送。可以想象：先提取原物的所有信息，然后將這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的復制品。實際上是一種對于通信地保密性的傳輸。是一種在理論上可以保證通信絕對安全的一種通信方式。由于量子力學中的不確定性原理，是不允許精確地提取原物的全部信息，因此長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。

2，量子通信與光通信的區別

量子通信與光通信的區別，在于在通信中用的光的強度是不同的。光通信一般采用是強光，包括無線電、微波、光纜、電纜等具體形式。通過偏振或相位等的調制方式來實現。量子通信討論的是光子級別的很弱的光，通過對光子態的調制，但是主要利用了光子的特性，量子態不可克隆原理和海森堡不確定性關系。這也是區別于光通信的重點。

二、量子通信基本方式

量子通信在量子力學原理的基礎上，通過量子態編碼和攜帶信息進行加工處理，將信息進行傳遞。只要包括：量子隱形傳態、量子密鑰分發等，下面主要介紹這兩個組成部分：

1，量子隱形傳態

量子隱形傳態，又稱量子遙傳、量子隱形傳輸。經由經典通道和EPR 通道傳送未知量子態。利用分散量子纏結與一些物理訊息的轉換來傳送量子態至任意距離的位置的技術。它傳輸是量子態攜帶的量子信息。想要實現量子隱形傳態，要求接收方和發送方擁有一對共享的EPR對，即BELL態（貝爾態）。發送方對他的一半EPR對與發送的信息所在的粒子進行結合，而接收方所有的另一半EPR對將在瞬間坍縮為另一狀態。根據這條信息，接收方對自己所擁有的另一半EPR對做相應幺正變換即可恢復原本信息。到乙地，根據這些信息，在乙地構造出原量子態的全貌。量子隱形傳態大致可以這樣描述：準備一對糾纏光子對，一個光子發送給有原始量子態（即第三個光子）的甲方，另一個光子發送給要復制第三光子的量子態的乙方。甲方讓收到的一個光子與第三光子相互干涉（“再糾纏”），再隨機選取偏振片的方向測量干涉的結果，將測量方向與結果通過普通信道告訴乙方；乙方據此選擇相應的測量方向測量他收到的光子，就能使該光子處于第三光子的量子態。

量子隱形傳態作為量子通信中最簡單的一種，是實現全球量子通信網絡的可行性的前提研究。它的存在與應用，可以完全的保證用戶的信息安全，通信保密，同時如果出現有人竊聽的現象，將會及時的進行信息的改變，保證內容的“獨一無二”。

2，量子密鑰分發

量子密鑰分發以量子物理與信息學為基礎，是量子密碼研究方向中不可缺少的重要部分。被認為是安全性最高的加密方式，實現絕對安全的密碼體制。當然這只是理論上的內容，在現實生活中還是有一定的差距。只是理論上具有無條件的安全性。1969年提出用量子力學的理論知識進行加密信息處理。到了1984年，第一次提出量子密鑰分發協議，即BB84協議。隨后又提出B92協議。2007年，中國科學技術大學院士潘建偉小組在國際上首次實現百公里量級的誘騙態量子密鑰分發，解決了非理想單光子源帶來的安全漏洞。后又與美國斯坦福大學聯合開發了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器――基于周期極化鈮酸鋰波導的上轉換探測器。解決了現實環境中單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患。保證了非理想光源系統的安全性。生成量子密鑰大致為：準備一批糾纏光子對，一個光子發送給發信方，另一個光子發送給收信方。測量光子極化方向的偏振片的方位約定好兩種。兩人每次測量一個光子時選擇的方向都是隨機的，但要記錄下每次選擇的方向，當然也要記錄下每次測量的結果，有光子通過偏振片就記1，無光子通過則記0。通過普通信道兩人交換測量方向的記錄，那些測量方向不一致的測量結果的記錄都舍去不要，剩下的那些測量方向相同所對應的測量結果，兩人應一致，這一致的記錄就可作為兩人共同的密鑰。

總結

經典通信較光量子通信相比，量子通信具有傳統通信方式所不具備的絕對安全特性。具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點。量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發展。逐漸走進人們的日常生活。為了讓量子通信從理論走到現實，從上世紀90年代開始，國內外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會和國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科學技術大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

參考文獻

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[4]肖玲玲，金成城 - 基于專利分析的量子通信技術發展研究《全球科技經濟t望》 - 2015.

[5]宋斌 - 空間量子通信技術發展現狀《移動信息》 - 2015.

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量子力學課程是工科電類專業的一門非常重要的專業基礎課程。通過該課程的學習，使學生初步掌握量子力學的基本原理和基本方法，認識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運動規律，了解宏觀世界與微觀世界的內在聯系和本質的區別。量子力學課程教學質量的好壞直接影響后續的如“固體物理學”、“半導體物理學”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學”、“納米電子學”、“微電子技術”等課程的學習。

量子力學課程的學習要求學生具有良好的數學和物理基礎，對學生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學好量子力學，在我們教學的過程中，需要充分發揮學生的學習主動性和積極性。同時，隨著科學日新月異的發展，對量子力學課程的教學也不斷提出新的要求。如何充分激發學生的學習興趣，充分調動學生的學習主動性和能動性，切實提高量子力學課程的教學質量和教師的教學水平，已經成為擺在高校教師目前的一項重要課題。

該課程組在近幾年的教學改革和教學實踐中，本著高校應用型人才的培養需求，強調量子力學基本原理、基本思維方法的訓練，結合物理學史，充分激發學生的學習積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發學生學習主動性；結合現代科學知識，強調理論在實踐中的應用，取得了良好的教學效果。

1 當前的現狀及存在的主要問題

目前工科電類專業普遍感覺量子力學課程難學，其主要原因在于：第一，量子力學它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經典的對應，而學習量子力學必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經典”的觀念；第二，量子力學的概念與規律抽象，應用的數學知識比較多，公式推導復雜，計算困難；第三，雖然量子力學問題接近實際，但要學生理解和解決問題，還需要一個過程；由于上述問題的存在，使初學者都感到量子力學課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學科知識的飛速發展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時情況下，如何使學生在掌握扎實的基礎知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學的前沿，以適應新世紀人才培養的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰。

2 結合物理學史激發學生學習興趣

興趣是最好的老師，在大學物理中，談到了19世紀末物理學所遇到的“兩朵烏云”，光電效應和紫外災難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發下，大膽的提出實物粒子也具有波粒二象性；對于物理學的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關于氫原子的量子假設，解釋了氫原子的結構以及線狀光譜的實驗。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學。在教學的過程中，適當穿插量子力學的發展歷史以及偉大科學家的傳記故事，避免了量子力學課程“全是數學的推導”的現狀，這樣激發學生的學習興趣和學習熱情，通過對偉大科學家的介紹，培養刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學模式大大提高了學生的學習主動性。

3 結合熟知軟件化抽象為形象

量子力學內容抽象，對一些典型的結論，可以用軟件模擬的方式實現物理圖像的重現。很多軟件如matlab、c語言等很多學生不是很熟練，而且編程較難，結合物理結論作圖較為困難；Excell是學生常用的軟件之一，簡單易學卻功能強大，幾乎每位同學都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應用到量子力學的教學過程中，取得了良好的效果。

如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴格求解得到了波函數和能級的方程。而波函數的模方表示幾率密度。我們要求學生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經典幾率的比較（經典粒子在阱中各處出現的幾率應該相等）和經典能級的比較（經典的能量分布應該是連續的函數），通過學生的自我參與，充分激發了學生的求知欲望；從簡單的作圖，學生深刻理解了微觀粒子的運動狀態的波函數；微觀粒子的能量不再是連續的，而是量子化了的能級，當n趨于無窮大時微觀趨向于經典的結果，即經典是量子的極限情況；通過學生熟知的軟件，直觀的再現了物理圖像，學生會進一步來深刻思考這個結論的由來，傳統的教學中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個方程，再利用邊界條件和波函數的標準條件，一步一步推導下來，這樣的教學模式有很多學生由于數學的基礎較為薄弱，推導過程又比較繁瑣，因此會逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節的學習，而通過學生親自作圖實現的物理圖像，改變了傳統的“填鴨式”教學，最大限度的使學生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學的效果。

4 結合科學發展前沿拓寬學生視野

在課程的教學中，除了注重理論基礎知識的講解和基礎知識的應用以外，還需介紹量子力學學科前沿發展的一些動態。結合教師的教學科研工作，將國內外反映量子力學方面的一些最新的成果融入到課程的教學之中，推薦和鼓勵學生閱讀反映這類問題的優秀網站、科研文章，使學生了解量子力學學科的發展前沿，從而達到拓寬學生視野，培養學生創新能力的目的。例如近年興起并迅速發展起來的量子信息、量子通訊、量子計算機等學科，其基礎理論就是量子力學的應用，了解了這些發展，學生會反過來進一步理解課程中如量子態、自旋等概念，量子態和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經典的對應，通過對實驗結果的理解，學生會進一步理解用態矢來表示一個量子態，由于電子的自旋只有兩個取向，正好與計算機存儲中二進制0和1相對應，這也正是量子計算機的基本原理，通過學生的主動學習，從而達到提高教學質量的目的。另外我們還要介紹量子力學在近代物理學、化學、材料學、生命學等交叉學科中的應用，拓寬學生的視野。

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關鍵詞：現代計算機；計算機技術；發展方向；趨勢

中圖分類號：TP338 文獻標識碼：A 文章號：1007-9416（2017）01-0242-01

1 計算機技術的概述

1.1 計算機的發展過程

1946年，世界上誕生了第一代計算機，其中應用了18800個真空管，體積占有幾個房間，它的出現在一定程度上改變了人類的思維和生活方式，為計算機技術的進一步發展打下了堅實的基礎。計算機的發展過程主要包括四個階段，第一代計算機主要由真空管組成，由于真空管體自身的特性，體積大、內存小，所以，第一代計算機不僅體積龐大，而且耗電量巨大。1954年，世界上第二代計算機誕生了，由美國科學家催迪克研制出來的晶體管計算機。信息產業作為技術與知識密集型產業，為了能適應現代社會建設的需要，第四代計算機應運而生。第四代計算機的出現直接促進了計算機的大量生產，計算機開始出現在人們的日常生活中。

1.2 我國計算機技術的發展現狀

隨著計算機的迅速發展，我們已進入到了計算機信息技術時代，我們可以直接從網上獲取信息資源，這也使我們的生活有了很大的改變。不少發達國家的政治、經濟、及文化開始過度依賴于計算機信息技術的基礎設施，而同時又出現了強大的黑客攻擊，信息技術猶如新型的作戰技術，在當前的形式下，計算機技術的安全問題成為了各國面臨的巨大挑戰，因此，還需進一步加強對計算機技術的安全風險管理[1]。

2 我國計算機技術的發展趨勢

如今，計算機信息技術已成為大家關注的一大焦點，連續創造活動的出現、穩定的選擇機制使得我國計算機技術有了迅速的發展。由于計算機信息技術的發展給我們的日常生活帶來了諸多便利，有效滿足了大家的日常及工作需求，不僅提升了個人的工作效率，還保障了整個社會的工作效率，這樣才能確保其為我國提供更好的信息服務。我國的計算機技術已成為了社會發展的主要潮流之一，有著廣闊的發展前景。

2.1 生物計算機

生物計算機，也被稱之為仿生計算機，主要是通過生物工程生產的蛋白質分子作為生物芯片來代替半導體的硅片。由于生物的遺傳形狀主要是由DNA決定的，DNA是具有基因編碼的雙鏈大分子，且蛋白質的結構等信息都儲存在DNA的雙鏈分子中，所以，生物計算機具有很強的信息儲存能力[2]。另外，由于通過控制脫氧核糖核酸的狀態可以有效控制DNA的信息，而且生物計算機具有很強的信息處理能力，這為生物計算機帶來了很多優勢，不僅表現在功率高體積小，而且存儲和芯片也具有一定的可靠性。

2.2 量子計算機

在21世紀的信息社會中，先進的信息科技給人民的生活帶來了深刻的變化。信息產業作為技術與知識密集型產業，為了能適應現代社會建設的需要，量子計算機應運而生。量子計算機在進行處理和存儲數據時，會根據量子算法，采用一量子比特的形式進行儲存數據，所以，量子計算機在數據處理的速度上有了很大的進步。目前，很多專家學者也在不斷的研究量子計算機，所以，量子計算機一定會有很好的發展。

2.3 光子計算機

光子計算機主要是通過利用光信號進行信息處理和存儲的新型計算機，其在進行數據存儲時主要利用的是光子和光運算，而且當對數據處理錯誤時不會影響到最終的結果。光子計算機還具有很多優勢，比如，不會受到電磁場的影響，超大規模的信息存儲容量及低能量消耗、低發熱量等。光子計算機的這些優勢使光子可以任意傳輸，不會受到電磁場的影響，不需要導線也不會相互影響，而且是在很低的能量下就能正常工作。

2.4 納米計算機

納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機，體積約是人頭發直徑的千分之一，性能比傳統的計算機強大很多，而且有著極強的導電性[3]。由于納米技術開始研制成計算機內存芯片，而且其性能也亞遠遠超過傳統計算機的性能，所以，未來的納米技術將會走出實驗室，納米計算機也會取代芯片計算機。因此，納米計算機能提供更加全面、客觀、公正、高質量的信息與技術。

3 結語

計算機技術的發展改變了人民的生活，比較符合人類的需求，不僅方便了廣大人民群眾的日常生活，而且成為了提高我國綜合國力競爭的重要組成部分，對于到我國信息安全產業的健康發展起到直接推動作用，推動了我國經濟和現代文明的進步，所以，還需不斷加強人們對計算機技術的認識。從計算機的發展過程及發展現狀上來看，我國計算機技術未來的發展趨勢將朝著智能化、專業化的方向發展，高性能計算機就是我國計算機科學與技術的主要發展方向。

由于筆者對現代計算機技術的發展方向與趨勢只有初步的統整，所以研究還有部分不太嚴謹的地方，這也是筆者以后繼續要努力、探索的方向。

參考文獻

[1]王敏.計算機技術的發展方向及進展[J].中小企業管理與科技，2014（1）：312-313.

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1.1計算機科學技術在生活中應用廣泛

在這個信息化時代，計算機網絡作為人們社會生活的重要部分，已經進入千家萬戶。人們不用出門就可以通過計算機了解國內外新聞、天氣預報資訊、股市行情、世界地圖、收發電子郵件、檢索信息等；不用逛街就可以通過互聯網中的購物網站買到喜歡的東西；通過計算機可以與相隔較遠的朋友在線聊天、視頻聊天等，加強人們之間的交流和溝通，促進友誼；人們可以通過計算機網絡訂購飛機票、火車票等，節省排隊時間；教師可以通過計算機科學技術實現對學生的在線授課，更及時、更方便；動漫工作者可以使用計算機科學技術制作動漫；政府機關也可以通過計算機科學技術建立城市網站，及時了解市民反映的問題，通過計算機與各個行業的工作人員在線交流；很多企業使用計算機來處理大量數據和信息，代替傳統的人工處理，提高工作效率。計算機科學技術潛移默化的影響著人們的生產、工作和學習。

1.2計算機科學技術更加智能化和專業化

計算機科學技術的快速發展和廣泛應用，推動了集成電路、微電子和半導體晶體管的發展，計算機科學技術更加智能化和專業化。計算機能根據使用對象的不同個體需要進行改裝、更新，對于有更高需求的用戶可以專門定做計算機，用戶可以根據使用環境的不同選擇臺式計算機、筆記本計算機、掌上電腦和平板電腦等。計算機科學技術在其他特殊領域也能發揮自己的優勢，如智能化家用電器和智能手機，家庭式網絡分布系統代替了傳統的單機操作系統，滿足人們的生活需求。

1.3計算機的微處理器和納米技術

微處理器能提高計算機的使用性能，縮小傳統處理器芯片中的晶體管線寬和尺寸。利用光刻技術，波長更短的曝光光源經過掩膜的曝光，將晶體管在硅片上制作的更精巧，將晶體管導線制作的更細小。計算機科學技術的快速發展使計算機運算速度更快，體積更微型，操作更智能，傳統的電子元件不能適應計算機的發展。納米技術是一種用分子射程物質和單個原子的毫微技術，可以研究0.1～100納米范圍內的材料應用和性質。計算機科學技術中利用納米技術，可以使計算機尺寸變小，解決運算速度和集成度的問題。

2計算機科學技術的未來發展

現如今，計算機科學技術的應用越來越廣，人們對計算機科學技術的要求越來越高，促使數學家和計算機學家們不斷研究計算機科學技術，使計算機科學技術在各個領域、各個行業發揮更大的作用，滿足人們的不同需求。下面從DNA生物計算機、光計算機和量子計算機三方面來探究計算機科學技術的發展前景。

2.1DNA生物計算機DNA生物計算機用生物蛋白質芯片代替傳統的半導體硅芯片。1994年，美國科學家阿德勒曼率先提出關于生物計算機的設想。在計算機運算數據時，將生物DNA堿基序列作為信息編碼載體，運用分子生物學技術和控制酶，改變DNA堿基序列，從而反映信息，處理數據。這一設想增加了計算機操作方式，改變了傳統的、單一的物理操作性質，拓寬了人們對計算機的了解視野。DNA生物計算機元件密度比大腦神經元的密度高100萬倍，信息數據的傳遞速度也比人腦思維快100萬倍，生物計算機的蛋白質芯片存儲量是傳統計算機的10億倍。2001年，以色列科學家研制出世界上第一臺DNA生物計算機，體積較小，僅有一滴水的體積。2013年，英國生物信息研究院的科學家們使用DNA堿基序列對文學家莎士比亞154首作品的音樂文件格式和相關照片進行編制，增加了儲存密度，使儲存密度達到2.2PB/克（1024TB=1PB），提高了人們對信息儲存的認識，這一重大突破使生物計算機的設想有望成為現實。

2.2光信號和光子計算機

光子計算機是一種由光子信號進行信息處理、信息存儲、邏輯操作和數字運算的新型計算機。集成光路是光子計算機的基本構成部件，包括核鏡、透鏡和激光器。光子計算機和傳統計算機相比較，有以下幾點好處：

(1)光計算機的光子互聯芯片集成密度更高。在高密度下，光子可以不受量子效應的影響，在自由空間將光子互聯，就能提高芯片的集成密度。

(2)光子沒有質量，不受介質干擾，可以在各種介質和真空中傳播。

(3)光自身不帶電荷，是一種電磁波，可以在自由空間中相互交叉傳播，傳播時各自不發生干擾。

(4)光子在導線中的傳播速度更快，是電子傳播速度的1000倍，光計算機的運算速度比傳統計算機更快。20世紀50年代末，科學家提出光計算機的設想，即利用光速完成計算機運算和儲存等工作。與芯片計算機相比較，光子計算機可以提高計算機運行速度。1896年，戴維•米勒首先研制出光開關，體型較小。1990年，貝爾實驗室的光計算機工作計劃正式開啟。根據元器件的不同，光子計算機可以分為全光學型計算機和光電混合型計算機。全光學型計算機比光電混合型計算機運算速度快，還可以對手勢、圖形、語言等進行合成和識別。貝爾實驗室已經成功研制出光電混合型計算機，采用的是混合型元器件。研發制作全光學型計算機的重要工作就是研制晶體管，這種晶體管與現存的光學“晶體管”不同，它能用一條光線控制另一條光線。現存的光學“晶體管”體積較大較笨拙，滿足不了全光學型計算機的研發要求。

2.3量子理論計算機

量子計算機將處于量子狀態的原子作為計算機CPU和內存，處于量子狀態的原子在同一時間內能處于不同位置，根據這一特性可以提高計算機處理信息的精確度，提高處理數據的運算速度，有利于數據儲存。量子計算機處理信息時的基本數據單元是量子比特，取代了傳統的“1”和“0”，具有極強的運算能力，運算速度比傳統計算機快10億倍。中國和美國的科學家們在實驗室里成功實現了同時對多個量子比特進行操作，為制造量子計算機提供了可能。相信在科學技術的不斷發展和世界各國的科學家們共同努力下，量子計算機會成為現實。

3結束語

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關鍵詞：計算機；科技；發展；研究；技術

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 10-0217-01

一、以計算機網絡技術為基礎的電子商務

通過對計算機技術、網絡技術和遠程通信的技術利用就是電子商務，它對于整個商務過程中的電子化、數字化和網絡化的實現是有一定的幫助的。

供需雙方的商家通過借助Internet的技術或者是各種商務網絡平臺所進行的電子商務交易，并完成商務交易的過程就被稱之為電子商務。供求關系的、訂貨以及訂貨的確認、支付的過程以及簽發票據、接受和傳送、配送方案的確定并對配送過程進行監控等都是商務交易的過程。因此。電子商務的概念是在計算機技術和網絡技術發展到一定水平后才出現的。

開放式標準上的Internet通信通道是電子商務所采用的基本方式，相較于傳統的商務活動通信方式而言，其內容和內涵都已經發生了很大的變化，比如說：就電子商務的交互性而言，由雙向通信取代了單項通信；其通道功能得到了擴大，不僅能夠對信息進行傳遞，同時也能夠在支付和傳遞服務上應用；相較于傳統手段而言，其通信費用得到大大降低，Internet的通信費用是最低廉的。另一方面，虛擬的全球性貿易環境也是由電子商務為企業所提供的，這使得商務活動的水平以及服務質量都得到了大大的提高。商務通信速度的大大提高使得大量的開支得以節省，比如說傳真和電話費用就由于電子郵件的存在得到節省，廣告和銷售的費用就由于電子和電子訂單的存在而得到節省。企業與客戶和供應商之間可以通過電子商務系統的主頁而增加直接聯系，這樣就能夠對相關產品的價格、新品種等最新數據有一個及時的了解。

二、對計算機的關鍵技術繼續發展的簡單分析

超高速、超小型、平行處理、智能化是未來計算機技術的發展方向。硅芯片計算機的核心部件CPU盡管在物理限制的約束仍舊持續不斷發展，但在上世紀末也出現了每秒100萬億次的超級計算機。平行處理技術是超高速計算機所采用的方式，使計算機系統能夠對數據或者是指令進行同時處理，這對于計算機結構的改進、計算機運行速度的提高都是一項極為關鍵的重要技術。

另外，更多的智能成分是計算機所將要具備的，多種感知能力、一定思考與判斷能力以及一定的自然語言能力是其將具備的能力。它除了會提供語音輸入與手寫輸入這樣的自然輸入手段以外，其虛擬現實技術還會讓人產生一種身臨其境的感覺，這一領域的集中體現就是各種交互設備的出現。

傳統的磁存儲以及光盤的存儲容量一直在不斷的攀升著，趨于成熟的全新海量儲存技術使得新型儲存器的儲存容量將達到每立方米10TB。將信息永久的儲存也將不會再是夢想，對千年儲存器的研制正在進行中，抗干擾、抗高溫、防震、防水、防腐蝕等是這樣儲存器的基本特征。這樣就可以原汁原味的保存現今的大量文獻，并使其能夠流芳百世。

三、不斷涌現的新型計算機系統

硅技術的物理極限隨著硅芯片技術的高速發展而逐步體現出來，世界各國的研究人員對新型計算機的研究開發也在這樣的情況下緊張的進行著，可以說，計算機將會有一次從體系結構到器件與革命的大變革，甚至可以被稱之為是一次質的飛躍。量子計算機、光子計算機、生物計算機等新型的電子產品將會在二十一世紀走進我們生活中的各個領域。

（一）量子計算機。以量子效應為奠基開發的量子計算機表示開與關的狀態是通過利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示的，其分子狀態的改變是通過利用激光脈沖來實現的，其運算也是使信息沿著聚合物的移動而進行的。

量子位儲存是量子計算機中的數據儲存方式，其具有量子疊加效應的特點，這樣在面對同樣數量儲存位的時候，通常計算機卻遠不及量子計算機的儲存量，另外，兩字并行計算也是量子計算機的一大特色。

（二）光子計算機。電子由光子取代、導線互連用光互連帶取代、計算機中的電子硬件由光硬件取代、電運算由光運算取代這樣的全光數字計算機就是光子計算機。

光子計算機的“無導線計算機”相較于電子計算機而言，其信息傳遞平行通道密度更大。拿一枚5分硬幣大小的棱鏡為例，全世界現有的電話電纜僅是其通過能力的幾分之一。光計算機超強的并行處理能力由光的并行、高速所天然決定了，由此，它的運算速度是超高速的。但是只能夠在低溫的環境下超高速電子計算機才會進行工作，而光計算機開展工作僅需要在常溫下即刻。與人腦相似的容錯性也是光計算機所具備的一大特點，也就是說，其最終計算結果并不受系統中某一原件的損壞或出錯的影響。

（三）生物計算機。蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程就是生物計算機的運算過程。由酶來充當計算機的轉換開關，酶合成系統本身和蛋白質的結構中極為明顯的就能將程序呈現。

在二十世紀七十年代的時候，人們發現信息的有或無可以通過脫氧核糖核酸（DNA）處于不用狀態將其代表。其儲存的數據也就是指DNA分子中的遺傳密碼，生化反應在DNA分子間發生，另一種基因代碼由前一種基因代碼所轉化而來。輸入數據可以被當作是反應前的基因代碼，輸出數據則就代表了反應后的基因代碼。倘若能夠對這一反應過程進行控制，那么DNA計算機也就能夠得以成功制作。

將一項運算交由生物計算機來完成的話僅需要10微微秒的時間就已足夠，其速度快過人思維速度的100萬倍，這是由于蛋白質分子小過硅晶片上的電子元件很多，而且他們之間的距離又相當的近。同時，DNA分子計算機不僅存貯容量相當驚人，其消耗能量也是非常小的。生物計算機具有自我修復功能的原因是由于蛋白質分子是構成生物芯片的原材料，且能夠與活體直接相聯。DNA計算機預計會在10-20年后進入實用階段。

四、總結

目前科學技術就是第一生產力，即計算機科學與技術的發展現狀普及性與深入發展性，當今社會中所潛在的重要生產力就是對計算機科學技術的不斷發展，它在人類的社會發展進步中也占有不可取代的地位，是不置可否的生產力。

參考文獻：

篇6

關鍵詞:數據通信；量子密鑰分發；量子密碼終端；密鑰中繼

量子保密通信是基于量子密鑰分發的密碼通信解決方案，量子密鑰分發不依賴于計算的復雜性來保證通信安全，而是基于量子力學基本原理。只要能夠在通信雙方成功的建立密鑰，這組建立的密鑰就是絕對安全的，并且這種密鑰是具有絕對隨機性的，從原理上無法破解。由于量子密碼系統基于的這種隨機性，其安全性不因數學水平和計算能力的提高受到威脅，所以不僅是現在，而且在未來利用量子密碼系統加密的信息都是安全的。由此，人類目前已知的唯一具有長期安全性保障的通信解決方案是量子保密通信。并且在世界范圍內已有量子通信網絡初步建成并運行。在傳統數據傳輸系統基礎上，使用量子通信保證數據傳輸的安全性，提高數據通信網絡的可靠性、安全性和穩定性，是一個值得研究和發展的方向，兩者結合能夠有效保證數據在通信過程中的安全可靠。

一、QKD系統基本結構

如圖表1.1所示，QKD系統主要由主控模塊、數據處理模塊、系統管理模塊、光電系統（光學模塊和單光子探測器）組成。該QKD系統的運行受控于密鑰生成控制系統，由密鑰生成控制系統下發QKD控制指令給終端設備的系統管理模塊，系統管理模塊將接收到的指令進行必要的協議轉換（某些關鍵指令還需要加解密處理），完成對QKD系統進行工作流程控制。系統管理模塊的主要硬件結構如圖表1.2所示：

二、QKD系統與數據通信

在當前的要求數據安全性比較高的網絡中，會采用專線進行保密的數據通信，會添加防護設備，增加一道安全措施。設備首先需要通過證書機制，完成身份認證過程，然后將一端產生的隨機數通過非對稱密碼學算法加密處理后傳輸給另一端，而另一端的防護設備將接收到數據，并把數據進行解密，由此獲得隨機數，這樣就完成了對稱密鑰的分發過程。由于目前的對稱密鑰分發機制，必須由經典密鑰學的加解密算法處理，這樣就有可能被攻破。因此，通過制定一整套完善的量子對稱密鑰傳輸、同步、中繼等協議，使得防護設備可以使用QKD系統提供的對稱量子密鑰，對目前系統網絡中的數據進行實時量子加解密處理。如圖表2.1所示：

三、多用戶應用場景下的量子密鑰分配、存儲和管理機制

如圖表3.1所示，在要求較高的專線數據傳輸系統多用戶應用場景下，可將該專線網絡分為“客戶大區”和“管理大區”兩大部分。該場景下的兩個用戶之前數據通信的安全通信可由QKD系統直接向認證設備提供的量子密鑰保證。在該網絡中，可使用一個全通型光量子交換機，掛接6臺量子網關，在密鑰生成控制服務器的調度下，實現任意兩個設備間的量子密鑰分發，并直接把生成的量子密鑰存儲在各自設備內。管理大區用戶與客戶大區用戶之間進行通信，其防護設備可以使用QKD系統提供的量子密鑰，完成數據加解密功能，達到安全的保密通信要求。多用戶應用場景量子加密數據傳輸的主要步驟如下：(1)場景內，每個用戶終端部署一臺QKD系統，由密鑰生成控制服務器定時監控每個用戶的當前量子密鑰量，根據制定的排隊策略，把各個QKD系統按照規則進行配對，啟動量子密鑰分發；(2)各個QKD系統必須由唯一的ID號標識身份，該QKD與其他的QKD系統進行量子密鑰分發，并且會使用對方ID號對生成的量子密鑰進行標識和保存。(3)通過具體的用戶通信進行演示：客戶大區的用戶2需要與用戶4進行通信，密鑰生成控制服務器會統一管理，安排用戶2與用4進行通信，用戶2的QKD系統會根據ID號與用戶4的QKD系統分發的量子密鑰進行設備認證，而用戶4的QKD系統也會根據ID號與用戶2的QKD系統分發的量子密鑰提供給認證設備；(4)認證設備采用量子密鑰，對傳輸的數據進行加解密處理，使保密通信過程完成。

四、通信網絡與量子網絡融合

(一)通信網絡中的加密認證設備部署

專線網絡要實現“分級管理”的要求，各級數據調度中心以及下屬的各個數據站點部署了加密認證設備，根據總部調度通信關系建立加密隧道（理論上只能在上級和下級之間建立加密隧道），加密隧道拓撲的結構是網狀結構。如圖表4.1、圖表4.2所示：

(二)量子通信網絡融入實例

在一級分部調度中心管理中，加密認證設備需要對相鄰的二級分部使用QKD系統提供的量子密鑰進行加解密處理。網絡拓撲如圖表4.3所示：一級分部調度中心控制二級分部1和二級分部2的通信網絡，一級分部與兩個二級分部都可以通過量子集控站，完成兩兩間的量子信道建立，在集控站的統一協調下，使其具備兩兩之間能夠分發量子密鑰的能力。由此，一級分部調度中心與兩個分部之間就可以實現兩兩加密認證設備通過使用量子密鑰進行加解密處理的保密通信。該場景下的通信數據加解密與傳輸流程如下所示：(1（)這里一級分部調度中心簡稱為一級中心；二級分部1簡稱為二分1；二級分部2簡稱為二分2）。(2)一級中心的集控站與二分1的集控站、一級中心的集控站與二分2的集控站，在密鑰生成控制服務器（處于集控站中）的統一協調管理下，實現量子密鑰分發；(3)二分1需要完成與一級中心的通信數據傳輸，二分1的認證設備先用與一級中心分發的量子密鑰，對數據進行加密處理，然后由經典網絡傳給一級中心；(4)一級中心接收到二分1傳輸的加密數據，一級中心認證設備使用與二分1分發的量子密鑰進行解密，這樣就實現了二分1傳輸通信數據給一級中心的功能；(5)與此同時，一級中心下發調度指令給二分1，一級中心的認證設備使用與二分1分發的量子密鑰，對調度指令進行加密處理，然后通過經典網絡傳輸給二分1；(6)二分1接收到一級中心傳輸的加密調度指令，二分1認證設備使用與一級中心分發的量子密鑰進行解密，這樣就完成了一級中心傳輸數據給二分1的功能；(7)二分2與一級中心之間的通信數據傳輸與二分1相似。在二級分部1下，用戶1和用戶2的量子信道通過全通光量子交換機與該分部集控站連接，實現用戶1、用戶2和二級分部1兩兩之間的量子密鑰分發。該場景下的通信數據加解密與傳輸流程如下所示：(1)用戶1與二級分部1、用戶2與二級分部1，在密鑰生成控制服務器（處于集控站中）的統一協調，實現量子密鑰分發；(2)用戶1需要與一級分部調度中心進行通信數據傳輸，用戶1的認證設備首先使用其與一級分部1交互分發的量子密鑰，加密通信數據，然后由經典網絡傳輸給一級分部1；(3)一級分部1收到用戶1傳輸的經過加密通信數據，一級分部1的認證設備使用與用戶1分發的量子密鑰對加密數據進行解密，這樣就實現了用戶1傳輸數據給一級分部1的功能；(4)同時，一級分部1可以下發調度指令給用戶1，一級分部1的認證設備使用與用戶1分發的量子密鑰，加密調度指令，然后經由經典網絡傳輸給用戶1；(5)用戶1接收到二級分部1傳輸的加密調度指令，其認證設備使用與二級分部1分發的量子密鑰進行解密，這樣就完成了二級分部1傳輸通信數據給用戶1的功能；(6)用戶2與二級分部1之間的通信數據傳輸與用戶1類似。如果用戶1或用戶2需要與一級分部調度中心直接傳輸通信數據，則要用到密鑰中繼功能，以用戶2上傳數據給一級分部調度中心為例，主要步驟如下所示：(1)一級分部調度中心的集控站與二級分部1下的用戶2，通過它們之間的二級分部1集控站，利用經典密鑰中繼的方式，使一級分部調度中心與用戶2之間擁有共享的量子密鑰；(2)用戶2的認證設備，需要給傳輸給一級分部調度中心的數據進行加密，加密密鑰為上述共享的量子密鑰，然后由經典網絡傳輸給一級分部調度中心；(3)一級分部調度中心的認證設備，利用對應的量子密鑰作為業務密鑰，將用戶2傳輸過來的加密數據進行解密，這樣就實現了用戶2與一級分部調度中心之間數據加解密傳輸功能。

五、結束語

篇7

物理學作為一門基礎學科，一直是我們高中生（特別是理科生）學習的重點。但很多同學在接觸物理過程中，認為學物理是無用的，因為其好像對我們的個人生活并沒有什么實際性的幫助，反而因為難度較高造成了很大的學習壓力，殊不知計算機與物理學存在著不能割裂的聯系，已成為我們生活中不可缺少的一部分。

一、計算機發明的背景及其發展歷程

物理學是研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律及計算機所使用的實驗手段和思維方法的自然科學，它是人們對無生命自然界中物質的轉變的知識做出規律性的總結的一門學科。物理學的影響深遠，這是因為物理學的突破時常會造成新科技的出現，物理學的新點子很容易在其它學術領域產生共鳴。例如，在電磁學上的進展，直接地導致了發電機的產生，使電力的大規模生產與傳輸成為現實，大幅度地提升了整個社會的生活水平。計算機這一偉大發明就是在人類不斷的認識世界，發現自然界規律的的背景下產生的。

自1946年第一臺計算機發明以來，計算機雖然只經過了幾十年的發展，但計算機已經經歷了占地面積大、速度慢、儲存量小，主要用于數據計算的第一代計算機――電子管計算機；以磁芯或磁鼓作存儲器，開始用于數據處理和過程控制的第二代計算機――晶體管計算機；主存儲器漸漸過渡到半導體存儲器并且主要部件變成中小規模集成電路的第三代計算機――中小規模集成電路計算機；體積縮小、性能提高、集成更高的并開始廣泛用于各種領域的第四代計算機――大規模和超規模集成電路計算機。現在，人類已經迎來了計算機、網絡、通信技術三位一體的具有人工智能的第五代計算機時代，可以說，在計算機發展的每一個階段，物理學都留下了不可磨滅的印記。

二、物理學對計算機發展的影響

1.第二次科技革命中最具代表性的即是奧斯特的“電磁感應”現象的發現，該發現為發電機和電動機的制造創造了可能性，之后法拉第的“電磁感應定律”更是為發電機的發明和投入使用奠定了堅實的基礎，使人類迎來了區別于以往的新能源。同時從電磁感應實驗以及應用物理理論研究到電氣化時代的到來，電力成為了新型主要的能源，電力設備也逐漸的發展起來[1]，計算機就是在電力的支撐下才有了發展的可能。計算機等電力設備產生的前提是電力的存在，并且它們賴以工作的前提也是充沛的電力，可以說，計算機賴以存在的首要前提便是物理學中電力的發現。

2.現今，如果問影響人類最廣泛的計算機功能是什么？很多人會毫不猶豫的選擇網絡。網絡不僅拉近了人與人之間的聯系，而且因為資源的共享使生活更加便捷、工作更加科學。那究竟網絡是怎樣實現的，它又與物理學有那些聯系呢？網絡就是通過線路互連起來的、資質的計算機集合，確切的說就是將分布在不同地理位置上的具有獨立工作能力的計算機、終端及其附屬設備用通信設備和通信線路連接起來，并配置網絡軟件，以實現計算機資源共享的系統。網絡傳輸需要介質，網絡常用的傳輸介質有：雙絞線、同軸電纜、光纖、無線傳輸媒介等，這其中無論是金屬導體還是光纖導體，都離不開其物理性能的開發，其本身存在的物理性能是支撐網絡傳輸的基礎。并且隨著計算機制造業的大力發展，更是將計算機網絡硬件的可靠性及性價比推向一個新的高峰[2]，這種現狀下計算機硬件的改革與創新也不斷開展，物理作為支撐硬件發展的物質和性能基礎任務還很巨大。

篇8

關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導體材料的戰略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發的重點。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

（2）硅基應變異質結構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

（2）一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。

篇9

關鍵詞：非經典計算；算法設計與分析；智能科學與技術

1背景

智能科學與技術是人工智能方向的重點交叉學科，是一個包含了認知科學、腦科學、計算機科學的新興學科。按照教育部學科專業目錄，智能科學與技術是一級學科計算機科學與技術下的二級學科。如何在4年的本科教學過程中，既立足于計算機學科內容，又突出智能專業的特點，體現該專業區別于計算機科學專業的特色，培養一流的智能人才，是眾多智能專業積極探索的問題。

本著幫助學生建立寬廣厚實的知識基礎，使學生將來能向本專業任何一個分支方向發展，并能掌握本學科發展的最新動態和發展趨勢，深刻領會本學科與其他相關學科區別的目標，廈門大學智能科學與技術系于2012年合理調整了專業培養方案，制定了一套突出專業特色和個性的教學大綱，課程體系分為學科通修課程、專業必修課程、專業選修課程。其中，專業必修課程細分為智能基礎類課程、軟件理論類課程及硬件基礎類課程3個不同類別。在智能基礎類課程中，開設非經典計算課程。該課程是廈門大學智能科學與設計系最具特色的課程。

該課程以軟件理論類課程算法設計與分析為先導課程，在本科三年級的第一學期先講授算法知識，在同一學年度第三學期講授非經典計算的內容。教師首先介紹經典算法設計與分析中的各種傳統算法，借由經典算法發展過程中遇到的困境問題引出非經典計算的內容，前后呼應，有助于學生在智能計算上獲得完整的系統學習。

2非經典計算在智能科學與技術專業本科教學算法體系中的地位

算法設計是智能科學與技術專業中的核心內容。本科專業4年的專業教學計劃由4門核心課程構成算法體系的主線，包括高級語言程序設計（本科一年級學科通修課程）、數據結構（本科二年級方向必修課程）、算法設計與分析（本科三年級方向必修課程）、非經典計算（本科三年級方向限選課程）。這4門課程的教學內容和組織結構完整地構成了算法體系結構。以圖靈獎獲得者、pascal之父Niklaus Wirth提出的著名公式為參照，即Algorithm+Data Structures=Programs，算法體系以培訓計算機方向學生掌握編程能力，獨立完成分析問題、設計方案、解決問題的綜合能力為主要目標；在這個體系中，程序語言是基礎，數據結構是內涵，算法是框架。

在算法體系中，這4門課程以循序漸進的方式展開，注重對學生算法思維的培訓。

（1）高級語言程序設計講授的是c語言程序設計，通過對C語言的詳細介紹，讓學生掌握程序設計方法和編程技巧。作為初始啟蒙課程，選擇C語言作為程序教學語言，是因為C語言的使用廣泛，擁有嚴格完整的語法結構，適合教學。

（2）數據結構重點講授各種常用的數據表示邏輯結構、存儲結構及其基本的運算操作，并介紹相關算法及效率分析。教師通過在一年級對包括C語言在內的其他程序設計過程的訓練，加人對數據結構中各種數據的邏輯、存儲結構的表示和運算操作，從數據結構的角度闡述典型算法，并簡單介紹算法的效率分析，這是對程序設計訓練的進階內容。

（3）算法設計和分析主要介紹算法設計與分析的基本方法以及算法復雜性理論基礎。我們在本科三年級引入算法設計與分析課程，從算法的抽象角度總結和歸納各種算法思想，包括遞歸與分治法、貪心法、動態規劃法、回溯法、分支定界法、高級圖論算法、線性規劃算法等，最后闡述算法復雜性的分析方法、NP完全性理論基礎等計算復雜性的基本知識及完備性證明概要，重點闡述算法思想，從復雜性角度比較和分析不同的算法。上述（1）、（2）和（3）的內容構成了計算機學科通用算法體系的教學過程。

（4）非經典計算主要討論何為計算的本質以及經典計算在計算能力上遇到的困境，以此為契機討論自然計算――生物計算、集群計算、量子計算等內容。算法設計和分析的最后一個章節是對算法復雜性的分析方法及NP完全性理論基礎的介紹，不可避免地會討論到現代電子數字計算機體系在計算能力上的瓶頸以及由NP完全問題（Non-deterministic Polynomial），號稱世界七大數學難題之一的經典問題，引出對經典計算機體系的深層思考，進一步引導學生思考如何解決計算能力的瓶頸問題。這是教師設計非經典計算課程的出發點，也是對算法體系更完整的補充和更深層次的探討。

此外，我們還需要對授課學期選擇進行考慮。廈門大學實行三學期制度，在第三學期內開設的課程大多是實踐類課程及前沿技術介紹課程。在本科三年級的小學期階段，學生基本完成了智能專業大部分必修課程的學習，擁有了一定的計算機基礎和學科素養。這時，依賴學生已經具有的數據結構與算法的基本知識，可以將學生的學習引向如何理解計算的本質；再從計算本質出發，由易到難，介紹采用非計算機的不同計算媒介和方法，例如DNA計算、元胞自動機、集群計算等知識，結合計算機模擬程序加深認識。在逐步加深學生對非經典方法計算的理解之后，再引入量子信息與量子計算。至此，智能專業關于算法體系的整體構建已基本完成。

3非經典計算課程內容大綱

非經典計算課程的主體課程內容以專題形式展開，分為5個部分。

第一部分：計算本質。從什么是計算人手，列舉各種計算的形式，由數字的計算到命題的證明，由數值計算到符號推導，引出計算本質的廣義定義，“計算是從一個符號串f變換成另一個符號串g”，即從已知符號（串）開始，一步一步地改變符號（串），經過有限步驟，最后得到一個滿足預先規定的符號（串）的變換過程；進一步展開對什么是計算、什么是可計算性的討論，展開介紹計算理論上4個著名的計算模型――般遞歸函數、λ可計算函數、圖靈機和波斯特系統；最后歸結到丘奇?圖靈論點。以上是第一條主線，第二條主線從計算復雜性角度人手，討論在經典算法中難解決的NP完全問題，提出在經典計算體系中隨著輸入數據規模增大而難以計算的瓶頸，從而引發學生對于經典計算的思考。

第二部分：智能計算機的發展。這個部分主要討論計算機硬件的發展歷史，即從原始時期的計算工具，到現代計算機的4個發展階段：史前期、機械式計算機、機電式計算機、電子計算機。教師從模擬型計算機到數字型計算機，闡述馮?諾依曼關于計算機五大基本組成對現代計算機體系結構的影響及其帶來的限制；從硬件角度提出非經典計算機的討論，鼓勵學生對現代智能計算機硬件進行調查。

第三部分：DNA計算。主要闡述DNA計算的基本原理，并以旅行商問題為引子，展開經典計算難解決問題的討論，重點介紹第一個由DNA計算模型解決的問題――L.Adleman構建的7個節點的DHP，并著重指出DNA計算潛在的巨大并行性和待研究的問題；然后介紹R.Lipton用DNA實驗解決的另一個NP問題――可滿足性問題（SAT）；最后將DNA計算與軟計算結合，闡述粘貼模型以及DNA的軟計算模擬與遺傳算法的對比。對于DNA計算強大的并行性，以具體的算法實例加以詳細闡述和說明，教師應指出分子計算的優缺點以及在計算能力上的巨大潛力。

第四部分：細胞自動機和集群計算。這個部分主要討論群體計算，一方面，從細胞自動機的形式化闡述及其所帶來的哲學意義出發，描述細胞自動機在計算機交叉學科上的運用；另一方面，介紹集群計算，以歐盟“藍腦計劃”為出發點，闡述如何從硬件體系和軟件體系上用計算機架構類神經元的協同合作方式。

第五部分：量子計算。從基本的量子力學知識開始，完整闡述量子計算的基本概念、量子信息、量子計算機和量子通信。量子計算機的構建除了要包含最基本的操作外，還需要介紹基本的量子計算機體系結構、計算載體等知識，加深對量子計算的理解，最后介紹的量子通信。這種已經應用在實際生活中的量子計算，更貼合實際。

以上5個專題，結構清晰，分工明確。第一部分討論經典計算的困境，第二部分討論經典計算機的發展瓶頸，從第三部分開始，引入非經典計算模型，分別從生物學和計算機科學的交叉學科DNA計算、細胞自動機和集群計算、量子計算3個方面進行學習。5個專題，完成了對非經典計算中前沿熱門計算模式的闡述，引導了學生對于前沿學科的認識和思考。

4非經典計算課程授課方式

本課程屬于本科三年級第三學期的課程，授課除了上文提到的內容之外，另一個更重要的方面是引導學生對學科前沿以及熱點內容的跟蹤和思考。因此在教學方式上，我們采取了教師授課及學生調查報告相結合的形式。教師上課對應課程的基本內容，學生調查報告對應學科前沿跟蹤與思考。

5個專題內容的授課經過了如下設計。在每個專題的授課結束后，布置相關專題內的一些熱點、難點問題供學生課后查閱、討論和思考。每個專題由學生自主報名，學生需要對相關內容進行跟蹤，查閱近5年的科技文獻，總結出論文綜述，并準備10分鐘左右的課堂報告，教師針對課堂報告指出相關的問題，由學生課后進行進一步的思考和再次的文獻查閱，形成最終報告后提交課程論文。

這樣的課程設計安排，可以很好地實現教學相長。在學生方面，促使學生除了上課聽課，必須主動參與文獻的查詢過程，主動對授課內容或延展部分的概念進行思考。由于提供給學生選擇專題的自由，所以也可以大大提高學生的積極性，讓學生可以從感興趣的角度對本門課程涵蓋的內容進行調查，從而獲得更加深刻的上課體驗。最后，由于每個學生選擇的題目必須提前匯總，不能與別人重復，所以在其聽取其他學生的報告過程中，學生可以更廣地拓展自己的知識面。對于授課教師而言，能夠保持對該門課程研究現狀的實時性跟蹤，更加全面地更新課程內容，還可以將學生查閱的重要理論和知識補充到課程基本內容中，同時促進教師與學生之間的互動，活躍課堂氣氛，提高教學質量。

5關于非經典計算課程的幾點思考

課程從廈門大學智能科學與技術系建系之初開始構思和授課，在授課過程中不斷調整教學內容和課程設計，緊緊圍繞學生的反饋完善課程建設。關于非經典計算課程的幾點教學經驗可以總結如下。

1）增加課時，優化對課程設計的安排。

2015年開始，由于學科教學計劃的調整，非經典計算課程由最初的20課時拓展為30課時，集中在本科三年級第三學期進行講授，一共5周，每周6課時。課時安排上，除了增加教學內容，更加強了對學生的文獻查閱和報告部分的考查。在論文報告環節，爭取做到有目標、有指導、有結論、有總結。學生所做的報告除了在初始選題階段要有區別之外，還要求有一定的文獻查閱難度。從選題確定，到針對報告指出具體的問題，要求學生根據教師指出的問題進行進一步的思考和資料查閱，最后形成論文。這樣的安排貫穿整個課程的全過程，學生的參與度獲得了極大的提高。對于教師而言，在學期末總結學生所做的報告內容，并增加本門課的知識點覆蓋程度，對教學也有比較大的促進作用。

2）課程考核方式上的設計。

非經典課程屬于必修課程，在考核方式上除了提交論文外，也必須要有必要的考試環節。在考試環節中，主要考查學生對教師上課內容的理解。在具體授課中，教師從經典計算到非經典計算進行講解，也從算法角度給出了非經典計算強大計算力帶來的改變，既延續了經典算法課程中對算法的介紹和討論方式，又對比了典型問題在經典算法和非經典算法中的不同解決方式。這樣的授課內容作為對算法體系基本知識點的考查，以閉卷考試內容來設計，是十分合適的。課程延展部分的開放知識點由學生的論文及報告內容進行評分衡量。最后，我們將兩個部分的成績作為本門課程的最終成績。

3）課程教材的選定。

由于本門課程是廈門大學智能系的特色課程，所以國內并沒有合適的教材作為授課使用。在積累了幾年的教學經驗后，我們準備著手進行教材的編寫。如何選定更加合理的專題、更為廣泛而前沿的知識，這關系到智能專業對這門課和教材的全局考量。

篇10

有數學家說過“一個好的問題勝過十個好解答”。因為解答一出，此問題已是到了終點，對不斷求創新的人們而言，已不構成挑戰。而新的問題是源頭活水，能開拓新的境界。多數人都不愿沉醉在好的解答中不斷地玩味，而希望找到新的問題，不斷地思考、摸索。

了解NP問題

“P=NP?”這個問題，作為理論計算機科學的核心問題，其聲名早已經超越了這個領域。它是Clay研究所的七個百萬美元大獎問題之一，在2006國際數學家大會上，它是某個1小時講座的主題。

要說起P和NP是什么東西，得先從算法的多項式時間復雜度談起，注意，這里面的兩個P都是指Polynomial（多項式）。

一個問題的規模指的是輸入的總位數，比如一個n個數的排序問題，輸入規模就是n。在某些時候，輸入規模是值得注意的，比如判定一個數n是否是一個質數這個問題，它的輸入規模并不是n，而是log(n)，因為一個數n用大約log(n)位就能表示出來了，這也是為何枚舉因子判定素數的算法并不是多項式時間算法的原因。

如果一個算法，能在以輸入規模為參變量的某個多項式的時間內給出答案，則稱它為多項式時間算法。注意:這里的多項式時間是指算法運行的步數。一個算法是否是多項式算法，與計算模型的具體的物理實現沒有關系，雖然大多數假想的計算模型不可能有任何物理的實現。

P指確定型圖靈機上的具有多項式算法的問題集合，NP指非確定型圖靈機上具有多項式算法的問題集合，這里N是不確定的意思。

脫離圖靈機的概念，就在普通的計算機上看，P問題是指能夠在多項式時間求解的判定問題（判定問題指只需要回答是和不是的問題），而NP問題則是指那些其肯定解能夠在給定正確信息下在多項式時間內驗證的判定問題。比如，要判定一個數是合數，如果給我一個約數，我們就很快判定它就是合數。所以判定一個數是合數的問題屬于NP。

NP問題的代表問題之一是售貨員旅行問題(traveling salesman problem)。有一個售貨員要 汽車到n個指定的城市去推銷貨物，他必須經過全部的n個城市。現在他有此n城的地圖及各城之間的公路距離，試問他應如何取最短的行程從家中出發再回到家中。

NP問題的歷史

人們在七十年代開始對NP完全問題的研究主要是橫向發展，也就是以許多不同的計算模型來分析難解問題的本質。這些新的計算模型包括了平行計算模型、概率計算模型、布爾線路、判斷樹、平均復雜性、交互證明系統以及程式長度復雜性等等。對這些新的計算模型的研究一方面使我們對難解問題有了更深一層的認識，一方面也產生了一些預想不到的應用。最顯著的一個例子就是計算密碼學的革命性突破:基于NP問題的公鑰密碼體系。另一個有名的例子是線性規劃的多項式時間解的發現。

到了八十年代中，對NP完全問題的研究有了縱向的突破，在許多表面看來并不相關的計算模型之間發現了深刻的刻劃關系。這些刻劃關系不但解決了幾個令人困擾多年的未解問題，同時也刺激了其它相關領域的發展。其中之一是對線路復雜性的研究發現了一些問題在某種有限制的線路模型中必有指數下界。這些結果使用了組合數學與概率方法等新的數學工具，并且解決了一個有名的有關多項式分層的未解問題。另一個更重大的結果是以概率可驗證明對NP類的刻劃。這個結果來自于對交互證明系統這個概念的擴展，并且使用了線性代數與編碼理論等數學證明技巧。

但是，明顯的，目前還沒有一個看上去有希望的方向。

數學里最偉大的定理之一―費馬大定理，用了數學家紛紛發表了300多年時光。NP問題，作為理論計算機領域最困難的問題，40年時間似乎太短了。

大師的看法

對于NP是否等于P，大家看法不一。在2002年對于100個研究者的調查中，61人相信答案是否定的，9個相信答案是肯定的，22個不確定，而8個相信該問題可能和現在所接受的公理獨立，所以不可能證明或證否。

在這份調查報告中，國際上著名的計算機學家對這個問題的看法。

Avi Wigderson:(美國普林斯頓高等研究院教授)我想這個項目還沒有成熟，因為關于這個項目的相關知識我們了解的太少了。我唯一可以確定的事情就是，人類所有提出的問題中最重要和最有趣的問題之一，是越來越多的人和資源應該參與其中，才能得到更好的猜想結果。

姚期智:（清華大學教授）很難說何時能夠解決這個問題。我的猜想還沒有得到學術界的驗證，結果很可能是P問題并不等于NP問題，我認為使用數學技術會非常完美的。

可能的結果

從實際應用來說，人們都希望NP=P，因為這意味著很多問題都能有有效的算法，但有些極為詭異的結果也是可能的，人們從這個結果中什么都得不到。

比如某一天人們最終使用某種數學上的技巧證明了NP問題的多項式時間算法的存在性，但并不知道如何找到它――這在數學上是極為可能的，那最終會怎么樣呢？

這種情況不會發生，事實上，在NP=P的假設下，人們已經找到了NP完全問題的多項法解法，但這并沒有好太多，如果NP=P，很多算法便是一個NP完全問題的多項式時間算法。可是它一點價值都沒有，更不用說來解決實際問題了。

經典計算中存在著一大類NP 問題。這類問題在經典計算機上是不能計算的，但是量子計算可以把其中的一部分NP問題變成 P問題，即問題的復雜度隨著比特位數的增長以多項式數量級上升。這類問題原則上是可以計算的。

一個具體的例子就是大因數分解，按經典計算復雜性理論，這個問題不存在有效算法。但是如果用量子計算機結合Shor量子算法，這個問題就變成了P問題。

現狀

P和NP是理論計算機科學的核心問題。從數學的角度來說，它和其他歷史上有名的數學問題一樣，給與人們一個智力上重大的挑戰。而更為重要的是，在無數與計算有關的的學術領域中，NP完全問題以各種不同形式層出不窮。因此，這并不是一個純粹的與世獨立的智力游戲，而是對計算機科學有全面影響力的問題。

計算機與社會科學、自然科學和思維科學等許多學科相互滲透和交叉，形成了許多新的邊緣學科和新學科群，正在改變許多傳統學科。分子與量子計算機的深入研究和技術難關的攻克，并最終投入運算，必將在政治、經濟、軍事、文化乃至人類生活的各個方面產生深刻的影響。

最近美國南加州大學Adleman博士應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法有效地求解了“哈密頓路徑問題”――目前計算機無法解決的NP完備問題。生物分子計算機的研制是基于生物分子的信息處理技術，即生物材料的信息處理功能與生物分子的計算技術。