量子計算的特點范文

導語：如何才能寫好一篇量子計算的特點，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞: 信息安全;密碼學;量子計算;抗量子計算密碼

中圖分類號:TP 183 文獻標志碼:A 文章編號:1672-8513(2011)05-0388-08

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 量子信息時代

量子信息技術的研究對象是實現量子態的相干疊加并對其進行有效處理、傳輸和存儲，以創建新一代高性能的、安全的計算機和通信系統.量子通信和量子計算的理論基礎是量子物理學.量子信息科學技術是在20世紀末期發展起來的新學科，預計在21世紀將有大的發展［1］.

量子有許多經典物理所沒有的奇妙特性.量子的糾纏態就是其中突出的一個.原來存在相互作用、以后不再有相互作用的2個量子系統之間存在瞬時的超距量子關聯，這種狀態被稱為量子糾纏態［1］.

量子的另一個奇妙特性是量子通信具有保密特性.這是因為量子態具有測不準和不可克隆的屬性，根據這種屬性除了合法的收發信人之外的任何人竊取信息，都將破壞量子的狀態.這樣，竊取者不僅得不到信息，而且竊取行為還會被發現，從而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比較成熟的技術是，利用量子器件產生隨機數作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按傳統的“一次一密”方式加密.量子糾纏態的超距作用預示，如果能夠利用量子糾纏態進行通信，將獲得超距和超高速通信.

量子計算機是一種以量子物理實現信息處理的新型計算機.奇妙的是量子計算具有天然的并行性.n量子位的量子計算機的一個操作能夠處理2n個狀態，具有指數級的處理能力，所以可以用多項式時間解決一些指數復雜度的問題.這就使得一些原來在電子計算機上無法解決的困難問題，在量子計算機上卻是可以解決的.

2 量子計算機對現有密碼提出嚴重挑戰

針對密碼破譯的量子計算機算法主要有以下2種.

第1種量子破譯算法叫做Grover算法［3］.這是貝爾實驗室的Grover在1996年提出的一種通用的搜索破譯算法，其計算復雜度為O(N).對于密碼破譯來說，這一算法的作用相當于把密碼的密鑰長度減少到原來的一半.這已經對現有密碼構成很大的威脅，但是并未構成本質的威脅，因為只要把密鑰加長1倍就可以了.

第2種量子破譯算法叫做Shor算法［4］.這是貝爾實驗室的Shor在1997年提出的在量子計算機上求解離散對數和因子分解問題的多項式時間算法.利用這種算法能夠對目前廣泛使用的RSA、ECC公鑰密碼和DH密鑰協商體制進行有效攻擊.對于橢圓曲線離散對數問題，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子計算機上可以容易地求解k比特的橢圓曲線離散對數問題［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.對于整數的因子分解問題，Beauregard指出：在N量子位的量子計算機上可以容易地分解k比特的整數［5］，其中N≈2k.根據這種分析，利用1448qbit的計算機可以求解256位的橢圓曲線離散對數，因此也就可以破譯256位的橢圓曲線密碼，這可能威脅到我國第2代身份證的安全.利用2048qbit的計算機可以分解1024位的整數，因此也就可以破譯1024位的RSA密碼，這就可能威脅到我們電子商務的安全

Shor算法的攻擊能力還在進一步擴展，已從求廣義解離散傅里葉變換問題擴展到求解隱藏子群問題(HSP)，凡是能歸結為HSP的公鑰密碼將不再安全.所以，一旦量子計算機能夠走向實用，現在廣泛應用的許多公鑰密碼將不再安全，量子計算機對我們的密碼提出了嚴重的挑戰.

3 抗量子計算密碼的發展現狀

抗量子計算密碼（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3類：

第1類，量子密碼；第2類，DNA密碼；第3類是基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼.

量子保密的安全性建立在量子態的測不準與不可克隆屬性之上，而不是基于計算的［1,6］.類似地，DNA密碼的安全性建立在一些生物困難問題之上，也不是基于計算的［7-8］.因此，它們都是抗量子計算的.由于技術的復雜性，目前量子密碼和DNA密碼尚不成熟.

第3類抗量子計算密碼是基于量子計算機不擅長的數學問題構建的密碼.基于量子計算機不擅長計算的那些數學問題構建密碼，就可以抵御量子計算機的攻擊.本文主要討論這一類抗量子計算密碼［9］.

所有量子計算機不能攻破的密碼都是抗量子計算的密碼.國際上關于抗量子計算密碼的研究主要集中在以下4個方面.

3.1 基于HASH函數的數字簽名

1989年Merkle提出了認證樹簽名方案(MSS)［10］. Merkle 簽名樹方案的安全性僅僅依賴于Hash函數的安全性.目前量子計算機還沒有對一般Hash函數的有效攻擊方法, 因此Merkle簽名方案具有抗量子計算性質.與基于數學困難性問題的公鑰密碼相比,Merkle簽名方案不需要構造單向陷門函數,給定1個單向函數(通常采用Hash函數)便能造1個Merkle簽名方案.在密碼學上構造1個單向函數要比構造1個單向陷門函數要容易的多,因為設計單向函數不必考慮隱藏求逆的思路, 從而可以不受限制地運用置換、迭代、移位、反饋等簡單編碼技巧的巧妙組合,以簡單的計算機指令或廉價的邏輯電路達到高度復雜的數學效果.新的Hash標準SHA-3［11］的征集過程中,涌現出了許多新的安全的Hash函數,利用這些新的Hash算法可以構造出一批新的實用Merkle簽名算法.

Merkle 簽名樹方案的優點是簽名和驗證簽名效率較高，缺點是簽名和密鑰較長,簽名次數受限.在最初的Merkle簽名方案中, 簽名的次數與需要構造的二叉樹緊密相關.簽名的次數越多,所需要構造的二叉樹越大,同時消耗的時間和空間代價也就越大.因此該方案的簽名次數是受限制的.近年來,許多學者對此作了廣泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了簽名的次數, 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR樹算法［12,15］,只需要采用抗原像攻擊和抗第2原像攻擊的Hash函數,便能構造出安全的簽名方案.而在以往的Merkle簽名樹方案中,則要求Hash函數必須是抗強碰撞的.這是對原始Merkle簽名方案的有益改進.上述這些成果,在理論上已基本成熟,在技術上已基本滿足工程應用要求, 一些成果已經應用到了Microsoft Outlook 以及移動路由協議中［16］.

雖然基于Hash函數的數字簽名方案已經開始應用，但是還有許多問題需要深入研究.如增加簽名的次數、減小簽名和密鑰的尺寸、優化認證樹的遍歷方案以及如何實現加密和基于身份的認證等功能，均值得進一步研究.

3.2 基于糾錯碼的公鑰密碼

基于糾錯碼的公鑰密碼的基本思想是: 把糾錯的方法作為私鑰, 加密時對明文進行糾錯編碼，并主動加入一定數量的錯誤, 解密時運用私鑰糾正錯誤, 恢復出明文.

McEliece利用Goppa碼有快速譯碼算法的特點, 提出了第1個基于糾錯編碼的McEliece公鑰密碼體制［17］.該體制描述如下, 設G是二元Goppa碼［n;k;d］的生成矩陣,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分別為GF(2)k和GF(2)n.隨機選取有限域GF(2)上的k階可逆矩陣S和n階置換矩陣P,并設G′=SGP,則私鑰為,公鑰為G′.如果要加密一個明文m∈GF(2)k,則計算c=mG′+z,這里z∈GF(2)n是重量為t的隨機向量.要解密密文c, 首先計算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置換矩陣, 顯然z與zP-1的重量相等且為t,于是可利用Goppa的快速譯碼算法將cP-1譯碼成m′= mS,則相應明文m= m′S-1.

1978年Berlekamp等證明了一般線性碼的譯碼問題是NPC問題［18］，McEliece密碼的安全性就建立在這一基礎上.McEliece密碼已經經受了30多年來的廣泛密碼分析,被認為是目前安全性最高的公鑰密碼體制之一.雖然McEliece 公鑰密碼的安全性高且加解密運算比較快, 但該方案也有它的弱點, 一是它的公鑰尺寸太大，二是只能加密不能簽名.

1986年Niederreiter提出了另一個基于糾錯碼的公鑰密碼體制［19］. 與McEliece密碼不同的是它隱藏的是Goppa碼的校驗矩陣.該系統的私鑰包括二元Goppa碼［n;k;d］的校驗矩陣H以及GF(2)上的可逆矩陣M和置換矩陣P.公鑰為錯誤圖樣的重量t和矩陣H′=MHP.假如明文為重量為t 的n 維向量m, 則密文為c=mH′T .解密時,首先根據加密表達式可推導出z(MT )-1=mPTHT,然后通過Goppa碼的快速譯碼算法得到mPT,從而可求出明文m .1994年我國學者李元興、王新梅等［20］證明了Niederreiter密碼與McEliece密碼在安全性上是等價的.

McEliece密碼和Niederreiter密碼方案不能用于簽名的主要原由是,用Hash算法所提取的待簽消息摘要向量能正確解碼的概率極低.2001年Courtois等提出了基于糾錯碼的CFS簽名方案［21］.CFS 簽名方案能做到可證明安全, 短簽名性質是它的最大優點. 其缺點是密鑰量大、簽名效率低，影響了其實用性.

因此, 如何用糾錯碼構造一個既能加密又簽名的密碼, 是一個相當困難但卻非常有價值的開放課題.

3.3 基于格的公鑰密碼

近年來,基于格理論的公鑰密碼體制引起了國內外學者的廣泛關注.格上的一些難解問題已被證明是NP難的，如最短向量問題(SVP)、最近向量問題(CVP)等.基于格問題建立公鑰密碼方案具有如下優勢:①由于格上的一些困難性問題還未發現量子多項式破譯算法，因此我們認為基于格上困難問題的密碼具有抗量子計算的性質.②格上的運算大多為線性運算,較RSA等數論密碼實現效率高,特別適合智能卡等計算能力有限的設備.③根據計算復雜性理論,問題類的復雜性是指該問題類在最壞情況下的復雜度.為了確保基于該類困難問題的密碼是安全的，我們希望該問題類的平均復雜性是困難的，而不僅僅在最壞情況下是困難的.Ajtai在文獻［22］中開創性地證明了:格中一些問題類的平均復雜度等于其最壞情況下的復雜度.Ajtai和Dwork利用這一結論設計了AD公鑰密碼方案［23］.這是公鑰密碼中第1個能被證明其任一隨機實例與最壞情況相當.盡管AD公鑰方案具有良好的安全性, 但它的密鑰量過大以及實現效率太低、而缺乏實用性.

1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公鑰密碼［24］. 這是目前基于格的公鑰密碼中最具影響的密碼方案.NTRU的安全性建立在在一個大維數的格中尋找最短向量的困難性之上.NTRU 密碼的優點是運算速度快，存儲空間小.然而, 基于NTRU的數字簽名方案卻并不成功.

2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS簽名體制［25］, 這個體制在簽名時泄露了私鑰信息,導致了一類統計攻擊,后來被證明是不安全的.2001年設計者改進了NSS 體制,提出了R-NSS 簽名體制［26］,不幸的是它的簽名仍然泄露部分私鑰信息.Gentry 和Szydlo 結合最大公因子方法和統計方法,對R-NSS 作了有效的攻擊.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign數字簽名體制［27］.NTRUSign 簽名算法較NSS與R-NSS兩個簽名方案做了很大的改進,在簽名過程中增加了對消息的擾動, 大大減少簽名中對私鑰信息的泄露, 但卻極大地降低了簽名的效率, 且密鑰生成過于復雜.但這些簽名方案都不是零知識的,也就是說,簽名值會泄露私鑰的部分相關信息.以NTRUSign 方案為例,其推薦參數為(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),設計值保守推薦該方案每個密鑰對最多只能簽署107 次,實際中一般認為最多可簽署230次.因此，如何避免這種信息泄露缺陷值得我們深入研究.2008 年我國學者胡予濮提出了一種新的NTRU 簽名方案［28］，其特點是無限制泄露的最終形式只是關于私鑰的一組復雜的非線性方程組，從而提高了安全性.總體上這些簽名方案出現的時間都還較短，還需要經歷一段時間的安全分析和完善.

由上可知，進一步研究格上的困難問題，基于格的困難問題設計構造既能安全加密又能安全簽名的密碼，都是值得研究的重要問題.

3.4 MQ公鑰密碼

MQ公鑰密碼體制, 即多變量二次多項式公鑰密碼體制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下簡稱為MQ密碼.它最早出現于上世紀80年代,由于早期的一些MQ密碼均被破譯,加之經典公鑰密碼如RSA算法的廣泛應用,使得MQ公鑰算法一度遭受冷落.但近10年來MQ密碼的研究重新受到重視,成為密碼學界的研究熱點之一.其主要有3個原因:一是量子計算對經典公鑰密碼的挑戰;二是MQ密碼孕育了代數攻擊的出現［29-31］,許多密碼(如AES)的安全性均可轉化為MQ問題,人們試圖借鑒MQ密碼的攻擊方法來分析這些密碼,反過來代數攻擊的興起又帶動了MQ密碼的蓬勃發展;三是MQ密碼的實現效率比經典公鑰密碼快得多.在目前已經構造出的MQ密碼中, 有一些非常適用于智能卡、RFID、移動電話、無線傳感器網絡等計算能力有限的設備, 這是RSA等經典公鑰密碼所不具備的優勢.

MQ密碼的安全性基于有限域上的多變量二次方程組的難解性.這是目前抗量子密碼學領域中論文數量最多、最活躍的研究分支.

設U、T 是GF(q)上可逆線性變換(也叫做仿射雙射變換),而F 是GF(q)上多元二次非線性可逆變換函數,稱為MQ密碼的中心映射.MQ密碼的公鑰P為T 、F 和U 的復合所構成的單向陷門函數,即P = T•F•U,而私鑰D 由U、T 及F 的逆映射組成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何構造具有良好密碼性質的非線性可逆變換F是MQ密碼設計的核心.根據中心映射的類型劃分,目前MQ密碼體制主要有:Matsumoto-Imai體制、隱藏域方程(HFE) 體制、油醋(OV)體制及三角形(STS)體制［32］.

1988年日本的Matsumoto和Imai運用"大域-小域"的原理設計出第1個MQ方案,即著名的MI算法［33］.該方案受到了日本政府的高度重視,被確定為日本密碼標準的候選方案.1995年Patarin利用線性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密碼是多變量公鑰密碼發展的一個里程碑,為該領域帶來了一種全新的設計思想,并且得到了廣泛地研究和推廣.改進MI算法最著名的是SFLASH簽名體制［35］,它在2003年被歐洲NESSIE 項目收錄,用于智能卡的簽名標準算法.該標準簽名算法在2007年美密會上被Dubois、Fouque、Shamir等徹底攻破［36］.2008年丁津泰等結合內部擾動和加模式方法給出了MI的改進方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、張煥國也給出了一種SFLASH的改進方案［39-40］，改進后的方案可以抵抗文獻［36］的攻擊.但這些改進方案的安全性還需進一步研究.

1996年Patarin針對MI算法的弱點提出了隱藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作為是對MI的實質性改進.2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE體制的Challenge-1［42］.HFE主要有2種改進算法.一是HFEv-體制,它是結合了醋變量方法和減方法改進而成,特殊參數化HFEv-體制的Quartz簽名算法［43］.二是IPHFE體制［44］,這是丁津泰等結合內部擾動方法對HFE的改進.這2種MQ密碼至今還未發現有效的攻擊方法.

油醋(OilVinegar)體制［45］是Patarin在1997年利用線性化方程的原理,構造的一種MQ公鑰密碼體制.簽名時只需隨機選擇一組醋變量代入油醋多項式,然后結合要簽名的文件,解一個關于油變量的線性方程組.油醋簽名體制主要分為3類:1997年Patarin提出的平衡油醋(OilVinegar)體制, 1999年歐密會上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)體制［46］以及丁津泰在ACNS2005會議上提出的彩虹(Rainbow)體制［47］.平衡的油醋體制中,油變量和醋變量的個數相等，但平衡的油醋體制并不安全.彩虹體制是一種多層的油醋體制,即每一層都是油醋多項式,而且該層的所有變量都是下一層的醋變量,它也是目前被認為是相對安全的MQ密碼之一.

三角形體制是現有MQ密碼中較為特殊的一類,它的簽名效率比MI和HFE還快,而且均是在較小的有限域上進行.1999年Moh基于Tame變換提出了TTM 密碼體制［48］,并在美國申請了專利.丁津泰等指出當時所有的TTM實例均滿足線性化方程.Moh等隨后又提出了一個新的TTM 實例,這個新的實例被我國學者胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破［49］.目前三角形體制的設計主要是圍繞鎖多項式的構造、結合其它增強多變量密碼安全性的方法如加減(plus-minus) 模式以及其它的代數結構如有理映射等.

我國學者也對MQ密碼做了大量研究，取得了一些有影響的研究成果.2007年管海明引入單向函數鏈對MQ密碼進行擴展,提出了有理分式公鑰密碼系統［50］.胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破了Moh提出的一個TTM新實例［51］.2010年本文作者王后珍、張煥國給出了一種SFLASH的改進方案［39-40］.2010年王后珍、張煥國基于擴展MQ，設計了一種Hash函數［52-53］，該Hash函數具有一些明顯的特點.同年，王后珍、張煥國借鑒有理分式密碼單向函數鏈的思想［52］，對MQ密碼進行了擴展，設計了一種新的抗量子計算擴展MQ密碼［54］.這些研究對于擴展MQ密碼結構，做了有益的探索.但是這些方案提出的時間較短，其安全性有待進一步分析.

根據上面的介紹,目前還沒有一種公認安全的MQ公鑰密碼體制.目前MQ公鑰密碼的主要缺點是:只能簽名,不能安全加密(加密時安全性降低)，公鑰大小較長，很難設計出既安全又高效的MQ公鑰密碼體制.

3.5 小結

無論是量子密碼、DNA密碼，還是基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼，都還存在許多不完善之處，都還需要深入研究.

量子保密通信比較成熟的是，利用量子器件產生隨機數作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按“一次一密”方式加密.在這里，量子的作用主要是密鑰產生和密鑰分配，而加密還是采用的傳統密碼.因此，嚴格說這只能叫量子保密，尚不能叫量子密碼.另外，目前的量子數字簽名和認證方面還存在一些困難.

對于DNA密碼，目前雖然已經提出了DNA傳統密碼和DNA公鑰密碼的概念和方案，但是理論和技術都還不成熟［9-10］.

對于基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼，現有的密碼方案也有許多不足.如，Merkle樹簽名可以簽名，不能加密；基于糾錯碼的密碼可以加密，簽名不理想；NTRU密碼可以加密，簽名不理想；MQ密碼可以簽名，加密不理想.這說明目前尚沒有形成的理想的密碼體制.而且這些密碼的安全性還缺少嚴格的理論分析.

總之，目前尚未形成理想的抗量子密碼.

4 我們的研究工作

我們的研究小組從2007年開始研究抗量子計算密碼.目前獲得了國家自然科學基金等項目的支持，并取得了以下2個階段性研究成果.

4.1 利用多變量問題，設計了一種新的Hash函數

Hash 函數在數字簽名、完整性校驗等信息安全技術中被廣泛應用.目前 Hash 函數的設計主要有3類方法:①直接構造法.它采用大量的邏輯運算來確保Hash函數的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函數均是采用這種方法設計的.②基于分組密碼的Hash 函數，其安全性依賴于分組密碼的安全性.③基于難解性問題的構造法.利用一些難解性問題諸如離散對數、因子分解等來構造Hash 函數.在合理的假設下，這種Hash函數是可證明安全的，但一般來講其效率較低.

我們基于多變量非線性多項式方程組的難解性問題，構造了一種新的Hash 函數［54-55］.它的安全性建立在多變量非線性多項式方程組的求解困難性之上.方程組的次數越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取決多變量方程組的稀疏程度，方程組越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我們可以權衡安全性和效率來控制多變量多項式方程組的次數和稠密度，以構造出滿足用戶需求的多變量Hash 函數.

4.2 對MQ密碼進行了擴展，把Hash認證技術引入MQ密碼，得到一種新的擴展MQ密碼

擴展MQ密碼的基本思想是對傳統MQ密碼的算法空間進行拓展. 如圖1所示, 我們通過秘密變換L將傳統MQ密碼的公鑰映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隱藏到更大算法空間中得到新的公鑰映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的輸入輸出空間是不對稱的, 原像空間大于像空間(δ＞|μ|), 即具有壓縮性, 但卻并未改變映射G的可逆性質. 同時, 算法空間的拓展破壞了傳統MQ密碼的一些特殊代數結構性質, 從攻擊者的角度, 由于無法從G′中成功分解出原公鑰映射G, 因此必須在拓展空間中求解更大規模的非線性方程組G′, 另外, 新方案中引入Hash認證技術, 攻擊者偽造簽名時, 偽造的簽名不僅要滿足公鑰方程G′、 還要通過Hash函數認證, 雙重安全性保護極大地提升了傳統MQ公鑰密碼系統的安全性. 底層MQ體制及Hash函數可靈活選取, 由此可構造出一類新的抗量子計算公鑰密碼體制.這種擴展MQ密碼的特點是，既可安全簽名，又可安全加密［56］.

我們提出的基于多變量問題的Hash函數和擴展MQ密碼，具有自己的優點，也有自己的缺點.其安全性還需要經過廣泛的分析與實踐檢驗才能被實際證明.

5 今后的研究工作

5.1 量子信息論

量子信息建立在量子的物理屬性之上，由于量子的物理屬性較之電子的物理屬性有許多特殊的性質，據此我們估計量子的信息特征也會有一些特殊的性質.這些特殊性質將會使量子信息論對經典信息論有一些新的擴展.但是，具體有哪些擴展，以及這些新擴展的理論體系和應用價值體現在哪里？我們尚不清楚.這是值得我們研究的重要問題.

5.2 量子計算理論

這里主要討論量子可計算性理論和量子計算復雜性理論.

可計算性理論是研究計算的一般性質的數學理論.它通過建立計算的數學模型，精確區分哪些是可計算的，哪些是不可計算的.如果我們研究清楚量子可計算性理論，將有可能構造出量子計算環境下的絕對安全密碼.但是我們目前對量子可計算性理論尚不清楚，迫切需要開展研究.

計算復雜性理論使用數學方法對計算中所需的各種資源的耗費作定量的分析，并研究各類問題之間在計算復雜程度上的相互關系和基本性質.它是密碼學的理論基礎之一，公鑰密碼的安全性建立在計算復雜性理論之上.因此，抗量子計算密碼應當建立在量子計算復雜性理論之上.為此，應當研究以下問題.

1） 量子計算的問題求解方法和特點.量子計算復雜性建立在量子圖靈機模型之上，問題的計算是并行的.但是目前我們對量子圖靈機的計算特點及其問題求解方法還不十分清楚，因此必須首先研究量子計算問題求解的方法和特點.

2） 量子計算復雜性與傳統計算復雜性之間的關系.與電子計算機環境的P問題、NP問題相對應, 我們記量子計算環境的可解問題為QP問題, 難解問題為QNP問題.目前人們對量子計算復雜性與傳統計算復雜性的關系還不夠清楚，還有許多問題需要研究.如NP與QNP之間的關系是怎樣的？ NPC與QP的關系是怎樣的？NPC與QNP的關系是怎樣的？能否定義QNPC問題？這些問題關系到我們應基于哪些問題構造密碼以及所構造的密碼是否具有抗量子計算攻擊的能力.

3） 典型難計算問題的量子計算復雜度分析.我們需要研究傳統計算環境下的一些NP難問題和NPC問題，是屬于QP還是屬于QNP問題？

5.3 量子計算環境下的密碼安全性理論

在分析一個密碼的安全性時，應首先分析它在電子計算環境下的安全性，如果它是安全的，再進一步分析它在量子計算環境下的安全性.如果它在電子計算環境下是不安全的，則可肯定它在量子計算環境下是不安全的.

1） 現有量子計算攻擊算法的攻擊能力分析.我們現在需要研究的是Shor算法除了攻擊廣義離散傅里葉變換以及HSP問題外，還能攻擊哪些其它問題？如果能攻擊，攻擊復雜度是多大？

2) 尋找新的量子計算攻擊算法.因為密碼的安全性依賴于新攻擊算法的發現.為了確保我們所構造的密碼在相對長時間內是安全的，必須尋找新的量子計算攻擊算法.

3) 密碼在量子計算環境下的安全性分析.目前普遍認為, 基于格問題、MQ問題、糾錯碼的譯碼問題設計的公鑰密碼是抗量子計算的.但是，這種認識尚未經過量子計算復雜性理論的嚴格的論證.這些密碼所依賴的困難問題是否真正屬于QNP問題？這些密碼在量子計算環境下的實際安全性如何？只有經過了嚴格的安全性分析，我們才能相信這些密碼.

5.4 抗量子計算密碼的構造理論與關鍵技術

通過量子計算復雜性理論和密碼在量子計算環境下的安全性分析的研究，為設計抗量子計算密碼奠定了理論基礎，并得到了一些可構造抗量子計算的實際困難問題.但要實際設計出安全的密碼，還要研究抗量子計算密碼的構造理論與關鍵技術.

1) 量子計算環境下的單向陷門設計理論與方法.理論上，公鑰密碼的理論模型是單向陷門函數.要構造一個抗量子計算公鑰密碼首先就要設計一個量子計算環境下的單向陷門函數.單向陷門函數的概念是簡單的，但是單向陷門函數的設計是困難的.在傳統計算復雜性下單向陷門函數的設計已經十分困難，我們估計在量子計算復雜性下單向陷門函數的設計將更加困難.

2） 抗量子計算密碼的算法設計與實現技術.有了單向陷門函數，還要進一步設計出密碼算法.有了密碼算法，還要有高效的實現技術.這些都是十分重要的問題.都需要認真研究才能做好.

6 結語

量子計算時代我們使用什么密碼，是擺在我們面前的重大戰略問題.研究并建立我國獨立自主的抗量子計算密碼是我們的唯一正確的選擇.本文主要討論了基于量子計算機不擅長計算的數學問題所構建的一類抗量子計算的密碼，介紹了其發展現狀，并給出了進一步研究的建議.

參考文獻:

［1］張鎮九,張昭理,李愛民.量子計算與通信保密［M］.武漢:華中師范大學出版社,2002.

［2］管海明. 國外量子計算機進展、對信息安全的挑戰與對策［J］.計算機安全,2009(4):1-5.

［3］GROVER L K. A fast quantum mechanical algorithm for database search［C］// Proceedings of the Twenty-Eighth Annual Symposium on the Theory of Computing. New York: ACM Press, 1996.

［4］SHOR P W. Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer ［J］. SIAM J Computer, 1997(26) :1484-1509.

［5］HANKERSON D, MENEZES A, VANSTONE S. 橢圓曲線密碼學導論［M］.張煥國,譯.北京:電子工業出版社,2005.

［6］曾貴華. 量子密碼學［M］.北京:科學出版社,2006.

［7］來學嘉, 盧明欣, 秦磊, 等. 基于DNA 技術的非對稱加密與簽名方法［J］. 中國科學E輯:信息科學, 2010, 40(2): 240-248.

［8］盧明欣,來學嘉,肖國鎮,等. 基于DNA技術的對稱加密方法［J］. 中國科學E輯:信息科學, 2007(2): 175-182.

［9］BERNSTEIN D J, BUCHMANN J A, DAHMEN E. Post-quantum cryptography ［M］. Berlin:Springer, 2009.

［10］MERKLE R C. A certified digital signature［C］//Advances in Cryptology-CRYPTO 1989 Proceedings, LNCS. Berlin:Springer, 1989,435:218-238.

［11］NIST. Plan for new cryptographic hash functions［EB/OL］. ［2010-12-30］..

［49］DING J, HU L, NIE X Y, et al. High order linearization equation (HOLE) attack on multivariate public key cryptosystems［C］//Proceedings of PKC 2007. Berlin: Springer-Verlag, 2007: 233-248.

［50］管海明.有理分式公鑰密碼體制［C］//第五屆中國信息與通信安全學術會議（CCICS’2007）論文集.科學出版社,2007:135-141.

［51］胡磊,聶旭云.多變量公鑰密碼的研究進展［C］//中國密碼學發展報告.北京：電子工業出版社, 2007: 235-254.

［52］王后珍,張煥國.多變量Hash函數的構造理論與方法［J］.中國科學:信息科學版,2010,40(10):1299-1311.

［53］WANG H Z, ZHANG H G. Design theory and method of multivariate hash function［J］.SCIENCE CHINA:Information Sciences, 2010, 53(10):1 917-2 158.

［54］王后珍, 張煥國.一種新的輕量數字簽名方法［J］.通信學報,2010(11):25-29.

收稿日期:2011-04-20.

篇2

關鍵詞： 量子部分搜索； 量子疊加態算子； 權重信息； 量子計算

中圖分類號： TN911?34； TP301.6 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0087?03

0 引 言

Grover量子搜索算法由于其能夠高效的實現對在未整理數據庫中對滿足一定條件的目標進行成功搜索問題，并相對于經典搜索算法實現了二次加速，從誕生之日起，就在量子信息領域受到了廣泛關注，且后又被證明為最優的量子搜索算法[1]。故如何優化Grover算法，提高其搜索效率成為量子搜索算法研究的一個熱點。2005年，Grover和Radhakrishnan首先提出了利用量子計算并行性質，查找目標元素部分信息的量子部分搜索算法（GRK算法）[2]，將該領域的研究引向更深層次。之后，Korepin等人證明GRK部分搜索算法是最優部分搜索算法[3?5]；Byung?soo Choi等提出多目標元素平均分布在多目標塊中且成功率達到1的GRK算法[6?7]，李彥波等在此基礎上提出了更一般的多目標任意分布的GRK算法[8?9]，并分析了理論上該算法相比Grover量子經典算法節省迭代次數的上限。

以上研究成果是建立在所有待檢索元素重要性無差異基礎上的。事實上，待檢索的部分信息間是可能存在一些重要性差別的。基于此，在事先確定目標元素權重系數前提下，提出一種基于固定目標元素權重系數的量子部分搜索算法，能夠以權重系數相關的概率成功搜索到指定目標元素所在數據段。

（2）GRK算法過程描述

1.2 算法分析

2 基于固定權重的量子部分搜索算法

對以上數據進行分析可知，在目標態處于其他分布狀況時，本文算法結果也是可信的，在保證不同權重目標元素可成功檢出的前提下，未對標準GRK算法其他性質產生任何改變。

4 結 語

本文首先介紹了GRK算法的迭代過程，分析了

GRK算法的結構特點。在此基礎上為目標態引入了權

（下轉第93頁）

重系數，提出了基于該辦法的固定目標權重的量子搜索算法。算法能夠成功搜索到目標塊，并能夠以權重值的概率有效的區別目標元素間的重要性差異。通過仿真實驗，證明了算法的可靠性和有效性。

參考文獻

[1] ZALKA C. Grover’s quantum searching algorithm is optimal [J]. Phys. Rev A， 1999， 60（4）： 2746?2751.

[2] GROVER L K， RADHAKRISHNAN J. Is partial quantum search of a database any easier [C]// ACM Symposium on Parallel Algorithms and Architectures. Las Vegas， Nevada， USA： CAM， 2005： 1?15.

[3] KOREPIN V E， LIAO Jin?feng. Quest for fast partial search algorithm [J]. Information Processing， 2006， 5： 209?218.

[4] KOREPIN V E. Optimization of partial search [J]. Journal of Physics A： Math Gen.， 2005， 38： 731?738.

[5] KOREPIN V E， GROVER L K. Simple algorithm for partial quantum search [J]. Quantum Information Processing， 2006， 5（3）： 209?226.

[6] CHOI B S， KOREPIN V E. Quantum partial search of a database with several target items [J]. Quantum Information Processing， 2007， 97（6）： 1?13.

[7] CHOI B S， THOMAS A W， SAMUEL L B. Sure success partial search [J]. Quantum Information Processing， 2007， 6（1）： 1?8.

[8] 李彥波，周正威，鮑皖蘇，等.含有多目標的量子部分搜索：目標被非平均分配在兩塊中[J].量子光學學報，2008，14（3）：282?288.

篇3

[關鍵詞] 量子遺傳算法 計算機輔助配餐 營養膳食

目前，隨著社會生產力的發展，人民生活水平的不斷提高，營養與膳食的話題越來越受到人們的關注。商場員工、購物顧客群體每日均有較大的就餐需求，如何為這些群體提供高質量、科學化的配餐是一項重要的研究課題。

一、量子遺傳算法簡介

量子遺傳算法QGA(Quantum Genetic Algorithm)的概念1996年由英國Exter大學的Ajit Narayanan和Mark Moore提出，2000年Kuk-Hyun Han將量子遺傳算法進一步完善，并首次將其應用于組合優化問題。QGA是基于量子計算原理的概率優化方法，結合了量子計算理論和進化算法理論。它用量子位編碼來表示染色體，通過量子門的旋轉來完成進化搜索，具有種群規模小、收斂速度快，全局尋優能力強的特點。

二、基于QGA的營養膳食優選程序

營養配餐問題是在菜品數據庫中搜索滿足配餐對象就餐需求目標的組合優化問題。配餐系統首先需要做配餐對象的營養分析,根據配餐用戶的性別、年齡、身高、體重、勞動強度、體重指數、體型等自然情況，由計算機自動算出配餐對象熱量及各種營養元素的每日需求量。

配餐系統根據配餐對象的熱量及各營養元素需求標準,在菜譜表中進行菜品優選,組合各種菜品生成為一套或多套備選菜譜提供給配餐對象進行選擇。基于量子遺傳算法的配餐系統將菜品數據庫中的菜品表示為染色體基因型。經量子崩塌后產生的解可以表示為最終優選生成的菜譜,假設某菜品庫中有15道菜品,量子崩塌后產生的解為:001001001000001,從左至右的第3、6、9、15位為1,其他位為0,代表了要選擇菜品數據庫中第3、6、9、15號共4道菜品為配餐菜譜中的配餐菜品。菜譜更新采用量子旋轉門,當前菜譜其基因型在被旋轉門更新后,在下一代量子觀測后得到的解就會更加傾向于全局最優解,經過逐代進化,系統最終可生成滿足配餐對象的滿意備選菜譜,實現全部配餐功能。量子遺傳算法中的概念和營養配餐中的概念對應關系如表1所示。

三、試驗結果

為了驗證算法的性能，本文在一個包含40道菜品的數據庫中進行了實驗，并與現有的模擬退火算法解決方案進行了比較，對比實驗結果如表2所示。經測試，基于量子遺傳算法的營養膳食配餐系統可以很好地滿足實際的配餐需要，在某商場餐飲部應用后，取得了較好的使用效果。

四、結論

量子遺傳算法在解決組合優化問題時在搜索效果和搜索速度兩方面具備優秀的均衡性,具備高可用性、健壯性和穩定性。采用量子遺傳算法做為配餐核心算法在優選速度、優選效果等方面具有較大優勢。

參考文獻:

[1]陳艷秋 陳霞飛等:“營養膳食分析與配制”營養軟件的設計及應用[J].計算機醫學應用.2000,13(10):526～527

篇4

關鍵詞:計算科學計算工具圖靈模型量子計算

1計算的本質

抽象地說,所謂計算,就是從一個符號串f變換成另一個符號串g。比如說,從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。定理證明也是如此,令f表示一組公理和推導規則,令g是一個定理,那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個角度看,文字翻譯也是計算,如f代表一個英文句子,而g為含意相同的中文句子,那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(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。

從類型上講,計算主要有兩大類:數值計算和符號推導。數值計算包括實數和函數的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導包括代數與各種函數的恒等式、不等式的證明,幾何命題的證明等。但無論是數值計算還是符號推導,它們在本質上是等價的、一致的,即二者是密切關聯的,可以相互轉化,具有共同的計算本質。隨著數學的不斷發展,還可能出現新的計算類型。

2遠古的計算工具

人們從開始產生計算之日,便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此,計算和計算工具是息息相關的。

早在公元前5世紀,中國人已開始用算籌作為計算工具,并在公元前3世紀得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后來,人們發明了算盤,并在15世紀得到普遍采用,取代了算籌。它是在算籌基礎上發明的,比算籌更加方便實用,同時還把算法口訣化,從而加快了計算速度。

3近代計算系統

近代的科學發展促進了計算工具的發展:在1614年,對數被發明以后,乘除運算可以化為加減運算,對數計算尺便是依據這一特點來設計。1620年,岡特最先利用對數計算尺來計算乘除。1850年,曼南在計算尺上裝上光標,因此而受到當時科學工作者,特別是工程技術人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現的,是計算工具上的一大發明。帕斯卡于1642年發明了帕斯卡加法器。在1671年,萊布尼茨發明了一種能作四則運算的手搖計算器,是長1米的大盒子。自此以后,經過人們在這方面多年的研究,特別是經過托馬斯、奧德內爾等人的改良后,出現了多種多樣的手搖計算器,并風行全世界。

4電動計算機

英國的巴貝奇于1834年,設計了一部完全程序控制的分析機,可惜礙于當時的機械技術限制而沒有制成,但已包含了現代計算的基本思想和主要的組成部分了。此后,由于電力技術有了很大的發展,電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計算器,實現了100多年前巴貝奇的理想。

5電子計算機

20世紀初,電子管的出現,使計算器的改革有了新的發展,美國賓夕法尼亞大學和有關單位在1946年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現和發展,使人類進入了一個全新的時代。它是20世紀最偉大的發明之一,也當之無愧地被認為是迄今為止由科學和技術所創造的最具影響力的現代工具。

在電子計算機和信息技術高速發展過程中,因特爾公司的創始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對電子計算機產業所依賴的半導體技術的發展作出預言:半導體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實證明,自20世紀60年代以后的數十年內,芯片的集成度和電子計算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番,而價格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發展速度被公認為“摩爾定律”。

6“摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題,學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉換為計算的結果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發展的運動被哲學界認為是禁止的,因此,傳統電子計算機的計算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學家認為到21世紀30年代,芯片內導線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米),此時,導線內運動的電子將不再遵循經典物理規律——牛頓力學沿導線運行,而是按照量子力學的規律表現出奇特的“電子亂竄”的現象,從而導致芯片無法正常工作;同樣,芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后,晶體管也將受到量子效應干擾而呈現出奇特的反常效應。

哲學家和科學家對此問題的看法十分一致:摩爾定律不久將不再適用。也就是說,電子計算機計算能力飛速發展的可喜景象很可能在21世紀前30年內終止。著名科學家,哈佛大學終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學)。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢想—發現—解釋—夢想”的不斷循環,我們可以開拓一個個新領域,世界最終會變得越來越清晰,我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯系和有意義的。”[論/文/網LunWenNet/Com]

7量子計算系統

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀80年代。物理學家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統的電子計算機模擬量子力學對象的行為。他遇到一個問題:量子力學系統的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現象為例,在干涉過程中,相互作用的光子每增加一個,有可能發生的情況就會多出一倍,也就是問題的規模呈指數級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了,不過,在費曼眼里,這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面,量子力學系統的行為也具有良好的可預測性:在干涉實驗中,只要給定初始條件,就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認為如果算出干涉實驗中發生的現象需要大量的計算,那么搭建這樣一個實驗,測量其結果,就恰好相當于完成了一個復雜的計算。因此,只要在計算機運行的過程中,允許它在真實的量子力學對象上完成實驗,并把實驗結果整合到計算中去,就可以獲得遠遠超出傳統計算機的運算速度。

在費曼設想的啟發下,1985年英國牛津大學教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學定律推導出一種超越傳統的計算概念的方法即推導出更強的丘奇——圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時,不需要考慮計算是如何實現的,即把計算看作由“神諭”來實現的:這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計算在一些特定的計算領域內確實比傳統計算更強,例如,現代信息安全技術的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(如1024位的十進制數)分解為兩個質數的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數的質因子分解問題,大約需要28萬年,這已經遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且,分解的難度隨著整數位數的增多指數級增大,也就是說如果要分解2046位的整數,所需要的時間已經遠遠超過宇宙現有的年齡。而利用一臺量子計算機,我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數了。

8量子計算中的神諭

人類的計算工具,從木棍、石頭到算盤,經過電子管計算機,晶體管計算機,到現在的電子計算機,再到量子計算。筆者發現這其中的過程讓人思考:首先是人們發現用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算,隨后,人們發明了算盤,來幫助人們進行計算。當人們發現不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“算珠”,而且效率更高,速度更快。隨后,人們用繼電器替代了純機械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時,數學家們開始對計算的本質展開了研究,圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現,則徹底打破了這種認識與創新規律。它建立在對量子力學實驗的在現實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復雜的大量運算。可以說。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前,所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進的電子計算機的CPU內部,64位的寄存器(register),也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同,對于量子計算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內部的機理,卻對“神諭”內部產生的結果深信不疑。人們可以把它當作一個黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對于黑盒子內部發生了什么和為什么這樣發生確并不知道。

9“神諭”的挑戰與人類自身的回應

人類的思考能力,隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯網的出現,大大加強了人類整體的科研能力,那么,量子計算系統的產生,會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當今時代的量子“神諭”。不僅如此,量子計算系統會更加深刻的揭示計算的本質,把人類對計算本質的認識從牛頓世界中擴充到量子世界中。

如果觀察歷史,會發現人類文明不斷增多的“發現”已經構成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統在不斷的增大,隨著該系統的不斷增大,人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規律:

“計算工具不斷發展—整體思維能力的不斷增強—公理系統的不斷擴大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產生”不斷循環。

無論量子計算的本質是否被發現,也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會隨著量子計算機工具的發展而得到解決,它將“計算科學”從牛頓時代引向量子時代,并會給人類文明帶來更加深刻的影響。

參考文獻

[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation[M].CambridgeUniversityPress,2000.

篇5

關鍵詞： 結構化學教學 量子化學軟件 應用

結構化學是一門從微觀角度研究原子、分子和晶體的結構及其結構與性能之間關系的科學。這門課程以嚴謹的數學邏輯推導為基礎，建立比較抽象的理論概念，需要學生具備扎實的高等數學基礎，特別是量子力學中許多新概念、新方法和新原理，使得學生普遍感到艱澀難懂，缺乏學習的積極性。要提高學生的學習興趣，培養學生的量子化學思維，使其能夠運用結構化學理論知識解釋化學事實、闡明分子結構及揭示化學的內在規律，僅用傳統的教學方式很難達到目的。在此介紹比較新穎的量子化學軟件Gaussian和GaussView，將其應用于結構化學教學過程中，可使枯燥乏味的理論學習變得生動形象，大大提高教學質量，取得良好的教學效果。

一、軟件介紹

Gaussian是目前計算化學領域內最流行、應用范圍最廣的商業化量子化學計算程序包。它最早是由美國卡內基梅隆大學的約翰?波普在上世紀60年代末、70年代初主導開發的。Gaussian最早的版本是Gaussian 70，現在常用的是Gaussian 03，最新版本為Gaussian 09。該程序可在不同型號的大型計算機、超級計算機及工作站上運行，是當今理論計算化學科研工作的基本工具之一。

Gaussian程序是由許多程序相連接的體系，用于執行各種半經驗和從頭算分子軌道計算。Gaussian 03 可用來預測氣相和液相條件下，分子和化學反應的許多性質，包括：分子的能量和結構、過渡態的能量和結構、分子體系的振動頻率、NMR、IR和拉曼光譜及熱化學性質、分子軌道、原子電荷、多極矩、電子親和能、離子化勢，等等［1］。

GaussView是與Gaussian配套的輔助圖形軟件，可用于繪圖、文本和結構編輯；顯示結構（從計算輸出文件中讀取優化的結構）、振動模式和化合物的分子軌道；查詢鍵長、鍵角、二面角和耦合因子等。

二、計算并顯示分子軌道

分子軌道理論是結構化學教學的重點內容之一。由于“分子軌道”中的軌道不同于經典物理中的軌道，指的是分子中的單電子波函數φi，即分子中每個電子都是在由各個原子核和其余電子組成的平均勢場中運動，那么第i個電子的運動狀態用波函數φi描述，該波函數又稱為分子軌道［2］。關于分子軌道的概念理解需要學生具有較好的抽象思維能力，在結構化學教學中是重點和難點。在講述這部分內容時，可用Gaussian軟件計算相關雙原子分子的分子軌道，并用GaussView演示分子軌道的分布特點、電子填充情況等，幫助學生很好地理解分子軌道的概念。

下面以N2為例進行介紹。首先，用GaussView軟件搭建分子模型、編輯輸入文件，然后用Gaussian 03程序優化分子，就可得到各分子軌道能級。Gaussian 03優化結果文件中會具體給出N2的各分子軌道能級大小及其對稱性。用GaussView軟件可顯示優化分子的分子軌道形狀，見圖1。

在“分子軌道的對稱性和反應機理”一節中，涉及前線分子軌道理論、LUMO、HOMO等概念，以及離域π鍵和共軛效應，均可用Gaussian 03和GaussView軟件計算并顯示分子軌道形狀，輔助教學。通過借助這些量子化學軟件來描述分子軌道，使得過于抽象、艱澀難懂的理論、概念變得生動形象，直觀易懂，易被學生接受，方便教學。

三、顯示分子的振動模式

分子光譜是測定和鑒別分子結構的重要實驗手段，也是分子軌道理論發展的實驗基礎。分子光譜和分子的內部運動密切相關。如紅外光譜來源于分子中原子的振動，不同化學鍵或基團具有不同的振動模式，對應有不同的特征振動頻率。在講述這一部分內容時，如用GaussView給學生以動畫形式展示每一種振動，可大大提高課堂趣味性。

下面以HO為例，首先用GaussView搭建水分子的分子模型并編輯輸入文件，然后用Gaussian 03軟件進行優化和頻率計算，最后用GaussView打開結果文件。打開GaussView中Results下拉菜單下的Vibrations，得到圖2所示的窗口，可以看到3個振動模式。點擊圖2顯示的Display Vibratons文本框中的#1行，可以看到圖2（1）所示的彎曲振動；點擊#2行，可看到圖2（2）所示的2個氫原子的對稱伸縮振動；點擊#3行，可看到圖2（3）所示的2個氫原子的不對稱伸縮振動。每一種振動的振動頻率均可從圖2顯示的Display Vibratons文本框中讀出。點擊Display Vibratons文本框中的start按鈕，可顯示所選振動模式的振動動畫，點擊stop，可停止該振動。點擊spectrum按鈕，可以生成水分子的紅外光譜圖。在課堂上，這樣的動畫演示可使枯燥乏味的知識變得生動活潑，大大增強結構化學的趣味性。

四、結語

Gaussian 03和GaussView等量子化學軟件在結構化學教學中的應用遠不止以上幾種，還可以建立和顯示三維分子結構模型、獲得分子化學反應的性質，等等。總之，常用量子化學軟件可提供許多具體的量子化學計算結果，幫助闡述結構化學中抽象的概念、理論，讓學生用分子模擬的方法，通過具體的實踐領悟微觀世界的運動規律、建立抽象的量子化學思維，提高學習結構化學的積極性。

參考文獻：

［1］Gaussian 03中文用戶參考手冊.

篇6

計算機技術的選擇判據和機制往往具有很強的穩定性和快速性的特點，因此在這樣的選擇環境中，也可以促使計算機技術取得快速的發展。眾多實踐也證明了激烈的社會經濟競爭往往是技術上的較量。計算機穩定、明顯的選擇判斷機制，使得計算機更容易解決在生產、生活中出現的問題。同時，計算機技術的發展與計算機選擇機制的發展是相輔相成、相互促進的。

2其他科技的發展依賴于計算機技術的支持

現代科技發展是基于計算機技術之上的，這樣或直接或間接的促進了計算機科技的發展。現代計算機科技與其他領域的結合，既滿足了行業發展需求，又促進了計算機在各行各業的發展、應用。

3計算機科技的發展趨勢展望

3.1從結構和功能等方面看，計算機逐漸走向巨型化、微型化、多媒體化、資源網絡化和智能化巨型化是指由于科學技術發展的需要,許多部門要求計算機具有更高的速度和更大的存儲容量；微型化是指計算機體積更小、重量更輕、價格更低、更便于應用于各個領域及各種場合；網絡化是要實現計算機之間的通信和資源共享，計算機網絡是計算機技術和通信技術互相滲透、不斷發展的產物。多媒體化是指現代計算機可以集圖形、聲音、文字處理為一體，為人們創造有聲有色、圖文并茂的信息環境；智能化是指計算機處理能力更加快捷方便，它是采用平行的處理技術，同時處理和分析計算機中的多個數據及多種指令，更有效地提升工作效率。

3.2新型計算機

由于芯片計算機技術經過多年的發展，目前開發潛力不大，因此開發新型計算機成為計算機行業發展的趨勢。（1）納米計算機。納米計算機是將納米技術于計算機技術緊密結合起來，由此形成的計算機。納米元件具有體積小、質地優、導電性能高的特點，因此可以替代傳統的硅芯片。納米技術起源于上世紀80年代，經過多年的發展過后取得了不錯的發展，使用納米級芯片組成的納米計算機，能耗小、可行性高，因此納米計算機會是計算機技術未來發展趨勢之一。（2）量子計算機。量子計算機是基于量子力學的原理，進行了計算機研發。相比于傳統的計算機量子計算機存儲的數據量要大得多，運行速度也非常快。量子計算機除了在運算速度和存儲性能的優勢之外，還具有極強的安保體系，加大了計算機的安全性能。（3）光子計算機。光子計算機是利用光子進行計算，把傳統計算機的導線互聯轉變成了光互聯。這樣可以根據光的不同波長來進行不同復雜任務的處理。（4）生物計算機。隨著計算機的發展進步，生物技術的快速發展，生物計算機的研發也在逐步變為現實。因為生物蛋白質分子自身結構的立體性，集成密度較高。生物計算機運行速度將會大大提升計算機的運行速度，它還能及時進行自我故障修復。本文來自于《學術論壇》雜志。學術論壇雜志簡介詳見

4總結

篇7

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8

闡述了量通信工作原理及其發展歷史，討論未來量子通信在鐵路通信中的應用。

【關鍵詞】量子通信 鐵路通信 量子糾纏理論

1 背景分析

1905年，愛因斯坦在普朗克的量子假說基礎上提出的光的波粒二象性，即光既有粒子性特征又具有波動性特征，因此可以將光束看成由若干光量子所構成的粒子束。1926年，薛定諤發現了可以描述粒子隨時間變化規律的運動方程，即薛定諤方程，量子理論中的量子態就是依據薛定諤方程所演變而來。量子通信這一新概念是在1993年由美國科學家貝內特結合通信技術科學和量子力學理論提出來的，利用光的粒子特性，通過糾纏的光子對或光量子作為數據的載體，在理論上可實現更加大容量的數據傳遞，并能生成在理論上無法破解加密編碼，并有傳輸距離遠和不易受干擾的優點。

2 量子通信簡介

量子通信是先將光子變為量子態的光粒子而后在量子通道中進行傳輸，而光粒子的信息處理是指光粒子在量子態的幺正變換。量子通信與經典通信最大的不同是信息單元的不同，經典通信的信息單元是由二進制位表示而成，即1和0這兩種形態，而量子態的信息單元則有無窮多種組合，因為量子態是由兩個邏輯態的相干疊加而成，即|φ=a|0+b|1，其中a和b均是復數，并滿足a2+b2=1，只需改變a和b的值，便可得到無窮多種不同的量子編碼。

在理想化的量子通信中有兩種典型方式，即傳遞量子態所實現的直接通信方式和通過量子糾纏態實現的間接通信方式。

在直接傳遞的量子通信系統中，只將要傳遞的經典信息轉換成粒子的量子態，通過量子信道直接傳遞到信宿。

在間接傳遞的量子通信系統中，利用量子糾纏效應來傳遞信息。具體的說，產生于同一來源的兩個微觀粒子之間存在著某種“糾纏”關系，無論處于糾纏作用的兩個粒子相隔多遠，如果其中一個粒子的狀態發生變化，那么另一個粒子將隨著它的改變而改變，即處于糾纏狀態的兩個粒子無論相隔多遠，都可以感知和影響對方的狀態。間接傳遞的量子通信系統就是信源和信宿共享一對處于糾纏狀態的粒子，當需要發送數據時改變信源的粒子狀態，進而使在信宿的另一個粒子的狀態得以改變，實現信息的傳遞。

3 未來量子通信在鐵路通信上的應用方案

3.1 基于現有準單光信道的量子通信

此方案采用直接將量子態的粒子傳遞到接收端。因為在鐵路通信中所廣泛采用光通信技術已經相當成熟，所以用光子作為攜帶量子信息的首選載體。例如，利用光子的偏振、頻率或相位等特性來攜帶量子信息并可作為通信密鑰，以光纖作為信道，實現信息的傳遞。

在現有科研水平下單光子源、量子狀態的控制及量子態的測量技術還不夠成熟的情況下。可以通過采用在信息發送端以弱的相干光源，近似的作為量子信號源。在信息接收端采用靈敏度高的光電被增管、雪崩二極管或超導探測器等作為光量子探測器。此外，還要通過現有信道來配合進行量子狀態下的編碼與譯碼。

采用此種方案有如下特點：

（1）效率遠遠高于目前鐵路通信中主要采用的光纖通信、GSM-R通信等。

經計算，在經典信道下，當信道帶寬趨于無窮大時，信息效率為1.44bit/光子。而在常溫下T=300K且光頻率v=3×1014 Hz時，量子信道下的信息效率為69bit/光子。可見量子通信效率遠遠高于目前鐵路通信中所主要采用的光纖通信、GSM-R通信等。

（2） 容量大 。量子通信在理論上的傳輸時延可以為零，在單位時間的所傳輸的信息量是無限的。但光子在傳輸中會有損耗，所以量子通信在實際應用中的速率并不是無限大，但量子通信可實現比光纖通信高大約1000萬倍的傳輸速率。

（3）保密性好。量子編碼依據量子力學的測不準原理和量子不可克隆原理建立了不可能被破解的量子密鑰，在公開的信道下，非被量子密鑰的任何企圖都會被發現。因為處于量子糾纏狀態的某一光子一旦被檢測或干擾，就會改變相應的量子狀態，同時與其有糾纏效應的另一光子也會發生改變，進而影響整個量子糾纏系統。所以量子通信是全世界目前公認的在原理上絕對安全的通信方式。

目前此方案已在實驗室得以實現。

3.2 基于量子糾纏效應進行量子通信

此方案利用同一產生源所產生的兩個粒子具有粒子糾纏特性來進行通信。

相比上面所提到的特點。基于量子糾纏效應進行的量子通信還具有可實現超遠距理傳輸、信道不易受干擾等特點。可以克服目前高速鐵路信號發展所遇到的多普勒效應問題并大大降低由信道干擾所產生的誤碼率。

目前因如何產生量子糾纏對、如何控制分離的量子糾纏對等技術問題還未得以攻克，所以現在還無法得以利用量子糾纏效應實現量子通信。但在未來利用量子糾纏效應進行量子通信擁有著極大的利用價值。

4 市場前景分析

隨著國家大力發展高速鐵路，現有的鐵路通信技術在外來將越來越難以滿足高速鐵路發展的需求。量子通信的應用將極大的解決這個問題。超遠距離傳輸、無噪聲干擾傳輸等問題得到解決，鐵路通信將開啟新的篇章。

篇9

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10

關鍵詞 計算機的發展趨勢；網絡化；智能化；高速運轉

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671—7597（2013）041-009-01

1 計算機的發展階段

1.1 計算機發展的演變過程

1946年2月在美國賓夕法尼亞大學誕生了世界上第一臺數字電子計算機，主要用于軍事上彈道的高速計算。它的出現是計算工具發展史上的一個重要的里程碑，使人類進入了一個嶄新的時代——電子計算機時代。

60多年來，隨著電子技術的不斷發展，計算機先后以電子管、晶體管、集成電路、大規模和超大規模集成電路為主要元器件，共經歷了4代變革。每一代變革在技術上都是一次新的突破，在性能上都是一次質的飛躍。目前使用的計算機都屬于第四代計算機。

1.2 計算機的特點

計算機的主要特點是運算速度快，精度高，整個控制過程高度自動化，應用范圍非常廣泛。計算機的運算速度主要受限于電信號傳輸延遲和門路延遲時間。隨著計算機元件集成度的提高，器件速度越高。在計算機內表示一個數據的二進制位數越多，計算的精度就越高。由于軟件技術的發展，在原理上字長可以成倍增加，因而可滿足任意精確度要求。

計算機采用數字化信息來表示數和各種形式與內容都十分豐富多樣的信息，如語言、文字、圖像、音樂等。這使計算機的應用范圍越來越廣，早已超出了數值計算的范圍而深入到各個領域和人們的日常生活中。從基本粒子的研究到宇宙空間的探索，從商業計算到整個國民經濟的綜合平衡，從文化教育到服務行業都廣泛地使用了計算機。

1.3 計算機的應用領域

計算機的應用領域非常的廣泛，首先科學計算是計算機最早的應用領域。第一批問世的計算機最初取名calculator，以后又改稱computer，就是因為它們當時全都用做快速計算的工具。計算機在數據處理方面的應用也是非常廣泛的。在20世紀50年代，人們就開始把登記賬目等單調的事務交給計算機處理。20世紀60年代初期，大銀行、大企業和政府機關紛紛用計算機來處理賬冊、管理倉庫或統計報表，從數據的收集、存儲、整理到檢索統計，應用的范圍日益擴大，很快就超過了科學計算，成為最大的計算機應用領域。只有及時掌握全面的數據，才能正確決策，減少失誤，使管理更加科學。

由于計算機不僅支持高速運算，而且具有邏輯判斷能力，所以從20世紀60年代起，就在冶金、機械、電力、石油化工等產業中用計算機進行實時控制。在人工智能方面，計算機也是一個很重要的角色，是計算機應用研究最前沿的科學，主要應用于機器人、專家系統、模式識別、智能檢索、自然語言處理、機器翻譯、定理證明等方面。

2 計算機今后的發展趨勢

2.1 計算機的高速運轉

美國發明了一種利用空氣的絕緣性能來成倍地提高計算機運行速度的技術。通過很多的研究表明，計算機運行速度的快慢與芯片之間信號傳輸的速度直接相關，而目前計算機所使用的硅二氧化物在傳輸信號的過程中會減弱一部分信號，從而延長了信息傳輸的時間。有了美國發明的那個技術，計算機在未來的發展中其運行速度一定會變得更加的迅速，給人們帶來更加高效的生活。

2.2 光學計算機蓬勃發展

光學計算機是利用光作為信息的傳輸媒體。與電子相比，光子具有許多獨特的優點，例如：它的速度永遠等于光速、具有電子所不具備的頻率及偏振特征，從而大大提高了傳載信息的能力。光學計算機的智能水平也將遠遠超過電子計算機的智能水平，是人們夢寐以求的理想計算機，相信在未來的科技水平下能夠達到。

2.3 量子計算機的問世

在21世紀初期，科學家在量子力學方面就有所成就，科學家們根據量子力學理論，在研制量子計算機方面取得了新突破，而美國也有科學家宣布他們已經成功地實現了四量子位邏輯門，取得了四個鋰離子的量子纏結狀態。種種跡象都表明，量子計算機的到來。

3 總結

計算機在半個多世紀的時間中就向前跨越了一大的腳步，這個結果不是偶然，而是必然，當第一臺計算機問世的時候就標志著人們進入了一個新的時代——電子計算機時代。從目前來看，人類已經離不開計算機，不管在哪個領域都有計算機的身影。在當今，人類可以不出門就可以知道世界上任何有網絡的地方所發生的重大事件。計算機讓世界變得更像一個村落，整個世界已經被網絡所覆蓋。通過計算機你可以知道天下事，這無疑是計算機給信息傳輸帶來的好處。通過計算機，人們可以控制笨重的機器，不用再耗費大量的人工和體力了，這是人類的生活更加的便利。未來的計算機帶給人類的遠遠不止這些，未來的計算機將會使人們的生活變得更加的有序，幸福，快樂，安逸。

參考文獻

[1]陳煉，陶俊才.大學計算機應用基礎[M].北京郵電大學出版社，2011.

[2]卓海彬，李睿.通信與信息技術[J].2006.

[3]陸志一，吳學慶.黑龍江科技信息[J].2008.

作者簡介