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第二章纳米科技的典型研究方向-1.pptVIP

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* 量子比特序列这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,而且还将带来许多奇妙的性质。 * 如何实现量子计算,方案并不少,问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。2000年,IBM公司宣布研制出利用5个原子作为处理器和存储器的量子电脑。将来也许现有的方案都派不上用场,最后脱颖而出的是一种全新的设计,而这种新设计又是以某种新材料为基础,就像半导体材料对于电子计算机一样。 英特尔目前正研究把4200万个电晶体压缩在奔腾4芯片内,这意味着需要付出高昂的开发成本,但性能却不会大幅度突破。若使用纳米碳管,硅片便可以储存数十亿条的纳米碳管(4,200万×130),大大提升处理器的容量。 2.1.4 纳米计算机 然而,电子计算机的下一个目标不仅在小型化,还在于找出新方法组织新的电脑结构,主要包括: 分子计算机; 光计算机; 生物计算机(DNA计算机); 量子计算机。 工作原理:由于视紫红质具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性,并且其奇特的光学循环特性可用于储存信息,可起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。 在整个光循环过程中,视紫红质可经历几种不同的中间体过程,伴随相应的物质结构变化,因此具有潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束,将信息并行地写入细菌视紫红质立方体,并从立方体中读取信息,并且其三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。 分子计算机 应用几种生物分子制造分子计算机的组件,例如,细菌视紫红质。 光计算机(光脑) 工作原理:靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列来对信息进行处理。特点是平行运算。 基本电子元件:一个微小的玻璃塔,其中有一层半导体。把一束激光照射在塔上,捕陷在半导体中的电子被释放出;视激光的强弱这些电子会使玻璃塔变得半透明或昏暗;继续照射,光被系统反射,反射回来的讯号就是一个位元的数位信息:是或否、开或关。 光脑元件的原形:玻璃板上排列的几千个小塔和为激光聚焦的一些透镜。 生物计算机(生物电脑) 工作原理:DNA上含有大量的遗传密码,相当于存储的数据,通过与酶的相互作用,可从某基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码,转变前的基因代码可作为输入数据,反应后的基因代码可作为运算结果。 例如,人们很容易忘记许多事情,如有一台生物电脑在身,它就可以把你每天所做的事和接触的人以及处理的文字文件统统记录下来,在存储器中长期存储。当你需要回忆时,只需打开生物电脑查询。 生物计算机是人类多年来的梦想。有了它可以实现现有电脑无法实现的模糊推理功能和神经网络运算功能,是智能计算机的突破口之一。 量子计算机(量子电脑) 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究,而研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。 研究发现, 能耗会导致计算机中的芯片发热,极大地影响了芯片的集成度,从而限制了计算机的运行速度,能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么,是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢?问题的答案是:所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机,而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作,那么在量子力学中,它就可以用一个幺正变换来表示。 量子计算机通过利用粒子的量子力学效应,如光子的极化,原子的自旋等来表示0和1以进行存储和计算。 因此,在数学形式上,量子计算对经典计算作了极大的扩充,经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换,所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来,给出结果,这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外,量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统,这项工作是经典计算机无法胜任的。 与经典计算机不同,量子计算机可以做任意的幺正变换,在得到输出态后,进行测量得出计算结果。 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,基本元件是原子和分子。它处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法。 原理:取决于量子力学一个奇异性质—— 任何一个粒子都可以想象成同时以许多状态存在,只有在测量的孙件,才会“迫使”它落入一个特定的状态。例如水面上的波纹。 量子的这种常人难以理解的特性使得具有5000个量子位的量子电脑,可在约30秒内解决目前超级电脑要100亿年才能解决的大数因子分解问题。虽然量子电脑的实用化还有很长的路,但它取代硅芯片电脑只是时间问题。 经典计算机与量子计算机: 经典计算机 量子计算机 基本信息单位 比特 量子比特 运算对象 各种比特序列 量子比特序列(不但可以处于各种正交态的叠加态上,而

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