新一代的计算机-信息工程大学学报.PDF

No．4 第1卷第4期 信息工程大学学报 V01．1 of Dec．2000 2000年12月 Joumal h怕彻ati伽En西ne商ngUnivers畸 新一代的计算机 李世铮，余仲秋，卢 洵 (信息工程大学基础部，河南郑州450002) 摘要：本文简要地介绍了超导计算机，光计算机和量子计算机的原理和优点。并介绍了量子计 算机的一些基本概念：量子叠加，量子纠缠，量子位和量子逻辑门。 关键词：超导；隧道效应；光子；量子叠加；量子纠缠；量子位；量子逻辑门 中图分类号：刑407 文献标识码：A 从1946年第一台计算机诞生以来，计算机给流通过。但是，量子力学原理指出，即使对于相当 科学技术的发展和人们的生活带来了翻天覆地的 高的势垒，能量较小的电子也能穿过，好象势垒下 变化和极其深刻的影响。由于其它科学技术的发 面有隧道似的。这种电子对通过超导的约瑟夫森 展又不断促进了计算机的研制和生产，使其产生了 结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道 惊人的变化——体积越来越小，运算速度越来越 效应。超导约瑟夫森结有一特点：当它的电流小于 高，计算机芯片的集成化程度越来越高。至今计算 临界电流I．时，它是零电压输出；当它的电流大于 速度已达每秒百亿次，芯片的分辨率直逼10。10临界电流I，时，它有毫伏级电压输出，因此超导约 m——原子分子量级。但是根据量子力学，当元件 瑟夫森结在不出现任何电阻的情况下有零电压和 和电路的尺寸小到原子尺度时，单电子的量子干涉 非零电压两种状态。超导约瑟夫森结做成的逻辑 效应将会影响甚至完全破坏芯片的功能，因此现代 电路可用它作为电子计算机的元件，构成超导计算 计算机进一步缩小计算机的体积提高运算速度已 机。超导计算机有许多优点：①它的开关时问可达 经极其困难。为此，科学家们将计算机技术和物理 10。10s，这样可使计算机运算速度提高一个数量级 技术结合起来提出了许多的构想，制造新一代的计 以上。预计下个世纪将要诞生的计算机在无阻不 算机，如超导计算机，光计算机，量子计算机等。下 发热的情况下高效率运行，其运行速度可达到每秒 面分别介绍。 几十亿次。②超导结的输出电压高就意味着它输 出的信号强，可以获得更加稳定、更加清晰的图像 1超导计算机 与数据，使现在使用的电脑在图像清晰度及稳定性 方面相形见拙。③超导计算机功率损耗小，估计一 超导计算机是将超导隧道效应应用于电子计 算机的硬件中的一种新型计算机。目前的计算机 算机内部几乎不发热，对提高计算机的稳定性和延 大多采用半导体技术和硅集成电路技术，要想继续 长计算机机芯的寿命都非常重要，可以想象在下个 提高计算机的性能和计算速度，能量消耗是一个限 世纪，谁先研制出超导计算机，谁将主宰计算机行 制因素，芯片发热的热量会对半导体材料产生不良 业乃至世界经济。 影响。当运算速度提高到某一限度时可能会使内 部芯片发热而损坏内部元件。为了解决这一矛盾， 2相干光计算机