英国量子计算商业化项目研究论文

导读

背景

时下，全球各国正在掀起一波研究量子计算机的热潮。大规模的量子计算机将能够解决现有最强大的超级计算机也难以解决的问题。据称，量子计算机有着比经典计算机解决问题快百万倍的速度。量子技术的发展将对科学、工程和 社会 等产生深远影响，并为人工智能、新材料、医学、密码学等诸多领域带来革命性的创新应用。

对于开发量子技术而言，集成量子光子学是一个很有前景的平台，因为它能在小型化的复杂光学电路中生成和控制光子（单个光粒子）。利用成熟的 CMOS硅工业来制造集成器件，可以在一个毫米级的芯片上集成相当于数千条光纤和元件的电路。

创新

采用集成光子学开发可扩展的量子技术的需求非常旺盛。英国布里斯托大学是这一领域的先驱，发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上的新研究证明了这一点。

技术

论文领导作者 Stefano Paesani 博士解释道：“限制集成量子光子技术规模化的一个重要挑战就是，缺少能够生成高质量单光子的片上光源。如果没有低噪声光子源，当电路复杂度增加时，量子计算中的错误会迅速累积，导致计算不再可靠。此外，光源中的光学损耗限制了量子计算机可以生成和处理的光子数量。”

“在这项工作中，我们找到了解决这个问题的一个方法，通过这个方法开发出了首个与大规模量子光子学兼容的集成光子源。为了实现高质量的光子，我们开发出一项称为‘模态间自发四波混频（inter-modal spontaneous four-wave mixing）’的新技术。在这项技术中，通过硅波导传播的多模式光线的非线性干涉，为生成单光子创造了理想条件。”

布里斯托大学的量子工程技术实验室（QETLabs） Anthony Laing 教授课题组的团队与意大利特伦托大学的同事们在“Heralded Hong-Ou-Mandel”实验（该实验是光学量子信息处理中的一个重要实验）中，对这个光源在光子量子计算方面的应用进行了基准测试，并获得了迄今为止观察到的最高质量的片上光子量子干涉（96%可见度）。

Paesani 表示：“这个器件展现了目前对于任何光子源来说最佳的性能：光谱纯度和不可分辨性达到了99%，光子预告效率大于90%。”

重要的是，该硅光子器件是通过CMOS兼容工艺在商业化的工厂中制造出来的，这意味着数千个光源可以轻易集成到单个器件上。这项研究由工程和物理科学研究理事会（EPSRC）量子计算和仿真中心以及欧洲研究委员会（ERC）资助，代表着朝着规模化构建量子电路的目标迈出了重要的一步，并为多项应用铺平了道路。

Paesani 博士表示：“我们解决了之前限制光子量子信息处理规模化的一组关键的噪声问题。例如，数百个这样的光源组成的阵列，可用于构建近程嘈杂性中型量子（NISQ）光子机，在这里可以处理几十个光子来执行专门任务，例如模拟分子动力学或者某些与图论相关的优化问题。”

目前，研究人员们已经思考出如何构建近乎完美的光子源，未来几个月内，这个硅平台的可扩展性将使他们在单颗芯片上集成数十到数百个光子源。以这样的规模开发电路，将使NISQ量子光子机有望解决工业相关的问题，而目前的超级计算机却无法解决这些问题。

Paesani 博士表示：“此外，随着光子源的优化与小型化，我们的技术可能会通向集成光子平台的容错量子操作，充分释放量子计算机的潜力！”

关键字

参考资料

【1】S. Paesani, M. Borghi, S. Signorini, A. Maïnos, L. Pavesi, A. Laing. Near-ideal spontaneous photon sources in silicon quantum photonics . Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-16187-8

【2】

计算机技术的应用及发展探究论文

摘要： 随着现代社会全球化、信息化发展的速度加快，计算机技术获得了更广阔的发展空间，被越来越多的应用在生活生产中的方方面面，计算机技术应用的普及为人们的生活行为方式带来了极大的便利。本文针对现阶段我国计算机技术的发展情况对未来趋势进行探讨。

关键词： 计算机技术；智能；应用

引言

计算机技术是计算机领域中所运用的技术方法和技术手段，计算机技术具有明显的综合特性，它与电子工程、机械工程、现代通信技术等紧密结合，因此发展很快。现在计算机技术已成为我国综合竞争力中重要的一部分，为我国的科学发展提供了充足动力。在此基础上本文对我国计算机技术的应用进行研究，希望能促进计算机技术的快速发展和在各个领域更广泛的应用。

1 计算机科学技术的发展进程

计算机的发展过程主要包括四个阶段，1946年美国制造出了世界上的第一台电子计算机，其中应用了18800个真空管，它的出现在一定程度上改变了人类的思维和生活方式，为计算机技术的进一步发展打下了坚实的基础。所以，第一代计算机不仅体积庞大，而且耗电量巨大。1954年由美国科学家崔迪克研制出来的第二代晶体管计算机尺寸小、重量轻、效率高、功耗低，很好的弥补了第一代计算机的缺点。70年代中小规模集成电路将第三代计算机体积进一步减小，可靠性及速度进一步提高。信息产业作为技术与知识密集型产业，为了适应现代化社会建设的需要，第四代计算机便应运而生。第四代计算机的出现促进了计算机的大量生产， 计算机被广泛的应用到公司企业和人们日常生活中[1]。

2 计算机科学技术的发展现状

2.1 普及性和发展性

计算机技术正逐渐成为社会发展的重要生产力，计算机技术已经融入了人类生活中的方方面面，如视频聊天、移动支付、网络约车等，充分体现出科学技术的迅速发展。计算机技术面向的用户群体从之前的军事和科研等转变为一个个的普通家庭。毋庸置疑，计算机技术将会成为人类生活学习的重要组成部分，对社会的发展产生巨大影响。

2.2 专业化和智能化

计算机技术正朝着专业化和智能化两个方向发展。随着科学技术的进步，计算机技术在越来越多的细分领域开花结果，逐渐变得专业化，比如神经网络、人工智能、面部识别、智能家居等领域[3]。与此同时，由于网络信息技术的发展，计算机的使用更加倾向于交流互动性，网络分布式系统逐渐替代了单机模式，大大提高了计算机技术的综合性。

2.3 微型化和人性化

随着计算机技术的逐渐普及，计算机技术在许多领域都取得了突破性的进展。计算机的更新速度变快了，人们对于计算机的便携性和计算机技术的先进性也提出了更高的要求，电脑越做越小，手机越做越薄，计算机技术还可以将更多的实用功能集成到手表之内。计算机技术可根据不同人群的需求，加以创新和改进，更多的体现出计算机技术的人性化和个性化。在计算机技术的'核心功能中增加人性化功能，需要设置更多独立且相互联系的组件，这不仅是计算机微型化和人性化的难度所在，也对微型传感器等计算机相关设备提出了新的要求。

3 计算机科学技术的发展展望

3.1 光计算机

与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光信号代替电子进行信息处理和存储的新型计算机， 其在进行数据存储时主要利用的是光子和光运算，运算部分可直接对存储部分进行并行存取，运算速度极高、耗电极低[4]。光子计算机还具有很多优势，比如，不会受到电磁场的影响，信息传输中畸变和失真小，超大规模的信息存储容量及低能量消耗、低发热量等。光计算机在未来将广泛的应用于特殊领域，比如预测天气、监测气候等一些复杂而多变的过程等[5]。

3.2 化学、生物计算机

在运行机理上，化学计算机以化学制品中的微观碳分子作信息载体，来实现信息的传输与存储。生物计算机，也被称之为仿生计算机，主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。生物计算机的基本原理是用生化反应来模拟计算机操作，生物计算机的优点在于其所依托的生物体本身的多样性和复杂多变的生理现象[6]。生物计算机的运算速度要比当今最新一代计算机快10万倍，它具有很强的抗电磁干扰能力，并且能彻底消除电路之间的干扰。能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，且具有巨大的存储能力。这为生物计算机带来了很多优势，不仅表现在体积小功率高，而且存储和芯片也具有一定的可靠性[7]。

3.3 量子计算机

量子计算机的概念来源于对可逆计算机的研究，在可逆计算的模型中使用的能量很低。量子信息科学的核心目标是实现真正意义上的量子计算机和实现绝对安全的、可实用化的长程量子通信。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[8]。量子计算机与现有的电子计算机和正在研究的生物计算机、光计算机等的根本区别在于，其信息单元不是比特（bit），而是量子比特（qubit），即两个状态是0和1的相应量子态叠加，因此，单个量子CPU具有非常强大的数据平行处理能力，而且其运算能力随着量子处理器的增加呈现出指数倍的增强，所以量子计算机在数据处理的运算时间大幅度减小[9]。目前，很多专家学者也在不断的研究量子计算机，研究量子计算机的目的不是要用它取代现有的计算机，而是去解决一些经典计算机无法解决的问题。

3.4 神经网络计算机

人脑总体运行速度相当于每妙1000万亿次的电脑功能，可把生物大脑神经网络看做一个大规模并行处理的、紧密耦合的、能自行重组的计算网络。从大脑工作的模型中抽取计算机设计模型，用许多处理机模仿人脑的神经元机构，将信息存储在神经元之间的联络中，并采用大量的并行分布式网络就构成了神经网络计算机[10]。神经网络计算机的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。若有节点断裂，电脑仍有重建资料的能力，它还具有联想记忆、视觉和声音识别能力。

4 结束语

总而言之，计算机技术在社会中有着广泛的应用范围，也在社会中发挥了高效的社会功能。现阶段，我国的计算机应用水平与国际应用水平还存在着一定的差距，相信随着我国科研人员对计算机技术的不断研究，计算机技术必将得到更加高速的发展。

参考文献：

[1] 全林. 科技史简论[M]. 科学出版社， 2002.

[2] 李博洋. 关于“人机关系”的哲学思考[J]. 江淮论坛， 2008， 231（5）： 127-131.

[3] 程中兴. 计算机技术对人类生物进化的影响及其机制[J]. 东华大学学报（社会科学版）， 2004， 4（4）：75-80.

[4] 文德春. 计算机技术发展趋势[J]. 科学论坛（下半月）， 2007， （5）： 78.

[5] 金翊. 走近光学计算机[J]. 上海大学学报（自然科学版）， 2011， 17（4）： 401-411.

[6] 沈俊杰. “细菌-噬菌体”联合生物计算机的研究[D]. 浙江大学， 2005.

[7] 许进. 生物计算机时代即将来临[J]. 中国科学院院刊， 2014， （1）： 42-54.

[8] 吴楠， 宋方敏. 量子计算与量子计算机[J]. 计算机科学与探索， 2007， 1（1）： 5-20.

[9] 郭光灿， 周正威， 郭国平， 等. 量子计算机的发展现状与趋势[J]. 中国科学院院刊， 2010， 25（5）： 516-524.

[10] 靳蕃. 神经计算智能基础： 原理·方法[M]. 西南交通大学出版社， 2000.