未來的幾種計算機

1. 光子計算機

光子計算機是由光導纖維與各種光學元件製成的計算機。它不像普通電腦靠電子在線路中的流動來處理信息，而是靠一小束低功率激光進入由反射鏡和透鏡組成的光回路來進行“思維”的，但同樣具有存儲、運算和控製等功能。

計算機的“本領”大小，主要決定於兩個因素：一是計算機部件的運行速度；二是它們的排列緊密程度。從這兩方麵看，光比電優越得多。光子是宇宙中速度最快的 東西，每秒達30萬公裏。電子就不行，它在半導體內的運動速度約每秒60—500公裏，最快也不到光速的十分之一。另外，超大型集成電路中，一些片狀器件 的線腳已達300多隻，排列密度受到限製。而光束可以相互穿越，互不幹擾，這使得科學家能夠在極小的空間內開辟很多的信息通道。例如，貝爾實驗室的光學轉 換器就可以做得很小，以致在不到2毫米直徑的器件中，可裝入2000多個通道。

從理論上講，光腦的運算速度比現代的電腦還要快上千倍；其次，光腦器件還有信息量大的優點，一束光可以同時傳送數以千計的通道的信息。然而，光腦的製造在 理論上和技術上還有許多問題沒有解決。作為第一步，科學家利用光腦驅動能量小的特點，把電子轉換器同光結合起來，製造一種光與電“雜交”的計算機。

關於光腦,人們對它也許還很陌生,但製造光腦的嚐試,科學界早在上個世紀50年代就開始了,直到80年代後期可以說才有了決定意義的突破.上世紀90年代中期,世界上第一台光腦已由歐共體的英國、法國、比利時、德國、意大利的70多位不同國籍的科學家研製成功。

2 量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

　　20世紀60年代至70年代，人們發現能耗會導致計算機中的芯片發熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限製了計算機的運行速度。研究發現，能耗來源於計算過程中的不可逆操作。那麽，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經典計算機都可以找到一種對應的可逆計算機，而且不影響運算能力。既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那麽在量子力學中，它就可以用一個幺正變換來表示。早期量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經典計算機，並沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相幹性。在經典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上，而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態，不僅提供了量子並行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典計算機不同，量子計算機可以做任意的幺正變換，在得到輸出態後，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經典計算作了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，並按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子係統，這項工作是經典計算機無法勝任的。

　　無論是量子並行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相幹性。遺憾的是，在實際係統中量子相幹性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的係統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相幹性的衰減，即消相幹。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相幹。而量子編碼是迄今發現的克服消相幹最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用範圍廣，缺點是效率不高。

3. 納米計算機

世界上最強大的“計算機”應當是人類大腦，日前。科學家設計一種僅由十幾個微型納米級分子構成的微型電腦模仿大腦是如何工作的。 迄今為止，這種微型納米電腦的運算速度是正常計算機晶體管的16倍，研究人員聲稱，最終這項發明將實現比正常計算機晶體管運算速度快1000倍。負責研製該微型裝置的科學家指出，它不僅能作為超級計算機的基礎，還可控製複雜裝置的元件，如：“微型醫療師”或“微型製造廠”等。 

    微型納米電腦是由四甲基對苯醌(duroquinone)材料構成，四甲基對苯醌的形狀是六邊形圓盤上連接著4個圓錐細胞。日本築波市國立材料科學研究所的外籍人工智能和分子電子學科學家安尼爾班·班德尤帕德亞伊(Anirban Bandyopadhyay)解釋稱，在顯微鏡下這種納米材料看上去就像小汽車。

    四甲基對苯醌的直徑小於1納米，它比可見光波長還要小數百倍。在這種微型納米電腦中共由17個四甲基對苯醌分子構成，其中1個四甲基對苯醌位於其他16個分子的圍繞中心，整體裝置都放置在一個金表麵。

    微型納米電腦如何工作

    該微型納米電腦操作時，科學家通過一個非常鋒利的帶電傳導針對放置在中心的四甲基對苯醌進行電脈衝調節，由於電脈衝強度的不同，納米分子和其上的4個圓錐細胞將出現多種方式的變化。由於中心位置的分子與周圍的16個分子存在微弱的化學關聯性，當中心分子受到電脈衝調節而變化時，其他的16個分子也出現了變化。可以想像一下，這就像是由16根蜘蛛絲構成的蜘蛛網上，1隻蜘蛛位於中心，當它向某一個方向移動時，16根蜘蛛絲也會產生微弱的變化，變化的方向都不相同。

    按照這種方法，中心四甲基對苯醌分子的電脈衝可向周圍16個分子傳送不同的指令。研究人員稱這項設計的靈感來源於人類的大腦細胞，大腦細胞呈現樹狀放射分支形狀，每一個分支都可用於與其他分支細胞進行溝通。

    班德尤帕德亞伊稱，正是大腦細胞的分支狀結構連接才使大腦運算思考能力非常強大。由於四甲基對苯醌擁有4個圓錐細胞，本質上就有4個不同的方向。這個中心分子還同時控製其他16個分子，從算術上計算：一個電脈衝信號可以實現4的16次方個不同結果，也就是近43億種結果。與之對比，正常計算機晶體管僅能夠執行一種指令，僅有兩種不同設置：0和1。這意味著一個電脈衝信號僅有兩種不同結果。

    結合式工作

    一種觀點是將這種微型納米電腦與其他分子或裝置相結合。比如：研究人員建造一個僅由分子構成的主機，或者像過去十年時那樣大的主機，將電腦主機與發動機、推進器、轉換裝置、電梯、傳感器等結合在一起。這種最新設計的微型分子電腦將提供一種控製其他混合裝置的方法，使它們有機地結合成一個整體。班德尤帕德亞伊和研究同事表示，他們可以利用微型納米電腦與其他8種混合裝置結合，工作起來就像是一個微型工廠。

    班德尤帕德亞伊稱，微型分子電腦還可用於控製複雜裝配分子儀器的元件。今後的應用可用於醫藥科學領域。他說，“設想裝配這樣的分子儀器並植入血液中，或許能夠摧毀人體內的瘤細胞。”

    日前，微型納米電腦所使用的非常鋒利的帶電傳導針是掃描隧道顯微鏡的附件，掃描隧道顯微鏡明顯比微型納分子要大許多，在微型納米電腦上使用這種帶電傳導針並不是理想首選。班德尤帕德亞伊希望未來使用分子代替帶電傳導針實現對微型納米電腦的控製。

    微型納米電腦需要在真空狀況下零下196攝氏度極寒冷的條件下製成，然而班德尤帕德亞伊聲稱，該裝置卻能在室溫條件下正常工作。

    二維向三維的突破性升級

    班德尤帕德亞伊強調稱，他們可以將微型納米電腦從二維16分子環狀結構擴展至三維1024分子球狀結構。這意味著同時執行1024個指令，一個信號可執行4的1024次平個結果。其運算速度也將大幅度提升。納米技術在計算機領域的應用意味著今後人們的日常生活將發生巨大的變化，裝有納米計算機芯片的電燈可以完全實現智能化，根據居室的自然照明情況自動調節亮度，另外裝有這種芯片的傳感器，可以嵌入人體內觀測藥物的吸收，甚至胰島素的分泌情況。”