未来的几种计算机

1. 光子计算机

光子计算机是由光导纤维与各种光学元件制成的计算机。它不像普通电脑靠电子在线路中的流动来处理信息，而是靠一小束低功率激光进入由反射镜和透镜组成的光回路来进行“思维”的，但同样具有存储、运算和控制等功能。

计算机的“本领”大小，主要决定于两个因素：一是计算机部件的运行速度；二是它们的排列紧密程度。从这两方面看，光比电优越得多。光子是宇宙中速度最快的 东西，每秒达30万公里。电子就不行，它在半导体内的运动速度约每秒60—500公里，最快也不到光速的十分之一。另外，超大型集成电路中，一些片状器件 的线脚已达300多只，排列密度受到限制。而光束可以相互穿越，互不干扰，这使得科学家能够在极小的空间内开辟很多的信息通道。例如，贝尔实验室的光学转 换器就可以做得很小，以致在不到2毫米直径的器件中，可装入2000多个通道。

从理论上讲，光脑的运算速度比现代的电脑还要快上千倍；其次，光脑器件还有信息量大的优点，一束光可以同时传送数以千计的通道的信息。然而，光脑的制造在 理论上和技术上还有许多问题没有解决。作为第一步，科学家利用光脑驱动能量小的特点，把电子转换器同光结合起来，制造一种光与电“杂交”的计算机。

关于光脑,人们对它也许还很陌生,但制造光脑的尝试,科学界早在上个世纪50年代就开始了,直到80年代后期可以说才有了决定意义的突破.上世纪90年代中期,世界上第一台光脑已由欧共体的英国、法国、比利时、德国、意大利的70多位不同国籍的科学家研制成功。

2 量子计算机

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。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

　　20世纪60年代至70年代，人们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。研究发现，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。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。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。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。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，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。

　　无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

3. 纳米计算机

世界上最强大的“计算机”应当是人类大脑，日前。科学家设计一种仅由十几个微型纳米级分子构成的微型电脑模仿大脑是如何工作的。 迄今为止，这种微型纳米电脑的运算速度是正常计算机晶体管的16倍，研究人员声称，最终这项发明将实现比正常计算机晶体管运算速度快1000倍。负责研制该微型装置的科学家指出，它不仅能作为超级计算机的基础，还可控制复杂装置的元件，如：“微型医疗师”或“微型制造厂”等。 

    微型纳米电脑是由四甲基对苯醌(duroquinone)材料构成，四甲基对苯醌的形状是六边形圆盘上连接着4个圆锥细胞。日本筑波市国立材料科学研究所的外籍人工智能和分子电子学科学家安尼尔班·班德尤帕德亚伊(Anirban Bandyopadhyay)解释称，在显微镜下这种纳米材料看上去就像小汽车。

    四甲基对苯醌的直径小于1纳米，它比可见光波长还要小数百倍。在这种微型纳米电脑中共由17个四甲基对苯醌分子构成，其中1个四甲基对苯醌位于其他16个分子的围绕中心，整体装置都放置在一个金表面。

    微型纳米电脑如何工作

    该微型纳米电脑操作时，科学家通过一个非常锋利的带电传导针对放置在中心的四甲基对苯醌进行电脉冲调节，由于电脉冲强度的不同，纳米分子和其上的4个圆锥细胞将出现多种方式的变化。由于中心位置的分子与周围的16个分子存在微弱的化学关联性，当中心分子受到电脉冲调节而变化时，其他的16个分子也出现了变化。可以想像一下，这就像是由16根蜘蛛丝构成的蜘蛛网上，1只蜘蛛位于中心，当它向某一个方向移动时，16根蜘蛛丝也会产生微弱的变化，变化的方向都不相同。

    按照这种方法，中心四甲基对苯醌分子的电脉冲可向周围16个分子传送不同的指令。研究人员称这项设计的灵感来源于人类的大脑细胞，大脑细胞呈现树状放射分支形状，每一个分支都可用于与其他分支细胞进行沟通。

    班德尤帕德亚伊称，正是大脑细胞的分支状结构连接才使大脑运算思考能力非常强大。由于四甲基对苯醌拥有4个圆锥细胞，本质上就有4个不同的方向。这个中心分子还同时控制其他16个分子，从算术上计算：一个电脉冲信号可以实现4的16次方个不同结果，也就是近43亿种结果。与之对比，正常计算机晶体管仅能够执行一种指令，仅有两种不同设置：0和1。这意味着一个电脉冲信号仅有两种不同结果。

    结合式工作

    一种观点是将这种微型纳米电脑与其他分子或装置相结合。比如：研究人员建造一个仅由分子构成的主机，或者像过去十年时那样大的主机，将电脑主机与发动机、推进器、转换装置、电梯、传感器等结合在一起。这种最新设计的微型分子电脑将提供一种控制其他混合装置的方法，使它们有机地结合成一个整体。班德尤帕德亚伊和研究同事表示，他们可以利用微型纳米电脑与其他8种混合装置结合，工作起来就像是一个微型工厂。

    班德尤帕德亚伊称，微型分子电脑还可用于控制复杂装配分子仪器的元件。今后的应用可用于医药科学领域。他说，“设想装配这样的分子仪器并植入血液中，或许能够摧毁人体内的瘤细胞。”

    日前，微型纳米电脑所使用的非常锋利的带电传导针是扫描隧道显微镜的附件，扫描隧道显微镜明显比微型纳分子要大许多，在微型纳米电脑上使用这种带电传导针并不是理想首选。班德尤帕德亚伊希望未来使用分子代替带电传导针实现对微型纳米电脑的控制。

    微型纳米电脑需要在真空状况下零下196摄氏度极寒冷的条件下制成，然而班德尤帕德亚伊声称，该装置却能在室温条件下正常工作。

    二维向三维的突破性升级

    班德尤帕德亚伊强调称，他们可以将微型纳米电脑从二维16分子环状结构扩展至三维1024分子球状结构。这意味着同时执行1024个指令，一个信号可执行4的1024次平个结果。其运算速度也将大幅度提升。纳米技术在计算机领域的应用意味着今后人们的日常生活将发生巨大的变化，装有纳米计算机芯片的电灯可以完全实现智能化，根据居室的自然照明情况自动调节亮度，另外装有这种芯片的传感器，可以嵌入人体内观测药物的吸收，甚至胰岛素的分泌情况。”