摘要:現今,對馮諾依曼計算機體系的突破呈現多元化,主要方向集中在解決當前馮諾依曼計算機體制的侷限性上,突出的一支就在量子計算機的發展上.本文介紹了量子計算機的突出優勢及應用前景
關鍵字:計算機結構;非馮諾依曼機;量子計算機
Overview of theapplication prospect ofQuantum Computer
Abstract: In recent decades, people strive to breakthrough the limitations of the traditional Von-Neumann system, the most outstanding proposal of the Non-Von Neumann architecture computer is the Quantum Computer
This paper introduces the distinguished strength of Quantum Computer and its application prospect.
Keywords: Computer architecture; Non-Von Neumann machine;Quantum Computer.
0 引言
馮·諾依曼計算機體系結構至今已發展成熟並創造了巨大價值但仍存在缺陷並已逐漸不能滿足人類發展需求,此體系結構在以下方面存在不足.
(1) 指令和資料儲存在同一個儲存器中，形成系統對儲存器的過分依賴。如果儲存器件的發展受阻，系統的發展也將受阻。
(2) 指令在儲存器中按其執行順序存放，由指令計數器PC指明要執行的指令所在的單元地址。 然後取出指令執行操作任務。所以指令的執行是序列。影響了系統執行的速度。
(3) 儲存器是按地址訪問的線性編址，按順序排列的地址訪問，利 於儲存和執行的機器語言指令，適用於作數值計算。但是高階語言表示的儲存器則是一組有名字的變數，按名字呼叫變數，不按地址訪問。
(4) 馮·諾依曼體系結構計算機是為算術和邏輯運算而誕生的，目前在數值處理方面已經到達較高的速度和精度，而非數值處理應用領域發展緩慢，需要在體系結構方面有重大的突破。
(5) 傳統的馮·諾依曼型結構屬於控制驅動方式。它是執行指令程式碼對數值程式碼進行處理，只要指令明確，輸入資料準確，啟動程式後自動執行而且結果是預期的。一旦指令和資料有錯誤，機器不會主動修改指令並完善程式。而人類生活中有許多資訊是模糊的，事件的發生、發展和結果是不能預期的，現代計算機的智慧是無法應對如此複雜任務的。
現今,對馮諾依曼計算機體系的突破呈現多元化,主要方向集中在解決當前馮諾依曼計算機體制的侷限性上.未來的計算機技術將向超高速,超小型,並行處理,智慧化方向發展. 突出的一支就在量子計算機的發展上.目前量子計算資源稀缺。全球範圍內可供使用的量子計算機約50臺，國內能面向大眾提供量子計算服務的則少之又少。
1 量子計算機基本概念
量子計算機是一種可以實現量子計算的機器，它通過量子力學規律以實現數學和邏輯運算，處理和儲存資訊。它以量子態為記憶單元和資訊儲存形式，以量子動力學演化為資訊傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，在量子計算機中其硬體的各種元件的尺寸達到原子或分子的量級。量子計算機是一個物理系統，它能儲存和處理用量子位元表示的資訊。 [1]
如同傳統計算機是通過積體電路中電路的通斷來實現0、1之間的區分，其基本單元為矽晶片一樣，量子計算機也有著自己的基本單位——昆位元（qubit）。昆位元又稱量子位元，它通過量子的兩態的量子力學體系來表示0或1。比如光子的兩個正交的偏振方向，磁場中電子的自旋方向，或核自旋的兩個方向，原子中量子處在的兩個不同能級，或任何量子系統的空間模式等。量子計算的原理就是將量子力學系統中量子態進行演化結果
2 量子計算機相比於馮諾依曼體制計算機的優勢
1)節省時間。首先量子計算機處理資料不象傳統計算機那樣分步進行，而是同時完成，這樣就節省了不少時間，適於大規模的資料計算。傳統計算機隨著處理資料位數的增加所面臨的困難線形增加，要分解一個129位的數字需要1600臺超級計算機聯網工作8個月，而要分解一個140位的數字所需的時間要幾百年。但是利用一臺量子計算機，在幾秒內就可得到結果
2)體積小，整合率高。隨著資訊產業的高度發展，所有的電子器件都在朝著小型化和高整合化方向發展，而作為傳統計算機物質基礎的半導體晶片由於電晶體和晶片受材料的限制，體積減小是有個限度的。而每個量子元件尺寸都在原子尺度，由它們構成的量子計算機，不僅運算速度快，儲存量大、功耗低，體積還會大大縮小
3)故障時的自我處理能力強。系統的某部分發生故障時，輸入的原始資料會自動繞過，進入系統的正確部分進行正常運算，運算能力相當於1000億個奔騰處理器，運算速度比現有的計算機快100倍。
4)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、儲存及處理量子資訊的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子資訊，執行的是量子演算法時，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。量子計算機應用的是量子位元，可以同時處在多個狀態。
3 量子計算機的應用與發展方向
1)天氣預報
量子計算有潛力改進傳統的數值方法，通過高效、快速地處理包含許多變數的大量資料，利用量子位元的計算能力，以及使用量子啟發的優化演算法，促進氣象條件的跟蹤和預測。此外，對於理解天氣至關重要的模式識別可以利用量子機器學習來增強。如果我們使用量子計算機在同一時間對於所有的資訊進行分析，並得出結果，那麼我們就可以得知天氣變化的精確走向，從而避免大量的經濟損失。
2)藥物研製
分子的構成非常複雜，傳統計算機無法精確模擬其粒子（如電子）之間的相互作用 目前，研究人員只能使用大量近似值來計算藥物研發所需的分子性質。這意味著計算得出的性質是近似的，需要實驗室實驗和患者研究來進一步驗證候選藥物的有效性。對於世界上所有制藥公司來說，這都需要花費大量的時間和資源。“而量子計算機擁有更高的精確度與效率，有望助力研究者開發更好的藥物採用雲端計算、機器學習、量子計算等方法，是加速新藥研發提高成功率的新興探索途徑。量子計算機對於研製新的藥物也有著極大的優勢，量子計算機能描繪出萬億計的分子組成，並且選擇出其中最有可能的方法，這將提高人們發明新型藥物的速度，並且能夠更個性化的對於藥理進行分析。
3)交通排程
量子計算機可以簡化空中和地面交通控制的工作量，因為它們善於迅速計算出最佳路線。如果你計劃公路旅行，期間要在10個不同的地方停留，普通計算機可能需要單獨計算所有可能路線的長度，然後篩選出最佳路線。而量子計算機可以同時計算所有路線的長度，並以更快的速度篩選出最佳路線。使用量子計算機對空中交通模式進行復雜分析，意味著可進行更高效的飛行排程，並節省出行所需時間，因為我們可以更好地避免機場飛機起飛和著陸造成的瓶頸。同樣的技術也可被應用到高速公路和複雜城市電公路網中，以避免擁堵。
4)加密通訊
隨著量子資訊科技的發展，量子通訊網路及其應用也在不斷演進。目前，量子保密通訊的應用主要集中在利用QKD鏈路加密的資料中心防護、量子隨機數發生器，並延伸到 政務、國防 等特殊領域的安全應用；未來，隨著QKD組網技術成熟，終端裝置趨於小型化、移動化，QKD還將擴充套件到 電信網、企業網、個人與家庭、雲端儲存 等應用領域；長遠來看，隨著量子衛星、量子中繼、量子計算、量子感測等技術取得突破，通過量子通訊網路將分散式的量子計算機和量子感測器連線，還將產生 量子云計算、量子感測網 等一系列全新的應用量子通訊在軍事領域的應用主要在四個方面：通訊金鑰生成與分發系統：這種金鑰生成與分發系統具有向未來戰場覆蓋區域內任意兩個使用者分發量子金鑰的能力，由此可以構成作戰區域內機動的安全軍事通訊網路。在部署方式方面，可以以現有的軍事通訊系統網路為基礎，通過天基平臺部署量子通訊金鑰生成與分發系統。軍事資訊對抗：量子通訊可用來改進目前軍用光網資訊傳輸保密性，使軍方的資訊保護和資訊對抗能力得到增強。量子通訊能用於資訊對抗的原因是由於光量子密碼的“不可破”和“竊聽可知性”性，以及光量子加密裝置可與現在的光纖通訊裝置融合的能力。深海安全通訊：量子通訊的優點在於量子通訊光量子隱形傳態與傳播媒質無關，因此量子通訊能克服現在在海洋軍事中長波通訊系統，系統龐大、抗毀性差等問題，可成為深海安全通訊的有效手段，為遠洋深海安全通訊提供了新的一種可靠選擇。構建超光速資訊網路：可以利用量子隱形傳態以及超大通道容量、超高通訊速率和資訊高效率等特點，滿足軍事資訊網路對大容量、高速率傳輸處理及按需共享能力的需要，從而建立滿足軍事特殊需求的超光速軍事資訊網路。