月度归档:2011年02月

现在的量子计算机那么普及么

“现在的网络就像一条大河,世界上的超级势力们制造了源头也控制了源头。我们只是造了阎王殿这么一只小木筏而已。知道为什么我们现在的量子计算机那么普及么?不是我们人民群众的意愿结果,而是国家的需要。只要国家内的量子计算机联网越多,国家分到的的网络河流面积就越大。知道为什么量子计算机联网的时候需要额外安装一个截流装置和一条信息返回线路么?是为了保证我们的机器联网的时候不被大量涌进的量子信息团冲垮么?不是的。实际上截流装置只起到复制的作用,只能复制网络河流里的信息。那为什么有的机器不安装截流装置直接联网会被大量的量子信息团涌入冲垮么?那是国家的网络战舰在开动。国家分到的网络河流面积越大,能够承载的网络战舰就越庞大越复杂。我猜测,曾经的天龙就是一种罕见的超级网络战舰。而我们今天所遇到的就是某个国家或者某个高手的网络战舰,甚至是某种超级网络战舰。你说我们的小木筏能跑得掉么?”阎王谆谆教导道。

量子计算取得引人注目的进展

量子计算取得引人注目的进展 第六图书馆量子计算量子计算机计算机研究开发国际技术经济导报李常川不详1998第六图书馆 ⑦计J计计, 焱 舌   膈开 写’ 士。这相当于日前风力发电的价格,岛屿社区有足够的吸引力对 技术进  步和大规模生产一定会带来价格的进一步下降,但是在这两方面真正变  成现实之前,有一段长路要走。还  NeSinitJn 019 w cet,ue2,98s 李东辉 编译  l—I 。O>  量子计算取得引人注目的进展  专 7  P7 现在开发高性能计算机的重要 径是突破半导体器件的框框,途开发 新材料新技术,如超导计算、生物计算、光计算和量子计算等其中量子计   算取得了显著的进展。 IM公司、国的麻省理工学院、国的牛津大学等在19B美英98年4月 初报告说,他们根据量子力学原理制造了第一台工作的计算机。  日前用微量氨仿已能制造出新颖的计算机,其处理器是由氯仿中的  氢、氯原予组成的,以对一系列无序条目进行分类。这是经过长期探索用 ’取得的突破。一发现使物理学家和计算机科学家激动不已,这促使世界上 数十个研究中心着手进行类似的实验,从而预示着量子计算机时代的到 来。事实将证明这种专用机比当今最强的超级计算机的速度要快数千倍  甚至几百万倍。  物理学家理查德·休斯在洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的一个 J· 小组在从事量子信患领域的工作。他认为“这是重要的一步”其魅力在于 , 现已证明量壬让差扭的算法最简单也最合理。物理学家斯坦利·威廉斯  也说:这将改变科学的面貌。 “” 一 10—  http://www.6lib.com第六图书馆 像IM这样的大公司,了寻找功能更强大的计算机进行密码破译 B为或检索大型数据库,正在组建研究队伍努力创造新一代量子计算机。多数 计算机研究者认为常规计算机技术即将达到基础物理的极限。预计这一  新的系统在下一个世纪二十年代会盛行起来。  量子计算机不像今天的常规计算机是由可迅速开、的数百万个数 关字开关陈列构成的,而是由分子级尺寸的称作量子位(ui的单元构成 qbt) 的。天的晶体管只能表示10两个状态,量子位不仅能表示1或0 今或而,还可同时表示其它许多状态。量子物理学家称此为“加”可能有无限叠。  个有效叠加状态。因而量子计算机能同时做许多计算。 为了克服如何从量子计算机写入、出信息的主要障碍——从计算 读机读出将会破坏它赖以工作的叠加状态,去年几个小组的一些成员突然 想到利用核磁共振技术,技术现已广泛地应用到研究分子结构和测量 该 磁场。用核磁共振技术同时观测巨大数量的分子,会消除量子测量的破 就坏效应。  在1996年,M公司的物理研究者艾萨克·IBL·安博士、查伯克利 加里福尼亚大学的化学家等人拟制造一台执行检索算法的简单量子计算 机。研究者们用氯仿中的氢与氯原子建立起量子位。他们在量子计算机  上运行的分类程序,叫做格罗夫(rvr检索算法。Goe)一个实际应用是能从  因特网的环球网所有数据库中查找一个词。用常规计算机检索这个词要 用整整一个月时间,但用简单的量子计算机,索时间减少到2分钟。检7研  究者认为,氮仿计算机不大可能直接成为通用计算机,固此可以构成量子  协同处理器,类似于今天的专用个人机数学协处理器和图形加速器。它专 业化的应用基本上包括能快速检索巨型数据库或成功对最费解的密码系  统进行破译。  由于量子计算机涉及许多学科,中包括物理、其数学、计算机科学和  一 ¨ 一  http://www.6lib.com第六图书馆 化学,津大学、州理工学院等为此建立了跨学科的研究中心。由于量 牛加 子计算机对现代密码系统有深刻的影响,国国家安全局正在为洛斯阿美 拉莫斯国家实验室拨款开展这一领域的研究工作。  尽管量子计算机技术取得了上述进展,但科学家承认,要生产出实用  的量子计算机,还有待于做许多工作。 另据报导,子力学晶体管及其线路的进展为将来设计超高速计算 量 机奠定基础。  能使现行计算机运算速度提高许多倍的器件是双电子层隧道晶体管  (ET。这种管子的原理在去年年底华盛顿国际电子器件会议上由DLT) Sniada国家实验室的研究人员首次透露。DLT器件将有多种用途,ET除  用于超速计算机外,还用于各种新颖传感器,连接也简单。  Sni研究小组的负责人特里·西蒙斯强调说,ada未来管子的改进不 是靠大幅度地减小尺寸,而是靠Sniada的量子力学技术,根本上改变 从 制造与操作方法。不仅要以DLT器件的概念进行理论设计,要有 这ET也成功地制造出器件的工艺。们巳证明实际线路能工作,造起来也较容 他制 易。  这种技术部分地依据物质的波一粒子双重性质。该器件使用两层砷 化镓材料,每层厚度10。中间有厚度为15砷化铝镓阻挡层。当电5A,2A。  子在两个砷化镓层调整到具有相同能量和动量状态时(如对两个区施加  一 个电压)电子从一个区运动到另一个区不发生任何散射。 较早些时候,西蒙斯编制过一个专用于设计隧道晶体管的程序,该程  序是以逐层沉积技术为基础的。然而,现行技术限制了准确制造这种器 件,因为要求精确到10A甚至更小的尺寸。西蒙斯的小组设计了一种 00。 垂直叠加所有DLT层的方法,是使用分子束外廷或化学气相沉积 ET就 工艺,使之精确地生长单原子层。  一 1—  2 http://www.6lib.com第六图书馆 Sniada报告说,尽管还有更简单的隧道器件,DLT的运行速度 但ET 可达每秒1万亿次,大约是现行最快的晶体管的十倍。种器件的优点这这  是在极低的功率下运行,工作电压仅数十毫伏,其电流数十微安;而今天  的晶体营则要在数伏电压和数毫安电流下工作。 Sniada小组推测该器件可用于卫星的紧凑信息处理系统。这种  DLT高灵敏度传感系统有广泛的应用价值,ET在结构上做些改变后就  可以作为远红外探测器。  Smmosin告诫说,在可以制造出军用产品和民用产品之前,还要解决 几个工程上的缺陷。其中之一就是该器件现仅能工作在7。或7。以7K7K 下。但他又说,今年年底之前制造出的器件就允许在室温下工作。现在的  工作就要如同普通芯片设计那样在一块芯片上设计数百万个新电路。  DLT这种菅子有关一开一关三种状态,此代替常规晶体菅的关一 ET以开两种状态。这意味着让DLT执行相同工作量需要的菅子数比常规 ET 晶体营要少。为达到这一要求,芯片要完全重新设计

展望2011计算机与自动化

预计未来10~40年CONTROL ENGINEERING China版权所有,人类将面对一个资源广泛短缺的时代。美国《未来学家》杂志2010年最后一期,将一年来该刊中的最能激发人的预测及思想综合汇编成“2011展望”,以飨读者。
国务院发展研究中心国际技术经济研究所
计算机自动化
由于大脑与认知科学的进步,并与机器人[技术结合改进人机界面,未来人们可能通过机器人依靠意念控制自己的假肢活动。长期目标是创建机器人假肢界面,残疾人便可用意念控制身体的残缺部位。
互联网将智能化,单纯用于搜索的时间变短,考虑想要寻找什么的时间变长。例如,当你搜索“tank”一词时控制工程网版权所有,现在的互联网不知你要搜索的是军车,还是油箱。搜索引擎开发者正在教他们的程序如何根据词汇实际使用的场合来掌握其意义,而不是如现有的搜索器采用的常用意义。
卡内基梅隆大学与微软合作开发的“Skiput”计算机界面可以让人的身体(如手掌)形成虚拟触摸屏,可以显示并通过触摸向计算机或移动器件发送指令,用于听音乐、玩游戏,或各种计算功能。
未来战争可能较少人死亡,因为在高危险的位置会安排很少真人部队。据麻省理工学院的人类和自动化实验室主任卡明斯说,自动化的军车、无人战机和机器人战士可以从事广泛的危险任务,如运货、扫雷,甚至守卫国家边境等。
称为“都市跳跃器”的一种袋装式、轻便而精确的小型跳跃机器人可以帮助美军进行城市作战,减少战士的伤亡。这种机器人用GPS导向,能跳过25英尺的障碍,传送多种物件,如侦察所需的摄像机、麦克风等。
能源
改用电动车并不能减少能源需求。大规模地将车辆动力从燃油向电动转变虽然可减少碳排放,却可能增加更多的电力需求。家用电器、计算机、手机和其他电子消费品也将增加电力需求。
以电力需求为主的能源需求将继续暴涨。化石能源被指责造成90%的二氧化碳污染,太阳能和风能等可再生能源还不能成为可靠的基本负荷电源,因此核能得以复兴。核能可能很快要超过石油,预计到2030年将供应世界电力的30%,今天则占16%。
电动车将使化石燃料动力车遭淘汰。到本世纪中,美国可能将要完成从汽油车向更可靠的(行驶里程更长、较少维护的)电动车的过渡。
太阳能可能做小到如闪光点。光点般大小的光电池可以镶嵌到纺织品中,为移动器件提供无所不在的能源。美国桑地亚国家实验室开发的微小光电池还降低了太阳能的成本,可以利用通常的微电机系统(MEMS)技术制造。
油价的上涨可以靠可再生能源日益增强的竞争力来抑制。太阳能、地热能、风能、海浪能等均可减少对石油的依赖。到2060年,无污染的氢经济可能成为现实,但是需要付出代价。
环境
更多的核电站正在建设中,却不足以减少二氧化碳的污染。2007年,全世界有439座核电站,现有25个国家计划建设112座核电站。如果要靠核电对减少碳排放作出贡献,就要大约2000座新的核电站。
海洋中的死亡带正在快速加剧环境危险。农业的产业化让大量动物粪便和农作物肥料污染清洁水和海岸生态系统控制工程网版权所有,造成了越来越严重的富营养化现象,耗尽了鱼类、甲壳类和其他海洋生物赖以生存的氧。
今天受保护的很多物种将因各种灾难而灭绝。据阿德雷德大学和麦考瑞大学的一项研究,总数少于5000的任何物种只要有一次灾难就会灭绝。这使得总数只有1000~2000头的大熊猫、170只的加州神鹰都处于极危险的境地。重建大型栖息地和严厉的保护种群计划有可能使之远离危险。
北极领旅鼠种群的骤降是由于气候变化所致,将对世界产生连锁性的影响。长夏使动物没有时间繁育,北极领旅鼠还成为许多食肉动物,如雪鹗、贼鸥等的基本食物。快速的气候变化在北极尤为显著CONTROL ENGINEERING China版权所有,由此引起的北极区动物外迁,展示了气候变化如何影响动物的行为。
据美国海洋大气管理局Overland的研究,气候变化的效应因纬度而不同:北冰洋中冰的消失很可能造成欧洲、东亚和北美大陆更寒冷多雪的冬天。
美国农业部的研究认为,二氧化碳的增加促进了转基因大豆及其所对抗的野草生长。到2050年,二氧化碳浓度增加到百万分之550时,快速蔓生的野草会成为更大麻烦。
阿拉尔海曾经是世界第四大湖,近几十年严重干缩。恢复措施之一是建坝将较少污染和盐碱化的北部小块与南部大块隔离开。阿拉尔海如果保护措施不力,将会在2020年干涸。
粮食与农业
环保主义者未来可能因转基因作物可以减少二氧化碳而对其表示欢迎。以前转基因作物一直受到环保主义者的抵制,《全球秩序》的作者布兰德则认为,转基因是有利的。农业科学家确信他们已经分离出植物中的“温度计”,从而使之感知和适应温度的改变。英国科学家还发现了植物基因的突变,使之能在极热的条件下生长。因此,未来某一天有可能使农作物不再受气候变化的影响。
室内立体农场使得城市生活可自我维持,每个楼层都用于种植食物的“生命”摩天大楼很快就能在城市中出现。随着日益加剧的城市化,纵向的立体农场将食物生产者与消费者拉近,使农场向第三维——竖直方向扩展。利用现有技术,城区一座30层的摩天大楼可供养5万个市民。
世界潜在的粮荒可能会发端于地下水的过度开采CONTROL ENGINEERING China版权所有,水位急剧下降的国家保有世界人口总数的一半。估计4亿人(其中印度1.75亿,中国1.3亿)现在靠过度开采地下水的农业和加工生活。因地下水大部耗竭,沙特阿拉伯已经宣布,到2016年将完全终止小麦的生产。世界将进入食物不安全的新时代。食物的高价格,快速增长的饥饿人口,对土地和水资源日渐增强的争夺表明,国家必须更好地管理国内有限的资源,否则将会面临粮食短缺。
科学技术
量子计算将使网络免受攻击,但也可能使之不可防护。华盛顿大学的计算机科学家培根认为,争取率先创建一个大型量子计算机或量子网络是国家安全的要务。目标是驾驭基本粒子的量子水平行为,从而建造更快的计算机。这样就能使政府(或其用户)破解目前不可破解的密码,或创造基本无法破解的密码。
临界点科学表明,在股市、北极和大脑的功能之间有奇怪的相似性。《自然》杂志2009年的一篇报告指出,很多复杂系统,如市场交易、动物种群和生态系统,都展现了在大崩溃前的“早期警告”行为。作者认为,利用更加可靠的统计工具将有利于对各种系统的自然警告信号进行研究。
新出现的交通系统将减少交通堵塞和事故。洲际高速公路将有适合于计算机控制的汽车和货车的车道。机器人车(Robo-car,完全由车载人工智能控制的小型车)将在居民区接送老人和残疾人到超市、医院和他们想去的地方。
上述这些研究与其说是预测,不如说是展现未来可能发生的状况,警告人们避免潜在的问题,为争取较好的未来向我们提供行动的建议。

美国研发超导量子计算机所用的变光转换器

美国国家标准技术研究院的这款转换器是一种新型的控制设备,能调整那些量子构件间的交互作用,从而有可能加速量子计算机的诞生。

美国国家标准技术研究院(NIST)的科学家开发出第一款为超导电路(联系量子比特和量子总线)设计的的变光转换器,是未来量子计算机储存和传输信息的关键技术。美国国家标准技术研究院的这款转换器是一种新型的控制设备,能调整那些量子构件间的交互作用,从而有可能加速量子计算机的诞生。

如果量子计算机能被成功制造的话,就可以利用量子力学那些奇怪的规则来解决现在难以处理的某些问题。比如解密如今使用最广泛的数据加密编码,或者通过量子系统来模拟运算,解密高温超导体的原理。不像许多类似的系统那样利用个体原子的量子特性来储存和传送信息,超导量子使用的是震荡电流的“超级流程”,以微波能量的形式来存储信息。超导量子设备就像今天的硅芯片,可能大尺寸的还较易实现。

在即将发表的论文中有这样的描述,美国国家标准技术研究院的这款转换器能在两种类型(量子比特和量子总线)的电路中可靠地调整力与速率的相互作用,从100兆赫到接近0。好处是使得研究人员能在量子计算机可能的错综复杂的网络中灵活控制许多电路元件间的相互作用。

其它研究小组也论证过2或3种超导量子比特一起作用的转换器,而美国国家标准技术研究院的转换器是第一个通过在量子比特和共振腔间对个体微波光子控制交换,产生随时间可预测的量子行为。共振腔就相当于工程师所称呼的“总线”,是计算机中区域间传输信息的一种渠道。与项目主要负责人,美国国家标准技术研究院的物理学家Ray Simmonds一同参与实验的剑桥大学研究生Michael (Shane) Allman说,我们使全部三种不同元素共同作用,它们紧密连贯在一起减少了能量损失。

这三种元素就是量子比特、转换器和共振腔,在一个蓝宝石芯片上用铝重叠构建(如图所示),转换器是一种射频SQUID(超导量子干涉元件),像一个可调变压器一样的磁场传感器。一个电压脉冲产生的电路被认作是在一个量子比特中的一个单位电量,一个微波光子。通过对SQUID磁场的调整,科学家能够改变耦合电量或转移量子比特和共振腔间的单体光子的速率。研究者们观察到他们现在可以控制光子在一个速率来回运动。

转载自中国应用技术网

世界上最先进的量子计算机

美国IBM公司、斯坦福大学和卡尔加里大学科学家联合研制出世界上最先进的量子计算机,并首次证实这类装置有明显快于常规计算机的运算潜力。

领导该研究的IBM公司科学家伊萨克·张15日在公布该成果时说,这种量子计算机使用5个原子作为处理器和内存。研究职员对实验机型进行了测试,用它来确定一个函数的周期,结果发现,量子计算性能够只需一步就解决任何一个例题,而常规计算机完成相同的工作却需要多次循环运算。

量子计算机的独特之处在于,处于量子状态的粒子能够进进“超态”,即同时沿上、下两个方向自旋。这一状态可代表1、0以及中间的所有可能数值。因此,量子计算机可以不像常规计算机那样按顺序把所有数值相加,而是能够同时完成所有数值的加法,这使得量子计算机具有强大的功能。使用数百个串接原子组成的量子计算机可以同时进行几十亿次运算。

伊萨克·张以为,量子计算机有看应用于广泛的领域。用它进行数据库检索可大大进步网上搜索速度;也可用来设置或破译密码、进步天气预告正确性、模拟化学反应以加快新药的研制等。他猜测说,今后两年中,有7至10个原子的量子计算机将问世。

科学家以为,现有芯片制造方法将在未来10多年内即2020年左右达到极限,为此,世界各国研究职员正在加紧开发新型计算机。除量子计算机外,生物计算机和光计算机等也代表着未来计算机的发展方向。

影响未来人类生活的世界三大新科技

影响未来人类生活的世界三大新科技
世界科技浪潮波涛汹涌,一个个新进展、新突破令人目不暇接。目前,众多的国家和地区在科技前沿展开竞争,竞争热点领域则是信息通信技术、生命科学和纳米科技三大领域。
其中,信息通信技术被认为是当前最关键的技术,在21世纪上半叶仍将起主导作用。此外,生命科学将对人民健康、财富创造和环境质量产生重大影响,将为人类生命护航;纳米科技作为未来的启动技术,将为人类生活提速,一个全新的宽广视野将由此展开。刚刚过去的一年,也是这三大领域取得新进展的一年。
生命科学潜力无限
近一年半以来,破译生命密码的人类基因组计划日渐进入尾声,随之而来的以蛋白质和药物基因学为研究重点的后基因组时代已经拉开序幕,人类进一步迈向对自身的深入了解。
人类基因组计划的顺利进行为后基因组时代的研究奠定了坚实的基础。2000年6月26日,参与人类基因组计划的中国、美国、德国、日本、法国、英国等六国科学家向全世界宣布人类基因组工作草图绘制成功。人类基因组工作草图涵盖了人类基因组97%以上的信息,标志着科学家基本完成了人类基因组测序计划。2001年2月12日,上述六国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。科学家认为,“人类基因组计划”是继“曼哈顿”原子弹计划、“阿波罗”登月计划之后自然科学史上的第三大计划。
如今,世界上多家制药公司和生物技术公司正在后基因组时代的研究中展开竞争。但是,目前测定蛋白质的技术还远远落后于破译基因组的工具。据估计,人体内可能有几十万种蛋白质,大概需要10年时间进行识别。
人类基因组研究的发展还将促进生命科学与信息科学等相结合,带动一批新兴高技术产业的发展。据预测,在未来10至20年里,基因组研究重点将进入确定基因结构与功能等应用研究阶段,生命科学因此将迎来新的大发展。
去年7月2日,世界第一颗全植入人造心脏开始起跳。这一天,生命垂危的心脏病患者罗伯特.图斯在美国肯塔基州被成功植入了一颗与体外彻底隔绝、能够自主运行的人造心脏。这一新型的人造心脏被命名为“阿比奥科”(A bio-Cor)。
尽管这名接受移植的59岁患者在手术两天后出现肾衰竭、糖尿病等病症,并于2001年11月30日因慢性疾病引起腹腔出血而死亡,但这历史上第一颗被完整植入人体、无须与外界进行管线联接的完全意义上的人造心脏运行了将近5个月。这次手术被认为是自20世纪80年代以来人工心脏技术中的一大飞跃,是人造心脏移植手术发明近20年来具有划时代意义的巨大进步。
纳米技术挑战极限
晶体管是当今计算机的基本元素。Intel的创始人之一戈登.摩尔于1965年预言,到2010年,一个芯片上晶体管的数量将超过10亿。科学界中绝大多数人都认为,传统的硅芯片技术将在未来的10至15年内达到物理极限,到那时硅不可能再缩小。那么用什么来取代硅晶体管呢?纳米晶体管是取代硅晶体管的首选。
去年10月18日,美国朗讯科技公司的贝尔实验室宣布,用一个单一的有机分子制造出了世界上最小的晶体管,针尖般大小的尺寸上可以容纳1000万个这种晶体管。这种晶体管被称为“纳米晶体管”,因为它们的大小接近1纳米,即十亿分之一米。纳米晶体管的问世对芯片产业具有革命性的意义,表明科学家在超越晶体管技术障碍方面迈出了新的一步。
纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点,去制造具有特殊功能的产品。其应用主要在纳米材料和纳米器件两方面,而对人类社会生活及生产方式产生最深刻且广泛影响的将是后者。纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。
去年,纳米器件在多个领域都取得了突破。2月,以北威州纳米研究联合会和埃森大学为首的多家德国科研机构,在利用单个电子作为纳米电路开关的研究中取得进展。在普通的硅芯片半导体电路中,微晶体二极管通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”,实现这样一个过程大约需要10万个电子。而德国科学家在研究中发现,由55个金原子在平面分布形成的所谓“纳米簇”可以达到同样的功能,而且实现电路的接通和断开只需要一个电子。科学家称,这一研究可能为芯片业带来突破。
作为被美国《商业周刊》列出的本世纪最有可能取得突破的3项技术领域之一(另两项是生物技术和从外星球获得能源),纳米科技必将在广泛的领域极大地影响人类的生产和生活方式。
高精尖科技从梦想走入实际
量子技术的突破性进展出现在去年12月20日,美国IBM公司宣布该公司的阿尔美登研究所成功地进行了量子计算机的复杂运算。IBM的科学家将专门设计的多个分子放在试管内作为7个量子bit(比特)的量子计算机进行“绍氏算法”运算,结果准确地确认出整数15的因数为3和5。
尽管目前量子计算机的研究仍处于实验室阶段,但不可否认终有一天它必然会取代传统计算机走入寻常百姓家。据专家预见,在不远的将来,会出现一种工业,可以将量子计算设备嵌入到任何东西当中去,不必再像现在这样将一台个人电脑放在桌上,也许到那时桌子本身就是一台计算机,汽车轮胎可以计算速度和闸动力,医生可以将量子微型计算机插入到人体血液中以杀死肿瘤细胞……尽管现在这些还只是科学幻想中的故事,但大多数专家相信在2020年以后,这些领域的发展将非常迅速。
世界超导界刚走过不平凡的一年。从去年初日本科学家发现二硼化镁新超导体,到年末美国科学家发现在室温条件下可工作的超导体,在超导基础理论研究和超导材料的开发和应用方面,均取得可观进展。可以预料,正像光纤的发明催生出崭新的信息时代,高温超导材料也必将带来电力工业史上划时代的革命。

影响未来人类生活的世界三大新科技世界科技浪潮波涛汹涌,一个个新进展、新突破令人目不暇接。目前,众多的国家和地区在科技前沿展开竞争,竞争热点领域则是信息通信技术、生命科学和纳米科技三大领域。  其中,信息通信技术被认为是当前最关键的技术,在21世纪上半叶仍将起主导作用。此外,生命科学将对人民健康、财富创造和环境质量产生重大影响,将为人类生命护航;纳米科技作为未来的启动技术,将为人类生活提速,一个全新的宽广视野将由此展开。刚刚过去的一年,也是这三大领域取得新进展的一年。  生命科学潜力无限  近一年半以来,破译生命密码的人类基因组计划日渐进入尾声,随之而来的以蛋白质和药物基因学为研究重点的后基因组时代已经拉开序幕,人类进一步迈向对自身的深入了解。  人类基因组计划的顺利进行为后基因组时代的研究奠定了坚实的基础。2000年6月26日,参与人类基因组计划的中国、美国、德国、日本、法国、英国等六国科学家向全世界宣布人类基因组工作草图绘制成功。人类基因组工作草图涵盖了人类基因组97%以上的信息,标志着科学家基本完成了人类基因组测序计划。2001年2月12日,上述六国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。科学家认为,“人类基因组计划”是继“曼哈顿”原子弹计划、“阿波罗”登月计划之后自然科学史上的第三大计划。  如今,世界上多家制药公司和生物技术公司正在后基因组时代的研究中展开竞争。但是,目前测定蛋白质的技术还远远落后于破译基因组的工具。据估计,人体内可能有几十万种蛋白质,大概需要10年时间进行识别。  人类基因组研究的发展还将促进生命科学与信息科学等相结合,带动一批新兴高技术产业的发展。据预测,在未来10至20年里,基因组研究重点将进入确定基因结构与功能等应用研究阶段,生命科学因此将迎来新的大发展。  去年7月2日,世界第一颗全植入人造心脏开始起跳。这一天,生命垂危的心脏病患者罗伯特.图斯在美国肯塔基州被成功植入了一颗与体外彻底隔绝、能够自主运行的人造心脏。这一新型的人造心脏被命名为“阿比奥科”(A bio-Cor)。  尽管这名接受移植的59岁患者在手术两天后出现肾衰竭、糖尿病等病症,并于2001年11月30日因慢性疾病引起腹腔出血而死亡,但这历史上第一颗被完整植入人体、无须与外界进行管线联接的完全意义上的人造心脏运行了将近5个月。这次手术被认为是自20世纪80年代以来人工心脏技术中的一大飞跃,是人造心脏移植手术发明近20年来具有划时代意义的巨大进步。  纳米技术挑战极限  晶体管是当今计算机的基本元素。Intel的创始人之一戈登.摩尔于1965年预言,到2010年,一个芯片上晶体管的数量将超过10亿。科学界中绝大多数人都认为,传统的硅芯片技术将在未来的10至15年内达到物理极限,到那时硅不可能再缩小。那么用什么来取代硅晶体管呢?纳米晶体管是取代硅晶体管的首选。  去年10月18日,美国朗讯科技公司的贝尔实验室宣布,用一个单一的有机分子制造出了世界上最小的晶体管,针尖般大小的尺寸上可以容纳1000万个这种晶体管。这种晶体管被称为“纳米晶体管”,因为它们的大小接近1纳米,即十亿分之一米。纳米晶体管的问世对芯片产业具有革命性的意义,表明科学家在超越晶体管技术障碍方面迈出了新的一步。  纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点,去制造具有特殊功能的产品。其应用主要在纳米材料和纳米器件两方面,而对人类社会生活及生产方式产生最深刻且广泛影响的将是后者。纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。  去年,纳米器件在多个领域都取得了突破。2月,以北威州纳米研究联合会和埃森大学为首的多家德国科研机构,在利用单个电子作为纳米电路开关的研究中取得进展。在普通的硅芯片半导体电路中,微晶体二极管通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”,实现这样一个过程大约需要10万个电子。而德国科学家在研究中发现,由55个金原子在平面分布形成的所谓“纳米簇”可以达到同样的功能,而且实现电路的接通和断开只需要一个电子。科学家称,这一研究可能为芯片业带来突破。  作为被美国《商业周刊》列出的本世纪最有可能取得突破的3项技术领域之一(另两项是生物技术和从外星球获得能源),纳米科技必将在广泛的领域极大地影响人类的生产和生活方式。  高精尖科技从梦想走入实际  量子技术的突破性进展出现在去年12月20日,美国IBM公司宣布该公司的阿尔美登研究所成功地进行了量子计算机的复杂运算。IBM的科学家将专门设计的多个分子放在试管内作为7个量子bit(比特)的量子计算机进行“绍氏算法”运算,结果准确地确认出整数15的因数为3和5。  尽管目前量子计算机的研究仍处于实验室阶段,但不可否认终有一天它必然会取代传统计算机走入寻常百姓家。据专家预见,在不远的将来,会出现一种工业,可以将量子计算设备嵌入到任何东西当中去,不必再像现在这样将一台个人电脑放在桌上,也许到那时桌子本身就是一台计算机,汽车轮胎可以计算速度和闸动力,医生可以将量子微型计算机插入到人体血液中以杀死肿瘤细胞……尽管现在这些还只是科学幻想中的故事,但大多数专家相信在2020年以后,这些领域的发展将非常迅速。  世界超导界刚走过不平凡的一年。从去年初日本科学家发现二硼化镁新超导体,到年末美国科学家发现在室温条件下可工作的超导体,在超导基础理论研究和超导材料的开发和应用方面,均取得可观进展。可以预料,正像光纤的发明催生出崭新的信息时代,高温超导材料也必将带来电力工业史上划时代的革命。

用量子计算机进行化学模拟


哈佛大学(Harvard)理论化学家阿兰·阿斯普鲁·古茨克
来源:哈佛大学

TR35:全球科技创新人物

每年,麻省理工《科技创业》都会选出35位35岁以下的科技创新精英,他们引领了技术发展的新的潮流。我们从全球范围内征集候选人,并从中 挑选出在行业 内、学术界最优秀的人才。通过专家评审人员的帮助,我们着力评选出那些在一定程度上可解决实际问题,并促进社会和商业发展的顶尖人才。

理论上,量子力学可以为化学领域一些很有趣的现象提供完美的解释——例如,受激电子的行为,这些行为控制了如植物光合作用这样的化学反应。然而,必要的计算量即使对于目前最强大的计算机来说也显得力不从心。因此必须采用近似值,特别是对于有类似蛋白质这样的大分子参与的过程。

哈佛大学(Harvard)理论化学家阿兰·阿斯普鲁·古茨克(Alán Aspuru-Guzik)正在研究一种方法,使得人们有一天可以完全摆脱近似值,并生产出更好的药物或太阳能电池。
他已经发明了一种算法,使得量子计算机可以进行模拟化学过程,达到传统计算机从未达到过的精确水平。虽然量子计算机还没有强大到模拟大分子的行为,但阿斯普鲁·古茨克及其在澳大利亚从事量子计算机实验研究的同事,使用该算法成功地计算出了氢分子的能量。

阿斯普鲁·古茨克也正在探索光合作用中心的量子效应,希望研发出更便宜更高效的有机光伏电池。