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摘要：本文介绍了在21世纪出现的生物计算机，分子计算机、光计算机、超导计算机和量子计算机，这些新型计算机将对未来产生重大影响的。
关健词：生物计算机；分子计算机；光计算机超导计算机；量子计算机
中图分类号：TP38文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)04-11136-01
1 引言
自从1946年世界上第一台电子计算机诞生以来， 电子计算机已经走过了半个多世纪的历程。从第一代电子管计算机到现在正在开发的第六代神经网络计算机，计算机的体积不断变小，但性能、速度却在不断提高。自计算机问世50多年来，运算速度已提高了约10亿倍。在最新一代芯片中，晶体管之间的连接导线的厚度已被蚀刻到只有0.03微米，是人头发的1/4500。然而，原有发展起来的以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的，由于存在磁场效应、热效应、量子效应以及制作上的困难，当线宽低于0.1mm以后将不可避免地达到仅有单个分子大小的物理学极限。越来越多的专家认识到，在传统计算机的基础上大幅度提高计算机的性能必将遇到难以逾越的障碍，从其它技术方面寻找计算机发展的突破口才是正确的道路。目前至少有5种可能的技术来生产出未来的计算机，它们是：生物计算机，分子计算机、光计算机、超导计算机和量子计算机。就像电子计算机对20世纪产生了重大影响一样，各种新颖的计算机也必将对未来产生重大影响。
2 生物计算机
DNA生物计算机是美国南加州大学阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想。由于蛋白质分子中的氢也有两种电态。因此，一个蛋白质分子就是一个开关。从理论上讲，用蛋白质分子作为元件，就能制造出蛋白质型的计算机，又被称作“生物计算机”。科学家设计的生物计算机模型中DNA绝大多数都是悬浮于充满液体的试管之内来执行运算。与传统电子计算机以“0”和“1”来代表信息不同，在DNA计算机中，信息将以分子代码的形式排列于DNA上，特定的酶可充当“软件”来完成所需的各种信息处理工作。DNA计算机技术的诱惑力，在于其和传统硅技术相比所具有的巨大存储能力：一克DNA所能存储的信息量，估计可与1万亿张CD光盘相当；数百万亿个DNA分子拥有可感受和回应周围环境的所有计算结构，可在一个狭小的表面区域通过生物化学反应来协调工作，这一并行处理能力据认为可与目前功能最为强大的超级电子计算机媲美。
生物计算机具有三大显著优点：
(1)信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快10万倍；
(2)只需很少能量就可工作，不存在发热问题。并且拥有巨大的存储能力；
(3)由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。
3 分子计算机
分子计算机是在纳米电子技术的基础上发展起来的，现在的纳米电子技术有望水到渠成地成为目前以硅等为基础的微米级集成电路技术的“接班人”。分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。此外，分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。
与目前的计算机相比，分子计算机运行所需的电力将大大减少，并且有可能永久保存大量数据，从而使用户不必进行删除文档的操作。此外，这些计算机还能免受计算机病毒、系统死机或其他故障的影响。
4 光学计算机
所谓光计算机，就是利用光作为信息的传输媒体。未来的光计算机可能是混合型的，即把极细的激光束与快速的芯片相结合。那时，计算机将不采用金属引线，而是以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。这种传送方式称为自由空间光学技术。
光计算机有三大优势：
(1)光子的传播速度无与伦比，电子在导线中的运行速度与其相比就像蜗牛爬行那样。今天电子计算机的传送速度最高为每秒109个字节，而采用硅－光混合技术后，其传送速度就可达到每秒万亿字节；
(2)更重要的是光子不像带电的电子那样相互作用，因此经过同样窄小的空间通道可以传送更多数据；
(3)尤其值得一提的是光无须物理连接。如能将普通的透镜和激光器做得很小，足以装在微芯片的背面，那么明天的计算机就可以通过稀薄的空气传送信号了。
5 超导计算机
导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，这一奇妙的现象叫做超导现象。它是在1911年由荷兰物理学家昂尼斯首先发现的。具有超导性的物质称之为超导体。超导体在超导状态下电阻为零，可输送大电流而不发热、不损耗，具有高载流能力，可长时间无损耗地储存大量的电能以及能产生极强的磁场。1962年，正在英国剑桥大学攻读博士学位的研究生约瑟夫逊提出了超导效应（亦称约瑟夫逊效应）的原理，超导技术自此开始崭露头角，展现出引人注目的前景。利用约瑟夫逊效应，在约瑟夫逊结上加电源，当电流低于某一个临界值时，绝缘层上不出现电压降，此时结处于超导态；当电流超过临界值时，结呈现电阻，并产生几毫伏的电压降，即转变为正常态。如在结上加一个控制极来控制通过结的电流或利用外加磁场，可使结在两 个工作状态之间转换，这就成了典型的超导开关。利用超导开关可制成超导存储器、超导大规模集成电路，这是计算机中理想的超高速器件。
利用超导器件制成的超导计算机与普通计算机相比具有诸多优势：(1)运行速度快。超导开关的开关速度目前已达几微微秒（1微微秒＝10的12次方秒），这使得超导计算机的运行速度将比目前的计算机快100倍。二是功耗低，集成度高。由于电流在超导体中流动时不发热，也不损耗，超导集成电路的功耗仅为硅集成电路的几百分之一，为一般晶体管的二千分之一，因此其集成度可望做得很高。目前已达到大规模集成电路的水平；(2)超导器件的结构基本上可用现行大规模集成电路工艺制作，因而无需花费大量的财力与人力；(3)利用超导传输线来完成计算机中元器件之间的信号传输时具有信号无损耗和低色散的特点。
6 量子计算机
什么是量子计算机呢？把量子力学和计算机结合起来的可能性是在1982年由美国著名物理学家理查德·费因曼首次提出的。随后，英国牛津大学物理学家戴维·多伊奇于1985年初步阐述了量子计算机的概念。量子计算机是利用处于多现实态的原子作为数据进行运算，这是一种采用基于量子力量的深层次的计算模式的计算机。这一模式只由物质世界中一个原子的行为所决定，而不是像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，用晶体管的开与关来处理这些信息。在量子计算机中最小的信息单元是一个量子比特(quantum bit)。量子比特不只是开、关两种状态，而是以多种状态同时出现。这种数据结构对使用并行结构计算机来处理信息是非常有利的。
与传统的电子计算机相比，量子计算机有以下优势：(1)解题速度快。传统的电子计算机用“1”和“0”表示信息，而量子粒子可以有多种状态，使量子计算机能够采用更为丰富的信息单位，从而大大加快了运行速度。例如，电子计算机使用的RSA公钥加密系统是以巨大数的质因子非常难以分解为基础设计的一种多达400位长的“天文数字”，如果要对其进行因子分解，即使使用目前世界上运算速度最快的超级计算机，也需要耗时10亿年。如果用量子计算机来进行因子分解，则只需10个月左右；(2)存储量大。电子计算机用二进制存储数据，量子计算机用量子位存储，具有叠加效应，有m个量子位就可以存储2m个数据。因此，量子计算机的存储能力比电子计算机大得多；(3)搜索功能强劲。美国朗讯科技公司贝尔实验室的洛夫·格罗佛教授发现，量子计算机能够组成一种量子超级网络引擎，可轻而易举地从浩如烟海的信息海洋中快速搜寻出特定的信息。其方法是采用不同的量子位状态组合，分别检索数据库里的不同部分，其中必然有一种状态组合会找到所需的信息；(4)安全性较高。科学家们发现，如果过往的原子因发生碰撞而导致信息丢失时，量子计算机能自动扩展信息，与家族伙伴成为一体，于是系统可以从其家族伙伴中找到替身而使丢失的信息得以恢复。
7 谁将是未来的计算机
生物计算机，分子计算机、光计算机、超导计算机和量子计算机是实现高性能计算机的新途径，在21世纪内，这些新技术可能导致一场新的计算机技术革命，但是，这些新技术的成熟还有一个过程。而电子计算机仍有强大的生命力。在近半个世纪内，其他计算技术还不大可能完全取代电子计算机。我们不应强调研制纯而又纯的生物计算机，分子计算机、光计算机、超导计算机和量子计算机，而应发挥各自的长处，在优势互补、系统集成上多下功夫。事实上，各种混合技术，如光电技术、超导—电子混合技术，光学生物混合技术等都取得了较大进展。因此，可以预见，21世纪的计算机将是电子、超导、分子、光学、生物与量子计算机相互融合、取长补短的“混合型计算机”，它将具有极快的运算速度和惊人的存储容量，它的进展将在经历一段平缓期后获得巨大的技术飞跃甚至定义新的“摩尔定律”。而且，21世纪计算机的存在形式也会更加多种多样，它可能比针尖还小，甚至存在于人的大脑里，全球网络及数字通讯也将因此更加发达。
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关健词：生物计算机；分子计算机；光计算机超导计算机；量子计算机
中图分类号：TP38文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)04-11136-01
1 引言
自从1946年世界上第一台电子计算机诞生以来， 电子计算机已经走过了半个多世纪的历程。从第一代电子管计算机到现在正在开发的第六代神经网络计算机，计算机的体积不断变小，但性能、速度却在不断提高。自计算机问世50多年来，运算速度已提高了约10亿倍。在最新一代芯片中，晶体管之间的连接导线的厚度已被蚀刻到只有0.03微米，是人头发的1/4500。然而，原有发展起来的以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的，由于存在磁场效应、热效应、量子效应以及制作上的困难，当线宽低于0.1mm以后将不可避免地达到仅有单个分子大小的物理学极限。越来越多的专家认识到，在传统计算机的基础上大幅度提高计算机的性能必将遇到难以逾越的障碍，从其它技术方面寻找计算机发展的突破口才是正确的道路。目前至少有5种可能的技术来生产出未来的计算机，它们是：生物计算机，分子计算机、光计算机、超导计算机和量子计算机。就像电子计算机对20世纪产生了重大影响一样，各种新颖的计算机也必将对未来产生重大影响。
2 生物计算机
DNA生物计算机是美国南加州大学阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想。由于蛋白质分子中的氢也有两种电态。因此，一个蛋白质分子就是一个开关。从理论上讲，用蛋白质分子作为元件，就能制造出蛋白质型的计算机，又被称作“生物计算机”。科学家设计的生物计算机模型中DNA绝大多数都是悬浮于充满液体的试管之内来执行运算。与传统电子计算机以“0”和“1”来代表信息不同，在DNA计算机中，信息将以分子代码的形式排列于DNA上，特定的酶可充当“软件”来完成所需的各种信息处理工作。DNA计算机技术的诱惑力，在于其和传统硅技术相比所具有的巨大存储能力：一克DNA所能存储的信息量，估计可与1万亿张CD光盘相当；数百万亿个DNA分子拥有可感受和回应周围环境的所有计算结构，可在一个狭小的表面区域通过生物化学反应来协调工作，这一并行处理能力据认为可与目前功能最为强大的超级电子计算机媲美。
生物计算机具有三大显著优点：
(1)信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快10万倍；
(2)只需很少能量就可工作，不存在发热问题。并且拥有巨大的存储能力；
(3)由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。
3 分子计算机
分子计算机是在纳米电子技术的基础上发展起来的，现在的纳米电子技术有望水到渠成地成为目前以硅等为基础的微米级集成电路技术的“接班人”。分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。此外，分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。
与目前的计算机相比，分子计算机运行所需的电力将大大减少，并且有可能永久保存大量数据，从而使用户不必进行删除文档的操作。此外，这些计算机还能免受计算机病毒、系统死机或其他故障的影响。
4 光学计算机
所谓光计算机，就是利用光作为信息的传输媒体。未来的光计算机可能是混合型的，即把极细的激光束与快速的芯片相结合。那时，计算机将不采用金属引线，而是以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。这种传送方式称为自由空间光学技术。
光计算机有三大优势：
(1)光子的传播速度无与伦比，电子在导线中的运行速度与其相比就像蜗牛爬行那样。今天电子计算机的传送速度最高为每秒109个字节，而采用硅－光混合技术后，其传送速度就可达到每秒万亿字节；
(2)更重要的是光子不像带电的电子那样相互作用，因此经过同样窄小的空间通道可以传送更多数据；
(3)尤其值得一提的是光无须物理连接。如能将普通的透镜和激光器做得很小，足以装在微芯片的背面，那么明天的计算机就可以通过稀薄的空气传送信号了。
5 超导计算机
导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，这一奇妙的现象叫做超导现象。它是在1911年由荷兰物理学家昂尼斯首先发现的。具有超导性的物质称之为超导体。超导体在超导状态下电阻为零，可输送大电流而不发热、不损耗，具有高载流能力，可长时间无损耗地储存大量的电能以及能产生极强的磁场。1962年，正在英国剑桥大学攻读博士学位的研究生约瑟夫逊提出了超导效应（亦称约瑟夫逊效应）的原理，超导技术自此开始崭露头角，展现出引人注目的前景。利用约瑟夫逊效应，在约瑟夫逊结上加电源，当电流低于某一个临界值时，绝缘层上不出现电压降，此时结处于超导态；当电流超过临界值时，结呈现电阻，并产生几毫伏的电压降，即转变为正常态。如在结上加一个控制极来控制通过结的电流或利用外加磁场，可使结在两 个工作状态之间转换，这就成了典型的超导开关。利用超导开关可制成超导存储器、超导大规模集成电路，这是计算机中理想的超高速器件。
利用超导器件制成的超导计算机与普通计算机相比具有诸多优势：(1)运行速度快。超导开关的开关速度目前已达几微微秒（1微微秒＝10的12次方秒），这使得超导计算机的运行速度将比目前的计算机快100倍。二是功耗低，集成度高。由于电流在超导体中流动时不发热，也不损耗，超导集成电路的功耗仅为硅集成电路的几百分之一，为一般晶体管的二千分之一，因此其集成度可望做得很高。目前已达到大规模集成电路的水平；(2)超导器件的结构基本上可用现行大规模集成电路工艺制作，因而无需花费大量的财力与人力；(3)利用超导传输线来完成计算机中元器件之间的信号传输时具有信号无损耗和低色散的特点。
6 量子计算机
什么是量子计算机呢？把量子力学和计算机结合起来的可能性是在1982年由美国著名物理学家理查德·费因曼首次提出的。随后，英国牛津大学物理学家戴维·多伊奇于1985年初步阐述了量子计算机的概念。量子计算机是利用处于多现实态的原子作为数据进行运算，这是一种采用基于量子力量的深层次的计算模式的计算机。这一模式只由物质世界中一个原子的行为所决定，而不是像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，用晶体管的开与关来处理这些信息。在量子计算机中最小的信息单元是一个量子比特(quantum bit)。量子比特不只是开、关两种状态，而是以多种状态同时出现。这种数据结构对使用并行结构计算机来处理信息是非常有利的。
与传统的电子计算机相比，量子计算机有以下优势：(1)解题速度快。传统的电子计算机用“1”和“0”表示信息，而量子粒子可以有多种状态，使量子计算机能够采用更为丰富的信息单位，从而大大加快了运行速度。例如，电子计算机使用的RSA公钥加密系统是以巨大数的质因子非常难以分解为基础设计的一种多达400位长的“天文数字”，如果要对其进行因子分解，即使使用目前世界上运算速度最快的超级计算机，也需要耗时10亿年。如果用量子计算机来进行因子分解，则只需10个月左右；(2)存储量大。电子计算机用二进制存储数据，量子计算机用量子位存储，具有叠加效应，有m个量子位就可以存储2m个数据。因此，量子计算机的存储能力比电子计算机大得多；(3)搜索功能强劲。美国朗讯科技公司贝尔实验室的洛夫·格罗佛教授发现，量子计算机能够组成一种量子超级网络引擎，可轻而易举地从浩如烟海的信息海洋中快速搜寻出特定的信息。其方法是采用不同的量子位状态组合，分别检索数据库里的不同部分，其中必然有一种状态组合会找到所需的信息；(4)安全性较高。科学家们发现，如果过往的原子因发生碰撞而导致信息丢失时，量子计算机能自动扩展信息，与家族伙伴成为一体，于是系统可以从其家族伙伴中找到替身而使丢失的信息得以恢复。
7 谁将是未来的计算机
生物计算机，分子计算机、光计算机、超导计算机和量子计算机是实现高性能计算机的新途径，在21世纪内，这些新技术可能导致一场新的计算机技术革命，但是，这些新技术的成熟还有一个过程。而电子计算机仍有强大的生命力。在近半个世纪内，其他计算技术还不大可能完全取代电子计算机。我们不应强调研制纯而又纯的生物计算机，分子计算机、光计算机、超导计算机和量子计算机，而应发挥各自的长处，在优势互补、系统集成上多下功夫。事实上，各种混合技术，如光电技术、超导—电子混合技术，光学生物混合技术等都取得了较大进展。因此，可以预见，21世纪的计算机将是电子、超导、分子、光学、生物与量子计算机相互融合、取长补短的“混合型计算机”，它将具有极快的运算速度和惊人的存储容量，它的进展将在经历一段平缓期后获得巨大的技术飞跃甚至定义新的“摩尔定律”。而且，21世纪计算机的存在形式也会更加多种多样，它可能比针尖还小，甚至存在于人的大脑里，全球网络及数字通讯也将因此更加发达。
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。