未来的信息技术

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1、未来的信息技术郭光灿中国科学技术大学量子信息重点实验室灿郭印光目录一、引言－后莫尔时代的新技术二、量子密码三、量子因特网四、量子计算五、量子信息基础理论六、结论一、引言我国现代技术明显落后的状况与我国全面建设小康社会和实现中华民族复兴的宏伟目标极不相称。现代技术的世界格局基本确立，即便我们跟着现代技术的潮流向前发展，也难于在整体上超越国际先进水平，与西方强国水平上的差距甚至有可能越来越大。一、引言“新型工业化”必须以高技术为基石，但我国目前落后的科学技术现状明显地制约着新工业化的进程。当前摆在我们面前的一个紧迫任务是，如

2、何闯出一条新的发展道路，开拓新一代技术，彻底摆脱长期被动的局面，实现真正的跨跃式发展。一、引言莫尔时代的终结为开拓新技术创造了难得的机遇按莫尔定律发展的微电子造就了IT产业几十年的辉煌。然而，由于量子效应和热耗散的影响，人们却会完全失去按传统方式控制电子的能力。这表明，莫尔时代必将告终。一、引言什么是后莫尔时代的新技术呢？它将如何超越以微电子和激光为代表的现代技术？已成为全世界战略竞争的新焦点，也为我国科技复兴提供一次难得的战略机遇。在现代技术发展的历史上，我们曾丧失掉若干极重要的发展机遇，导致在其后的战略竞争中始终处于下

3、风。这次我们必须从探索研究阶段开始就牢牢地把握住机遇，争取先机，控制制高点，开拓出新一代技术，为中华民族自立于世界之林做出贡献。一、引言量子调控孕育着新一代技术现代技术建立在量子力学基础之上，构成20世纪高科技的重要基石的微电子和激光都是直接应用到量子力学原理而发现的。现代技术的发展仅仅是量子力学简单应用而已，其本质上仍属经典调控技术。一、引言经典光束受激辐射激光电势调控电子流能带理论微电子应用原理例如0,1布尔代数量子器件信息现代技术是一种经典调控技术，它仅运用到基本的量子现象。0,1布尔代数量子器件信息一、引言这些初等

4、量子效应已经为人类社会造就了半个世纪的前所未有的昌盛和繁荣。更深刻的量子现象和效应将构成这种基于经典调控的现代技术难于逾越的障碍，换句话讲，现代技术正在迅速地达到其物理极限，人类文明社会的持续发展必然要依仗着更高层次的新一代技术的出现。量子调控应用到更深奥更奇妙的量子效应，它孕育着新一代技术，将在未来世纪中发挥出难于估量的影响。一、引言量子调控的特征量子力学中奇妙的量子态，具有本质特征的相位和蕴藏着极其丰富量子效应的强耦合多粒子体系等更深刻的量子特征将孕育出面貌全新的技术。例如，相位伴随着量子干涉，而这种干涉可通过改变光、

5、电、磁、机械和几何等参数来改变其载流子的相位，以调控干涉行为，达到技术上可使用的量子调控性。一、引言在现代技术中仅运用到电子的电荷属性，传统上利用电场来控制电流，但电子同时具有自旋的量子属性，通过对电子自旋的量子调控和操纵，将导致新一代自旋电子学的诞生，开发出集存储、逻辑和显示等功能于一身的新一代自旋电子器件；运用量子态作为信息单元将使信息科学发生根本性变革，量子存储器的数据存储能力呈指数增长，运用适合算法，量子计算机可攻破现有的密钥体系，而量子密码则可提供绝对安全保密通信。一、引言当现代光子技术中光的衍射极限构成光子器件

6、性能提高的根本性障碍，诸如光存储能力、通信容量等受到了最终的限制，纳米尺度光子器件和近场光学可突破这种衍射极限的限制，极大地提高光子器件的性能。一、引言调控对象，从对简单体系的初级调控发展到对基于电子、光子、声子、自旋、量子态等量子概念的复杂体系的高级调控；调控方法，从目前广泛使用的简单低层次的经典调控方法发展到对电、磁、光等全面的深层次的高级量子调控方法。最终将开创出基于量子调控的新一代技术，预期这种技术将具有相干性好、可集成控制、快速操作、功能集成和低功耗等现代技术所无法具备的特征。一、引言20世纪60年代，日本正是抓

7、住从电子管转型到晶体管的机遇，及时地提出“半导体立国”的发展战略，一跃成为工业大国。21世纪我国应及时地把握住现代技术转型的重要时机，将“量子调控技术”作为国家发展战略任务给予有力扶持，必将在我国新型工业化发展中发挥至关重要作用。一、引言现代技术本质上是应用了量子力学基本原理的经典调控技术，而未来的新一代技术则是应用到诸如量子态、相位、强关联等深层次量子特性的量子调控技术。如图1所示。一、引言现代技术(经典调控)微电子技术光子技术经典信息极限：集成度限制：运算速度极限：衍射斑限制：通信容量等极限：0.1布尔代数限制：串行运

8、算一、引言后莫尔时代的新技术（量子调控）分子/纳米电子纳米光子学量子信息学特点：自组装性能：突破集成度极限特点：近场光学性能：突破衍射极限特点：量子态作信息单元性能：并行运算现代技术和新一代技术一、引言量子信息将成为后莫尔时代的新技术，它是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科。量子信息以量子态作为信息