下一代技术革命

来自：中音网

鼻涕虫、纳米技术、量子计算机
作者 潘杰
随着科技的不断进步，人类正面临着一场新的技术革命，在这次革命中，各种人类科学，包括物理、生物技术和计算机科学，将融合在一起，创造出仅有原子大小和分大小的微型机械装置。在这次技术革命中涌现出的许多新兴学科，比如纳米技术和量子计算机，将创造无限的计算能力。作为分支的电脑音乐系统将会从中受益，必然会将电脑音乐推向一个全新的高度……
全世界正经历着一场数字化信息革命――即用0和1两位数字编码来表达和传输一切信息的一场综合性技术革命，这就是数字技术。数字化是人类进入信息时代的必要条件，因为只有数字化的信息才能计算机化。数字技术和传统模拟技术相比，具有巨大的优越性，数字技术抗干扰能力强，传输距离远，信息保真率高，保密性强，加密容易。
数字化技术革命还必然将人类带入一个崭新的经济增长期，使传统的制造业在经历300年以大机器为中心的工厂或集中劳动方式后，再次走向高层次的分散劳动，并推动制造业进入集成制造阶段。从而使人类最终从工业社会进入知识社会。
面对这场新到来的技术革命，我们可以大胆预测，采用这些新技术，人类就能够在一个只有糖块体积大小的设备中集成强大的计算能力。这种设备的运算能力比目前世界上性能最好的计算机还要快。初步估计，或许在2020-2025年，但肯定在2050年以前，人类将制造出一种超强的计算机，它的计算能力达到每秒钟进行10的24次方次逻辑运算。相当于10亿台Pentium计算机的计算能力。
变迁
进入二十一世纪，计算机的应用已遍布人类生活的各行各业。计算机应用最成功的领域是网络。二十世纪90年代初提出的信息高速公路构思基本实现，人类目前已经实现了无国界的大范围的分布式数据连接和处理。我们可以乐观预言，在二十一世纪的头十年，人类已经可以对单个原子进行处理，创造出智能化、具有学习功能能够自我复制的微型机器。美国麻省理工学院的专家认为，目前，纳米技术和量子计算机的研究已经取得重要进展，用来实现这些技术的基础知识和原料都已得到广泛认可。纳米技术和量子计算机对于人类的发展具有无法估量的重要意义，就像当年个人电脑出现那样，必将对人类的进步产生深远影响。传统的PC将被扔进垃圾桶。纳米技术和量子计算机将创造出新的工业革命，这种工业生产的原子计算设备被嵌入到各种设备中。到那时，计算机不会像过去那样单独摆放在桌面上，而是以人们的日常生活所用的工具、物品形象出现。茶杯可能就是一台计算机，枕头可能就是一部音乐电脑，能记录你在床上突发的灵感；汽车轮胎可以在行驶过程中计算汽车的力度和刹车的力度，减轻司机工作负担。更让人无法想像的是，医生还可以把微型机器人注射到病人的血液中来消除肿瘤。上述的描述现在看起来像天方夜谭。但科学家认为，到2020年甚至更早，人类肯定会实现上述梦想，在时间上只是早晚的问题而已。
IBM公司在持续5年的研究中取得瞩目的成果，他们已经成功地制造出一个量子计算机模型。美国宇航局（NASN）也在纳米碳管（一种微型中空的碳原子管）的基础上模拟了晶体管的可能性。现代许多电子设备和数码乐器，包括合成器、音源、采样器、数字调音台等都在使用晶体管作为基本的电器元件。晶体管的开发从其诞生就开始进行，时至今日，各种研究表明，晶体管中的硅的物理特性已经发挥到极限，很难再有突破性的进展。寻找代替硅的物质已经迫在眉捷，而纳米面料管是公认的最好代替品。
鼻涕虫、纳米技术
毫无疑问，纳米技术和量子计算机有非常广阔的应用前景，更可以给许多大公司提供千载难逢的赚钱机会。包括IBM、Motorola(摩托罗拉)、Xerox、Lucent、Sun等大公司都在加快对纳米技术和量子计算机的研究速度。许多国际著名高校和政府研究机构更是不惜余力，全力攻关，如加州大学伯克力分校、麻省理工学院、哈佛大学、NASA也在积极从事这方面的工作。由于纳米技术和量子计算机的研究涉及到众多学科，投资风险巨大，许多公司和科研机构纷纷采取联合开发的策略。IBM和Lucent已经联合成立一个科研中心，研究范围包括物理、生物、化学、艺术、医学多个领域。并且希望把这些技术应用到计算机科书法家之中，开发出多用途、具有真正人工智能的新计算机品种。国际乐器生产厂家Alersis、Kuzwile已开始进行类似的研究，由于纳米技术可以代替晶体管的硅，具有海量的处理能力，量子计算机能嵌入合成器并计算合成出目前最先进的合成器也无法合成的声音，纳米技术和量子计算机可以使数码乐器变得更轻、更小、更先进。
纳米技术也称分子制造技术，利用纳米技术能够以较低的花费制造出只有原子尺寸精度的产品。纳米技术涵盖了产品的设计建模和制造过程。在计算机方面，纳米技术可以把分子逻辑单元连接成某种复杂模式，进而形成分子计算机。目前，纳米技术的最大障碍是急需一种能够简单而且快速地构造纳米设备和原料的装置，这种装置被称为“装配机”。“装配机”的主要功能是能够制造出具有原子精度的原料或者任意的原子结构排列。一旦“装配机”研制成功，我们就让它实现自我复制，这是纳米技术最有经济价值的地方。纳米碳管是构造纳米设备的一个最关键也是最基本的部件。1991年日本NEC公司的科学家发现了纳米碳管。纳米碳管是一种由碳原子形成的空心管，它的直径大约是人类头发直径的万分之一，能够传导高强度电流和超大容量数据信号，而且在硬度上非常坚固。纳米碳管可以应用在科学的各个领域，是一种非常有前途的技术。
在计算机发展史上，IBM再次把自己的名字刻上里程碑。2001年8月26日，IBM公司向业界宣布，其科学家已经研制出世界最小的计算机逻辑电路，这是一个由单分子碳组成的双晶体管元件。由IBM研制出的电路是非门――三种计算机处理器基础逻辑电路的一种。IBM的纳米科学研究部经理Phaedon Avouvis指出：IBM在所有产品中使用纳米技术的时间还需5-10年，甚至更长，但不排除期间取得突破性进展的可能性。
构成这种电路的材料是纳米碳管（carbon nanotube），一个比头发还细10万倍的中空体管。纳米管直径只有1至2纳米，但强度却是钢铁的10倍。纳米碳管因其超常的能量及半导体性能，而被IBM的研究者认为最可能在未来代替硅，成为生产晶体管和微处理器的主要材料。纳米碳管逻辑电路由Avouris和其它三名IBM科学家研制出来，它由一对晶体管组成，一个正极，一个负极。这标志着，建成取代以硅为基础的计算机微处理器的三个步骤完成了第2步。第一步是发明碳纳米晶体管。而最后一步是把众多的逻辑电路集成到可执行复杂计算的微处理器上。Avouris说：“未来，我们将能够生产数以百万计的碳纳米管，并制造出首个使用碳纳米管技术的微处理器，那时的计算机成本将更低，速度将更快，体积将更小。”
业界人士担心，预言处理器性能翻倍提高的摩尔定律将因为硅芯片技术的限制而受到阻碍。Avouris预言，硅的物理障碍将出现5-10年间，到那时硅芯片不可能再缩小，从而使其性能的提高再次受到制约。而当这些情况发生时，IBM认为纳米碳管时代将到来，它将使处理器的体积更小，能集成更多的晶体管，给摩尔定律新的生命。Avouris说：“碳纳米管能代替今天硅所有的作用，并可能超越硅的历史作用。”
摩尔定律告诉我们，每过18个月，芯片中的晶体管数目就会增加一倍，按照这样的速度，到2012年，每个晶体管只有3个原子大小。许多公司和科研机构之所以花费巨资加快纳米技术和量子计算机研究的另一个重要原因是对摩尔定律的怀疑。到了2012年，摩尔定律肯定不能再适应技术的发展，录我们开始研制仅有原子大小的设备时，我们将开始使用量子定律。
生物学家全面的研究发现，即使是最原始的生物组织，也比人类目前最先进的超级计算机要先进、复杂得多。因为，即使是最简单的生物体也能够自我学习、存储和传递信息，而且能够自我复制。而计算机在这方面却无能为力。生物学家发现，最原始的生物鼻涕虫的神经系统非常简单，这种神经系统会触发一种钙信号波形。当鼻涕虫受到外界刺激时，这种波形将发生变化。不过，即使是这样简单的神经系统也是一个高度智能化的网络，比起人类目前的网络有天地之别。如果根据鼻涕虫的神经原理研制出类似的信息存储方法，对于计算机的发展将起到难以估量的作用，人类的网络系统会有质的变化。
现在，我们高兴地看到，一些科研机构已经在上述领域取得重大进展。美国宇航局（NASA）最近开发出一种能够部分模拟人类大脑工作的计算装置――“三维人工网络处理器”，该处理器能使机器根据它们的所见快速作出反应。这种计算装置的工作方式颇像人类大脑。人类大脑传递视觉信息的功能，来自神经元中被称为神经键的复杂交互式连接网络，它使人能够对观察到的图片和景像快速作出判定。美国宇航局新开发的处理器则具有与大脑视觉部分相同的能力，能够实现处理图像和人工智能信息。
美国宇航局帕萨迪纳喷气推进实验室上周发布的消息称，这一装置的运算速度达到了每秒一万多亿次，而功率只有8瓦特。它的速度比一台典型商用台式计算机快千倍以上。该室验室“生物激励技术和系统小组”负责人塔库博士说，这一技术将使机器的自动性能显著提高。专家认为，该技术在公共安全和电子游戏、数码乐器、计算机等方面具有巨大的商业价值。它可用于制造能够根据用户的表情作出反应的数码乐器，使个人表现力得到很大提高，使你的演奏完全富有个性化。同时可以搭载蓝牙技术在设备之间进行数据传输。
近日，德国马克斯・普朗克生物化学研究所的科学家成功地将动物神经细胞与芯片进行联接，并实现了神经网络与芯片相互间的信息传递。该研究所的科学家福罗姆海茨8月27日向新闻界透露，他们成功将一只蜗牛的多个神经细胞分离出来，移值到一块硅酮芯片上，并且观察到刺激信息通过神经网络传递的过程。科学家用电压刺激一个细胞，这个脉冲信息就通过神经网络传到了另一个细胞，并被那里的芯片记录下来了。这个实验表明，刺激信息通过神经网络传送到芯片上。
福罗姆海茨指出，与十年前科学家首次成功地将单个细胞分离并与芯片联通相比，此次他们成功实现的是神经网络与芯片的联通及信息的相互传递。科学家强调，实现神经网络与芯片的信息沟通“是一个十分重要的成果”。将来人们可以将这一技术用于仿生器官的制造，可以通过人的大脑向芯片发出各种指令，无须进行物理接触控制或语言控制，如果将这一技术用在音乐合成器上，则可以通过芯片向合成器发出复杂的演奏指令，让合成器真正明白用户的想法和要求，而不是通过键盘反复演奏把构思编排出来，让音乐家的灵感直接通过大脑传给芯片。
量子计算机
目前人们使用的计算机都是建立在位运算基础上，也就是说，所有信息都会在计算机的电路中被转换为一系列由0和1组成的编码。但是，随着大规模集成电路技术的发展，电路设计越来越向微型化发展，而计算机也逐渐开始向神奇的量子物理学方向靠拢。量子物体，比如电子和其它亚原子微粒，可以被认为同时存在多种状态，比如，除能同时表现出“上”和“下”或是同时具有“0”和“1”的状态外，还能够表示0和1之间任何一个可能的值。例如：一只老鼠准备绕过一只猫，按照经典物理理论，它要么从左边过，要么从右边过。按量子理论，它可同时从猫的左边和右边穿过。当你观察一个量子物体时，可以通过一种类似于“快照”的方式来获取它在某一时刻的状态信息，不过，由于量子计算机中的量子物体比传统计算机中的比特位要复杂得多，在你进行观察的同时，将会破坏这个量子物体中保存的信息。
最子能够同时表现多种状态的性质称为“重叠”，它为人们提供一种完全不同的计算途径。使用量子计算方法，一个量子位（quantum bit,简称qubit）可以让你同时操纵两个完全不同的数值。随着串联在一起的qubit数量的增加，计算能力会呈指数倍增长。例如，如果把两个qubit串联在一起，那么就可以同时操纵四个数值；如果把三个qubit串联在一起，可同时操作纵的数据将达到8个，依次类推，如果能够把40个qubit串联在一起，能够同时操纵的数值将超过一万亿个。这种特性使量子计算机的运算速度得到成百上千万的提高，传统计算机需要一百万步才能解决的问题，使用量子计算机只需一千步就可以完成。例如，如果5000个qubit串联在一起，可以在大约30秒内解决传统计算机要100亿年才能解决的大数因子分解问题。这种计算能力是任何传统计算机都望尘莫及的。
从专业角度看，量子计算机到底呈现什么样的形态呢。目前，光子、离子和原子核都已经获得成功的应用，这些微观粒子的高速旋转运动使它们能同时代表0和1两种状态。在美国国家标准技术研究所（NIST），两个被分离的铍离子已经被成功地连接在一起，这也许是世界上第一台具有两个量子位(qubit)的计算机。除离子分离设备外，核磁共振装置也可以帮助科学家在量子计算实验中获取旋转的原子核，甚至还有人建议使用传统的硅材料来制作量子计算机。据专家估计，在二十一世纪十年中，科学家将开发出具有30位qubit的量子计算机，但这仅仅是一个良好的开端。如果想利用量子计算机来处理那些传统计算机无法解决的问题，那么量子计算机至少应当具有成百上千个交织成网状的量子位。目前，量子计算机在现实生活中取用还有一些困难。主要是量子计算机在工作时不能受到任何干扰，就像在冲洗胶卷时任何一点光线都会造成曝光一样，量子计算的过程也必须类似黑箱的方式进行，即使是观察一下也会使计算结果出现错误，科学家目前正在努力解决这一难题。
尽管纳米设备和量子计算机的广泛应用还需要经历一段相当长的时间，但我们可以大胆地预测，在未来发展中，将有多种学科和工业参与到纳米设备和量子计算机的研究当中。到2012年，我们肯定能够看到采用这些新兴技术的产品问世。它将使人类的技术发展产生一个质的飞跃。
让我们期待梦想早日实现！