物理在计算机中的应用

安阳工学院

《普通物理学》论文

物理在计算机中的应用

院系：计算机科学与信息工程学院

专业: 计科（嵌入式方向）

姓名：杨杰

学号：201103010024

指导老师：李建新

2012-5-6

物理在计算机中的应用

计算机正在全面进入生产技术、科学研究和社会生活的各个领域，彻底改变着整个人类文明的进程。近代物理学的发展已有三百多年的时间，计算机的诞生是物理学发展的必然结果, 几十年来，计算机技术的高速发展又为物理学提供了强有力的支持, 计算机技术与物理学相辅相成, 相互促进，相互渗透,两者有高度的交叉性。回顾计算机的发展史, 我们发现每一个阶段都是以物理学的发展变革作为前提的, 再看近代物理学的历史, 计算机扮演着一个不可替代的角色。

1.计算机诞生的理论基础

物理学作为理论基础: 伟大的物理学家牛顿( 1642- 1727)发明了微积分, 发现了万有引力定律, 创立了经典光学理论,建立了牛顿力学大厦; 数学家布尔( 1815- 1871) 和德莫根发明了数理逻辑中最重要的布尔代数; 法拉弟( 1791- 1867) 、麦克斯韦创立了电磁理论, 赫兹发现了麦克斯韦预言的电磁波; 爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森伯、薛定谔、狄拉克创立了量子力学; 德福雷斯特发明了对电信号有放大作用的电子三极管。

自牛顿去世到1943 年, 全世界物理学家经过200 余年的不断努力, 在数理逻辑和物理学的电磁理论、量子力学、半导体理论等方面获得了的巨大成功, 为计算机的诞生在理论和技术上

作好了充分的准备。

2.物理学是计算机硬件的基础

1944 年, 美国国防部门组织了有莫奇利和埃克特领导的200 多位专家研制小组, 经过两年多的艰苦劳动, 于1946年2月15 日, 在美国的宾夕法尼亚大学里研制出了人类的第一台电子管数字积分计算机ENIAC。1947 年, 美国的巴丁等几位科学家研制出了既小又可靠, 并且不会变热, 结构单一的晶体管。1953 年, 德克萨斯仪器公司和仙童公司都宣布研制成第一块集成电路。1954 年, 德克萨斯仪器公司首先宣布建成了世界上第一条集成电路生产线。随后美国贝尔实验室制成第一台晶体管计算机——TRADIC, 使计算机体积大大缩小。

早期巨大的电子管

1958 年, 美国IBM 公司制成全部使用晶体管的计算机, 第二代计算机诞生了。第二代计算机的运算速度比第一代计算机提高了近百倍。

60 年代中期, 随着集成电路的问世, 第三代计算机诞生了, 其标志产品是1964 年由美国IBM 公司生产的IBM360 系列机。早期的INTEL 8080 CPU 的晶体管集成度超过5000 管/片, 1977 年以后在一个硅片上就可容纳数万个管子。80 年左右,

IBM 制成了第一代微型计算机8086。PIII 的晶体管集成度有2800 万个。

世界上第一个晶体管

第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器,使计算机向着微型化和巨型化方向发展。计算机的微处理器从早期的8086, 发展到80286, 80386, 80486, 奔腾( Pentium) 、奔腾二代( PentiumⅡ) 、奔腾三代( PentiumⅢ)及奔腾四代( Pentium Ⅳ)。

集成电路

下图为大规模集成电路

整个计算机的硬件基础就是物理, 记得有一个家长说他的孩子喜欢计算机, 问教授他的孩子应该学什么时, 教授回答:“ 如果他想要搞硬件, 应该学物理, 想要搞软件应该学数学! ”我们应该看出了, 物理在计算机发展中的地位, 整个硬件的基础, 没有硬件的发展, 计算机在一定的程度上想往上提高不可能! 量子计算机已经在实验室研制成功。

3.物理学研究成果在计算机上的应用举例

磁芯现代算机内存贮器都是体积小, 速度快的磁芯所组成, 而磁芯的应用, 则是物理学研究成果用于计算机的一个突出例子。1950年王安等人在《应用物理学》杂志上发表了磁性材料的有关论文，一年后, 同一杂志发表了斯莱斯特应用，这种材料于数字记录的文章。两年后, MIT的计算机就采用了这种磁芯作为内在贮器, 从此, 陆续研制出了磁带, 磁鼓，磁盘, 软磁盘等, 四十多年来, 磁性材料一直是计算机的主要或辅助存储设备。

下图为磁芯存储器

另一方面, 一旦发现了某种物理效应, 只要条件具备, 就可以产生一种新器件。例如：固体电子学中有场效应, 构成了MOS集成电路量子力学的隧道效应, 发明了隧道二极管；六十年代初发现了约瑟夫逊效应, 今天就已经有了高速度, 低功耗的器件等等。计算机的外设是一个涉及面广的领域, 物理学中的声、光、热等学科, 在它上面得到充分体现, 例如：计算机输出信息, 要靠电话线或专用线传到较远的地方, 这就是把数字信号变成音频信号。

MOS集成电路

另外, 要让计算机懂得人的话语, 这是人工智能的主要研究对象, 其中就有语言声学的研究。计算机的输入设备之一, 大容量存贮装置光盘, 是一种利用激光在某种介质上“刻”上信息的只读存贮器, 另一种激光存贮器正在进行研制, 它利用激光全息照相来存储信息而用于计算机。光学纤维可用来作为计算机网

络中的数据通道, 以负载音频信号达到远程数据的共享。

4.科技前沿：“荒诞不经”的黑洞计算机

为了与时俱进，研究人员可以把物理学定律看作计算机程序，把宇宙看作一台计算机。黑洞计算机可能听起来荒诞不经，然而，宇宙学和基础物理学的研究人员正在证明它是一个有用的概念工具。如果物理学家能够在粒子加速器中创造黑洞（有预言认为10年之内可能实现），他们可能确实能观察到黑洞在执行运算。

5.量子计算机

量子计算机处理器

变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。

量子计算机，或推而广之——量子资讯科学，在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题。除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。

半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。

量子计算机的特点

相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特（qubits）），量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的玄正变换。

1.量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；

2量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。