（新编）生物计算机的原理

1、生物计算机的原理？生物电脑最终会促使电脑与人脑的融合。目前最新一代实验计算机正在模拟人类的大脑。英国剑桥大学研究发现了“生物电路”，一些蛋白质的主要功能不是构成生物的某些结构，而是用于传输和处理信息。人们正努力寻找神经原与硅芯片之间的相似处，研制基于神经网络的计算机。尽管目前研制出来的最先进的神经网络拥有的智力还非常有限，但大多数科学家认为，仿生计算机是未来发展之路。国外有科学家预言，到2020年，运算速度更快的生物将取代硅芯片。中国科学院计算机研究所的专家胡伟武告诉记者，目前以集成电路为基础的传统计算机已经快要发展到极限。按照目前的速度，计算机发展遵循的“摩尔定律”（每18个月芯片速度翻一番，价格降低一半）将在2007年失效。生物技术与计算机技术联姻的生物电脑成为计算机发展的一个新的突破口。生物电脑就是利用生物分子代替硅，实现更大规模的高度集成。传统计算机的芯片是用半导体材料制成的，1毫米见方的硅片上最多不能超过25 万个。而生物芯片上生物计算机的元件密度比人的神经密度还要高100万倍，传递信息的速度也比人脑的思维速度快100万倍。生物电脑的另一个显著特点就是存储量极大。单个的细菌细

2、胞，大小只有1微米见方，与一个硅晶体管的尺寸差不多，但是却能成为容纳超过1M 字节的 DNA 存储器。生物芯片快捷而准确，可以直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量。生物电脑将能用来改善和增强人的记忆力。英国电信研究所所长科克伦甚至感慨道：“想想拥有一个真正快速处理数据和记忆的大脑吧，它不会曲解，不会老化。我们将不会忘掉任何东西，也可以加工一切信息”生物计算机能够如同人脑那样进行思维、推理，能认识文字、图形，能理解人的语言，因而可以成为人们生活中最好的伙伴，担任各种工作，如可应用于通讯设备、卫星导航、工业控制领域，发挥它重要的作用。美国贝尔实验室生物计算机部的物理学家们正在研制由芯片构成的人造耳朵和人造视网膜，这项技术的成功有望使聋盲人康复。生物电脑的成熟应用还需要一段时间，但是目前科学家已研制出生物电脑的主要部件 生物芯片。美国明尼苏达州立大学已经研制成世界上第一个“分子电路”，由“分子导线”组成的显微电路只有目前计算机电路的千分之一。2007-07-04 13:59生物计算机与量子计算机 首先是生物计算机 人类有一门学科叫仿生学，即通过

3、对自然界生物特性的研究与模仿，来达到为人类社会更好地服务的目的。典型的例子如，通过研究蜻蜒的飞行制造出了直升机；对青蛙眼睛的表面“视而不见”，实际“明察秋毫”的认识，研制出了电子蛙眼；对苍蝇飞行的研究，仿制出一种新型导航仪振动陀螺仪，它能使飞机和火箭自动停止危险的“跟头”飞行，当飞机强烈倾斜时，能自动得以平衡，使飞机在最复杂的急转弯时也万无一失；对蝙蝠没有视力，靠发出超声波来定向飞行的特性研究，制造出了雷达、超声波定向仪等；对“变色龙”的研究，产生了隐身科学和保护色的应用 仿生学同样可应用到计算机领域中。 科学家通过对生物组织体研究，发现组织体是由无数的细胞组成，细胞由水、盐、蛋白质和核酸等有机物组成，而有些有机物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开 ”与“关”的功能。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。科学家把这种计算机叫做生物计算机。 生物计算机有很多优点，主要表现在以下几个方面： 首先，它体积小，功效高。在一平方毫米的面积上，可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多，用它制成的计算机，已经不像现在计算机的形状了，可以隐藏在桌角、墙壁或地板等

4、地方。 其次，当我们在运动中，不小心碰伤了身体，有的上点儿药，有的年轻人甚至药都不上，过几天，伤口就愈合了。这是因为人体具有自我修复功能。同样，生物计算机也有这种功能，当它的内部芯片出现故障时，不需要人工修理，能自我修复，所以，生物计算机具有永久性和很高的可靠性。 再者，生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了，因此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而它的电路间也没有信号干扰。 1983 年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了发达国家的研制热潮。当前，美国、日本、德国和俄罗斯的科学家正在积极开展生物芯片的开发研究。从 1984 年开始，日本每年用于研制生物计算机的科研投资为 86 亿日元。 目前，生物芯片仍处于研制阶段，但在生物元件，特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果。这将会促使计算机、电子工程和生物工程这三个学科的专家通力合作，加快研究开发生物芯片。 生物计算机一旦研制成功，可能会在计算机领域内引起一场划时代的革命。 然后是量子计算机 量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速

5、数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。 20 世纪 60 年代至 70 年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇

6、妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。 无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。 迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题

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