4.更快、更小、更冷、更智能化——未来计算机发展的四个层次
由于2010年将成为硅电子技术发展的一个物理极限，计算机正期待着向“更快、更小、更冷（即小功耗）、更智能”的方向发展，具体来说，纳米技术在未来计算机领域的应用将会出现以下四个层次：
（1）传统计算机的纳米化：电子式纳米计算机与超导纳米计算机电子式纳米计算机仍然是利用电子运动对信息进行处理，即根据大量电子参与工作的统计平均规律考虑问题。而不是在很小的区域范围内研究有限的电子运动表现出的量子效应。当电子元件的开关速度不断增加到ns量级以及整个计算机体积进一步减小（如至3cm3）时，功耗和散热问题便更加突出，为此出现了利用约瑟夫逊隧道效应，由超导体-绝缘体-超导体构成的“约瑟夫逊器件”，当两端施加几乎为零的电压时，电子也会像穿过隧道一样地流通，其耗电量仅为半导体器件的千分之一（十亿分之一瓦），执行指令速度则提高近1000倍。日本电气技术研究所近期研究的世界第一台超声计算机，用了4个约瑟夫逊大规模集成电路，每块电路为3～5mm3，约集成1000个约瑟夫逊元件。目前，其主要障碍是工作环境温度较低。
（2）光计算机
与传统硅瑟芯片计算机不同，1990年美国贝尔实验室David.Miller等推出了一台由光束替代电子束进行信息处理和储存的计算机。由激光器、透镜、反射镜、棱镜等组成，利用不同波长的光代表不同数据，被称为“光脑”。其功率取决于组成元件的排列密度和传播速度，而这两个方面光都是很理想的：光速为每秒30万千米，激光束对信息处理的速度为硅器件的1000倍；光子传输不像电子需要专门的传导线；而光束相交时在不满足干涉的条件时不会相干，从而传输通道密度大得惊人，一块与分币大小相同的棱镜，可容纳现有全球电话、电缆总数的许多倍。目前，在光脑中许多关键技术，如光互连、光储存、光集成电路均已先后被突破，光脑的实用化指日可待。
（3）DNA和生物计算机
1994年11月美国南加洲大学Adleman博士等奇思妙想，以脱氧核糖核酸（DNA）碱基对序列（A，G，C，T）作为信息编码的载体，利用现代分子生物技术，在试管内控制酶（酶的内切、连接、聚合和外切等），使DNA碱基对的序列发生变化，而实现了数据运算的过程。作者在《科学》杂志上公布DNA计算机的设想后，引起了世界性的轰动效应。从此计算机芯片从纯物理的模式拓宽至化学及生物性质的切割、复制、黏贴、插入和删除等多种方式。其优点在于出现了惊人的信息存储量和运算速度，1立方厘米的DNA溶液可存储1万亿亿次（1020次）二进位制的数据，约10万亿张光盘，超过了目前全球所有计算机存储容量。更重要的是能耗仅为一台普通电子计算机的十亿分之一。
此外，人们还对蛋白质等的开关特性进行了研究，因为蛋白质亦具有开关特性；用蛋白质分子作为元件制成集成电路称为“生物芯片”。目前，已研制成功了“合成蛋白质芯片”、“遗传生成芯片”、“血红素芯片”等，由此构成的计算机也称为“生物电脑”或“智能电脑”。其另一不可忽视的特点是具有自我修复功能，并可移植至人体，甚至可与人脑相连，听从人脑指挥，还可从人体汲取营养，实现电脑无法做到的模糊思维和推理功能以及神经网络运算功能，至可修复人体器官，如使盲人复明、聋人复聪等。人们认为这是实现计算机智能化的主要突破口。
（4）量子计算机和分子计算机
这是一种完全采用量子器件的计算机，以处于量子状态的原子作为处理器内存，利用原子的量子特性变化来进行信息处理。由于原子在同一时间内具有处于两种不同状态的奇妙特性，从而使处于不同量子状态的原子分别代表“0”与“1”信息。这样，无论从数据的储存或处理的角度，其量子位的能力都会是其他器件的两倍。这就好像：假设一只老鼠要绕过一只猫，对于经典理论，要么向左绕过去，要么向右绕过去；而根据量子理论，它则可以同时从猫的左边或右边绕过去。所以与传统计算机不同，量子波相干计算机可以没有传统的外壳，而是像一个被其他物质包围的巨大磁场，不要用硬盘来实现信息储存，其基本单元就是原子和分子，具有极高的运算能力和速度。
对于一个具有5000个量子位的量子计算机，大约可在30秒钟内解决传统计算机100亿年才能解决的因子分解问题。目前，中国科学院知识创新工程开放实验室、美国IBM公司分别研制成功4～5个量子位的演示用机，日本数据省至2010年则投资400亿日元进行研发。各国科学家正乐此不疲地专注这一工作，虽然尚需较长时间方能实用化，但谁又能够预料未来不会产生翻天覆地的变化，奇迹不会发生呢！？
5.纳米电子材料
如前所述，纳米材料是纳米科学的六大分支之一，而纳米科学的各种应用领域又是依靠纳米材料来实现的。一般而言纳米材料有两层含义：即纳米粉体材料和纳米固体材料。前者是指由具有尺寸为1～100nm颗粒制成的具有特异性能的材料，如传统尺寸粉体和纳米尺寸粉体制成的陶瓷性能就具有很大差异；后者则是指由纳米粒子构成的材料，包括三维中至少有一维具有纳米量级的材料，如零维的原子簇、一维的碳纳米管、二维的薄膜或涂层和由纳米微晶或纳米相构成的三维材料，其中包括将不同组分或不同结构的纳米微粒掺杂于块体材料中所形成的复合材料。
纳米颗粒材料是一种直接使用的纳米颗粒形态材料，如被称为“第四代催化剂”的超微细铁催化剂，在低温下它可将二氧化碳分解为碳和水；用20nm超细碳粉制成的磁带、磁盘的贮存信息单元可达4000万/平方厘米；一种超微颗粒乳剂载体，极易与人体内癌细胞溶合，可制成“克癌生物导弹”。
碳纳米管在本章前面已有评述。颗粒纳米薄膜通常是选用几种在高温下不互熔的组元制成靶材，上通过蒸发或溅射工艺在基片上制成的纳米薄膜。纳米陶瓷则是一种三维结构纳米材料，一般是指具有纳米量级显微结构的陶瓷材料，其晶粒尺寸为1～100nm。能获得不同的优异性能，由于晶粒细化有助于晶粒间隙滑移而获得不易碎的超塑性能，美、德等国研制的PbO纳米超塑陶瓷的线拉伸率大于200%；用纳米BN层包覆SiN陶瓷晶粒，可阻止晶粒长大，使用温度高于2000℃，可用做核反应堆容器；
6.纳米磁性材料
人们也许都知道，鸽子、蜜蜂、蝴蝶，乃至水中的一种细菌，都具有一种能辨别方向，甚至远隔千里都能回归的本领，这究竟是为什么呢？其实是因为这些生物体内存在着一种超细的磁性微粒，在大地磁场的作用下，具有趋磁效应的关系。经过研究人们发现，这种小到大约20nm的磁性氧化物颗粒的磁矫顽力约为块材的1000倍以上。而十分有趣的是，当微粒尺寸再减小至小于6nm后，矫顽力则重又下降，直至为0，这时表现出所谓超顺磁特性。人们利用这种特高磁矫顽力的纳米磁性颗粒材料制作于磁带、磁盘、磁卡、磁性钥匙等高储存密度记录磁粉已获得了十分满意的效果。而另一方面，具有超顺磁性的磁粉可广泛应用于具有密封、传动、无级变速装置的磁流变材料中。
上述纳米磁粉从20世纪80年代即已进入工业市场，至今仍充满活力。其应用类型大致分为：纳米软磁微晶、纳米永磁微晶、纳米磁记录材料、磁流变体、颗粒磁性薄膜等几个方面。纳米磁与常规晶体或非晶铁磁体均具有磁畴结构，畴间由畴壁相隔，铁磁体的磁化过程是通过畴壁的运动而实现的，纳米晶铁磁材料的每个晶粒一般只为一个磁畴，相邻晶粒间由于磁交互作用，向着各自接近的易磁化方向被磁化，从而具有较高的磁矫顽力，但由于其中晶粒取向混乱以及晶粒磁化的各向异性，又致使上述磁化交互作用只限于几个晶体的范围之内，这样，磁矫顽力的提高亦仅限制在某个限度之内。
