量子计算机

1. 量子计算机 计算机新技术讲座 第一讲

2. 量子计算机 • 前言 • 量子计算机概念及特点 • 量子计算机的运行速度 • 量子计算原理 • 量子计算机的优势 • 量子计算机的关键技术 • 量子计算机发展史 • 量子计算机前景

3. 前言 • 20世纪后半页计算机技术大行其道，人类进入信息时代。随着计算机芯片的集成度越来越高，元件越做越小。 原件小型化过程

4. 前言 • 由摩尔第一定律电脑芯片每18个月其上的晶体管翻一番，其主要技术是通过减少导线和元件尺寸来达到的。随着尺寸的不断减小，其电子的量子效应不断增加，以至以经典物理为基础的微电子学在电脑芯片的发展受到不可逾越的瓶颈。据科学家估计2025电脑芯片的速度将达到物理极限。

5. 量子计算机概念 • 为了突破计算机的运算速度极限，人们开始不断研发新的计算机芯片，量子计算机就是是应运而生的一种新型的计算机。 • 量子计算机是以量子力学为基础，运用量子信息学，构建一个完全以量子位为基础的计算机芯片。

6. 量子计算机特点 1，量子计算机处理数据不象传统计算机那样分步进行，而是同时完成，这样就节省了不少时间，适于大规模的数据计算。它的速度足够让物理学家去模拟原子爆炸和其他的物理过程。 2，量子计算机的微型化、集成化。量子计算机的每个量子元件尺寸都在原子尺度，由它们构成的量子计算机，不仅运算速度快，存储量大、功耗低，体积还会大大缩小。

7. 量子计算机的运行速度 • 由于量子计算机采用量子并行计算，使得大数因式分解成为可能，还可以用来模拟量子系统。而这些在传统计算机上是不可能实现的。

8. 量子计算机的运行速度 • 如在大数因式分解方面，量子计算机对1000位的大数进行因数分解需几分之一秒，而传统的计算机对1000位的大数进行因数分解则需1025年。足见量子计算机的优越性。

9. 量子计算机的运行速度 • 考虑一个简单的例子，由40个自旋为1／2的粒子构成的一个量子系统，利用经典计算机来模拟，至少需要内存为240=106M，而计算其时间演化，就需要求一个 240 X 240维矩阵的指数 。这是不可能实现的。 • 利用量子计算机，却只需要40个量子比特，就足以用来模拟。

10. 量子计算原理 • 量子计算机为什么会有这么大的威力呢？其根本原因在于构成量子计算机的基本单元——量子比特（q-bit），它具有奇妙的性质，这种性质必须用量子力学来解释，因此称为量子特性。 • 为了更好地理解什么是量子特性，让我们看看量子计算机的两个关键名词—量子比特和量子寄存器。

11. 量子比特 • 在经典计算机中，运算的基本单元是比特（bit），它的基本状态是二值布尔逻辑状态（0或1），例如在逻辑电路中电压为5V表示1，0V表示0。 • 在量子计算机中，运算的基本单元是量子比特（q-bit），它的基本状态是两种状态的叠加。

12. 量子比特 • 规定原子在基态时记为 |0〉，在激发态时原子的状态记为 |1〉。而原子具体处于哪个态我们可以通过辨别原子光谱得以了解。 • 微观世界的奇妙之处在于，原子除了保持上述两种状态之外，还可以处于两种态的线性叠加，记为 |φ〉=a |1〉+ b |0〉 a和b分别代表原子处于两种态的几率幅

13. 量子比特 如此一来，这样的一个q-bit不仅可以表示单独的“0”和“1”（a=0时只有“0”态，b=0时只有“1”态），而且可以同时既表示“0”，又表示“1”（a,b都不为0时）

14. 量子比特 • 一种典型的量子比特—量子点 量子点是把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。量子点的电子运动在三维空间都受到了限制，因此有时被称为“人造原子”。 当量子点暴露在刚好合适波长的激光脉冲下并持续一段时间，电子就会达到一种激发态：而第二次的激光脉冲又会使电子衰落回它的基态。

15. 量子比特 • 一种典型的量子比特—量子点 电子的基态和激发态可以被视为量比的0和1状态，而激光在将量比从0状态撞击到1状态或从1撞击到0的应用，能够被看成是一种对取非功能的控制。 如果激光持续时间只有取非功能要求的一半，那么电子将同时处于基态和激发态的重叠中，这也等价于量比的连贯性状态。而更多复杂的逻辑功能可以通过使用成对的安排好的量子点被模拟出来。因此，看起来量子点是一个合适的建造量子计算机的候选人。

16. 量子寄存器 • 存储一系列量子比特的体系称为量子寄存器 假如有一个由三个比特构成的寄存器 在经典计算机中，可以表示0~7共8个数，并且在某一时刻，只能表示其中的一个数 000 001 010 011 100 101 110 111

17. 量子寄存器 若此寄存器是由量子比特构成 ，当三个比特都只处于 |0〉或 |1〉则能表示与经典比特一样的存储器，但是量子比特还可以处于 |0〉与 |1〉的叠加态，假设三个q-bit每一个都是处于( |0〉+ |1〉) / (√2) 态。 3个量子比特的系统

18. 量子寄存器 • 那么它们组成的量子存储器将表示一个新的状态，用量子力学的符号，可记做：|0〉|0〉|0〉+ |0〉|0〉|1〉+ |0〉|1〉|0〉+ |0〉|1〉|1〉+ |1〉|0〉|0〉+ |1〉|0〉|1〉+ |1〉|1〉|0〉+ |1〉|1〉|1〉　　不难看出，上面这个公式表示8种状态的叠加，既在某一时刻一个量子存储器可以表示8个数

19. 量子寄存器 • 即3个量子比特的系统可以同时表示8个传统状态

20. 量子寄存器 • 一个量子比特位同时储存0和1。两个量子比特位能同时储存所有的4个二进制数。三个量子比特位能储存8个，下表表明300个昆比特（ q-bit ）位能同时储存的数字甚至多于我们这个可见宇宙中的原子数 。

21. 量子寄存器 • 假设现在我们想求一个函数f(n)，(n＝0~7)的值，采用经典计算的办法至少需要下面的步骤：　　存储器清零→赋值运算→保存结果→再赋值运算→再保存结果……对每一个n都必须经过存储器的赋值和函数f(n)的运算等步骤，而且至少需要8个存储器来保存结果。

22. 量子寄存器 • 如果是用量子计算机来做这个题目则在原理上要简洁的多，只需用一个量子寄存器，把各q-bit制备到( |0〉+ |1〉) / (√2)态上就一次性完成了对8个数的赋值，此时存储器成为态 |φ〉，然后对其进行相应的幺正变换以完成函数f(n)的功能，变换后的存储器内就保存了所需的8个结果。 • 这种能同时对多个态进行操纵，就是所谓“量子并行计算”，其性质正是量子计算机巨大威力的奥秘所在。

23. 量子寄存器 量子并行计算

24. 量子计算机优势 1)解题速度快 　　传统的电子计算机用“1”和“0”表示信息，而量子粒子可以有多种状态，使量子计算机能够采用更为丰富的信息单位，从而大大加快了运行速度。 2)存储量大 　　电子计算机用二进制存储数据，量子计算机用量子位存储，具有叠加效应，有m个量子位就可以存储2m个数据。因此，量子计算机的存储能力比电子计算机大得多。

25. 量子计算机优势 3)搜索功能强劲 　　美国朗讯科技公司贝尔实验室的洛夫·格罗佛教授发现，量子计算机能够组成一种量子超级网络引擎，可轻而易举地从浩如烟海的信息海洋中快速搜寻出特定的信息。其方法是采用不同的量子位状态组合，分别检索数据库里的不同部分，其中必然有一种状态组合会找到所需的信息。 4)安全性较高 　　科学家们发现，如果过往的原子因发生碰撞而导致信息丢失时，量子计算机能自动扩展信息，与家族伙伴成为一体，于是系统可以从其家族伙伴中找到替身而使丢失的信息得以恢复。

26. 量子计算机的关键技术 • 目前，量子计算机的研发主要涉及三项关键技术：量子编码、量子算法和量子硬件技术。 （1）量子编码 　　量子编码用于解决可靠性、纠错、避错、防错问题。量子编码的出现是信息论领域一个激动人心的进展。通过量子编码，人们看到了克服消相干的希望，从而使得量子计算机和量子传输等可以从梦想变为现实。

27. 量子计算机的关键技术 （2）量子算法 量子算法是加速运算的关键（主要不靠器件速度与集成度）。到目前为止，人们才找到两个比较成功的量子算法：Shor算法和Grover算法。未来还需要更多能解决实际重大问题的量子算法。 （3）量子硬件 　 近几年，科学界已研发了多种量子器件，新品迭出，为量子计算机的研制创造了条件。这些量子器件有如下种类：①量子晶体管，②量子存储器，③量子阱激光器，④量子效应器件等。

28. 量子计算机发展史 • 量子计算机最早由理查德·费曼提出，他发现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。 • 1985年，牛津大学的Deutsch提出任何物理过程原则上都能很好地被量子计算机模拟的方案，这种方案被普遍认为是量子计算机的第一个蓝图，他的工作在量子计算机发展中具有里程碑的意义。1992年Deutsch在量子力学迭加性原理的基础上提出了D-J算法。

29. 量子计算机发展史 • 1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。 • 1996年贝尔实验室的研究员罗佛．戈罗夫发现了量子计算另一个重要的应用领域──数据库查找。 • 1996年美国《科学》周刊报道，量子计算机引起了计算机理论领域的革命。同年，量子计算机的先驱之一，Bennett在英国《自然》杂志新闻与评论栏声称，量子计算机将进入工程时代。

30. 量子计算机发展史 • 2000年3月美国科学家在《自然》杂志中宣布，他们已成功地实现了4量子位逻辑门，为今后量子信息技术的发展做出了新的贡献。 • 2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机（尚未经科学检验）。 • 2009年11月15日，世界首台量子计算机正式在美国诞生，这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制，可处理两个量子比特的数据。

31. 量子计算机发展史 • 2010年3月31日，德国于利希研究中心发表公报：德国超级计算机成功模拟42位量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。 • 2012年2月28日，美国IBM公司发表声明，在对于量子退相干时间的延长和计算中，将错误率降低到到了一个崭新的水平。这在量子计算机的研究发展道路上又迈出了崭新的一步。

32. 国内量子计算机发展现状 • 2007年初，中国科技大学微尺度国家实验室潘建伟小组在《Nature·Physical》上发表论文，宣布成功制备了国际上纠缠光子数最多的“薛定谔猫”态和单向量子计算机，刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录。 • 九月，该小组利用光子“超纠缠簇态”演示了单向量子计算的物理过程，实现了量子搜索算法，论文发表在《Physical Review Letters》上。

33. 国内量子计算机发展现状 • 此后，该小组又在国际上首次利用光量子计算机实现了Shor量子分解算法，研究成果发表在国际最权威物理学期刊《Physical Review Letters》上，标志着我国光学量子计算研究达到了国际领先水平。 • 英国《新科学家》杂志在“中国崛起”的专栏中，把中科大在量子计算领域取得的一系列成就作为中国科技崛起的重要代表性成果，进行了专门介绍。

34. 量子计算机的前景 • 虽然迄今为止，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。人类探询未来，探索科技的脚步从未停息 。

35. 量子计算机的前景 • 到那时会出现一种工业，可以将原子计算设备嵌入到任何东西当中去。不必再像现在这样将一台PC机放在桌子上，也许到那时候桌子本身就是一台计算机，汽车轮胎可以计算速度和闸动力，医生可以将微型计算机插入到人体血液中以杀死肿瘤细胞…… • 管现在这些还只是科学幻想中的故事，但是随着量子计算机的发展，一定会实现的。