量子计算机简介.ppt
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1、量子计算机简介,什么是量子计算机,计算机 进行计算的过程本质上是 一个 物理过程。量子计算机是以相对论量子物理 作为信息处理的理论基础的新 一代计算机。,量子计算机性能,并行量子运算量子加密超密编码快速量子运算,对34位十进制的数进行因子分解,约需要一年;对200位数需要的时间约相当于宇宙的寿命数学家证明,这种状况在经典物理范围内是不可能从本质上解决的。,经典计算的极限(1),经典计算机的极限(2),计算机基本上是位(0和1)的阵列。过去50年中,经典计算机的速度每两年增加一倍。计算机的尺寸每两年缩小一半。计算机是物理器件,基本工作过程用物 理学描述。器件的尺寸再小就要考虑量 子效应。,在一毫
2、米见方的单晶硅片上制成的集成电路可以穿过针眼。,90年代中期Intel公司宣称,在一枚小硬币尺寸的奔腾(Pentium)芯片上包含500万个晶体管,刻蚀线宽不到微米。,Intel 公司cpu集成度,可是当集成电路线宽小于0.1微米时,其波动性质便不可忽略,这样,不得不考虑量子效应的影响。,Semiconductor Industry Association,尺寸逼近纳米尺度时将出现一系列量子物理效应,量子计算机的提出,量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究,其目的是为了解决计算机中的能耗问题。随着计算机技术的发展,计算机的小型化和集成化成为一个重要的目标,但随着芯片体积的缩小和集成度的提高,能
3、耗对芯片的影响越来越大,能耗也制约着集成度,限制计算机的运算速度。20世纪60年代,IBM公司研究室的 Rolf Landauer发现:能耗的产生是由于计算过程中的不可逆操作。在经典计算过程中要损失自由度,是不可逆过程,根据热力学定律,必然会产生一定热量。如果能把所有不可逆操作变成可逆操作,在理论上就可以实现无能耗的计算。这种可逆计算机的设想就是后来的量子计算机。,量子计算机原理,现已经证明:量子计算机的任意操作都可以分解成对单量子位态矢的旋转操作和对二量子位态的控制非操作的组合。因此,实现量子计算机的基础是如何实现单量子位逻辑门和二量子位的控制与非门。迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计
4、算机,但是许多实验方案都被提出来了,主要可分成两大类,一类是非固态量子计算机,一种是固态量子计算机,主要的方案包括: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。,2023/4/4,量子两态系统如原子的基态和激发态光子的偏振态,基态,激发态,|0,|1,写入 0和1,量子系统必须能写入、运算和读出。对一个处于基态的原子,不采取行动,就写入了一个0。用适当频率的激光将基态原子激发到激发态,就写入了一个1。,运算与读出,在量子计算机中,工作物质处在0与1的 叠加态。从0到1或从1到0,称为量子态 的变换或翻转。量子计算机中半翻转量 子态(0与1的几率各为1/2的叠
5、加态),开辟了新型计算的途径。运算通过量子态之间的幺正变换进行。进行一次测量,叠加态坍缩,从计算机 读出计算结果。,读出原子处于0或1或半翻转态,用一束能量等于该原子的激发态和更高 的、不稳定的激发态之间的能级差的激 光去激发,如果有从更高的、不稳定的 激发态跃迁到激发态的光子放出,读出 该原子态为1;以同等的机会放出一个光子或不放出一 个光子,读出该原子态为半翻转态;没有任何情况发生,读出该原子态为0。,量子寄存器(quantum register),量子寄存器(以下简称寄存器)是量子 位的集合。例如,6在二进制中表示为110,而在量子寄存器中用量子位的直积表示为|1|1|0。重要的是不同的
6、寄存器的值同时出现。这在经典的情况下是不可能的。测量结 果或是两个|0态相继出现,或是两个|1态相继出现。如果出现一个|0态接着一个|1态,则表示实验或制备中出错。,量子寄存器的初态,相干叠加态,两态系统可处于它们的相干叠加态|=a|0+b|1,其中a和b可为任意两复矩阵。叠加出的态可有无穷多个。,量子力学中的测量,电子的两个可能的自旋状态:|和|,|=|+|.仪器的状态可有三种可能情况:初态|A0,测到|态后所处的态|A,测到|态后所处的态|A。测量后|A0(|+|)|A|+|A|,例:,幺正变换,幺正变换的性质,幺正变换与它的复共厄转置是互逆的。幺正变换是可逆的。量子计算机必须是可逆的。幺
7、正变换是线性变换。幺正变换是局域变换,只对一定的量子位起作用。,4次基本操作得到16项,n次基本操作得到包含2n个数值的寄存器的态。(在经典操作中,n次操作得到包含1个数值的寄存器的态。)若将寄存器制备为若干个数的相干叠加态,接着进行线性、幺正运算,则计算的每一步将同时对叠加态中的数同时进行。这就是量子并行计算和它的优越性。,量子逻辑门,量子逻辑门与泡里矩阵,翻转矩阵,量子“非”门,量子“非”门是将信息位翻转,将原子从基态激发到激发态,或者反过来。量子门可以没有经典对应。例如,只将信息位翻转一半。,量子“复制”门,量子“复制”门依靠两个原子之间的相互作用。例如由原子A和原子B组成的两个原子对,
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