[理学]量子 计算研究进展.ppt

*1 量子计算研究进展 中国科学技术大学近代物理系 *3 内容提纲内容提纲 n n 量子计算发展量子计算发展简介简介 n n 磁共振量子磁共振量子计算研究进展计算研究进展 n n 未来研究未来研究方向方向 *4 一、量子计算发展简介 *5 计算机硬件历史计算机硬件历史 计算机硬件是信息处理的平台。 数值计算单元: 机械齿轮/电子机械传动装置 电子管 (1911 - 1946) 晶体管 (1947 - 1958) 集成电路 (1959 - 1970) 大规模集成电路 (1971 - ) *6 计算机历史计算机历史 *7 1642, Pascal 帕斯卡机械计算机，首次确 立了计算机器的概念。 概念 1834, Babbage 差分机 提出了分析机的概念 机械装置 *8 世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机-1946 ENIAC-1946 ENIAC Mauchiy and Eckert *9 ENIACENIAC *10 1952, EDVAC1952, EDVAC Von Neumann Electronic Discrete Variable Automatic Computer Containing 2300 vacuum tubes, but 10 times faster than ENIAC (18000) *11 微处理器微处理器 1971 Intel 4004 10um, 2300晶体管 0.74 MHz 1978 Intel 8086 3um, 29000 晶体管 4.77MHz 2008, Core i7 45nm, 5.82 billion晶体管 2.66 - 3.2 GHz *12 *13 摩尔定理摩尔定理 *14 *15 Getting Smaller Getting Smaller Size of Atom *16 *17 *18 当今微电子技术不久将面临物理极限！ 高速发展 vs. 物理极限！热耗散 720ms Our new adiabatic algorithm for 21: 3 qubits; 50ms *41 2.2 2.2 模拟量子系统模拟量子系统 n n Classical computersClassical computers n n Exponential growth of Hilbert spaceExponential growth of Hilbert space System with 50 qubits 250 1015 complex amplitudes 32 x 1015 bytes of information well beyond the capacity of existing computers Is it possible to classically simulate faithfully a quantum system? Nave answer: NO n computational basis *42 n n Quantum computers Universal Quantum computers Universal quantum simulatorsquantum simulators 1982 Richard P. Feynmann R.P. Feynman, “Simulating Physics with Computers”, Int. J. Theor. Phys. 21, 467-488, 1982 Can we do it with a new kind of computer a quantum computer? Now it turns out, as far as I can tell, that you can simulate this with a quantum system, with quantum computer elements. I therefore believe its true that with a suitable class of quantum machines you can imitate any quantum system, including the physical world. 4.2 4.2 模拟量子系统模拟量子系统 *43 2.2.1 2.2.1 量子仿真实验量子仿真实验 n n 研究背景研究背景 n n 量子相变与临界现象是凝聚态物理量子相变与临界现象是凝聚态物理 学中重要物理现象；学中重要物理现象； n n 量子自旋系统联系着量子信息学和量子自旋系统联系着量子信息学和 凝聚态物理两个领域；凝聚态物理两个领域； n n 量子纠缠和量子相变的密切关系。量子纠缠和量子相变的密切关系。 n n 研究结果研究结果 n n 设计合适的设计合适的HamiltonianHamiltonian微扰和扫描微扰和扫描 函数实现量子绝热过程；函数实现量子绝热过程； n n 首次成功地观察到了首次成功地观察到了HeisenbergHeisenberg自自 旋链中基态纠缠的量子相变现象。旋链中基态纠缠的量子相变现象。 XH Peng et al., Physical Review A 71, 012307 (2005) Much more susceptible to the change of the controlled parameter *44 2.2.2 2.2.2 量子仿真实验量子仿真实验 Loschmidt echo or Fidelity decay: LE = |2 A visualization of “quantum fluctuations” 研究结果研究结果 JF Zhang, XH Peng et al., Phys. Rev. Lett. 100, 100501 (2008) *45 2.2.3 2.2.3 量子仿真实验量子仿真实验 三体相互作用体系中量子相变与量子纠缠的实验研究三体相互作用体系中量子相变与量子纠缠的实验研究 基态临界点探测 问题：标准两自旋相关函数不能探测由于三体相互作用导致的量子临界现象。问题：标准两自旋相关函数不能探测由于三体相互作用导致的量子临界现象。 *46 n n Three-spin Ising quantum modelThree-spin Ising quantum model 2.2.3 2.2.3 量子仿真实验量子仿真实验 Phase IPhase III IAIA IBIB ICIC Visible by entanglement witnessesVisible by entanglement witnesses XH Peng et al., Phys. Rev. Lett. 101, 140501 (2009) 量子仿真计算氢分子基态能量J. Du et al. PRL. 104， 030501 (2010) l 2010年，首次在实验上通过磁共振技术实现了 氢分子的基态能量值计算的量子仿真研究。 2.2.4 2.2.4 量子仿真实验量子仿真实验 l 该工作被选为Phy. Rev. Lett. Highlight Article。 2.2.4 2.2.4 量子仿真实验量子仿真实验 *49 2.3 2.3 规模化与消相干规模化与消相干 *50 固态体系中最优动力学去耦实验J. Du et al. Nature 461, 1265 (2009) l2009年，首次在真实固态体系中 实现了最优动力学去耦，极大的提 高了量子相干保存时间。 2.3 2.3 规模化与消相干规模化与消相干 n n 发展高速、精确的量子操控技术发展高速、精确的量子操控技术 n n 新型量子信息存储载体的研究新型量子信息存储载体的研究 n n 绝热量子计算和量子仿真研究绝热量子计算和量子仿真研究 n n 抗噪声量子方法的探索：退相干抗噪声量子方法的探索：退相干 机理及抑制方法研究机理及抑制方法研究 三、未来研究方向三、未来研究方向 54 *55 结语结语 n n 从量子计算（机）的概念提出以来，此领域的研究进展已从量子计算（机）的概念提出以来，此领域的研究进展已 经表明：这种新型量子处理器具有比经典处理器更强的信经表明：这种新型量子处理器具有比经典处理器更强的信 息处理功能。息处理功能。 n n 研究量子计算与量子计算机是社会经济与科技发展提出的研究量子计算与量子计算机是社会经济与科技发展提出的 迫切需求，同时也会推动纳米技术和微观操控等高新技术迫切需求，同时也会推动纳米技术和微观操控等高新技术 的进步，是未来信息技术发展的重要战略性方向。的进步，是未来信息技术发展的重要战略性方向。 n n 量子计算的实现已不存在原理性障碍，量子计算非常脆弱量子计算的实现已不存在原理性障碍，量子计算非常脆弱 ，使制造规模大的量子计算机变得十分困难，这是对人类，使制造规模大的量子计算机变得十分困难，这是对人类 智慧和能力的挑战！智慧和能力的挑战！ n n 量子计算机的研制不管成功与否，量子计算的研究一定会量子计算机的研制不管成功与否，量子计算的研究一定会 给人类未来的生活带来深远意义的影响。给人类未来的生活带来深远意义的影响。 路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！ *56 56 磁共振量子计算研究组磁共振量子计算研究组 n n Group membersGroup members n n Prof. Jiangfeng Du Prof. Jiangfeng Du n n Prof. Xianyi ZhouProf. Xianyi Zhou n n Prof. Xinhua PengProf. Xinhua Peng n n Prof. Jihu SuProf. Jihu Su n n Prof. Rongdian HanProf. Rongdian Han n n Asso. Shi MinjunAsso. Shi Minjun n n Asso. Qin GanAsso. Qin Gan n n Asso. Bo ChongAsso. Bo Chong n n Postdoc. Chen HongweiPostdoc. Chen Hongwei n n Graduated students:Graduated students: n n Ju ChenyongJu Chenyong n n Zhu JingZhu Jing n n Sun MinSun Min n n Rong XingRong Xing n n Wang Ya Wang Ya n n Ren ChangliangRen Changliang n n Sun ChunxiaoSun Chunxiao n n Yang WeiYang Wei n n Jiang FengJianJiang FengJian n n Xu NanyangXu Nanyang n n Lu DaweiLu Dawei n n Nature 1 Physical Review Letters 8 Physical Review 25 Others 30 国际SCI实验论文64篇 发表论文 n n J. Du et al., Nature 461J. Du et al., Nature 461，1265 1265 （20092009） n n J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 104J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 104，030501 (2010)030501 (2010) n n X. Peng X. Peng et al., Phys. Rev. Lett. 103et al., Phys. Rev. Lett. 103，140401 (2009)140401 (2009) n n J. Du et al., J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 101Phys. Rev. Lett. 101，060403 (2008)060403 (2008) n n X. Peng X. Peng et al., Phys. Rev. Lett. 101et al., Phys. Rev. Lett. 101，220405 (2008)220405 (2008) n n J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 94J. Du et a