量子计算机简介.ppt

量子计算机,制作人：光信0210027郭龙光信0210371朱超凡,南开之星,当今社会，人们越来越离不开计算机。而计算机的运算速度也由当年的8086，8088，到现在的P4，甚至大型计算机。运算速度不断飙升。,但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。,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，其中光子计算机，生物计算机，量子计算机是前景最光明的三方面。,光子计算机是根据光学空间的多维特性，为计算机设计新的逻辑结构和运算原理。并充分利用光子元件体积小、传送信息速度快的特点，用超高速大容量的光子元件替代目前计算机中使用的硅化学元件，用光导纤维或光波替代普通金属导线。光二极管和光三极,生物计算机是通过对生物的脑和神经系统中信息传递、信息处理等原理的进一步研究，设计全新的仿生模式计算机，并与人工智能的研究相互借鉴、共同发展。模拟生物细胞中的蛋白质和酶等物质的产生过程，制造出仿生集成芯片来替代目前计算机中使用的半导体元件。,而量子计算机却完全不同，它以量子力学为基础，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。,与传统计算机相比首先它没有传统计算机的盒式外壳，看起来象是一个被其他物质包围的巨大磁场。其次它不能象现在计算机那样利用硬盘实现信息的长期存储。但它有自身独特的优点，吸引众多的国家和实体投入巨大的人力、物力去研究。,首先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。,量子计算机的另一个优点是微型化、集成化。随着信息产业的高度发展，所有的电子器件都在朝着小型化和高集成化方向发展，而作为传统计算机物质基础的半导体芯片一直是这场运动的领先者，但由于晶体管和芯片受材料的限制，体积减小是有个限度的，最终不能达到原子水平。而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。可以想象一个可以放在口袋中的超高速计算机是什么样吗？还有直径只有几十厘米的人造卫星。,最后量子计算机还有一个优点就是，系统的某部分发生故障时，输入的原始数据会自动绕过，进入系统的正确部分进行正常运算，运算能力相当于1000亿个奔腾处理器，运算速度比现有的计算机快100倍。光学计算机在处理数据的能力上要比电子计算机高1000多倍，处理信息的速度为每秒10亿次，接近于人脑的思维能力。,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比特，让我们看看经典计算机的比特与量子计算机的量子比特有什么不同。我们现在所使用的计算机采用二进制来进行数据的存储和运算，在任何时刻一个存储器位代表0或1，例如在逻辑电路中电压为5V表示1，0V表示0，如果出现其他数值计算机就会以为是出错了。,而量子比特是由量子态相干叠加而成，一个具有两种状态的系统可以看作是一个“二进制”的量子比特，对量子力学有了解的人都知道，在量子世界里物质的状态是捉摸不定的，如电子的位置可以在这里同时也可以在那里，原子的能级在某一时刻可以处于激发态，同时也可以处于基态。我们就采用有两个能级的原子来做量子计算机的q-bit。,现在我们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|=a|1+b|0，其中a，b分别代表原子处于两种态的几率幅。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）。,举一个简单的例子，假如有一个由三个比特构成的存储器，如果是由经典比特构成则能表示000，001，010，011，100，101，110，111这8个二进制数，即07这8个十进制数，但同一时刻只能表示其中的一个数。若此存储器是由量子比特构成，如果三个比特都只处于|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。,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,假设现在我们