量子计算研究进展.ppt

2019 12 31 1 量子计算研究进展 彭新华中国科学技术大学近代物理系2010 3 26 2019 12 31 2 量子信息 Informationisphysical RolfLandauer量子计算机 基于量子力学原理 存储 处理量子信息的计算装置 量子计算量子通讯量子密码学 交叉领域 量子物理信息科学计算机科学 量子信息 2019 12 31 3 内容提纲 量子计算发展简介磁共振量子计算研究进展未来研究方向 2019 12 31 4 一 量子计算发展简介 2019 12 31 5 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 2019 12 31 6 计算机历史 2019 12 31 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 2019 12 31 8 世界上第一台电子计算机 1946ENIAC MauchiyandEckert 2019 12 31 9 ENIAC 2019 12 31 10 1952 EDVAC VonNeumannElectronicDiscreteVariableAutomaticComputerContaining2300vacuumtubes but10timesfasterthanENIAC 18000 2019 12 31 11 微处理器 1971Intel400410um 2300晶体管0 74MHz 1978Intel80863um 29000晶体管4 77MHz 2008 Corei745nm 5 82billion晶体管2 66 3 2GHz 2019 12 31 12 2019 12 31 13 摩尔定理 2019 12 31 14 2019 12 31 15 GettingSmaller 2019 12 31 16 2019 12 31 17 2019 12 31 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 量子效应 科学技术发展趋势 国家重大战略需求 开辟全新的信息处理方式 发展以量子比特为基础的量子信息处理技术 2019 12 31 19 量子计算机的发展史 Inthe1970 sFredkin Toffoli Bennettandothersbegantolookintothepossibilityofreversiblecomputationtoavoidpowerloss Sincequantummechanicsisreversible apossiblelinkbetweencomputingandquantumdeviceswassuggestedSomeearlyworkonquantumcomputationoccurredinthe80 s1982Benioff Quantumcomputersareuniversal 1982Feynman Quantumcomputercouldsimulateotherquantumsystems 1993Bernstein VaziraniandYao Quantumsystemsaremorepowerfulthanclassicalcomputers 2019 12 31 20 量子计算机的发展史 Quantumalgorithms1985Deutsh thefirstquantumalgorithm1994Coppersmith Shor quantumfouriertransform factorization1997Grover aunsortedquantumsearchalgorithmImplementations1995Monroe Meekhof King Itano Wineland CNOTgateimplementediniontrapbyNIST1997Gershenfeld Chuang Cory Fahmy Havel NMRquantumcomputing2001Vandersypenetal ExperimentalrealizationofShor salgorithm2006 Negrevergneetal Benchmarkingquantumcontrolona12 qubitsystem 2019 12 31 21 量子比特 2019 12 31 22 量子态叠加原理 2019 12 31 23 可逆逻辑们 可逆逻辑们 克服热耗散问题封闭的量子系统按照哈密顿量做幺正演化 本身就是可逆操作 Classical Quantum 2019 12 31 24 Classicalvs Quantum Classicalbitstransistors0or1 Quantumbitsquantumsystems0or1orin between NAND NOT AND NAND NOT CNOT Sqrt NOT Thesequantumgatesallowoperationsthatareimpossibleonclassicalcomputers 2019 12 31 25 量子信息特点 高速计算大容量信息存储 传输保密通信 量子态叠加原理量子纠缠性量子态不可克隆定理 量子物理原理支配下的信息处理 2019 12 31 26 大数质因子分解 Problem Givenal bitintegerN pxq tofinditsnontrivialprimefactorspandq N x Best knownclassicalAlgorithms insub exponentialtime Shor salgorithm Inpolynomialtime ThepresumeddifficultyofthisproblemisattheheartofcertainalgorithmsincryptographysuchasRSA 2 P Shor inProc 35thAnnu Symp ontheFoundationsofComputerScience IEEEComputerSocietyPress LosAlamitos California 1994 p 124 134 1 M A NielsenandI L Chuang QuantumComputationandQuantumInformation CambridgeUniversityPress Cambridge 2000 2019 12 31 27 Timerequired Classicalvs quantum 2 5days 42days 19000years Halfayear Ageofuniverse 2019 12 31 28 ThepromiseofQuantumComputation Searchingdatabases1unsortedlistofNentrieshowmanyqueries 1month 27minutes FactoringIntegers2N pqNhasLdigitsgivenN whatarepandq 19000years 42days 1000digits 1 L K Grover PRL 79 4709 1997 2 P Shor Proc 35thAnn Symp OnFound OfComp Sci p 124 1994 2019 12 31 29 二 磁共振量子计算研究进展 2019 12 31 30 DiVincenzo判据 1 可扩展的具有良好特性的量子比特系统 2 能够制备量子比特到某个基准态 3 能够保持足够长的相干时间来完成各种量子逻辑门操作 4 能够实现一套通用量子逻辑门操作 5 能够实现对量子比特的测量 量子计算机的物理实现 1 DiVincenzoD P Fortschr Physik 48 9 11 771 783 2000 1 能长期保持相干性 与外界很好隔离的封闭量子系统 2 外界能够精确地控制其演化并读出结果 与外界有良好的耦合 一台量子计算机最基本要求 实验物理体系 相对于经典计算机利用了电子的电荷特性 在量子计算的研究中 利用电子的自旋特性 结合电子自旋操作迅速和核自旋相干时间长的特点 开展磁共振量子计算是量子计算机研究重要发展方向之一 一些物理体系的比较 2019 12 31 34 一些物理体系的比较 Benchmarkingvalues approximateerrorratesforsingleormulti qubitgates 2019 12 31 35 核自旋量子位 B0 Spinparticleinmagneticfield 0 1 1 Gershenfeld N etal Science 275 350 356 1997 2 CoryD etal Proc Natl Acad Sci 94 1634 1639 1997 2019 12 31 36 实验原理 仪器 NMR量子计算机 控制 射频磁场 核之间的相互作用 实验平台 2019 12 31 38 2 1绝热量子计算 背景 传统的量子计算研究中 研究者将经典计算机模型类比到量子情形 以期通过基本逻辑操作实现普适量子计算 优点 适用于广泛的组合优化问题 有着重要的应用前景 比传统的量子计算机具有更强的容错能力 绝热量子计算 MIT的Farhi等人在2001年提出的一种新的量子计算途径 E Farhiet al Science292 472 2001 2019 12 31 39 2 1绝热量子计算 Schr dingerequation Adiabaticevolution Encodingthesolutionoftheproblem 1 2 3 Linearinterpolation Easytofind 2019 12 31 40 2 1新的质因子分解的绝热量子算法 分解21需要3个量子比特 我们的算法 Shor算法 分解21需要50毫秒 XHPengetal Phys Rev Lett 101 220405 2008 Shor salgorithmfor15 7qubits 720msOurnewadiabaticalgorithmfor21 3qubits 50ms 2019 12 31 41 2 2模拟量子系统 ClassicalcomputersExponentialgrowthofHilbertspace Isitpossibletoclassicallysimulatefaithfullyaquantumsystem Na veanswer NO n computationalbasis 2019 12 31 42 Quantumcomputers Universalquantumsimulators 1982RichardP FeynmannR P Feynman SimulatingPhysicswithComputers Int J Theor Phys 21 467 488 1982 Canwedoitwithanewkindofcomputer aquantumcomputer Nowitturnsout asfarasIcantell thatyoucansimulatethiswithaquantumsystem withquantumcomputerelements Ithereforebelieveit struethatwithasuitableclassofquantummachinesyoucanimitateanyquantumsystem includingthephysicalworld 4 2模拟量子系统 2019 12 31 43 2 2 1量子仿真实验 研究背景量子相变与临界现象是凝聚态物理学中重要物理现象 量子自旋系统联系着量子信息学和凝聚态物理两个领域 量子纠缠和量子相变的密切关系 研究结果设计合适的Hamiltonian微扰和扫描函数实现量子绝热过程 首次成功地观察到了Heisenberg自旋链中基态纠缠的量子相变现象 XHPengetal PhysicalReviewA71 012307 2005 Muchmoresusceptibletothechangeofthecontrolledparameter 2019 12 31 44 2 2 2量子仿真实验 LoschmidtechoorFidelitydecay LE 2 Avisualizationof quantumfluctuations 研究结果 JFZhang XHPengetal Phys Rev Lett 100 100501 2008 2019 12 31 45 2 2 3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 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 2019 12 31 46 Three spinIsingquantummodel 2 2 3量子仿真实验 Visiblebyentanglementwitnesses XHPengetal Phys Rev Lett 101 140501 2009 量子仿真计算氢分子基态能量 J Duetal PRL 104 030501 2010 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量子仿真实验 该工作被选为Phy Rev Lett HighlightArticle 2 2 4量子仿真实验 2019 12 31 49 2 3规模化与消相干 2019 12 31 50 固态体系中最优动力学去耦实验 J Duetal Nature461 1265 2009 2009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规模化与消相干 发展高速 精确的量子操控技术新型量子信息存储载体的研究绝热量子计算和量子仿真研究抗噪声量子方法的探索 退相干机理及抑制方法研究 三 未来研究方向 54 2019 12 31 55 结语 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息处理功能 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的进步 是未来信息技术发展的重要战略性方向 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 这是对人类智慧和能力的挑战 量子计算机的研制不管成功与否 量