量子计算机ppt课件.pptx

量子计算与量子计算机 目录 序言第三次人类物质文明的发动 一 量子信息的基础 二 量子计算机 三 量子计算的物理实现 2 序言第三次人类物质文明的发动 17至18世纪 经典物理学的诞生推动了其后的第一次工业革命 带给人类第一次物质文明的飞跃 19世纪末到20世纪末 以量子力学和相对论为支柱的近代物理学推动了第二次科学和技术的大发展 为人类带来第二次物质文明的大飞跃 20世纪物质文明的大飞跃 3 经典物理学 和 近代物理学 已经分别为人类带来了两次物质文明的大飞跃 下一次 第三次物质文明的大飞跃又由谁来发动呢 将由量子力学 量子力学向生命科学 材料科学 信息科学等各门学科的应用所发动 序言第三次人类物质文明的发动 4 一 量子信息的基础 量子信息的主要内容 量子计算 量子通讯 量子计算机 量子算法 量子密码术 量子传态 1 5 2 量子信息中的基本物理原理 态叠加原理 量子测量理论 量子态非克隆定理 量子纠缠和纠缠态 6 3 量子信息的基本单元 量子位 经典信息 二进制0或1组成的字符串 比特 bit 0 1 量子信息 以量子比特作为信息单元 量子比特 qubit 7 bit 与 qubit 以单个光子作为信息物理载体 经典信息 有光子代表 1 无光子代表 0 1 0 1 1 0 0 8 bit 与 qubit 量子信息 以光子的量子态表征信息 比如约定 圆偏振代表 1 线偏振代表 0 1 1 1 0 0 0 9 bit与qubit的对比 10 二 量子计算机 1 量子计算的历史一览 AlanTuring 图灵机的概念 1936 Moore律 两年翻一番 1965 Feymann 量子计算机概念设想 Deutsch 量子图灵机的引入 1985 Shor算法 引发量子计算高潮 1994 11 二 量子计算机 2 量子计算机的并行计算能力 量子存储器的存储数据能力是经典的2N次方倍 且随N指数增长 12 二 量子计算机 计算是对数据的变换 对N个存储器运算一次 仅变换1个数据 变换2N个数据 量子计算机巨大的并行运算能力 量子算法 大大提高计算机的运算速度 13 二 量子计算机 3 shor量子并行算法 127 129 29083 经典计算 所需时间 量子计算 所需时间 量子计算机 1994年 人们采用1600台工作站实施经典运算 用了8个月时间将长为129位的大数成功分解 若采用一台量子计算机则1秒可分解 RSA密钥 大数分解 14 二 量子计算机 4 Grover量子搜寻算法 从N个未分类客体中找出某个未知客体 经典计算机 经典计算 所需次数N 2次 概率为1 2 量子计算 所需次数次 概率为1 量子计算机 从按姓序排列的7 1016个电话号码中找出某一特定号码 经典 1000年 量子 低于4分钟 Grover算法可在稻草堆里发现一根针 DES密钥 寻找密码 15 二 量子计算机 5 量子计算机的模型 输入 制备机器初态 量子计算机 制备机器末态 相干测量 输出 幺正操作 16 二 量子计算机 6 量子编码 1 经典编码 又称信道编码 噪声可能使计算机的运行结果面目全非 需要引入冗余信息 使发生错误使仍能纠正错误 无失真传送处理信息 重复码的编码为例 000 001 1个比特出错 000 少数服从多数 17 二 量子计算机 6 量子编码 2 量子相干性 量子比特处于0 1两本征态的任意叠加态上 对量子比特操作时 两态的叠加振幅就会相互干涉 量子编码 量子相干性是量子信息论的优势来源 由于环境的影响 会随着时间消相干 极易导致量子错误 需要以合适的方式引入信息冗余 提高抗干扰能力 18 二 量子计算机 6 量子编码 3 量子信息编码的困难A 量子态不可克隆定理禁止态的复制B 在量子情况下 测量会引起太塌缩 从而破坏粒子相干性C 量子测量的自由度要大的多 对于一种确定的输入态 其输出态可以是二位空间中的任意态 19 二 量子计算机 6 量子编码 4 量子信息编码的解决方案A 单比特态不是被复制为多比特的直积态 而是编码为复杂的纠缠态 B 量子纠错在确定错误图样时 只进行部分测量 C 量子错误的种类虽然为连续统 但它可以表示为3种基本量子错误 3个Puli矩阵的线性组合 只要纠正了3种基本量子错 所有的量子错误都将得到纠正 20 二 量子计算机 5 量子编码的三种不同类型 量子纠错码 量子避错码 量子防错码 出了错后纠正 经典纠错码的对应 避免出错 应用量子相干保持态 采用多次测量防止出错 应用量子Zero效应 量子计算机的实现原则上已经不存在不可逾越的困难 但量子硬件的突破尚有待时日 21 三 量子计算机的物理实现 1 一台计算机的最基本要求 1 能长期保持相干性 2 外界能够精确的控制其演化并读出结果 与外界很好隔离的封闭量子系统 与外界有很好的耦合 外界环境 互相矛盾的要求 量子计算机选择的物理系统要兼顾 22 三 量子计算机的物理实现 2 目前主要研究途径 1 固态量子计算 超导系统 量子点系统 23 三 量子计算机的物理实现 2 基于量子光学的量子计算 离子阱系统 腔QED系统 24 线性光学系统 光子晶体系统 三 量子计算机的物理实现