量子計算機簡介PPT課件

1、 南開之星 當今社會，人們越來越離不開計算機。而計算機的運算速度也由當年的8086，8088，到現(xiàn)在的P4，甚至大型計算機。運算速度不斷飆升。第1頁/共25頁 但由摩爾第一定律電腦芯片每18個月其上的晶體管翻一番，其主要技術是通過減少導線和元件尺寸來達到的。隨著尺寸的不斷減小，其電子的量子效應不斷增加，以至以經典物理為基礎的微電子學在電腦芯片的發(fā)展受到不可逾越的瓶頸。據科學家估計2025電腦芯片的速度將達到物理極限。第2頁/共25頁 為了突破計算機的運算速度極限，人們開始不斷研發(fā)新的計算機芯片，其中光子計算機，生物計算機，量子計算機是前景最光明的三方面。第3頁/共25頁 光子計算機是 根據光學

2、空間的多維特性，為計算機設計新的邏輯結構和運算原理。 并充分利用光子元件體積小、傳送信息速度快的特點，用超高速大容量的光子元件替代目前計算機中使用的硅化學元件，用光導纖維或光波替代普通金屬導線。光二極管和光三極第4頁/共25頁 生物計算機是通過對生物的腦和神經系統(tǒng)中信息傳遞、信息處理等原理的進一步研究，設計全新的仿生模式計算機，并與人工智能的研究相互借鑒、共同發(fā)展。模擬生物細胞中的蛋白質和酶等物質的產生過程，制造出仿生集成芯片來替代目前計算機中使用的半導體元件。 第5頁/共25頁 而量子計算機卻完全不同，它以量子力學為基礎，運用量子信息學，構建一個完全以量子位為基礎的計算機芯片。第6頁/共25

3、頁 與傳統(tǒng)計算機相比首先它沒有傳統(tǒng)計算機的盒式外殼，看起來象是一個被其他物質包圍的巨大磁場。其次它不能象現(xiàn)在計算機那樣利用硬盤實現(xiàn)信息的長期存儲。但它有自身獨特的優(yōu)點，吸引眾多的國家和實體投入巨大的人力、物力去研究。 第7頁/共25頁 首先量子計算機處理數(shù)據不象傳統(tǒng)計算機那樣分步進行，而是同時完成，這樣就節(jié)省了不少時間，適于大規(guī)模的數(shù)據計算。它的速度足夠讓物理學家去模擬原子爆炸和其他的物理過程。 第8頁/共25頁 量子計算機的另一個優(yōu)點是微型化、集成化。隨著信息產業(yè)的高度發(fā)展，所有的電子器件都在朝著小型化和高集成化方向發(fā)展，而作為傳統(tǒng)計算機物質基礎的半導體芯片一直是這場運動的領先者，但由于晶體

4、管和芯片受材料的限制，體積減小是有個限度的，最終不能達到原子水平。而每個量子元件尺寸都在原子尺度，由它們構成的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，體積還會大大縮小?？梢韵胂笠粋€可以放在口袋中的超高速計算機是什么樣嗎？還有直徑只有幾十厘米的人造衛(wèi)星。 第9頁/共25頁 最后量子計算機還有一個優(yōu)點就是，系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時，輸入的原始數(shù)據會自動繞過，進入系統(tǒng)的正確部分進行正常運算，運算能力相當于1000億個奔騰處理器，運算速度比現(xiàn)有的計算機快100倍。光學計算機在處理數(shù)據的能力上要比電子計算機高1000多倍，處理信息的速度為每秒10億次，接近于人腦的思維能力。 第10頁/共25頁 量子

5、計算機為什么會有這么大的威力呢？其根本原因在于構成量子計算機的基本單元量子比特（q-bit），它具有奇妙的性質，這種性質必須用量子力學來解釋，因此稱為量子特性。為了更好地理解什么是量子比特，讓我們看看經典計算機的比特與量子計算機的量子比特有什么不同。我們現(xiàn)在所使用的計算機采用二進制來進行數(shù)據的存儲和運算，在任何時刻一個存儲器位代表0或1，例如在邏輯電路中電壓為5V表示1，0V表示0，如果出現(xiàn)其他數(shù)值計算機就會以為是出錯了。第11頁/共25頁 而量子比特是由量子態(tài)相干疊加而成，一個具有兩種狀態(tài)的系統(tǒng)可以看作是一個“二進制”的量子比特，對量子力學有了解的人都知道，在量子世界里物質的狀態(tài)是捉摸不定的

6、，如電子的位置可以在這里同時也可以在那里，原子的能級在某一時刻可以處于激發(fā)態(tài)，同時也可以處于基態(tài)。我們就采用有兩個能級的原子來做量子計算機的q-bit。第12頁/共25頁 現(xiàn)在我們規(guī)定原子在基態(tài)時記為 |0，在激發(fā)態(tài)時原子的狀態(tài)記為 |1 ，而原子具體處于哪個態(tài)我們可以通過辨別原子光譜得以了解。微觀世界的奇妙之處在于，原子除了保持上述兩種狀態(tài)之外，還可以處于兩種態(tài)的線性疊加，記為 |=a |1+ b |0 ，其中a，b分別代表原子處于兩種態(tài)的幾率幅。如此一來，這樣的一個q-bit不僅可以表示單獨的“0”和“1”（a=0時只有“0”態(tài)，b=0時只有“1”態(tài)），而且可以同時既表示“0”，又表示“1

7、”（a,b都不為0時）。第13頁/共25頁 舉一個簡單的例子，假如有一個由三個比特構成的存儲器，如果是由經典比特構成則能表示000，001，010，011，100，101，110，111這8個二進制數(shù)，即07這8個十進制數(shù)，但同一時刻只能表示其中的一個數(shù)。若此存儲器是由量子比特構成，如果三個比特都只處于 |0或 |1則能表示與經典比特一樣的存儲器，但是量子比特還可以處于 |0與 |1的疊加態(tài)，假設三個q-bit每一個都是處于( |0+ |1) / (2) 態(tài)。第14頁/共25頁 那么它們組成的量子存儲器將表示一個新的狀態(tài)，用量子力學的符號，可記做：|0|0|0+ |0|0|1+ |0|1|0+

8、 |0|1|1+ |1|0|0+ |1|0|1+ |1|1|0+ |1|1|1 不難看出，上面這個公式表示8種狀態(tài)的疊加，既在某一時刻一個量子存儲器可以表示8個數(shù)第15頁/共25頁 假設現(xiàn)在我們想求一個函數(shù)f(n)，(n07)的值，采用經典計算的辦法至少需要下面的步驟：存儲器清零賦值運算保存結果再賦值運算再保存結果 對每一個n都必須經過存儲器的賦值和函數(shù)f(n)的運算等步驟，而且至少需要8個存儲器來保存結果。 第16頁/共25頁 如果是用量子計算機來做這個題目則在原理上要簡潔的多，只需用一個量子存儲器，把各q-bit制備到( |0+ |1) / (2)態(tài)上就一次性完成了對8個數(shù)的賦值，此時存儲

9、器成為態(tài) |，然后對其進行相應的幺正變換以完成函數(shù)f(n)的功能，變換后的存儲器內就保存了所需的8個結果。這種能同時對多個態(tài)進行操縱，所謂“量子并行計算”的性質正是量子計算機巨大威力的奧秘所在。 第17頁/共25頁 如果用計算機計算1234X3433，能夠在幾秒內出結果，但要用它計算4236322的所有因子并不容易。傳統(tǒng)計算機隨著處理數(shù)據位數(shù)的增加所面臨的困難線形增加，要分解一個129位的數(shù)字需要1600臺超級計算機聯(lián)網工作個月，而要分解一個140位的數(shù)字所需的時間超過了美國的年齡。但是利用一臺量子計算機，在幾秒內就可得到結果。 第18頁/共25頁 但是，量子計算機的發(fā)展也存在不少因難。目前國

10、際上量子計算機研制的四大技術難關是：量子隱性遠程傳態(tài)測量中的波包塌縮；多自由度系統(tǒng)環(huán)境中小系統(tǒng)的量子耗散；量子退相干效應；量子固體電路如何在常態(tài)（常溫、常壓等）中運行量子態(tài)。 第19頁/共25頁 其中的多自由度系統(tǒng)環(huán)境中小系統(tǒng)的量子耗散，直接影響量子計算機的正確讀數(shù)。因為在讀取的瞬間表示信息的原子狀態(tài)會發(fā)生變化，從而造成各種失真。為了克服這一難點，科學家們發(fā)明了一種讀取方法核磁共振技術。第20頁/共25頁 我們通過給粒子加一個數(shù)值固定的外磁場，因它們有不同的極化方向和自旋取向，從而能夠在磁場中以某種特定狀態(tài)存在，如果在此基礎上在加一個交變電場，改變頻率便可有效控制粒子的運動，使之一種運動形式代表一個數(shù)據。 原子在磁場中的不同取向 第21頁/共25頁 而對于量子固體電路如何在常態(tài)（常溫、常壓等）中運行量子態(tài)?，F(xiàn)在我們可以通過最新的原子芯片技術，利用在硅片上刻蝕金屬導線。當其通過電流是在其100微米上形成磁勢阱，從而形成BEC（波色愛因斯坦凝聚 ）。在常溫下形成量子態(tài)。第22頁/共25頁 現(xiàn)在，用原子實現(xiàn)的量子計算機只有5個q-bit，放在一個試管中而且配備有龐大的外圍設備，只能做1+1=2的簡單運算，正如Bennett教授所說，“現(xiàn)在的量子計算機只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是5年，10年，甚至是50年以后”。第23頁/共25頁