《大話量子計(jì)算機(jī)》課件

大話量子計(jì)算機(jī)制作人：

巫揚(yáng)堅(jiān)0310342

邢俊波0310344

楊智0310346

1大話量子計(jì)算機(jī)1什么是量子計(jì)算機(jī)？在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單元（叫做一個(gè)量子位或者qubit，也叫做昆比特）不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，并不是二進(jìn)制位而是按照性質(zhì)四個(gè)一組組成的單元。qubit具有這種性質(zhì)的直接原因是因?yàn)樗裱肆孔觿?dòng)力學(xué)的規(guī)律，而量子動(dòng)力學(xué)從本質(zhì)上說(shuō)完全不同于傳統(tǒng)物理學(xué)。qubit不僅能在相應(yīng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)位的邏輯狀態(tài)0和1穩(wěn)定存在，而且也能在相應(yīng)于這些傳統(tǒng)位的混合或重疊狀態(tài)存在。換句話說(shuō)，qubit能作為單個(gè)的0或1存在，也可以同時(shí)既作為0也作為1，而且用數(shù)字系數(shù)代表了每種狀態(tài)的可能性。這種現(xiàn)象看起來(lái)和人的直覺(jué)不符，因?yàn)樵谌祟惖娜粘Ｉ钪邪l(fā)生的現(xiàn)象遵循的是傳統(tǒng)物理規(guī)律，而不是量子力學(xué)的規(guī)律，量子規(guī)律只統(tǒng)治原子級(jí)的世界。2什么是量子計(jì)算機(jī)？在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單元（叫做一量子計(jì)算機(jī)理解在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單元（叫做一個(gè)量子位或者qubit，也叫做昆比特）不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，并不是二進(jìn)制位而是按照性質(zhì)四個(gè)一組組成的單元。qubit具有這種性質(zhì)的直接原因是因?yàn)樗裱肆孔觿?dòng)力學(xué)的規(guī)律，而量子動(dòng)力學(xué)從本質(zhì)上說(shuō)完全不同于傳統(tǒng)物理學(xué)。qubit不僅能在相應(yīng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)位的邏輯狀態(tài)0和1穩(wěn)定存在，而且也能在相應(yīng)于這些傳統(tǒng)位的混合或重疊狀態(tài)存在。換句話說(shuō)，qubit能作為單個(gè)的0或1存在，也可以同時(shí)既作為0也作為1，而且用數(shù)字系數(shù)代表了每種狀態(tài)的可能性。這種現(xiàn)象看起來(lái)和人的直覺(jué)不符，因?yàn)樵谌祟惖娜粘Ｉ钪邪l(fā)生的現(xiàn)象遵循的是傳統(tǒng)物理規(guī)律，而不是量子力學(xué)的規(guī)律，量子規(guī)律只統(tǒng)治原子級(jí)的世界。3量子計(jì)算機(jī)理解在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單元（叫做一個(gè)量子位或量子計(jì)算機(jī)發(fā)展源頭基于量子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算設(shè)備的設(shè)想首先在19世紀(jì)70年代和19世紀(jì)80年代，由物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，例如IBMThomasJWatson研究中心的CharlesH.Bennett，伊利諾伊州Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的PaulA.Benioff，牛津大學(xué)的DavidDeutsch和加利福尼亞理工學(xué)院（Caltech）的RichardP.Feynman提出。Feynman在1982年制造了一個(gè)抽象的模型，該模型示范了如何利用量子系統(tǒng)做運(yùn)算。他也解釋了這樣一個(gè)機(jī)器如何用作量子物理學(xué)的模擬器進(jìn)行運(yùn)算。以后，在1985年，Deutsch意識(shí)到Feynman的主張最終能導(dǎo)致用于一般目的的量子計(jì)算機(jī)的誕生，他發(fā)表了一篇具有決定作用的論文聲明任何物理過(guò)程，在一般原則下，都能被量子計(jì)算機(jī)模擬。直到Shor在1994年傳播他的一篇預(yù)印刷的論文為止，在該論文中他陳述了一個(gè)使用量子計(jì)算機(jī)解決一個(gè)重要的數(shù)字理論問(wèn)題的方法，該方法命名為因數(shù)分解，所有已發(fā)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用只是用于一些人為的數(shù)學(xué)問(wèn)題。他表明一個(gè)特別為量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的整體數(shù)學(xué)運(yùn)算可以使得這個(gè)這個(gè)機(jī)器以極快的速度把巨大的數(shù)字分解因式，這個(gè)速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度快得多。隨著這個(gè)突破，對(duì)量子計(jì)算機(jī)的興趣不再只局限于學(xué)術(shù)界，而是引起了全世界各領(lǐng)域人士的廣泛關(guān)注。4量子計(jì)算機(jī)發(fā)展源頭基于量子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算設(shè)備的設(shè)想首先在19世量子規(guī)律只統(tǒng)治原子級(jí)的世界從某光源發(fā)射的光子沿某條路徑射向一個(gè)一面涂有銀的鏡子。該鏡子使光束分離，其中的一半垂直射向接收器A，另一半則射向接收器B。但是，一個(gè)光子作為光的最小單位并不能被分離，所以光子被接收器A或B檢測(cè)到的機(jī)率相等。如果憑直覺(jué)我們可能認(rèn)為光子離開(kāi)鏡子的方向是隨機(jī)的，或者沿垂直方向，或者沿平行方向。但是，量子動(dòng)力學(xué)告訴我們，光子實(shí)際上是沿平行和垂直兩個(gè)方向同時(shí)傳播的。圖a5量子規(guī)律只統(tǒng)治原子級(jí)的世界從某光源發(fā)射的光子沿某條路徑射向一單粒子干涉在一個(gè)類似圖a的試驗(yàn)中，光子被射向半面鍍銀的鏡子，通過(guò)接收器顯示出的信號(hào)（如果一個(gè)接收器有信號(hào)，那么其它就沒(méi)有信號(hào)）證實(shí)了光子是不可分的。根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，人們可能認(rèn)為光子的傳播路徑或者是垂直，或者是平行，并且隨機(jī)的在兩種路徑之中選擇一個(gè)。但是，量子動(dòng)力學(xué)認(rèn)為光子的傳播實(shí)際上是同時(shí)沿兩個(gè)方向進(jìn)行的，而不是像試驗(yàn)a中所示選擇其中一種。這種現(xiàn)象，被叫做單粒子干涉。6單粒子干涉在一個(gè)類似圖a的試驗(yàn)中，光子被射向半面鍍銀的鏡子，量子計(jì)算機(jī)的威力和巨大潛力（1）利用量子重疊解決問(wèn)題要快的多，例如，一個(gè)500qubit的系統(tǒng)，這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法模擬的，這個(gè)系統(tǒng)代表了2500個(gè)量子重疊態(tài)。每一個(gè)狀態(tài)都可以等同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的500個(gè)0和500個(gè)1。該系統(tǒng)的任何量子操縱——一個(gè)特殊的無(wú)線電脈沖，這種操做可以在第100和101個(gè)qubit位執(zhí)行一個(gè)可控的＂非＂操作，同時(shí)也控制了所有的2500個(gè)狀態(tài)。因此一個(gè)信號(hào)，一次計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的滴答的時(shí)間之內(nèi)，一個(gè)量子操做不僅能在一個(gè)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，而是象很多計(jì)算機(jī)進(jìn)行一樣，在2500個(gè)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。但是，如量子動(dòng)力學(xué)中的測(cè)量原理所述，最終對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)則導(dǎo)致相應(yīng)于一個(gè)響應(yīng)只產(chǎn)生一個(gè)量子態(tài)，即只相當(dāng)于500個(gè)0和1。這個(gè)有趣的結(jié)果是由于通過(guò)重疊產(chǎn)生的大量量子平行產(chǎn)生的響應(yīng)，而這相當(dāng)于利用具有10150個(gè)獨(dú)立處理器的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)所進(jìn)行的運(yùn)算結(jié)果（而這是根本不可能實(shí)現(xiàn)的）。7量子計(jì)算機(jī)的威力和巨大潛力（1）利用量子重疊解決問(wèn)題要快的多量子計(jì)算機(jī)的威力和巨大潛力（2）我們可以舉另一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。比如，分解一個(gè)有400個(gè)數(shù)字的合數(shù)是解碼史上的一項(xiàng)壯舉，即使用現(xiàn)存最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算也需要幾百萬(wàn)年的時(shí)間。但是用量子計(jì)算機(jī)完成這項(xiàng)任務(wù)可能只需要一年左右，因此使用量子計(jì)算機(jī)可以破解現(xiàn)在使用的最復(fù)雜的加密算法。但是現(xiàn)在說(shuō)來(lái)那些使用了目前加密算法的數(shù)據(jù)還是安全的，因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有人有建立量子計(jì)算機(jī)的能力。破解加密術(shù)只是量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用的一個(gè)方面。另外，Shor也把只能運(yùn)行在量子計(jì)算機(jī)上的數(shù)學(xué)運(yùn)算工具包放在一起，其中的許多運(yùn)算是用于因數(shù)分解運(yùn)算的。此外，F(xiàn)eynman宣稱量子計(jì)算機(jī)能作為一種量子物理學(xué)的模擬器使用，這潛在的打開(kāi)了在該領(lǐng)域許多發(fā)現(xiàn)的大門(mén)。雖然目前量子計(jì)算機(jī)的威力主要還是理論上的思索，但是第一臺(tái)具有全功能的量子計(jì)算機(jī)無(wú)疑將帶來(lái)許多新的令人激動(dòng)的應(yīng)用。8量子計(jì)算機(jī)的威力和巨大潛力（2）我們可以舉另一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。量子計(jì)算機(jī)的研究現(xiàn)狀量子計(jì)算機(jī)并沒(méi)有被經(jīng)典物理世界所限制，量子計(jì)算機(jī)依賴于對(duì)量子位或者說(shuō)昆比特（qubit）的觀察，量子位可能代表了一個(gè)0或者一個(gè)1，也可能代表了二者的結(jié)合或者可能代表了在0和1之間的一種狀態(tài)。IBM的研究者已經(jīng)通過(guò)使用核磁共振（NMR）技術(shù)測(cè)量和控制單原子自旋建立了量子計(jì)算機(jī)。通過(guò)改變?cè)幽芗?jí)使該原子在可控制的方式下和其它原子互相影響，然后無(wú)線電波的脈沖可以使計(jì)算機(jī)開(kāi)始計(jì)算處理。9量子計(jì)算機(jī)的研究現(xiàn)狀量子計(jì)算機(jī)并沒(méi)有被經(jīng)典物理世界所限制，量量子計(jì)算機(jī)的研究現(xiàn)狀

LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，IBM，加利福尼亞理工學(xué)院和牛津大學(xué)的科學(xué)家正在共同尋求建造量子計(jì)算機(jī)的方法。對(duì)這些公司和大學(xué)來(lái)說(shuō)，一旦成功的克服所有的困難，量子計(jì)算機(jī)一定會(huì)給他們帶來(lái)巨大的收益。如果試圖把量子計(jì)算機(jī)做成適合日常使用的放在我們桌面上的計(jì)算機(jī)是不太現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)樗鼈儾皇呛苓m合做類似文字處理和收發(fā)e-mail的工作。另一方面，大規(guī)模的加密術(shù)是量子計(jì)算的很好思路，另外，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)的建模和檢索也是量子計(jì)算機(jī)能勝任的工作。一些潛在的巨大障礙仍然阻止我們建立一個(gè)能夠?qū)宫F(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。在這些困難之中，更正錯(cuò)誤、脫散和硬件結(jié)構(gòu)可能是最可怕的。10量子計(jì)算機(jī)的研究現(xiàn)狀LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家可期待的未來(lái)量子計(jì)算機(jī)和量子信息技術(shù)在科技界的領(lǐng)先地位卻是不可動(dòng)搖的。在這個(gè)非常的時(shí)刻，科學(xué)家們正在逐漸克服障礙從而把量子計(jì)算機(jī)推進(jìn)到一個(gè)合適的地位，使得量子計(jì)算機(jī)能夠成為現(xiàn)存最快的計(jì)算機(jī)器。從未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展角度看，科學(xué)界看好的未來(lái)計(jì)算機(jī)目前有三類：生物計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)。DNA生物計(jì)算機(jī)是美國(guó)南加州大學(xué)阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想，它通過(guò)控制DNA分子間的生化反應(yīng)來(lái)完成運(yùn)算。但目前流行的DNA計(jì)算技術(shù)都必須將DNA溶于試管液體中。這種電腦由一堆裝著有機(jī)液體的試管組成，很是笨拙。光計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)硅芯片計(jì)算機(jī)的差異在于用光束來(lái)代替電子，進(jìn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)。它用不同波長(zhǎng)的光來(lái)代表不同的數(shù)據(jù)，可快速完成復(fù)雜的計(jì)算工作。然而要想造出光計(jì)算機(jī)，需要開(kāi)發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學(xué)“晶體管”?，F(xiàn)有的光學(xué)“晶體管”龐大而笨拙，用其造成臺(tái)式計(jì)算機(jī)，將有一輛汽車那么大。因此，短期內(nèi)光計(jì)算機(jī)達(dá)到實(shí)用很困難。當(dāng)然，這三種前景看好的計(jì)算機(jī)，要達(dá)到實(shí)用化，都有一段路要走。11可期待的未來(lái)量子計(jì)算機(jī)和量子信息技術(shù)在科技界的領(lǐng)先地位卻是不我國(guó)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)科學(xué)院院士、我國(guó)量子通信與量子信息技術(shù)首席科學(xué)家郭光燦教授預(yù)言：１５年到２０年后，世界首臺(tái)量