量子計算機課件

量子計算機光信息科學(xué)與技術(shù)1量子計算機1理查德·費曼

最早鼓吹量子計算的是理查德·費曼。1981年，他在麻省理工學(xué)院的一次會議上建議研制用量子力學(xué)元件構(gòu)成、遵循量子力學(xué)原理的計算機，突破傳統(tǒng)計算機無能為力的一些計算。多伊奇則第一個告訴大家，量子計算機比常規(guī)計算機快得多。

2理查德·費曼

最早鼓吹量子計算的是定義

量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯計算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。

3定義量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，而研究可逆計算機是為了克服計算機中的能耗問題。早在六七十年代，人們就發(fā)現(xiàn)，能耗會導(dǎo)致計算機芯片的發(fā)熱，影響芯片的集成度，從而限制了計算機的運行速度。Landauer最早考慮了這個問題，他考察了能耗的來源，指出：能耗產(chǎn)生于計算過程中的不可逆操作。例如，對兩比待的異或操作，因為只有一比特的輸出，這一過程損失了一個自由度，因此是不可逆的，按照熱力學(xué)，必然會產(chǎn)生一定的熱量。但這種不可逆性可以改變的。只要對異或門的操作如下操作即保留一個無用的比特，該操作就變?yōu)榭赡娴?。因此物理原理并沒有限制能耗的下限，消除能耗的關(guān)鍵是將不可逆操作改造為可逆操作。4量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，而研究可原理

構(gòu)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(zhì)，這種性質(zhì)必須用量子力學(xué)來解釋，因此稱為量子特性。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，采用有兩個能級的原子來做量子計算機的q-bit。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|φ〉=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”（a,b都不為0時）。同時對多個態(tài)進行操縱，所謂“量子并行計算”的性質(zhì)正是量子計算機巨大威力的奧秘所在。

5原理構(gòu)成量子計算機的基本單元——量子比特（q量子計算機的原理6量子計算機的原理6優(yōu)勢與用途

量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。除了進行并行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是經(jīng)典計算機無法勝任的。量子計算機是根據(jù)量子力學(xué)態(tài)疊加原理和量子相干原理而提出來的，它能存儲和處理關(guān)于量子力學(xué)變量的信息進行量子計算。量子計算機最大的優(yōu)點是量子并行計算，極大地提高了量子計算機的效率，使其可以完成經(jīng)典計算機難于完成的工作。如對一個129位數(shù)的因子分解，用1600臺超級計算機與互連網(wǎng)進行運算要花8個多月才能破譯，而用一臺量子計算機幾秒鐘就輕易解決了。7優(yōu)勢與用途

量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，在數(shù)學(xué)形式上，量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規(guī)模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的，量子計算機大規(guī)模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度也是普通電腦望塵莫及的，因此造價相當(dāng)驚人。8量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規(guī)模高利用量子力學(xué)原理設(shè)計，由量子元件組裝的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小，一個超高速計算機可以放在口袋里，人造衛(wèi)星的直徑可以從數(shù)米減小到數(shù)十厘米。9利用量子力學(xué)原理設(shè)計，由量子元件組裝的量子計算機，不僅運算速現(xiàn)有最強的計算機要算數(shù)年的工作，量子計算機只需10秒。量子計算機能輕松破解目前最常用的通訊密碼，用量子原理制成的通訊系統(tǒng)卻絕對不可破解。10現(xiàn)有最強的計算機要算數(shù)年的工作，量子計算機只需10秒。量子計hor提出的大數(shù)因式分解算法，和Grover的量子搜索算法漂亮地解決了兩類問題。按照Shor算法，對一個1000位的數(shù)進行因式分解只需幾分之一秒，同樣的事情由目前最快的計算機來做，則需1025年！而Grover的搜索算法則被形象地稱為“從稻草堆中找出一根針”盡管量子算法已經(jīng)很多了，但是到目前為止真正的量子計算機才只做到5個q-bit，只能做很簡單的驗證性實驗。

11hor提出的大數(shù)因式分解算法，和Grover的量子搜索算法漂困難如果一臺量子計算機一天工作4小時左右，那么它的壽命將只有可憐的2年，如果工作6小時以上，恐怕連1年不不行，這也是最保守的估計；假定量子計算機每小時有70攝氏度，那么2小時內(nèi)機箱將達到200度，6小時恐怕散熱裝置都要被融化了，這還是最保守的估計！由此看來，高能短命的量子計算機恐怕離我們的生活還將有一段漫長的距離。12困難如果一臺量子計算機一天工作4小時左右，那么它的壽命將只有

失去了量子相干性，量子計算的優(yōu)越性就消失殆盡。但不幸的是，在實際系統(tǒng)中，量子相干性卻很難保持。消相干（即量子相干性的衰減）主要源于系統(tǒng)和外界環(huán)境的耦合。因為在量子計算機中，執(zhí)行運算的量子比特不是一個孤立系統(tǒng)，它會與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，其作用結(jié)果即導(dǎo)致消相干。Uruh定量分析了消相干效應(yīng)，結(jié)果表明，量子相干性的指數(shù)衰減不可避免。13失去了量子相干性，量子計算的優(yōu)越性就消失用途量子計算機的主要用途是例如象測量星體精確坐標(biāo)、快速計算不規(guī)則立體圖形體積、精確控制機器人或人工只能等需要大規(guī)模、高精度的高速浮點運算的工作。量子計算機可以進行大數(shù)的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進行量子通訊的實驗中中我們發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息，正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實現(xiàn)的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外量子計算機還可以用來做量子系統(tǒng)的模擬，人們一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在經(jīng)典計算機上做數(shù)值計算，便可精確地研究量子體系的特征。

14用途14量子計算機另一方面的重要用途是用來模擬量子系統(tǒng)。早在1982年，F(xiàn)eymann就猜測，量子計算機可以用來模擬一切局域量子系統(tǒng)，這一猜想，在1996年由Lloyd證明為正確的。首先得指出，模擬量子系統(tǒng)是經(jīng)典計算機無法勝任的工作。作為一個簡單的例子，考慮由40個自旋為1／2的粒子構(gòu)成的一個量子系統(tǒng)，利用經(jīng)典計算機來模擬，至少需要內(nèi)存為240=106M，而計算其時間演化，就需要求一個240X24O維矩陣的指數(shù)，這一般來講，是無法完成的。而利用量子計算機，上述問題就變得輕而易舉，只需要40個量子比特，就足以用來模擬。Lloyd進一步指出，大約需要幾百至幾千個量子比特，即可精確地模擬一些具有連續(xù)變量的量子系統(tǒng)，例如格點規(guī)范理論和一些量子引力模擬。這些結(jié)果表明，模擬量子系統(tǒng)的演化，很可能成為量子計算機的一個主要用途。15量子計算機另一方面的重要用途是用來模擬量子系統(tǒng)。早在1982經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe寫在最后16經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量寫感謝聆聽不足之處請大家批評指導(dǎo)PleaseCriticizeAndGuideTheShortcomings結(jié)束語講師：XXXXXXXX年XX月XX日

17感謝聆聽結(jié)束語講師：XXXXXX17量子計算機光信息科學(xué)與技術(shù)18量子計算機1理查德·費曼

最早鼓吹量子計算的是理查德·費曼。1981年，他在麻省理工學(xué)院的一次會議上建議研制用量子力學(xué)元件構(gòu)成、遵循量子力學(xué)原理的計算機，突破傳統(tǒng)計算機無能為力的一些計算。多伊奇則第一個告訴大家，量子計算機比常規(guī)計算機快得多。

19理查德·費曼

最早鼓吹量子計算的是定義

量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯計算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。

20定義量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，而研究可逆計算機是為了克服計算機中的能耗問題。早在六七十年代，人們就發(fā)現(xiàn)，能耗會導(dǎo)致計算機芯片的發(fā)熱，影響芯片的集成度，從而限制了計算機的運行速度。Landauer最早考慮了這個問題，他考察了能耗的來源，指出：能耗產(chǎn)生于計算過程中的不可逆操作。例如，對兩比待的異或操作，因為只有一比特的輸出，這一過程損失了一個自由度，因此是不可逆的，按照熱力學(xué)，必然會產(chǎn)生一定的熱量。但這種不可逆性可以改變的。只要對異或門的操作如下操作即保留一個無用的比特，該操作就變?yōu)榭赡娴?。因此物理原理并沒有限制能耗的下限，消除能耗的關(guān)鍵是將不可逆操作改造為可逆操作。21量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，而研究可原理

構(gòu)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(zhì)，這種性質(zhì)必須用量子力學(xué)來解釋，因此稱為量子特性。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，采用有兩個能級的原子來做量子計算機的q-bit。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|φ〉=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”（a,b都不為0時）。同時對多個態(tài)進行操縱，所謂“量子并行計算”的性質(zhì)正是量子計算機巨大威力的奧秘所在。

22原理構(gòu)成量子計算機的基本單元——量子比特（q量子計算機的原理23量子計算機的原理6優(yōu)勢與用途

量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。除了進行并行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是經(jīng)典計算機無法勝任的。量子計算機是根據(jù)量子力學(xué)態(tài)疊加原理和量子相干原理而提出來的，它能存儲和處理關(guān)于量子力學(xué)變量的信息進行量子計算。量子計算機最大的優(yōu)點是量子并行計算，極大地提高了量子計算機的效率，使其可以完成經(jīng)典計算機難于完成的工作。如對一個129位數(shù)的因子分解，用1600臺超級計算機與互連網(wǎng)進行運算要花8個多月才能破譯，而用一臺量子計算機幾秒鐘就輕易解決了。24優(yōu)勢與用途

量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，在數(shù)學(xué)形式上，量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規(guī)模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的，量子計算機大規(guī)模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度也是普通電腦望塵莫及的，因此造價相當(dāng)驚人。25量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規(guī)模高利用量子力學(xué)原理設(shè)計，由量子元件組裝的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小，一個超高速計算機可以放在口袋里，人造衛(wèi)星的直徑可以從數(shù)米減小到數(shù)十厘米。26利用量子力學(xué)原理設(shè)計，由量子元件組裝的量子計算機，不僅運算速現(xiàn)有最強的計算機要算數(shù)年的工作，量子計算機只需10秒。量子計算機能輕松破解目前最常用的通訊密碼，用量子原理制成的通訊系統(tǒng)卻絕對不可破解。27現(xiàn)有最強的計算機要算數(shù)年的工作，量子計算機只需10秒。量子計hor提出的大數(shù)因式分解算法，和Grover的量子搜索算法漂亮地解決了兩類問題。按照Shor算法，對一個1000位的數(shù)進行因式分解只需幾分之一秒，同樣的事情由目前最快的計算機來做，則需1025年！而Grover的搜索算法則被形象地稱為“從稻草堆中找出一根針”盡管量子算法已經(jīng)很多了，但是到目前為止真正的量子計算機才只做到5個q-bit，只能做很簡單的驗證性實驗。

28hor提出的大數(shù)因式分解算法，和Grover的量子搜索算法漂困難如果一臺量子計算機一天工作4小時左右，那么它的壽命將只有可憐的2年，如果工作6小時以上，恐怕連1年不不行，這也是最保守的估計；假定量子計算機每小時有70攝氏度，那么2小時內(nèi)機箱將達到200度，6小時恐怕散熱裝置都要被融化了，這還是最保守的估計！由此看來，高能短命的量子計算機恐怕離我們的生活還將有一段漫長的距離。29困難如果一臺量子計算機一天工作4小時左右，那么它的壽命將只有

失去了量子相干性，量子計算的優(yōu)越性就消失殆盡。但不幸的是，在實際系統(tǒng)中，量子相干性卻很難保持。消相干（即量子相干性的衰減）主要源于系統(tǒng)和外界環(huán)境的耦合。因為在量子計算機中，執(zhí)行運算的量子比特不是一個孤立系統(tǒng)，它會與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，其作用結(jié)果即導(dǎo)致消相干。Uruh定量分析了消相干效應(yīng)，結(jié)果表明，量子相干性的指數(shù)衰減不可避免。30失去了量子相干性，量子計算的優(yōu)越性就消失用途量子計算機的主要用途是例如象測量星體精確坐標(biāo)、快速計算不規(guī)則立體圖形體積、精確控制機器人或人工只能等需要大規(guī)模、高精度的高速浮點運算的工作。量子計算機可以進行大數(shù)的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進行量子通訊的實驗中中我們發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息，正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實現(xiàn)的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外量子計算機還可以用來做量子系統(tǒng)的模擬，人們一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在經(jīng)典計算機上做數(shù)值計