量子計算研究進展課件

2023/4/31量子計算研究進展2010.3.262023/4/32量子信息“Informationisphysical”.--RolfLandauer量子計算機：基于量子力學原理，存儲、

處理量子信息的計算裝置。

量子計算量子通訊量子密碼學交叉領域量子物理信息科學計算機科學量子信息2023/4/33內容提綱量子計算發(fā)展簡介磁共振量子計算研究進展未來研究方向2023/4/35計算機硬件歷史計算機硬件是信息處理的平臺。數(shù)值計算單元:

機械齒輪/電子機械傳動裝置電子管(1911-1946)晶體管(1947-1958)集成電路(1959-1970)大規(guī)模集成電路(1971-)2023/4/36

計算機歷史2023/4/371642,Pascal帕斯卡機械計算機，首次確立了計算機器的概念。概念1834,Babbage差分機提出了分析機的概念機械裝置2023/4/39ENIAC2023/4/3101952,EDVACVonNeumannElectronicDiscreteVariableAutomaticComputerContaining2300vacuumtubes,but10timesfasterthanENIAC(18000)2023/4/311微處理器1971Intel400410um,2300晶體管0.74MHz1978Intel80863um,29000晶體管4.77MHz2008,Corei745nm,5.82billion晶體管2.66-3.2GHz2023/4/313摩爾定理2023/4/3142023/4/315GettingSmallerSizeofAtom2023/4/3172023/4/318當今微電子技術不久將面臨物理極限！高速發(fā)展vs.物理極限！熱耗散

&量子效應科學技術發(fā)展趨勢、國家重大戰(zhàn)略需求

開辟全新的信息處理方式，發(fā)展以量子比特為基礎的量子信息處理技術。2023/4/319量子計算機的發(fā)展史Inthe1970’sFredkin,Toffoli,Bennettandothersbegantolookintothepossibilityofreversiblecomputationtoavoidpowerloss.Sincequantummechanicsisreversible,apossiblelinkbetweencomputingandquantumdeviceswassuggestedSomeearlyworkonquantumcomputationoccurredinthe80’s1982Benioff:Quantumcomputersareuniversal.1982Feynman:Quantumcomputercouldsimulateotherquantumsystems.1993Bernstein,VaziraniandYao:Quantumsystemsaremorepowerfulthanclassicalcomputers.2023/4/321量子比特sNaturalqubits:Spin1/22023/4/322量子態(tài)疊加原理2023/4/323可逆邏輯們可逆邏輯們–克服熱耗散問題封閉的量子系統(tǒng)按照哈密頓量做幺正演化，本身就是可逆操作。ClassicalGateInOutGateInOutQuantum2023/4/325量子信息特點高速計算大容量信息存儲、傳輸保密通信量子態(tài)疊加原理量子糾纏性量子態(tài)不可克隆定理量子物理原理支配下

的信息處理10Bit0or1incomputernow2023/4/326大數(shù)質因子分解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,2000.2023/4/329二、磁共振量子計算研究進展

2023/4/330DiVincenzo判據(jù):1.可擴展的具有良好特性的量子比特系統(tǒng)。2.能夠制備量子比特到某個基準態(tài)。3.能夠保持足夠長的相干時間來完成各種量子邏輯門操作。4.能夠實現(xiàn)一套通用量子邏輯門操作。5.能夠實現(xiàn)對量子比特的測量。量子計算機的物理實現(xiàn)[1]DiVincenzoD.P.,Fortschr.Physik,48(9-11),771–783(2000)(1)能長期保持相干性—與外界很好隔離的封閉量子系統(tǒng)(2)外界能夠精確地控制其演化并讀出結果—與外界有良好的耦合這兩個要求互相矛盾。因此選擇什么樣的物理體系來制作量子計算機要兼顧兩者的要求。一臺量子計算機最基本要求實驗物理體系相對于經(jīng)典計算機利用了電子的電荷特性，在量子計算的研究中，利用電子的自旋特性，結合電子自旋操作迅速和核自旋相干時間長的特點，開展磁共振量子計算是量子計算機研究重要發(fā)展方向之一。系統(tǒng)相干時間/秒操作時間/秒最大運算次數(shù)目前進展/比特數(shù)電子自旋10-６－10-３10-９－10-６1032核自旋10-３－10０10-６－10-３10312離子阱10-110-1410138（3）量子點10-610-91032光學腔10-510-141092微波共振腔10010-41042一些物理體系的比較2023/4/334一些物理體系的比較Benchmarkingvalues:approximateerrorratesforsingleormulti-qubitgates.2023/4/335核自旋量子位B0Spinparticleinmagneticfield:|0|1[1]Gershenfeld,N.etal.,Science,

275,350–356(1997)[2]CoryD.etal.,Proc.Natl.Acad.Sci.,94,1634–1639(1997)2023/4/336實驗原理：儀器NMR量子計算機控制：射頻磁場+核之間的相互作用

實驗平臺2023/4/3382.1絕熱量子計算背景：傳統(tǒng)的量子計算研究中，研究者將經(jīng)典計算機模型類比到量子情形，以期通過基本邏輯操作實現(xiàn)普適量子計算。優(yōu)點：適用于廣泛的組合優(yōu)化問題，有著重要的應用前景。比傳統(tǒng)的量子計算機具有更強的容錯能力。絕熱量子計算：MIT的Farhi等人在2001年提出的一種新的量子計算途徑。E.Farhiet.al.,Science292，472(2001)

2023/4/3392.1絕熱量子計算Schr?dingerequation:AdiabaticevolutionEncodingthesolutionoftheproblem123LinearinterpolationEasytofind2023/4/3402.1新的質因子分解的絕熱量子算法分解21需要3個量子比特我們的算法Shor算法分解21需要50毫秒XHPengetal.,Phys.Rev.Lett.101,220405(2008)Shor’salgorithmfor15:7qubits;~720msOurnewadiabaticalgorithmfor21:3qubits;~50ms2023/4/3412.2模擬量子系統(tǒng)ClassicalcomputersExponentialgrowthofHilbertspaceSystemwith50qubits250≈1015complexamplitudes~32x1015bytesofinformationwellbeyondthecapacityofexistingcomputersIsitpossibletoclassicallysimulatefaithfullyaquantumsystem?Na?veanswer:NOncomputationalbasis2023/4/342Quantumcomputers–Universalquantumsimulators1982RichardP.FeynmannR.P.Feynman,“SimulatingPhysics

withComputers”,

Int.J.Theor.Phys.

21,467-488,1982Canwedoitwithanewkindofcomputer–aquantumcomputer?Nowitturnsout,asfarasIcantell,thatyoucansimulatethiswithaquantumsystem,withquantumcomputerelements.[…]Ithereforebelieveit’struethatwithasuitableclassofquantummachinesyoucanimitateanyquantumsystem,includingthephysicalworld.4.2模擬量子系統(tǒng)2023/4/3432.2.1量子仿真實驗研究背景量子相變與臨界現(xiàn)象是凝聚態(tài)物理學中重要物理現(xiàn)象；量子自旋系統(tǒng)聯(lián)系著量子信息學和凝聚態(tài)物理兩個領域；量子糾纏和量子相變的密切關系。研究結果設計合適的Hamiltonian微擾和掃描函數(shù)實現(xiàn)量子絕熱過程；首次成功地觀察到了Heisenberg自旋鏈中基態(tài)糾纏的量子相變現(xiàn)象。XHPengetal.,PhysicalReviewA71,012307(2005)Muchmoresusceptibletothechangeofthecontrolledparameter2023/4/3442.2.2量子仿真實驗LoschmidtechoorFidelitydecay:LE=|<0|exp(i(H+S)t)exp(-iH)t|0>|2Avisualizationof“quantumfluctuations”研究結果JFZhang,XHPengetal.,Phys.Rev.Lett.100,100501(2008)2023/4/3452.2.3量子仿真實驗三體相互作用體系中量子相變與量子糾纏的實驗研究基態(tài)臨界點探測問題：標準兩自旋相關函數(shù)不能探測由于三體相互作用導致的量子臨界現(xiàn)象。2023/4/346Three-spinIsingquantummodel2.2.3量子仿真實驗PhaseIPhaseIIIIAIBICVisiblebyentanglementwitnessesXHPengetal.,Phys.Rev.Lett.101,140501(2009)量子仿真計算氫分子基態(tài)能量[J.Duetal.PRL.104，030501(2010)]2010年，首次在實驗上通過磁共振技術實現(xiàn)了氫分子的基態(tài)能量值計算的量子仿真研究。2.2.4量子仿真實驗

該工作被選為Phy.Rev.Lett.HighlightArticle。2.2.4量子仿真實驗2023/4/3492.3規(guī)模化與消相干2023/4/350固態(tài)體系中最優(yōu)動力學去耦實驗[J.Duetal.Nature461,1265(2009)]2009年，首次在真實固態(tài)體系中實現(xiàn)了最優(yōu)動力學去耦，極大的提高了量子相干保存時間。2.3規(guī)?；c消相干發(fā)展高速、精確的量子操控技術新型量子信息存儲載體的研究絕熱量子計算和量子仿真研究抗噪聲量子方法的探索：退相干機理及抑制方法研究三、未來研究方向

542023/4/355結語從量子計算（機）的概念提出以來，此領域的研究進展已經(jīng)表明：這種新型量子處理器具有比經(jīng)典處理器更強的信息處理功能。研究量子計算與量子計算機是社會經(jīng)濟與科技發(fā)展提出的迫切需求，同時也會推動納米技術和微觀操控等高新技術的進步，是未來信息技術發(fā)展的重要戰(zhàn)略性方向。量子計算的實現(xiàn)已不存在原理性障礙，量子計算非常脆弱，使制造規(guī)模大的量子計算機變得十分困難，這是對人類智慧和能力的挑戰(zhàn)！量子計算機的研制不管成功與否，量子計算的研究一定會給人類未來的生活帶來深遠意義的影響。路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索！2023/4/35656磁共振量子計算研究組GroupmembersProf.JiangfengDuProf.XianyiZhouProf.XinhuaPengProf.JihuSuProf.RongdianHanAs