量子计算机PPT课件
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2021
如果计算机是由不可逆的逻辑门构造的，能 耗是不可避免的。
那么我们能不能用可逆的逻辑操作来实现计 算呢？
答案是肯定的。这也就引出了量子计算机。
2021
量子计算机的提出
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研 究，其目的是为了解决计算机中的能耗问题。 随着计算机技术的发展，计算机的小型化和 集成化成为一个重要的目标，但随着芯片体 积的缩小和集成度的提高，能耗对芯片的影 响越来越大，能耗也制约着集成度，限制计 算机的运算速度。20世纪60年代， IBM公 司研究室的 Rolf Landauer发现：能耗的产 生是由于计算过程中的不可逆操作。在经典 计算过程中要损失自由度，是不可逆过程， 根据热力学定律，必然会产生一定热量。如 果能把所有不可逆操作变成可逆操作，在理 论上就可以实现无能耗的计算。这种可逆计 算机的设想就是后来的量子计算机。
2021
信息的代价
我们知道，信息是可 以被精确测量，并且 需要一定量的计算机 内存空间来存储。
IBM研究实验室的罗尔 朗道在思考物理极限 对于计算机处理信息 能力的限制时，提出 了朗道原理。
朗道原理——信息的 擦除必然伴随着热量 的释放。
2021
信息的代价
朗道原理指出，只要 有一个比特的信息被 擦除就会有一小部分 能量以热的形式释放 到 环境中，散失的能 量与环境的温度成比 例，在室温中，大致 相当于一个空气分子 的动能。
1 & 0=0
0 & 1=0
0 & 0=0
导致的是相同的结果“0”。
也就是说逻辑与门实现的操作是不可逆的。
2021
信息的代价
这样，逻辑与门会损失一部分信息，使原来 不相同的选择变得不可区分。也即信息的擦 除。
正是有了信息的擦除，使得实现与门操作必 须付出朗道热力学代价，不可利用的能量以 热的形式耗散。
量子计算机
研究量子计算机的目的：
一是提高计算机的运行速度；
二是减少计算机的能耗。
为了突破计算机的运算速度极限，人们开始不 断研发新的计算机芯片，其中光子计算机，生物计 算机，量子计算机是前景最光明的三方面。
2021
那么到底什么是量子计算机呢？
2021
量子计算机
量子计算机与前两种计算机完全不同，它是 一种采用基于量子力 学 的深层次的计算模式 的计算机 ， 运用量子信息学，构建一个完全 以量子位为基础的计算机芯片。
2021
信息的代价
以计算机中逻辑与门为 例。在电路中实现逻辑 与门时，有两个输入和 一个输出，用二进制表 示为：
1 & 1=1 0 & 1=0
1 & 0=0 0 & 0=0
Y=A & B;(Y=AB)
2wenku.baidu.com21
信息的代价
那么在运算结果是“0”时，我们无法确定输 入是什么，因为有三种不同的输入：
这一模式只由物质世界中一个原子的行为所 决定，而不是像传统的二进制计算机那样将 信息分为0和1，用晶体管的开与关来处理这 些信息 。
2021
与传统计算机相比首 先它没有传统计算机 的盒式外壳，看起来 像 是一个被其他物质 包围的巨大磁场。其 次它不能 像 现在计算 机那样利用硬盘实现 信息的长期存储。但 它有自身独特的优点 ，吸引众多的国家和 实体投入巨大的人力 、物力去研究。
经典计算的极限(1)
1.1、对34位十进制的数进行因子分解，约需要 一年；
2.2、对200位数需要的时间约相当于宇宙的寿 命
3.数学家证明，这种状况在经典物理范围内是 不可能从本质上解决的。
在一毫米见方的单晶硅片上制成 的集成电路可以穿过针眼。
• 90年代中期Intel公司宣称， 在一枚小硬币尺寸的奔腾 (Pentium)芯片上包含500万个 晶体管，刻蚀线宽不到微米。
量子计算机
Quantum Computers
13060342 王定
2021
经典计算机的极限(2)
计算机基本上是位（0 and 1）的阵列。 过去50年中，经典计算机的速度每两年增加一倍。 计算机的尺寸每两年缩小一半。
计算机是物理器件，基本工作过程用物理学描述。 但 是 器件的尺寸再小的话就要考虑量子效应。
Intel 公司cpu集成度
可是当集成电路线宽小于0.1微米时，其波动性质便不可 忽略，这样，不得不考虑量子效应的影响。
Semiconductor Industry Association
• 尺寸逼近纳米尺度时将出现一系列量子物理效应
但由摩尔第一定律：电脑芯片每18个月 其上的晶体管翻一番，其主要技术是通 过减少导线和元件尺寸来达到的。随着 尺寸的不断减小，其电子的量子效应不 断增加，以至以经典物理为基础的微电 子学在电脑芯片的发展受到不可逾越的 瓶颈。据科学家估计到2025年，电脑芯 片的速度将达到物理极限。
2021
量子计算机的优点
首先量子计算机处理数据不 像 传统计算 机那样分步进行，而是同时完成，这样 就节省了不少时间，适于大规模的数据 计算。它的速度足够让物理学家去模拟 原子爆炸和其他的物理过程。
2021
量子计算机的优点
量子计算机的另一个优点是微型化、集成化。随着信 息产业的高度发展，所有的电子器件都在朝着小型化 和高集成化方向发展，而作为传统计算机物质基础的 半导体芯片一直是这场运动的领先者，但由于晶体管 和芯片受材料的限制，体积减小是有个限度的，最终 不能达到原子水平。而每个量子元件尺寸都在原子尺 度，由它们构成的量子计算机，不仅运算速度快，存 储量大、功耗低，体积还会大大缩小。可以想象一个 可以放在口袋中的超高速计算机是什么样吗？还有直 径只有几十厘米的人造卫星。
2021
量子计算机的优点
最后量子计算机还有一个优点就是，系统的某部分 发生故障时，输入的原始数据会自动绕过，进入系 统的正确部分进行正常运算，运算能力相当于1000 亿个奔腾处理器，运算速度比现有的计算机快100 倍。
2021
量子计算机为什么会 有这么大的威力呢？
2021
其根本原因在于构成量子计算机的基本单元——量 子比特（q-bit），它具有奇妙的性质，这种性质必 须用量子力学来解释，因此称为量子特性。为了更 好地理解什么是量子比特，让我们看看经典计算机 的比特与量子计算机的量子比特有什么不同。我们 现在所使用的计算机采用二进制来进行数据的存储 和运算，在任何时刻一个存储器位代表0或1，例如 在逻辑电路中电压为5V表示1，0V表示0，如果出 现其他数值计算机就会以为是出错了。
如果计算机是由不可逆的逻辑门构造的，能 耗是不可避免的。
那么我们能不能用可逆的逻辑操作来实现计 算呢？
答案是肯定的。这也就引出了量子计算机。
2021
量子计算机的提出
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研 究，其目的是为了解决计算机中的能耗问题。 随着计算机技术的发展，计算机的小型化和 集成化成为一个重要的目标，但随着芯片体 积的缩小和集成度的提高，能耗对芯片的影 响越来越大，能耗也制约着集成度，限制计 算机的运算速度。20世纪60年代， IBM公 司研究室的 Rolf Landauer发现：能耗的产 生是由于计算过程中的不可逆操作。在经典 计算过程中要损失自由度，是不可逆过程， 根据热力学定律，必然会产生一定热量。如 果能把所有不可逆操作变成可逆操作，在理 论上就可以实现无能耗的计算。这种可逆计 算机的设想就是后来的量子计算机。
2021
信息的代价
我们知道，信息是可 以被精确测量，并且 需要一定量的计算机 内存空间来存储。
IBM研究实验室的罗尔 朗道在思考物理极限 对于计算机处理信息 能力的限制时，提出 了朗道原理。
朗道原理——信息的 擦除必然伴随着热量 的释放。
2021
信息的代价
朗道原理指出，只要 有一个比特的信息被 擦除就会有一小部分 能量以热的形式释放 到 环境中，散失的能 量与环境的温度成比 例，在室温中，大致 相当于一个空气分子 的动能。
1 & 0=0
0 & 1=0
0 & 0=0
导致的是相同的结果“0”。
也就是说逻辑与门实现的操作是不可逆的。
2021
信息的代价
这样，逻辑与门会损失一部分信息，使原来 不相同的选择变得不可区分。也即信息的擦 除。
正是有了信息的擦除，使得实现与门操作必 须付出朗道热力学代价，不可利用的能量以 热的形式耗散。
量子计算机
研究量子计算机的目的：
一是提高计算机的运行速度；
二是减少计算机的能耗。
为了突破计算机的运算速度极限，人们开始不 断研发新的计算机芯片，其中光子计算机，生物计 算机，量子计算机是前景最光明的三方面。
2021
那么到底什么是量子计算机呢？
2021
量子计算机
量子计算机与前两种计算机完全不同，它是 一种采用基于量子力 学 的深层次的计算模式 的计算机 ， 运用量子信息学，构建一个完全 以量子位为基础的计算机芯片。
2021
信息的代价
以计算机中逻辑与门为 例。在电路中实现逻辑 与门时，有两个输入和 一个输出，用二进制表 示为：
1 & 1=1 0 & 1=0
1 & 0=0 0 & 0=0
Y=A & B;(Y=AB)
2wenku.baidu.com21
信息的代价
那么在运算结果是“0”时，我们无法确定输 入是什么，因为有三种不同的输入：
这一模式只由物质世界中一个原子的行为所 决定，而不是像传统的二进制计算机那样将 信息分为0和1，用晶体管的开与关来处理这 些信息 。
2021
与传统计算机相比首 先它没有传统计算机 的盒式外壳，看起来 像 是一个被其他物质 包围的巨大磁场。其 次它不能 像 现在计算 机那样利用硬盘实现 信息的长期存储。但 它有自身独特的优点 ，吸引众多的国家和 实体投入巨大的人力 、物力去研究。
经典计算的极限(1)
1.1、对34位十进制的数进行因子分解，约需要 一年；
2.2、对200位数需要的时间约相当于宇宙的寿 命
3.数学家证明，这种状况在经典物理范围内是 不可能从本质上解决的。
在一毫米见方的单晶硅片上制成 的集成电路可以穿过针眼。
• 90年代中期Intel公司宣称， 在一枚小硬币尺寸的奔腾 (Pentium)芯片上包含500万个 晶体管，刻蚀线宽不到微米。
量子计算机
Quantum Computers
13060342 王定
2021
经典计算机的极限(2)
计算机基本上是位（0 and 1）的阵列。 过去50年中，经典计算机的速度每两年增加一倍。 计算机的尺寸每两年缩小一半。
计算机是物理器件，基本工作过程用物理学描述。 但 是 器件的尺寸再小的话就要考虑量子效应。
Intel 公司cpu集成度
可是当集成电路线宽小于0.1微米时，其波动性质便不可 忽略，这样，不得不考虑量子效应的影响。
Semiconductor Industry Association
• 尺寸逼近纳米尺度时将出现一系列量子物理效应
但由摩尔第一定律：电脑芯片每18个月 其上的晶体管翻一番，其主要技术是通 过减少导线和元件尺寸来达到的。随着 尺寸的不断减小，其电子的量子效应不 断增加，以至以经典物理为基础的微电 子学在电脑芯片的发展受到不可逾越的 瓶颈。据科学家估计到2025年，电脑芯 片的速度将达到物理极限。
2021
量子计算机的优点
首先量子计算机处理数据不 像 传统计算 机那样分步进行，而是同时完成，这样 就节省了不少时间，适于大规模的数据 计算。它的速度足够让物理学家去模拟 原子爆炸和其他的物理过程。
2021
量子计算机的优点
量子计算机的另一个优点是微型化、集成化。随着信 息产业的高度发展，所有的电子器件都在朝着小型化 和高集成化方向发展，而作为传统计算机物质基础的 半导体芯片一直是这场运动的领先者，但由于晶体管 和芯片受材料的限制，体积减小是有个限度的，最终 不能达到原子水平。而每个量子元件尺寸都在原子尺 度，由它们构成的量子计算机，不仅运算速度快，存 储量大、功耗低，体积还会大大缩小。可以想象一个 可以放在口袋中的超高速计算机是什么样吗？还有直 径只有几十厘米的人造卫星。
2021
量子计算机的优点
最后量子计算机还有一个优点就是，系统的某部分 发生故障时，输入的原始数据会自动绕过，进入系 统的正确部分进行正常运算，运算能力相当于1000 亿个奔腾处理器，运算速度比现有的计算机快100 倍。
2021
量子计算机为什么会 有这么大的威力呢？
2021
其根本原因在于构成量子计算机的基本单元——量 子比特（q-bit），它具有奇妙的性质，这种性质必 须用量子力学来解释，因此称为量子特性。为了更 好地理解什么是量子比特，让我们看看经典计算机 的比特与量子计算机的量子比特有什么不同。我们 现在所使用的计算机采用二进制来进行数据的存储 和运算，在任何时刻一个存储器位代表0或1，例如 在逻辑电路中电压为5V表示1，0V表示0，如果出 现其他数值计算机就会以为是出错了。