量子计算机

可逆逻辑操作
这样，将不可逆逻辑操 作变为可逆逻辑操作， 且后来有人严格证明了， 所有经典不可逆的计算 机都可以改造为可逆计 算机，而不影响其计算 能力。
虽然比起我们现在用的电子计算机来，量子 计算机有很多不可比拟的优点，但由于技术 即理论上的不足，量子计算机还没能做出来。
大多数专家认为量子计算机会在今后的几十 年间出现。
朗道
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 道环境中，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。
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
量子计算机
03 光信息 03材料物理 03材料物理
苗俊杰 王佳 唐智
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。
信息的代价
朗道原理——信 息的擦除必然伴 随着热量的释放。
能耗会导致计算机芯片的发热，影响芯片 的集成度，从而限制了计算机的运行速度。
由朗道原理知道，能耗产生于计算过程中 的不可逆操作。研究可逆逻辑操作是为了 减少能耗。
实际上，计算机的能耗远比每个逻辑操作 所需要的朗道热力学代价大得多，约为100 万倍。
可逆逻辑操作
如下图，以异或门为例，将不可逆异或门改 进为可逆异或门 。
量子计算机原理
量子并行计算
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。
量子计算机的运行速度
由于量子计算机采用量子并行计算，使得大 数因式分解成为可能，还可以用来模拟量子 系统。而这些在传统计算机上是不可能实现 的。
量子计算机的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ行速度
如在大数因式分解方面，量子计算机对1000 位的大数进行因数分解需几分之一秒，而传 统的计算机对1000位的大数进行因数分解则 需1025年。足见量子计算机的优越性。
量子计算机的运行速度
考虑一个简单的例子，由40个自旋为1／2的 粒子构成的一个量子系统，利用经典计算机 来模拟，至少需要内存为240=106M，而计 算其时间演化，就需要求一个 240 X 240维 矩阵的指数 。这是不可能实现的。
利用量子计算机，却只需要40个量子比特， 就足以用来模拟。
可逆逻辑操作
UNSW 设计的核自旋量子计算机
以五分子为硬件的NMR 量子计算机
日前，澳大利亚科学家在量子科学方面获 得了重大的突破，他们在IQOQI（Institute
of Quantum Optics and Quantum Information，量子光学及量子信息学会） 成功的实现了首个用8个钙离子组成的量子 字节（Quantum Byte）。
美国伊利诺大学香槟分校的科学家最近发现了 一种解出算法结果的奇特方法，通过量子计算 和量子盘查，在不运行算法的情况下就能得出 结果。
研究人员使用一个基于 光学的量子计算机首次 向人展示了“反事实计 算”，即计算机在不运 行的情况下也能推断出 答案相关的信息。
虽然迄今为止，世界上 还没有真正意义上的量 子计算机。但是，世界 各地的许多实验室正在 以巨大的热情追寻着这 个梦想。人类探询未来， 探索科技的脚步从未停 息。
Thank you
量子计算机原理
量子计算机原理
假设现在我们想求一个函数f(n)，(n＝0~7)的 值，采用经典计算的办法至少需要下面的步 骤： 存储器清零→赋值运算→保存结果→再 赋值运算→再保存结果……
对每一个n都必须经过存储器的赋值和函数f(n) 的运算等步骤，且至少需要8个存储器来保存 结果。
量子计算机原理
1&0=0 0&0=0
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：
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。
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。
量子计算机
中心部分的量子记录
量子计算机原理
传统计算机使用的 是二进制数字位 (bit，比特)0和1。
量子计算机原理
量子计算机则操纵着昆比 特。一个昆比特说明一个 单粒子能存在于0或1的状 态，或者同时存在于0和1 的状态。这说明昆比特比 比特可以表示的状态多。 而且量子重叠态允许同时 进行许多运算，这就是已 知的量子平行，可以大大 减少计算时间。
量子计算机原理
一个量子重叠态运行一个昆比特位同时储存0 和1。两个昆比特位能同时储存所有的4个二 进制数。三个昆比特位能储存8个二进制数 000，001，010，011，100，101，110和 111。下表表明300个昆比特位能同时储存多 于1090个数字。这甚至多于我们这个可见宇 宙中的原子数 。
如果是用量子计算机来做这个题目则在原理 上要简洁的多，只需用一个量子存储器，把 各q-bit制备到( |0〉+ |1〉) / (√2)态上就一次 性完成了对8个数的赋值，此时存储器成为态 |φ〉，然后对其进行相应的幺正变换以完成 函数f(n)的功能，变换后的存储器内就保存了 所需的8个结果。
这就是所谓的“量子并行计算”。
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。
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。
量子计算机
什么是量子计算机？ 这是一种采用基于量子力量的深层次的计 算模式的计算机。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 。