量子计算机简介

量子计算机的发展（3）
• 量子计算机的研究重新兴起是在80年代后期和 90年代初。1993年，Seth Lloyd指出许多物 理系统可用于研制量子计算机，且在一定情况 下能避免Landauer提出的问题。Shor发明了 第一种有很强实用性的量子计算机算法，其高 效率的因式分解法可分解大数，它能在几秒内 破译常规计算机“无法破译”的密码。此外,关 于量子逻辑门、量子电路等许多设计方案不断 涌现，使得量子计算的理论和实验研究蓬勃发 展。
量子计算机的前景（3）
• 最近发现的介观系统局部控制脱散作用 的方法[20]，给如何在量子力学计算机 的设计上降低去相干的影响带来某些启 迪.近年来发展极快的纳米科技，将为研 究量子计算机提供优良的实验基础。人 们期待，21世纪的量子计算机将会有灿 烂的应用前景，将使信息社会面貌一新。
量子计算机的发展（1）
• 80年代初期，Benioff首先提出了量子计 算的思想，他设计了一台可执行的、有 经典类比的量子Turing机。此后不久， Feynman发展了Benioff的设想，提出 量子计算机可以模拟其它量子系统； D.Deutsch提出基于量子干涉的计算机 模型以及“量子逻辑门”这一新概念， 并指出量子计算机可以通用化、量子计 算错误的产生和纠正等问题。
量子计算机简介
图灵计算机（1）
• 当前的计算机科学是建立在图灵机 (Turing Machine)基础上的。图灵为了 解决希尔伯特第二十三问题，引入了一 个理想机器模型。它由两个部分组成： 具有无限长存储单元的记录带(每个存储 单元的内容用“0”或“1”表示)和一个 具有内部状态并可在带上每次只能移动、 读取、改写一个存储单元的阅读头。
• 若一量子系统能产生单粒子态(即|0>或 |1>)，使量子位之间的耦合是弱的非线 性作用，解决Ladauer指出的一系列技 术问题(包括去相干、激光脉冲的不可控 制的变化、缺乏有效的纠错方法和热噪 声等)，则它满足量子计算机的实现条件。 但这些条件在目前情况下不容易解决， 使量子计算机面临着实验研制上的巨大 困难。
量子电路
• 量子电路是量子计算机的重要组成部分， 它执行量子计算机的存储、写入、读出 和逻辑运算等功能。
• 量子电路是由量子逻辑门和联接它们的 量子导线组成的。
量子电路：量子逻辑门
• 我们把能执行非0(NOT)、复制0(COPY) 和与0(AND)这些基本操作的量子器件称 为量子逻辑门。量子逻辑门是对量子位 进行操作的器件。
• Seth Lloyd证明了量子位之间几乎任何 一种非线性相互作用都可以用来制作量 子逻辑门。事实上，原子(或其它量子系 统)都有这样的非线性作用。
量子电路：量子导线
• 在量子电路中，量子导线起着联接量子 逻辑门以组成一完整电路的作用。量子 导线可以把来自一量子逻辑门的输出变 量传至另一逻辑门的输入端。
量子计算机的发展（2）
• 但到了80年代中期，这一研究领域由于若干原 因被冷落了。首先因为当时所有的量子计算机 模型都是把量子计算机看成是一个不与外界环 境发生作用的孤立系统，而不是实际模型。其 次存在许多不利于实现量子计算机的制约因素， 如Landauer指出的去相干、热噪声等等。另 外，量子计算机可能易出错，而且不易纠错。 最后，还不清楚量子计算机解决数学问题是否 比经典计算快。
• 关于量子导线的制造，主要有三种方案： 利用自旋双重共振技术、利用光纤或空 气作量子导线和把量子位限制在一个离 子阱中。
量子计算机的特点（1）
• 任何一量子计算都可用计算的一么正变 换作为整体上的描述。任何一个量子计 算都是可逆的，但测量通常不可逆。
• 输入量子位的相干叠加性将导致量子逻 辑门的输出发生关联。
息，用量子态表示0和1（自旋向上或向
下）。量子位可以是0和1的叠加。
量子叠加态输入
并行运算 么正变换
量子叠加态输出
基本原理：量子并行运算
• 经典计算机串行运算：一步一步按顺序 处理。
• 量子计算机并行运算：对每一叠加分量 的运算相当于一经典运算，对所有分量 的运算同时完成，并按一定的几率叠加， 从而给出输出结果。
• 量子位可以处于半翻转状态。即量子位 处于0和1的同等幅度的迭加态，这时此 量子位作为信息位只翻转一半。
量子计算机的特点（2）
• 若对许多量子位进行许多逻辑操作，那 量子计算机能够同时进行所有可能的计 算。Deutsch称这一效应为“量子并 行”。
• 量子模拟。任何物理过程都可用量子计 算机进行完美的模拟，并且所需的时间 要远远少于经典计算机模拟。
图灵计算机（2）
• 图灵设计图灵机的目的在于证明,在一个 自洽公理体系中,必有不能被判定的命题 存在,从而否定了希尔伯特的猜想。但同 时却为计算机科学奠定了基础。现在的 电子计算机就是图灵机的现实近似。
图灵计算机的局限
• 图灵认为,图灵机的本能与其物质实现无 关。但现实中,当存储单元小到原子大小 时,微观尺度内的量子效应是否会影响图 灵机的操作,或者能给它带来什么样的新 特点呢?这个问题图灵未考虑过。现有经 典计算已具有每秒百度文库百亿次的计算速度, 随着计算机技术的飞跃发展,人们想知道 计算机的运算速度有无上限。这一个问 题也无法从图灵的理论中得到解答。
量子计算机工作原理
• 量子计算机是一物理系统，它能存储处 理关于量子力学变量的信息。
• 量子计算机遵从的基本原理是量子力学 原理：量子力学变量的分立特性、态迭 加原理和量子相干原理。
基本原理：量子位
• 经典计算机为二进制位存储：非0即1< －>开或关。
经典输入信号
串行处理
经典输出信号
• 量子计算机用量子位（qubits）储存信
量子计算机的前景（1）
• 由于输入量子位的相干叠加和输出状态 的强关联，以及量子相干性与环境的耦 合极敏感，因此有许多门的大规模量子 计算机难保证上万次的运算所须量子态 之间的相干性。也就是说大规模量子计 算机难于制造，不太现实。
量子计算机的前景（2）
• 虽然如此，科学家已能控制几个位的量 子逻辑运算，在不远将来，他们很可能 用几十位或几百位来进行量子计算，应 用于量子远距传物、量子编码和对量子 力学理论作新的、更严格的检验等。也 就是说，小型计算机有可能研制成功。
问题一：去相干
• 去相干,又叫相干脱散，是由量子计算机 与外界环境连续作用引起的。它使计算 机的演化是非么正的，量子状态的信息 泄漏到环境中，引起沿计算路径的相位 相干损失，导致量子计算将无法进行工 作。要使计算机正常运行，仅允许出现 轻度的去相干。
问题二：纠错
• 量子错误会妨碍量子计算的进行，引起 错误的结果,导致计算的失败。引起量子 错误的原因是多方面的，可能是执行激 光脉冲或其它元件有稍微的失败引起的， 也可能热噪声的影响，或者是概率幅衰 减引起的。目前尚未有一有效的纠错技 术。
量子计算机的优点
• 计算速度可提高10亿倍,1个400位长的 数分解成质数乘积，采用巨型机需10亿 年，量子计算机只要一年。
• 量子位储存能力大大提高。 • 可完成一些传统计算机无法完成的计算：
高效率模拟、模拟量子系统；40个自旋 1/2粒子体系…… • 低能耗：计算机么正变换，是可逆的。
量子计算机存在的问题