量子计算机原理与

简
介
• 量子计算机，在上世纪80年代处于理论状态。1994年彼
得· 秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其
对于通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构 成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题。 • 半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希 望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。
量子计算机的发展过程
• 2011年，D-Wave卷土重来发布了全新产品—— D-Wave One，这一次它的处理器达到了128量 子比特，比前代产品大大提升，一台售价高达 1000万美元。
美国知名的军备制造商洛克希 德· 马丁已经购买了一台DWave One并将其用在一些复
杂的项目上，比如F-35战斗机
量子计算机原理与进展
量子计算机处理器
简
介
• 量子计算机，早先由理查德· 费曼提出，一开始是从物理 现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时，因为庞 大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟
所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数
字。理查德· 费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计 算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计 算机的概念从此诞生。
量子计算机的发展过程
• 首台量子计算机 • 2007年初，加拿大公司D-Wave Systems今天揭 开了“全球第一台商用实用型量子计算机”的神 秘面纱，展示了这台新型计算机“Orion”如何运 行商用程序。 • 在美国加州山景城的计算机历史博物馆里演示， 量子计算机本身在D-Wave公司总部，加拿大温哥 华本那比。在那里，量子计算机被液氮冷冻在 5mK(毫开)温度下，也就是-273.145℃，只比绝 对温度-273.15℃高0.005℃，比星际空间还要冷。
• 量子计算机可以进行大数的因式分解，和Grover搜索破译 密码，但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。
• 在利用EPR对进行量子通讯的实验中发现，只有拥有EPR 对的双方才可能完成量子信息的传递，任何第三方的窃听 者都不能获得完全的量子信息，正所谓解铃还需系铃人， 这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。
结果。
量子计算机工作原理
• 几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码
和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，
是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范 围广，缺点是效率不高。 从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本 运算单元的计算，以函数y=f(x),x∈A为例。量子 计算的输入参数是定义域A，一步到位得到输出值 域B，即B=f(A)；量子计算机有一个待解决的问题， 即输出值域B只能随机取出一个有效值y。
• 2012年10月，D-Wave公司获得了来自亚马逊创始 人及CEO贝索斯以及美国中情局下属投资机构总 计3000万美元的投资。 2013年初，D-Wave Two 量子计算机面世，其处理器 达到了 512 量子位，是目前商用市场上最强大的量子
计算机。其售价也随计算能力飙升，达到1500 万美
元——获得了谷歌的订单。
图2 布洛赫球面
量子计算机工作原理
• 量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述， 如二能级系统（称为量子比特（qubits）），量子计算机 的变换（即量子计算）包括所有可能的玄正变换。
• 2量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出
态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算
软件错误的自动检测
量子计算机的发展过程
• 2012年，法国物理学家塞尔日· 阿罗什，美国物理 学家戴维· 维因兰被授予诺贝尔物理奖，提出了突 破性的实验方法，使测量和操控单个量子体系成 为可能。
D-Wave的创始人罗斯
D-Wave CEO Vern Brownell
量子计算机的发展过程
量子计算机的发展过程
子计算机只是一个玩具，真正做到有实用价值的
也许是5年，10年，甚至是50年以后”。 • 我国量子信息专家中国科技大学的郭光灿教授则 宣称，他领导的实验室将在5年之内研制出实用化 的量子密码，来服务于社会！
量子计算机的发展过程
• 美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大 学、武汉物理所、清华大学四个研究机构已实现7个量子 比特量子算法演示。 • 2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位 量子比特的超导量子计算机，这个工作的意义非常重大， 或许，可实际应用的量子计算机会在几年内出现，量子计 算机的时代真的要开始了！ • 2010年3月31日，德国于利希研究中心发表公报：德国超 级计算机成功模拟42位量子计算机，该中心的超级计算机 JUGENE成功模拟了42位的量子计算机，在此基础上研究 人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。
量子计算机的发展过程
• 在2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示 了全球首台量子计算机“Orion（猎户 座）”。虽然当时只是一台能通过量子力 学解决部分问题的原型机，不过也让我们 看见了量子计算机的曙光。
量子计算机的发展过程
• 2011年进程 • 2011年5月，D-Wave自豪地宣布，全球首台真正 的商用量子计算机D-Wave One终于诞生了！其 采用了128-qubit（量子比特）的量子处理器，性 能是原型机的四倍，理论运算速度远远超越现有 所有的超级计算机。当然，由于其架构特别的关 系，只能用于处理部分特定的任务，例如高智能 AI运算等，通用性还有尚不及现有的传统电脑。 同时，D-Wave One在散热方面亦有非常苛刻的 要求，自启动起其必须全程采用液氦散热，以保 证其在运行过程中足够“冷静”。
量子计算机工作原理
量子计算机工作原理
• 在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。
目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互 作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子
点操纵、超导量子干涉等。
• 现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点
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方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型
化。
量子计算机功能
• 量子计算机还可以用来做量子系统的模拟，人们一旦有了 量子模拟计算机，就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡 罗方法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研究量子 体系的特征。
发展趋势
• 用原子实现的量子计算机只有5个q-bit，放在一个
试管中而且配备有庞大的外围设备，只能做
1+1=2的简单运算，Bennett教授说，“现在的量
量子计算机的发展过程
• 2009年11月15日，世界首台可编程的通用量子计 算机正式在美国诞生， • 据美国《新科学家》网站报道，世界上首台可编 程的通用量子计算机近日在美国面世。 • 这台可编程量子计算机的核心部件是一个标有金 黄图案的铝晶片，其中包含了一个直径大约200 微米的微型电磁圈。在这个电磁圈中，科学家放 置了四个离子，其中两个是镁离子，两个是铍离 子。