量子计算研究进展课件.ppt

1、2022-12-191量子计算研究进展量子计算研究进展彭新华彭新华中国科学技术大学近代物理系中国科学技术大学近代物理系2010.3.262010.3.262022-12-192量子计算量子计算量子通讯量子通讯量子密码学量子密码学交叉领域量子物理量子物理信息科学信息科学计算机科学计算机科学量子信息量子信息2022-12-1932022-12-194一、量子计算发展简介一、量子计算发展简介2022-12-195计算机硬件是信息处理的平台。计算机硬件是信息处理的平台。数值计算单元:机械齿轮/电子机械传动装置电子管(1911-1946)晶体管(1947-1958)集成电路(1959-1970)大规模集

2、成电路(1971-)2022-12-1962022-12-1971642,Pascal1642,Pascal帕斯卡机械计算机，首次确立了计算机器的概念。概念1834,Babbage1834,Babbage差分机差分机提出了分析机的概念机械装置机械装置2022-12-198Mauchiy and EckertMauchiy and Eckert2022-12-1992022-12-1910Von NeumannVon NeumannE Electronic D Discrete V Variable A Automatic C ComputerContaining 2300 vacuum tub

3、es,but 10 times faster than ENIAC(18000)2022-12-19111971 Intel 400410um,2300晶体管0.74 MHz1978 Intel 80863um,29000 晶体管4.77MHz2008,Core i745nm,5.82 billion晶体管2.66-3.2 GHz2022-12-19122022-12-19132022-12-19142022-12-1915Size of Atom2022-12-19162022-12-19172022-12-1918当今微电子技术不久将面临物理极限！当今微电子技术不久将面临物理极限！高速发展

4、高速发展 vs.vs.物理极限！物理极限！热耗散热耗散&量子效应量子效应 开辟全新的信息处理方式，发展以开辟全新的信息处理方式，发展以量子比特量子比特为为基础的量子信息处理技术。基础的量子信息处理技术。2022-12-1919nIn the 1970s Fredkin,Toffoli,Bennett and others began to look into the possibility of reversible computation to avoid power loss.nSince quantum mechanics is reversible,a possible link be

5、tween computing and quantum devices was suggestednSome early work on quantum computation occurred in the 80sn1982 Benioff:Quantum computers are universal.n1982 Feynman:Quantum computer could simulate other quantum systems.n1993 Bernstein,Vazirani and Yao:Quantum systems are more powerful than classi

6、cal computers.2022-12-19202022-12-1921sNatural qubits:Spin 1/22022-12-1922量子态叠加原理量子态叠加原理2022-12-1923可逆逻辑们可逆逻辑们n可逆逻辑们可逆逻辑们 克服热耗散问题克服热耗散问题n封闭的量子系统按照哈密顿量做幺正演化，封闭的量子系统按照哈密顿量做幺正演化，本身就是可逆操作。本身就是可逆操作。2022-12-1924Classical bits transistors 0 or 1Quantum bits quantum systems 0 or 1or in-betweenNAND,NOT,AND N

7、AND,NOT,CNOT Sqrt(NOT)These quantum gates allow operations that are impossible on classical computers!2022-12-1925l高速计算高速计算l大容量信息大容量信息 存储、传输存储、传输l保密通信保密通信量子态叠加原理量子态叠加原理量子纠缠性量子纠缠性量子态不可克隆定理量子态不可克隆定理量子物理量子物理 原理支配下原理支配下 的信息处理的信息处理1 0Bit 0 or 1 in computer now2022-12-1926Best-known classical Algorithms:i

8、n sub-exponential time!Shors algorithm:In polynomial time!The presumed difficulty of this problem is at the heart of certain algorithms in cryptography such as RSA.2.P.Shor,in Proc.35th Annu.Symp.on the Foundations of Computer Science,(IEEE Computer Society Press,Los Alamitos,California,1994),p.124-

9、134.1.M.A.Nielsen and I.L.Chuang,Quantum Computation and Quantum Information.Cambridge University Press,Cambridge,2000.2022-12-19272.5 days42 days19000 yearsHalf a yearAge of universe2022-12-1928Searching databases1 unsorted list of N entries how many queries?NONO1 month27 minutesFactoring Integers2

10、 N=pq N has L digits given N,what are p and q?3/1LeO 3LO19000 years42 days1000 digits1 L.K.Grover,PRL,7979,4709(1997)2 P.Shor,Proc.35th Ann.Symp.On Found.Of Comp.Sci.,p.124 (1994)2022-12-19292022-12-1930DiVincenzo判据:1.可扩展的具有良好特性的量子比特系统。2.能够制备量子比特到某个基准态。3.能够保持足够长的相干时间来完成各种 量子逻辑门操作。4.能够实现一套通用量子逻辑门操作。5

11、.能够实现对量子比特的测量。1 DiVincenzo D.P.,Fortschr.Physik,4848(9-11),771 783(2000)(1)(1)能长期保持相干性能长期保持相干性与外界很好隔离的封闭量子系统与外界很好隔离的封闭量子系统(2)(2)外界能够精确地控制其演化并读出外界能够精确地控制其演化并读出结果结果与外界有良好的耦合与外界有良好的耦合这两个要求互相矛这两个要求互相矛盾。因此选择什么盾。因此选择什么样的物理体系来制样的物理体系来制作量子计算机要兼作量子计算机要兼顾两者的要求。顾两者的要求。2022-12-1931实验物理体系2022-12-1932相对于经典计算机利用了电

12、子的电荷特性，在量子计算的研相对于经典计算机利用了电子的电荷特性，在量子计算的研究中，利用电子的自旋特性，结合电子自旋操作迅速和核自究中，利用电子的自旋特性，结合电子自旋操作迅速和核自旋相干时间长的特点，开展磁共振量子计算是量子计算机研旋相干时间长的特点，开展磁共振量子计算是量子计算机研究重要发展方向之一。究重要发展方向之一。系统系统相干时间相干时间/秒秒操作时间操作时间/秒秒最大运算最大运算次数次数目前进展目前进展/比比特数特数电子自旋电子自旋10-10-10-10-1032核自旋核自旋10-1010-10-10312离子阱离子阱10-110-1410138（3）量子点量子点10-610-9

13、1032光学腔光学腔10-510-141092微波共振腔微波共振腔10010-41042一些物理体系的比较2022-12-19332022-12-1934一些物理体系的比较Benchmarking values:approximate error rates for single or multi-qubit gates.2022-12-1935B0Spin particle in magnetic field:10012220000ZZBH0|0|11 Gershenfeld,N.et al.,Science,275275,350 356(1997)2 Cory D.et al.,Proc.

14、Natl.Acad.Sci.,9494,1634 1639(1997)2022-12-1936NMR量子计算机控制：射频磁场+核之间的相互作用实验平台2022-12-19372022-12-1938背景：背景：传统的量子计算研究中，研究者将经典计算机模型类比到量子情形，以期通过基本逻辑操作实现普适量子计算。优点：优点：适用于广泛的组合优化问题，有着重要的应用前景。比传统的量子计算机具有更强的容错能力。绝热量子计算：绝热量子计算：MIT的Farhi等人在2001年提出的一种新的量子计算途径。E.Farhi et.al.,Science 292，472(2001)2022-12-1939()(1(

15、)(0)(),():01PH s ts t Hs t Hs t102mindHEEdsTg(0)HPH(0)g()TAdiabatic evolutionEncoding the solution of the problem1 12 23 3ddt(t)iH(t)(t)s(t)tTEasy to find2022-12-1940分解21需要3个量子比特我们的算法Shor算法分解21需要50毫秒XH Peng et al.,Phys.Rev.Lett.101,220405(2008)XH Peng et al.,Phys.Rev.Lett.101,220405(2008)Shors algor

16、ithm for 15:Shors algorithm for 15:7 qubits;720ms7 qubits;720msOur new adiabatic algorithm for 21:Our new adiabatic algorithm for 21:3 qubits;50ms3 qubits;50ms2022-12-1941System with 50 qubits250 1015 complex amplitudes 32 x 1015 bytes of informationwell beyond the capacity of existing computersIs i

17、t possible to classically simulate faithfully a quantum system?Is it possible to classically simulate faithfully a quantum system?Nave answer:NONave answer:NO didiniinniic111.11.|.|n ncomputational basiscomputational basis2022-12-19421982 Richard P.Feynmann R.P.Feynman,“Simulating Physics with Compu

18、ters”,Int.J.Theor.Phys.2121,467-488,1982Can we do it with a new kind of computer Can we do it with a new kind of computer a a quantum computerquantum computer?Now it turns out,as far as I?Now it turns out,as far as I can tell,that can tell,that you can simulate this with a you can simulate this with

19、 a quantum system,with quantum computer quantum system,with quantum computer elements.elements.I therefore believe its true that I therefore believe its true that with a suitable class of quantum machines you with a suitable class of quantum machines you can imitate any quantum system,including the

20、can imitate any quantum system,including the physical worldphysical world.2022-12-1943XH Peng et al.,Physical Review A 71,012307(2005)XH Peng et al.,Physical Review A 71,012307(2005)Much more susceptible to the change of the controlled parameter2022-12-1944Loschmidt echo or Fidelity decay:2)()(zgzgB

21、BLE=|2A visualization of“quantum A visualization of“quantum fluctuations”fluctuations”JF Zhang,XH Peng et al.,Phys.Rev.Lett.100,100501(2008)JF Zhang,XH Peng et al.,Phys.Rev.Lett.100,100501(2008)2022-12-1945基态基态临界点探测临界点探测2022-12-1946Phase IPhase IIIXH Peng et al.,Phys.Rev.Lett.101,XH Peng et al.,Phys

22、.Rev.Lett.101,140501(2009)140501(2009)量子仿真计算氢分子基态能量量子仿真计算氢分子基态能量J.Du et al.J.Du et al.PRL.104PRL.104，030501 030501(2010)(2010)l 2010年，首次在实验上通过磁共振技术实现了氢分子的基态能量值计算的量子仿真研究。2022-12-1947l 该工作被选为Phy.Rev.Lett.Highlight Article。2022-12-19482022-12-19492022-12-1950 固态体系中最优动力学去耦实验J.Du et al.Nature 461,1265(20

23、09)l2009年，首次在真实固态体系中实现了最优动力学去耦，极大的提高了量子相干保存时间。2022-12-19512022-12-19522022-12-1953542022-12-192022-12-19552022-12-195656Nature1Physical Review Letters8Physical Review 25Others 30国际国际SCISCI实验论文实验论文6464篇篇发表论文2022-12-1957 代表性论文2022-12-19582022-12-1959Quantum ComputerQuantum Computer2022-12-19602022-12-1961