大学课件 量子信息技术-1
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量子计算机精品PPT课件
1984年，贝内特和布拉萨德提出了第一 个量子密码术方案，称为BB84方案，由 此迎来了量子密码术的新时期。
1992年，贝内特又提出 一种更简单，但 效率减半的方案，即B92方案。
量子密码术
量子密码术并不用于传输密文，而是用于 建立、传输密码本。根据量子力学的不确 定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃 听者的存在都会被发现，从而保证密码本 的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对 安全。
量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、 量子通道和量子测量装置。
按其所传输的信息分为两类：经典量子通信 和量子通信。
经典量子通信主要用于量子密钥的传输 。
量子通信
量子通信可用于量子隐形传送和量子纠缠的 分发。
隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的 信息传送。从物理学角度，可以这样来想象 隐形传送的过程：先提取原物的所有信息， 然后将这些信息传送到接收地点，接收者依 据这些信息，选取与构成原物完全相同的基 本单元，制造出原物完美的复制品。
量子力学原理
干涉性 状态叠加时，依各状态间的相位关系可能 出现相长或相消的状态，这是经典计算机 的布尔状态所不具备的特征。
状态变化 量子依照幺正变换法则，有系统的汉密尔 顿算子决定其变化。
量子力学原理
干涉性，状态变化这两个性质是量子并行 计算的基础，因为系统的各个状态按照幺 正变换同时变化，故一次量子计算可以同 时作用在多个数据上。
量子密码术
最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振 特性，在长距离的光纤传输中，光的偏振性 会退化，造成误码率的增加。
目前主流的实验方案则用光子的相位特性进 行编码。与偏振编码相比，相位编码的好处 是对光的偏振态要求不那么苛刻。
目前，在量子密码术实验研究上进展最快的 国家为英国、瑞士和美国。
1992年，贝内特又提出 一种更简单，但 效率减半的方案，即B92方案。
量子密码术
量子密码术并不用于传输密文，而是用于 建立、传输密码本。根据量子力学的不确 定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃 听者的存在都会被发现，从而保证密码本 的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对 安全。
量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、 量子通道和量子测量装置。
按其所传输的信息分为两类：经典量子通信 和量子通信。
经典量子通信主要用于量子密钥的传输 。
量子通信
量子通信可用于量子隐形传送和量子纠缠的 分发。
隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的 信息传送。从物理学角度，可以这样来想象 隐形传送的过程：先提取原物的所有信息， 然后将这些信息传送到接收地点，接收者依 据这些信息，选取与构成原物完全相同的基 本单元，制造出原物完美的复制品。
量子力学原理
干涉性 状态叠加时，依各状态间的相位关系可能 出现相长或相消的状态，这是经典计算机 的布尔状态所不具备的特征。
状态变化 量子依照幺正变换法则，有系统的汉密尔 顿算子决定其变化。
量子力学原理
干涉性，状态变化这两个性质是量子并行 计算的基础，因为系统的各个状态按照幺 正变换同时变化，故一次量子计算可以同 时作用在多个数据上。
量子密码术
最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振 特性，在长距离的光纤传输中，光的偏振性 会退化，造成误码率的增加。
目前主流的实验方案则用光子的相位特性进 行编码。与偏振编码相比，相位编码的好处 是对光的偏振态要求不那么苛刻。
目前，在量子密码术实验研究上进展最快的 国家为英国、瑞士和美国。
(2024年)量子计算课件
通过高精度模拟和数字电 路，实现对超导量子芯片 的精确控制和测量。
20
离子阱和光学腔等新型技术展望
离子阱量子计算机
利用激光或微波场对离子进行精 确操控，实现量子计算。具有长
相干时间和高保真度等优点。
光学腔量子计算机
基于光学腔和原子或分子的相互作 用，实现量子信息的存储、传递和 处理。具有高速、低噪声等优点。
2024/3/26
12
Grover搜索算法原理及应用场景
2024/3/26
原理
Grover搜索算法是一种基于量子 叠加和量子干涉的搜索算法，用 于在未排序的数据库中快速查找 目标元素。
应用场景
可用于大规模数据库的搜索、优 化问题求解、密码学中的密钥搜 索等。
13
其他经典问题在量子计算中求解方法
线性方程组求解
量子计算课件
2024/3/26
1
目 录
2024/3/26
• 量子计算概述 • 量子比特与量子门 • 量子算法设计与分析 • 量子编程语言与工具介绍 • 量子计算机硬件实现技术探讨 • 挑战、机遇与未来发展趋势预测
2
01
量子计算概述
2024/3/26
3
量子计算定义与发展
量子计算是利用量子力学中的 原理来进行信息处理的新型计 算方式。
。在纠缠态中，一个量子比特的状态无法独立于其他量子比特的状态来
描述。
02
量子纠缠的制备
可以通过对两个或多个量子比特施加特定的量子门操作来制备纠缠态。
例如，对两个处于计算基态的量子比特施加CNOT门和Hadamard门操
作，可以得到一个Bell态，即一种典型的纠缠态。
03
量子纠缠的应用
量子纠缠是量子计算和量子通信中的重要资源，可以用于实现量子密钥
20
离子阱和光学腔等新型技术展望
离子阱量子计算机
利用激光或微波场对离子进行精 确操控，实现量子计算。具有长
相干时间和高保真度等优点。
光学腔量子计算机
基于光学腔和原子或分子的相互作 用，实现量子信息的存储、传递和 处理。具有高速、低噪声等优点。
2024/3/26
12
Grover搜索算法原理及应用场景
2024/3/26
原理
Grover搜索算法是一种基于量子 叠加和量子干涉的搜索算法，用 于在未排序的数据库中快速查找 目标元素。
应用场景
可用于大规模数据库的搜索、优 化问题求解、密码学中的密钥搜 索等。
13
其他经典问题在量子计算中求解方法
线性方程组求解
量子计算课件
2024/3/26
1
目 录
2024/3/26
• 量子计算概述 • 量子比特与量子门 • 量子算法设计与分析 • 量子编程语言与工具介绍 • 量子计算机硬件实现技术探讨 • 挑战、机遇与未来发展趋势预测
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01
量子计算概述
2024/3/26
3
量子计算定义与发展
量子计算是利用量子力学中的 原理来进行信息处理的新型计 算方式。
。在纠缠态中，一个量子比特的状态无法独立于其他量子比特的状态来
描述。
02
量子纠缠的制备
可以通过对两个或多个量子比特施加特定的量子门操作来制备纠缠态。
例如，对两个处于计算基态的量子比特施加CNOT门和Hadamard门操
作，可以得到一个Bell态，即一种典型的纠缠态。
03
量子纠缠的应用
量子纠缠是量子计算和量子通信中的重要资源，可以用于实现量子密钥
第1讲 量子通信概述ppt课件
1925年海森堡基于物理理论只 处理可观察量的认识，抛弃了不 可观察的轨道概念，从可观察的 辐射频率及其强度出发，和玻恩 、约尔当一起建立起矩阵力学。
1900年普朗克为了克服经 典理论解释黑体辐射规律 的困难引入能量子，为量 子理论奠定基础，他本人 也被誉为量子理论之父。
1905年爱因斯坦为了解释 光电效应与经典理论的矛 盾，提出了光量子，后人 称之为光子，为量子理论 的发展打开了局面。
14
量子通信具有传输的高效性
根据量子力学的叠加原理，一个维量子态 的本征展开式有项，每项前面都有一个系 数，传输一个量子态相当于同时传输这个 数据。可见，量子态携载的信息非常丰富， 使其不但在传输方面，而且在存贮、处理 等方面相比于经典方法更为高效。
15
可以利用量子物理的纠缠资源
纠缠是量子力学中独有的资源，相互纠缠 的粒子之间存在一种关联，无论它们的位 置相距多远，若其中一个粒子改变，另一 个必然改变，或者说一个经测量塌缩，另 一个也必然塌缩到对应的量子态上。这种 关联的保持可以用贝尔不等式来检验，因 此用纠缠可以协商密钥，若存在窃听，即 可发现。
经典辅 助信息
量子密钥分发 系统
经典信道（加密数据， QKD辅助信息）
量子信道
接收方
经典保密通信 系统
密钥池
经典辅
量子间接通信
量子间接通信可以传输量子信息，但不是直接传输， 而是利用纠缠粒子对，将携带信息的光量子与纠缠光 子对之一进行贝尔态测量，将测量结果发送给接收方， 接收方根据测量结果进行相应的酉变换，从而可恢复 发送方的信息，如图下所示。这种方法称为量子隐形 传态（Quantum Teleportation），应用量子力学的纠 缠特性，基于两个粒子具有的量子关联特性建立量子 信道，可以在相距较远的两地之间实现未知量子态的 远程传输。
量子计算机PPT课件
11
困难
• 如果一台量子计算机一天工作4小时左右，那 么它的寿命将只有可怜的2年，如果工作6小时 以上，恐怕连1年不不行，这也是最保守的估 计；假定量子计算机每小时有70摄氏度，那么 2小时内机箱将达到200度，6小时恐怕散热装 置都要被融化了，这还是最保守的估计！
• 由此看来，高能短命的量子计算机恐怕离我们 的生活还将有一段漫长的距离。
• 量子计算机是根据量子力学态叠加原理和量子相干原 理而提出来的，它能存储和处理关于量子力学变量的 信息进行量子计算。量子计算机最大的优点是量子并 行计算，极大地提高了量子计算机的效率，使其可以 完成经典计算机难于完成的工作。如对一个129位数的 因子分解，用1600台超级计算机与互连网进行运算要 花8个多月才能破译，而用一台量子计算机几秒钟就轻 易解决了 。
12
失去了量子相干性，量子计算的优越性就 消失殆尽。但不幸的是，在实际系统中，量子 相干性却很难保持。消相干（即量子相干性的 衰减）主要源于系统和外界环境的耦合。因为 在量子计算机中，执行运算的量子比特不是一 个孤立系统，它会与外部环境发生相互作用， 其作用结果即导致消相干。Uruh定量分析了消 相干效应，结果表明，量子相干性的指数衰减 不可避免。
13
用途
• 量子计算机的主要用途是例如象测量星体精确坐标、快速计算不 规则立体图形体积、精确控制机器人或人工只能等需要大规模、 高精度的高速浮点运算的工作。
• 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 通讯的实验中中我们发现，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。此外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。
困难
• 如果一台量子计算机一天工作4小时左右，那 么它的寿命将只有可怜的2年，如果工作6小时 以上，恐怕连1年不不行，这也是最保守的估 计；假定量子计算机每小时有70摄氏度，那么 2小时内机箱将达到200度，6小时恐怕散热装 置都要被融化了，这还是最保守的估计！
• 由此看来，高能短命的量子计算机恐怕离我们 的生活还将有一段漫长的距离。
• 量子计算机是根据量子力学态叠加原理和量子相干原 理而提出来的，它能存储和处理关于量子力学变量的 信息进行量子计算。量子计算机最大的优点是量子并 行计算，极大地提高了量子计算机的效率，使其可以 完成经典计算机难于完成的工作。如对一个129位数的 因子分解，用1600台超级计算机与互连网进行运算要 花8个多月才能破译，而用一台量子计算机几秒钟就轻 易解决了 。
12
失去了量子相干性，量子计算的优越性就 消失殆尽。但不幸的是，在实际系统中，量子 相干性却很难保持。消相干（即量子相干性的 衰减）主要源于系统和外界环境的耦合。因为 在量子计算机中，执行运算的量子比特不是一 个孤立系统，它会与外部环境发生相互作用， 其作用结果即导致消相干。Uruh定量分析了消 相干效应，结果表明，量子相干性的指数衰减 不可避免。
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用途
• 量子计算机的主要用途是例如象测量星体精确坐标、快速计算不 规则立体图形体积、精确控制机器人或人工只能等需要大规模、 高精度的高速浮点运算的工作。
• 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 通讯的实验中中我们发现，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。此外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。
科普量子通信PPT课件(模板)
➢ 量子通信
1993 年 ， 基 于 量 子 纠 缠 理 论 ， 美 国 科 学 家 贝 内 特 提 出 了 量 子 通 信 （Quantum Teleportation）的概念。
1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等 人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。
-4-
量子通信 “量子通信”=量子物理+信息科学
-6-
量子通信应用
“超时空穿越”神奇场景有望变为现实。
要第能这由1第1这这 1从由1由一1第1“1这11研人第“1变第由 11爱从绝要第第1人1第爱人1从第“1变1量研爱由这能从研由人人从1第由要能量 从第变1“ 由绝1变量从由能 这了量要11研第研绝要1研要量由人爱1研要一1第绝这了12要、 、 、、 、 、 、 、 、 、99999999999999999999解五量个中五个个普中中张五超个究与五超化五中因普对解五五与五因与普五量化子究因中个量普究中与与普五中解量子普五化超中对化子普中量是局子解究五究对解究解子中与因究解张五对是局量解991199009999909001919099一一一 一一一一一一为3333730533770770037335777释 次 不 不 国 次 不 不朗 国 国 传 次 时 不 微 人 次 时 的 次 国斯 朗 安 释 次 次 人 次 斯 人 朗 次 子 的 世 微 斯 国 不 不 朗 微 国 人 人 朗 次 国 释 世朗 次 的 时国 安 的 世 朗 国 不人 面 世 释 微 次 微 安 释 微 释 世 国 人 斯 微 释 传 次 安 人 面 子释年年年年 年年年年年年年年 年年年年年年年年个个个 个个个个个个量这索是可科索可可 克科科说索空可观、索空。索科 坦克全这索索、索坦、克索通。界观坦科可是克观科、、克索科这是界 克索。空 科全。界克科是 类。界这观索观全这观这界科、坦观这说索全类通 这，，丹， 丹，，，，，，，，， ，，，，丹丹，，未未未 未未未未未未子类尔无分大尔分分 的大大中尔穿分粒物尔穿尔大 坚的类尔尔物尔坚物的尔信中粒坚大分无的粒大物物的尔大类无中 的尔穿 大中的大无 认中类粒尔粒类粒类中大物坚粒类中尔认信 类基基麦在 麦在基物爱基基基在在 在物在在物物麦在麦基爱在知知知 知知知知知知态现维限的和维的的 能和和集维越的子与维越维和 持能现维维与维持与能维”的子持和的限能子和与与能维和现限能维越 和的能和限 识的现子维子现子现的和与持子现集维识” 现于于物奥 物奥于理因于于于奥奥 奥理奥奥理理物奥物于因奥的的的 的的的的的的的象会可能清会能能 量清清中会”能的物会”会清 认量象会会物会认物量会任的认清能可量的清物物量会清象可任 量会” 清任量清可 自任象的会的象的象任清物认的象中会自象==量量理地 理地量学斯量量量地地 地学地地学学理地理量斯地量量量 量量量量量量任，议分量华议量量 子华华了议神量运传议神议华 为子，议议传议为传子议何运为华量分子运华传传子议华，分何 子议神 华何子华分 然何，运议运，运，何华传为运，了议然，子子学利 学利子家坦子子子利利 利家利利家家学利学子坦利子子子 子子子子子子何只与的单大与单单 假大大地与奇单动递与奇与大 不假只与与递与不递假与事动不大单的假动大递递假与大只的事 假与奇 大事假大的 界事只动与动只动只事大递不动只地与界只纠纠家留 家留纠普在纠纠纠留留 留普留留普普家留家纠在留无无无 无无无无无无测物物能会，元学会元元 说学学球会场元规的会场会学 可说能会会的会可的说会件规可学元，说规学的的说会学能，件 说会场 学件说学， 历件能规会规能规能件学的可规能球会历能缠缠玻学玻学缠朗一缠缠缠学学学朗学学朗朗玻学玻缠一学法 法 法法 法 法 法 法 法 量理理假者而，组者，，、组组上者景，律消者景者组能、假者者消者能消、者都律能组，而、律组消消、者组假而都、者景组都、组而史都假律者律假律假都组消能律假上者史假理理尔的 尔的理克篇理理理的的 的克的的克克尔的尔理篇的被被被 被被被被被被都++设合是普成合普普 到成成三合有普息合有合成 存到设合合息合存息到合是存成普是到成息息到合成设是是 到合有 成是到成是 上是设合设设是成息存设三合上设信信论论把中 把中论提论论论论中中 中提中中提提把中把论论中复复复 复复复复复复会光影有朗的影朗朗 爱的的分影望朗影望影的 在爱光影影影在爱影不在的朗有爱的爱影的光有不 爱影望 的不爱的有 第不光影光光不的在光分影第光息息，，量国 量国，出文，，，国国 国出国国出出量国量，文国制制制 制制制制制制留是一克联克克 因联联之变克变联 比因是比因可比联克一因联因联是一可 因变 联可因联一 一可是是是可联比是之一是(((((((((((((科科美美子青 子青美了中美美美青青 青了青青了了子青子美中青1111111111111；；； ；；；；；；下9999999999999由最称合称称 斯合合一为称为合 光斯由光斯能光合称最斯合斯合由最能 斯为 合能斯合最 次能由由由能合光由一次由学学国国论年 论年国一提国国国年年 年一年年一一论年论国提年2222222222222痕能小它小它它 坦小小智现它现小 速坦能速坦被速小它小坦小坦小能小被 坦现 小被坦小小 揭被能能能被小速能智揭能7777777777777科科的学 的学科个出科科科学学 学个学学个个的学的科出学迹年年年年年年年年年年年年年量的为组为为 的组组慧实为实组 还的量还的窃还组为的的组的组量的窃 的实 组窃的组的 示窃量量量窃组还量慧示量学学基者 基者学大，学学学者者 者大者者大大基者基学，者。))))))))))))) 子单“，““ 光，，的。“。， 要光子要光听要，“单光，光，子单听 光。 ，听光，单 了听子子子听，要子的了子家家本潘 本潘家胆关家家家潘潘 潘胆潘潘胆胆本潘本家关潘所元能在能能 量在在照能在 快量所快量的快在能元量在量在所元的 量在的量在元 微的所所所的在快所照微所贝贝观建 观建贝假于贝贝贝建建 建假建建假假观建观贝于建组。量量量量 子量量片量的子组的子。的量量。子量子量组。。 子量。子量。 观。组组组。量的组片观组内内点伟 点伟内说光内内内伟伟 伟说伟伟说说点伟点内光伟成子子子子 理子子子信理成信理信子子理子理子成理子理子客成成成子信成客成特特应与 应与特：的特特特与与 与：与与：：应与应特的与，”通”” 论通通”通 号论，号论号通”论通论通，论通论通体，，，通号，体，提提用荷 用荷提物产提提提荷荷 荷物荷荷物物用荷用提产荷即或信或或 到信信或信 ，到即，到，信或到信到信即到信到信的即即即信，即的即出出于兰 于兰出体生出出出兰兰 兰体兰兰体体于兰于出生兰““上““ 玻上上“上 任玻“任玻任上“玻上玻上“玻上玻上波“““上任“波“了了原学 原学了在和了了了学学 学在学学在在原学原了和学光量取量量 尔取取量取 何尔光何尔何取量尔取尔取光尔取尔取动光光光取何光动光量量子者 子者量产转量量量者者 者产者者产产子者子量转者量子得子子 的得得子得 比的量比的比得子的得的得量的得的得性量量量得比量性量子子核波 核波子生化子子子波波 波生波波生生核波核子化波子”新”” 原新新”新 光原子光原光新”原新原新子原新原新和子子子新光子和子通通外密 外密通和的通通通密密 密和密密和和外密外通的密”，突，， 子突突，突 速子”速子速突，子突子突”子突子突粒”””突速”粒”信信电斯 电斯信吸瞬信信信斯斯 斯吸斯斯吸吸电斯电信瞬斯，即破即即 量破破即破 快量，快量快破即量破量破，量破量破子，，，破快，子，（（子特 子特（收时（（（特特 特收特特收收子特子（时特以普。普普 子。。普。 的子以的子的。普子。子。以子。子。性以以以。的以性以的等 的等辐现等等 等辐等等辐辐的等的现等QQQQQQQ后朗朗朗 理朗“理后“理“朗理理后理理的后后后“后的后uuuuuuu运人 运人射象人人 人射人人射射运人运象人aaaaaaa人克克克 论克鬼论人鬼论鬼克论论人论论对人人人鬼人对人nnnnnnn动合 动合时，合合 合时合合时时动合动，合tttttttuuuuuuu们常常常 ，常魅，们魅，魅常，，们，，立们们们魅们立们，作 ，作，波作作 作，作作，，作，波作mmmmmmm称数数数 在数似在称似在似数在在称在在统称称称似称统称从， 从，能动，， ，能，，能能从，从动，TTTTTTT其。。。 百。的百其的百的。百百其百百一其其其的其一其eeeeeee而首 而首量论首首 首量首首量量而首而论首llllllleeeeeee为年远年为远年远年年为年年，为为为远为，为创次 创次不的次次 次不次次不不创次创的次pppppppooooooo“的距的“距的距的的“的的即“““距“即“立实 立实是结实实 实是实实是是立实立结实rrrrrrrttttttt光时作时光作时作时时光时时“光光光作光“光aaaaaaa了现 了现连论现现 现连现现连连了现了论现成取tttttttiiiiiii子间用间子用间用间间子间间波子子子用子波子ooooooo波了 波了续同了了 了续了了续续波了波同了nnnnnnn”里”里””里”里里”里里粒”””粒”的得尔未 尔未变经未未 未变未未变变尔未尔经未）））））））。，都，。都，都，，。，，二。。。都。二。理知 理知化验知知 知化知知化化理知理验知的的的的的的的联新由量是量是量是量量量量象是象论量论量的不量量量的量量的的论量论不量概 概 概 概 概 概 概子 不 子 不 子 不 子 子 子 子 性 不 性合突中。子 。子，相子子 子，子子，，。子。相子念念念念念念念力可力可力可力力力力”可”态 态而符态态 态而态态而而态符态。。。。。。。小破国学思学思学思学学学学，思，的 的是；的的 的是的的是是的；的发议发议发议发发发发同议同组。科远 远以远远 远以远远以以远远展的展的展的展展展展时的时程 程一程程 程一程程一一程程，大迅。迅。迅。迅迅迅迅也。也传 传定传传 传定传传定定传传速速速速速速速为为在和输 输数输输 输数输输数数输输。。。。。。。量量。 。量。。 。量。。量量。。量清子子值值值值理理子华整整整整论论数数数数通大的的倍倍倍倍发发信学跳跳跳跳展展跃跃跃跃上组打打式式式式开开地地地地
1993 年 ， 基 于 量 子 纠 缠 理 论 ， 美 国 科 学 家 贝 内 特 提 出 了 量 子 通 信 （Quantum Teleportation）的概念。
1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等 人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。
-4-
量子通信 “量子通信”=量子物理+信息科学
-6-
量子通信应用
“超时空穿越”神奇场景有望变为现实。
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《量子计算机》课件pptx
pptx•量子计算概述•量子计算机体系结构•量子算法与应用领域•量子编程与开发工具•量子计算机性能评估指标•未来展望与挑战量子计算概述量子计算定义与原理量子计算是利用量子力学中的原理来进行信息处理的新型计算模式。
它采用量子比特作为信息的基本单元，通过量子叠加、量子纠缠等特性实现并行计算，具有在某些特定问题上比传统计算机更高的计算效率。
量子计算的核心思想是利用量子态的叠加性和纠缠性，在相同时间内处理更多信息，从而实现更高效的计算。
量子门是量子计算中的基本操作，类似于传统计算机中的逻辑门。
常见的量子门包括X门、Y门、Z 门、Hadamard门等。
通过不同的量子门组合，可以实现复杂的量子算法和量子程序。
量子比特（qubit）是量子计算的基本单元，与传统计算机中的比特不同，它可以处于0和1的叠加态中。
量子纠缠是量子力学中的一个重要概念，描述了两个或多个粒子之间存在一种特殊的关联关系。
当两个粒子处于纠缠态时，它们的状态是相互依赖的，无论它们相距多远，对一个粒子的测量都会立即影响到另一个粒子的状态。
量子纠缠在量子通信、量子密码学等领域有着广泛的应用。
量子计算机体系结构量子比特（Qubit）量子计算机的基本单元，与传统计算机的比特不同，它可以同时处于0和1的叠加态。
量子门（Quantum Gates）用于操作量子比特，实现量子计算中的逻辑运算。
量子测量（Quantum Measurement）将量子比特从叠加态坍缩到确定态的过程，获取计算结果。
量子算法（Quantum Algorithms）针对特定问题设计的算法，利用量子计算机的并行性加速计算过程。
量子编程语言（Quantum Programming…用于编写量子计算机程序的编程语言，如Q#、Quipper等。
量子操作系统（Quantum Operating S…管理量子计算机硬件和软件资源的系统，提供用户友好的界面和工具。
IBM 推出的商用量子计算机，采用超导量子比特技术，具有高性能和可扩展性。
量子信息技术基础
量子信息技术基础量子信息技术基础量子信息技术是一门新兴的学科，涉及了物理学、计算机科学和信息科学等多个领域。
它基于量子力学的原理和概念，利用量子叠加态、量子纠缠等特性，为信息处理和通信带来了前所未有的突破。
量子信息技术的基础在于量子力学的理论框架。
量子力学是描述微观粒子行为的一种数学方法，它与经典力学有着本质的不同。
经典力学中，粒子的状态可以用确定的数值来描述，而量子力学中，粒子的状态是以概率分布的形式存在的。
这种概率性的描述使得量子力学具有了独特的优势，可以用来处理一些经典方法无法解决的问题。
量子信息技术的核心概念之一是量子比特（qubit）。
比特是经典计算机中最基本的信息单位，它可以表示0或1。
而量子比特则可以同时处于0和1的叠加态，这种叠加态的存在使得量子计算机具有了巨大的计算能力。
通过对量子比特的操作，可以实现量子并行计算和量子纠错等功能，大大提高了计算效率。
另一个重要的概念是量子纠缠。
纠缠是指两个或多个粒子之间存在一种特殊的关联关系，它们的状态无论如何变化，都是相互关联的。
量子纠缠可以用来实现量子通信中的加密和密钥分发等功能。
由于量子纠缠的特性，一旦被篡改或窃取，就会立即被察觉到，从而保证了通信的安全性。
量子信息技术不仅在计算和通信领域有着广泛的应用，还在量子模拟、量子测量和量子传感等领域展现出了巨大的潜力。
量子模拟可以用来模拟复杂的量子系统，帮助我们更好地理解和预测自然界的现象。
量子传感可以用来制造更灵敏的测量设备，实现超高精度的测量。
这些应用都将对未来的科学研究和技术发展产生深远的影响。
然而，尽管量子信息技术的潜力巨大，但目前仍然面临着一些挑战。
首先，量子比特的制备和控制需要极高的技术水平，目前还没有实现大规模量子比特的可靠制备。
其次，量子信息的传输和存储也面临着困难，由于量子态的易碎性，信息的传输和存储需要极低的温度和极高的纯度条件。
最后，量子计算机的设计和构建仍然是一个巨大的工程，在硬件、软件和算法等方面都需要不断的创新和突破。
量子信息简介幻灯片1(4)-PPT课件
所以只有当α β =0，才能实现量子态的复制，即只有 当α =0或β =0时才能实现量子态的复制，而一般量子 态是无法复制的。量子态不能被复制的性质正是量子 不可克隆(Non—cloing)定理的又一次证实。量子不 可克隆定理保证了量子密钥既不能不测量也不能被复 制。因此量子密码术在破坏经典密码系统的同时也为 信息科学提供了另外的一条绝对安全的通讯渠道。
量子信息主领域包括有： 量子计算的抽象推演，以及量子计算机方面 的物理系统实践。量子计算机具有巨大的并 行计算能力，提供功能更强的新型运算模式。 量子通信 量子密码学量子密码可以提供不可窃听、不 可破译的绝对保密通信，美国人将“量子密 码”称为“改变人类未来”的新技术。 我们主要就量子通信及通信过程中信息 安全、密码简要介绍。
【背景】
量子信息是量子物理与信息科学相融合的交叉学 科，量子信息可以突破现代信息技术的物理极限，开 拓出新的信息功能。量子信息技术有望以崭新的原理 和方法，开拓出新一代信息技术。研究量子信息的最 初目的和意义在于突破现有经典信息系统的极限，辅 助经典信息系统完成复杂的任务，旨在提高信息速度、 确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度。然而 随着量子信息自身理论的发展，特别是在1994年 P．W．Shor量子算法提出之后，研究量子信息则成为 各国科学研究的重点。因为Shor量子算法在理论上可 以破译现有的全部经典密码系统，对经典密码系统造 成了极大的威胁。又因密码系统涉及国家机密和国家 安全等重大问题，所以受到高度重视。
粒子1所处的态是Alice要传递给Bob的量子态。粒 子2和粒子3是由EPR源产生的纠缠对，分别发送给 Alice和Bob。Alice采用能识别Bell基的分析仪对 粒子1和粒子2进行联合测量(BS)得到一个经典信息， 与此同时Bob的粒子3由于粒子2的测量塌缩到相应 的量子态。～ice通过经典信道将测量结果传递给 Bob。Bob根据收到的信息对粒子3进行相应的幺正 交换(U)，就可以使粒子3处于粒子1的精确是很容易做到 的，利用经典受控非门，将带复制比特X和0分别作为 X和Y的两个输入，输出即为两个X，实现了比特位的 复制。而在量子信息中，采用类似的方法我们看情况 将会如何呢?我们将未知量子态|Ψ >=α |0>+β |1>作 为受控非门的目标量子比特，将|0>作为控制量子比 特，结果将会如下：
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§3-1光电倍增管 1. 真空光电管
A、基本结构
光阴极涂层
真空
通光窗口
阳极栅网
光
电
流
A
引出电极
光强
Pd
偏置电压V
R
V
B、特点：
优点：
缺点：
响应速度快（PS)； 体积大（cm)；
暗电流小(PA)；
工作电压高(百V)；
受光面积大；
无放大作用。
灵敏度高。
应用范围： 需要高速响应的场合（P秒级）； 需要大光照面积的场合。
响应速度 总探测效率：总=c•w•c’
（1）阴极材料
阴极名称 银氧铯 砷化镓
砷化镓铟 双碱
多碱
日盲 其他
材料成份
截止波长(nm)
Ag-O-Cs
1200
GaAs
930
InGaAs
930
Sb-Cs
650
Sb-Rb-Cs
Sb-K-Cs
850
Na-K-Sb-Cs
Cs-I Cs-Te
320 高温型、红外扩展型等
B. 单点接地
各点电位
单点接地法
VA RA gI A VB RB gIB Vc RC gIc
优点：各设备地独立，尽管各自的地电位不一致，
但不互相干扰。
缺点：地线变长，电感变大，高频时耦合干扰严重
f<1MHz 时应用最好
1MHz<f<10MHz 时
f>10MHz 时最好不用
应采用单点接地，但地线长度应尽可能短
（2）上述接地方法适用于PCB板设计种，如果条件允许， PCB板中地线应宽于3mm！！(条件允许的话）
（3） 接地位置
举例：
传 感 器
屏蔽线
放大器
传感器地
放大器地
简单的传感器及其信号放大电路
等效电路：
放大器
信号线电阻：Rcs 地间电阻：
Rg
屏蔽线电阻： Rcg 放大器输入阻抗： Zin
地间电位差： ecM
量子信息技术
第二章 光的量子性
光的量子性表现在：
1、光的发射服从量子规律； 2、光的传输和模式变换服从量子规律； 3、光与物质的相互作用服从量子规律。
§2-1 光发射的量子性
白炽灯 的辐射 曲线
可见光
人体的辐 射曲线
维恩(Wien)定律
r(,T )
c1
c2
e T
5
热力学定律给出
实验数据
瑞利（Rayleigh)—金斯（Jeans）定律
R--通常用来评价信号处理系统的性能！
(4)噪声与干扰
电子噪声
1.
影
响
电路噪声
测
量
的
主
要
噪
声 热噪声
1/f
量 子
与
干
扰
源
自然噪声
天 体
空间
周围设备
开关,可控 硅
干扰
感应
串扰
供电功率不足
地线不 合格
2. 环境干扰大致时间分布
1/时，上下课等
1/年，季节 变化等
1/日，早、晚等
1/分，电梯等
50Hz及其倍频 手
还需要考虑吗？
（2）. 自然噪声
a. 天体噪声
宇宙电磁辐射---1 GHz左右，对量子信息开始有影响 水相关的散射---20GHz左右，现代通信的上限 O2分子的散射---60GHz左右，目前无关，20年后有影响 宇宙射线的激发---十分钟量级，对低计数率的实验有影响
b. 空间噪声
广播 1kHz---1MHz左右，几乎24小时； 电视 10MHz量级， 几乎24小时； 手机信号 1-3GHZ，24小时；
感应
1．屏蔽 2．减少回路面积
3.固定测量线路，降低振动等带来的感应噪声
解决问题的关键：找到干扰源
B．电路噪声
――采用微弱信号检测技术
(5). 接地
（1）零线与地线
a. 给电路提供一个共同参考电位点
接地的目的：
b. 提供安全保护
a. 直流地
注意： b. 交流地
数字地 模拟地
在混合PCB中数字地和 模拟地一定要分开！
c.任何地线都会存在电阻、电容、电感
（2） 接地方式 A. 就近接地
各点电位
就近接地法
VA RA (I A IB IC ) VB VA RB (IB IC ) VC VB RC IC
优点：简单，方便！实验室常用的接地方法
缺点：干扰很大，任用电器上的电压将随其他用电器
的工作电流而变化，特别是其他用电器用电量 很大的时候
§3- 4直流弱信号测量
（一）噪声
——测量极限决定于电路中噪声信号的大小 （假定所有外部干扰场被排除）
1．热噪声（Johnson noise）
电压： e2 4KTR • f nR
电流：
i2 4KT f
nR
R
Nyguist公式（奈奎斯特） 噪声与f 无关－白噪声
2．散粒噪声
流过测量设备某截面电子数的起伏（涨落） Schottky公式
2、哈瓦克（Hallwack)：
---光电效应！！
（1）带负电的球才有这种现象；
（2）不带电的球，紫外照射可带正电。
3、艾斯特（Elster)和盖泰尔(Geital)：
（1）电效应跟材料有关，正电性越强的金属，产生 光电效应的波长越长；
（2）碱金属用可见光就能产生光电效应。
由此证明：光电效应是由光与物质相互作用的结果！
Zin Rcs
RS
Vin 0.95mV
对弱信号测量，巨大的干扰！
改进的方法：
传
放大器
感
器
屏蔽线
传感器地
放大器地
注意屏蔽线 连接位置
浮地：
放大器
信号传输线的内外层电阻：
Rcs Rcg 1
两个接地点间电阻：
Rg 0.01
放大器输入电阻：
Zm 10K
两接地点间电流为1mV
ecm 1mv
浮地电阻
（3）.干扰
a.空间感应干扰 周边电磁设备
相对运动
电机，电梯，电磁炉 开关 闸流管，可控硅（很严重Hale Waihona Puke 计算机(最严重）b.串扰
计算机 其他电器设备（特别是高频设备）
通过共用动力线耦合
应特别注意的干扰：工频（50Hz及其倍频）两种耦合都有！
（4）. 解决方案
1．改善接地线
A．干扰
串扰
2．改变电连接方式 3．增加供电能力 4．改善电网（供电隔离）
可根据实际情况决定！但通常不这么做； ④最好用电池供电。
6. 抗感应干扰
采用双绞线传输信号：
放大器
d1 ≠ d2,C1≠C2 电容耦合干扰！
放大器
D1=d2, C1=C2 耦合抵消
注意：ⅰ）所有弱信号线尽可能固定！
ⅱ）最好用层叠薄膜屏蔽电缆！
7. 弱信号布线注意事项
❖ ①不应以屏蔽线作为信号传输用—易受干扰； ❖ ②信号应与前置放大器在同一点接地，不能多点接地； ❖ ③尽可能减少信号线与地之间的环路面积—降低干扰； ❖ ④弱信号应与大电流线远离、垂直最好； ❖ ⑤模拟和数字电路的地要分开； ❖ ⑥信号线应尽可能短； ❖ ⑦必要时采光隔离耦合； ❖ ⑧高频附近应严格隔离。
广 电机 播 视等
热噪声
1/f
3. 噪声的常见来源
（1）. 电路噪声---无法通过改善系统外部环境而得到改善！
a. 热噪声---与温度直接相关，温度越高则噪声越大！ b. 1/f噪声（闪烁噪声）---原因不明，可能跟材料及器件的某
些结构或加工相关！ c. 量子噪声---小信号的量子起伏引起。问题：在量子信息中
标准编号 S1 新 新
（2）典型PMT光谱灵敏度曲线
4 .国内外生产厂家
❖ 国内：
华东电子管厂；目前型号不是太全 北京核仪器厂；部分产品被日本兼并！
❖ 国外：
英国EMI ；型号基本齐全，性能较好！ 日本Hamamatsu；型号齐全，市场占有率高！
目前各种产品性能相近；
注意：各厂家产品的光谱响应曲线略有差别，使用时应注意！
2
w0
提出光子的概念！
6、密立根（Millikan)：
定量地证实爱因斯坦公式的正确性
h
1 2
m 2
w0
R. A. Millikan, Phys. Rev, 7, 355(1916)
第三章 单光子探测
光电效应发现以前：
光电探测方法
热探测 照相底片
速度太慢 灵敏度低
光电效应使得微光探测成为可能； 光电效应使得高速探测成为可能。
串并联关系：
放大器输入噪声电压：Vin
Rcg Rcg Rg
* ecm
*
Zin
Zin Rcs
RS
设：
信号传输线的内外层电阻：
Rcs Rcg 1
两个接地点间电阻：
Rg 0.01
放大器输入电阻：
Zm 10K
两接地点间电压差为1mV
ecm 1mv
Vin
Rcg Rcg Rg
* ecm
* Zin
典型国产光电管参数
2. 光电倍增管 (PMT)
A.基本结构
透 射 式 P M T
反射式PMT
光电倍增管特点
优点： 光信号放大（105~109）； 响应速度快（ns)； 暗电流小(nA)； 受光面积大（你要多大？）。
缺点： 体积大； 工作电压高（通常在500-5000伏）；
3. 光谱响应
①阴极材料----------决定长波极限； ②窗口材料----------决定短波极限； ③结构----------------决定响应曲线形状，