量子计算机PPT课件
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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。
《量子计算机简介》课件
展望量子计算机在各个领域中可能取得的突破，探讨其对社会、经济和科学 的影响，以及面临的挑战和解决方案。
总结
简要回顾和总结量子计算机的概述，突出其对未来的影响，并展望其发展趋势，促使观众对未来的前景产生兴 趣和思考。
量子计算机的应用
揭示化学模拟、优化问题求解以及密码学等领域中，量子计算机的潜在应用， 展现它们能够带来的突破性变革。
当前量子计算机的现状
介绍Google、IBM、Alibaba等公司在量子计算机研究方面的进展，以及中国量 子卫星和量子实验室的引领地位，同时探讨量子通信的发展。
量子计算机的未来展望
《量子计算机简介》
欢迎来到《量子计算机简介》PPT课件。在本次课程中，我们将深入探索令人 兴奋的量子计算机世界，揭示其巨大的潜力和应用。
什么是量子计算机？
了解传统计算机与量子计算机的区别，介绍量子比特（qubit）的概念，以及量子计算机在信息处理上的独特 之处。
为什么需要量子计算机？
探讨传统计算机ห้องสมุดไป่ตู้临的瓶颈，并展示量子计算机的优势，如量子并行性和量子纠错技术，以解决当前计算问题 的限制。
总结
简要回顾和总结量子计算机的概述，突出其对未来的影响，并展望其发展趋势，促使观众对未来的前景产生兴 趣和思考。
量子计算机的应用
揭示化学模拟、优化问题求解以及密码学等领域中，量子计算机的潜在应用， 展现它们能够带来的突破性变革。
当前量子计算机的现状
介绍Google、IBM、Alibaba等公司在量子计算机研究方面的进展，以及中国量 子卫星和量子实验室的引领地位，同时探讨量子通信的发展。
量子计算机的未来展望
《量子计算机简介》
欢迎来到《量子计算机简介》PPT课件。在本次课程中，我们将深入探索令人 兴奋的量子计算机世界，揭示其巨大的潜力和应用。
什么是量子计算机？
了解传统计算机与量子计算机的区别，介绍量子比特（qubit）的概念，以及量子计算机在信息处理上的独特 之处。
为什么需要量子计算机？
探讨传统计算机ห้องสมุดไป่ตู้临的瓶颈，并展示量子计算机的优势，如量子并行性和量子纠错技术，以解决当前计算问题 的限制。
量子计算机PPT课件
案例三
利用Q#模拟量子纠缠现象
案例四
在Q#中实现Shor的质因数分 解算法
04
量子算法与应用领域的应用
Shor算法原理
利用量子纠缠等特性，在多项式时间内完成大数质 因数分解，相比经典计算机具有指数级加速效果。
在密码学中的应用
Shor算法可破解RSA等公钥密码体系，对现有密码 安全构成威胁，推动密码学发展新的抗量子算法。
集成多种量子硬件后端， 如IonQ、Quantinuum 等
提供多种量子计算模拟器 ，包括全振幅模拟器和稀 疏模拟器
提供丰富的量子开发工具 ，如Q#编译器、调试器 和可视化工具
案例：使用Q#编写简单程序
01
02
03
04
案例一
编写Q#程序实现量子比特翻 转操作
案例二
使用Q#和Azure Quantum 解决旅行商问题
06
总结与展望
Chapter
本次课程重点内容回顾
量子计算基本概念
介绍了量子比特、量子门、量子 纠缠等基本概念，为后续学习打 下基础。
量子计算机硬件
介绍了量子计算机的硬件组成， 包括量子芯片、控制系统、低温 系统等，让学员对量子计算机有 更深入的了解。
01 02 03 04
量子算法
详细讲解了Shor算法、Grover 算法等经典量子算法的原理和实 现过程，展示了量子计算在特定 问题上的优势。
精度和效率。
量子优化算法
利用量子计算特性解决组合优化等 问题，如旅行商问题、背包问题等 ，相比经典算法具有更优性能。
量子机器学习算法
结合量子计算和机器学习技术，用 于数据分类、降维等任务，可处理 大规模高维数据并实现更高效的学 习过程。
量子计算机课件(精)
量子纠缠的控制
03
如何将更多的量子比特集成到一台量子计算机中，并保持其性能和稳定性是一个巨大的挑战。
量子计算机的可扩展性
1
2
3
超导量子比特是实现量子计算最有前景的物理系统之一，它利用了约瑟夫森结来制备超导材料中的量子态。
超导量子比特
离子阱是一种将离子捕获在微米级电极中的技术，通过控制电极上的电压，可以实现离子的量子态操作。
量子计算机对现有基础设施的影响
由于量子计算机的运行方式和传统计算机不同，因此它可能会对现有的基础设施产生影响。例如，网络传输协议可能需要重新设计以适应量子信息的传输。
量子计算机的安全问题
由于量子计算机的高效计算能力，它可能会被用于进行恶意活动，例如破解密码、窃取机密信息等。因此，我们需要研究和开发安全措施以防止这些潜在的风险。
CHAPTER
量子计算基础知识
量子比特是量子计算中的基本单元，它与传统计算机中的比特有所不同。在量子计算机中，量子比特可以处于多种可能的状态叠加态，这使得量子计算机能够处理和存储更加复杂的信息。
量子比特的状态可以通过量子态进行描述，它是一个向量，其中的每个元素代表该量子比特处于不同状态的概率幅。
量子比特的状态可以通过量子测量进行确定，而在测量之前，它的状态是不确定的，处于一种叠加态。
量子纠缠是量子力学中的另一个重要概念，它表示两个或多个量子比特之间存在一种特殊的关联。
当两个量子比特处于纠缠状态时，它们的状态是相互依赖的，一旦测量其中一个量子比特，另一个量子比特的状态也会立即确定。
03
CHAPTER
量子算法介绍
总结词
高效分解大数
详细描述
Shor算法是一种基于量子并行性的算法，可以高效地分解大数，这对于密码学和网络安全具有重要意义。相比经典计算机需要指数级别的时间复杂度，Shor算法只需要多项式级别的时间复杂度。
03
如何将更多的量子比特集成到一台量子计算机中，并保持其性能和稳定性是一个巨大的挑战。
量子计算机的可扩展性
1
2
3
超导量子比特是实现量子计算最有前景的物理系统之一，它利用了约瑟夫森结来制备超导材料中的量子态。
超导量子比特
离子阱是一种将离子捕获在微米级电极中的技术，通过控制电极上的电压，可以实现离子的量子态操作。
量子计算机对现有基础设施的影响
由于量子计算机的运行方式和传统计算机不同，因此它可能会对现有的基础设施产生影响。例如，网络传输协议可能需要重新设计以适应量子信息的传输。
量子计算机的安全问题
由于量子计算机的高效计算能力，它可能会被用于进行恶意活动，例如破解密码、窃取机密信息等。因此，我们需要研究和开发安全措施以防止这些潜在的风险。
CHAPTER
量子计算基础知识
量子比特是量子计算中的基本单元，它与传统计算机中的比特有所不同。在量子计算机中，量子比特可以处于多种可能的状态叠加态，这使得量子计算机能够处理和存储更加复杂的信息。
量子比特的状态可以通过量子态进行描述，它是一个向量，其中的每个元素代表该量子比特处于不同状态的概率幅。
量子比特的状态可以通过量子测量进行确定，而在测量之前，它的状态是不确定的，处于一种叠加态。
量子纠缠是量子力学中的另一个重要概念，它表示两个或多个量子比特之间存在一种特殊的关联。
当两个量子比特处于纠缠状态时，它们的状态是相互依赖的，一旦测量其中一个量子比特，另一个量子比特的状态也会立即确定。
03
CHAPTER
量子算法介绍
总结词
高效分解大数
详细描述
Shor算法是一种基于量子并行性的算法，可以高效地分解大数，这对于密码学和网络安全具有重要意义。相比经典计算机需要指数级别的时间复杂度，Shor算法只需要多项式级别的时间复杂度。
量子计算机介绍(PPT)
玻姆(D. Bohm ) 也是主张 量子力学只给微观客体以统计 性描述是不完备的。1953 年他 提出, 有必要引入一附加变量 对微观客体作进一步的描述。 这就是隐变量(h iddenvariabl e) 理论。 1965 年, 贝尔(J. Bell) 在局域隐变量理论的基础上推 导出一个不等式, 人称Bell 不等式, 并发现此式与量子力 学的预言是不符的, 因而我们 有可能通过对此式的实验检验, 来判断哥本哈根学派对量子力 学的解释是否正确.
从EPR谈起
然而,自然界是否确实按照量子理论的规律运行? 量子力学的解释是否站得住脚, 自20 世纪20 年代量 子力学建立以来一直是颇有争议的。以爱因斯坦为代 表的一批科学家始终认定量子力学不是完备的理论, 而以玻尔为代表的哥本哈根学派则坚信量子理论的正 确性。 爱因斯坦等人构思了一个由两个粒子组成的一 维系统相互远离的思想实验, 用反证法对量子力学 的完备性提出质疑。
量子计算机的构造及实验方案
• 正如经典计算机建立在通用图灵机基础之上，量子计算机亦 可建立在量子图灵机基础上。量子图灵机可类比于经典计算机的 概率运算。上面提到的通用图灵机的操作是完全确定性的，用q 代表当前读写头的状态，s代表当前存储单元内容，d取值为L,R, N,分别代表读写头左移、右移或不动，则在确定性算法中，当q, s给定时，下一步的状态q'，s'及读写头的运动d完全确定。我们 也可以考虑概率算法，即当q,s给定时，图灵机以一定的概率 （q,s,q,s”,d）变换到状态q',s'及实行运动d。概率函数 (q,s, q',s',d）为取值[0,1]的实数，它完全决定了概率图灵机的性质。 经典计算机理论证明，对解决某些问题，慨率算法比确定性算法 更为有效。 • 量子图灵机非常类似于上面描述的经典概率图灵机，现在q,s, q',s'相应地变成了量子态，而概率函数 （q,s,q',s',d）则变 成了取值为复数的概率振幅函数x(q,s,q',s',d），量子图灵机 的性质由概率振幅函数确定。正因为现在的运算结果不再按概率 叠加，而是按概率振幅叠加，所以量子相干性在量子图灵机中起 本质性的作用，这是实现量子并行计算的关键。
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 。
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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。
《量子计算机》PPT课件-2024鲜版
《量子计算机》PPT课件
2024/3/27
1
目
CONTENCT
录
2024/3/27
• 量子计算概述 • 量子计算机硬件实现 • 量子计算机软件与算法 • 量子计算机应用领域 • 当前挑战与未来发展趋势 • 总结回顾与课堂互动环节
2
01
量子计算概述
2024/3/27
3
量子计算定义与原理
2024/3/27
11
03
量子计算机软件与算法
2024/3/27
12
量子编程语言与工具
量子编程语言
Q#、Quipper、QCompute等
Q#
微软开发的量子编程语言，集成于Visual Studio 中，提供丰富的库和工具。
Quipper
基于Haskell的量子编程语言，提供高级的量子编 程功能。
2024/3/27
化学反应动力学模拟
模拟化学反应的动力学过程，揭示化 学反应的机理和路径。
2024/3/27
19
优化问题求解
01
02
03
组合优化
利用量子计算解决复杂的 组合优化问题，如旅行商 问题、背包问题等。
2024/3/27
线性规划
通过量子计算加速线性规 划问题的求解，提高优化 算法的效率。
非线性优化
利用量子计算的并行性优 势，解决非线性优化问题， 如神经网络训练等。
2024/3/27
22
技术挑战及解决方案
2024/3/27
量子比特的稳定性和可控性
提高量子比特的相干时间和操控精度，通过优化量子芯片设计和 制造工艺，降低环境噪声对量子比特的影响。
量子纠缠的保持与传递
研究高效、稳定的量子纠缠产生和保持方法，探索量子纠缠在远距 离通信和分布式量子计算中的应用。
2024/3/27
1
目
CONTENCT
录
2024/3/27
• 量子计算概述 • 量子计算机硬件实现 • 量子计算机软件与算法 • 量子计算机应用领域 • 当前挑战与未来发展趋势 • 总结回顾与课堂互动环节
2
01
量子计算概述
2024/3/27
3
量子计算定义与原理
2024/3/27
11
03
量子计算机软件与算法
2024/3/27
12
量子编程语言与工具
量子编程语言
Q#、Quipper、QCompute等
Q#
微软开发的量子编程语言，集成于Visual Studio 中，提供丰富的库和工具。
Quipper
基于Haskell的量子编程语言，提供高级的量子编 程功能。
2024/3/27
化学反应动力学模拟
模拟化学反应的动力学过程，揭示化 学反应的机理和路径。
2024/3/27
19
优化问题求解
01
02
03
组合优化
利用量子计算解决复杂的 组合优化问题，如旅行商 问题、背包问题等。
2024/3/27
线性规划
通过量子计算加速线性规 划问题的求解，提高优化 算法的效率。
非线性优化
利用量子计算的并行性优 势，解决非线性优化问题， 如神经网络训练等。
2024/3/27
22
技术挑战及解决方案
2024/3/27
量子比特的稳定性和可控性
提高量子比特的相干时间和操控精度，通过优化量子芯片设计和 制造工艺，降低环境噪声对量子比特的影响。
量子纠缠的保持与传递
研究高效、稳定的量子纠缠产生和保持方法，探索量子纠缠在远距 离通信和分布式量子计算中的应用。
量子计算入门ppt课件
量子计算入门
Royea
1
量子计算
• 序言 • 量子力学基础 • 量子计算
2
序言
• 量子计算出现于过去十年间，其中最引人注目的算法是Shor提出 的大数因子分解算法，此算法可在量子计算机上以多项式时间实 现[1]，它使NP问题变成P问题。算法的主要思想是将分解问题变 为寻找函数的周期问题。它首先使用量子并行性通过一步计算获 得所有函数值，然后通过测量函数值得到相关联的函数自变量的 叠加态，并对其进行量子付立叶变换。量子付立叶变换和经典付 立叶变换一样，实现函数时域到频域的转换，从而可以较高的概 率测量到产生函数周期的状态，最后利用函数周期对大数进行质 因子的分解。
X = | 0><1 | + | 1><0 |
它是交换| 0>和| 1>的变换。
18
1-3 线性算子
▪ 算子是向量空间的一个重要概念。 ▪ 在量子力学中出现的算子大多为线性算子。 ▪ 一些重要算子的概念 定义1 设V 为向量空间，A 为函数，A：V→V。A称为V上的的线性算 子当且仅当下式成立
A( | A | ) A(| ) A(|) A | A |
• 从这个实验中我们可以看到，量子态可以是本征态，也可以是叠 加态。若将通过偏振片看作测量，你就会发现，量子态经过测量 会发生状态塌缩，由最初的状态塌缩到测量给出的状态上。
11
态的叠加
如果我们使用两个基向量|↑>和|→>分别表示垂直 偏振方向和水平偏振方向，那么任意一个随机的偏振 方向(任意一个态ψ) 都可以用这两个基向量的线性组合 形式表示：
投影算子 。
20
1-4 Schrödinger方程
• 封闭量子系统的演化由Schrödinger方程描述。该方程是量子系统 状态演化的基本规律，也是量子计算所遵循的基本规律。当量子
Royea
1
量子计算
• 序言 • 量子力学基础 • 量子计算
2
序言
• 量子计算出现于过去十年间，其中最引人注目的算法是Shor提出 的大数因子分解算法，此算法可在量子计算机上以多项式时间实 现[1]，它使NP问题变成P问题。算法的主要思想是将分解问题变 为寻找函数的周期问题。它首先使用量子并行性通过一步计算获 得所有函数值，然后通过测量函数值得到相关联的函数自变量的 叠加态，并对其进行量子付立叶变换。量子付立叶变换和经典付 立叶变换一样，实现函数时域到频域的转换，从而可以较高的概 率测量到产生函数周期的状态，最后利用函数周期对大数进行质 因子的分解。
X = | 0><1 | + | 1><0 |
它是交换| 0>和| 1>的变换。
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1-3 线性算子
▪ 算子是向量空间的一个重要概念。 ▪ 在量子力学中出现的算子大多为线性算子。 ▪ 一些重要算子的概念 定义1 设V 为向量空间，A 为函数，A：V→V。A称为V上的的线性算 子当且仅当下式成立
A( | A | ) A(| ) A(|) A | A |
• 从这个实验中我们可以看到，量子态可以是本征态，也可以是叠 加态。若将通过偏振片看作测量，你就会发现，量子态经过测量 会发生状态塌缩，由最初的状态塌缩到测量给出的状态上。
11
态的叠加
如果我们使用两个基向量|↑>和|→>分别表示垂直 偏振方向和水平偏振方向，那么任意一个随机的偏振 方向(任意一个态ψ) 都可以用这两个基向量的线性组合 形式表示：
投影算子 。
20
1-4 Schrödinger方程
• 封闭量子系统的演化由Schrödinger方程描述。该方程是量子系统 状态演化的基本规律，也是量子计算所遵循的基本规律。当量子
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2021
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
1 & 0=0 0 & 0=0
Y=A & B;(Y=AB)
2021
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：
2021
量子计算机的优点
首先量子计算机处理数据不 像 传统计算 机那样分步进行，而是同时完成，这样 就节省了不少时间，适于大规模的数据 计算。它的速度足够让物理学家去模拟 原子爆炸和其他的物理过程。
2021
量子计算ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的优点
量子计算机的另一个优点是微型化、集成化。随着信 息产业的高度发展，所有的电子器件都在朝着小型化 和高集成化方向发展，而作为传统计算机物质基础的 半导体芯片一直是这场运动的领先者，但由于晶体管 和芯片受材料的限制，体积减小是有个限度的，最终 不能达到原子水平。而每个量子元件尺寸都在原子尺 度，由它们构成的量子计算机，不仅运算速度快，存 储量大、功耗低，体积还会大大缩小。可以想象一个 可以放在口袋中的超高速计算机是什么样吗？还有直 径只有几十厘米的人造卫星。
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。
2021
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。
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。
2021
量子计算机的优点
最后量子计算机还有一个优点就是，系统的某部分 发生故障时，输入的原始数据会自动绕过，进入系 统的正确部分进行正常运算，运算能力相当于1000 亿个奔腾处理器，运算速度比现有的计算机快100 倍。
2021
量子计算机为什么会 有这么大的威力呢？
2021
其根本原因在于构成量子计算机的基本单元——量 子比特（q-bit），它具有奇妙的性质，这种性质必 须用量子力学来解释，因此称为量子特性。为了更 好地理解什么是量子比特，让我们看看经典计算机 的比特与量子计算机的量子比特有什么不同。我们 现在所使用的计算机采用二进制来进行数据的存储 和运算，在任何时刻一个存储器位代表0或1，例如 在逻辑电路中电压为5V表示1，0V表示0，如果出 现其他数值计算机就会以为是出错了。
2021
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。
2021
量子计算机的提出
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研 究，其目的是为了解决计算机中的能耗问题。 随着计算机技术的发展，计算机的小型化和 集成化成为一个重要的目标，但随着芯片体 积的缩小和集成度的提高，能耗对芯片的影 响越来越大，能耗也制约着集成度，限制计 算机的运算速度。20世纪60年代， IBM公 司研究室的 Rolf Landauer发现：能耗的产 生是由于计算过程中的不可逆操作。在经典 计算过程中要损失自由度，是不可逆过程， 根据热力学定律，必然会产生一定热量。如 果能把所有不可逆操作变成可逆操作，在理 论上就可以实现无能耗的计算。这种可逆计 算机的设想就是后来的量子计算机。
经典计算的极限(1)
1.1、对34位十进制的数进行因子分解，约需要 一年；
2.2、对200位数需要的时间约相当于宇宙的寿 命
3.数学家证明，这种状况在经典物理范围内是 不可能从本质上解决的。
在一毫米见方的单晶硅片上制成 的集成电路可以穿过针眼。
• 90年代中期Intel公司宣称， 在一枚小硬币尺寸的奔腾 (Pentium)芯片上包含500万个 晶体管，刻蚀线宽不到微米。
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 。
2021
与传统计算机相比首 先它没有传统计算机 的盒式外壳，看起来 像 是一个被其他物质 包围的巨大磁场。其 次它不能 像 现在计算 机那样利用硬盘实现 信息的长期存储。但 它有自身独特的优点 ，吸引众多的国家和 实体投入巨大的人力 、物力去研究。
量子计算机
Quantum Computers
13060342 王定
2021
经典计算机的极限(2)
计算机基本上是位（0 and 1）的阵列。 过去50年中，经典计算机的速度每两年增加一倍。 计算机的尺寸每两年缩小一半。
计算机是物理器件，基本工作过程用物理学描述。 但 是 器件的尺寸再小的话就要考虑量子效应。
2021
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。
朗道原理——信息的 擦除必然伴随着热量 的释放。
2021
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 到 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。
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。
为了突破计算机的运算速度极限，人们开始不 断研发新的计算机芯片，其中光子计算机，生物计 算机，量子计算机是前景最光明的三方面。
2021
那么到底什么是量子计算机呢？
2021
量子计算机
量子计算机与前两种计算机完全不同，它是 一种采用基于量子力 学 的深层次的计算模式 的计算机 ， 运用量子信息学，构建一个完全 以量子位为基础的计算机芯片。
Intel 公司cpu集成度
可是当集成电路线宽小于0.1微米时，其波动性质便不可 忽略，这样，不得不考虑量子效应的影响。
Semiconductor Industry Association
• 尺寸逼近纳米尺度时将出现一系列量子物理效应
但由摩尔第一定律：电脑芯片每18个月 其上的晶体管翻一番，其主要技术是通 过减少导线和元件尺寸来达到的。随着 尺寸的不断减小，其电子的量子效应不 断增加，以至以经典物理为基础的微电 子学在电脑芯片的发展受到不可逾越的 瓶颈。据科学家估计到2025年，电脑芯 片的速度将达到物理极限。
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
1 & 0=0 0 & 0=0
Y=A & B;(Y=AB)
2021
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：
2021
量子计算机的优点
首先量子计算机处理数据不 像 传统计算 机那样分步进行，而是同时完成，这样 就节省了不少时间，适于大规模的数据 计算。它的速度足够让物理学家去模拟 原子爆炸和其他的物理过程。
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量子计算ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的优点
量子计算机的另一个优点是微型化、集成化。随着信 息产业的高度发展，所有的电子器件都在朝着小型化 和高集成化方向发展，而作为传统计算机物质基础的 半导体芯片一直是这场运动的领先者，但由于晶体管 和芯片受材料的限制，体积减小是有个限度的，最终 不能达到原子水平。而每个量子元件尺寸都在原子尺 度，由它们构成的量子计算机，不仅运算速度快，存 储量大、功耗低，体积还会大大缩小。可以想象一个 可以放在口袋中的超高速计算机是什么样吗？还有直 径只有几十厘米的人造卫星。
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。
2021
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。
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。
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量子计算机的优点
最后量子计算机还有一个优点就是，系统的某部分 发生故障时，输入的原始数据会自动绕过，进入系 统的正确部分进行正常运算，运算能力相当于1000 亿个奔腾处理器，运算速度比现有的计算机快100 倍。
2021
量子计算机为什么会 有这么大的威力呢？
2021
其根本原因在于构成量子计算机的基本单元——量 子比特（q-bit），它具有奇妙的性质，这种性质必 须用量子力学来解释，因此称为量子特性。为了更 好地理解什么是量子比特，让我们看看经典计算机 的比特与量子计算机的量子比特有什么不同。我们 现在所使用的计算机采用二进制来进行数据的存储 和运算，在任何时刻一个存储器位代表0或1，例如 在逻辑电路中电压为5V表示1，0V表示0，如果出 现其他数值计算机就会以为是出错了。
2021
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。
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量子计算机的提出
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研 究，其目的是为了解决计算机中的能耗问题。 随着计算机技术的发展，计算机的小型化和 集成化成为一个重要的目标，但随着芯片体 积的缩小和集成度的提高，能耗对芯片的影 响越来越大，能耗也制约着集成度，限制计 算机的运算速度。20世纪60年代， IBM公 司研究室的 Rolf Landauer发现：能耗的产 生是由于计算过程中的不可逆操作。在经典 计算过程中要损失自由度，是不可逆过程， 根据热力学定律，必然会产生一定热量。如 果能把所有不可逆操作变成可逆操作，在理 论上就可以实现无能耗的计算。这种可逆计 算机的设想就是后来的量子计算机。
经典计算的极限(1)
1.1、对34位十进制的数进行因子分解，约需要 一年；
2.2、对200位数需要的时间约相当于宇宙的寿 命
3.数学家证明，这种状况在经典物理范围内是 不可能从本质上解决的。
在一毫米见方的单晶硅片上制成 的集成电路可以穿过针眼。
• 90年代中期Intel公司宣称， 在一枚小硬币尺寸的奔腾 (Pentium)芯片上包含500万个 晶体管，刻蚀线宽不到微米。
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 。
2021
与传统计算机相比首 先它没有传统计算机 的盒式外壳，看起来 像 是一个被其他物质 包围的巨大磁场。其 次它不能 像 现在计算 机那样利用硬盘实现 信息的长期存储。但 它有自身独特的优点 ，吸引众多的国家和 实体投入巨大的人力 、物力去研究。
量子计算机
Quantum Computers
13060342 王定
2021
经典计算机的极限(2)
计算机基本上是位（0 and 1）的阵列。 过去50年中，经典计算机的速度每两年增加一倍。 计算机的尺寸每两年缩小一半。
计算机是物理器件，基本工作过程用物理学描述。 但 是 器件的尺寸再小的话就要考虑量子效应。
2021
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。
朗道原理——信息的 擦除必然伴随着热量 的释放。
2021
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 到 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。
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。
为了突破计算机的运算速度极限，人们开始不 断研发新的计算机芯片，其中光子计算机，生物计 算机，量子计算机是前景最光明的三方面。
2021
那么到底什么是量子计算机呢？
2021
量子计算机
量子计算机与前两种计算机完全不同，它是 一种采用基于量子力 学 的深层次的计算模式 的计算机 ， 运用量子信息学，构建一个完全 以量子位为基础的计算机芯片。
Intel 公司cpu集成度
可是当集成电路线宽小于0.1微米时，其波动性质便不可 忽略，这样，不得不考虑量子效应的影响。
Semiconductor Industry Association
• 尺寸逼近纳米尺度时将出现一系列量子物理效应
但由摩尔第一定律：电脑芯片每18个月 其上的晶体管翻一番，其主要技术是通 过减少导线和元件尺寸来达到的。随着 尺寸的不断减小，其电子的量子效应不 断增加，以至以经典物理为基础的微电 子学在电脑芯片的发展受到不可逾越的 瓶颈。据科学家估计到2025年，电脑芯 片的速度将达到物理极限。