量子计算机PPT培训资料

量子计算机
03 光信息 03材料物理 03材料物理
苗俊杰 王佳 唐智
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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。
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信息的代价
朗道原理——信 息的擦除必然伴 随着热量的释放。
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量子计算机原理
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量子计算机原理
假设现在我们想求一个函数f(n)，(n＝0~7)的 值，采用经典计算的办法至少需要下面的步 骤： 存储器清零→赋值运算→保存结果→再 赋值运算→再保存结果……
对每一个n都必须经过存储器的赋值和函数f(n) 的运算等步骤，且至少需要8个存储器来保存 结果。
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1&0=0 0&0=0
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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：
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。
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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。
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量子计算机原理
一个量子重叠态运行一个昆比特位同时储存0 和1。两个昆比特位能同时储存所有的4个二 进制数。三个昆比特位能储存8个二进制数 000，001，010，011，100，101，110和 111。下表表明300个昆比特位能同时储存多 于1090个数字。这甚至多于我们这个可见宇 宙中的原子数 。
这就是所谓的“量子并行计算”。
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量子计算机原理
量子并行计算
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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。
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量子计算机的运行速度
由于量子计算机采用量子并行计算，使得大 数因式分解成为可能，还可以用来模拟量子 系统。而这些在传统计算机上是不可能实现 的。
利用量子计算机，却只需要40个量子比特， 就足以用来模拟。
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可逆逻辑操作
能耗会导致计算机芯片的发热，影响芯片 的集成度，从而限制了计算机的运行速度。
由朗道原理知道，能耗产生于计算过程中 的不可逆操作。研究可逆逻辑操作是为了 减少能耗。
实际上，计算机的能耗远比每个逻辑操作 所需要的朗道热力学代价大得多，约为100 万倍。
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美国伊利诺大学香槟分校的科学家最近发现了 一种解出算法结果的奇特方法，通过量子计算 和量子盘查，在不运行算法的情况下就能得出 结果。
研究人员使用一个基于 光学的量子计算机首次 向人展示了“反事实计 算”，即计算机在不运 行的情况下也ຫໍສະໝຸດ 推断出 答案相关的信息。29
虽然迄今为止，世界上 还没有真正意义上的量 子计算机。但是，世界 各地的许多实验室正在 以巨大的热情追寻着这 个梦想。人类探询未来， 探索科技的脚步从未停 息。
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量子计算机
中心部分的量子记录
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量子计算机原理
传统计算机使用的 是二进制数字位 (bit，比特)0和1。
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量子计算机原理
量子计算机则操纵着昆比 特。一个昆比特说明一个 单粒子能存在于0或1的状 态，或者同时存在于0和1 的状态。这说明昆比特比 比特可以表示的状态多。 而且量子重叠态允许同时 进行许多运算，这就是已 知的量子平行，可以大大 减少计算时间。
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Thank you
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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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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
什么是量子计算机？ 这是一种采用基于量子力量的深层次的计 算模式的计算机。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 。
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量子计算机的运行速度
如在大数因式分解方面，量子计算机对1000 位的大数进行因数分解需几分之一秒，而传 统的计算机对1000位的大数进行因数分解则 需1025年。足见量子计算机的优越性。
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量子计算机的运行速度
考虑一个简单的例子，由40个自旋为1／2的 粒子构成的一个量子系统，利用经典计算机 来模拟，至少需要内存为240=106M，而计 算其时间演化，就需要求一个 240 X 240维 矩阵的指数 。这是不可能实现的。
朗道
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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 道环境中，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。
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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
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可逆逻辑操作
如下图，以异或门为例，将不可逆异或门改 进为可逆异或门 。
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可逆逻辑操作
这样，将不可逆逻辑操 作变为可逆逻辑操作， 且后来有人严格证明了， 所有经典不可逆的计算 机都可以改造为可逆计 算机，而不影响其计算 能力。
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虽然比起我们现在用的电子计算机来，量子 计算机有很多不可比拟的优点，但由于技术 即理论上的不足，量子计算机还没能做出来。
大多数专家认为量子计算机会在今后的几十 年间出现。
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UNSW 设计的核自旋量子计算机
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以五分子为硬件的NMR 量子计算机
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日前，澳大利亚科学家在量子科学方面获 得了重大的突破，他们在IQOQI（Institute of Quantum Optics and Quantum Information，量子光学及量子信息学会） 成功的实现了首个用8个钙离子组成的量子 字节（Quantum Byte）。
量子计算机原理
如果是用量子计算机来做这个题目则在原理 上要简洁的多，只需用一个量子存储器，把 各q-bit制备到( |0〉+ |1〉) / (√2)态上就一次 性完成了对8个数的赋值，此时存储器成为态 |φ〉，然后对其进行相应的幺正变换以完成 函数f(n)的功能，变换后的存储器内就保存了 所需的8个结果。