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1、量子计算机课件本讲稿第一页，共三十一页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。本讲稿第二页，共三十一页信息的代价朗道原理信息的擦除必然伴随着热量的释放。朗道本讲稿第三页，共三十一页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。本讲稿第四页，共三十一页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：
2、1&1=1 1&0=0 0&1=0 0&0=0本讲稿第五页，共三十一页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。本讲稿第六页，共三十一页信息的代价这样，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。本讲稿第七页，共三十一页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
3、出了量子计算机。本讲稿第八页，共三十一页量子计算机 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。本讲稿第九页，共三十一页量子计算机中心部分的量子记录本讲稿第十页，共三十一页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。本讲稿第十一页，共三十一页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
4、，这就是已知的量子平行，可以大大减少计算时间。本讲稿第十二页，共三十一页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。本讲稿第十三页，共三十一页量子计算机原理本讲稿第十四页，共三十一页量子计算机原理假设现在我们想求一个函数f(n)，(n07)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
5、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。本讲稿第十五页，共三十一页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|，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。这就是所谓的“量子并行计算”。本讲稿第十六页，共三十一页量子计算机原理量子并行计算本讲稿第十七页，共三十一页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。本讲稿第十八页，共三十一页量子计算机的运行速
6、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。本讲稿第十九页，共三十一页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。本讲稿第二十页，共三十一页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12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。利用量子计算机，却只需要40
7、个量子比特，就足以用来模拟。本讲稿第二十一页，共三十一页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。本讲稿第二十二页，共三十一页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。本讲稿第二十三页，共三十一页可逆逻辑操作这样，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。本讲稿第二十四页，共三十一页虽然
8、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。本讲稿第二十五页，共三十一页UNSW 设计的核自旋量子计算机 本讲稿第二十六页，共三十一页以五分子为硬件的NMR 量子计算机本讲稿第二十七页，共三十一页日前，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）。本讲稿第二十八页，共三十一页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能推断出答案相关的信息。本讲稿第二十九页，共三十一页虽然迄今为止，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。本讲稿第三十页，共三十一页Thank you 本讲稿第三十一页，共三十一页