【PPT】量子计算研究进展

2020/3/101量子计算研究进展彭新华中国科学技术大学近代物理系2010.3.262020/3/102量子信息“Informationisphysical”.--RolfLandauer量子计算机：基于量子力学原理，存储、处理量子信息的计算装置。量子计算量子通讯量子密码学交叉领域量子物理信息科学计算机科学量子信息2020/3/103内容提纲量子计算发展简介磁共振量子计算研究进展未来研究方向2020/3/104一、量子计算发展简介2020/3/105计算机硬件历史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)大规模集成电路(1971-)2020/3/106计算机历史2020/3/1071642,Pascal帕斯卡机械计算机，首次确立了计算机器的概念。概念1834,Babbage差分机提出了分析机的概念机械装置2020/3/108世界上第一台电子计算机--1946ENIACMauchiyandEckert2020/3/109ENIAC2020/3/10101952,EDVACVonNeumannElectronicDiscreteVariableAutomaticComputerContaining2300vacuumtubes,but10timesfasterthanENIAC(18000)2020/3/1011微处理器1971Intel400410um,2300晶体管0.74MHz1978Intel80863um,29000晶体管4.77MHz2008,Corei745nm,5.82billion晶体管2.66-3.2GHz2020/3/10122020/3/1013摩尔定理2020/3/10142020/3/1015GettingSmallerSizeofAtom2020/3/10162020/3/10172020/3/1018当今微电子技术不久将面临物理极限！高速发展vs.物理极限！热耗散&量子效应科学技术发展趋势、国家重大战略需求开辟全新的信息处理方式，发展以量子比特为基础的量子信息处理技术。4Howsmallcantheybe?HereQuantummechanicscomesintoplay2020/3/1019量子计算机的发展史Inthe1970’sFredkin,Toffoli,Bennettandothersbegantolookintothepossibilityofreversiblecomputationtoavoidpowerloss.Sincequantummechanicsisreversible,apossiblelinkbetweencomputingandquantumdeviceswassuggestedSomeearlyworkonquantumcomputationoccurredinthe80’s1982Benioff:Quantumcomputersareuniversal.1982Feynman:Quantumcomputercouldsimulateotherquantumsystems.1993Bernstein,VaziraniandYao:Quantumsystemsaremorepowerfulthanclassicalcomputers.2020/3/1020量子计算机的发展史Quantumalgorithms1985Deutsh:thefirstquantumalgorithm1994Coppersmith,Shor:quantumfouriertransform,factorization1997Grover:aunsortedquantumsearchalgorithmImplementations1995Monroe,Meekhof,King,Itano,Wineland:CNOTgateimplementediniontrapbyNIST1997Gershenfeld,Chuang,Cory,Fahmy,Havel:NMRquantumcomputing2001Vandersypenetal.:ExperimentalrealizationofShor’salgorithm2006:Negrevergneetal.Benchmarkingquantumcontrolona12-qubitsystem…….2020/3/1021量子比特sNaturalqubits:Spin1/22020/3/1022量子态叠加原理2020/3/1023可逆逻辑们可逆逻辑们–克服热耗散问题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。ClassicalGateInOutGateInOutQuantum2020/3/1024Classicalvs.QuantumClassicalbits•transistors•0or1Quantumbits•quantumsystems•0or1orin-betweenNAND,NOT,AND…NAND,NOT,CNOT…Sqrt(NOT)…Thesequantumgatesallowoperationsthatareimpossibleonclassicalcomputers!2020/3/1025量子信息特点高速计算大容量信息存储、传输保密通信量子态叠加原理量子纠缠性量子态不可克隆定理量子物理原理支配下的信息处理10Bit0or1incomputernow2020/3/1026大数质因子分解Problem:Givenal-bitintegerN=pxq，tofinditsnontrivialprimefactorspandq？N=?x?Best-knownclassicalAlgorithms:insub-exponentialtime!Shor’salgorithm:Inpolynomialtime!ThepresumeddifficultyofthisproblemisattheheartofcertainalgorithmsincryptographysuchasRSA.2.P.Shor,inProc.35thAnnu.Symp.ontheFoundationsofComputerScience,(IEEEComputerSocietyPress,LosAlamitos,California,1994),p.124-134.1.M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation.CambridgeUniversityPress,Cambridge,2000.2020/3/1027Timerequired:Classicalvs.quantum2.5days42days19000yearsHalfayearAgeofuniverse2020/3/1028ThepromiseofQuantumComputationSearchingdatabases1•unsortedlistofNentries•howmanyqueries?NONO1month27minutesFactoringIntegers2•N=pq•NhasLdigits•givenN,whatarepandq?3/1LeO3LO19000years42days1000digits[1]L.K.Grover,PRL,79,4709(1997)[2]P.Shor,Proc.35thAnn.Symp.OnFound.OfComp.Sci.,p.124(1994)2020/3/1029二、磁共振量子计算研究进展2020/3/1030DiVincenzo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.能够实现对量子比特的测量。量子计算机的物理实现[1]DiVincenzoD.P.,Fortschr.Physik,48(9-11),771–783(2000)(1)能长期保持相干性—与外界很好隔离的封闭量子系统(2)外界能够精确地控制其演化并读出结果—与外界有良好的耦合这两个要求互相矛盾。因此选择什么样的物理体系来制作量子计算机要兼顾两者的要求。一台量子计算机最基本要求实验物理体系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。系统相干时间/秒操作时间/秒最大运算次数目前进展/比特数电子自旋10-６－10-３10-９－10-６1032核自旋10-３－10０10-６－10-３10312离子阱10-110-1410138（3）量子点10-610-91032光学腔10-510-141092微波共振腔10010-41042一些物理体系的比较2020/3/1034一些物理体系的比较Benchmarkingvalues:approximateerrorratesforsingleormulti-qubitgates.2020/3/1035核自旋量子位B0Spinparticleinmagneticfield:10012220000ZZBH0|0|1[1]Gershenfeld,N.etal.,Science,275,350–356(1997)[2]CoryD.etal.,Proc.Natl.Acad.Sci.,94,1634–1639(1997)2020/3/1036实验原理：仪器NMR量子计算机控制：射频磁场+核之间的相互作用实验平台2020/3/10382.1绝热量子计算背景：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：•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：MIT的Farhi等人在2001年提出的一种新的量子计算途径。E.Farhiet.al.,Science292，472(2001)2020/3/10392.1绝热量子计算(())(1())(0)(),():01PHststHstHst102mindHEEdsTgSchrödingerequation:(0)HPH(0)g()TAdiabaticevolutionEncodingthesolutionoftheproblem123ddt(t)iH(t)(t)Linearinterpolations(t)tTEasytofind2020/3/10402.1新的质因子分解的绝热量子算法分解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XHPengetal.,Phys.Rev.Lett.101,220405(2008)Shor’salgorithmfor15:7qubits;~720msOurnewadiabaticalgorithmfor21:3qubits;~50ms2020/3/10412.2模拟量子系统ClassicalcomputersExponentialgrowthofHilbertspaceSystemwith50qubits250≈1015complexamplitudes~32x1015bytesofinformationwellbeyondthecapacityofexistingcomputersIsitpossibletoclassicallysimulatefaithfullyaquantumsystem?Naïveanswer:NOdidiniinniic