量子计算机

量子计算机量子计算机的历史•“基于量子力学的计算设备”最早是随着计算机科学的发展在1969年由史蒂芬·维斯纳提出。而关于“基于量子力学的信息处理”的最早文章则是由亚历山大·豪勒夫（1973）、帕帕拉维斯基（1975）、罗马·印戈登（1976）和尤里·马尼（1980）年。（史蒂芬·威斯纳的文章发表于1983年。）八十年代一系列的研究使得量子计算机的理论变得丰富起来。1982年，理查德。费曼在一个著名的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法。紧接着1985年大卫·杜斯提出了量子图灵机模型。人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。当使用计算机模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间而数据量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从而量子计算机的概念诞生。•量子计算机，在1980年代多处于理论推导等等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得·秀尔（PeterShor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题，除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。•半导体靠控制集成电路来记录及运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（PeterShor）证明量子电脑能做出对数运算，而且速度远胜传统电脑。这是因为量子不像半导体只能记录0与1，可以同时表示多种状态。如果把半导体比成单一乐器，量子电脑就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况，因此，一个40位的量子电脑，就能解开1024位电脑花上数十年解决的问题。量子计算机的基本概念量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算，首先看传统计算。传统计算机从物理上可以被描述为对输入信号串行按一定算法进行变换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。目前发展的系统•液态核磁共振量子电脑(liquid-stateNMRquantumcomputer)•(固态)硅晶体核磁共振量子电脑(silicon-basedNMRquantumcomputer)•离子陷阱(iontrap)•量子光学(quantumoptics)•腔室量子电动力学(cavityQED)•超导体方案•拓扑量子计算(topologicalquantumcomputing)名称的不同•关于在中国台湾的名称•在中国台湾，由于人们习惯上将电子计算机称为“电脑”，所以许多人往往沿用其名称而将量子计算机称为“量子电脑”。因而，在台湾两种名称皆可见到，不过后者使用得更多。•事实上在台湾，“计算机”指的是Calculator，就是一般店员在卖东西时，计算简单加减乘除用的那种巴掌大的计算工具。台湾人由于电子工业发展得早，1970年代就大量使用“计算机”这种方便的工具来做商业计算，对应到Computer时，当然不能用“计算机”来称呼这种能够复杂计算的新产品了，于是台湾人说的“电脑”，指的是像Intel/AMD的x86类CPU或Macintosh的PowerPC/IntelMAC这种有着复杂计算的机器。•香港与台湾一样也称Computer为“电脑”。•关于在中国大陆的名称•在中国大陆地区，Computer可以称为“计算机”或者“电脑”。其中“电脑”更为广泛的指家用电脑，而“计算机”更多的指具有科研等目的专业、非多媒体计算机。由于量子技术还处于起步阶段，只能在实验室见到，故多称“量子计算机”而非“量子电脑”。•Calculator被称为“计算器”，而非“计算机”。在中文中，“器”多指具有简单结构、功能的对象；而“机”多指具有复杂结构、功能的对象。因此，“计算器”和“计算机”能很直接的区别calculator和computer展望•未来•现在用原子实现的量子计算机只有5个q-bit，放在一个试管中而且配备有庞大的外•围设备，只能做1+1=2的简单运算，正如Bennett教授所说，“现在的量子计算机只是一•个玩具，真正做到有实用价值的也许是5年，10年，甚至是50年以后”，我国量子信息•专家中国科技大学的郭光灿教授则宣称，他领导的实验室将在5年之内研制出实用化的•量子密码，来服务于社会！科学技术的发展过程充满了偶然和未知，就算是物理学泰•斗爱因斯坦也决不会想到，为了批判量子力学而用他的聪明大脑假想出来的EPR态，在六十多年后•不仅被证明是存在的，而且还被用来做量子计算机。•量子计算机的广阔前景•社会生产力的发展是科学发展的基石和原动力，从物理学的诞生到技术文明高度发达的今天都是如此。•近年来由于社会对高速、保密、大容量的通讯及计算的需求，促进了量子信息、量子计算理论•与实验的迅速发展。•目前，美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大•学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。•2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机（尚未经科学检验），如果他们是诚信的，这个工作的意义就非常重大，或许，可实际应用的量子计算机会•在几年内出现，量子计算机的时代真的要开始了！•2010年3月31日，德国于利希研究中心发表公报：德国超级计算机成功模拟42位量子计算机，•该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地•研究高位数量子计算机系统的特性。研发现状•世界首台量子计算机在美国诞生•1920年，奥地利人埃尔温。薛定谔、爱因斯坦、德国人海森伯格和狄拉克，共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学。量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打下了基础。在它的基础上人们发现了一个新的技术，就是量子计算机。•量子计算机的技术概念最早由理查得·费曼提出，后经过很多年的研究这一技术已初步见成效。•2009年11月15日，世界首台量子计算机正式在美国诞生•最新研究结果•据美国物理学家组织网5月3日（北京时间）报道，德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家格哈德·瑞普领导的科研小组，首次成功地实现了用单原子存储量子信息——将单个光子的量子状态写入一个铷原子中，经过180微秒后将其读出。最新突破有望助力科学家设计出功能强大的量子计算机，并让其远距离联网构建“量子网络”。•国内量子计算机发展现状•2007年初，中国科技大学微尺度国家实验室潘建伟小组在《Nature·Physical》上发表论文，宣布成功制备了国际上纠缠光子数最多的“薛定谔猫”态和单向量子计算机，刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录，成果被欧洲物理学会和《Nature》杂志等广泛报道。四月，该小组提出并实验实现不需要纠缠辅助的新型光学控制非门，减少了量子网络电路的资源消耗。九月，该小组利用光子“超纠缠簇态”演示了单向量子计算的物理过程，实现了量子搜索算法，论文发表在《PhysicalReviewLetters》上。•此后，该小组又在国际上首次利用光量子计算机实现了Shor量子分解算法，研究成果发表在国际最权威物理学期刊《PhysicalReviewLetters》上，标志着我国光学量子计算研究达到了国际领先水平。这一系列高质量的工作已经获得了国际学术界的广泛关注和认可。•特别引人注目的是，英国《新科学家》杂志在“中国崛起”的专栏中，把中科大在量子计算领域取得的一系列成就作为中国科技崛起的重要代表性成果，进行了专门介绍第一台商业化量子计算机•在2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机“Orion（猎户座）”。虽然当时只是一台能通过量子力学解决部分问题的原型机，不过也让我们看见了量子计算机的曙光•样图•近日，D-Wave自豪地宣布，全球首台真正的商用量子计算机D-WaveOne终于诞生了！其采用了128-qubit（量子比特）的量子处理器，性能是原型机的四倍，理论运算速度远远超越现有所有的超级计算机。当然，由于其架构特别的关系，目前只能用于处理部分特定的任务，例如高智能AI运算等，通用性还有尚不及现有的传统电脑。同时，D-WaveOne在散热方面亦有非常苛刻的要求，自启动起其必须全程采用液氦散热，以保证其在运行过程中足够“冷静”。谢谢大家组长：黄桢组员：鲍成晓、陈成川、葛广杰、胡龙演讲：黄桢问题回答：葛广杰资料收集：鲍成晓、陈成川、胡龙、黄桢、葛广杰PPT制作：鲍成晓、陈成川、黄桢