【PPT】量子计算研究进展

null量子计算研究进展**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. 26量子信息**量子信息“Information is physical”. -- Rolf Landauer 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内容提纲**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 null**一、量子计算发展简介 计算机硬件历史**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 - ) 计算机历史** 计算机历史null**1642, 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世界上第一台电子计算机--1946 ENIAC**世界上第一台电子计算机--1946 ENIACMauchiy and EckertENIAC**ENIAC1952, EDVAC**1952, EDVACVon Neumann Electronic Discrete Variable Automatic Computer Containing 2300 vacuum tubes, but 10 times faster than ENIAC (18000)微处理器**微处理器1971 Intel 4004 10um, 2300晶体管 0.74 MHz1978 Intel 8086 3um, 29000 晶体管 4.77MHz2008, Core i7 45nm, 5.82 billion晶体管 2.66 - 3.2 GHznull**摩尔定理**摩尔定理null**Getting Smaller **Getting Smaller null**null**null**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。量子计算机的发展史**量子计算机的发展史In the 1970’s Fredkin, Toffoli, Bennett and others began to look into the possibility of reversible computation to avoid power loss. Since quantum mechanics is reversible, a possible link between computing and quantum devices was suggested Some early work on quantum computation occurred in the 80’s 1982 Benioff: Quantum computers are universal. 1982 Feynman: Quantum computer could simulate other quantum systems. 1993 Bernstein, Vazirani and Yao: Quantum systems are more powerful than classical computers.量子计算机的发展史**量子计算机的发展史Quantum algorithms 1985 Deutsh: the first quantum algorithm 1994 Coppersmith, Shor: quantum fourier transform, factorization 1997 Grover: a unsorted quantum search algorithm Implementations 1995 Monroe, Meekhof, King, Itano, Wineland: CNOT gate implemented in ion trap by NIST 1997 Gershenfeld, Chuang, Cory, Fahmy, Havel: NMR quantum computing 2001 Vandersypen et al. : Experimental realization of Shor’s algorithm 2006: Negrevergne et al. Benchmarking quantum control on a 12-qubit system …….量子比特**量子比特量子态叠加原理**量子态叠加原理可逆逻辑们**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。 Classical Quantum null**Classical vs. QuantumClassical bits transistors 0 or 1Quantum bits quantum systems 0 or 1or in-betweenNAND, NOT, AND …NAND, NOT, CNOT … Sqrt(NOT) …These quantum gates allow operations that are impossible on classical computers!null**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null**大数质因子分解Problem: Given a l-bit integer N=pxq，to find its nontrivial prime factors p and q？ N = ? x ?Best-known classical Algorithms:in sub-exponential time!Shor’s algorithm:In polynomial time!The presumed difficulty of this problem is at the heart of certain algorithms in cryptography such as RSA.2. P.Shor, in Proc. 35th Annu. Symp. on the Foundations of Computer Science, (IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, California, 1994), p. 124-134.1. M.A. Nielsen and I.L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press, Cambridge, 2000.Time required: Classical vs. quantum**Time required: Classical vs. quantum2.5 days42 days19000 yearsHalf a yearAge of universenull**The promise of Quantum ComputationSearching databases1 unsorted list of N entries how many queries? 1 month27 minutesFactoring Integers2 N = pq N has L digits given N, what are p and q? 19000 years42 days1000 digits[1] L.K. Grover, PRL, 79, 4709 (1997) [2] P. Shor, Proc. 35th Ann. Symp. On Found. Of Comp. Sci., p.124 (1994)二、磁共振量子计算研究进展 **二、磁共振量子计算研究进展 null**DiVincenzo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] DiVincenzo D.P., Fortschr. Physik, 48 (9-11), 771 – 783 (2000)一台量子计算机最基本要求(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一台量子计算机最基本要求null实验物理体系null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。一些物理体系的比较null**一些物理体系的比较Benchmarking values: approximate error rates for single or multi-qubit gates.核自旋量子位**核自旋量子位B0Spin particle in magnetic field:|0|1[1] Gershenfeld, N. et al., Science, 275, 350 – 356 (1997) [2] Cory D. et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 94, 1634 – 1639 (1997)实验原理：仪器**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null 实验平台2.1 绝热量子计算**2.1 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. Farhi et.al., Science 292，472 (2001) 2.1 绝热量子计算**2.1 绝热量子计算Schrödinger equation:Adiabatic evolutionEncoding the solution of the problem123Linear interpolationEasy to find2.1 新的质因子分解的绝热量子算法**2.1 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XH Peng et al., Phys. Rev. Lett. 101, 220405 (2008)Shor’s algorithm for 15: 7 qubits; ~ 720ms Our new adiabatic algorithm for 21: 3 qubits; ~50ms2.2 模拟量子系统**2.2 模拟量子系统Classical computers Exponential growth of Hilbert space Is it possible to classically simulate faithfully a quantum system? Naïve answer: NOncomputational basis4.2 模拟量子系统**Quantum computers – Universal quantum simulators 1982 Richard P. Feynmann R.P. Feynman, “Simulating Physics with Computers”, Int. J. Theor. Phys. 21, 467-488, 1982 Can we do it with a new kind of computer – a quantum computer? Now it turns out, as far as I can tell, that you can simulate this with a quantum system, with quantum computer elements. […] I therefore believe it’s true that with a suitable class of quantum machines you can imitate any quantum system, including the physical world. 4.2 模拟量子系统2.2.1 量子仿真实验**2.2.1 量子仿真实验研究背景 量子相变与临界现象是凝聚态物理学中重要物理现象； 量子自旋系统联系着量子信息学和凝聚态物理两个领域； 量子纠缠和量子相变的密切关系。 研究结果 设计合适的Hamiltonian微扰和扫描函数实现量子绝热过程； 首次成功地观察到了Heisenberg自旋链中基态纠缠的量子相变现象。 XH Peng et al., Physical Review A 71, 012307 (2005) Much more susceptible to the change of the controlled parameter2.2.2 量子仿真实验**2.2.2 量子仿真实验Loschmidt echo or Fidelity decay:LE = |<0| exp(i(H+S)t) exp(-iH)t |0>|2A visualization of “quantum fluctuations”研究结果JF Zhang, XH Peng et al., Phys. Rev. Lett. 100, 100501 (2008)2.2.3 量子仿真实验**2.2.3 量子仿真实验三体相互作用体系中量子相变与量子纠缠的实验研究基态临界点探测问题：标准两自旋相关函数不能探测由于三体相互作用导致的量子临界现象。2.2.3 量子仿真实验**Three-spin Ising quantum model2.2.3 量子仿真实验Visible by entanglement witnessesXH Peng et al., Phys. Rev. Lett. 101, 140501 (2009)null量子仿真计算氢分子基态能量[J. Du et al. PRL. 104，030501 (2010)] 2010年，首次在实验上通过磁共振技术实现了氢分子的基态能量值计算的量子仿真研究。2.2.4 量子仿真实验null 该工作被选为Phy. Rev. Lett. Highlight Article。2.2.4 量子仿真实验2.3 规模化与消相干**2.3 规模化与消相干null**null 固态体系中最优动力学去耦实验[J. Du et al. Nature 461, 1265 (2009)]2009年，首次在真实固态体系中实现了最优动力学去耦，极大的提高了量子相干保存时间。2.3 规模化与消相干null发展高速、精确的量子操控技术 新型量子信息存储载体的研究 绝热量子计算和量子仿真研究 抗噪声量子方法的探索：退相干机理及抑制方法研究三、未来研究方向 nullnull*结语**结语从量子计算（机）的概念提出以来，此领域的研究进展已经 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：这种新型量子处理器具有比经典处理器更强的信息处理功能。 研究量子计算与量子计算机是社会经济与科技发展提出的迫切需求，同时也会推动纳米技术和微观操控等高新技术的进步，是未来信息技术发展的重要战略性方向。 量子计算的实现已不存在原理性障碍，量子计算非常脆弱，使制造规模大的量子计算机变得十分困难，这是对人类智慧和能力的挑战！ 量子计算机的研制不管成功与否，量子计算的研究一定会给人类未来的生活带来深远意义的影响。 路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！null***磁共振量子计算研究组Group members Prof. Jiangfeng Du Prof. Xianyi Zhou Prof. Xinhua Peng Prof. Jihu Su Prof. Rongdian Han Asso. Shi Minjun Asso. Qin Gan Asso. Bo Chong Postdoc. Chen Hongwei Graduated students: Ju Chenyong Zhu Jing Sun Min Rong Xing Wang Ya Ren Changliang Sun Chunxiao Yang Wei Jiang FengJian Xu Nanyang Lu Dawei … null国际SCI实验论文64篇发表论文nullJ. Du et al., Nature 461，1265 （2009） J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 104，030501 (2010) X. Peng et al., Phys. Rev. Lett. 103，140401 (2009) J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 101，060403 (2008) X. Peng et al., Phys. Rev. Lett. 101，220405 (2008) J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 94，040505 (2005) J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 91, 100403 (2003) J. Du et al., Phys. Rev. Lett. 88，137902 (2002) 代表性论文null**Quantum Computer