量子计算机原理与

量子计算机原理与进展量子计算机处理器简介•量子计算机，早先由理查德·费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。•量子计算机，在上世纪80年代处于理论状态。1994年彼得·秀尔（PeterShor）提出量子质因子分解算法后，因其对于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。•半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，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。图2布洛赫球面简介量子计算机工作原理•量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特（qubits）），量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的玄正变换。•2量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。量子计算机工作原理•几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算，以函数y=f(x),x∈A为例。量子计算的输入参数是定义域A，一步到位得到输出值域B，即B=f(A)；量子计算机有一个待解决的问题，即输出值域B只能随机取出一个有效值y。量子计算机工作原理•在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。•现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。量子计算机工作原理量子计算机功能•量子计算机可以进行大数的因式分解，和Grover搜索破译密码，但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。•在利用EPR对进行量子通讯的实验中发现，只有拥有EPR对的双方才可能完成量子信息的传递，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息，正所谓解铃还需系铃人，这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。•量子计算机还可以用来做量子系统的模拟，人们一旦有了量子模拟计算机，就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研究量子体系的特征。发展趋势•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，Bennett教授说，“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！量子计算机的发展过程•美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理所、清华大学四个研究机构已实现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，这个工作的意义非常重大，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。•首台量子计算机•2007年初，加拿大公司D-WaveSystems今天揭开了“全球第一台商用实用型量子计算机”的神秘面纱，展示了这台新型计算机“Orion”如何运行商用程序。量子计算机的发展过程•在美国加州山景城的计算机历史博物馆里演示，量子计算机本身在D-Wave公司总部，加拿大温哥华本那比。在那里，量子计算机被液氮冷冻在5mK(毫开)温度下，也就是-273.145℃，只比绝对温度-273.15℃高0.005℃，比星际空间还要冷。量子计算机的发展过程•2011年，D-Wave卷土重来发布了全新产品——D-WaveOne，这一次它的处理器达到了128量子比特，比前代产品大大提升，一台售价高达1000万美元。美国知名的军备制造商洛克希德·马丁已经购买了一台D-WaveOne并将其用在一些复杂的项目上，比如F-35战斗机软件错误的自动检测量子计算机的发展过程•2012年，法国物理学家塞尔日·阿罗什，美国物理学家戴维·维因兰被授予诺贝尔物理奖，提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子体系成为可能。D-WaveCEOVernBrownellD-Wave的创始人罗斯量子计算机的发展过程量子计算机的发展过程•2012年10月，D-Wave公司获得了来自亚马逊创始人及CEO贝索斯以及美国中情局下属投资机构总计3000万美元的投资。2013年初，D-WaveTwo量子计算机面世，其处理器达到了512量子位，是目前商用市场上最强大的量子计算机。其售价也随计算能力飙升，达到1500万美元——获得了谷歌的订单。量子计算机的发展过程•2009年11月15日，世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生，•据美国《新科学家》网站报道，世界上首台可编程的通用量子计算机近日在美国面世。•这台可编程量子计算机的核心部件是一个标有金黄图案的铝晶片，其中包含了一个直径大约200微米的微型电磁圈。在这个电磁圈中，科学家放置了四个离子，其中两个是镁离子，两个是铍离子。量子计算机的发展过程•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。量子计算机的发展过程•2011年进程•2011年5月，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，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”。