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1、 南開之星 當(dāng)今社會(huì),人們?cè)絹?lái)越離不開計(jì)算機(jī)。而計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也由當(dāng)年的8086,8088,到現(xiàn)在的P4,甚至大型計(jì)算機(jī)。運(yùn)算速度不斷飆升。第1頁(yè)/共25頁(yè) 但由摩爾第一定律電腦芯片每18個(gè)月其上的晶體管翻一番,其主要技術(shù)是通過(guò)減少導(dǎo)線和元件尺寸來(lái)達(dá)到的。隨著尺寸的不斷減小,其電子的量子效應(yīng)不斷增加,以至以經(jīng)典物理為基礎(chǔ)的微電子學(xué)在電腦芯片的發(fā)展受到不可逾越的瓶頸。據(jù)科學(xué)家估計(jì)2025電腦芯片的速度將達(dá)到物理極限。第2頁(yè)/共25頁(yè) 為了突破計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度極限,人們開始不斷研發(fā)新的計(jì)算機(jī)芯片,其中光子計(jì)算機(jī),生物計(jì)算機(jī),量子計(jì)算機(jī)是前景最光明的三方面。第3頁(yè)/共25頁(yè) 光子計(jì)算機(jī)是 根據(jù)光學(xué)
2、空間的多維特性,為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)新的邏輯結(jié)構(gòu)和運(yùn)算原理。 并充分利用光子元件體積小、傳送信息速度快的特點(diǎn),用超高速大容量的光子元件替代目前計(jì)算機(jī)中使用的硅化學(xué)元件,用光導(dǎo)纖維或光波替代普通金屬導(dǎo)線。光二極管和光三極第4頁(yè)/共25頁(yè) 生物計(jì)算機(jī)是通過(guò)對(duì)生物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)中信息傳遞、信息處理等原理的進(jìn)一步研究,設(shè)計(jì)全新的仿生模式計(jì)算機(jī),并與人工智能的研究相互借鑒、共同發(fā)展。模擬生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和酶等物質(zhì)的產(chǎn)生過(guò)程,制造出仿生集成芯片來(lái)替代目前計(jì)算機(jī)中使用的半導(dǎo)體元件。 第5頁(yè)/共25頁(yè) 而量子計(jì)算機(jī)卻完全不同,它以量子力學(xué)為基礎(chǔ),運(yùn)用量子信息學(xué),構(gòu)建一個(gè)完全以量子位為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)芯片。第6頁(yè)/共25
3、頁(yè) 與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比首先它沒(méi)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的盒式外殼,看起來(lái)象是一個(gè)被其他物質(zhì)包圍的巨大磁場(chǎng)。其次它不能象現(xiàn)在計(jì)算機(jī)那樣利用硬盤實(shí)現(xiàn)信息的長(zhǎng)期存儲(chǔ)。但它有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),吸引眾多的國(guó)家和實(shí)體投入巨大的人力、物力去研究。 第7頁(yè)/共25頁(yè) 首先量子計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)不象傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣分步進(jìn)行,而是同時(shí)完成,這樣就節(jié)省了不少時(shí)間,適于大規(guī)模的數(shù)據(jù)計(jì)算。它的速度足夠讓物理學(xué)家去模擬原子爆炸和其他的物理過(guò)程。 第8頁(yè)/共25頁(yè) 量子計(jì)算機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是微型化、集成化。隨著信息產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展,所有的電子器件都在朝著小型化和高集成化方向發(fā)展,而作為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)的半導(dǎo)體芯片一直是這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的領(lǐng)先者,但由于晶體
4、管和芯片受材料的限制,體積減小是有個(gè)限度的,最終不能達(dá)到原子水平。而每個(gè)量子元件尺寸都在原子尺度,由它們構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī),不僅運(yùn)算速度快,存儲(chǔ)量大、功耗低,體積還會(huì)大大縮小??梢韵胂笠粋€(gè)可以放在口袋中的超高速計(jì)算機(jī)是什么樣嗎?還有直徑只有幾十厘米的人造衛(wèi)星。 第9頁(yè)/共25頁(yè) 最后量子計(jì)算機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是,系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時(shí),輸入的原始數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)繞過(guò),進(jìn)入系統(tǒng)的正確部分進(jìn)行正常運(yùn)算,運(yùn)算能力相當(dāng)于1000億個(gè)奔騰處理器,運(yùn)算速度比現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)快100倍。光學(xué)計(jì)算機(jī)在處理數(shù)據(jù)的能力上要比電子計(jì)算機(jī)高1000多倍,處理信息的速度為每秒10億次,接近于人腦的思維能力。 第10頁(yè)/共25頁(yè) 量子
5、計(jì)算機(jī)為什么會(huì)有這么大的威力呢?其根本原因在于構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)的基本單元量子比特(q-bit),它具有奇妙的性質(zhì),這種性質(zhì)必須用量子力學(xué)來(lái)解釋,因此稱為量子特性。為了更好地理解什么是量子比特,讓我們看看經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特與量子計(jì)算機(jī)的量子比特有什么不同。我們現(xiàn)在所使用的計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算,在任何時(shí)刻一個(gè)存儲(chǔ)器位代表0或1,例如在邏輯電路中電壓為5V表示1,0V表示0,如果出現(xiàn)其他數(shù)值計(jì)算機(jī)就會(huì)以為是出錯(cuò)了。第11頁(yè)/共25頁(yè) 而量子比特是由量子態(tài)相干疊加而成,一個(gè)具有兩種狀態(tài)的系統(tǒng)可以看作是一個(gè)“二進(jìn)制”的量子比特,對(duì)量子力學(xué)有了解的人都知道,在量子世界里物質(zhì)的狀態(tài)是捉摸不定的
6、,如電子的位置可以在這里同時(shí)也可以在那里,原子的能級(jí)在某一時(shí)刻可以處于激發(fā)態(tài),同時(shí)也可以處于基態(tài)。我們就采用有兩個(gè)能級(jí)的原子來(lái)做量子計(jì)算機(jī)的q-bit。第12頁(yè)/共25頁(yè) 現(xiàn)在我們規(guī)定原子在基態(tài)時(shí)記為 |0,在激發(fā)態(tài)時(shí)原子的狀態(tài)記為 |1 ,而原子具體處于哪個(gè)態(tài)我們可以通過(guò)辨別原子光譜得以了解。微觀世界的奇妙之處在于,原子除了保持上述兩種狀態(tài)之外,還可以處于兩種態(tài)的線性疊加,記為 |=a |1+ b |0 ,其中a,b分別代表原子處于兩種態(tài)的幾率幅。如此一來(lái),這樣的一個(gè)q-bit不僅可以表示單獨(dú)的“0”和“1”(a=0時(shí)只有“0”態(tài),b=0時(shí)只有“1”態(tài)),而且可以同時(shí)既表示“0”,又表示“1
7、”(a,b都不為0時(shí))。第13頁(yè)/共25頁(yè) 舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子,假如有一個(gè)由三個(gè)比特構(gòu)成的存儲(chǔ)器,如果是由經(jīng)典比特構(gòu)成則能表示000,001,010,011,100,101,110,111這8個(gè)二進(jìn)制數(shù),即07這8個(gè)十進(jìn)制數(shù),但同一時(shí)刻只能表示其中的一個(gè)數(shù)。若此存儲(chǔ)器是由量子比特構(gòu)成,如果三個(gè)比特都只處于 |0或 |1則能表示與經(jīng)典比特一樣的存儲(chǔ)器,但是量子比特還可以處于 |0與 |1的疊加態(tài),假設(shè)三個(gè)q-bit每一個(gè)都是處于( |0+ |1) / (2) 態(tài)。第14頁(yè)/共25頁(yè) 那么它們組成的量子存儲(chǔ)器將表示一個(gè)新的狀態(tài),用量子力學(xué)的符號(hào),可記做:|0|0|0+ |0|0|1+ |0|1|0+
8、 |0|1|1+ |1|0|0+ |1|0|1+ |1|1|0+ |1|1|1 不難看出,上面這個(gè)公式表示8種狀態(tài)的疊加,既在某一時(shí)刻一個(gè)量子存儲(chǔ)器可以表示8個(gè)數(shù)第15頁(yè)/共25頁(yè) 假設(shè)現(xiàn)在我們想求一個(gè)函數(shù)f(n),(n07)的值,采用經(jīng)典計(jì)算的辦法至少需要下面的步驟:存儲(chǔ)器清零賦值運(yùn)算保存結(jié)果再賦值運(yùn)算再保存結(jié)果 對(duì)每一個(gè)n都必須經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)器的賦值和函數(shù)f(n)的運(yùn)算等步驟,而且至少需要8個(gè)存儲(chǔ)器來(lái)保存結(jié)果。 第16頁(yè)/共25頁(yè) 如果是用量子計(jì)算機(jī)來(lái)做這個(gè)題目則在原理上要簡(jiǎn)潔的多,只需用一個(gè)量子存儲(chǔ)器,把各q-bit制備到( |0+ |1) / (2)態(tài)上就一次性完成了對(duì)8個(gè)數(shù)的賦值,此時(shí)存儲(chǔ)
9、器成為態(tài) |,然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換以完成函數(shù)f(n)的功能,變換后的存儲(chǔ)器內(nèi)就保存了所需的8個(gè)結(jié)果。這種能同時(shí)對(duì)多個(gè)態(tài)進(jìn)行操縱,所謂“量子并行計(jì)算”的性質(zhì)正是量子計(jì)算機(jī)巨大威力的奧秘所在。 第17頁(yè)/共25頁(yè) 如果用計(jì)算機(jī)計(jì)算1234X3433,能夠在幾秒內(nèi)出結(jié)果,但要用它計(jì)算4236322的所有因子并不容易。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)隨著處理數(shù)據(jù)位數(shù)的增加所面臨的困難線形增加,要分解一個(gè)129位的數(shù)字需要1600臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作個(gè)月,而要分解一個(gè)140位的數(shù)字所需的時(shí)間超過(guò)了美國(guó)的年齡。但是利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī),在幾秒內(nèi)就可得到結(jié)果。 第18頁(yè)/共25頁(yè) 但是,量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展也存在不少因難。目前國(guó)
10、際上量子計(jì)算機(jī)研制的四大技術(shù)難關(guān)是:量子隱性遠(yuǎn)程傳態(tài)測(cè)量中的波包塌縮;多自由度系統(tǒng)環(huán)境中小系統(tǒng)的量子耗散;量子退相干效應(yīng);量子固體電路如何在常態(tài)(常溫、常壓等)中運(yùn)行量子態(tài)。 第19頁(yè)/共25頁(yè) 其中的多自由度系統(tǒng)環(huán)境中小系統(tǒng)的量子耗散,直接影響量子計(jì)算機(jī)的正確讀數(shù)。因?yàn)樵谧x取的瞬間表示信息的原子狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化,從而造成各種失真。為了克服這一難點(diǎn),科學(xué)家們發(fā)明了一種讀取方法核磁共振技術(shù)。第20頁(yè)/共25頁(yè) 我們通過(guò)給粒子加一個(gè)數(shù)值固定的外磁場(chǎng),因它們有不同的極化方向和自旋取向,從而能夠在磁場(chǎng)中以某種特定狀態(tài)存在,如果在此基礎(chǔ)上在加一個(gè)交變電場(chǎng),改變頻率便可有效控制粒子的運(yùn)動(dòng),使之一種運(yùn)動(dòng)形式代表一個(gè)數(shù)據(jù)。 原子在磁場(chǎng)中的不同取向 第21頁(yè)/共25頁(yè) 而對(duì)于量子固體電路如何在常態(tài)(常溫、常壓等)中運(yùn)行量子態(tài)?,F(xiàn)在我們可以通過(guò)最新的原子芯片技術(shù),利用在硅片上刻蝕金屬導(dǎo)線。當(dāng)其通過(guò)電流是在其100微米上形成磁勢(shì)阱,從而形成BEC(波色愛(ài)因斯坦凝聚 )。在常溫下形成量子態(tài)。第22頁(yè)/共25頁(yè) 現(xiàn)在,用原子實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)只有5個(gè)q-bit,放在一個(gè)試管中而且配備有龐大的外圍設(shè)備,只能做1+1=2的簡(jiǎn)單運(yùn)算,正如Bennett教授所說(shuō),“現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)只是一個(gè)玩具,真正做到有實(shí)用價(jià)值的也許是5年,10年,甚至是50年以后”。第23頁(yè)/共25頁(yè)
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