量子計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介演示文稿

量子計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介演示文稿第一頁(yè)，共二十四頁(yè)。量子計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介第二頁(yè)，共二十四頁(yè)。南開(kāi)之星

當(dāng)今社會(huì)，人們?cè)絹?lái)越離不開(kāi)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。第三頁(yè)，共二十四頁(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(xiàn)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。第四頁(yè)，共二十四頁(yè)。為了突破計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度極限，人們開(kāi)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。第五頁(yè)，共二十四頁(yè)。光子計(jì)算機(jī)是根據(jù)光學(xué)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(xiàn)。光二極管和光三極第六頁(yè)，共二十四頁(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。第七頁(yè)，共二十四頁(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。第八頁(yè)，共二十四頁(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(pán)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。第九頁(yè)，共二十四頁(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。第十頁(yè)，共二十四頁(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。第十一頁(yè)，共二十四頁(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。第十二頁(yè)，共二十四頁(yè)。量子計(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?zhuān)虼朔Q(chēng)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。

第十三頁(yè)，共二十四頁(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，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。第十四頁(yè)，共二十四頁(yè)?，F(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(guān)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(xiàn)性疊加，記為|φ〉=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”（a,b都不為0時(shí)）。第十五頁(yè)，共二十四頁(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0~7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)。第十六頁(yè)，共二十四頁(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〉+|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)第十七頁(yè)，共二十四頁(yè)。假設(shè)現(xiàn)在我們想求一個(gè)函數(shù)f(n)，(n＝0~7)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。第十八頁(yè)，共二十四頁(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)器成為態(tài)|φ〉，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。第十九頁(yè)，共二十四頁(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(xiàn)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８?jìng)€(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。第二十頁(yè)，共二十四頁(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)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)。第二十一頁(yè)，共二十四頁(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)。第二十二頁(yè)，共二十四頁(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)