量子计算研究进展.ppt

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1、2023/6/26,1,量子计算研究进展,彭新华中国科学技术大学近代物理系2010.3.26,2023/6/26,2,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,2023/6/26,3,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,2023/6/26,4,一、量子计算发展简介,2023/6/26,5,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(

2、1911-1946)晶体管(1947-1958)集成电路(1959-1970)大规模集成电路(1971-),2023/6/26,6,计算机历史,2023/6/26,7,1642,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,2023/6/26,8,世界上第一台电子计算机-1946 ENIAC,Mauchiy and Eckert,2023/6/26,9,ENIAC,2023/6/26,10,1952,EDVAC,Von NeumannElectronic Discrete Variable Automatic Comp

3、uterContaining 2300 vacuum tubes,but 10 times faster than ENIAC(18000),2023/6/26,11,微处理器,1971 Intel 400410um,2300晶体管0.74 MHz,1978 Intel 80863um,29000 晶体管4.77MHz,2008,Core i745nm,5.82 billion晶体管2.66-3.2 GHz,2023/6/26,12,2023/6/26,13,摩尔定理,2023/6/26,14,2023/6/26,15,Getting Smaller,2023/6/26,16,2023/6/2

4、6,17,2023/6/26,18,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。,2023/6/26,19,量子计算机的发展史,In the 1970s Fredkin,Toffoli,Bennett and others began to look into the possibility of reversible computation to avoid power loss.Since quantum mechanics is reversible,a

5、possible link between computing and quantum devices was suggestedSome early work on quantum computation occurred in the 80s1982 Benioff:Quantum computers are universal.1982 Feynman:Quantum computer could simulate other quantum systems.1993 Bernstein,Vazirani and Yao:Quantum systems are more powerful

6、 than classical computers.,2023/6/26,20,量子计算机的发展史,Quantum algorithms1985 Deutsh:the first quantum algorithm1994 Coppersmith,Shor:quantum fourier transform,factorization1997 Grover:a unsorted quantum search algorithmImplementations1995 Monroe,Meekhof,King,Itano,Wineland:CNOT gate implemented in ion t

7、rap by NIST1997 Gershenfeld,Chuang,Cory,Fahmy,Havel:NMR quantum computing2001 Vandersypen et al.:Experimental realization of Shors algorithm2006:Negrevergne et al.Benchmarking quantum control on a 12-qubit system.,2023/6/26,21,量子比特,2023/6/26,22,量子态叠加原理,2023/6/26,23,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

8、正演化，本身就是可逆操作。,Classical,Quantum,2023/6/26,24,Classical vs.Quantum,Classical bits transistors 0 or 1,Quantum bits quantum systems 0 or 1or in-between,NAND,NOT,AND,NAND,NOT,CNOT Sqrt(NOT),These quantum gates allow operations that are impossible on classical computers!,2023/6/26,25,量子信息特点,高速计算大容量信息 存储、

9、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,2023/6/26,26,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!,Shors algorithm:,In polynomial time!,The presumed difficulty of this problem is at the h

10、eart 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,Cam

11、bridge,2000.,2023/6/26,27,Time required:Classical vs.quantum,2.5 days,42 days,19000 years,Half a year,Age of universe,2023/6/26,28,The promise of Quantum Computation,Searching databases1 unsorted list of N entries how many queries?,1 month,27 minutes,Factoring Integers2 N=pq N has L digits given N,w

12、hat are p and q?,19000 years,42 days,1000 digits,1 L.K.Grover,PRL,79,4709(1997)2 P.Shor,Proc.35th Ann.Symp.On Found.Of Comp.Sci.,p.124(1994),2023/6/26,29,二、磁共振量子计算研究进展,2023/6/26,30,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

13、理实现,1 DiVincenzo D.P.,Fortschr.Physik,48(9-11),771 783(2000),(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,实验物理体系,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,2023/6/26,34,一些物理体系的比较,Benchmarking values:approximate error rate

14、s for single or multi-qubit gates.,2023/6/26,35,核自旋量子位,B0,Spin 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),2023/6/26,36,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,实验平台,2023/6/26,38,2.1 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

15、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),2023/6/26,39,2.1 绝热量子计算,Schrdinger equation:,Adiabatic evolution,Encoding the solution of the problem,1,2,3,Linear interpolation,Easy to find,2023/6/2

16、6,40,2.1 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),Shors algorithm for 15:7 qubits;720msOur new adiabatic algorithm for 21:3 qubits;50ms,2023/6/26,41,2.2 模拟量子系统,Classical computersExponential growth of Hilbert space,Is it possible to classicall

17、y simulate faithfully a quantum system?Nave answer:NO,n,computational basis,2023/6/26,42,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

18、?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 its 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,2023/6/26,43,2.2.1 量子仿真实验,研究背

19、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 parameter,2023/6/26,44,2.2.2 量子仿真实验,Loschmidt echo or Fideli

20、ty decay:,LE=|2,A visualization of“quantum fluctuations”,研究结果,JF Zhang,XH Peng et al.,Phys.Rev.Lett.100,100501(2008),2023/6/26,45,2.2.3 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。,2023/6/26,46,Three-spin Ising quantum model,2.2.3 量子仿真实验,Visible by entanglement witnesse

21、s,XH Peng et al.,Phys.Rev.Lett.101,140501(2009),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,该工作被选为Phy.Rev.Lett.Highlight Article。,2.2.4 量子仿真实验,2023/6/26,49,2.3 规模化与消相干,2023/6/26,50,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

22、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,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,54,2023/6/26,55,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

23、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！,2023/6/26,56,56,磁共振量子计算研究组,Group membersProf.Jiangfeng Du Prof.Xianyi ZhouProf.Xinhua PengProf.Jihu SuProf.Rongdian HanAsso.Shi MinjunAsso.Qin GanAsso.Bo ChongPostdoc.Chen Hongwei,Graduated students:Ju ChenyongZhu JingSu

24、n MinRong XingWang Ya Ren ChangliangSun ChunxiaoYang WeiJiang FengJianXu NanyangLu Dawei,国际SCI实验论文64篇,发表论文,J.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,2023/6/26,59,Quantum Computer,谢谢！,