理学量子计算研究进展

1、2021-7-51 2021-7-52 一、量子计算发展简介一、量子计算发展简介 2021-7-53 计算机硬件是信息处理的平台。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 - ) 2021-7-54 2021-7-55 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 差分机差分机 提出了分析机的概念 机械装置机械装置 2021-7-56 Mauchiy and Eck

2、ert 2021-7-57 2021-7-58 Von Neumann Electronic Discrete Variable Automatic Computer Containing 2300 vacuum tubes, but 10 times faster than ENIAC (18000) 2021-7-59 1971 Intel 4004 10um, 2300晶体管 0.74 MHz 1978 Intel 8086 3um, 29000 晶体管 4.77MHz 2008, Core i7 45nm, 5.82 billion晶体管 2.66 - 3.2 GHz 2021-7-5

3、10 2021-7-511 2021-7-512 2021-7-513 Size of Atom 2021-7-514 2021-7-515 2021-7-516 当今微电子技术不久将面临物理极限！当今微电子技术不久将面临物理极限！ 高速发展高速发展 vs. 物理极限！物理极限！热耗散热耗散 720ms Our new adiabatic algorithm for 21: 3 qubits; 50ms 2021-7-539 System with 50 qubits 250 1015 complex amplitudes 32 x 1015 bytes of information well

4、 beyond the capacity of existing computers Is it possible to classically simulate faithfully a quantum system? Nave answer: NO d i d i nii n n iic 11 1. 1 1 .|.| n computational basis 2021-7-540 1982 Richard P. Feynmann R.P. Feynman, “Simulating Physics with Computers”, Int. J. Theor. Phys. 21, 467-

5、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 its true that with a suitable class of quantum machines you can imitate any quantum sys

6、tem, including the physical world. 2021-7-541 XH Peng et al., Physical Review A 71, 012307 (2005) Much more susceptible to the change of the controlled parameter 2021-7-542 Loschmidt echo or Fidelity decay: 2 )()( zgzg BB LE = |2 A visualization of “quantum fluctuations” JF Zhang, XH Peng et al., Ph

7、ys. Rev. Lett. 100, 100501 (2008) 2021-7-543 基态基态临界点探测临界点探测 2021-7-544 Phase IPhase III XH Peng et al., Phys. Rev. Lett. 101, 140501 (2009) 量子仿真计算氢分子基态能量量子仿真计算氢分子基态能量J. Du et al. PRL. 104， 030501 (2010) l 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。 l 该工作被选为Phy. Rev. Lett. Highlight Article。 2021-7-54

8、7 2021-7-548 固态体系中最优动力学去耦实验J. Du et al. Nature 461, 1265 (2009) l2009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。 52 2021-7-553 2021-7-554 54 Nature 1 Physical Review Letters 8 Physical Review 25 Others 30 国际国际SCISCI实验论文实验论文6464篇篇 发表论文 代表性论文 2021-7-557 Quantum Computer 2021-7-558 2021-7-559 可逆逻辑们可逆逻辑们 n

9、可逆逻辑们可逆逻辑们 克服热耗散问题克服热耗散问题 n封闭的量子系统按照哈密顿量做幺正演化，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。本身就是可逆操作。 2021-7-560 l高速计算高速计算 l大容量信息大容量信息 存储、传输存储、传输 l保密通信保密通信 量子态叠加原理量子态叠加原理 量子纠缠性量子纠缠性 量子态不可克隆定理量子态不可克隆定理 量子物理量子物理 原理支配下原理支配下 的信息处理的信息处理 1 0 Bit 0 or 1 in computer now 2021-7-561 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。 1 DiVincenzo D.P., Fortschr. Phys