【PPT】量子计算研究进展

1、2022/9/201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. 262022/9/202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2022/9/203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2022/9/204一、量子计算发展简介2022/9/205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 (1911 - 1946)晶体

2、管 (1947 - 1958)集成电路 (1959 - 1970)大规模集成电路 (1971 - )2022/9/206 计算机历史2022/9/2071642, 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2022/9/208世界上第一台电子计算机-1946 ENIACMauchiy and Eckert2022/9/209ENIAC2022/9/20101952, EDVACVon NeumannElectronic Discrete Variable Automatic ComputerContaining 230

3、0 vacuum tubes, but 10 times faster than ENIAC (18000)2022/9/2011微处理器1971 Intel 400410um, 2300晶体管0.74 MHz1978 Intel 80863um, 29000 晶体管4.77MHz2008, Core i745nm, 5.82 billion晶体管2.66 - 3.2 GHz2022/9/20122022/9/2013摩尔定理2022/9/20142022/9/2015Getting Smaller Size of Atom2022/9/20162022/9/20172022/9/2018当今

4、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。2022/9/2019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 possible link betwe

5、en 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 than classical

6、 computers.2022/9/2020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 trap by NI

7、ST1997 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.2022/9/2021量子比特sNatural qubits:Spin 1/22022/9/2022量子态叠加原理2022/9/2023可逆逻辑们可逆逻辑们 克服热耗散问题封

8、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。Classical GateInOutGateInOutQuantum 2022/9/2024Classical vs. QuantumClassical bits transistors 0 or 1Quantum bits quantum systems 0 or 1or in-betweenNAND, NOT, AND NAND, NOT, CNOT Sqrt(NOT) These quantum gates allow operations that are impossible on classical computers!202

9、2/9/2025量子信息特点高速计算大容量信息 存储、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1 0Bit 0 or 1 in computer now2022/9/2026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!

10、The presumed difficulty of this problem is at the heart 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 Co

11、mputation and Quantum Information. Cambridge University Press, Cambridge, 2000.2022/9/2027Time required: Classical vs. quantum2.5 days42 days19000 yearsHalf a yearAge of universe2022/9/2028The promise of Quantum ComputationSearching databases1 unsorted list of N entries how many queries? 1 month27 m

12、inutesFactoring Integers2 N = pq N has L digits given N, what are p and q? 19000 years42 days1000 digits1 L.K. Grover, PRL, 79, 4709 (1997) 2 P. Shor, Proc. 35th Ann. Symp. On Found. Of Comp. Sci., p.124 (1994)2022/9/2029二、磁共振量子计算研究进展2022/9/2030DiVincenzo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.

13、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这两个要求互相矛盾。因此选择什么样的物理体系来制作量子计算机要兼顾两者的要求。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

14、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。系统相干时间/秒操作时间/秒最大运算次数目前进展/比特数电子自旋10- 10-10- 10-1032核自旋10-1010- 10-10312离子阱10-110-1410138（3）量子点10-610-91032光学腔10-510-141092微波共振腔10010-41042一些物理体系的比较2022/9/2034一些物理体系的比较Benchmarking values: approximate error rates for single or multi-qubit gates.2022/9/2035核自旋量子位B0Spin p

15、article in magnetic field:|0|11 Gershenfeld, N. et al., Science, 275, 350 356 (1997) 2 Cory D. et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 94, 1634 1639 (1997)2022/9/2036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2022/9/20382.1 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

16、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) 2022/9/20392.1 绝热量子计算Schrdinger equation:Adiabatic evolutionEncoding the solution of the problem123Linear interpolationEasy to find2022/9/20402.1 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.,

17、 Phys. Rev. Lett. 101, 220405 (2008)Shors algorithm for 15: 7 qubits; 720msOur new adiabatic algorithm for 21: 3 qubits; 50ms2022/9/20412.2 模拟量子系统Classical computersExponential growth of Hilbert spaceSystem with 50 qubits250 1015 complex amplitudes 32 x 1015 bytes of informationwell beyond the capac

18、ity of existing computersIs it possible to classically simulate faithfully a quantum system?Nave answer: NOncomputational basis2022/9/2042Quantum computers Universal quantum simulators1982 Richard P. Feynmann R.P. Feynman, “Simulating Physics with Computers”, Int. J. Theor. Phys. 21, 467-488, 1982Ca

19、n 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 system, includi

20、ng the physical world. 4.2 模拟量子系统2022/9/20432.2.1 量子仿真实验研究背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

21、 parameter2022/9/20442.2.2 量子仿真实验Loschmidt echo or Fidelity decay:LE = |2A visualization of “quantum fluctuations”研究结果JF Zhang, XH Peng et al., Phys. Rev. Lett. 100, 100501 (2008)2022/9/20452.2.3 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。2022/9/2046Three-spin Ising quantu

22、m model2.2.3 量子仿真实验Phase IPhase IIIIAIBICVisible by entanglement witnessesXH 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2022/9/20492.3 规模化与消

23、相干2022/9/2050 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542022/9/2055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！2022/9/20565