量子計(jì)算研究進(jìn)展

量子計(jì)算研究進(jìn)展第1頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/22量子信息“Informationisphysical”.--RolfLandauer量子計(jì)算機(jī)：基于量子力學(xué)原理，存儲(chǔ)、

處理量子信息的計(jì)算裝置。

量子計(jì)算量子通訊量子密碼學(xué)交叉領(lǐng)域量子物理信息科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)量子信息第2頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/23內(nèi)容提綱量子計(jì)算發(fā)展簡(jiǎn)介磁共振量子計(jì)算研究進(jìn)展未來(lái)研究方向第3頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/24一、量子計(jì)算發(fā)展簡(jiǎn)介第4頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/25計(jì)算機(jī)硬件歷史計(jì)算機(jī)硬件是信息處理的平臺(tái)。數(shù)值計(jì)算單元:

機(jī)械齒輪/電子機(jī)械傳動(dòng)裝置電子管(1911-1946)晶體管(1947-1958)集成電路(1959-1970)大規(guī)模集成電路(1971-)第5頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/26

計(jì)算機(jī)歷史第6頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/271642,Pascal帕斯卡機(jī)械計(jì)算機(jī)，首次確立了計(jì)算機(jī)器的概念。概念1834,Babbage差分機(jī)提出了分析機(jī)的概念機(jī)械裝置第7頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/28世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)--1946ENIACMauchiyandEckert第8頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/29ENIAC第9頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2101952,EDVACVonNeumannElectronicDiscreteVariableAutomaticComputerContaining2300vacuumtubes,but10timesfasterthanENIAC(18000)第10頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/211微處理器1971Intel400410um,2300晶體管0.74MHz1978Intel80863um,29000晶體管4.77MHz2008,Corei745nm,5.82billion晶體管2.66-3.2GHz第11頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/212第12頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/213摩爾定理第13頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/214第14頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/215GettingSmallerSizeofAtom第15頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/216第16頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/217第17頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/218當(dāng)今微電子技術(shù)不久將面臨物理極限！高速發(fā)展vs.物理極限！熱耗散

&量子效應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、國(guó)家重大戰(zhàn)略需求

開(kāi)辟全新的信息處理方式，發(fā)展以量子比特為基礎(chǔ)的量子信息處理技術(shù)。第18頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/219量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展史Inthe1970’sFredkin,Toffoli,Bennettandothersbegantolookintothepossibilityofreversiblecomputationtoavoidpowerloss.Sincequantummechanicsisreversible,apossiblelinkbetweencomputingandquantumdeviceswassuggestedSomeearlyworkonquantumcomputationoccurredinthe80’s1982Benioff:Quantumcomputersareuniversal.1982Feynman:Quantumcomputercouldsimulateotherquantumsystems.1993Bernstein,VaziraniandYao:Quantumsystemsaremorepowerfulthanclassicalcomputers.第19頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/220量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展史Quantumalgorithms1985Deutsh:thefirstquantumalgorithm1994Coppersmith,Shor:quantumfouriertransform,factorization1997Grover:aunsortedquantumsearchalgorithmImplementations1995Monroe,Meekhof,King,Itano,Wineland:CNOTgateimplementediniontrapbyNIST1997Gershenfeld,Chuang,Cory,Fahmy,Havel:NMRquantumcomputing2001Vandersypenetal.:ExperimentalrealizationofShor’salgorithm2006:Negrevergneetal.Benchmarkingquantumcontrolona12-qubitsystem…….第20頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/221量子比特sNaturalqubits:Spin1/2第21頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/222量子態(tài)疊加原理第22頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/223可逆邏輯們可逆邏輯們–克服熱耗散問(wèn)題封閉的量子系統(tǒng)按照哈密頓量做幺正演化，本身就是可逆操作。ClassicalGateInOutGateInOutQuantum第23頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/224Classicalvs.QuantumClassicalbitstransistors0or1Quantumbitsquantumsystems0or1or

in-betweenNAND,NOT,AND…NAND,NOT,CNOT…Sqrt(NOT)…Thesequantumgatesallowoperationsthatareimpossibleonclassicalcomputers!第24頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/225量子信息特點(diǎn)高速計(jì)算大容量信息存儲(chǔ)、傳輸保密通信量子態(tài)疊加原理量子糾纏性量子態(tài)不可克隆定理量子物理原理支配下

的信息處理10Bit0or1incomputernow第25頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/226大數(shù)質(zhì)因子分解Problem:Givenal-bitintegerN=pxq，tofinditsnontrivialprimefactorspandq？

N=?x?Best-knownclassicalAlgorithms:insub-exponentialtime!Shor’salgorithm:Inpolynomialtime!ThepresumeddifficultyofthisproblemisattheheartofcertainalgorithmsincryptographysuchasRSA.2.P.Shor,inProc.35thAnnu.Symp.ontheFoundationsofComputerScience,(IEEEComputerSocietyPress,LosAlamitos,California,1994),p.124-134.1.M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation.CambridgeUniversityPress,Cambridge,2000.第26頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/227Timerequired:Classicalvs.quantum2.5days42days19000yearsHalfayearAgeofuniverse第27頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/228ThepromiseofQuantumComputationSearchingdatabases1

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1month27minutesFactoringIntegers2

N=pqNhasLdigitsgivenN,whatarepandq?

19000years42days1000digits[1]

L.K.Grover,PRL,79,4709(1997)[2]P.Shor,Proc.35thAnn.Symp.OnFound.OfComp.Sci.,p.124(1994)第28頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/229二、磁共振量子計(jì)算研究進(jìn)展

第29頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/230DiVincenzo判據(jù):1.可擴(kuò)展的具有良好特性的量子比特系統(tǒng)。2.能夠制備量子比特到某個(gè)基準(zhǔn)態(tài)。3.能夠保持足夠長(zhǎng)的相干時(shí)間來(lái)完成各種量子邏輯門操作。4.能夠?qū)崿F(xiàn)一套通用量子邏輯門操作。5.能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)量子比特的測(cè)量。量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)[1]DiVincenzoD.P.,Fortschr.Physik,48(9-11),771–783(2000)第30頁(yè)/共60頁(yè)(1)能長(zhǎng)期保持相干性—與外界很好隔離的封閉量子系統(tǒng)(2)外界能夠精確地控制其演化并讀出結(jié)果—與外界有良好的耦合這兩個(gè)要求互相矛盾。因此選擇什么樣的物理體系來(lái)制作量子計(jì)算機(jī)要兼顧兩者的要求。一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)最基本要求第31頁(yè)/共60頁(yè)實(shí)驗(yàn)物理體系第32頁(yè)/共60頁(yè)相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)利用了電子的電荷特性，在量子計(jì)算的研究中，利用電子的自旋特性，結(jié)合電子自旋操作迅速和核自旋相干時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，開(kāi)展磁共振量子計(jì)算是量子計(jì)算機(jī)研究重要發(fā)展方向之一。系統(tǒng)相干時(shí)間/秒操作時(shí)間/秒最大運(yùn)算次數(shù)目前進(jìn)展/比特?cái)?shù)電子自旋10-６－10-３10-９－10-６1032核自旋10-３－10０10-６－10-３10312離子阱10-110-1410138（3）量子點(diǎn)10-610-91032光學(xué)腔10-510-141092微波共振腔10010-41042一些物理體系的比較第33頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/234一些物理體系的比較Benchmarkingvalues:approximateerrorratesforsingleormulti-qubitgates.第34頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/235核自旋量子位B0Spinparticleinmagneticfield:|0|1[1]Gershenfeld,N.etal.,Science,

275,350–356(1997)[2]CoryD.etal.,Proc.Natl.Acad.Sci.,94,1634–1639(1997)第35頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/236實(shí)驗(yàn)原理：儀器NMR量子計(jì)算機(jī)控制：射頻磁場(chǎng)+核之間的相互作用第36頁(yè)/共60頁(yè)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)第37頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2382.1絕熱量子計(jì)算背景：傳統(tǒng)的量子計(jì)算研究中，研究者將經(jīng)典計(jì)算機(jī)模型類比到量子情形，以期通過(guò)基本邏輯操作實(shí)現(xiàn)普適量子計(jì)算。優(yōu)點(diǎn)：適用于廣泛的組合優(yōu)化問(wèn)題，有著重要的應(yīng)用前景。比傳統(tǒng)的量子計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的容錯(cuò)能力。絕熱量子計(jì)算：MIT的Farhi等人在2001年提出的一種新的量子計(jì)算途徑。E.Farhiet.al.,Science292，472(2001)

第38頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2392.1絕熱量子計(jì)算Schr?dingerequation:AdiabaticevolutionEncodingthesolutionoftheproblem123LinearinterpolationEasytofind第39頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2402.1新的質(zhì)因子分解的絕熱量子算法分解21需要3個(gè)量子比特我們的算法Shor算法分解21需要50毫秒XHPengetal.,Phys.Rev.Lett.101,220405(2008)Shor’salgorithmfor15:7qubits;~720msOurnewadiabaticalgorithmfor21:3qubits;~50ms第40頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2412.2模擬量子系統(tǒng)ClassicalcomputersExponentialgrowthofHilbertspaceSystemwith50qubits250≈1015complexamplitudes~32x1015bytesofinformationwellbeyondthecapacityofexistingcomputersIsitpossibletoclassicallysimulatefaithfullyaquantumsystem?Na?veanswer:NOncomputationalbasis第41頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/242Quantumcomputers–Universalquantumsimulators1982RichardP.FeynmannR.P.Feynman,“SimulatingPhysics

withComputers”,

Int.J.Theor.Phys.

21,467-488,1982Canwedoitwithanewkindofcomputer–aquantumcomputer?Nowitturnsout,asfarasIcantell,thatyoucansimulatethiswithaquantumsystem,withquantumcomputerelements.[…]Ithereforebelieveit’struethatwithasuitableclassofquantummachinesyoucanimitateanyquantumsystem,includingthephysicalworld.4.2模擬量子系統(tǒng)第42頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2432.2.1量子仿真實(shí)驗(yàn)研究背景量子相變與臨界現(xiàn)象是凝聚態(tài)物理學(xué)中重要物理現(xiàn)象；量子自旋系統(tǒng)聯(lián)系著量子信息學(xué)和凝聚態(tài)物理兩個(gè)領(lǐng)域；量子糾纏和量子相變的密切關(guān)系。研究結(jié)果設(shè)計(jì)合適的Hamiltonian微擾和掃描函數(shù)實(shí)現(xiàn)量子絕熱過(guò)程；首次成功地觀察到了Heisenberg自旋鏈中基態(tài)糾纏的量子相變現(xiàn)象。XHPengetal.,PhysicalReviewA71,012307(2005)Muchmoresusceptibletothechangeofthecontrolledparameter第43頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2442.2.2量子仿真實(shí)驗(yàn)LoschmidtechoorFidelitydecay:LE=|<0|exp(i(H+S)t)exp(-iH)t|0>|2Avisualizationof“quantumfluctuations”研究結(jié)果JFZhang,XHPengetal.,Phys.Rev.Lett.100,100501(2008)第44頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2452.2.3量子仿真實(shí)驗(yàn)三體相互作用體系中量子相變與量子糾纏的實(shí)驗(yàn)研究基態(tài)臨界點(diǎn)探測(cè)問(wèn)題：標(biāo)準(zhǔn)兩自旋相關(guān)函數(shù)不能探測(cè)由于三體相互作用導(dǎo)致的量子臨界現(xiàn)象。第45頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/246Three-spinIsingquantummodel2.2.3量子仿真實(shí)驗(yàn)PhaseIPhaseIIIIAIBICVisiblebyentanglementwitnessesXHPengetal.,Phys.Rev.Lett.101,140501(2009)第46頁(yè)/共60頁(yè)量子仿真計(jì)算氫分子基態(tài)能量[J.Duetal.PRL.104，030501(2010)]2010年，首次在實(shí)驗(yàn)上通過(guò)磁共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氫分子的基態(tài)能量值計(jì)算的量子仿真研究。2.2.4量子仿真實(shí)驗(yàn)第47頁(yè)/共60頁(yè)

該工作被選為Phy.Rev.Lett.HighlightArticle。2.2.4量子仿真實(shí)驗(yàn)第48頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/2492.3規(guī)模化與消相干第49頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/250第50頁(yè)/共60頁(yè)固態(tài)體系中最優(yōu)動(dòng)力學(xué)去耦實(shí)驗(yàn)[J.Duetal.Nature461,1265(2009)]2009年，首次在真實(shí)固態(tài)體系中實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)動(dòng)力學(xué)去耦，極大的提高了量子相干保存時(shí)間。2.3規(guī)?；c消相干第51頁(yè)/共60頁(yè)發(fā)展高速、精確的量子操控技術(shù)新型量子信息存儲(chǔ)載體的研究絕熱量子計(jì)算和量子仿真研究抗噪聲量子方法的探索：退相干機(jī)理及抑制方法研究三、未來(lái)研究方向

第52頁(yè)/共60頁(yè)第53頁(yè)/共60頁(yè)54第54頁(yè)/共60頁(yè)2023/5/255結(jié)語(yǔ)從量子計(jì)算（機(jī)）的概念提出以來(lái)，此領(lǐng)域的研究進(jìn)展已經(jīng)表明：這種新型量子處理器具有比經(jīng)典處理器更強(qiáng)的信息處理功能。研究量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展提出的迫切需求，同時(shí)也會(huì)推動(dòng)納米技術(shù)和微觀操控等高新技術(shù)的進(jìn)步，是未來(lái)信息技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性方向。量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)已不存在原理性障礙，量子計(jì)算非常脆弱，使制造規(guī)模大的量子計(jì)算機(jī)變得十分困難，這是對(duì)人類智慧和能力的挑戰(zhàn)！量子計(jì)算機(jī)的研制不管成功與否，量子計(jì)算的研究一定會(huì)給人類未來(lái)的生活帶來(lái)深遠(yuǎn)意義的影響。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索！第55