2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子计算机（实现方案）.pptx

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1、1量子计算机量子计算机（实现方案）（实现方案）2经典计算机发展历史3图灵计算机（1）当前的计算机科学是建立在图灵机(Turing Machine)基础上的。图灵为了解决希尔伯特第二十三问题，引入了一个理想机器模型。它由两个部分组成：具有无限长存储单元的记录带(每个存储单元的内容用“0”或“1”表示)和一个具有内部状态并可在带上每次只能移动、读取、改写一个存储单元的阅读头。4一条无限长的纸带。一条无限长的纸带。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号表示空白。纸带上的格子从左到右依此被编号为 0,1,2,.，纸带的右端可以无限伸展。一个状态

2、寄存器。一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。一套控制规则。一套控制规则。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。5在纸上写上或擦除某个符号；把注意力从纸的一在纸上写上或擦除某个符号；把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；而在每个阶段，人要个位置移动到另一个位置；而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于决定下一步的动作，依赖于 (a)(a)此人当前所关此人当前所关注的纸上某个位置的符号和注的纸上某个位置的符号和(b)(b)

3、此人当前思维的此人当前思维的状态。为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出状态。为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器。一台假想的机器。注意这个机器的每一部分都是有限的，但它有一注意这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。人类所能进行的任何计算过程。6图灵计算机（2）图灵设计图灵机的目的在于证明,在一个自洽公理体系中,必有不能被判定的命题存在,从而否定了希尔伯特的猜想。但同时却为计算机科学奠定了

4、基础。现在的电子计算机就是图灵机的现实近似。7图灵计算机的局限图灵认为,图灵机的本能与其物质实现无关。但现实中,当存储单元小到原子大小时,微观尺度内的量子效应是否会影响图灵机的操作,或者能给它带来什么样的新特点呢?这个问题图灵未考虑过。现有经典计算已具有每秒上百亿次的计算速度,随着计算机技术的飞跃发展,人们想知道计算机的运算速度有无上限。这一个问题也无法从图灵的理论中得到解答。8量子计算机的实验方案量子计算机的实验方案NMRCavity-QEDIon TrapSuperconductorOpticsQuantum dot 9研究组情况东芝实验室东芝实验室德国马普所德国马普所因斯布鲁克大学因斯布

5、鲁克大学巴黎高师巴黎高师牛津大学牛津大学。NEC实验室实验室东京大学东京大学IBM实验室实验室MIT，伯克利，伯克利，加州理工加州理工普林斯顿普林斯顿Waterloo量子信息中心量子信息中心10量子态的叠加性量子态的叠加性Electrons 2 Bits 2 Qubits 1 0 0/1 0/1 Material wave State superposition11量子计算机量子计算机1.1.长时间保持相干性长时间保持相干性与环境隔离：量子闭系统？与环境隔离：量子闭系统？协调开协调开-闭双重作用选闭双重作用选择适当的物理体系作为择适当的物理体系作为量子比特兼顾两者量子比特兼顾两者。2.控制演化

6、、读出结果控制演化、读出结果 可控外部耦合可控外部耦合:量子开系统？量子开系统？逻辑门：量子操纵逻辑门：量子操纵读数：量子测量读数：量子测量根据不同尺度分离系统和根据不同尺度分离系统和环境变量：量子绝热近似环境变量：量子绝热近似系统和环境相互作用：系统和环境相互作用：量子退相干量子退相干系统系统-内外耦合：内外耦合：集体准激发集体准激发 核心科学问题核心科学问题12Five criteria for physical implementation of a quantum computer-DiVincenzoDiVincenzo1.Well defined extendible qubit

7、array-stable memory2.Preparable in the“000”state3.Long decoherence time(104 operation time)4.Universal set of gate operations5.Single-quantum measurements6.Interconvert stationary and flying qubits7.Transmit flying qubits from place to place13简化的量子计算机基础组件简化的量子计算机基础组件量子比特量子寄存器量子门量子电路量子测量测量系统耦合14量子计算机

8、实现的物理系统量子计算机实现的物理系统Liquid-state NMRNMR spin latticesLinear ion-trap spectroscopyNeutral-atom optical latticesCavity QED+atomsLinear optics with single photonsNitrogen vacancies in diamondElectrons on liquid He Small Josephson junctions“charge”qubits“flux”qubitsSpin spectroscopies,impurities in semiconductorsCoupled quantum dotsQubits:spin,charge,excitonsExchange coupled,cavity coupled