量子计算机介绍ppt课件.ppt

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1、认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、储存及处理量子信息的物理装置。当某个装置逻辑运算、储存及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机。量子计算机是基于量子比特，即量子计算机是基于量子比特，即q-bitq-bit为存储单元的为存储单元的 什么是量子计算机什么是量子计算机认识到了贫困户贫困的根本原因，

2、才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 从薛定谔猫谈起从薛定谔猫谈起 薛定谔设想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在薛定谔设想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在每一秒时间内以每一秒时间内以1 12 2几率放射出一个粒子。按照量子力几率放射出一个粒子。按照量子力学的叠加性原理，一秒钟后体系处于无粒子态和一个粒学的叠加性原理，一秒钟后体系处于无粒子态和一个粒子态的等几率幅叠加态。一旦粒子发射出来，它将通过子态的等几率幅叠加态。一旦粒子发射出来，它将通过一个传动机构将毒药瓶打开，毒气释放后会使盒子里面一个传动机构将毒药瓶打开，毒气释放后会使盒子里面的猫

3、立刻死亡。当然，如果无粒子的发射，这一切均不的猫立刻死亡。当然，如果无粒子的发射，这一切均不会发生，猫仍然活着会发生，猫仍然活着.认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目现在要问：一秒钟后盒子里的猫是死还是活？既现在要问：一秒钟后盒子里的猫是死还是活？既然放射性粒子是处于和然放射性粒子是处于和1 1的叠加态，那么这只猫的叠加态，那么这只猫理应处于死猫和活猫的叠加态。这是常理无法理理应处于死猫和活猫的叠加态。这是常理无法理解的解的量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知量子理论认为：如果没有揭开盖子，进

4、行观察，我们永远也不知道雌猫是死是活，她将永远到处于半死不活的叠加态。这与我们道雌猫是死是活，她将永远到处于半死不活的叠加态。这与我们的日常经验严重相违，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半的日常经验严重相违，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？死半活？认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 然而,自然界是否确实按照量子理论的规律运行?量子力学的解释是否站得住脚,自20 世纪20 年代量子力学建立以来一直是颇有争议的。以爱因斯坦为代表的一批科学家始终认定量子力学不是完备的理论,而以玻尔为代表的哥本哈根学派则

5、坚信量子理论的正确性。爱因斯坦等人构思了一个由两个粒子组成的一维系统相互远离的思想实验,用反证法对量子力学的完备性提出质疑。从从EPREPR谈起谈起认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目设由粒子1 和粒子2 组成的一维系统,对于共轭的力学变量x1 和p1,x2 和p 2,根据不确定关系有:认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 对于这四个变量,可以用x1+x2,p1+p 2,x1-x2,p1-p 2来代替,其中两对共轭力学量,有:由于(

6、x1-x2)和(p 1+p 2)不是一对共轭的力学量,不受不确定关系的限制,它们可以有共同的本征态,可以同时准确测量。由此我们可以制备一个量子态使得x1-x2 的本征值为a,p1+p 2 的本征值为0,设想距离a 非常之大,如粒子1在北京,粒子2 在纽约,或者更远,可以认为对粒子1 进行任何物理操作,不会立即对粒子2 产生干扰。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 那么如果在北京测量粒子1 的位置为x,就意味着粒子2 的位置为x-a,如果在北京测得粒子1 的动量为p,就意味着粒子2 的动量为-p。由对粒子1 的测

7、量而推知的粒子2 的x2 和p2 是不对粒子2 作任何干扰而获得的值。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 爱因斯坦等人由此得出结论:与粒子2 的x2 和p 2 相对应,存在两个独立的物理实在要素。但是量子力学理论的不确定关系,不能对x1和p1 同时进行精确的测量,则在测量x1 的同时,我们连p 2也不能精确测量了,而x2 和p2 不能同时确定,也就不可能具有与之相对应的两个独立的物理实在元素,只能有一个物理实在的元素。因此显然存在两个结论二者必居其一:(1)存在着即时的超距作用,在测量粒子1 的位置的同时,立即

8、干扰了粒子2 的动量;(2)x2 和p2 本来同时是有精确值的,只是量子力学的描述不完备。量子力学量子力学?认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 玻尔则持完全相反的看法,他认为粒子1 和2 之间存在着量子关联,不管它们在空间上分得多开,对其中一个粒子实行局域操作(如上述的测量),必然会立刻导致另一个粒子状态的改变,这是量子力学的非局域性。量子力学是完备的!认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 EPR 论文发表后的两个月,玻尔在同一年

9、的物理评论中,以相同题目能认为量子力学对物理实在的述是完备的吗?做了回答。玻尔正是针对这个前提进行反驳。他指出:“对粒子1 的测量正是影响了对确定体系未来状态所作出的预言类型的条件。”这句话意味着:对粒子1 作x1 的测量,就确定下来对粒子2 未来状态作出预言的类型,该状态为x2 而不能为p2,由于x2 和p 2 是不能同时确定的,因此只能确切预言这对共轭变量中的一个,当然不存在量子力学描述不完备的问题。玻尔与爱因玻尔与爱因斯坦在争论斯坦在争论认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目玻尔指出:如果两个子系统A 和B

10、形成一个总体系,这个总体系是由它的波函数来描述的,那就没有理由说,分别加以考查的子系统A和B是什么互不相干的独立存在(实在的状态),即使这两个子系统在被考查的特定时间在空间上是彼此分隔开的也不行。因此,认为在后一种情况下,B的实在状况不会受到任何对A进行量度的(直接)影响,这种论断在量子理论的框架里是没有根据的,而且(正如这个佯谬所表明的)是不能接受的。玻尔与海森伯在讨论认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 玻姆(D.Bohm)也是主张量子力学只给微观客体以统计性描述是不完备的。1953 年他提出,有必要引入一附

11、加变量对微观客体作进一步的描述。这就是隐变量(h iddenvariable)理论。1965 年,贝尔(J.Bell)在局域隐变量理论的基础上推导出一个不等式,人称Bell 不等式,并发现此式与量子力学的预言是不符的,因而我们有可能通过对此式的实验检验,来判断哥本哈根学派对量子力学的解释是否正确.认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 为物理学界所普遍认同的第一个最具说服力的检验Bell不等式的实验是法国巴黎大学的Aspect和他的助手在1982 年做出的,实验构思十分精巧,以理想的实验方案测量了钙原子级联辐射光子

12、对的线偏振关联,达到从未有过的高精度,他们的实验不仅用静态装置实现了EPR 和玻姆的思想实验,而且用动态装置实现了对爱因斯坦“可分离性”即定域性原则的直接检验。实验结果与量子力学预言极为一致,显示Bell 不等式被违背,从而推翻了决定论的局域隐变量理论,肯定爱因斯坦的观点是错误的。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目Aspect实验的装置如下:之后,随着量子光学的发展,有更多的实验支持了这个结论。1997 年瑞士学者更直截了当地在10 公里光纤中测量到作为EPR 对的两个光子之间的量子关联。认识到了贫困户贫困的根

13、本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 因此,现在我们可得出结论:量子力学是正确的(起码迄今完全与实验事实相自洽);非局域性是量子力学的基本性质。现在这种由爱因斯坦等人在其佯谬中首先揭示的量子关联效应常被称为EPR 效应,它是非局域性的体现。反对者真的失败反对者真的失败了吗了吗?认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 经典计算机是怎样工作的？经典计算机是怎样工作的？经典计算机是用晶体管来记录信息的，一个个晶体经典计算机是用晶体管来记录信息的，一个个晶体管可以

14、看成是一个个开关，每个开关只有开和关两种管可以看成是一个个开关，每个开关只有开和关两种状态。我们把状态。我们把“开开”的状态记为的状态记为“1”1”，“关关”的状态的状态记为记为“0”0”，这样，一个晶体管就记录了一个或为，这样，一个晶体管就记录了一个或为“0”0”或为或为“1”1”的信息，叫做一个比特（的信息，叫做一个比特（bitbit）的信息。）的信息。此后通过编码（例如此后通过编码（例如ASCIIASCII码）就可以将任何信息转化码）就可以将任何信息转化成由成由0 0和和1 1排列的数字序列。利用晶体管的性质，计算排列的数字序列。利用晶体管的性质，计算机可以进行简单的逻辑运算，再配合完整

15、的计算机语机可以进行简单的逻辑运算，再配合完整的计算机语言，就可以完成数据的存储、读写、复制、计算等一言，就可以完成数据的存储、读写、复制、计算等一系列操作。系列操作。这种用这种用0 0和和1 1两种符号构成的编码叫做二进制码。当然两种符号构成的编码叫做二进制码。当然还可以采用更为复杂的编码方法。例如，生物的信息还可以采用更为复杂的编码方法。例如，生物的信息之源之源DNADNA就是采用四种基本碱基编码，从而构成了就是采用四种基本碱基编码，从而构成了丰富多彩变化无穷的生物世界。丰富多彩变化无穷的生物世界。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，

16、已经展开了“精准扶贫”项目量子计算机是怎样工作的？量子计算机是怎样工作的？然而，量子计算机是建立在完全不同的存储元件上，它的逻然而，量子计算机是建立在完全不同的存储元件上，它的逻辑运算和可以使用的算法都与现在的电子计算机存在观念上的不辑运算和可以使用的算法都与现在的电子计算机存在观念上的不同。量子计算机的信息存储单位是量子比特（同。量子计算机的信息存储单位是量子比特（qubitqubit），也叫量子），也叫量子位，可以用位，可以用原子基态原子基态和和激发态激发态来表示。这里的来表示。这里的原子基态原子基态和和激发态激发态可以是电子的上下两个自旋态、光子的两个偏振态，或可以是电子的上下两个自旋态

17、、光子的两个偏振态，或者原子的两个超精细分裂能级等。与现代计算机的二进制不同的者原子的两个超精细分裂能级等。与现代计算机的二进制不同的是，量子比特除了可以是是，量子比特除了可以是原子基态原子基态和和激发态激发态，还可以处于，还可以处于“叠加态叠加态”。量子叠加态是一种很奇妙的状态，一个处于叠加态的。量子叠加态是一种很奇妙的状态，一个处于叠加态的量子比特可以既是量子比特可以既是0 0又是又是1 1（关于量子叠加态的奇妙性质属于基本（关于量子叠加态的奇妙性质属于基本量子力学的范畴，有兴趣的读者可以参看一些关于量子力学的科量子力学的范畴，有兴趣的读者可以参看一些关于量子力学的科普读物）。具体的一个叠

18、加态可以写成普读物）。具体的一个叠加态可以写成 其中其中a a、b b是满足是满足 的复数。的复数。为了理解方便，可以直观的把叠加态想象成一个直角坐标系中的为了理解方便，可以直观的把叠加态想象成一个直角坐标系中的矢量，矢量，a a、b b分别是这个矢量在分别是这个矢量在 和和 两个轴上的投影值。这样一个两个轴上的投影值。这样一个量子比特就需要两个数据才能确定，而多个量子比特存储的数据量子比特就需要两个数据才能确定，而多个量子比特存储的数据量将远远大于同样数目的比特。量将远远大于同样数目的比特。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了

19、“精准扶贫”项目量子计算机概念的来源量子计算机概念的来源 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，而研究可逆计量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，而研究可逆计算机是为了克服计算机中的能耗问题。早在六七十年代，人们就算机是为了克服计算机中的能耗问题。早在六七十年代，人们就发现，能耗会导致计算机芯片的发热，影响芯片的集成度，从而发现，能耗会导致计算机芯片的发热，影响芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。限制了计算机的运行速度。Landauer3Landauer3最早考虑了这个问题，他最早考虑了这个问题，他考察了能耗的来源，指出：能耗产生于计算过程中的不可逆操作。考察了能耗的来源，指出：能耗

20、产生于计算过程中的不可逆操作。例如，对两比待的异或操作，因为只有一比特的输出，这一过程例如，对两比待的异或操作，因为只有一比特的输出，这一过程损失了一个自由度，因此是不可逆的，按照热力学，必然会产生损失了一个自由度，因此是不可逆的，按照热力学，必然会产生一定的热量。但这种不可逆性是不是不可避免的呢？事实上，只一定的热量。但这种不可逆性是不是不可避免的呢？事实上，只要对异或门的操作如图要对异或门的操作如图1 1所示的简单改进，即保留一个无用的比特，所示的简单改进，即保留一个无用的比特，该操作就变为可逆的。因此物理原理并没有限制能耗的下限，消该操作就变为可逆的。因此物理原理并没有限制能耗的下限，消

21、除能耗的关键是将不可逆操作改造为可逆操作。除能耗的关键是将不可逆操作改造为可逆操作。BennettBennett后来更严格地考虑了此问题，并证明了，所有经典不后来更严格地考虑了此问题，并证明了，所有经典不可逆的计算机都可以改造为可逆计算机，而不影响其计算能力。可逆的计算机都可以改造为可逆计算机，而不影响其计算能力。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目经典计算机的抽象数学模型经典计算机的抽象数学模型 经典计算机实际上就是一个通用图灵机。通用图灵机是计算机的经典计算机实际上就是一个通用图灵机。通用图灵机是计算机的抽象

22、数学模型，它由两部分构成：抽象数学模型，它由两部分构成：11具有无限多个存储单元的记录带，每个存储单元内容的变具有无限多个存储单元的记录带，每个存储单元内容的变化是有限的，通常用二进制的化是有限的，通常用二进制的“O”O”和和“1”1”来表示；来表示；22一个具有有限内态的读写头，每步操作中读写头可以在记一个具有有限内态的读写头，每步操作中读写头可以在记录带上左移或右移一格或不动。图灵机在操作中，读写头根据其录带上左移或右移一格或不动。图灵机在操作中，读写头根据其内态和当前存储单元的内容，按既定的规则，改变其内态和存储内态和当前存储单元的内容，按既定的规则，改变其内态和存储单元的内容。并决定下

23、一步读写头的移动方向。单元的内容。并决定下一步读写头的移动方向。上述图灵机的模型是不可逆的，例如，对如下图灵机操作上述图灵机的模型是不可逆的，例如，对如下图灵机操作“写写存储单元存储单元-左移一格左移一格”，其逆就变成了，其逆就变成了“左移一格左移一格-写存储单写存储单元元”，该逆操作不再是一个有效的图灵机操作。但，该逆操作不再是一个有效的图灵机操作。但BennettBennett证明了证明了一个基本结果：对所有不可逆的通用图灵机，都可以找到一个对一个基本结果：对所有不可逆的通用图灵机，都可以找到一个对应的可逆图灵机，使得两者具有完全相同的计算能力和计算效率。应的可逆图灵机，使得两者具有完全相

24、同的计算能力和计算效率。因为计算机中的每步操作都可以改造为可逆操作，在量子力因为计算机中的每步操作都可以改造为可逆操作，在量子力学中，它就可以用一个么正变换来代表。学中，它就可以用一个么正变换来代表。BenioffBenioff最早用量子力学最早用量子力学来描述可逆计算机。在量子可逆计算机中，比特的载体成为二能来描述可逆计算机。在量子可逆计算机中，比特的载体成为二能级的量子体系，体系处于级的量子体系，体系处于|0|0和和|1|1上，但不处于它们的叠加态。上，但不处于它们的叠加态。量子可逆计算机的研究，其核心任务为，对应于具体的计算，寻量子可逆计算机的研究，其核心任务为，对应于具体的计算，寻找合

25、适的哈密顿量来描述。找合适的哈密顿量来描述。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目量子计算机的构造及实验方案量子计算机的构造及实验方案 正如经典计算机建立在通用图灵机基础之上，量子计算机亦可正如经典计算机建立在通用图灵机基础之上，量子计算机亦可建立在量子图灵机基础上。量子图灵机可类比于经典计算机的概建立在量子图灵机基础上。量子图灵机可类比于经典计算机的概率运算。上面提到的通用图灵机的操作是完全确定性的，用率运算。上面提到的通用图灵机的操作是完全确定性的，用q q代表代表当前读写头的状态，当前读写头的状态，s s代表

26、当前存储单元内容，代表当前存储单元内容，d d取值为取值为L L,R R,N,N,分分别代表读写头左移、右移或不动，则在确定性算法中，当别代表读写头左移、右移或不动，则在确定性算法中，当q q,s s给定给定时，下一步的状态时，下一步的状态qq，ss及读写头的运动及读写头的运动d d完全确定。我们也可以完全确定。我们也可以考虑概率算法，即当考虑概率算法，即当q q,s s给定时，图灵机以一定的概率给定时，图灵机以一定的概率 （q q,s s,q q,s s”,”,d d）变换到状态）变换到状态qq,ss及实行运动及实行运动d d。概率函数。概率函数 (q q,s s,qq,ss,d d）为取值

27、）为取值0,10,1的实数，它完全决定了概率图灵机的的实数，它完全决定了概率图灵机的性质。经典计算机理论证明，对解决某些问题，慨率算法比确定性质。经典计算机理论证明，对解决某些问题，慨率算法比确定性算法更为有效。性算法更为有效。量子图灵机非常类似于上面描述的经典概率图灵机，现在量子图灵机非常类似于上面描述的经典概率图灵机，现在q q,s s,qq,ss相应地变成了量子态，而概率函数相应地变成了量子态，而概率函数 （q q,s s,qq,ss,d d）则）则变成了取值为复数的概率振幅函数变成了取值为复数的概率振幅函数x x(q q,s s,qq,ss,d d），量子图灵机），量子图灵机的性质由概

28、率振幅函数确定。正因为现在的运算结果不再按概率的性质由概率振幅函数确定。正因为现在的运算结果不再按概率叠加，而是按概率振幅叠加，所以量子相干性在量子图灵机中起叠加，而是按概率振幅叠加，所以量子相干性在量子图灵机中起本质性的作用，这是实现量子并行计算的关键。本质性的作用，这是实现量子并行计算的关键。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目如何在物理上构造出量子计算机如何在物理上构造出量子计算机 量子计算机可以等效为一个量子图灵机。但量子图灵机是一个量子计算机可以等效为一个量子图灵机。但量子图灵机是一个抽象的数学模型，如

29、何在物理上构造出量子计算机呢？理论上已抽象的数学模型，如何在物理上构造出量子计算机呢？理论上已证明证明99，量子图灵机可以等价为一个量子逻辑电路，因此可以通，量子图灵机可以等价为一个量子逻辑电路，因此可以通过一些量子逻辑门的组合来构成量子计算机。量子逻辑门按其输过一些量子逻辑门的组合来构成量子计算机。量子逻辑门按其输入比特的个数可分为单比特、二比特、及三比特逻辑门等。入比特的个数可分为单比特、二比特、及三比特逻辑门等。因为量子逻辑门是可逆的，所以其输入和输出比特数相等。量因为量子逻辑门是可逆的，所以其输入和输出比特数相等。量子逻辑门对输入比特进行一个确定的幺正变换，得到输出比特。子逻辑门对输入

30、比特进行一个确定的幺正变换，得到输出比特。Deutsch10Deutsch10最早考虑了用量子逻辑门来为造计算机的问题，他发最早考虑了用量子逻辑门来为造计算机的问题，他发现，几乎所有的三比特量子逻辑门都是通用逻辑门。通用逻辑门现，几乎所有的三比特量子逻辑门都是通用逻辑门。通用逻辑门的含义是指，通过该逻辑门的级联，可以以任意精度逼近任何一的含义是指，通过该逻辑门的级联，可以以任意精度逼近任何一个么正操作。后来不少人发展了个么正操作。后来不少人发展了DeutschDeutsch的结果，最后的结果，最后DeutschDeutsch和和LloydLloyd各自独立地证明各自独立地证明1111，几乎所有

31、的二比特量子逻辑门都是通，几乎所有的二比特量子逻辑门都是通用的，这里用的，这里“几乎几乎”是指，二比特通用量子逻辑门的集合是所有是指，二比特通用量子逻辑门的集合是所有二比特逻辑门的集合的一个稠密子集。二比特逻辑门的集合的一个稠密子集。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目实验上实验上用用具体的量子逻辑门来构造计算机具体的量子逻辑门来构造计算机 Barenco Barenco等人等人1212证明，一个二比特的异或门和对一比特进行证明，一个二比特的异或门和对一比特进行任意操作的门可构成一个通用量子门集。相对来说，单比特

32、逻辑任意操作的门可构成一个通用量子门集。相对来说，单比特逻辑门在实验上比较容易实现，现在的不少实验方案都集中干制造量门在实验上比较容易实现，现在的不少实验方案都集中干制造量子异或门。量子异或门和经典异或门非常类似，它有子异或门。量子异或门和经典异或门非常类似，它有2 2个输入比待：个输入比待：控制比特和受控比特。当控制比特处于控制比特和受控比特。当控制比特处于|1|1态，即在上能级时，态，即在上能级时，受控比特态发生反转。用记号受控比特态发生反转。用记号C12C12代表量子异或操作，其中代表量子异或操作，其中1 1，2 2分分别代表控制和受控比特，则有别代表控制和受控比特，则有 其中其中n n

33、1,1,n n2 2取值取值 0 0或或 1 1，表示模表示模2 2加。已有的用来实现量子异或门加。已有的用来实现量子异或门的方案包括：利用原子和光腔的相互作用的方案包括：利用原子和光腔的相互作用1313；利用冷阱束缚离；利用冷阱束缚离子子1414；或利用电子或核自旋共振；或利用电子或核自旋共振1515。在已实现的方案中，以。在已实现的方案中，以冷阱束缚离子方案最为成功冷阱束缚离子方案最为成功认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目量子存储器量子存储器我们把原子基态记为我们把原子基态记为|0|0，把激发态记为，把激发

34、态记为|1|1从从传统的电子信息的角度考虑，则一个粒子有传统的电子信息的角度考虑，则一个粒子有|0|0和和|1|1两个状态但是从量子理论出发，粒子除了处两个状态但是从量子理论出发，粒子除了处于以上两个状态外，还可以处于于以上两个状态外，还可以处于|0|0和和|1|1的叠加的叠加态态|=a|0+b|1=a|0+b|1，其中，其中a a、b b分别代表原子处于分别代表原子处于两种态的几率幅由此为基础的一个两种态的几率幅由此为基础的一个q-bitq-bit不仅可不仅可以表示单独的以表示单独的|0|0和和|1|1，而且可以同时既表示，而且可以同时既表示|0|0，又表示，又表示|1|1 认识到了贫困户贫

35、困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目直直观观的空的空间结构间结构于是，由三个比特构成的存储器可以像经典比特一样表示于是，由三个比特构成的存储器可以像经典比特一样表示000,001,010,011,100,101,110,111000,001,010,011,100,101,110,111这样八个二进制数这样八个二进制数此外，若假设三个此外，若假设三个q-bitq-bit都是处于都是处于 (2)(2)1/21/2(|0+|1)(|0+|1)态，则由此，该态，则由此，该q-bitq-bit还可以有还可以有|0|0|0+|0|0|0+

36、|0|0|1+|0|1|0+|0|1|1+|1|0|0+|1|0|1+|0|0|1+|0|1|0+|0|1|1+|1|0|0+|1|0|1+|1|1|0+|1|1|1|1|1|0+|1|1|1 这样个状态的叠加也就是说，在这样个状态的叠加也就是说，在某一时刻一个量子存储器可以表示某一时刻一个量子存储器可以表示8 8个数个数认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目推推论结论结果果由上可知：由上可知：一个一个q-bitq-bit可以同时储存可以同时储存0 0和和1 1两个数两个数字，字，三个三个q-bitq-bit可以同

37、时储存可以同时储存8 8个数字，个数字，个个q-bitq-bit可以同时储存可以同时储存2 2N N个数字个数字则，一个则，一个250250量子比特的存储器可存量子比特的存储器可存储的数达储的数达2 2250250,比现有已知的宇宙比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。中全部原子数目还要多。集成了1616个量子比特的计算机 认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目量子信息的量子信息的运运算算量子算法量子算法下来我们看看量子计算机如何对这些态进行运算。假设现在我们下来我们看看量子计算机如何对这些态进行运算。假设现在我们

38、想求一个函数想求一个函数f(n)f(n)，(n(n07)07)的值，采用经典计算的办法至少需的值，采用经典计算的办法至少需要下面的步骤：要下面的步骤：存储器清零存储器清零赋值运算赋值运算保存结果保存结果再赋值运算再赋值运算再保存结再保存结果果对每一个对每一个n n都必须经过存储器的赋值和函数都必须经过存储器的赋值和函数f(n)f(n)的运算等步骤，的运算等步骤，而且至少需要而且至少需要8 8个存储器来保存结果。如果是用量子计算机来做这个存储器来保存结果。如果是用量子计算机来做这个题目则在原理上要简洁的多，只需用个题目则在原理上要简洁的多，只需用3 3个量子存储器，把各个量子存储器，把各q-q-

39、bitbit制备到制备到(|0(|0+|1+|1)/(2)/(2)态上就一次性完成了对态上就一次性完成了对8 8个数的个数的赋值，此时存储器成为态赋值，此时存储器成为态|，然后对其进行相应的幺正变换，然后对其进行相应的幺正变换以完成函数以完成函数f(n)f(n)的功能，变换后的存储器内就保存了所需的的功能，变换后的存储器内就保存了所需的8 8个结个结果。这种能同时对多个态进行操纵，所谓果。这种能同时对多个态进行操纵，所谓“量子并行计算量子并行计算”的性的性质正是量子计算机巨大威力的奥秘所在。质正是量子计算机巨大威力的奥秘所在。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来

40、国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 量子存储器与传统存储器量子存储器与传统存储器量子量子同时存储同时存储2N2N个数字个数字同时赋值同时赋值2N2N个数字个数字同时对状态操纵同时对状态操纵2N2N个个数字数字函数计算通过幺正变函数计算通过幺正变换换对对10001000位的大数进行位的大数进行因数分解需几分之一因数分解需几分之一秒秒传统传统同时存储同时存储2N2N个数字个数字同时赋值同时赋值2N2N个数字个数字同时对状态操纵同时对状态操纵2N2N个个数字数字函数计算通过经典函数计算通过经典循环方法循环方法对对10001000位的大数进行位的大数进行因数分解需因数分解需102510

41、25年年认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目量子计算机研究进展量子算法量子算法S.HorS.Hor于于19941994年发现第一个量子算法，它可以有效年发现第一个量子算法，它可以有效地用来进行大数因子分解地用来进行大数因子分解GroverGrover于于19971997年发现了量子搜寻算法它适用于解年发现了量子搜寻算法它适用于解决从决从 N N个未分类的客体中寻找出某个特定的客体。个未分类的客体中寻找出某个特定的客体。经典算法只能是一个接一个地搜寻，直到找到所经典算法只能是一个接一个地搜寻，直到找到所要的客体为止

42、，这种算法平均地讲要寻找要的客体为止，这种算法平均地讲要寻找 N/2N/2次，次，成功几率为成功几率为1/2,1/2,而采用而采用GroverGrover的量子算法需要的的量子算法需要的时间是以时间是以1/k1/k幂次递减的幂次递减的认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目20002000年年8 8月月1515日日IBMIBM公司宣布做出了公司宣布做出了5 5个原子做处理器和个原子做处理器和存储器的实验性量子计算机，这预示着在不远的将来存储器的实验性量子计算机，这预示着在不远的将来实用性的量子计算机将可能走进我们的生

43、活舞台。实用性的量子计算机将可能走进我们的生活舞台。2004 2004 年年 9 9 月月 ,NTT,NTT 物性科学基础研究所试制出最有物性科学基础研究所试制出最有希望成为量子计算机基本组件的希望成为量子计算机基本组件的“超导磁束量子位超导磁束量子位”,在通过微波照射大幅度提高比特控制自由度的同时在通过微波照射大幅度提高比特控制自由度的同时 ,组件的工作频率也成功地提高到了原来的组件的工作频率也成功地提高到了原来的 10 10 倍倍100 100 倍。与其它基本单元相比倍。与其它基本单元相比 ,超导磁束量子位具有量子超导磁束量子位具有量子状态容易持续保持、易于集成等优势。这样一来状态容易持续

44、保持、易于集成等优势。这样一来 ,就就有望实现利用多个组件同时处理多项信息的量子纠缠有望实现利用多个组件同时处理多项信息的量子纠缠 ,进而实现构成与或等基本电路的控制非门。此次用于进而实现构成与或等基本电路的控制非门。此次用于比特控制的是能量比光更低的微波比特控制的是能量比光更低的微波 ,但仍能很好地控但仍能很好地控制能量跃迁的幅度制能量跃迁的幅度 ,因此也为光控制的应用开辟了道因此也为光控制的应用开辟了道路。即将光通信与此次开发的单元组合起来路。即将光通信与此次开发的单元组合起来 ,如通过如通过光纤网络就可以实现量子计算机间的协作。光纤网络就可以实现量子计算机间的协作。认识到了贫困户贫困的根

45、本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目在在20072007年年2 2月月1515日加拿大公司日加拿大公司D-Wave SystemsD-Wave Systems揭开了揭开了“全球第一台全球第一台商用实用型量子计算机商用实用型量子计算机”的神秘面纱，展示了这台新型计算机的神秘面纱，展示了这台新型计算机“Orion”Orion”如何运行商用程序，及其在解决特定问题上相比传统电如何运行商用程序，及其在解决特定问题上相比传统电子计算机的巨大优势。子计算机的巨大优势。承载承载1616个量子位的硅芯片个量子位的硅芯片 硅芯片上硅芯片上1616个量子

46、位的光学照片个量子位的光学照片 认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目量子计算机的前景量子计算机可以进行大数的因式分解和量子计算机可以进行大数的因式分解和GroverGrover搜搜索可以破译密码，同时也提供一一种新的保密方索可以破译密码，同时也提供一一种新的保密方式式量子通信：将原物的信息分成经典信息和量子信量子通信：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者送给接收者未来的计算机将是由光技术、分子技术、生物技未来的计算机将是由光

47、技术、分子技术、生物技术、量子技术等新技术综合运用而构成的这些术、量子技术等新技术综合运用而构成的这些技术将在如军事、金融各种领域，各尽其长技术将在如军事、金融各种领域，各尽其长认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目参考文献参考文献1 S.Lloyd,Science 26l(1993),1569;S.Lloyd,Science,263(1994),695.2 D.DiVincenzo,Science,270(1995),255.3 R.bouer,IBM J.Res.Dev.,5(1961),l83.4 C.H.B

48、ennett,IBM J.Res.Dev.,6(1973),525.5 P.Benioff,Phys.Rev.Lett.,48(1982),1581.6 R.P.Feymann,Int.J.Theor.Phys.,21(1982),467.7 D.Deutsch,R.Jozsa,Proc.R.Soc.London A.439(1992),553.8 P.W.Shor,in Procedeeings of the 35th Annual Symposium of Foundation of Computer Science.(IEEE Computer Society,Los Alamitos,

49、CA)l994,124.9 A.Yao,in Procedings of the 34th Annual Symposium of Foundation of Computer Science.(IEEE Computer Society,os Alamitos,CA),l993,352.l0 D.Deutsch,Proc.R.Soc.London A,425(l989),73.ll D.Deutsch,Proc.R.Soc.London A,449(1995),669,;S.Lloyd,Phys.Rev.Lett.,75(1995),346.12 A.Barenco et al.,Phys.

50、Rev.Lett.,74(1995),4083.13 T.Pallizari et al.,Phys.Rev.Lett.,75(1995),3788.14 J.Cirac,P.Zoller,Phys.Rev.Lett.,74(l995),4091.15 N.A.Geshenfeld,I.L.Chuang,Science,275(1997),350.16 C.Monroe et al.,Phys.Rev.Lett.,75(1995),47l4.17 S.Lloyd,Science,273(1996),1073.18 W.G.Unruh,Phys.Rev.A,51(l995),992.19 P.W