量子計算研究進展課件

2022/11/271量子計算研究進展彭新華中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系2010.3.262022/11/271量子計算研究進展彭新華2022/11/272量子信息“Informationisphysical”.--RolfLandauer量子計算機：基于量子力學(xué)原理，存儲、

處理量子信息的計算裝置。

量子計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)計算機科學(xué)量子信息2022/11/272量子信息“Informationis2022/11/273內(nèi)容提綱量子計算發(fā)展簡介磁共振量子計算研究進展未來研究方向2022/11/273內(nèi)容提綱量子計算發(fā)展簡介2022/11/274一、量子計算發(fā)展簡介2022/11/274一、量子計算發(fā)展簡介2022/11/275計算機硬件歷史計算機硬件是信息處理的平臺。數(shù)值計算單元:

機械齒輪/電子機械傳動裝置電子管(1911-1946)晶體管(1947-1958)集成電路(1959-1970)大規(guī)模集成電路(1971-)2022/11/275計算機硬件歷史計算機硬件是信息處理的平2022/11/276

計算機歷史2022/11/2762022/11/2771642,Pascal帕斯卡機械計算機，首次確立了計算機器的概念。概念1834,Babbage差分機提出了分析機的概念機械裝置2022/11/2771642,Pascal1834,B2022/11/278世界上第一臺電子計算機--1946ENIACMauchiyandEckert2022/11/278世界上第一臺電子計算機--19462022/11/279ENIAC2022/11/279ENIAC2022/11/27101952,EDVACVonNeumannElectronicDiscreteVariableAutomaticComputerContaining2300vacuumtubes,but10timesfasterthanENIAC(18000)2022/11/27101952,EDVACVonNe2022/11/2711微處理器1971Intel400410um,2300晶體管0.74MHz1978Intel80863um,29000晶體管4.77MHz2008,Corei745nm,5.82billion晶體管2.66-3.2GHz2022/11/2711微處理器1971Intel4002022/11/27122022/11/27122022/11/2713摩爾定理2022/11/2713摩爾定理2022/11/27142022/11/27142022/11/2715GettingSmallerSizeofAtom2022/11/2715GettingSmallerSi2022/11/27162022/11/27162022/11/27172022/11/27172022/11/2718當今微電子技術(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、國家重大戰(zhàn)略需求

開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)。2022/11/2718當今微電子技術(shù)不久將面臨物理極限！科2022/11/2719量子計算機的發(fā)展史Inthe1970’sFredkin,Toffoli,Bennettandothersbegantolookintothepossibilityofreversiblecomputationtoavoidpowerloss.Sincequantummechanicsisreversible,apossiblelinkbetweencomputingandquantumdeviceswassuggestedSomeearlyworkonquantumcomputationoccurredinthe80’s1982Benioff:Quantumcomputersareuniversal.1982Feynman:Quantumcomputercouldsimulateotherquantumsystems.1993Bernstein,VaziraniandYao:Quantumsystemsaremorepowerfulthanclassicalcomputers.2022/11/2719量子計算機的發(fā)展史Inthe192022/11/2720量子計算機的發(fā)展史Quantumalgorithms1985Deutsh:thefirstquantumalgorithm1994Coppersmith,Shor:quantumfouriertransform,factorization1997Grover:aunsortedquantumsearchalgorithmImplementations1995Monroe,Meekhof,King,Itano,Wineland:CNOTgateimplementediniontrapbyNIST1997Gershenfeld,Chuang,Cory,Fahmy,Havel:NMRquantumcomputing2001Vandersypenetal.:ExperimentalrealizationofShor’salgorithm2006:Negrevergneetal.Benchmarkingquantumcontrolona12-qubitsystem…….2022/11/2720量子計算機的發(fā)展史Quantuma2022/11/2721量子比特sNaturalqubits:Spin1/22022/11/2721量子比特sNaturalqubit2022/11/2722量子態(tài)疊加原理2022/11/2722量子態(tài)疊加原理2022/11/2723可逆邏輯們可逆邏輯們–克服熱耗散問題封閉的量子系統(tǒng)按照哈密頓量做幺正演化，本身就是可逆操作。ClassicalGateInOutGateInOutQuantum2022/11/2723可逆邏輯們可逆邏輯們–克服熱耗散2022/11/2724Classicalvs.QuantumClassicalbitstransistors0or1Quantumbitsquantumsystems0or1or

in-betweenNAND,NOT,AND…NAND,NOT,CNOT…Sqrt(NOT)…Thesequantumgatesallowoperationsthatareimpossibleonclassicalcomputers!2022/11/2724Classicalvs.Quan2022/11/2725量子信息特點高速計算大容量信息存儲、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10Bit0or1incomputernow2022/11/2725量子信息特點高速計算量子態(tài)疊加原理量2022/11/2726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,2000.2022/11/2726大數(shù)質(zhì)因子分解Problem:Gi2022/11/2727Timerequired:Classicalvs.quantum2.5days42days19000yearsHalfayearAgeofuniverse2022/11/2727Timerequired:Cla2022/11/2728ThepromiseofQuantumComputationSearchingdatabases1

unsortedlistofNentrieshowmanyqueries?

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)2022/11/2728ThepromiseofQua2022/11/2729二、磁共振量子計算研究進展

2022/11/2729二、磁共振量子計算研究進展

2022/11/2730DiVincenzo判據(jù):1.可擴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基準態(tài)。3.能夠保持足夠長的相干時間來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)對量子比特的測量。量子計算機的物理實現(xiàn)[1]DiVincenzoD.P.,Fortschr.Physik,48(9-11),771–783(2000)2022/11/2730DiVincenzo判據(jù):量子計算機(1)能長期保持相干性—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要求互相矛盾。因此選擇什么樣的物理體系來制作量子計算機要兼顧兩者的要求。一臺量子計算機最基本要求2022/11/2731(1)能長期保持相干性這兩個要求互相矛盾。因此選擇什么樣的物實驗物理體系2022/11/2732實驗物理體系2022/11/2732相對于經(jīng)典計算機利用了電子的電荷特性，在量子計算的研究中，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間長的特點，開展磁共振量子計算是量子計算機研究重要發(fā)展方向之一。系統(tǒng)相干時間/秒操作時間/秒最大運算次數(shù)目前進展/比特數(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2022/11/2733相對于經(jīng)典計算機利用了電子的電荷特性，在量子計算的研究中，利2022/11/2734一些物理體系的比較Benchmarkingvalues:approximateerrorratesforsingleormulti-qubitgates.2022/11/2734一些物理體系的比較Benchmark2022/11/2735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)2022/11/2735核自旋量子位B0Spinparti2022/11/2736實驗原理：儀器NMR量子計算機控制：射頻磁場+核之間的相互作用2022/11/2736實驗原理：儀器NMR量子計算機控制：

實驗平臺2022/11/2737實驗平臺2022/11/27372022/11/27382.1絕熱量子計算背景：傳統(tǒng)的量子計算研究中，研究者將經(jīng)典計算機模型類比到量子情形，以期通過基本邏輯操作實現(xiàn)普適量子計算。優(yōu)點：適用于廣泛的組合優(yōu)化問題，有著重要的應(yīng)用前景。比傳統(tǒng)的量子計算機具有更強的容錯能力。絕熱量子計算：MIT的Farhi等人在2001年提出的一種新的量子計算途徑。E.Farhiet.al.,Science292，472(2001)

2022/11/27382.1絕熱量子計算背景：傳統(tǒng)的量子2022/11/27392.1絕熱量子計算Schr?dingerequation:AdiabaticevolutionEncodingthesolutionoftheproblem123LinearinterpolationEasytofind2022/11/27392.1絕熱量子計算Schr?din2022/11/27402.1新的質(zhì)因子分解的絕熱量子算法分解21需要3個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;~50ms2022/11/27402.1新的質(zhì)因子分解的絕熱量子算法2022/11/27412.2模擬量子系統(tǒng)ClassicalcomputersExponentialgrowthofHilbertspaceSystemwith50qubits250≈1015complexamplitudes~32x1015bytesofinformationwellbeyondthecapacityofexistingcomputersIsitpossibletoclassicallysimulatefaithfullyaquantumsystem?Na?veanswer:NOncomputationalbasis2022/11/27412.2模擬量子系統(tǒng)Classica2022/11/2742Quantumcomputers–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)2022/11/2742Quantumcomputers2022/11/27432.2.1量子仿真實驗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)計合適的Hamiltonian微擾和掃描函數(shù)實現(xiàn)量子絕熱過程；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)Muchmoresusceptibletothechangeofthecontrolledparameter2022/11/27432.2.1量子仿真實驗研究背景X2022/11/27442.2.2量子仿真實驗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)2022/11/27442.2.2量子仿真實驗Loschm2022/11/27452.2.3量子仿真實驗三體相互作用體系中量子相變與量子糾纏的實驗研究基態(tài)臨界點探測問題：標準兩自旋相關(guān)函數(shù)不能探測由于三體相互作用導(dǎo)致的量子臨界現(xiàn)象。2022/11/27452.2.3量子仿真實驗三體相互2022/11/2746Three-spinIsingquantummodel2.2.3量子仿真實驗PhaseIPhaseIIIIAIBICVisiblebyentanglementwitnessesXHPengetal.,Phys.Rev.Lett.101,140501(2009)2022/11/2746Three-spinIsingq量子仿真計算氫分子基態(tài)能量[J.Duetal.PRL.104，030501(2010)]2010年，首次在實驗上通過磁共振技術(shù)實現(xiàn)了氫分子的基態(tài)能量值計算的量子仿真研究。2.2.4量子仿真實驗2022/11/2747量子仿真計算氫分子基態(tài)能量[J.Duetal.PR

該工作被選為Phy.Rev.Lett.HighlightArticle。2.2.4量子仿真實驗2022/11/2748該工作被選為Phy.Rev.Lett.Highli2022/11/27492.3規(guī)?；c消相干2022/11/27492.3規(guī)?；c消相干2022/11/27502022/11/2750固態(tài)體系中最優(yōu)動力學(xué)去耦實驗[J.Duetal.Nature461,1265(2009)]2009年，首次在真實固態(tài)體系中實現(xiàn)了最優(yōu)動力學(xué)去耦，極大的提高了量子相干保存時間。2.3規(guī)?；c消相干2022/11/2751固態(tài)體系中最優(yōu)動力學(xué)去耦實驗[J.Duetal.發(fā)展高速、精確的量子操控技術(shù)新型量子信息存儲載體的研究絕熱量子計算和量子仿真研究抗噪聲量子方法的探索：退相干機理及抑制方法研究三、未來研究方向

2022/11/2752發(fā)展高速、精確的量子操控技術(shù)三、未來研究方向

2022/12022/11/27532022/11/2753542022/11/27542022/11/272022/11/2755結(jié)語從量子計算（機）的概念提出以來，此領(lǐng)域的研究進展已經(jīng)表明：這種新型量子處理器具有比經(jīng)典處理器更強的信息處理功能。研究量子計算與量子計算機是社會經(jīng)濟與科技發(fā)展提出的迫切需求，同時也會推動納米技術(shù)和微觀操控等高新技術(shù)的進步，是未來信息技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性方向。量子計算的實現(xiàn)已不存在原理性障礙，量子計算非常脆弱，使制造規(guī)模大的量子計算機變得十分困難，這是對人類智慧和能力的挑戰(zhàn)！量子計算機的研制不管成功與否，量子計算的研究一定會給人類未來的生活帶來深遠意義的影響。路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索！2022/11/2755結(jié)語從量子計算（機）的概念提出以來，2022/11/275656磁共振量子計算研究組GroupmembersProf.JiangfengDuProf.XianyiZhouProf.XinhuaPengProf.JihuSuProf.RongdianHanAsso.ShiMinjunAsso.QinGanAsso.BoChongPostdoc.ChenHongweiGraduatedstudents:JuChenyongZhuJingSunMinRongXingWangYaRenChangliangSunChunxiaoYangWeiJiangFengJianXuNanyangLuDawei…2022/11/275656磁共振量子計算研究組GroupNature1PhysicalReviewLetters8PhysicalReview25Others30國際SCI實驗論文64篇發(fā)表論文2022/11/2757Nature1PhysicalReviewLettersJ.Duetal.,Nature461，1265（2009）J.Duetal.,Phys.Rev.Lett.104，030501(2010)X.Pengetal.,Phys.Rev.Lett.103，140401(2009)J.Duetal.,Phys.Rev.Lett.101，060403(2008)X.Pengetal.,Phys.Rev.Lett.101，220405(2008)J.Duetal.,Phys.Rev.Lett.94，040505(2005)J.Duetal.,Phys.Rev.Lett.91,100403(2003)J.Duetal.,Phys.Rev.Lett.88，137902(2002)

代表性論文2022/11/2758J.Duetal.,Nature461，12652022/11/2759QuantumComputer謝謝！2022/11/2759QuantumComputer謝謝2022/11/27602022/11/27602022/11/27612022/11/27612022/11/2762量子計算研究進展彭新華中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系2010.3.262022/11/271量子計算研究進展彭新華2022/11/2763量子信息“Informationisphysical”.--RolfLandauer量子計算機：基于量子力學(xué)原理，存儲、

處理量子信息的計算裝置。

量子計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)計算機科學(xué)量子信息2022/11/272量子信息“Informationis2022/11/2764內(nèi)容提綱量子計算發(fā)展簡介磁共振量子計算研究進展未來研究方向2022/11/273內(nèi)容提綱量子計算發(fā)展簡介2022/11/2765一、量子計算發(fā)展簡介2022/11/274一、量子計算發(fā)展簡介2022/11/2766計算機硬件歷史計算機硬件是信息處理的平臺。數(shù)值計算單元:

機械齒輪/電子機械傳動裝置電子管(1911-1946)晶體管(1947-1958)集成電路(1959-1970)大規(guī)模集成電路(1971-)2022/11/275計算機硬件歷史計算機硬件是信息處理的平2022/11/2767

計算機歷史2022/11/2762022/11/27681642,Pascal帕斯卡機械計算機，首次確立了計算機器的概念。概念1834,Babbage差分機提出了分析機的概念機械裝置2022/11/2771642,Pascal1834,B2022/11/2769世界上第一臺電子計算機--1946ENIACMauchiyandEckert2022/11/278世界上第一臺電子計算機--19462022/11/2770ENIAC2022/11/279ENIAC2022/11/27711952,EDVACVonNeumannElectronicDiscreteVariableAutomaticComputerContaining2300vacuumtubes,but10timesfasterthanENIAC(18000)2022/11/27101952,EDVACVonNe2022/11/2772微處理器1971Intel400410um,2300晶體管0.74MHz1978Intel80863um,29000晶體管4.77MHz2008,Corei745nm,5.82billion晶體管2.66-3.2GHz2022/11/2711微處理器1971Intel4002022/11/27732022/11/27122022/11/2774摩爾定理2022/11/2713摩爾定理2022/11/27752022/11/27142022/11/2776GettingSmallerSizeofAtom2022/11/2715GettingSmallerSi2022/11/27772022/11/27162022/11/27782022/11/27172022/11/2779當今微電子技術(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、國家重大戰(zhàn)略需求

開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)。2022/11/2718當今微電子技術(shù)不久將面臨物理極限！科2022/11/2780量子計算機的發(fā)展史Inthe1970’sFredkin,Toffoli,Bennettandothersbegantolookintothepossibilityofreversiblecomputationtoavoidpowerloss.Sincequantummechanicsisreversible,apossiblelinkbetweencomputingandquantumdeviceswassuggestedSomeearlyworkonquantumcomputationoccurredinthe80’s1982Benioff:Quantumcomputersareuniversal.1982Feynman:Quantumcomputercouldsimulateotherquantumsystems.1993Bernstein,VaziraniandYao:Quantumsystemsaremorepowerfulthanclassicalcomputers.2022/11/2719量子計算機的發(fā)展史Inthe192022/11/2781量子計算機的發(fā)展史Quantumalgorithms1985Deutsh:thefirstquantumalgorithm1994Coppersmith,Shor:quantumfouriertransform,factorization1997Grover:aunsortedquantumsearchalgorithmImplementations1995Monroe,Meekhof,King,Itano,Wineland:CNOTgateimplementediniontrapbyNIST1997Gershenfeld,Chuang,Cory,Fahmy,Havel:NMRquantumcomputing2001Vandersypenetal.:ExperimentalrealizationofShor’salgorithm2006:Negrevergneetal.Benchmarkingquantumcontrolona12-qubitsystem…….2022/11/2720量子計算機的發(fā)展史Quantuma2022/11/2782量子比特sNaturalqubits:Spin1/22022/11/2721量子比特sNaturalqubit2022/11/2783量子態(tài)疊加原理2022/11/2722量子態(tài)疊加原理2022/11/2784可逆邏輯們可逆邏輯們–克服熱耗散問題封閉的量子系統(tǒng)按照哈密頓量做幺正演化，本身就是可逆操作。ClassicalGateInOutGateInOutQuantum2022/11/2723可逆邏輯們可逆邏輯們–克服熱耗散2022/11/2785Classicalvs.QuantumClassicalbitstransistors0or1Quantumbitsquantumsystems0or1or

in-betweenNAND,NOT,AND…NAND,NOT,CNOT…Sqrt(NOT)…Thesequantumgatesallowoperationsthatareimpossibleonclassicalcomputers!2022/11/2724Classicalvs.Quan2022/11/2786量子信息特點高速計算大容量信息存儲、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10Bit0or1incomputernow2022/11/2725量子信息特點高速計算量子態(tài)疊加原理量2022/11/2787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,2000.2022/11/2726大數(shù)質(zhì)因子分解Problem:Gi2022/11/2788Timerequired:Classicalvs.quantum2.5days42days19000yearsHalfayearAgeofuniverse2022/11/2727Timerequired:Cla2022/11/2789ThepromiseofQuantumComputationSearchingdatabases1

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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)2022/11/2728ThepromiseofQua2022/11/2790二、磁共振量子計算研究進展

2022/11/2729二、磁共振量子計算研究進展

2022/11/2791DiVincenzo判據(jù):1.可擴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基準態(tài)。3.能夠保持足夠長的相干時間來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)對量子比特的測量。量子計算機的物理實現(xiàn)[1]DiVincenzoD.P.,Fortschr.Physik,48(9-11),771–783(2000)2022/11/2730DiVincenzo判據(jù):量子計算機(1)能長期保持相干性—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要求互相矛盾。因此選擇什么樣的物理體系來制作量子計算機要兼顧兩者的要求。一臺量子計算機最基本要求2022/11/2792(1)能長期保持相干性這兩個要求互相矛盾。因此選擇什么樣的物實驗物理體系2022/11/2793實驗物理體系2022/11/2732相對于經(jīng)典計算機利用了電子的電荷特性，在量子計算的研究中，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間長的特點，開展磁共振量子計算是量子計算機研究重要發(fā)展方向之一。系統(tǒng)相干時間/秒操作時間/秒最大運算次數(shù)目前進展/比特數(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2022/11/2794相對于經(jīng)典計算機利用了電子的電荷特性，在量子計算的研究中，利2022/11/2795一些物理體系的比較Benchmarkingvalues:approximateerrorratesforsingleormulti-qubitgates.2022/11/2734一些物理體系的比較Benchmark2022/11/2796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)2022/11/2735核自旋量子位B0Spinparti2022/11/2797實驗原理：儀器NMR量子計算機控制：射頻磁場+核之間的相互作用2022/11/2736實驗原理：儀器NMR量子計算機控制：

實驗平臺2022/11/2798實驗平臺2022/11/27372022/11/27992.1絕熱量子計算背景：傳統(tǒng)的量子計算研究中，研究者將經(jīng)典計算機模型類比到量子情形，以期通過基本邏輯操作實現(xiàn)普適量子計算。優(yōu)點：適用于廣泛的組合優(yōu)化問題，有著重要的應(yīng)用前景。比傳統(tǒng)的量子計算機具有更強的容錯能力。絕熱量子計算：MIT的Farhi等人在2001年提出的一種新的量子計算途徑。E.Farhiet.al.,Science292，472(2001)

2022/11/27382.1絕熱量子計算背景：傳統(tǒng)的量子2022/11/271002.1絕熱量子計算Schr?dingerequation:AdiabaticevolutionEncodingthesolutionoftheproblem123LinearinterpolationEasytofind2022/11/27392.1絕熱量子計算Schr?din2022/11/271012.1新的質(zhì)因子分解的絕熱量子算法分解21需要3個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;~50ms2022/11/27402.1新的質(zhì)因子分解的絕熱量子算法2022/11/271022.2模擬量子系統(tǒng)ClassicalcomputersExponentialgrowthofHilbertspaceSystemwith50qubits250≈1015complexamplitudes~32x1015bytesofinformationwellbeyondthecapacityofexistingcomputersIsitpossibletoclassicallysimulatefaithfullyaquantumsystem?Na?veanswer:NOncomputationalbasis2022/11/27412.2模擬量子系統(tǒng)Classica2022/11/27103Quantumcomputers–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)2022/11/2742Quantumcomputers2022/11/271042.2.1量子仿真實驗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)計合適的Hamiltonian微擾和掃描函數(shù)實現(xiàn)量子絕熱過程；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)Muchmoresusceptibletothechangeofthecontrolledparameter2022/11/27432.2.1量子仿真實驗研究背景X2022/11/271052.2.2量子仿真實驗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)2022/11/27442.2.2量子仿真實驗Loschm2022/11/271062.2.3量子仿真實驗三體相互作用體系中量子相變與量子糾纏的實驗研究基態(tài)臨界點探測問題：標準兩自旋相關(guān)函數(shù)不能探測由于三體相互作用導(dǎo)致的量子臨界現(xiàn)象。2022/11/27452.2.3量子仿真實驗三體相互2022/11/27107Three-spinIsingquantummodel2.2.3量子仿真實驗PhaseIPhaseIIIIAIBICVisiblebyentanglementwitnessesXHPengetal.,Phys.Re