中国科技大学研制成功世界上第一台量子计算机

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导读:研究成果发表在2007年12月19日出版的国际权威物理学最权威的期刊《 Physical Review Letters》上,标志着我国光学量子计算机研究达到了国际领先水平。    November 2007, to be published in Physical Review Letters      Demonstration of a compiled version of Shor's quantum factoring algorithm using photonic qubits

研究成果发表在2007年12月19日出版的国际权威物理学最权威的期刊《 Physical Review Letters》上,标志着我国光学量子计算机研究达到了国际领先水平。

November 2007, to be published in Physical Review Letters

Demonstration of a compiled version of Shor's quantum factoring algorithm using photonic qubits

Chao-Yang Lu, Daniel E. Browne, Tao Yang, and Jian-Wei Pan

We report an experimental demonstration of a complied version of Shor's algorithm using four photonic qubits. We choose the simplest instance of this algorithm, that is, factorization of $N=15$ in the case that the period $r=2$ and exploit a simplified linear optical network to coherently implement the quantum circuits of the modular exponential execution and semi-classical quantum Fourier transformation. During this computation, genuine multiparticle entanglement is observed which well supports its quantum nature. This experiment represents an essential step toward full realization of Shor's algorithm and scalable linear optics quantum computation.

2007 The American Physical Society.

中国科技大学的这篇prl 似乎很有分量。两个月前,这篇论文还仅仅是预印本的时候,《新科学家》(new scientist)就报道了

http://technology.newscientist.com/article/mg19526216.700

Quantum threat to our secret data

* 13 September 2007

* Saswato Das

* Magazine issue 2621

IT MIGHT seem like an esoteric achievement of interest to only a handful of computer scientists, but the advent of quantum computers that can run a routine called Shor's algorithm could have profound consequences. It means the most dangerous threat posed by quantum computing - the ability to break the codes that protect our banking, business and e-commerce data - is now a step nearer reality.

Adding to the worry is the fact that this feat has been performed by not one but two research groups, independently of each other. One team is led by Andrew White at the University of Queensland in Brisbane, Australia, and the other by Chao-Yang Lu (USTC的,第一作者;潘建伟是通信作者) of the University of Science and Technology of China, in Hefei. Both groups have built rudimentary laser-based quantum

computers that can implement Shor's algorithm - a mathematical routine capable of defeating today's most common encryption ...

潘建伟的论文被PRL接收后,还没有正式发表,德国的《创新报导》又发表了评论:

http://www.innovations-report.de ... /bericht-99247.html

A quantum computer breakthrough and dark matter stars

(30.11.2007)

Highlights in this issue: A quantum computer breakthrough and dark matter stars.

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Quantum Computer Breakthrough

Chao-Yang Lu, Daniel E. Browne, Tao Yang, and Jian-Wei Pan

Physical Review Letters (forthcoming) &

B. P. Lanyon, T. J. Weinhold, N. K. Langford, M. Barbieri, D. F. V. James , A. Gilchrist, and A. G. White

Physical Review Letters (forthcoming)

Two research groups have independently managed to experimentally solve a mathematical problem with light-based quantum computers. The simultaneous achievements appear to be the first experimental demonstrations of true (though rudimentary) quantum mechanical computations. Both groups manipulated quantum mechanically entangled photons to calculate the prime factors of the number 15.

Although the physicists could have gotten the answer to the problem much more easily by querying an average elementary school child, the method both groups used involved a quantum mechanical approach commonly known as Shor's algorithm. Previous theoretical work has shown that the algorithm could potentially crack cryptographic codes that are practically unbreakable with non-quantum mechanical (classical) computers.

While there's no great need to factor numbers as small as 15, the research demonstrates that quantum computation is feasible with existing technology and could in principle be scaled up to tackle problems that would take longer than the age of the universe to solve with any classical computer, but would require only minutes on a quantum computer.

In addition to factoring large numbers and solving other challenging mathematical problems, quantum computers based on the work of these two groups could help model quantum mechanical problems in physics and chemistry (sehttp://xxx.lanl.gov/ftp/arxiv/papers/0710/0710.0278.pdf for an example of a quantum simulator experiment by C.-Y. Lu et al.), and lead to ultra high speed searching algorithms.

Chao-Yang Lu (USTC的,第一作者;潘建伟是通信作者)and his group are currently expanding on their work by trying to manipulate larger numbers of quantum bits. In the long run, they plan to add quantum memory to their quantum computers, which could further increase the number of photons they can control. In addition, because the loss of photons is a huge problem for light-based quantum computation, they are working on some basic quantum codes that can protect the quantum information from photon loss error. These sorts of issues are crucial in the effort to scale up photonic quantum computation. - JR

澳大利亚的一个小组和USTC同时实现了这一伟大的突破。

重要的句子:

Both groups have built rudimentary laser-based quantum

computers that can implement Shor's algorithm - a mathematical routine capable of defeating today's most common encryption .

2007年初,中国科技大学微尺度国家实验室潘建伟小组在《Nature·Physical》上发表论文,成功制备了国际上纠缠光子数最多的“薛定谔猫”态和单向量子计算机,刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录,成果被欧洲物理学会和《Nature》杂志等广泛报道。

在四月份,该小组提出并实验实现不需要纠缠辅助的新型光学控制非门,减少了量子网络电路的资源消耗。

九月,该小组利用光子“超纠缠簇态”演示了单向量子计算的物理过程,实现了量子搜索算法,论文发表在《Physical Review Letters》上。

最近,该小组又在国际上首次利用光量子计算机实现了Shor量子分解算法,研究成果发表在12月19日出版的国际最权威物理学期刊《Physical Review Letters》上,标志着我国光学量子计算研究达到了国际领先水平。

这一系列高质量的工作已经获得了国际学术界的广泛关注和认可。

2007年3月,潘建伟教授应邀和美国UIUC大学教授P. Kwiat,NIST教授D. Wineland,维也纳大学教授A. Zeilinger一起在美国物理年会新闻发布会上介绍了量子信息的最新进展。

潘建伟教授还应邀在美国《光学和光子新闻》刊物上撰写了关于光学量子计算最新进展的综述文章。

特别引人注目的是,11月16号出版的英国《新科学家》杂志在“中国崛起”的专栏中,把中国科大在量子计算领域取得的一系列成就作为中国科技崛起的重要代表性成果,进行了专门介绍。

这是2000年人民网介绍的IBM的量子计算机

IBM的量子计算机,证实了超级运算潜力无穷


人民日报网络版8月21日讯 近日,世界上最先进的量子计算机在IBM阿蒙德(Almaden)研究中心研制成功。科学家宣称量子计算机能够解决传统计算机难以完成的计算问题。

Isaac L. Chuang是研究小组领导人,领导着来自IBM研究院、斯坦福大学以及Calgary大学的科学家,他说:“预计2020年将是量子计算机的时代,摩尔定律不再实用,集成电路将由分子和原子直接构成。事实上,构成量子计算机的基本元素就是分子和原子。”

量子计算机的进步得益于其由原子或原子核构成的物理特性,原子或原子核以量子位(qubits)的形式协同工作,构成了计算机的处理器和内存。在与外部环境

相隔离的情况下,量子计算机通过量子位之间的相互作用完成计算任务。经理论学家预测,并已被最新研究成果证实:量子计算机执行特定计算任务的能力要比传统计算机高出成指数幂的倍数。

新型量子计算机包含有5个量子位,它将一个分子内的5个氟原子进行特殊设计,使得氟原子核在旋转时能以量子位的形式相互影响。量子位经过无线电脉冲的编程,能被核磁共振设备所接收,类似于医院或化学实验室里常用的那种核磁共振设备。

利用微粒子特性,Chueng的研究小组仅用一步计算就完成了传统计算机需经过多次循环才能解决的数学难题。有一个数学难题叫“次序查找”,就是查找特定功能的周期。这是数学难题中的典型,也是构成诸如加密算法等重要应用程序的基础。

“次序查找”问题又可通过以下方式描述:在一个有许多房间的屋子里,随机放置着相同数量的单向通道,一些通道能够自己构成回路,返回启始点。由此可以判定,在某种情况下,一个人穿过一定数量的房间和通道可以回到启始房间。这个问题是以最少次数的查询模式,计算出一个人返回启始房间前所必须通过的最少通道数。IBM研制出的5量子位计算机能够用一步计算就解决各种问题,而传统计算机要依照不同情况分四步计算得出结果。这项最新成果证实了早些时候由加拿大Calgary大学Richard Cleve教授做出的预测。

量子计算机的发展前景是美好的,潜力是无穷的,但同时也面临着极大的挑战。IBM的5量子位量子计算机目前只是一个用于研究实验的仪器,将它商业化还需要很长一段时间,因为商用量子计算机至少需要几十个量子位,才能真正解决现实中存在的问题。

研究小组领导人Chuang说:“这项研究成果给予我们很大信心,使我们懂得量子计算机如何才能融入未来的技术。我们确信,总有一天,量子计算机能够真正实用,解决传统计算机即使花费上百万年也不能解决的难题。”

Chuang还说:“量子计算机适用的第一批应用程序很可能是具备协同处理能力特殊用途的程序,例如数据库查询以及复杂数学问题的求解等。加速字处理或Web处理将不是量子计算机适用的范畴。

8月16日,在斯坦福大学召开的Hot Chips 2000的会议上,Chuang向人们展示了这项最新研究成果(这个会议是由美国电气工程师协会(IEEE)计算机分会组织的)。Chuang的合作伙伴有IBM Almaden研究中心的Grgory Breyta和Costantino S. Yannoni,斯坦福大学研究生Lieven M. K. Vandersypen和Matthias Steffen,以及Calgary大学的计算机理论学家Richard Cleve。研究小组还就试验成果向著名刊物“科学”杂志和“物理展望”杂志提交了一份技术报告。

背景资料:

当量子计算机理论在七、八十年代被第一次提出时(其理论学家有加里福尼亚技术研究院的Richard Feynmann,Argonne国家实验室的Paul Benioff,牛津大学的David Deutsch,以及IBM 华盛顿研究中心的Charles Bennett),许多科学家对能否真正制造出这样的机器持怀疑态度。但到了1994年,AT&T研究院的Peter Shor提出了一种能比传统计算机运算速度快上指数幂倍数的量子算法,这个算法强大到足以解开著名的公开秘钥加密算法中的私用秘钥。Shor的算法为量子计算机的发展开辟了道路。从此,世界众多研究小组加入该研究行列,在量子计算机研究领域取得的重大进步络绎不绝。

Chuang是世界上最优秀的量子计算机实验专家之一。他还领导着世界上第一个2量子位计算机(1998年在加州大学Berkeley分校)以及3量子位计算机(1999年在IBM的Almaden研究中心)的研究工作。今天发布的次序查找问题是量子计算机至今为止所演示的最复杂的算法。

好呀,另附一篇量子计算机的科普文章

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量子计算机

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、存储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,它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

20世纪60年代至70年代,人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热,极大地影响了芯片的集成度,从而限制了计算机的运行速度。研究发现,能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么,是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢?问题的答案是:所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机,而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作,那么在量子力学中,它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机,实际上是用量子力学语言描述的经典计算机,并没有用到量子力学的本质特性,如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中,基本信息单位为比特,运算对象是各种比特序列。与此类似,在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同,量子计算机可以做任意的幺正变换,在得到输出态后,进行测量得出计算结果。因此,量子计算对经典计算作了极大的扩充,在数学形式上,经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换,所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来,给出结果,这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外,量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统,这项工作是经典计算机无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是,在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中,量子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干(也称“退相干”)。因此,要使量子计算成为现实,一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是:量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围广,缺点是效率不高。

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