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Quantum Computing

Quantum Computing. 國立暨南國際大學 周耀新. 國立暨南國際大 學. 1. 對量子的印 象. 2. 對量子的印象. 差 999,000. 2. 傳統電腦的極限. 越來越熱 排線製成越細， 越 容易互相干擾 量子 效應 ( 糾纏、量子穿隧效應 ). 被製作成掃描隧道 顯微鏡 可以放大 至原子等級 並且可以控制原子的排列方式. 3. 為什麼一定要量子電腦 ?. 量子電腦. 光學 電腦. 生物電腦. 4. 光學 電腦. 光子取代電子，進行數字運算、 邏輯操作 、資訊儲存及 處理 運算 速度可以比目前最快的電腦快 上 1000 倍

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Presentation Transcript

  1. Quantum Computing 國立暨南國際大學 周耀新

  2. 國立暨南國際大學 1

  3. 對量子的印象 2

  4. 對量子的印象 差999,000 2

  5. 傳統電腦的極限 • 越來越熱 • 排線製成越細，越容易互相干擾 • 量子效應(糾纏、量子穿隧效應) 被製作成掃描隧道顯微鏡 可以放大至原子等級 並且可以控制原子的排列方式 3

  6. 為什麼一定要量子電腦? 量子電腦 光學電腦 生物電腦 4

  7. 光學電腦 • 光子取代電子，進行數字運算、邏輯操作、資訊儲存及處理 • 運算速度可以比目前最快的電腦快上1000倍 • 透過雷射光源將電子的0與1訊號轉換成光子的0與1訊號，再加上一個光邏輯閘來做邏輯運算以及其他適合的光偵測器、光開關與光邏輯閘，構成完整的系統 • 人類目前最能掌控 5

  8. 生物電腦 • 生物晶片的密度是每立方公分1015~1016閘，甚至還可高到1018 • 可以模仿真正的生物體元件，製成三度空間元件，每平方公分的資訊處理量可高達1015位元（bits），比超大型積體電路的1012還大 • 發熱小，幾乎不耗用功率 • 沒有串訊（crosstalk）的干擾現象 • 各種生化感測元件可直接與生物電腦相連，免除介面瓶頸 6

  9. 量子的好處 • 自然的物理定律 數學難題 • 疊加、糾纏 糾纏 疊加 Einstein Einstein Bohr 7

  10. 粒子還是波－疊加(雙狹縫實驗) 8

  11. 量子電腦之平行處理能力 9

  12. 量子電腦的難處 量子邏輯閘 • 電腦組成要素 • 運算、儲存、容錯 • 量子邏輯閘 • 輸入輸出一一對應(可逆) • 不會消除資訊 • 不會產生額外耗能 • 不會產生額外熱量 10

  13. 量子電腦的難處 量子邏輯閘 • 電腦組成要素 • 運算、儲存、容錯 10

  14. 量子電腦的難處 量子邏輯閘 • 電腦組成要素 • 運算、儲存、容錯 10

  15. 量子電腦的難處 量子邏輯閘 • 電腦組成要素 • 運算、儲存、容錯 半加器 進位 10

  16. 量子電腦的難處 量子位元儲存 • 電腦組成要素 • 運算、儲存、容錯 10

  17. 量子電腦的難處 量子位元儲存 • 電腦組成要素 • 運算、儲存、容錯 • 優點 • 非常高密度儲存 • 非揮發性 • 隨開即用 • 可同時儲存與處理資料 • 速度更快，消耗更低 • 室溫運行 10 圖片擷取自2007年 11月 科學人

  18. 量子電腦的難處 量子位元容錯 • 電腦組成要素 • 運算、儲存、容錯 • 錯誤種類 • Bit flip • Phase flip • Bit and Phase flip 傳統只有這種錯誤 10

  19. 量子電腦的難處 量子位元容錯 • 電腦組成要素 • 運算、儲存、容錯 防止phase flip error • 錯誤種類 • Bit flip • Phase flip • Bit and Phase flip 傳統只有這種錯誤 防止bit flip error 10

  20. 量子的應用(1/3) • 密集傳輸(Dense Coding) 傳輸 1 qubit得到 2 bits古典訊息 • 瞬間傳輸(Teleportation) 將量子態瞬間傳遞到遠方 • 模糊傳輸(Oblivious Transfer) 傳輸時，只有一半的機率會收到 • 金鑰配置(Quantum Key Distribution) 配置一次性密碼表於通訊的雙方 • 量子啟發式禁忌搜尋法(Quantum inspired TabuSearch) 以量子的觀念來設計演化式演算法 11

  21. 量子的應用(2/3) • Grover的快速搜尋法(Grover’s algorithm) • 以的複雜度在未排序之資料庫搜尋 • Shor的質因數分解演算法(Shor’s algorithm) • 以的複雜度分解質因數 • 量子電路測試(Quantum Circuits Testing) • 利用量子疊加特性，一次測試電路輸入與輸出 • 通訊複雜度(Quantum Real-time Distributed System) • 以量子方式解決碰撞問題 11

  22. 量子的應用(3/3) • 量子直接傳輸(Quantum Secure Direct Communication) • 直接以量子通訊安全的傳遞訊息 • 量子秘密分享(Quantum Secret Sharing) • 以疊加以及糾纏特性分享祕密 11

  23. 量子的應用－密集傳輸 SpongeBob 更有效率 12

  24. 量子的應用－瞬間傳輸 13

  25. 量子的應用－瞬間傳輸 並未超光速傳輸 13

  26. 量子的應用－模糊傳輸 OT y x c x1 PR a b x0 xc m m 14

  27. 量子的應用－模糊傳輸 ① OT ② 14

  28. 量子的應用－模糊傳輸 範例：約會問題 我握有你們兩個的把柄了!! OT PR 14

  29. 量子的應用－模糊傳輸 線上交易 遠距簽約 信箱認證 遠距丟銅板 模糊 傳輸 15

  30. 量子的應用－金鑰配置(BB84) 明文 One Time Pad 一次性密碼表 金鑰 16

  31. 量子的應用－金鑰配置(BB84) Key：01 16

  32. 量子的應用－量子啟發式禁忌搜尋法 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 17 …

  33. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 Oracle Yes No 18

  34. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 + 18

  35. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 + 18

  36. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 + 18

  37. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 + 18

  38. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 － － 索引：101 18

  39. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 18

  40. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 18

  41. 量子的應用－ Grover的快速搜尋法 索引：10 18

  42. 量子的應用－Shor的質因數分解演算法 19

  43. 量子的應用－Shor的質因數分解演算法 19

  44. 量子的應用－Shor的質因數分解演算法 , 19

  45. 量子的應用－Shor的質因數分解演算法 , 19

  46. 量子的應用－Shor的質因數分解演算法 經過量子傅立葉轉換後更改狀態及振幅 QFT 19

  47. 量子的應用－量子電路測試 H H H H H H 20

  48. 量子的應用－通訊複雜度 21

  49. 量子的應用－通訊複雜度 我來 OK • 網路碰撞 • 排程處理 21

  50. 量子的應用－通訊複雜度 Pa Pb 50%+25% 50% 0 0 0 1 1 0 1 1 21

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