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量子信息

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量子信息是以量子力学基本原理为基础,把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊,进行计算、编码和信息传输的全新信息方式[1]

量子資訊最常見的單位是為量子位元(qubit)——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。然而不同於古典數位狀態(其為離散),一個二狀態量子系統實際上可以在任何時間為兩個狀態的疊加態,這兩狀態也可以是本徵態

基础[编辑]

重大发现[编辑]

1927年,海森堡发现在测量粒子动量和位置的时候会导致h/4π的误差(两者误差相乘)。测量时位置的误差越小,动量的误差就会变得相当大。而h/4π就是这个误差的下限(也就是说两者误差的乘积大于等于h/4π)。这一结论最终被称作不确定性原理

1935年,阿爾伯特·愛因斯坦鮑里斯·波多爾斯基納森·羅森提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論,客观上揭示了量子纠缠现象。

1984年,查理斯·貝內特(Charles Bennett)與吉勒·布拉薩(Gilles Brassard)提出一种量子密码分发协议,后被称为BB84协议[2]

1994年,數學家彼得·秀爾發現針對整數分解秀爾演算法Shor算法)。2001年,IBM使用NMR實做的量子計算機以及7個量子位元展示了秀爾演算法的實例,將15分解成3×5[3]

相干特性[编辑]

EPR实验假設一個零自旋中性π介子衰變成一個電子與一個正電子,這兩個衰變產物各自朝著相反方向移動,雖然彼此之間相隔一段距離,它們仍舊會發生量子糾纏現象。

由于量子相干性量子比特在测量过程中会表现出与经典情况完全不同的行为[4]。测量仪器与被测系统的相互作用会引起所谓的波包塌缩。这时相干性将被彻底破坏,即发生了所谓的量子退相干[5]量子纠缠是多比特系统特有的量子性质。两个比特的量子系统不仅有经典系统中的4种不同的状态,并且可以处在非平凡的双粒子相干叠加态(量子纠缠态)上,这构成了量子通讯的物理基础[1]

领域[编辑]

量子通信[编辑]

美国在2005年建成了DARPA量子网络[6][7],连接美国BBN公司哈佛大学波士顿大学3个节点。中国在2008年研制了20km级的3方量子电话网络[8][9][10]。2009年构建了一个4节点全通型量子通信网络[11],大大提高了安全通信的距离和密钥产生速率,同时保证了绝对安全性[12][13][14][15]。同年,“金融信息量子通信验证网”在北京正式开通,是世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。2014年中国远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里,刷新世界纪录[16]。2016年8月16日,中国发射一颗量子科學實驗衛星「墨子號」,連接地面光纖量子通信網絡[17][18],并力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通信网

量子计算[编辑]

量子计算机由包含有导线和基本量子门的量子线路构成,导线用于传递量子信息,量子门用于操作量子信息[19]

2015年5月,IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破,開發出四量子位原型電路(Four Quantum Bit Circuit),成為未來10年量子電腦基礎。另外一項是,可以同時發現兩項量子的錯誤型態,分別為Bit-Flip(位元翻轉)與Phase-Flip(相位翻轉),不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態,使量子電腦運作更為穩定。[20]2016年8月,美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子位元组成的可编程量子计算机[21][22]

量子雷达[编辑]

量子雷达属于一种新概念雷达,是将量子信息技术引入经典雷达探测领域,提升雷达的综合性能[23]。量子雷达具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特点,未来可进一步应用于导弹防御和空间探测,具有极其广阔的应用前景[24]。根据利用量子现象和光子发射机制的不同,量子雷达主要可以分为三个类别:一是量子雷达发射非纠缠的量子态电磁波;二是量子雷达发射纠缠的量子态电磁波;三是雷达发射经典态的电磁波[25]。2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2013年義大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測,證明其有實戰價值的可能性[26]。中国首部基于单光子检测的量子雷达系统由中国电科14所研制,中国科学技术大学、 中国电科27所以及南京大学协作完成[27]。不过专家表示,量子雷达想要实现工程化可能还有比较漫长的路要走[28]

量子博弈[编辑]

量子博弈英语Quantum game theory是Eisert等人在1999年提出的,游戏者可以利用量子规律摆脱所谓的囚徒困境[1],防止某一玩家因背叛而获利[29]

参见[编辑]

参考来源[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 量子信息简介 (PDF). 中国科学院物理研究所. [2016-09-27]. 
  2. ^ C. H. Bennett and G. Brassard. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing (PDF). In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, (紐約). 1984, 175: 8. 
  3. ^ Vandersypen, Lieven M. K.; Steffen, Matthias; Breyta, Gregory; Yannoni, Costantino S.; Sherwood, Mark H. & Chuang, Isaac L., Experimental realization of Shor's量子factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, Nature, 2001, 414 (6866): 883–887, doi:10.1038/414883a .
  4. ^ O'Connell, A. D.; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D. & Wang, H. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature. 2010, 464 (7289): 697–703. Bibcode:2010Natur.464..697O. doi:10.1038/nature08967. PMID 20237473. 
  5. ^ Maximilian A. Schlosshauer. Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition. Springer Science & Business Media. 1 January 2007. ISBN 978-3-540-35773-5. 
  6. ^ (英文)C. Elliott, “Building the quantum network”, New J. Phys. 4, 46 (2002).
  7. ^ (英文)C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J.Schlafer, and H. Yeh, Current status of the DARPA Quantum Network, Quantum Information and Computation III, E. J. Donkor, A. R. Pirich, and H. E. Brandt, eds., Proc. SPIE 5815, 138--149 (2005).
  8. ^ T.-Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, W.-Q. Cai, L. Ju, W.-Y. Liu, J. Wang, H. Yin, K. Chen, Z.-B. Chen, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, “Field test of a practical secure communication network with decoy-state quantum cryptography”, Opt. Exp. 17, 6540-6549 (2009). [1] 于2010年4月1日查阅
  9. ^ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
  10. ^ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
  11. ^ 潘建伟科研团队。[2]于2010年4月1日查阅
  12. ^ (英文)W.-Y. Hwang, “Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication”, Phys. Rev. Lett. 91, 057901 (2003).
  13. ^ (英文)X.-B. Wang, “Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography”, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
  14. ^ (英文)H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, “Decoy state quantum key distribution”, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
  15. ^ 世界首个全通型量子通信网络落户中科大。《科技日报》,[3] 于2010年4月1日查阅
  16. ^ 中国量子密钥分发安全距离创纪录
  17. ^ 世界第一個量子衛星!中國7月首射掀起通訊新革命. ETtoday 新聞雲. 2016年5月26日 [2016-06-27]. 
  18. ^ 我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”. 2016-08-16 [2016-08-16]. 
  19. ^ 郭光灿.量子信息概论
  20. ^ [4],iThome新聞,2015年5月1日
  21. ^ 全球首台可编程量子计算机在美国诞生. 搜狐新聞. [2016-08-05]. 
  22. ^ Debnath, S.; Linke, N. M.; Figgatt, C.; Landsman, K. A.; Wright, K.; Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 2016-08-04, 536: 63–66. doi:10.1038/nature18648 (英语). 
  23. ^ 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 腾讯新闻. 观察者网. 2016-09-07 [2016-09-27]. 
  24. ^ 张文. 中国量子雷达研发获突破 隐身战机“克星”将至. 中国新闻网. 解放军报. 2016年9月22日 [2016-09-27]. 
  25. ^ 铁流. 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 观察者. 2016-09-07 [2016-09-27]. 
  26. ^ 鳳凰衛視-神秘量子雷達
  27. ^ 贾婧. 中国研制成功首部量子雷达. 科学网. 科技日报. 2016-09-14 [2016-09-27]. 
  28. ^ 专家:量子雷达还不成熟 对付F35要靠现有装备. 凤凰军事. 环球时报. 2016年9月25日 [2016-09-27]. 
  29. ^ Simon C. Benjamin and Patrick M. Hayden, Multiplayer quantum games, Physical Review A, 13 August 2001, 64 (3): 030301, arXiv:quant-ph/0007038, Bibcode:2001PhRvA..64c0301B, doi:10.1103/PhysRevA.64.030301 , arXiv:quant-ph/0007038