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1、量于信息導(dǎo)論期末總結(jié)
量子信息技術(shù)是20世紀(jì)隨著信息技術(shù)的發(fā)展和對(duì)信息器件要求的提高，將 傳統(tǒng)的信息技術(shù)和量子力學(xué)相結(jié)合而應(yīng)運(yùn)而生的新型技術(shù)體系。它的出現(xiàn)使得傳 統(tǒng)的信息領(lǐng)域得到了極大的充實(shí)和發(fā)展，在信息傳遞、信息計(jì)算、信息安全等方 面都有著極大的突破。
量子信息學(xué)主要分量子通信和量子計(jì)算量大方面。前者包括量子隱形傳態(tài) (Teleportation)、量子密鑰分布等主要內(nèi)容；而后者主要在于量子計(jì)算機(jī)(量子 器件)和量子算法。
量子信息是基于量子力學(xué)的基本原理上的，其最為重要的一個(gè)概念之一就是 量子糾纏的概念。所謂糾纏態(tài)，指的是當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)的態(tài) 矢不能寫成各子系統(tǒng)態(tài)矢直
2、積時(shí)，則體系處在糾纏態(tài)。它是多體量子系統(tǒng)的最基 本的特征，其本質(zhì)是量子力學(xué)的疊加原理，該概念反映了量子力學(xué)非定域性的本 質(zhì)，是量子信息學(xué)最根本的出發(fā)點(diǎn)。
量子通信的一個(gè)重要的理論基礎(chǔ)是量子體系的不可復(fù)制性。量子力學(xué)的線性 特性禁止對(duì)任意量子態(tài)實(shí)行精確的復(fù)制，一個(gè)未知的量子態(tài)不可能被完全復(fù)制， 同時(shí)不存在完全復(fù)制兩個(gè)非正交態(tài)的復(fù)制機(jī)。這一基本原理決定了要從編碼在非 正交量子態(tài)中獲取信息，不擾動(dòng)這些態(tài)勢(shì)不可能的，即測(cè)量?jī)x器的末態(tài)是不可區(qū) 分的，無法完全提取。
量子信息中以Qubit的形式攜帶信息，量子態(tài)模擬經(jīng)典信息的0和1來儲(chǔ)存信 息。量子Qubit可以通過NMR方案、腔場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)方案、離
3、子阱方案等得到實(shí) 現(xiàn)。
對(duì)于很多人所感興趣的量子隱形傳態(tài)(Teleportation)，其實(shí)即使將：先 提取原物的所有信息，然后將這個(gè)信息傳送到接收地點(diǎn)，接受者再根據(jù)這些信息， 選取與原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的復(fù)制品。實(shí)際上這是量子狀 態(tài)的一種“隔空傳物”，而并不是將實(shí)際物質(zhì)，即是“復(fù)制”而非“剪切”。1993 年Bennet等人提出了量子隱形傳態(tài)的概念：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信 息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送接受者，接受者獲得了這兩種 信息之后，就可以制造出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。
量子密鑰方面最值得突出強(qiáng)調(diào)的是BB84密鑰分配協(xié)議。信息發(fā)送者Alic
4、e和 信息接受者Bob分別發(fā)送和接受2n歌量子位，每個(gè)都處于|0＞，|1＞，|+＞，|-＞四 個(gè)狀態(tài)之一。雙方幾下結(jié)果之后相互通報(bào)他們的測(cè)量基矢這樣而二者有一半的機(jī) 會(huì)有相同的基矢，將不同狀態(tài)與0，1對(duì)應(yīng)就有了n個(gè)0，1串作為密鑰。由于若是 有第三方Eve在監(jiān)聽，將量子位測(cè)量之后再發(fā)給Bob。這樣Alice與Bob相同的幾率 降為四分之一，這樣而這便知道第三方Eve的存在，便可以放棄此次密鑰。
量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)可以從著名的摩爾定律上揀出端倪。由于摩爾定律中器件 的尺度不停地減小，因此使得在一定大小之后量子效應(yīng)明顯而不能被忽略。因此，
科學(xué)家們可以利用量子體系中的一些獨(dú)特的性質(zhì)來提升元件的性
5、質(zhì)和表現(xiàn)。
量子計(jì)算機(jī)區(qū)別于經(jīng)典計(jì)算機(jī)在于其用量子態(tài)編碼和儲(chǔ)存信息，用量子力學(xué) 么正時(shí)間演化算子進(jìn)行信息處理和傳輸運(yùn)算的過程是可逆額度，并且其用多位量 子態(tài)的相感和糾纏使量子計(jì)算成為大規(guī)模的平行運(yùn)算。兩自己算機(jī)由量子位和量 子邏輯們組成，有指數(shù)型上升的儲(chǔ)存能留并且有天然并行計(jì)算的特點(diǎn)。
在量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)的方面主要有離子阱量子計(jì)算、腔場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)量 子計(jì)算和幾何相位量子計(jì)算三種主要方法。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)滿足下列四個(gè)基本要 求如下:1.量子比特要有足夠長(zhǎng)的相干時(shí)間。事實(shí)上，外部環(huán)境不可避免地破壞著 量子計(jì)算機(jī)的量子相干性，使之自發(fā)地向經(jīng)典的概率計(jì)算機(jī)演化，這將導(dǎo)致量子 計(jì)算失去其可靠性,甚
6、至完全無法運(yùn)作。2.具備有完備的普適幺正操作能力。任 何高維幺正操作均可分解成一系列低維操作來實(shí)現(xiàn)，最基本的幺正操作單元稱為 普適門。最簡(jiǎn)單的普適邏輯門的集合是單比特的任意幺正旋轉(zhuǎn)和兩比特的受控非 操作。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)能對(duì)任意量子比特精確地實(shí)施這些基本操作。3.具備有初態(tài) 制備能力。因?yàn)槿魏瘟孔佑?jì)算的出發(fā)點(diǎn)都是從純態(tài)開始，所以，我們要有給量子計(jì) 算機(jī)歸零的能力。不失一般性，在計(jì)算開始時(shí),我們讓所有的邏輯量子比特都置為 |0〉。4.必須有能力對(duì)量子計(jì)算機(jī)終態(tài)實(shí)施有效的量子測(cè)量，以提取最終輸出值。 這時(shí)，量子的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典的信息，因?yàn)槿耸巧钤诮?jīng)典世界中的,而量子計(jì)算 的最終目的是服務(wù)于經(jīng)典世界中
7、的人。
量子算法主要用于處理NP(non-polynormal)問題，即迄今未找到能夠用多 項(xiàng)式時(shí)間算法解得問題。這種問題的典型例子有旅行推銷員問題、大數(shù)質(zhì)因子分 解問題和地圖著色問題。量子算法最為著名的一個(gè)算法影視Shor算法，其用于對(duì) RSA公鑰密碼體系進(jìn)行破解。
總體來說量子特性在信息領(lǐng)域有著獨(dú)特的功能，在提高運(yùn)算速度、確保信息 安全、增大信息容量和提高檢測(cè)精度等方面可能突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。 近年來，量子信息在理論和實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)取得重要突破，在各國(guó)政府、科技界和信 息產(chǎn)業(yè)界的高度重視下，量子信息技術(shù)也從一開始的理論上的可能變成了有許多 應(yīng)用的實(shí)用技術(shù)。對(duì)于這一領(lǐng)域的繼續(xù)探討無論對(duì)于科研還是經(jīng)濟(jì)方面都對(duì)我國(guó) 政府和經(jīng)濟(jì)有著重大的作用。
量子信息技術(shù)導(dǎo)論
