量子特性與量子信息技術(shù)

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1、《量子特性與量子信息技術(shù)》 【摘要】量子具有疊加性、不可克隆、相干性、糾纏性等特性，基于量子特性的量子信息技 術(shù)將突破經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，在信息安全、運(yùn)算速度、信息容量、檢測(cè)精度等方面獲得更高 性能的突破，具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)和前景。本文介紹了量子態(tài)特性，以及量子通信、量子計(jì)算、 量子成像、量子定位、量子傳感等量子信息技術(shù)的概念和研究進(jìn)展。 【關(guān)鍵詞】量子態(tài)；量子信息技術(shù)；量子通信；量子計(jì)算；量子傳感 0引言 十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論，海森堡、薛定諤等一些科學(xué)家創(chuàng)立了量子力 學(xué)，由此誕生了現(xiàn)代物理學(xué)。相對(duì)論和量子論成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。量子信息是量子物 理與信息技術(shù)

2、相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科［1］。經(jīng)典物質(zhì)和微觀粒子的本質(zhì)差別在于微觀粒子具 有量子特性，這些特性包括疊加性、不可克隆、相干性、糾纏性等。量子信息技術(shù)重點(diǎn)研究利 用這些量子力學(xué)特性，突破基于經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的信息系統(tǒng)的性能極限。量子信息技術(shù)主要包括 量子通信技術(shù)、量子計(jì)算技術(shù)、量子成像技術(shù)、量子定位技術(shù)、量子傳感技術(shù)等。由于量子信 息技術(shù)具有經(jīng)典信息無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)和前景，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注和發(fā)展。 1量子態(tài)的基本特性 1.1態(tài)疊加原理 為量子系統(tǒng)的可能狀態(tài)，則由它們?nèi)我饩€(xiàn)性組合得到的疊加態(tài) 也是系統(tǒng)的一個(gè)可能的態(tài)。 1.2相干性 相干性是態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性，是指微觀世界的量子態(tài)矢之間存在相互干

3、涉。量子態(tài)利用其相干性 保持其攜帶的量子信息。環(huán)境噪聲的影響或測(cè)量會(huì)破壞量子相干性導(dǎo)致量子信息塌縮為經(jīng)典信 息，即消相干［2］。 1.3測(cè)不準(zhǔn)原理 若兩個(gè)力學(xué)量A和B不對(duì)易即AB/BA，則它們無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量。力學(xué)量A和B在量子態(tài)|? 鬃〉下的不確定關(guān)系可以描述為 其中？駐A和？駐B分別為力學(xué)量A和B在|？鬃〉中的不確定度，而［A，B］=AB-BA為A 與B的對(duì)易式。 由海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理可知，如果將信息編碼在一對(duì)非互易的物理量上，接收者是無(wú)法將該信息 完整的還原出來(lái)的，測(cè)量某一個(gè)物理量時(shí)，必會(huì)對(duì)另一個(gè)物理量產(chǎn)生擾動(dòng)［3］。 1.4不可克隆定理 不可克隆指未知量子態(tài)不可以被精確復(fù)制。不

4、經(jīng)過(guò)測(cè)量，就不能得到量子系統(tǒng)的任何信息，這 就意味著要從非正交量子態(tài)中提取編碼信息，就必須對(duì)這些量子態(tài)進(jìn)行破壞性測(cè)量。不可克隆 定理使得竊聽(tīng)者無(wú)法采用克隆的手段獲取私密信息，它是量子協(xié)議安全性的重要保障。盡管精 確復(fù)制未知量子態(tài)被不可克隆定理否決，但概率克隆依然是可能的。量子不可克隆定理斷言， 非正交態(tài)不可以克隆，但它并沒(méi)有排除非精確克隆即復(fù)制量子態(tài)的可能性。目前主要有兩種克 隆機(jī)：普適克隆機(jī)和概率克隆機(jī)［4］。 1.5量子糾纏性 量子糾纏性是一種特殊的量子力學(xué)現(xiàn)象，即對(duì)復(fù)合系統(tǒng)中的某個(gè)子系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果決定了剩余 子系統(tǒng)的可能狀態(tài)。量子糾纏態(tài)存在非定域的遠(yuǎn)距離關(guān)聯(lián)，相互糾纏的兩個(gè)粒子無(wú)論被

5、分離多 遠(yuǎn)，一個(gè)粒子狀態(tài)的變化都會(huì)立即使得另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。 2量子信息技術(shù) 2.1量子通信技術(shù) 量子通信是指利用微觀粒子（一般為光子）的量子態(tài)作為編碼物理態(tài)，進(jìn)行信息傳遞的通信方 式，其特征是通信過(guò)程中的信息載體為物理系統(tǒng)的量子態(tài)。由于光子量子態(tài)不能被分割或復(fù)制， 在量子信道上傳送的信息不可能被竊聽(tīng)、被截獲、被復(fù)制，量子通信具有安全性。利用量子糾 纏態(tài)進(jìn)行量子態(tài)隱形傳輸，量子通信可實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙通信的能力。廣義的量子通信技術(shù)包含了量 子隱形傳態(tài)、量子密集編碼、量子信息論、量子密碼等研究分支。量子密碼技術(shù)又包含量子安 全直接通信（QSDC）、量子秘密共享（QSS）、量子公鑰密碼（Q

6、PKC）、量子密鑰分發(fā) （QKD）等技術(shù)。 1984年，美國(guó)IBM研究院的C. H. Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的G. Brassard首次提出 了基于量子物理方法的密鑰分發(fā)協(xié)議，被稱(chēng)為BB84協(xié)議。BB84協(xié)議的提出標(biāo)志著量子通信 技術(shù)及量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)的誕生。當(dāng)前技術(shù)條件下，文獻(xiàn)資料中所謂量子通信技術(shù) 通常指QKD技術(shù)，迄今為止世界上幾乎所有的"量子網(wǎng)絡(luò)"都是指"量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)"。 其余的量子通信技術(shù)的理論或?qū)嶒?yàn)基礎(chǔ)尚不完備，仍處于基礎(chǔ)研究階段。美國(guó)、歐盟和日本分 別在基于自由空間和光纖信道的離散變量QKD技術(shù)、基于光纖信道的連續(xù)變量QKD技術(shù)、 基于自由空間信道的

7、糾纏光子對(duì)QKD技術(shù)上處于世界領(lǐng)先水平。從技術(shù)指標(biāo)上來(lái)講，目前國(guó) 際上QKD系統(tǒng)最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)300公里，在通信距離為50公里條件下安全碼率可達(dá)1Mb/s。 市場(chǎng)上至少有三家公司銷(xiāo)售商用QKD產(chǎn)品，其中包括瑞士的ID Quantique公司，美國(guó)的 MagiQ公司和法國(guó)的Smart Quantum公司。2007年瑞士聯(lián)邦選舉中，日內(nèi)瓦政府信息部 門(mén)采用了 ID Quantique公司的商用QKD系統(tǒng)進(jìn)行投票結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)保密處理。2010年，南 非世界杯安全信息服務(wù)也采用了該公司的商用QKD系統(tǒng)作為安全保障。 2.2量子計(jì)算技術(shù) 量子計(jì)算是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)，用二能級(jí)系統(tǒng)作為信息處理單元（量

8、子比特，qubit）, 通過(guò)對(duì)量子態(tài)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)信息輸入、信息處理及信息提取的并行計(jì)算方式。其核心在于以量子 態(tài)來(lái)編碼信息，優(yōu)勢(shì)源于量子相干性引起的量子并行。在經(jīng)典計(jì)算中，基本信息單位為比特， 運(yùn)算對(duì)象是各種比特序列。與此類(lèi)似，在量子計(jì)算中，基本信息單位是量子比特，運(yùn)算對(duì)象是 量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以 處于糾纏態(tài)上。從原理上講，經(jīng)典計(jì)算是基于經(jīng)典比特的非。即1的確定特征，對(duì)輸入信號(hào) 序列按一定算法進(jìn)行變換（邏輯門(mén)操作）的物理過(guò)程。而量子計(jì)算則是基于量子比特的0＞和 |1＞的相干疊加特征，對(duì)可由量子疊加態(tài)描述的輸入信號(hào)，根據(jù)量子的算法要求，

9、進(jìn)行量子邏 輯門(mén)操作的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測(cè)量得出計(jì)算結(jié)果。因此，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算 作了極大的擴(kuò)充。量子計(jì)算機(jī)不僅能克服特征尺寸減少引起的熱耗效應(yīng)和量子效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有計(jì)算 機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的制約，解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)制造中面臨的摩爾定律失效問(wèn)題，而且能夠突破經(jīng)典計(jì) 算極限，滿(mǎn)足計(jì)算速度不斷提高的需求，將成為下一代計(jì)算機(jī)發(fā)展重要方向［5］。 量子計(jì)算的基本理論模型已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)外的研究人員正致力于集成更多量子位，盡 可能長(zhǎng)時(shí)間的保持其量子特性，以進(jìn)行更多的量子邏輯門(mén)操作。2010年，加拿大D-wave公 司宣布研制成128個(gè)量子比特的超導(dǎo)絕熱量子計(jì)算機(jī)o 2011年，奧地利因斯布魯克大學(xué)

10、利用 離子阱實(shí)現(xiàn)了 6個(gè)量子位，并進(jìn)行了數(shù)百個(gè)量子邏輯運(yùn)算。此裝置實(shí)際上已經(jīng)可以看做可實(shí)現(xiàn) 特定功能的專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)o 2012年，IBM采用三維合金波導(dǎo)諧振腔，使內(nèi)置的超導(dǎo)量子位 將量子態(tài)保持了100微秒，理論上可以完成數(shù)百個(gè)量子邏輯門(mén)操作，成功率達(dá)到95%以上， 展示了超導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于量子計(jì)算的巨大潛力。 2.3量子成像技術(shù) 量子成像是一種利用雙光子復(fù)合探測(cè)恢復(fù)待測(cè)物體空間信息的一種新型成像技術(shù)。相望寸于傳統(tǒng) 光學(xué)成像技術(shù)中通過(guò)記錄輻射場(chǎng)的光強(qiáng)分布從而獲取目標(biāo)的圖像信息的方法，量子成像則是通 過(guò)利用、控制（或模擬）輻射場(chǎng)的量子漲落來(lái)得到物體的圖像。由于經(jīng)典電磁波成像技術(shù)建立 在電磁波的確

11、定性理論模型和經(jīng)典信息論基礎(chǔ)之上；而量子成像技術(shù)建立在光場(chǎng)的量子統(tǒng)計(jì)的 不確定性理論模型之上。因此，量子成像能夠打破經(jīng)典成像的探測(cè)系統(tǒng)量子噪聲極限、成像系 統(tǒng)分辨率衍射極限、奈奎斯特采樣極限，在成像探測(cè)靈敏度、分辨率和掃描成像速率上得到突 破。 1995年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)史硯華小組首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了雙光子糾纏源的"鬼"成像。1999 年巴西Fonseca等人利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的雙光子態(tài)作光源，觀察到了雙縫的亞波長(zhǎng)干 涉效應(yīng)。鬼像以及鬼干涉實(shí)驗(yàn)的研究帶動(dòng)了量子成像的發(fā)展。2000年，Boto提出利用N個(gè) 光子糾纏系統(tǒng)來(lái)做N個(gè)光子復(fù)合探測(cè)的量子刻錄方案，可以在不改變光波波長(zhǎng)的情況下，把 光學(xué)

12、系統(tǒng)的瑞利衍射分辨極限提高N倍。2004年，Bennink小組用經(jīng)典光源證明了雙光子 "鬼"成像的實(shí)驗(yàn)。2008年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)學(xué)院以及馬里蘭大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)首次 實(shí)時(shí)捕獲了被量子糾纏在一起的圖像，兩幅在空間上分隔開(kāi)的隨機(jī)變動(dòng)的圖像，但通過(guò)它們的 互補(bǔ)功能被緊密鏈接在一起。 2.4量子定位技術(shù) 量子定位技術(shù)是基于傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位系統(tǒng)的同步、信息傳輸、測(cè)距（測(cè)角測(cè)時(shí)差/測(cè)相差 /測(cè)頻差）和解算（位置/方向/姿態(tài)）基本原理，利用量子的糾纏和壓縮特性實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典測(cè) 量中能量、帶寬和精度的限制。根據(jù)理論分析量子定位技術(shù)在定位精度、安全性和抗干擾方面 遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。理論計(jì)算表明

13、，量子定位系統(tǒng)（QPS）的定位精度至少是現(xiàn)有經(jīng) 典無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位系統(tǒng)的M*N倍（M束光脈沖，每束光脈沖包含N個(gè)光子），是經(jīng)典光學(xué) 測(cè)距的MN1/2倍。量子定位系統(tǒng)可很容易地解決保密通信和防竊聽(tīng)的問(wèn)題。量子定位系統(tǒng)由 于采用量子光信號(hào)，不存在電磁干擾問(wèn)題，同時(shí)，量子測(cè)不準(zhǔn)性保證了噪聲干擾的可檢測(cè)性。 2001年美國(guó)麻省理工學(xué)院Vittorio Giovannett i博士帶領(lǐng)的研究小組最早提出量子定位系統(tǒng) （QPS）概念。從理論上證實(shí)了量子壓縮和量子糾纏時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度量子定位的基礎(chǔ)；通過(guò)利用 脈沖內(nèi)處于糾纏和壓縮態(tài)的光子的個(gè)數(shù)，可以提高距離測(cè)量的精度，且壓縮和糾纏的光子數(shù)越 多，對(duì)應(yīng)的精度越高

14、。此外，還研究了量子糾纏源的制備，時(shí)鐘同步等問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了基于糾 纏雙光子對(duì)的10米距離量子測(cè)距的桌面試驗(yàn)系統(tǒng)。2004年，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室詳細(xì)給出 了采用基線(xiàn)干涉式QPS的構(gòu)建方案。2008年美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室正式將陸基QPS和采用地 球近軌衛(wèi)星的星載QPS研究成果申請(qǐng)專(zhuān)利，對(duì)于星載QPS而言，若忽略大氣層效應(yīng)，對(duì)于地 球的絕大多數(shù)區(qū)域而言，優(yōu)于1cm的定位精度是完全可能的，而且可能會(huì)成為定義全球四維 參考坐標(biāo)系的主要系統(tǒng)。 2.5量子傳感技術(shù) 量子傳感器是利用量子信號(hào)對(duì)環(huán)境變化的極高敏感性，得到高靈敏度和測(cè)量精度的新型傳感器。 量子傳感器可以觀察到光子相位的微小變化，并通過(guò)量子態(tài)的調(diào)

15、控高度壓縮光場(chǎng)固有的散粒噪 聲，從而實(shí)現(xiàn)接近于海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理（物理學(xué)要求的測(cè)量極限）量級(jí)的觀測(cè)。 量子傳感技術(shù)中最成熟的研究領(lǐng)域是位移傳感，其最早被應(yīng)用于美國(guó)的"干涉探測(cè)器" （LIGO）尋找引力波存在的跡象，該探測(cè)器可以探測(cè)10-18米量級(jí)的極微量位移，甚至比光 子本身的直徑還小一千倍，充分展示了量子傳感器的巨大應(yīng)用潛力。目前，已相繼開(kāi)展量子激 光陀螺、量子光纖擾動(dòng)傳感和量子光纖水聽(tīng)器等量子傳感技術(shù)的理論研究6］。美國(guó)國(guó)防先期 研究計(jì)劃局DARPA已經(jīng)專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)量子傳感器的研究專(zhuān)題o 2007年，澳大利亞學(xué)者安德魯?懷 特小組制備了 6光子以上的糾纏源。2010年，來(lái)自意大利羅馬大學(xué)的團(tuán)

16、隊(duì)證明了存在損耗和 噪聲的干涉儀中也可以實(shí)現(xiàn)高精度的傳感和測(cè)量，探索了將量子技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 距離傳感的可能性。 3結(jié)語(yǔ) 量子信息技術(shù)是量子力學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合的一門(mén)快速發(fā)展的新型學(xué)科，基于量子特性的量子 信息技術(shù)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)精度等方面能夠突破現(xiàn)有 經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。近年來(lái)量子信息在理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用領(lǐng)域都取得重要突破，隨著信息時(shí) 代的到來(lái)，量子信息技術(shù)將越來(lái)越廣泛的引起人們的關(guān)注，將成為下一代信息技術(shù)的先導(dǎo)。 【參考文獻(xiàn)】 ［1］郭光燦.量子信息技術(shù)［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010, 10. [2] 何立宏.安全多方量子計(jì)算理論與應(yīng)用研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013 , 5. [3] 陸鶯.連續(xù)變量量子保密通信技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，2011，12. [4] 肖.量子信息技術(shù)-量子密鑰[J].湖北教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，3. [5] Arun G，Vivekanand Mishra，A Review on Quantum Computing and Communication，IEEE，2014. [6] 陳暉.量子信息技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2012，10（5）. [責(zé)任編輯：朱麗娜]