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1、量于信息導論期末總結
量子信息技術是20世紀隨著信息技術的發(fā)展和對信息器件要求的提高，將 傳統(tǒng)的信息技術和量子力學相結合而應運而生的新型技術體系。它的出現(xiàn)使得傳 統(tǒng)的信息領域得到了極大的充實和發(fā)展，在信息傳遞、信息計算、信息安全等方 面都有著極大的突破。
量子信息學主要分量子通信和量子計算量大方面。前者包括量子隱形傳態(tài) (Teleportation)、量子密鑰分布等主要內容；而后者主要在于量子計算機(量子 器件)和量子算法。
量子信息是基于量子力學的基本原理上的，其最為重要的一個概念之一就是 量子糾纏的概念。所謂糾纏態(tài)，指的是當兩個或多個子系統(tǒng)構成的復合系統(tǒng)的態(tài) 矢不能寫成各子系統(tǒng)態(tài)矢直
2、積時，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，其本質是量子力學的疊加原理，該概念反映了量子力學非定域性的本 質，是量子信息學最根本的出發(fā)點。
量子通信的一個重要的理論基礎是量子體系的不可復制性。量子力學的線性 特性禁止對任意量子態(tài)實行精確的復制，一個未知的量子態(tài)不可能被完全復制， 同時不存在完全復制兩個非正交態(tài)的復制機。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，不擾動這些態(tài)勢不可能的，即測量儀器的末態(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來儲存信 息。量子Qubit可以通過NMR方案、腔場量子電動力學方案、離
3、子阱方案等得到實 現(xiàn)。
對于很多人所感興趣的量子隱形傳態(tài)(Teleportation)，其實即使將：先 提取原物的所有信息，然后將這個信息傳送到接收地點，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制品。實際上這是量子狀 態(tài)的一種“隔空傳物”，而并不是將實際物質，即是“復制”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)的完全復制品。
量子密鑰方面最值得突出強調的是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，每個都處于|0＞，|1＞，|+＞，|-＞四 個狀態(tài)之一。雙方幾下結果之后相互通報他們的測量基矢這樣而二者有一半的機 會有相同的基矢，將不同狀態(tài)與0，1對應就有了n個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。
量子計算機的出現(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明顯而不能被忽略。因此，
科學家們可以利用量子體系中的一些獨特的性質來提升元件的性
5、質和表現(xiàn)。
量子計算機區(qū)別于經(jīng)典計算機在于其用量子態(tài)編碼和儲存信息，用量子力學 么正時間演化算子進行信息處理和傳輸運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算成為大規(guī)模的平行運算。兩自己算機由量子位和量 子邏輯們組成，有指數(shù)型上升的儲存能留并且有天然并行計算的特點。
在量子計算的物理實現(xiàn)的方面主要有離子阱量子計算、腔場量子電動力學量 子計算和幾何相位量子計算三種主要方法。量子計算機應當滿足下列四個基本要 求如下:1.量子比特要有足夠長的相干時間。事實上，外部環(huán)境不可避免地破壞著 量子計算機的量子相干性，使之自發(fā)地向經(jīng)典的概率計算機演化，這將導致量子 計算失去其可靠性,甚
6、至完全無法運作。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現(xiàn)，最基本的幺正操作單元稱為 普適門。最簡單的普適邏輯門的集合是單比特的任意幺正旋轉和兩比特的受控非 操作。量子計算機應能對任意量子比特精確地實施這些基本操作。3.具備有初態(tài) 制備能力。因為任何量子計算的出發(fā)點都是從純態(tài)開始，所以，我們要有給量子計 算機歸零的能力。不失一般性，在計算開始時,我們讓所有的邏輯量子比特都置為 |0〉。4.必須有能力對量子計算機終態(tài)實施有效的量子測量，以提取最終輸出值。 這時，量子的信息轉變?yōu)榻?jīng)典的信息，因為人是生活在經(jīng)典世界中的,而量子計算 的最終目的是服務于經(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 項式時間算法解得問題。這種問題的典型例子有旅行推銷員問題、大數(shù)質因子分 解問題和地圖著色問題。量子算法最為著名的一個算法影視Shor算法，其用于對 RSA公鑰密碼體系進行破解。
總體來說量子特性在信息領域有著獨特的功能，在提高運算速度、確保信息 安全、增大信息容量和提高檢測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驗上已經(jīng)取得重要突破，在各國政府、科技界和信 息產(chǎn)業(yè)界的高度重視下，量子信息技術也從一開始的理論上的可能變成了有許多 應用的實用技術。對于這一領域的繼續(xù)探討無論對于科研還是經(jīng)濟方面都對我國 政府和經(jīng)濟有著重大的作用。
量子信息技術導論
