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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,把量子系统“状态”所带有的物理信息,进行计算、编码和信息传输的全新信息方式[1]

量子信息最常见的单位是为量子位元(qubit)——也就是一个只有两个状态的量子系统。然而不同于古典数字状态(其为离散),一个二状态量子系统实际上可以在任何时间为两个状态的叠加态,这两状态也可以是本征态

基础

重大发现

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,阿尔伯特·爱因斯坦波特里斯·波多尔斯基纳森·罗森提出了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论,客观上揭示了量子纠缠现象。

1984年,查尔斯·贝内特(Charles Bennett)与吉勒·布拉萨(Gilles Brassard)提出一种量子密码分发协议,后被称为BB84协议[2]

1994年,数学家彼得·秀尔发现针对整数分解秀尔算法Shor算法)。2001年,IBM使用NMR实做的量子电脑以及7个量子位元展示了秀尔算法的实例,将15分解成3×5[3]

相干特性

EPR实验假设一个零自旋中性π介子衰变成一个电子与一个正电子,这两个衰变产物各自朝着相反方向移动,虽然彼此之间相隔一段距离,它们仍旧会发生量子纠缠现象。
EPR实验假设一个零自旋中性π介子衰变成一个电子与一个正电子,这两个衰变产物各自朝着相反方向移动,虽然彼此之间相隔一段距离,它们仍旧会发生量子纠缠现象。

由于量子相干性量子位元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]量子纠缠是多位元系统特有的量子性质。两个位元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

量子通信

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学实验卫星“墨子号”,连接地面光纤量子通信网络[17][18],并力争在2030年建成20颗卫星规模的全通型量子通信网

量子计算

量子电脑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在量子运算上获取两项关键性突破,开发出四量子位原型电路(Four Quantum Bit Circuit),成为未来10年量子电脑基础。另外一项是,可以同时发现两项量子的错误类型,分别为Bit-Flip(位元翻转)与Phase-Flip(相位翻转),不同于过往在同一时间内只能找出一种错误类型,使量子电脑运作更为稳定。[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电脑[21][22]

量子雷达

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年美国麻省理工学院的Lloyd教授首次提出了量子远程探测系统模型。2013年意大利的Lopaeva博士在实验室中达成量子雷达成像探测,证明其有实战价值的可能性[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

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]

参考来源

  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]. (原始内容 (PDF)存档于2016-10-01). 
  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, (纽约). 1984, 175: 8 [2016-08-22]. (原始内容 (PDF)存档于2016-03-04). 
  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. PMID 20237473. doi:10.1038/nature08967. 
  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]页面存档备份,存于互联网档案馆) 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]页面存档备份,存于互联网档案馆)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》,存档副本. [2016-06-27]. (原始内容存档于2010-04-14).  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. [2016-08-22]. (原始内容存档于2014-11-29). 
  17. ^ 世界第一個量子衛星!中國7月首射掀起通訊新革命. ETtoday 新闻云. 2016年5月26日 [2016-06-27]. (原始内容存档于2016-06-25). 
  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]. (原始内容存档于2016-08-15). 
  19. ^ 郭光灿.量子信息概论页面存档备份,存于互联网档案馆
  20. ^ [3]页面存档备份,存于互联网档案馆),iThome新闻,2015年5月1日
  21. ^ 全球首台可编程量子计算机在美国诞生. 搜狐新闻. [2016-08-05]. (原始内容存档于2017-03-05). 
  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 [2016-08-22]. doi:10.1038/nature18648. (原始内容存档于2019-07-01) (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]. (原始内容存档于2020-04-02). 
  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]. (原始内容存档于2020-04-02). 
  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]. (原始内容存档于2020-08-11). 
  26. ^ 鳳凰衛視-神秘量子雷達. [2016-09-27]. (原始内容存档于2019-05-02). 
  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]. (原始内容存档于2020-12-01). 
  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]. (原始内容存档于2020-04-02). 
  29. ^ Simon C. Benjamin and Patrick M. Hayden, Multiplayer quantum games, Physical Review A, 13 August 2001, 64 (3): 030301, Bibcode:2001PhRvA..64c0301B, arXiv:quant-ph/0007038可免费查阅, doi:10.1103/PhysRevA.64.030301 , arXiv:quant-ph/0007038页面存档备份,存于互联网档案馆

参考文献

  • Vlatko Vedral: Introduction to quantum information science. Oxford Univ. Pr., Oxford 2006, ISBN 0-19-921570-7
  • Dirk Bouwmeester: The physics of quantum information – quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-66778-4
  • Dieter Heiss: Fundamentals of quantum information – quantum computation, communication, decoherence and all that. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43367-8
  • Dagmar Bruss, Gerd Leuchs: Lectures on quantum information. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-40527-5
  • Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с. (俄文)
  • Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо. Ижевск: РХД, 2000. 172 с. (俄文)
  • Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М.: Мир, 2006. 824 с. (俄文)
  • Прескилл Дж. РХД, 2008. 464 с. ISBN 978-5-93972-651-1 (俄文)
  • Холево А. С. Введение в квантовую теорию информации. М.: МЦНМО, 2002. 128 с. ISBN 5-94057-017-8 (俄文)
  • Хренников А. Ю. Введение в квантовую теорию информации. М.: Физматлит, 2008. 284 с. ISBN 978-5-9221-0951-2 (俄文)
  • Квантовая криптография: идеи и практика / под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. — Мн., 2008. — 392 с. (俄文)
  • Kilin S. Ya. Quanta and information / Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90. (俄文)
  • Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527. [4]页面存档备份,存于互联网档案馆(俄文)

延伸阅读

参见

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