量子計(jì)算機(jī)六PPT課件.ppt

一 引言 二 量子信息的特性 三 量子密碼 四 量子通訊 五 量子計(jì)算機(jī) 六 結(jié)束語(yǔ) 量子通信 1 一 引言 信息科學(xué)面臨挑戰(zhàn) 信息科學(xué)在改善人類生活質(zhì)量和推進(jìn)社會(huì)文明發(fā)展中發(fā)揮著無(wú)可比擬和令人驚嘆的作用 但在信息化的進(jìn)程中人類也面臨越來(lái)越嚴(yán)重的問題 如當(dāng)今信息系統(tǒng)的處理能力已接近極限值的程度 2 量子通信又稱量子隱形傳送 teleportation 一詞是指一種無(wú)影無(wú)蹤的傳送過程 量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式 它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信過程 量子通信是一種全新通信方式 它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息 是未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素 按照常理 信息的傳播需要載體 而量子通信是不需要載體的信息傳遞 從物理學(xué)角度 可以這樣來(lái)想象隱形傳送的過程 先提取原物的所有信息 然后將這些信息傳送到接收地點(diǎn) 接收者依據(jù)這些信息 選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元 如 原子 制造出原物完美的復(fù)制品 3 現(xiàn)有的密碼體系是絕對(duì)安全的嗎 密鑰的安全性是核心問題 所謂 絕對(duì)安全 是指能經(jīng)受物理定律所允許的攻擊而不被破譯 4 公開密鑰RSA體系 基于 大數(shù)因子分解 這類難以計(jì)算的數(shù)學(xué)問題 并不是嚴(yán)格意義上的絕對(duì)安全 密鑰可以克隆是密碼體系不安全的根源 一直在國(guó)際上廣泛應(yīng)用的兩大密碼算法MD5 SHA 1 近期宣布被王小云教授破解 2004年8月 王小云在國(guó)際密碼大會(huì)上首次宣布了對(duì)MD5 HAVAL 128 MD4和RIPEMD等四個(gè)著名密碼算法的破譯結(jié)果 5 2005年2月7日 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院發(fā)表申明 SHA 1沒有被攻破 并且沒有足夠的理由懷疑它會(huì)很快被攻破 開發(fā)人員在2010年前應(yīng)該轉(zhuǎn)向更為安全的SHA 256和SHA 512算法 而僅僅在一周之后 王小云就宣布了破譯SHA 1的消息 諸如此類問題對(duì)現(xiàn)有信息技術(shù)提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 未來(lái)信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展要求開拓新的原理和方法 6 量子力學(xué)的奇妙特性 量子力學(xué)是20世紀(jì)初才誕生的 是近代物理學(xué)兩大支柱之一 經(jīng)典力學(xué) 宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 量子力學(xué) 微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 7 經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處于確定的物理狀態(tài)上 量子粒子則可以同時(shí)處于各種可能的物理狀態(tài)上 疊加態(tài) 8 量子信息應(yīng)運(yùn)而生 量子特性應(yīng)用到信息領(lǐng)域中可以發(fā)揮出獨(dú)特的功能 在提高運(yùn)算速度 確保信息安全 增大信息容量等方面可以突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限 于是誕生了一門新興的交叉學(xué)科 9 量子信息科學(xué) 它是量子物理與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物 量子密碼 量子通訊 量子計(jì)算 10 11 二 量子信息的特性 自然界有三要素 物質(zhì) 能量和信息 相應(yīng)有三個(gè)學(xué)科 材料科學(xué) 能量科學(xué)和信息科學(xué) 何謂 信息 信息就是我們?cè)谶m應(yīng)外部世界和控制外部世界的過程中 同外部世界進(jìn)行交換的內(nèi)容和名稱 信息就是信息 既不是物質(zhì) 也不是能量 12 為全人類帶來(lái)更豐富的高科技成果 20世紀(jì)人類把量子力學(xué)應(yīng)用于物質(zhì)科學(xué)和能源科學(xué) 導(dǎo)致了構(gòu)成當(dāng)代文明社會(huì)的高科技成果 如核能 半導(dǎo)體 激光等 21世紀(jì)人類將量子力學(xué)應(yīng)用于信息科學(xué) 導(dǎo)致量子信息的誕生 這將 13 量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別 經(jīng)典信息 二進(jìn)制0或1組成的數(shù)字串 其信息單元稱為 比特 為0或者1 用量子的語(yǔ)言可描述為態(tài)和 經(jīng)典粒子只能處在或之中的一個(gè)態(tài)上 量子信息 微觀粒子允許同時(shí)處在和兩個(gè)態(tài)上 這是其波粒二象性的結(jié)果 疊加態(tài) 14 量子信息是經(jīng)典信息的完善和擴(kuò)充 正如復(fù)數(shù)z x iy是實(shí)數(shù)x y的完善和擴(kuò)充 量子信息的單元稱為量子比特 量子比特 即量子態(tài) 的物理載體 光子 電子 原子 核自旋 以量子態(tài)作為信息單元 信息 就量子化 以 比特 作為信息單元的是經(jīng)典信息 以 量子比特 作為單元的是量子信息 因此 量子信息遵從量子力學(xué)規(guī)律 15 如 經(jīng)典信息可以克隆 而量子信息是不可克隆的 量子不可克隆定理 兩經(jīng)典粒子分離后就不關(guān)聯(lián) 而兩量子粒子處于糾纏態(tài) EPR粒子 時(shí)不論空間分離多開仍然存在量子關(guān)聯(lián) 對(duì)其中一個(gè)粒子施行作用必然會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài) 于是 奇特的量子性質(zhì)就可以產(chǎn)生新的信息功能 16 三 量子密碼 采用量子態(tài) 量子比特 作為信息載體 經(jīng)由量子通道傳送 在合法用戶之間建立共享的密鑰 經(jīng)典隨機(jī)數(shù) 這個(gè)密鑰是安全的 任何竊聽都會(huì)被發(fā)現(xiàn) 其安全性由量子力學(xué)原理所保證 竊聽者若企圖通過對(duì)量子態(tài)的測(cè)量來(lái)竊取信息 則必然會(huì)干擾這個(gè)量子態(tài)本身 從而會(huì)留下痕跡而被合法用戶發(fā)現(xiàn) 竊聽者若企圖通過復(fù)制傳送密鑰的量子態(tài)來(lái)獲得信息 此時(shí)量子不可克隆定理確保這種復(fù)制不可能成功 17 因此 量子密碼術(shù)原則上可以提供不可破譯 不可竊聽的保密通信體系 目前中國(guó)科大已在光纖中成功地實(shí)現(xiàn)125公里量子密鑰傳輸 在自由空間中實(shí)現(xiàn)13公里傳送 18 量子密碼通信是目前唯一被證明絕對(duì)安全的保密通信方法 美國(guó) 商業(yè)周刊 把它列在了改變?nèi)藗兾磥?lái)生活的十大發(fā)明的第三位 19 四 量子通訊 1 量子隱形傳態(tài) QuantumTeleportation 長(zhǎng)期以來(lái) 這種隱形傳物無(wú)論用經(jīng)典方法或量子方法都認(rèn)為是不可能的 只是 科學(xué)幻想 或 神話 而已 地球 木星 20 1993年美國(guó)IBM的著名科學(xué)家Bennet等四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家聯(lián)名在 Physical ReviewLetters 上發(fā)表了一篇開創(chuàng)性論文 經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知量子態(tài) 提出了一種方法可以將某個(gè)粒子的未知量子態(tài) 未 知量子比特 傳送給遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子 使該粒子處在這個(gè)未知量子態(tài)上 而原先的粒子不被傳送 這就是所謂 量子隱形傳態(tài) 21 量子隱形傳態(tài)原理圖 22 接受者在獲得這兩種信息之后 就可以制造出原物量子態(tài)的精確復(fù)制品 23 2019 12 30 24 傳輸過程中 原物始終留在發(fā)送者處 被傳送的僅僅是原物的量子態(tài) 而且 發(fā)送者對(duì)這個(gè)量子態(tài)始終一無(wú)所知 接受者是將別的物質(zhì)單元 如粒子 制備成為與原物完全相同的量子態(tài) 他對(duì)這個(gè)量子態(tài)也始終一無(wú)所知 原物的量子態(tài)在測(cè)量時(shí)已被破壞掉 不違背 量子不可克隆定理 未知量子態(tài) 量子比特 的這種傳送 需要經(jīng)典信道傳送經(jīng)典信息 即發(fā)送者的測(cè)量結(jié)果 傳送速度不可能超過光速 不違背相對(duì)論的原理 25 1997年 奧地利學(xué)者 其第二作者為中國(guó)科技大學(xué)學(xué)生 在 Nature 上報(bào)道了第一個(gè)實(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)隱形傳送的試驗(yàn) 該論文轟動(dòng)了學(xué)術(shù)界和新聞界 后被 Nature 評(píng)為20世紀(jì)最有影響的21篇經(jīng)典論文之一 1998年 意大利學(xué)者在PhysicalReviewLetters上發(fā)表了另一個(gè)光子隱形傳態(tài)的論文 1998年底 美國(guó)學(xué)者分別在 Science 和 Nature 上報(bào)道新的試驗(yàn) 26 2 量子密集編碼 量子密集編碼可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送單個(gè)光子束傳輸兩個(gè)比特的信息 量子密集編碼原理圖 特點(diǎn) 1 保密性高 2 增大信息傳送速率 適用于緊急場(chǎng)合 27 3 量子通信網(wǎng)絡(luò) 存儲(chǔ)量子信息 處理 運(yùn)算 量子信息 量子存儲(chǔ)器 量子通道 傳送量子信息 用途 開拓新的通信原理和方法 例 1 網(wǎng)絡(luò)量子密碼 2 分布量子計(jì)算 28 2004年6月3日 世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)馬薩諸塞州劍橋城正式投入運(yùn)行 主持這套網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的是美國(guó)BBN技術(shù)公司 這個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)已成功地實(shí)現(xiàn)了該公司與哈佛大學(xué)之間的連接 且很快就延伸至波士頓大學(xué) 新的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有因特網(wǎng)技術(shù)完全兼容 網(wǎng)絡(luò)傳輸距離約為10千米 29 五 量子計(jì)算機(jī) 30 N個(gè)存儲(chǔ)器 經(jīng)典 可存儲(chǔ)一個(gè)數(shù) 2N個(gè)可能的數(shù)之中的一個(gè)數(shù) 量子 可同時(shí)存儲(chǔ)2N個(gè)數(shù) 因此 量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力是經(jīng)典的2N倍 且隨N指數(shù)增長(zhǎng) 例如 N 250 量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)比宇宙中原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù) 31 計(jì)算是對(duì)數(shù)據(jù)的變換 可見 對(duì)N個(gè)量子存儲(chǔ)器實(shí)行一次操作 其效果相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典存儲(chǔ)器進(jìn)行2N次操作 這就是量子計(jì)算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力 采用合適的量子算法 這個(gè)能力可以大大地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度 32 現(xiàn)在廣泛使用的RSA公開密鑰 加密密鑰 加密變換 解密變換均是公開的 但解密密鑰是保密的 Shor量子并行算法 1994年 量子信息領(lǐng)域的里程碑工作 獲1998年世界數(shù)學(xué)家大會(huì)最高獎(jiǎng) 這個(gè)算法可以求解 大數(shù)因子分解 難題 這類大數(shù)因子分解是個(gè)難解的數(shù)學(xué)問題 NP問題 其安全性依賴于 單向 函數(shù)127 229 很容易計(jì)算 29083很難計(jì)算 33 分解N運(yùn)算步驟 時(shí)間 隨輸入長(zhǎng)度logN指數(shù)增長(zhǎng) 用經(jīng)典計(jì)算是難以計(jì)算的 例 若N 250 要用8 105年N 1000 要用1025年 比宇宙年齡還長(zhǎng) N 129位 1994年1600臺(tái)工作站花了8個(gè)月分解成功 34 Shor算法證明 采用量子計(jì)算機(jī)并行計(jì)算 分解N的時(shí)間隨logN的多項(xiàng)式增長(zhǎng) 即可解問題 一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功 現(xiàn)有的RSA密鑰將無(wú)密可保 目前在實(shí)驗(yàn)上 一個(gè)推廣了的Shor算法已經(jīng)在核磁共振中得到實(shí)現(xiàn) 35 Grove量子搜尋算法 問題 從N個(gè)未分類的客體中尋找出某個(gè)特定客體 例如 從按姓序排列的106個(gè)電話號(hào)碼中找出某個(gè)特定的號(hào)碼 經(jīng)典計(jì)算機(jī) 一個(gè)個(gè)查詢 直到找到所要的號(hào)碼 平均講 要查次 找到的幾率為為 36 目前 Grove算法已經(jīng)在核磁共振和光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 37 量子模擬計(jì)算 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾提出這樣的問題 經(jīng)典計(jì)算機(jī)能否精確地模擬量子體系的演化 回答是 NO 38 量子計(jì)算機(jī)可以精確地模擬這種演化 提供了研究許多重要量子體系的有效工具 成為科學(xué)研究的重要方法 用途 39 在核磁共振中 量子模擬的初步實(shí)驗(yàn)業(yè)已展開 目前已經(jīng)模擬了量子諧振子和反諧振子的動(dòng)力學(xué)行為以及三體碰撞哈密頓量的演化 40 量子編碼 消相干 decoherence 是量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用的主要障礙 因?yàn)榄h(huán)境會(huì)不可避免地破壞量子相干性 使量子計(jì)算機(jī)演變成經(jīng)典計(jì)算機(jī) 量子編碼是克服消相干的主要途徑 量子編碼原理 量子糾錯(cuò)碼 量子避錯(cuò)碼 量子防錯(cuò)碼 41 目前在腔QED 離子阱 核磁共振 超導(dǎo)系統(tǒng)已演 量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于尋找適合制備量子網(wǎng)絡(luò)的物理體系 示簡(jiǎn)單的量子網(wǎng)絡(luò) 42 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)原則上已不存在不可逾越的障礙 但技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)卻遇到嚴(yán)重的困難 如何研制多個(gè)量子比特的量子邏輯網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn) 43 六 結(jié)束語(yǔ) 量子信息作為新興交叉的學(xué)科而誕生 無(wú)疑是量子力學(xué)的又一個(gè)輝煌成果 反過來(lái)也豐富了量子力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 有力地推動(dòng)量子論的發(fā)展 44 信息時(shí)代的發(fā)展促使人類把微觀世界的量子理論運(yùn)用到信息技術(shù)這一高科技領(lǐng)域 由于其速度快 功耗低 存儲(chǔ)能力大 計(jì)算能力強(qiáng) 保密性好以及其他奇特的性能