光學(xué)工程前沿報(bào)告1潘運(yùn)

1、光學(xué)工程前沿之來(lái)自量子世界的新技術(shù)潘運(yùn)（MF1415003)（南京大學(xué)光通信中心 江蘇 南京 210008）摘要：本文是聽(tīng)完全國(guó)光電技術(shù)與系統(tǒng)學(xué)術(shù)會(huì)議中量子技術(shù)的邀請(qǐng)報(bào)告后，自己的一些感想和總結(jié)。郭光燦院士首先介紹了量子世界的與經(jīng)典世界的一些不同的特點(diǎn)，用來(lái)引起大家對(duì)量子學(xué)的興趣，然后著重介紹了量子密碼和量子計(jì)算這兩方面的量子學(xué)的應(yīng)用，這兩項(xiàng)應(yīng)用著重體現(xiàn)了量子學(xué)巨大的發(fā)展前景，最后鼓勵(lì)大家投身與科學(xué)研究的事業(yè)中來(lái)，體現(xiàn)了郭院士不僅自己專(zhuān)心搞研究而且期望拉起一個(gè)研究隊(duì)伍的科研理念。本篇報(bào)告著重介紹量子光學(xué)的一些基礎(chǔ)性知識(shí)，并且對(duì)會(huì)議中量子學(xué)的應(yīng)用做一些介紹。關(guān)鍵詞：量子光學(xué)，量子信息技術(shù)，量子世

2、界Abstract: This article is after listening to the National Optoelectronic Technology and Systems Conference invited the report quantum technology, some of their own feelings and summary. Academician Guangcan Guo first introduced the quantum world with some of the different characteristics of the cla

3、ssical world, to arouse interest in quantum science, and then focuses on the quantum cryptography and quantum computing applications of quantum science in these two areas, which focuses on two applications quantum Theory reflects strong growth prospects, and finally to encourage everyone to join the

4、 cause of scientific research in the past, reflecting the professor Guo concentrate not only their own research and expect to pull out of a research team of research ideas. This chapter report highlights some of the basic quantum optics knowledge, and for meeting the application of quantum science t

5、o do some introduction.Keywords: Quantum Optics，Quantum information technology，Quantum World1. 引言量子世界具有經(jīng)典世界所不具有的特點(diǎn)，對(duì)于常年生活在宏觀世界中的人來(lái)說(shuō)，這種微觀的量子世界的特點(diǎn)可能會(huì)然人感到怪異。但是正是由于量子世界所具有的這種宏觀經(jīng)典世界所不具有的特點(diǎn)，所以對(duì)于量子學(xué)的研究必然能對(duì)經(jīng)典世界的科學(xué)發(fā)展起到跨時(shí)代的推動(dòng)作用。2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了阿羅什（法）和瓦恩蘭（美），用以表彰他們?cè)趯?shí)驗(yàn)方法上的基礎(chǔ)性突破，這項(xiàng)突破使得單量子操作和單量子測(cè)量成為可能。其中阿羅什提出了單光子

6、腔囚禁光子【1】方案，如圖1-1所示。利用高品質(zhì)的腔將單個(gè)光子囚禁在光腔中，在腔中放入單個(gè)原子與光子發(fā)生相互作用，通過(guò)光腔來(lái)調(diào)控囚禁光子與環(huán)境的作用。圖1-1而瓦蘭恩提出了單離子阱囚禁單點(diǎn)離子方案，如圖1-2所示。把囚禁離子的兩個(gè)近簡(jiǎn)并基態(tài)作為一個(gè)兩能級(jí)量子體系，將整個(gè)系統(tǒng)冷卻到接近聲子的基態(tài)，用激光來(lái)操控離子內(nèi)態(tài)。圖1-2由于經(jīng)典世界是一個(gè)確定性的世界，而量子世界則是一個(gè)概率性的世界，所以經(jīng)典世界里的理論大多拿到量子世界是行不通的。這就需要人來(lái)建立和研究量子世界的理論并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而在量子世界里的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到經(jīng)典世界來(lái)時(shí)，由于量子世界的特殊性這些應(yīng)用的理論基礎(chǔ)必然是與經(jīng)典世界不同的，因而這些

7、技術(shù)也就更容易比現(xiàn)在的技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)和更好的發(fā)展前景。如量子學(xué)可能帶來(lái)的新技術(shù)：量子通信，量子計(jì)算機(jī)，量子模擬，量子度量學(xué)等。2.量子學(xué)簡(jiǎn)介量子世界的“怪異性”有一些具體的體現(xiàn)：1. 在經(jīng)典世界里我們可以在空間定域里清楚而準(zhǔn)確的描述一個(gè)物體的位置信息，而在量子世界里我們沒(méi)有辦法給出一個(gè)粒子的確定時(shí)空信息，我們只能對(duì)該粒子的位置信息給出一個(gè)可能的概率分布。2. 在經(jīng)典世界中物體從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置必然有一條確定的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且這個(gè)軌跡是可以通過(guò)一定得方法得到的，而在量子世界里粒子從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的這個(gè)過(guò)程會(huì)有無(wú)數(shù)條可能的運(yùn)動(dòng)軌跡，我們不可能測(cè)得這個(gè)粒子是怎樣運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置的，但是我們

8、可以得到這個(gè)粒子各種動(dòng)作的可能的概率。3. 對(duì)于經(jīng)典世界中分開(kāi)之后的兩個(gè)物體，他們之間將會(huì)沒(méi)有關(guān)聯(lián)，可以各自確定他們的狀態(tài)，而對(duì)于糾纏量子，他們之間互相關(guān)聯(lián)，雖然沒(méi)辦法測(cè)得他們的狀態(tài)，但是由于他們之間幽靈般的相互作用，可以得到他們狀態(tài)間的關(guān)系?？傊孔邮澜绲牧Ｗ硬辉僮駨慕?jīng)典力學(xué)，而是量子力學(xué)。量子力學(xué)處理的是不可觀測(cè)量，是幾率。反應(yīng)自然界的基本規(guī)律是概率性。量子糾纏【2】【3】（EPR效應(yīng)）如圖1-3，量子糾纏態(tài)：圖1-3量子具有不可克隆性，不存在物理過(guò)程中可精確地復(fù)制任意量子態(tài)。這是量子密碼安全行的基礎(chǔ)，是量子信息提取不可逾越的障礙。如圖1-4：圖1-4量子調(diào)控是量子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。量子調(diào)控

9、要求能制備量子體系的量子態(tài)，操控其量子態(tài)的演化，測(cè)量量子體系的信息。量子體系是從單個(gè)粒子到多個(gè)粒子最終到宏觀的量子物質(zhì)的一個(gè)完整體系，只有能做到量子調(diào)控才能調(diào)控宏觀量子物質(zhì)。量子糾纏有著大量妙用。如量子隱形傳態(tài)，在1993年的一篇開(kāi)創(chuàng)性論文“經(jīng)由經(jīng)典的EPR通道傳送位置量子態(tài)”中，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，是該粒子處在這個(gè)未知的量子態(tài)上，洱源縣的粒子不被傳送，這就是所謂的“量子隱形傳態(tài)”。這種量子傳態(tài)的基本原理是：通過(guò)兩個(gè)互相糾纏的量子，其中一個(gè)量子用來(lái)測(cè)量原物的部分信息（經(jīng)典信息），而另一個(gè)量子依靠糾纏保留了該原物未被提取的信息（量子信息

10、）。然后接受者在獲得這兩種信息后，就可以制造出原物量子太的精確復(fù)制。這個(gè)隱形傳態(tài)的過(guò)程有一下的特點(diǎn)：1. 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；2. 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；3. 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”；4. 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(guò)光速不違背相對(duì)論的原理。5. 量子信道的容量具有不可加性。量子糾纏作為一種量子資源，在量子密碼，量子通信網(wǎng)絡(luò)，量子計(jì)算，量子調(diào)控，量子模

11、擬，量子糾纏網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。3.量子密碼信息安全是一場(chǎng)永無(wú)休止的博弈，在信息時(shí)代到來(lái)的今天，信息的大容量傳輸和信息價(jià)值量巨大，使得信息安全的問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。而有效保護(hù)通信安全的最通用的手段就是為信息加密。信息的加密技術(shù)從傳統(tǒng)的虎符，“天書(shū)”等加密手段，到今天的DES，AES等編碼加密手段。在傳統(tǒng)的密碼學(xué)中，密鑰的傳遞是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，對(duì)于 one time pad的密碼是一次一密，用與明文等長(zhǎng)的二進(jìn)制密鑰與明文異或得密文，再用相同密鑰異或恢復(fù)明文。每個(gè)密鑰使用一次后即銷(xiāo)毀。而對(duì)于RSA密碼，基于大數(shù)因子分解的難題，保證從公開(kāi)密鑰推導(dǎo)出私有密鑰需耗費(fèi)極巨大的資源。這兩種方

12、法中其中如非對(duì)稱(chēng)密碼RSA和對(duì)稱(chēng)密碼DES等都具有計(jì)算安全性，即理論上可破譯，但血藥耗費(fèi)極大的時(shí)間和資源。而另一類(lèi)如one time pad則具有無(wú)條件安全性，無(wú)論竊聽(tīng)者能力多強(qiáng)大，原理上都是不可破解的。而隨著量子學(xué)的發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)，一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，現(xiàn)有的基于大數(shù)分解的RSA密鑰將無(wú)密可保！這就要求我們要使用one time pad，而one time pad的安全密鑰由于是一次一密分發(fā)十分困難，這就要求我們使用量子密碼?？傊簽榱藨?yīng)對(duì)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，我們需要無(wú)條件安全的一次一密加密方案；為了解決一次一密中密鑰分發(fā)的困難，我們需要借助量子力學(xué)的力量！利用信息載體（例如光

13、子等粒子）的量子特性，以量子態(tài)作為符號(hào)描述的密碼稱(chēng)為量子密碼。研究量子密碼的學(xué)科被稱(chēng)為量子密碼學(xué)，是密碼學(xué)的一個(gè)分支。量子密碼學(xué)體系包含了量子保密、量子認(rèn)證、量子安全協(xié)議、量子密碼分析等研究方向。量子密碼的安全性由量子力學(xué)【4】的物理原理保障。測(cè)量塌縮理論：除非該量子態(tài)本身即為測(cè)量算符的本征態(tài)，否則對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)導(dǎo)致“波包塌縮”，即測(cè)量將會(huì)改變最初的量子態(tài)。這一定律即為測(cè)量塌縮理論。不確定原理：不能同時(shí)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易物理量不可克隆原理：無(wú)法對(duì)一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行精確的復(fù)制。單個(gè)光子不可再分：不存在半個(gè)光子！量子密碼采用量子比特元取代經(jīng)典比特元。經(jīng)典比特只有0,1兩種狀態(tài),例如對(duì)應(yīng)著晶體

14、管的電流導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。由于態(tài)疊加原理，量子比特不僅可以處在0,1兩種狀態(tài)，還可以處在0,1的疊加狀態(tài),例如對(duì)應(yīng)著電子自旋狀態(tài)、光子的偏振狀態(tài)。測(cè)量塌縮理論即不確定原理保證了每種編碼方法對(duì)應(yīng)一組測(cè)量。選對(duì)了測(cè)量，能精確的恢復(fù)信息；選擇了錯(cuò)誤的測(cè)量，則信息被完全毀壞。1984年，Bennett 與 Brassard聯(lián)合提出了世界上第一個(gè)量子密碼協(xié)議：BB84協(xié)議。當(dāng)有竊聽(tīng)者存在是誤碼率會(huì)達(dá)到25%，無(wú)竊聽(tīng)者時(shí)為0。當(dāng)誤碼率超過(guò)了閾值，就表示信道中間存在竊聽(tīng)者。此時(shí)警報(bào)響起，停止密鑰分發(fā)，已分發(fā)密鑰丟棄不用。量子密鑰分配【5】的理論安全性已得到了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明：理論上能夠證明，量子密碼不僅能抵

15、抗經(jīng)典的截取重發(fā)攻擊，即使在量子攻擊下也是安全的！實(shí)現(xiàn)BB84協(xié)議的技術(shù)困難：1. 單光子源：理想的單光子源制備非常困難，因此常用較易制備的弱相干光源來(lái)代替2. 單光子探測(cè)器3. 信道干擾4. 設(shè)備的非理想特性5. 身份認(rèn)證，密鑰存儲(chǔ)等技術(shù)的改良配合量子密碼技術(shù)有巨大的應(yīng)用價(jià)值和前景，實(shí)際系統(tǒng)的安全性應(yīng)受到重視，量子密碼的大規(guī)模應(yīng)用仍然任重道遠(yuǎn)。4.量子計(jì)算后摩爾時(shí)代的來(lái)臨與量子計(jì)算產(chǎn)生具有必然性。20世紀(jì)高科技最重要的標(biāo)志之一是電子計(jì)算機(jī)，其核心器件是半導(dǎo)體芯片（處理器 CPU），它是由大量晶體管集成起來(lái)的，利用每個(gè)晶體管的電流導(dǎo)通和截止作為信息處理單元1和0（為比特）。晶體管、芯片（集成電

16、路）、計(jì)算機(jī)的發(fā)明奠定了人類(lèi)信息社會(huì)的基礎(chǔ)和核心技術(shù)。這些劃時(shí)代的革命也榮獲了1956年、2000年兩度諾貝爾獎(jiǎng)。芯片幾十年來(lái)一直沿著著名的摩爾定律發(fā)展：即芯片的集成度越來(lái)越高，而其中每個(gè)晶體管的尺寸越來(lái)越小。目前摩爾定律正逼近其物理極限！當(dāng)芯片隨著摩爾定律的發(fā)展，其中每個(gè)晶體管越來(lái)越小，容納的電子數(shù)目也隨之越來(lái)越少。由于量子效應(yīng)的影響，人們將達(dá)到按照傳統(tǒng)方法操控芯片的物理極限！由于量子效應(yīng)的出現(xiàn)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的摩爾時(shí)代必將告終，人類(lèi)文明社會(huì)的持續(xù)發(fā)展必然要依仗著新一代信息技術(shù)的出現(xiàn)！量子計(jì)算將成為后摩爾時(shí)代具有標(biāo)志性的新技術(shù)，它是量子物理與計(jì)算機(jī)科學(xué)相融合的新興交叉學(xué)科?；诹孔恿W(xué)特性，量子

17、計(jì)算不但能突破現(xiàn)有芯片的物理極限，還可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無(wú)法做到的強(qiáng)大計(jì)算功能！量子計(jì)算相比經(jīng)典計(jì)算的本質(zhì)區(qū)別與天然優(yōu)勢(shì)。與量子密碼通信一樣，量子計(jì)算的量子比特也不僅只有0和1這兩個(gè)狀態(tài)，還可以處在0和1的疊加狀態(tài)。以比特(0或1)作為信息處理單元, 稱(chēng)為經(jīng)典計(jì)算。以量子比特作為信息處理單元, 稱(chēng)為量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。一個(gè)經(jīng)典的處理器可以處理0或1一個(gè)數(shù)，而一個(gè)量子處理器可以同時(shí)處理0和1兩個(gè)數(shù)，而對(duì)于兩個(gè)經(jīng)典處理器可以處理00，01，10，或11中任意一個(gè)數(shù)，兩個(gè)量子處理器卻可以同時(shí)處理這四個(gè)數(shù)。由于量子力學(xué)的疊加原理，量子計(jì)算擁有指數(shù)增長(zhǎng)的天然的并行優(yōu)勢(shì)！因此，量子處理器的處理數(shù)據(jù)能力是經(jīng)典的 2N 倍，且隨 N 指數(shù)增長(zhǎng)。在經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)中，一個(gè)比特的狀態(tài)是唯一的，而量子力學(xué)允許量子比特是同一時(shí)刻兩個(gè)狀態(tài)的疊加，這是量子計(jì)算的基本性質(zhì)。參考文獻(xiàn)：1. 郭光燦 光子究竟是什么 第十五屆全國(guó)量子