量子通信與量子計算

1、量子通信與量子計算第1頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 量子信息學(xué)，是一門利用微觀粒子的量子 力學(xué)原理來解決經(jīng)典信息學(xué)和經(jīng)典計算機所不能解決的問題的學(xué)科，因此量子信息學(xué)是量子力學(xué)和信息學(xué)的交叉科學(xué)。 量子信息學(xué)最重要的兩個應(yīng)用方向是量子通信和量子計算。一門新興學(xué)科量子信息學(xué)第2頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 量子信息學(xué)涉及的領(lǐng)域： 1）物理學(xué) 量子態(tài)的描述，傳輸和控制 2）信息科學(xué) 量子信息的編碼、傳輸、處理 量子計算機的組織、結(jié)構(gòu) 量子通信設(shè)備的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)3）數(shù)學(xué) 量子信息描述、運算第3頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，

2、星期三 研究狀況 1982年，Paul Bennooff提出量子計算機的假設(shè)1985年，D.Deutsh構(gòu)造了量子計算機模型1992年，提出量子信道傳送經(jīng)典信息的可能性1993年，SLloyd證明了二元量子邏輯門的通用性。第4頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三1993年，發(fā)表了量子測量、量子信息提取、量子信道、信道容量的開創(chuàng)性的研究成果。1994年 Peter shor提出量子快速分解算法1995年 Peter shor 提出量子糾錯編碼 第5頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三量子信息 量子信息就是利用微觀粒子狀態(tài)表示的信息。量子信息的載體可以是

3、任意兩態(tài)的微觀粒子系統(tǒng)。例如光子具有兩個不同的線偏振態(tài)或橢圓偏振態(tài)；恒定磁場中原子核的自旋；具有二能級的原子、分子或離子；圍繞單一原子旋轉(zhuǎn)的電子的兩個狀態(tài)等。這些微觀粒子構(gòu)成的系統(tǒng)都是只有量子力學(xué)才能描述的微觀系統(tǒng)。第6頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三用具有兩個電子層面的原子 來表示量子信息第7頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三在這個原子模型中，具有兩個層面的電子即能穩(wěn)定在“基本”狀態(tài)。我們把這兩種狀態(tài)稱為一個電子的兩個極化狀態(tài)，分別為|0和 | 1。這兩個狀態(tài)之間可以通過外界條件互相轉(zhuǎn)化。 當(dāng)利用量子的某一狀態(tài)表示信息時，我們就說信息量子化了

4、，并稱之為 量子信息第8頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 通過將信息量子化，就可以進行量子通訊。量子通訊是利用光的偏振對數(shù)據(jù)進行編碼。在一個方向上的偏振視為0，而另一個視為1。常用的有兩種偏振方式： 直線型 和對角型第9頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三第10頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三為了接收正確的信息，必須測量光子并使用正確的濾光器偏振方向。例如，和信息傳送的偏振方向相同。如果一個接收器是處于直線型的偏振方向，那么就會發(fā)射出對角偏振的光子，然后一個完全隨機的結(jié)果就會出現(xiàn)在接收器上。使用這種方法，特性信息能夠發(fā)送

5、而使竊聽者無法不被發(fā)現(xiàn)地偷聽。這就涉及到 量子密碼術(shù) 第11頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 加密是保障信息安全的重要手段之一。當(dāng)前最常用的加密技術(shù)是用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法來改變原始信息。這種方法雖然安全性較高，但存在被破譯的可能，并非絕對可靠。而量子密碼術(shù)是一種截然不同的加密方法，主要利用量子狀態(tài)來作為信息加密和解密的密鑰。任何想測算和破譯密鑰的人，都會因改變量子狀態(tài)而得到無意義的信息，而信息合法接收者也可以從量子態(tài)的改變而知道密鑰曾被截獲過。 第12頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三量子密碼的安全性在理論上可由1。海森堡測不準(zhǔn)原理2。量子不可復(fù)制

6、定理第13頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三“海森堡測不準(zhǔn)原理”是量子力學(xué)的基本原理，它表明，在同一時刻以相同的精度測定量子的位置與動量是不可能的，只能精確測定兩者之一。 “單量子不可復(fù)制定理”是“海森堡測不準(zhǔn)原理”的推論，它表明，在不知道量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個量子是不可能的，因為要復(fù)制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態(tài)。第14頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三根據(jù)這兩條定理，任何竊聽者的存在都會被發(fā)現(xiàn)，從而保證密碼本的絕對安全，也就保證了加密信息的絕對安全。 第15頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三量子密

7、碼術(shù)是密碼術(shù)與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了系統(tǒng)所具有的量子性質(zhì)。首先想到將量子物理用于密碼術(shù)的是美國科學(xué)家威斯納。威斯納于1970年提出，可利用單量子態(tài)制造不可偽造的“電子鈔票”。但這個設(shè)想的實現(xiàn)需要長時間保存單量子態(tài)，不太現(xiàn)實。貝內(nèi)特和布拉薩德在研究中發(fā)現(xiàn)，單量子態(tài)雖然不好保存但可用于傳輸信息。1984年，貝內(nèi)特和布拉薩德提出了第一個量子密碼術(shù)方案，稱為BB84方案，由此迎來了量子密碼術(shù)的新時期。 第16頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三1992年，貝內(nèi)特又提出一種更簡單，但效率減半的方案，即B92方案： 量子密碼術(shù)并不用于傳輸密文，而是用于建立、傳輸密碼本。 第17

8、頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 最初的量子密碼通信利用的都是 光子的偏振特性， 目前主流的實驗方案則用 光子的相位特性 進行編碼。目前，在量子密碼術(shù) 實驗研究上進展最快的國家為英 國、瑞士和美國。 第18頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 英國國防研究部于1993年首先在光纖中實現(xiàn)了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分發(fā)，光纖傳輸長度為10公里。這項研究后來轉(zhuǎn)到英國通訊實驗室進行，到1995年，經(jīng)多方改進，在30公里長的光纖傳輸中成功實現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)。與偏振編碼相比，相位編碼的好處是對光的偏振態(tài)要求不那么苛刻。在長距離的光纖傳輸中，光的偏振

9、性會退化，造成誤碼率的增加。 第19頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)1993年基于BB84方案的偏振編碼方案，在11公里長的光纖中傳輸13微米波長的光子，誤碼率僅為054，并于1995年在日內(nèi)瓦湖底鋪設(shè)的23公里長民用光通信光纜中進行了實地表演，誤碼率為34。1997年，他們利用法拉第鏡消除了光纖中的雙折射等影響因素，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用的方便性大大提高，被稱為“即插即用 ”的量子密碼方案。 第20頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室以B92方案成功地在長達48公里的地下光纜中傳送量子密鑰，創(chuàng)造了目前

10、光纖中量子密碼通信距離的新紀錄。 第21頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三量子計算機自第一臺電子計算機問世以來，構(gòu)想能夠超越傳統(tǒng)所謂圖靈機的計算模型，便是許多科學(xué)家努力的夢想。第一位提出此概念的是美國阿岡國家實驗室的Paul Benioff，認為利用量子物理的二能態(tài)系統(tǒng)模擬數(shù)位0與1，可以設(shè)計出更有效能的計算工具。此概念稍后又經(jīng)Feynman的引深，使得有更多的物理學(xué)家注意到量子力學(xué)與計算科學(xué)之間的關(guān)聯(lián)。直到1985年，在英國牛津的物理學(xué)家David Deutsch發(fā)表的一篇論文，量子圖靈機才正式開始具有數(shù)學(xué)形式。第22頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分

11、，星期三 量子并行計算的能力來自于 量子態(tài)的可疊加性， 是量子信息理論應(yīng)用的一個重要分支。 量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換相當(dāng) 于一種經(jīng)典計算，所有這些經(jīng)典計算同時完成，并 按一定的概率振幅疊加起來，最終給出量子計算機 的輸出結(jié)果，以這種方式實現(xiàn)的信息處理叫量子并 行處理。量子并行處理大大提高了量子計算機的效 率，使得其可以完成經(jīng)典計算機很難完成的工作。第23頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三問題的計算時間若以計算項數(shù)冪次上升的計算量完成，我們稱此問題為P -問題（P 為英文多項式Polynomial 的第一字母），包含所有此類問題的集合以 P 表示。 NP 是英

12、文 nondeterministic polynomial 的縮寫，意思就是（時間）非確定性的多項式。第24頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 經(jīng)典計算中存在著一大類NP 問題。這類 問題在經(jīng)典計算機上是不能計算的，但是量子計算可以把其中的一部分NP 問題變成 P 問題，即問題的復(fù)雜度隨著比特位數(shù)的增長 以多項式數(shù)量級上升。這類問題原則上是可 以計算的。 一個具體的例子就是大因數(shù)分解，按經(jīng) 典計算復(fù)雜性理論，這個問題不存在有效算 法，所以被利用來進行經(jīng)典密鑰分配。但是 如果用量子計算機結(jié)合Shor 量子算法，這個 問題就變成了P 問題。第25頁，共32頁，2022年，5

13、月20日，21點48分，星期三 例如，為了對一個400 位的阿拉伯?dāng)?shù)字進行因子分解，目前最快的超級計算機將耗時 上百億年 這幾乎等于宇宙的整個壽命；而具有相同時鐘脈沖速度的量子計算機只需要大約 一分鐘第26頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三Shor 量子算法 1994 年Shor 等人提出了一種大因數(shù)分解的量子多項式算法，引起了轟動。 Shor算法的核心是 1。 利用數(shù)論中的一些定理，將大數(shù)因子分解轉(zhuǎn)化為求某個函數(shù)的周期。 2。 通過對儲存器中的糾纏態(tài)實施 “量子傅立葉變換”， 從而完成經(jīng)典計算機無法完成的大數(shù)因子分解。第27頁，共32頁，2022年，5月20日，21點

14、48分，星期三 原子和光腔相互作用 冷阱束縛離子 電子或核自旋共振 量子點操縱 超導(dǎo)量子干涉 在量子算法不斷創(chuàng)新完善同時，量子計算機的物理實現(xiàn)（主要為量子邏輯門的構(gòu)造）也在探索當(dāng)中，目前已經(jīng)提出的方案主要利用了:第28頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三現(xiàn)在還很難說哪一種方案更有前景，其中 量子點方案 與 超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。第29頁，共32頁，2022年，5月20日，21點48分，星期三 1）量子通信（量子信息論）還處在萌芽狀態(tài)，正如剛剛發(fā)明無線電的18世紀，和剛發(fā)明電子計算機的20世紀中葉。還有很多課題和理論有待研究解決。2）量子通信與量子計算機是一個綜合學(xué)科，它已大大超出了電子學(xué)與經(jīng)典信息論的范疇，需要物理學(xué)、量子力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的研究合作，才能推動它的不斷成熟。 發(fā)展前景：第30頁，共32頁，