信息技術(shù)導(dǎo)論-量子信息技術(shù)

量子信息技術(shù)本章內(nèi)容12.1量子理論發(fā)展概況12.2量子信息技術(shù)12.3量子信息技術(shù)典型應(yīng)用了解量子理論發(fā)展概況及發(fā)展的主要路徑了解量子信息的應(yīng)用場(chǎng)景以及量子計(jì)算、量子保密通信的最新發(fā)展掌握量子、量子比特、量子糾纏、量子保密通信的基本概念熟悉量子計(jì)算的核心思想以及量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)途徑熟悉量子保密通信的三個(gè)基礎(chǔ)以及量子保密通信的實(shí)現(xiàn)路徑學(xué)習(xí)目標(biāo)12.1量子理論發(fā)展概況

在微觀世界上，很多物理量都有一個(gè)不能再分下去的最小單元，這個(gè)最小單元就是“量子”，可以是單個(gè)粒子，也可以是粒子組合。不僅如此，光波、電磁波等也都是以最小的能量單元，離散地向外界輻射能量，這個(gè)最小的能量單元即量子。20世紀(jì)人類三大發(fā)現(xiàn)就是相對(duì)論、量子論和信息論。量子論的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了兩大領(lǐng)域：量子通信和量子計(jì)算。量子通信是量子論和信息論相結(jié)合的產(chǎn)物，是通信和信息領(lǐng)域研究的最前沿；量子計(jì)算是量子論的重要分支，它利用量子的特性進(jìn)行信息的存儲(chǔ)和處理，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的并行計(jì)算。第12章量子信息技術(shù)12.1.1量子理論發(fā)展的簡(jiǎn)要?dú)v程19世紀(jì)，以牛頓力學(xué)、熱力學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)為支柱的“物理大廈”構(gòu)建完畢，許多物理學(xué)家認(rèn)為：后世的工作只是對(duì)這個(gè)物理大廈進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)。這時(shí)，開爾文（L.Kelvin）發(fā)表著名的“晴朗的天空飄著兩朵烏云”論斷。

第一朵就是邁爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)本來是證明以太的存在，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光速不變。這在當(dāng)時(shí)以伽利略變換為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)無法解釋。后來愛因斯坦（A.Einstein）采用光速不變?cè)恚寐鍌惼澴儞Q代替伽利略變換，誕生了狹義相對(duì)論。

第12章量子信息技術(shù)

第二朵烏云就是黑體輻射瑞利-金斯公式的紫外發(fā)散。從經(jīng)典物理學(xué)角度來解釋黑體輻射，就會(huì)導(dǎo)出瑞利-金斯公式，這個(gè)公式在長(zhǎng)波時(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但到達(dá)短波以上波段，就不再符合，波長(zhǎng)越短誤差越大，這一現(xiàn)象從經(jīng)典物理學(xué)無法解釋。這一現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，直接導(dǎo)致了普朗克量子理論的提出。

第12章量子信息技術(shù)1900年，普朗克（M.Planck）發(fā)表一篇論文提出“量子”的概念，普朗克認(rèn)為電磁波不是連續(xù)波，而是一份一份向外輻射，對(duì)于頻率為v的電磁波，這一份份的能量為hv，h為普朗克常數(shù)，這一份最小的能量，普朗克稱之為“量子”。隨著頻率不同，這個(gè)最小的能量也不同。第12章量子信息技術(shù)1905年，愛因斯坦利用普朗克的量子假說，解釋了光電效應(yīng)。愛因斯坦看到普朗克的量子假說之后，更進(jìn)一步地認(rèn)為，電磁波本質(zhì)上就是由一份一份的能量組成，他稱為光量子，也就是光子，每個(gè)電子一個(gè)一個(gè)地吸收光子或輻射光子。如果頻率v太小，原子中的一個(gè)電子吸引了能量E=hv的光子，這個(gè)能量不足以讓這個(gè)電子跳出原子，變成自由電子而形成電流。只有讓電子吸收頻率v比較大的光子，電子才會(huì)跳出來形成電流。這就完美地解釋了光電效應(yīng)。第12章量子信息技術(shù)1911年，盧瑟福（E.Rutherford）團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原子的正電荷集中在非常小的中心區(qū)域，而電子圍繞著它運(yùn)動(dòng)。如果從經(jīng)典物理學(xué)來解釋這個(gè)模型，就會(huì)發(fā)現(xiàn)原子不穩(wěn)定，因?yàn)殡娮訃@著原子核運(yùn)動(dòng)，會(huì)不斷輻射能量，從而最終掉到原子核上。1915年，玻爾（N.Bohr）利用普朗克和愛因斯坦的理論解決了這個(gè)問題。如果電磁波是量子化的，那么電子只能在固定的軌道上運(yùn)動(dòng)，軌道之間有能量差，只有光子的能量滿足這個(gè)能量差，電子才會(huì)吸收它，并從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道，如果光子的能量不能滿足這個(gè)能量差，電子就不會(huì)吸收它，從而保持在自己的軌道上。第12章量子信息技術(shù)1923年，德布羅意（L.V.Broglie）提出“物質(zhì)波”的概念。他從愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的光具有波粒二象性，進(jìn)一步認(rèn)為電子也具有波粒二象性，也就是說，電子本身也是一種波，即物質(zhì)波。1925年，泡利（W.Pauli）提出了泡利不相容原理，即在一個(gè)電子軌道中，電子的4個(gè)量子數(shù)不能完全相同。這個(gè)原理說明了為什么原子里面一個(gè)軌道最多只能占據(jù)兩個(gè)電子，并解釋了原子的化學(xué)性質(zhì)從何而來。

這些理論和假設(shè)，都為量子力學(xué)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，作了前期的準(zhǔn)備。1922年，海森堡與玻恩、約當(dāng)合寫了一篇論文，宣告了量子力學(xué)的第一種形式——矩陣力學(xué)的誕生。后來泡利很快利用矩陣力學(xué)計(jì)算了氫原子能譜，符合了所有光譜觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的預(yù)言，一下子點(diǎn)燃了整個(gè)物理學(xué)界，于是1925年量子力學(xué)正式誕生了。第12章量子信息技術(shù)

量子力學(xué)誕生后，現(xiàn)代物理學(xué)除了大尺度的天體物理和宇宙學(xué)建立在廣義相對(duì)論之外，其他所有領(lǐng)域都需建立在量子力學(xué)的基礎(chǔ)之上。從量子力學(xué)發(fā)展過程來看，正是因?yàn)槌霈F(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)不能解釋的現(xiàn)象，才催生量子理論的誕生，所以發(fā)現(xiàn)問題是解決問題的前提，正視問題，是科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。第12章量子信息技術(shù)12.1.2量子力學(xué)發(fā)展的基本路徑

量子力學(xué)隨后的發(fā)展沿著“自上而下”的粒子物理和“自下而上”的凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)兩條路徑展開。

“自上而下”的粒子物理。量子場(chǎng)論建立的同時(shí)，核物理實(shí)驗(yàn)也在快速發(fā)展，意大利物理學(xué)家費(fèi)米帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用慢中子束成功誘導(dǎo)了核反應(yīng)，隨后德國物理學(xué)家哈恩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了核裂變，這就是后來的核武器的基礎(chǔ)。二次世界大戰(zhàn)中，量子力學(xué)的創(chuàng)始人幾乎都參與了核武器的研制。第12章量子信息技術(shù)20世紀(jì)50年代，費(fèi)曼（R.Feynman）、施溫格（Schwinger）和朝永振一郎（T.Sinitir?）通過重整化方法，完善了描述電磁相互作用的量子場(chǎng)論-量子電動(dòng)力學(xué)。楊振寧和李振道發(fā)現(xiàn)了弱相互作用的宇稱不守恒。20世紀(jì)60年代，溫伯格、薩拉姆和格拉肖等人在弱相互作用理論和希格斯機(jī)制的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了電磁相互作用和弱相互作用，即電弱統(tǒng)一理論。電弱統(tǒng)一理論和量子色動(dòng)力學(xué)合稱粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。這個(gè)模型所預(yù)言的粒子也不斷被發(fā)現(xiàn)。1962年發(fā)現(xiàn)中微子和中微子；1968年發(fā)現(xiàn)上夸克、下夸克和奇異夸克；1975年發(fā)現(xiàn)粲夸克和底夸克；1979年發(fā)現(xiàn)膠子；1983年發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子；1995年發(fā)現(xiàn)頂夸克；2000發(fā)現(xiàn)中微子；2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。第12章量子信息技術(shù)

“自下而上”的凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)。海森堡的學(xué)生布洛赫在第一次求解周期勢(shì)阱中的薛定諤方程時(shí)，得到的結(jié)果可以解釋電子在晶格中的行為。隨后量子力學(xué)開始大規(guī)模應(yīng)用在固體物理的研究中，不但揭示了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的本質(zhì)，而且成功解釋了20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的低溫超導(dǎo)現(xiàn)象。

在凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)方面，半導(dǎo)體材料的研制取得巨大成功，它是第三次科技革命，也稱為信息革命的核心材料?？淘诎雽?dǎo)體上的集成電路，也就是后來我們所說的芯片，徹底地改變了世界。巨磁阻作為磁性材料的一種量子性質(zhì)，它使得我們有大量的硬盤可用。超導(dǎo)體在很多方面也得到了大規(guī)模應(yīng)用，尤其是人類未來的兩大技術(shù)夢(mèng)想“可控核聚變”和“量子計(jì)算”，都會(huì)依賴超導(dǎo)體。第12章量子信息技術(shù)

量子光學(xué)是利用量子力學(xué)研究的量子性質(zhì)以及光與原子的相互作用的量子現(xiàn)象。激光可以說是20世紀(jì)僅次于半導(dǎo)體的偉大發(fā)明，激光是光的量子性質(zhì)的一個(gè)典型表現(xiàn)。在信息革命中，半導(dǎo)體解決了計(jì)算問題，激光則解決了通信問題，激光和光纖的組合使得大容量數(shù)字通信迅速發(fā)展。

當(dāng)今的信息技術(shù)背后的本質(zhì)主要是來自量子力學(xué)，即來自量子力學(xué)“自下而上”產(chǎn)生的凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)等方向。第12章量子信息技術(shù)12.2量子信息技術(shù)

人類歷史上迄今為止出現(xiàn)了三次科技革命。

第一次科技革命稱為工業(yè)革命，18世紀(jì)至19世紀(jì)中葉，以機(jī)械化和蒸汽機(jī)為代表，物理基礎(chǔ)為熱力學(xué)、剛體力學(xué)和流體力學(xué)。

第二次科技革命稱為電力革命，19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)中葉，也稱第二次工業(yè)革命，以電力大規(guī)模使用為代表，物理學(xué)基礎(chǔ)為電動(dòng)力學(xué)，第二次科技革命還提出了相對(duì)論和光量子假說。

第三次科技革命也稱為信息革命，從20世紀(jì)中葉一直持續(xù)到現(xiàn)代，以各類電子計(jì)算機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用為代表，物理基礎(chǔ)為凝聚態(tài)物理學(xué)、量子光學(xué)和核物理。第12章量子信息技術(shù)

量子力學(xué)研究電子和光子的性質(zhì)以及在材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，物理學(xué)家在20世紀(jì)50~70年代陸續(xù)發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管、激光器、集成電路、磁盤、光纖等技術(shù)，以此為基礎(chǔ)，20世紀(jì)80年代以來陸續(xù)誕生了PC、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等，人類文明進(jìn)入了信息時(shí)代。屬于“經(jīng)典信息”的革命，而不是量子過程。

當(dāng)我們能夠?qū)⑽镔|(zhì)呈現(xiàn)的量子狀態(tài)用作信息載體，并且信息的傳輸和計(jì)算過程可以用量子學(xué)描述和操控的時(shí)候，才構(gòu)成真正意義上的“量子信息學(xué)”。第12章量子信息技術(shù)12.2.1量子比特

在量子信息學(xué)中，信息的最小單元叫作量子比特（Qbit），一個(gè)量子比特就是0和1的量子疊加態(tài)。直觀來看，就是把0和1當(dāng)作兩個(gè)向量，一個(gè)量子比特可以是0和1這兩個(gè)向量的所有可能組合。一個(gè)量子比特就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的量子疊加態(tài)，即一個(gè)量子可以同時(shí)處于0和1兩個(gè)狀態(tài)，它既不是0也不是1，但是通過測(cè)量量子比特的狀態(tài)可以使其選擇或“坍縮”到0或1的確定結(jié)果。由N個(gè)量子比特組成量子序列可同時(shí)表征2N個(gè)不同的結(jié)果。第12章量子信息技術(shù)12.2.2量子糾纏

量子糾纏是多粒子的一種量子疊加態(tài)。在量子力學(xué)中，當(dāng)多個(gè)粒子相互作用后，相互作用的粒子綜合為整體的性質(zhì)，無法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體的性質(zhì)，這種現(xiàn)象被稱作量子糾纏。以雙粒子為例，一個(gè)粒子A可以處于某個(gè)物理量的疊加態(tài)，可以用一個(gè)量子比特來表示，同時(shí)另一個(gè)粒子B也可以處于疊加態(tài)。當(dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生糾纏，就會(huì)形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)，即糾纏態(tài)。當(dāng)產(chǎn)生糾纏態(tài)時(shí)，無論兩個(gè)粒子相隔多遠(yuǎn)，只要沒有外界干擾，當(dāng)粒子A處于0態(tài)時(shí)，粒子B一定處于1態(tài)；反之，當(dāng)粒子A處于1態(tài)，粒子B一定處于0態(tài)。第12章量子信息技術(shù)12.2.3量子計(jì)算

處于疊加態(tài)，一個(gè)量子比特可以同時(shí)代表0和1，對(duì)量子比特做一次操作，等于同時(shí)對(duì)0和1都做了操作。擴(kuò)展下去，如果一個(gè)10bit的數(shù)，經(jīng)典計(jì)算每次運(yùn)算只能處理一個(gè)數(shù)，但是量子計(jì)算可以處理一個(gè)10量子比特的疊加態(tài)，這就意味著量子計(jì)算每一次運(yùn)算最多可處理210=1024個(gè)數(shù)。以此類推，量子計(jì)算的速度與量子比特?cái)?shù)的關(guān)系呈2的比特次冪增長(zhǎng)關(guān)系（而經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度與比特?cái)?shù)僅僅是呈線性關(guān)系）。一個(gè)64位的量子計(jì)算機(jī)最高一次運(yùn)算就可以同時(shí)處理264（18446744073709551616）個(gè)數(shù)。第12章量子信息技術(shù)

有兩個(gè)重要的指標(biāo)決定著量子計(jì)算機(jī)的成功：一個(gè)是量子退相干時(shí)間，另一個(gè)是可擴(kuò)展性。退相干時(shí)間是指量子相干態(tài)與環(huán)境作用演化到經(jīng)典態(tài)的時(shí)間。由于量子計(jì)算必須在量子疊加態(tài)上進(jìn)行，因此量子計(jì)算機(jī)的退相干時(shí)間越長(zhǎng)越好；可擴(kuò)展性是指系統(tǒng)可以增加更多的量子比特，具有可擴(kuò)展性才能保證量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化。

量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)方案主要有以下幾種：

⑴

離子阱方案。離子阱方案是量子計(jì)算機(jī)最早提出的方案，用囚禁的離子的能級(jí)和振動(dòng)模式作為量子比特，該方案技術(shù)較為成熟，但可擴(kuò)展性差。

⑵

光量子方案。利用單光量子作量子比特，通過復(fù)雜電路系統(tǒng)測(cè)量光量子偏振來獲得比特信息。若光子不被吸收和散射，它的相干性就一直能保持，因此它的退相干時(shí)間可以很長(zhǎng)，但是可擴(kuò)展性受到光子線寬和集成光路等技術(shù)的限制。第12章量子信息技術(shù)

⑶

核磁共振方案。該方案是用小分子的原子核做量子比特，它有著出色的退相干時(shí)間，但是單個(gè)分子的大小完全限制了可擴(kuò)展性，發(fā)展前途十分有限。

⑷

超導(dǎo)電路方案。該方案是利用超導(dǎo)體中的約瑟夫森結(jié)來產(chǎn)生量子比特，雖然退相干時(shí)間短，但是可擴(kuò)展性很強(qiáng)。Google、阿里巴巴、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究團(tuán)隊(duì)都在這個(gè)方向上投入了巨大精力進(jìn)行研究。

⑸

金剛石方案。該方案利用金剛石中的色心缺陷做量子比特，在退相干時(shí)間和可擴(kuò)展性上受到樣品本身的限制。

⑹

超冷原子方案。這個(gè)方案與離子阱方案比較類似，可擴(kuò)展性有限，目前更多的是用來做凝聚態(tài)系統(tǒng)的量子模擬。第12章量子信息技術(shù)

量子計(jì)算機(jī)的研制從用途上來分，可以分為通用型和專用型。

通用型量子計(jì)算機(jī)指的是利用量子邏輯門控制量子比特來做量子計(jì)算，它可以看作是數(shù)字化的量子計(jì)算機(jī)。未來實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)一般都指通用型量子計(jì)算機(jī)，它需要大量的量子比特和量子邏輯門，對(duì)物理系統(tǒng)的可擴(kuò)展性要求很高，從目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，超導(dǎo)電路方案具有很大的優(yōu)勢(shì)。

專用型量子計(jì)算機(jī)是利用量子計(jì)算原理，針對(duì)某類特定的計(jì)算問題而研制的量子計(jì)算機(jī)。第12章量子信息技術(shù)

量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展大約可分為以下三個(gè)發(fā)展階段：

第一階段是“量子稱霸”階段：即專用量子計(jì)算機(jī)針對(duì)特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，學(xué)術(shù)界將這一成就稱為“量子稱霸”。一般實(shí)現(xiàn)量子稱霸大約需要50個(gè)量子比特的相干操縱。

第二階段是實(shí)用化量子模擬機(jī)階段：實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)量子比特相干操縱的專用性量子計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用于具有實(shí)用價(jià)值的組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面，指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等。

第三階段是通用可編程的量子計(jì)算機(jī)階段：即能夠相干操縱數(shù)億個(gè)量子比特，實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破譯、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。第12章量子信息技術(shù)12.2.4量子通信

美國物理學(xué)家本內(nèi)特（C.Bennett）和加拿大密碼學(xué)家布拉薩德（G.Brassard）在各自的研究中發(fā)現(xiàn)量子態(tài)的不可克隆性和測(cè)量坍縮性質(zhì)可以用在密碼學(xué)上，直接生成無法復(fù)制和截獲的密碼。于是兩人合作，結(jié)合量子力學(xué)和密碼學(xué)，于1984年發(fā)表了第一個(gè)量子密鑰分發(fā)方案，稱為BB84協(xié)議。1984年被稱為量子通信元年。第12章量子信息技術(shù)1.量子保密通信的基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的密碼學(xué)的安全保障是建立在數(shù)學(xué)算法的復(fù)雜度上，而量子密碼學(xué)的安全保障是建立在量子物理學(xué)的基本定理之上的。實(shí)現(xiàn)量子保密通信的關(guān)鍵點(diǎn)是量子密鑰分發(fā)（QuantumKeyDistribution，QKD），量子密鑰分發(fā)是通過光量子的信息編碼、傳遞、檢測(cè)等操作來實(shí)現(xiàn)的，如BB84協(xié)議，主要是利用光子的偏振態(tài)來傳遞信息的。其基礎(chǔ)是量子物理學(xué)的三個(gè)重要概念：第12章量子信息技術(shù)

⑴

海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理。該原理表明，對(duì)一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量就會(huì)改變其狀態(tài)，這意味著，監(jiān)聽者進(jìn)行測(cè)量時(shí)就會(huì)改變量子態(tài)的物理特性，從而使監(jiān)聽行為被檢測(cè)出來。

⑵

量子不可克隆原理。該原理指出無法以一個(gè)量子比特為基礎(chǔ)精確地復(fù)制出一個(gè)完美的副本。復(fù)制量子態(tài)的過程將必然會(huì)破壞其原有的量子比特信息。這意味著監(jiān)聽者無法復(fù)制量子比特承載的信息。

⑶

量子糾纏特性。在量子力學(xué)里，當(dāng)多個(gè)粒子彼此相互作用后，由各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合為整體的性質(zhì)，無法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，這種現(xiàn)象被稱為量子糾纏。該特性使得發(fā)生量子糾纏的雙方，其信息不可能泄漏給第三方。第12章量子信息技術(shù)2.QKD的工作機(jī)制

圖12.1是一種典型的基于制備-測(cè)量機(jī)制的QKD系統(tǒng)原理示意圖，當(dāng)發(fā)送方和接收方都需要進(jìn)行保密通信時(shí)，它們通過QKD來共享對(duì)稱加密密鑰。發(fā)送方和接收方都擁有建立量子信道所需的專用光學(xué)設(shè)備，并且都可以通過經(jīng)典信道來保證兩者之間的相互通信。第12章量子信息技術(shù)第12章量子信息技術(shù)

第12章量子信息技術(shù)

接下來，發(fā)送方和接收方通過經(jīng)典信道公開比對(duì)雙方在制備和測(cè)量光子時(shí)所選用的基。發(fā)送方和接收方隨機(jī)選擇會(huì)導(dǎo)致收發(fā)雙方存在使用部分相同的基，也存在使用不同基的情況。當(dāng)發(fā)送方和接收方使用相同的測(cè)量基時(shí)，測(cè)出的結(jié)果是兩端相同的，發(fā)送方和接收方會(huì)保留這些比特作為密鑰的一部分。當(dāng)發(fā)送方和接收方使用不同的測(cè)量基測(cè)量光子時(shí)，收發(fā)雙方測(cè)出的結(jié)果是完全隨機(jī)的，則應(yīng)將這部分測(cè)量結(jié)果丟掉，不在最后的密鑰中使用。

當(dāng)發(fā)送的每一個(gè)量子比特都被接收方接收后，發(fā)送方和接收方通過公共信道交互每一個(gè)光子時(shí)所使用的測(cè)量基類型，這就可以為收發(fā)雙方生成共享密鑰提供足夠的信息，但攻擊者是無法利用這些公開的信息獲取任何密鑰信息的。第12章量子信息技術(shù)

首先，攻擊者無法在不改變光量子態(tài)的情況下直接對(duì)光子進(jìn)行觀測(cè)，如果改變了光量子態(tài)，這帶來的誤碼率變化就會(huì)被發(fā)送方和接收方檢測(cè)到，從而將這些可能被竊聽的光子丟棄。

其次，發(fā)送方和接收方通過經(jīng)典信道進(jìn)行協(xié)商時(shí)，沒有透露每個(gè)量子態(tài)的最終測(cè)量結(jié)果，相反，只是透露用什么類型的基來測(cè)量。即使攻擊者得知發(fā)送方和接收方的測(cè)量方法，對(duì)于攻擊者來說，這時(shí)測(cè)量光子已經(jīng)太遲了，因?yàn)橐呀?jīng)被接收了。在量子態(tài)的發(fā)送和檢測(cè)步驟結(jié)束后，OKD還需要通過參數(shù)估計(jì)過程，通過對(duì)誤碼率等參數(shù)的評(píng)估識(shí)別當(dāng)前是否存在竊聽。然后，還需通過密鑰過程數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)、校驗(yàn)、隱私放大等后處理過程，保證收發(fā)兩端得到完全一致、安全的隨機(jī)數(shù)，用于雙方進(jìn)行保密通信所需的對(duì)稱密鑰。第12章量子信息技術(shù)QKD協(xié)議主要有以下幾類：

⑴

基于離散變量（Discrete-Variable，DV）編碼：DVQKD類協(xié)議在發(fā)送端需要將代表0或1的密鑰信息通過單光子的自旋（上或下）、偏振（水平或垂直）或不同路徑等分立的量子態(tài)進(jìn)行編碼。接收端則需要通過單光子探測(cè)器檢測(cè)信號(hào)。

⑵

基于分布式相位參考（Distributed-Phase-Reference，DPR）編碼：DPRQKD類協(xié)議則是將密鑰信息通過相鄰兩次發(fā)射的弱相干光脈沖的相對(duì)相位或光子到達(dá)時(shí)間來進(jìn)行編碼，接收端同樣需要單光子探測(cè)器來進(jìn)行檢測(cè)。

⑶

基于連續(xù)變量（Continuous-Variable，CV）編碼：CVQKD類協(xié)議中的密鑰信息是編碼在量化電磁場(chǎng)的正則分量，例如坐標(biāo)和動(dòng)量、振幅和相位等連續(xù)取值的連續(xù)變量。CVQKD可使用信號(hào)較強(qiáng)的多光子光源，也無須復(fù)雜的單光子探測(cè)器，采用經(jīng)典光通信中常用的零差或外差相干檢測(cè)技術(shù)即可。第12章量子信息技術(shù)

根據(jù)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式，特別是竊聽檢測(cè)方式不同，OKD協(xié)議還可以分為：基于制備-測(cè)量的QKD協(xié)議和基于糾纏的QKD協(xié)議。

⑴

基于制備-測(cè)量的QKD協(xié)議：這類協(xié)議均采用發(fā)送端編碼制備特定的光量子態(tài)，然后由接收端進(jìn)行檢測(cè)解碼。攻擊者在進(jìn)行竊聽時(shí)，需要對(duì)傳輸線路上的量子態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，再重新制備轉(zhuǎn)發(fā)給合法的接收方。根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，這個(gè)過程必然會(huì)引入一定的錯(cuò)誤率，從而被收發(fā)雙方識(shí)別。

⑵

基于糾纏的QDK協(xié)議：采用這類協(xié)議的通信雙方均需從第三方接收處于糾纏態(tài)的一部分光子，然后分別進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。根據(jù)量子糾纏特性，任何竊聽者的截取或測(cè)量操作必然會(huì)改變糾纏的光量子系統(tǒng)，這很容易被通信雙方測(cè)到。第12章量子信息技術(shù)3.量子隱形傳態(tài)

由于量子糾纏是非定域的，即兩個(gè)糾纏的粒子無論相距多遠(yuǎn)，測(cè)量一個(gè)粒子的狀態(tài)必然能同時(shí)獲得另一個(gè)粒子的狀態(tài)，物理學(xué)家自然想到利用這一特性傳輸信息。

但是，僅僅用量子糾纏是無法完成信息傳輸?shù)摹＜僭O(shè)兩個(gè)量子形成糾纏態(tài)，第一個(gè)量子取0態(tài)，第二個(gè)量子必然取1態(tài)；第一個(gè)量子取1態(tài)，第二個(gè)量子必然取0態(tài)。如果事先將兩個(gè)量子相互遠(yuǎn)離，把要傳的信息給自第一個(gè)量子編碼，當(dāng)讓第一個(gè)量子取確定值0時(shí)，第二個(gè)量子馬上就變成1，反之亦然。第一個(gè)量子作為發(fā)送者，第二個(gè)量子作為接收者，這樣就可以傳輸信息。但是，要想讓第一個(gè)量子取確定值，你必須去測(cè)量它。對(duì)第一個(gè)量子來說，它還是0和1各有一半的概率，你測(cè)量N次，每次只有1/2次的概率坍縮到你想要的確定值。所以發(fā)送者每次測(cè)量要挑選測(cè)對(duì)的N/2個(gè)來編碼。但這樣接收方對(duì)第二個(gè)量子就不明白了，因?yàn)闇y(cè)量結(jié)果是隨機(jī)的，接收方?jīng)]有方法知道你到底挑的是哪一半來編碼的。第12章量子信息技術(shù)

這個(gè)時(shí)候?yàn)榱藗鬟f信息，只能通過發(fā)送者用經(jīng)典通信讓接收端知道該挑哪些，這個(gè)經(jīng)典信道通信是沒有辦法超過光速的。它也限制了量子糾纏傳遞信息不能超過光速。而且用了這個(gè)經(jīng)典信道之后，本身就等于經(jīng)典通信了，因此用量子糾纏加經(jīng)典信道的方式傳輸經(jīng)典的二進(jìn)制比特意義不大。除了自帶不可截獲功能，其他方面不如直接用經(jīng)典數(shù)字通信。

但是借助于糾纏和經(jīng)典信道，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信道所不能做到的一件事，就是傳輸量子比特。這個(gè)利用量子糾纏傳輸量子比特的量子通信方式稱為“量子隱形傳態(tài)”（QuantumTeleportation）。所謂的隱形傳態(tài)，是指如果能夠在量子通信的雙方（A和B）之間建立最大的量子糾纏態(tài)，那么A和B之間可以通過經(jīng)典通信來協(xié)同兩地的操作，利用量子糾纏態(tài)，可以將A處待發(fā)送的量子態(tài)準(zhǔn)確無誤地傳送給B處。作為代價(jià)，成功傳送量子態(tài)的同時(shí)，量子糾纏態(tài)被毀。在這一量子通信過程中，承載A處量子態(tài)信息的物理量子系統(tǒng)并沒有被發(fā)送出去，該量子仍然待在A處。但是原先蘊(yùn)藏在該系統(tǒng)中的量子態(tài)信息已經(jīng)借助量子糾纏態(tài)中奇妙的量子關(guān)聯(lián)被傳送到B處，所以被稱為量子隱形傳態(tài)。第12章量子信息技術(shù)

量子隱形傳態(tài)協(xié)議分為如下幾步：

⑴

制備兩個(gè)粒子的量子糾纏，將其中一個(gè)粒子發(fā)送到A點(diǎn)，另一個(gè)粒子發(fā)送到B點(diǎn)。兩個(gè)粒子之間的糾纏態(tài)為4個(gè)貝爾基之一。

⑵

在A點(diǎn)另外一個(gè)粒子C攜帶想要傳輸?shù)牧孔颖忍?。假設(shè)A點(diǎn)和B點(diǎn)的EPR（Einstein-Podolsky-Rosen，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森）對(duì)處于糾纏態(tài)，則EPR對(duì)和粒子C形成總的糾纏態(tài)，由四個(gè)等概率幅值疊加而成。在A點(diǎn)的一方用某個(gè)貝爾基同時(shí)測(cè)量EPR粒子的粒子C，得到測(cè)量結(jié)果為上述的四個(gè)態(tài)之一。這個(gè)測(cè)量使得EPR對(duì)的糾纏解除，而A點(diǎn)的EPR粒子和粒子C則糾纏到了一起。

⑶A點(diǎn)的一方利用經(jīng)典信道把自己的測(cè)量結(jié)果告訴B點(diǎn)的一方。

⑷B點(diǎn)一方收到A點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果后，就知道了B點(diǎn)剩下的EPR粒子處于哪個(gè)態(tài)。如果A點(diǎn)一方的測(cè)量結(jié)果是4態(tài)中的1，則B點(diǎn)的一方不需要任何操作，A點(diǎn)到B點(diǎn)隱形傳態(tài)實(shí)現(xiàn)。如果測(cè)量結(jié)果是2、3、4，則B點(diǎn)的一方需對(duì)B點(diǎn)的EPR粒子做不同的幺正變換，于是隱形傳態(tài)實(shí)現(xiàn)。第12章量子信息技術(shù)12.3量子信息技術(shù)典型應(yīng)用12.3.1由量子力學(xué)支撐的信息技術(shù)1.固體能帶理論支撐的半導(dǎo)體技術(shù)

基于量子力學(xué)的能帶理論揭示了半導(dǎo)體的物理性質(zhì)，此后各種新的半導(dǎo)體材料，都是依據(jù)量子力學(xué)研制出來的，如半導(dǎo)體晶體管。2.量子光學(xué)支撐的激光

量子光學(xué)就是用量子力學(xué)來研究光的性質(zhì)，以及物質(zhì)對(duì)光的吸收和輻射，激光就是受激輻射的結(jié)果。光纖的出現(xiàn)為激光通信的大范圍應(yīng)用鋪平了道路。第12章量子信息技術(shù)3.量子力學(xué)支撐的磁盤

物體的磁性是由量子力學(xué)決定的。每個(gè)電子都具有1/2自旋，和電磁場(chǎng)相互作用時(shí)候，就表現(xiàn)出一個(gè)磁矩，即電子的自旋軸方向會(huì)和外界磁場(chǎng)方向趨于一致。當(dāng)原子電子沒有填滿電子軌道時(shí)，表現(xiàn)為順磁性，當(dāng)電子軌道都被填滿時(shí)，就表現(xiàn)為抗磁性，當(dāng)電子軌道填滿一半時(shí)，這些電子會(huì)自發(fā)地讓自旋方向一致，從而表現(xiàn)出宏觀的磁性。順著這一研究思路，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，巨磁材料由兩層鐵磁性材料中間夾一層非鐵磁性材料構(gòu)成。當(dāng)這兩層鐵磁性材料的磁矩方向相同時(shí)，巨磁阻材料的電阻會(huì)非常小，當(dāng)這兩層鐵磁材料的磁矩方向相反時(shí)，巨磁阻材料的電阻就會(huì)變得非常大。因此用微小磁性顆粒的磁場(chǎng)方向存儲(chǔ)信息，用巨磁阻材料作為磁頭，對(duì)應(yīng)磁頭上無電流和電流最大的兩個(gè)磁場(chǎng)方向編碼0和1，這樣就可以將大量的比特?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在一張磁盤上，再用巨磁阻磁頭讀寫，這就是計(jì)算機(jī)硬盤的原理。第12章量子信息技術(shù)4.顯示器和攝像頭中的量子光學(xué)原理

日常生活中，從熒光粉到日光燈，一直到LED（LightEmittingDiode，發(fā)光二極管）都屬于自發(fā)輻射熒光現(xiàn)象。

計(jì)算機(jī)和手機(jī)使用的顯示器是液晶顯示器，但是液晶本身并不發(fā)光，只有選擇讓光通過比例的功能，每個(gè)液晶顯示器的發(fā)光部分都是液晶屏背后的LED顯示屏。

電荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，CCD）是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，由光子打在每個(gè)像素點(diǎn)上被電子吸收，電子變成自由電子形成電流，電流的大小正比于光子的數(shù)量。光電效應(yīng)曾經(jīng)是愛因斯坦提出的光子的量子現(xiàn)象，本質(zhì)上可以利用量子光學(xué)中的光電離過程直接描述。CCD中常用到的“量子效率”是指從一個(gè)像素點(diǎn)產(chǎn)生的自由電子數(shù)和照射在這個(gè)像素點(diǎn)上的光子數(shù)的比例。第12章量子信息技術(shù)5.原子鐘量子力學(xué)決定的頻率標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)量子力學(xué)，E=hv，能級(jí)間隔越準(zhǔn)確，電子躍遷發(fā)射出的光子能量也就越準(zhǔn)確，那么光子的頻率v也就越準(zhǔn)確。選取合適的原子，把它的電子在能級(jí)間躍遷輻射出的光子的準(zhǔn)確頻率測(cè)量出來，這就是原子鐘的原理。今天全球時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是用銫原子鐘定義的，即用銫-133原子的最外層電子的基態(tài)能級(jí)和第一激發(fā)態(tài)之間的頻率作為標(biāo)準(zhǔn)。1s定義為9192631770除以該頻率，也就是以該頻率振蕩9192631770個(gè)周期所需要的時(shí)間。第12章量子信息技術(shù)12.3.2量子信息技術(shù)的最新應(yīng)用1.量子計(jì)算機(jī)

一臺(tái)實(shí)用型的量子計(jì)算機(jī)不僅要求量子比特的數(shù)量，更要求量子比特的質(zhì)量，如對(duì)一個(gè)2000位的數(shù)做Shor算法的因數(shù)分解，單個(gè)量子邏輯門的操控精度要求超過99.9999%，目前的技術(shù)水平無法達(dá)到如此高的操作精度的要求。理論上，只要我們的量子邏輯門操控精度可以達(dá)到一個(gè)閾值，例如99%，那么就可以通過增加比特?cái)?shù)量進(jìn)行冗余編碼的方式來提高量子邏輯門的操控精度。通常因數(shù)分解一個(gè)2000位的數(shù)大約需要1000個(gè)邏輯量子比特，每個(gè)邏輯比特大約由1000個(gè)物理量子比特組成。Google的兩比特門操作精度是99.3%，讀取保真度是99%，測(cè)控精度基本達(dá)到了量子糾錯(cuò)的閾值。于是Google在2019年實(shí)現(xiàn)了53比特的“量子優(yōu)越性”。

量子計(jì)算機(jī)目前正處在快速發(fā)展階段，還沒有形成實(shí)際的應(yīng)用。我國在光量子計(jì)算方面一直都處在世界領(lǐng)先地位。第12章量子信息技術(shù)2.量子保密通信

目前，實(shí)用化的量子保密通信主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：

⑴

誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)協(xié)議2003年美國西北大學(xué)提出了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)的最初想法，隨后2005年，清華大學(xué)的王向斌教授、加拿大多倫多大學(xué)的羅開教授分別獨(dú)立提出了誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)方案。誘騙態(tài)就是起到誘騙作用的量子態(tài)。由于光源的不完美，發(fā)送者有一定概率會(huì)發(fā)送粒子數(shù)為2（或者2以上）的量子態(tài)給接收者，而竊聽者就可以在其中做粒子數(shù)分離攻擊。誘騙態(tài)的核心思想是與其讓這些粒子數(shù)大于等于2的量子態(tài)被動(dòng)地截獲，不如干脆主動(dòng)出擊，自己制造這樣的量子態(tài)，來誘導(dǎo)竊聽者上當(dāng)受騙。2006年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離100km的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。第12章量子信息技術(shù)

⑵

中國量子保密通信“京滬干線”2008年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥實(shí)現(xiàn)了國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)。2009年又在世界上率先采用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)量子通信，距離突破至200km。2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥建成了世界上首個(gè)覆蓋整個(gè)合肥城區(qū)的規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著大容量的城域量