信息的傳輸與通信技術(shù) 課件 第五章未來通信

現(xiàn)代智能控制實用技術(shù)叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries信息的傳輸與通信技術(shù)信息的傳輸與通信技術(shù)簡介

《現(xiàn)代智能控制實用技術(shù)叢書》共分為四本，其內(nèi)容按照信號傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調(diào)制與解調(diào)

信息的傳輸與通信技術(shù)

智能控制技術(shù)的應用

本書系統(tǒng)地對信息傳輸與現(xiàn)代通信技術(shù)的密切關系、通信技術(shù)的發(fā)展簡史，現(xiàn)代通信技術(shù)的特點和發(fā)展趨勢進行了介紹；

簡述了世界通用的有線通信的載波技術(shù)、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點、優(yōu)勢、不足及適用領域。信息的傳輸與通信技術(shù)簡介

本書還對現(xiàn)代通信技術(shù)的“高速公路”，即光導纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍牙和可見光通信技術(shù)進行原理、功能及應用的闡述。

對未來的通信技術(shù)，即量子通信技術(shù)的概況進行介紹，并預測量子通信技術(shù)將在計算機技術(shù)、通信傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等方面應用的可期待前景。

本書可作為大專院?；蚋叩仍盒Ｖ悄芸刂祁愊嚓P專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設計、制造、應用領域工作的工程技術(shù)人員作為參考資料。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

自動控制、智能控制、智慧控制是相對ＡＩ控制技術(shù)的普遍話題。在當今的生產(chǎn)、生活和科學實驗中具有重要的作用。

在控制技術(shù)中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠程監(jiān)測（遙測）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)（遙調(diào)）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量。

而信號則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號是物理性的，并且隨時間而變化，這是信號的本質(zhì)所在。

在無線電通信中，電磁波信號承載著各種各樣的信息。所以信號是有能量的物質(zhì)，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學上，信號可以表示為關于一個或幾個獨立變量的函數(shù)，也可以表示隨時間或空間變化的圖形。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

實際的信號中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關心的有用信息，有些是我們不關心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測信息轉(zhuǎn)化為可觀察的信號，提取所研究對象的有關信息，將原始信息轉(zhuǎn)換成信號。將有效信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)男盘?，或?qū)⑿盘柗糯?，或?qū)⑤^低頻率的原始信息“調(diào)制”到較高頻率的信號；滿足遠距離傳輸?shù)囊?，或?qū)⒃寄M信息處理為數(shù)字信號等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責”———信息的收集與調(diào)制。然后，將調(diào)制后的信號置于所選取的傳輸通道上進行傳輸，使調(diào)制后的信號傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經(jīng)傳輸線路傳送來的信號后，然后進行調(diào)制器的反向操作“解調(diào)”。即將高頻信號或數(shù)字信號還原成原始信息。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

原始信息通過揚聲器器（還原的音Ⅳ頻信號）、顯示器（還原的圖像或視頻信號）、打（還原的計算結(jié)果）或進行力學、電磁學、光學、聲學等轉(zhuǎn)換，對原始信息控制目的物進行作用，從而達到智能控制的目的。本套叢書就是對智能控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的一些關鍵技術(shù)的原理、特性、基本計算公式和方法、基本結(jié)構(gòu)的組成、各個部分參數(shù)的選取，以及主要應用場合及其優(yōu)勢和不足等問題進行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調(diào)制”、“調(diào)制信號的傳輸“、“調(diào)制信號的解調(diào)”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應用”這一線索展開，對比較典型的智能控制系統(tǒng)，應用于實踐的設計計算及控制的邏輯關系進行舉例論述。本套叢書雖然經(jīng)歷了十多年的知識積累，但仍然覺得時間倉促，加之水平有限，錯誤與疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。編撰者

蘇遵惠

信息的傳輸與通信技術(shù)

叢書序

前言第一章簡說通信技術(shù)與信息傳輸?shù)谌?jié)現(xiàn)代通信技術(shù)特點第五節(jié)網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展第二章世界通用的通信技術(shù)

第二節(jié)有線通信的載波通信技術(shù)

第三節(jié)微波接力通信和衛(wèi)星微波

通信第三章通信技術(shù)的“高速公路”第一節(jié)通信技術(shù)的“高速公路”

概述

第二節(jié)無線通信的第五代移動通信技術(shù)——５Ｇ第三節(jié)近距離小容量無線通信技術(shù)——無線保真通信、藍牙通信、可見光通信第四節(jié)有線通信的光導纖維通信技術(shù)

第四章通信技術(shù)的綜合應用———脈沖碼編調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)第五章未來的量子通信技術(shù)

第一節(jié)量子通信技術(shù)

第二節(jié)量子計算機的工作原理附錄附錄Ａ名詞術(shù)語及解釋附錄Ｂ相關技術(shù)標準參考文獻重點目錄

信息的傳輸與通信技術(shù)正文

第五章未來的通信技術(shù)

第一節(jié)量子通信概述

第二節(jié)量子計算機的工作原理

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

（一）量子（quantum）

定義：一個物理量如果有最小的單元而不可連續(xù)地分割，則稱這個物理量是量子化的，并把最小的單元稱為量子。

（二）量子通信（Quantumcommunication）

定義：利用量子疊加態(tài)和糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。

基于量子力學中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理，提供了無法被竊聽和計算破解的絕對安全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

（三）量子計算機（QuantumComputer）

定義：一種基于量子理論的計算機，遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

（四）量子信息學的構(gòu)成及包涵的內(nèi)容見右圖所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

量子通信原理框圖見下圖所示?？梢娋哂辛孔与[形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)，無法被竊聽和計算破解的絕對安全性保證

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信1、量子計算機的研發(fā)狀況

量子計算機應用的是量子比特，可以同時處在多個狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計算機那樣只能處于0或1的二進制狀態(tài)。

2017年5月3日，中國科學技術(shù)大學潘建偉教授領導的研究團隊宣布，利用量子點單光子源，構(gòu)建了世界首臺單光子量子計算機。

2017年12月，德國康斯坦茨大學與美國普林斯頓大學及馬里蘭大學的物理學家合作，開發(fā)出了基于硅雙量子位系統(tǒng)的穩(wěn)定的量子門。2018年12月6日，由中國合肥的本源量子開發(fā)了首款量子計算機控制系統(tǒng)“原Q量子系統(tǒng)”（OriginQQuantum，AIO）。

2019年1月10日，IBM宣布推出世界上第一臺商用的集成量子計算系統(tǒng)（IBMQSystemOne）。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信2、量子理論是現(xiàn)代物理學的理論之一

1）相對論（Theoryofrelativity）

2）量子論（Quantumtheory）量子論給我們提供了新的關于自然界的表述方法和思考方法。揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射等已發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信3、量子理論是現(xiàn)代物理學的發(fā)展

19世紀末經(jīng)典物理學理論已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的階段，幾個主要部門——力學，熱力學和分子運動論，電磁學以及光學，已經(jīng)建立了完整的理論體系，在應用上也取得了巨大成果，其主要標志是：

機械運動當速度遠小于光速的情況下，嚴格遵守牛頓力學的規(guī)律；

電磁現(xiàn)象總結(jié)為麥克斯韋方程組；

光現(xiàn)象有光的波動理論，最后也歸結(jié)為麥克斯韋方程組；

熱現(xiàn)象有熱力學和統(tǒng)計物理的理論。

但是，從實驗上出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)，如固體比熱、黑體輻射、光電效應、原子結(jié)構(gòu)……給物理學帶來了一場深刻的革命。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信4、物理學的重大實驗與發(fā)現(xiàn)

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信（四）舊量子論的建立

突出的是以下三個問題：

1、黑體輻射問題;1893年維恩（德）(WinhelmWein,1864-1928)提出黑體輻射能量分布定律，即維恩公式。直接導致了量子論的誕生。1900年普朗克（德）(MaxPlanck,1858-1947)提出了:電磁振蕩只能以"量子"的形式發(fā)生，量子的能量E和頻率u之間有一確定的關系：

[E=hu]，其中h為普朗克常量：h=6.6260755×10-34J?S

注：普朗克公式見書本P167圖5-2所示；

維恩曲線／瑞利－金斯曲線／普朗克曲線圖見書本P168圖5-3所示；

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（四）舊量子論的建立——普朗克、愛因斯坦、玻爾同為奠基者

2、光電效應問題：1905年愛因斯坦發(fā)表了著名論文《關于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點》。他總結(jié)了光學發(fā)展中微粒說和波動說的歷史，在普朗克能量子假說的基礎上，提出了光量子假說和光電方程：

Ｅｋ＝ｈｕ－Ｗ０（Ｗ和材料有關）

3、波爾理論：普朗克和愛因斯坦的工作在物理學史上有其重要的地位，但使量子理論產(chǎn)生深遠影響的是玻爾。

1913年玻爾寫出了他著名的《原子與分子結(jié)構(gòu)》Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的三篇論文。在這三篇論文中，玻爾提出了與經(jīng)典理論相悖的兩個重要的假設：定態(tài)假設和躍遷假設。提出了量子化條件，即電子的角動量J只能是h的整數(shù)倍。這里他運用了對應原理。較好地了解決原子的穩(wěn)定性問題

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（四）舊量子論的建立——普朗克、愛因斯坦、玻爾同為奠基者

4、德布羅意物質(zhì)波：

1922年，德布羅意發(fā)表關于黑體輻射的論文為標志，他用光量子假設和熱力學分子運動論推導出維恩輻射定律，而從光子氣的假設，得出普朗克定律，他在1924年的博士論文《量子論的研究》論述了“任何物體伴隨以波，而且不可能將物體的運動和波的傳播分開”。這就是說，波粒二象性并不只是光才具有的特性，而是一切粒子共有的屬性。

把微觀粒子的粒子性質(zhì)（能量E和動量p）與波動性質(zhì)（頻率ν和波長λ）用德布羅意關系聯(lián)系起來：

即E=hν，p=hν/c=h/λ=?kp=?k，k=2π/λ

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動力學——現(xiàn)代量子論的建立

舊量子理論出現(xiàn)于1900—1925年，是量子理論的早期階段，其包括：１）普朗克量子假說（1900年）：輻射量子假說，普朗克常數(shù)。２）愛因斯坦光量子理論（1905年）：解釋了光子能量、動量與輻射頻率及波長的關系，解決了光電效應、低溫固體比熱的問題。３）波爾的原子量子理論（1913年）：原子中的電子只在分立的軌道上運動，原子具有確定的能量，其能量態(tài)轉(zhuǎn)變時吸收或輻射能量。4）德布羅意的波粒二相假設，并為實驗所證實。

舊量子理論主要是對經(jīng)典物理理論加以修正或附加某些條件，用以解釋微觀世界，并不能從根本上創(chuàng)立全新的對微觀世界的研究的理論。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動力學——現(xiàn)代量子論的建立

完成現(xiàn)代量子論是薛定諤（奧），他于1925年在德布羅意波理論的基礎上，以波動方程的形式建立了新的量子理論——波動力學。

推導出一個光子的能量就可表示為：

計算出許多物理量可以量子化，普朗克就定義了五個最基本的度量宇宙單位。見表5-2所示。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動力學——現(xiàn)代量子論的建立

表5-2普朗克五個最基本的度量宇宙單位信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（一）量子計算技術(shù)

１、定義基于量子力學原理，借助微觀粒子量子態(tài)的疊加、糾纏和不確定性，以全新的方式進行編碼、存儲和計算的技術(shù)。２、特征

能夠?qū)崿F(xiàn)量子并行計算，核心特征是具有超強計算能力和儲存能力。1）運用量子計算超強運算能力，可快速破譯現(xiàn)有密碼體系;2）可以對海量情報數(shù)據(jù)進行實時分析處理，大幅度提升評估與決策能力。

3）可以有效解決高性能、大數(shù)據(jù)計算問題，縮短建模仿真時間，提升研發(fā)效率。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（二）量子通信技術(shù)

（１）定義利用量子力學原理和微觀粒子的量子特性進行信息傳

輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。

（２）內(nèi)容主要包括量子密鑰傳輸和量子隱形傳態(tài)兩種。

１）量子密鑰傳輸

２）量子隱形傳態(tài)３）量子糾纏４）量子通信的優(yōu)勢：①超大信息容量；②超高通信速率；③超遠距離傳輸；④工作機制為“一次一密”。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（二）量子通信技術(shù)

５）量子通信的應用①在軍事應用方面，利用量子密鑰傳輸進行保密通信；

②利用量子隱形傳態(tài)，可大幅度提高通信質(zhì)量與效率，例如水下通信（見右圖所示）為深海遠洋通信提供新的技術(shù)途徑；③有助于構(gòu)建安全、實時、高效的遠距離軍事信息網(wǎng)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（三）量子探測技術(shù)

量子探測技術(shù)是利用量子糾纏和相干疊加特性，對物體進行測量或成像的技術(shù)，主要包括量子成像技術(shù)、量子雷達技術(shù)和量子傳感技術(shù)等。

１）量子成像技術(shù)是利用量子光場實現(xiàn)超高分辨率成像；

２）量子雷達技術(shù)是基于量子糾纏理論，將量子信息調(diào)制到雷達信號中，從而實現(xiàn)目標探測；

３）量子傳感技術(shù)是利用量子信號對環(huán)境變化的敏感度來提高測量精度。量子探測技術(shù)具有重要的軍事應用價值，將實現(xiàn)全天候、反隱身、抗干擾作戰(zhàn)。未來，量子信息技術(shù)將逐步走向成熟，在指揮控制、情報偵察、軍事通信等軍事領域具有廣泛的應用前景。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

一、量子計算機

以函數(shù)ｙ＝ｆ（ｘ），ｘ∈Ａ為例：

普通的數(shù)字計算機

在“0”和“1”的二進制系統(tǒng)上運行，稱為比特（bit）。

其輸入?yún)?shù)是ｘ，得到輸出值ｙ，要多次計算才能得到值域Ｂ，即ｙ＝ｆ（x）,ｘ∈Ａ,ｙ∈Ｂ

量子計算機

在量子比特上運算，可以計算“0”和“1”之間的數(shù)值。

其輸入?yún)?shù)是定義域Ａ，一步到位得到輸出值域Ｂ，即Ｂ＝ｆ（A）量子計算機有一待解決的問題，即輸出值域B只能隨機取出一個有效值y。使輸出集B中的元素遠少于輸入集A中的元素，當需要取出全部有效輸出值時仍需要多次計算。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

1、量子理論量子論的一些基本論點并不顯得“玄乎”，但它的推論顯得很“玄”。

按照量子論假設一個量子距離，即最小距離的兩個端點Ａ和Ｂ，物體從Ａ不經(jīng)過Ａ和Ｂ中的任何一個點，就能直接到達Ｂ。即物體在Ａ點突然消失，與此同時在Ｂ點出現(xiàn)。而在宏觀世界無法找到這樣的例子，量子論把人們在宏觀世界里建立起來的許多常識和直覺推翻了。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

2、模擬系統(tǒng)在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。而量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)不僅提供了量子并行計算的可能，還帶來許多奇妙的性質(zhì)。如可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進行測量得出計算結(jié)果；在數(shù)學形式上，經(jīng)典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是經(jīng)典計算機無法勝任的。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

量子態(tài)就是量子狀態(tài)，即微觀粒子所可能具有的狀態(tài)——能量狀態(tài)。

原子中的電子具有能級狀態(tài)，即這些電子的能量是量子化的，電子只可能具有某條能級所對應的能量。

晶體的電子具有能帶狀態(tài)，即這些電子的能量也是量子化的，但電子只可能具有某個能帶中的某條能級所對應的能量。

理解：好比在一個教室中有許多座位，某個學生可以去占據(jù)某個座位，某個座位也可以空著。這里的座位就相當于量子態(tài)，學生就相當于微觀粒子。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

二、理論背景及算法理論

（二）算法理論1、量子計算概念

量子計算機控制原子或小分子的狀態(tài)，記錄和運算信息。

1994年貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（PeterShor）證明量子計算機能做出離散對數(shù)運算，速度遠勝傳統(tǒng)計算機。因為量子可以同時表示多種狀態(tài)。一次運算可以處理多種不同狀況，因此，一個40比特的量子計算機，就能在很短時間內(nèi)解開1024位計算機花上數(shù)十年解決的問題。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計算

量子計算機是使用量子邏輯進行通用計算的設備。其用來存儲數(shù)據(jù)的對象是量子比特，使用量子算法來進行數(shù)據(jù)操作。量子信息學中，量子信息的基本單位是量子比特(qubit，復數(shù)qubits)，稱為量子位。一個qubit是一個雙態(tài)量子系統(tǒng)，是一個二維希爾伯特空間，是描述態(tài)矢的抽象空間，由于光子的偏振態(tài)以及電子的自旋態(tài)都只有兩個正交取向，即相當于相互垂直的兩個坐標軸，所以是二維。量子位數(shù)就是雙態(tài)量子系統(tǒng)的個數(shù)。如果采用光子的偏振態(tài)，那么有幾個光子，就有幾個量子位數(shù)，如果采用電子同理。

2012年10月物理學家組織基于硅材料內(nèi)的單個原子制成了首個可工作的量子位。為研發(fā)超強大的量子計算機鋪平了道路。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計算要說清楚量子計算，首先看經(jīng)典計算機。

經(jīng)典計算機從物理上可以被描述為：對輸入信號序列按一定算法進行變換的機器，其算法由計算機的內(nèi)部邏輯電路來實現(xiàn)。（1）其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號，用量子力學的語言來描述即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學量的本征態(tài)。

例如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即|0110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。而經(jīng)典計算機不可能輸入如下疊加態(tài)：

C1|0110110>+C2|1001001>。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計算（2）經(jīng)典計算機內(nèi)部的每一步變換都演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個性質(zhì)，其輸入用一個具有有限能級（如二能級系統(tǒng)）的量子系統(tǒng)來描述，量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。（3）量子計算機的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；（4）量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計算機對輸出態(tài)進行一定的測量，給出計算結(jié)果。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

二、理論背景及算法理論

3、承載16個量子位的硅芯片

量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，經(jīng)典計算是一類特殊的量子計算。其最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換（計算）相當于一種經(jīng)典計算，所有這些經(jīng)典計算同時完成，這就是量子的并行計算特征。

D-Wave系統(tǒng)為基于硅芯片實現(xiàn)了16個量子位，如圖所示。并計劃在未來增加量子位的數(shù)量，如達到32個，直至1024個。隨著量子位數(shù)量的增加，計算能力預計將呈指數(shù)級增長。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

三、研究的歷程及意義

（一）研究的歷程

最早發(fā)表“基于量子力學的信息處理”的文章是亞歷山大.豪勒夫（1973）、帕帕拉維斯基（1975）、羅馬.印戈登（1976）和尤里.馬尼（1980）年。

1969年史蒂芬·威斯納最早提出“基于量子力學的計算設備”。即國際上首款量子計算機誕生。

1982年理查德.費曼在一個演講中提出利用量子體系實現(xiàn)通用計算。

1985年大衛(wèi).杜斯提出了量子圖靈機模型。

1994年彼得.秀爾證明量子計算機完成對數(shù)運算。

2018年12月6日首款國產(chǎn)量子計算機控制系統(tǒng)OriginQQuantumAIO在合肥誕生，該系統(tǒng)由本源量子開發(fā)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況1、研發(fā)趨勢

正如貝奈特（Bennett）教授所說，“現(xiàn)在的量子計算機只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是5年，10年，甚至是50年以后”；

我國科技大學的郭光燦教授則宣稱，他領導的實驗室將在5年之內(nèi)研制出實用化的量子密碼！

科學技術(shù)的發(fā)展過程充滿了偶然和未知，就是物理學泰斗愛因斯坦也沒想到，為了批判量子力學而假想出來的EPR態(tài)，在六十多年后不僅被證明是存在的，而且還被用來做量子計算機。

在量子的狀態(tài)下不需要任何計算過程，計算時間，量子進行空間跳躍?？梢哉f量子芯片，是終極的芯片。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況2、國外研究狀況1920年，奧地利人埃爾溫·薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克，共同創(chuàng)建了一個前所未有的新學科——量子力學。美國的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學院、IBM、和斯坦福大學、武漢物理教學所、清華大學四個研究組已實現(xiàn)7個量子比特量子算法演示。2001年，科學家在具有15個量子位的核磁共振量子計算機上成功利用秀爾算法對15進行因式分解。2005年，美國密歇根大學的科學家使用半導體芯片實現(xiàn)離子囚籠（iontrap）。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。2009年，耶魯大學的科學家制造了首個固態(tài)量子處理器。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況2、國外研究狀況2009年11月15日，世界首臺可編程的通用量子計算機正式在美國誕生。同年，英國布里斯托爾大學的科學家研制出基于量子光學的量子計算機芯片，可運行秀爾算法。2010年3月31日，德國于利希研究中心發(fā)表公報：德國超級計算機成功模擬42位量子計算機。

2011年4月，來自澳大利亞和日本的科研團隊在量子通信方面取得突破，實現(xiàn)了量子信息的完整傳輸。

2011年5月11日，加拿大的D-WaveSystemInc.發(fā)布了一款號稱“全球第一款商用型量子計算機”的計算設備“D-WaveOne”，還沒有得到學術(shù)界廣泛認同。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況2、國外研究狀況2012年2月，IBM聲稱在超導集成電路實現(xiàn)的量子計算方面取得數(shù)項突破性進展。

2013年5月D-WaveSystemInc宣稱NASA和Google共同預定了一臺采用512量子位的D-WaveTwo量子計算機。2017年12月，德國康斯坦茨大學與美國普林斯頓大學及馬里蘭大學的物理學家合作，開發(fā)出了一種基于硅雙量子位系統(tǒng)的穩(wěn)定的量子門。量子門作為量子計算機的基本元素，能夠執(zhí)行量子計算機所有必要的基本操作。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

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三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況3、我國突破性成果

2013年6月8日，由中國科學技術(shù)大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊首次成功實現(xiàn)了用量子計算機求解線性方程組的實驗。相關成果發(fā)表在2013年6月出版的《物理評論快報》上。實驗的成功標志著我國在光學量子計算領域保持著國際領先地位。

2017年5月3日，中國科學技術(shù)大學潘建偉教授宣布，研究團隊在2016年首次實現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質(zhì)量子點單光子源構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的單光子量子計算機。

2018年12月6日，首款國產(chǎn)量子計算機控制系統(tǒng)OriginQQuantumAIO在合肥誕生，該系統(tǒng)由本源量子開發(fā)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

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三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況3、我國突破性成果

2004年中國科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實現(xiàn)更遠距離的量子通信。

2005年在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏"拆分"、發(fā)送的世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。

2007年開始中國科大--清華大學聯(lián)合研究小組在北京架設了16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實現(xiàn)了世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎。引起了國際學術(shù)界的廣泛關注。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

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三、研究的歷程及意義

（三）研究意義

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。

如何實現(xiàn)量子計算？方案不少，問題很難！問題是在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了。

已經(jīng)提出的方案主要利用了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、超導量子干涉等。還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

三、研究的歷程及意義

（三）研究意義

將來也許會脫穎而出一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對于電子計算機一樣。

研究量子計算機的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機。關鍵是其概念煥然一新，這是量子計算機與其他如光計算機和生物計算機等的不同之處。量子計算機的作用遠不止是解決一些經(jīng)典計算機無法解決的問題。未來計算機類型除了量子計算機外，還包括：激光計算機、分子計算機、DNA計算機和生物計算機等。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

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四、應用領域

1、可能的應用領域

量子計算主要應用于復雜的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理與計算難題；基于量子加密的網(wǎng)絡安全服務；基于在計算方面的優(yōu)勢，在金融、醫(yī)藥、人工智能等領域量子計算都有著廣闊的市場。2、商用量子計算機的問世

2007年加拿大計算機公司D-Wave展示了全球首臺商用量子計算機“Orion（獵戶座）”，它利用了量子退火效應來實現(xiàn)量子計算。2011年推出有128個量子位的D-WaveOne型量子計算機，2013年宣稱NASA與谷歌公司共同預定了一臺具有512個量子位的D-WaveTwo量子計算機。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

四、應用領域

3、NSA的加密破解計劃

2014年1月3日美國國家安全局（NSA）投入4.8億研發(fā)一款用于破解加密技術(shù)的量子計算機，希望破解幾乎所有類型的加密技術(shù)。

4、編程通用量子計算機的誕生

2009年11月15日世界首臺可編程的通用量子計算機正式在美國誕生。根據(jù)測試程序顯示，該計算機還存在部分難題需要解決和改善?？茖W家們認為，可編程量子計算機距離實際應用已為期不遠。5、單原子量子信息存儲的實現(xiàn)

2013年5月德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科研小組，首次成功地實現(xiàn)了用單原子存儲量子信息——將單個光子的量子狀態(tài)寫入一個銣原子中，經(jīng)過180微秒后將其讀出。此突破有望助力設計出功能強大的量子計算機，并讓其遠距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡”。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

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四、應用領域

6、線性方程組量子算法的實現(xiàn)

2013年6月8日由中國科學技術(shù)大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊的陸朝陽、劉乃樂研究小組，在國際上首次成功實現(xiàn)了用量子計算機求解線性方程組的實驗。7、金剛石建成首臺量子計算機

2015年12月中國科技大學研究小組建立了一個可以使用相應的方式退出體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠進行更為大量的計算。這一新模型卻能夠在普通的房屋內(nèi)也能夠安全存放。其量子計算能夠在普通室溫的條件下工作，是借助于金剛石中少量的氮來完成的。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

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五、深度探究——量子態(tài)與量子計算機

電子做穩(wěn)恒的運動，具有完全確定的能量。這種穩(wěn)恒的運動狀態(tài)稱為量子態(tài)（quantumstate）。量子態(tài)是由一組量子數(shù)表征的，這組量子數(shù)的數(shù)目等于粒子的自由度數(shù)。1、量子傳輸

2010年6月1日世界頂級科學刊物《自然》雜志的子刊《自然-光子學》以封面論文的形式刊登了這項成果：一個量子態(tài)在八達嶺消失后，在并沒有經(jīng)過任何載體的情況下，瞬間出現(xiàn)在了16Km以外。實驗的名稱叫作自由空間量子隱形傳態(tài)，由中國科學技術(shù)大學與清華大學組成的聯(lián)合小組共同完成。這一成果代表著量子通信應用的巨大飛躍。美國國際科技信息網(wǎng)站盛贊!其主要應用領域，現(xiàn)在思考有以下幾個方向。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計算機的工作原理

五、深度探究——量子態(tài)與量子計算機

2、量子通信

量子存在一種奇妙的"糾纏"運動狀態(tài)。中科大教授彭承志將一對糾纏狀態(tài)下的光子比作有"心電感應"的兩個粒子。

再用個更貼切的比喻，糾纏光子就好像一對"心有靈犀"的骰子，甲乙兩人身處兩地，分別各拿其中一個骰子，甲隨意擲一下骰子是5點，與此同時，乙手中的骰子會自動翻轉(zhuǎn)到5點。這聽起來就像一場魔術(shù)表演。只是，甲和乙之間傳送的只是類似"轉(zhuǎn)成5點"之類的信息，而不是實物。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

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五、深度探究——量子態(tài)與量子計算機

3、隱性傳輸距離

這段16公里的旅程創(chuàng)造了新的世界紀錄，這是目前這個星球中量子態(tài)在自由空間中所能隱形傳輸?shù)淖钸h距離。

在量子態(tài)隱形傳輸旅程中，每一點距離的進步都可以被視為一座里程碑。

1997年年底位于奧地利的蔡林格研究小組首次在實驗平臺上幾米的距離內(nèi)成功地進行了這一實驗。美國《科學》雜志卻將其列為該年度全球十大科技進展。1999年奧地利蔡林格研究小組的論文又與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論等重大研究成果一起，