量子信息
![本页使用了标题或全文手工转换](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cd/Zh_conversion_icon_m.svg/35px-Zh_conversion_icon_m.svg.png)
量子信息是以量子力学基本原理为基础,把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊,进行计算、编码和信息传输的全新信息方式[1]。
量子資訊最常見的單位是為量子位元(qubit)——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。然而不同於古典數位狀態(其為離散),一個二狀態量子系統實際上可以在任何時間為兩個狀態的疊加態,這兩狀態也可以是本徵態。
基础
重大发现
1927年,海森堡发现在测量粒子动量和位置的时候会导致h/4π的误差(两者误差相乘)。测量时位置的误差越小,动量的误差就会变得相当大。而h/4π就是这个误差的下限(也就是说两者误差的乘积大于等于h/4π)。这一结论最终被称作不确定性原理。
1935年,阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論,客观上揭示了量子纠缠现象。
1984年,查尔斯·貝內特(Charles Bennett)與吉勒·布拉薩(Gilles Brassard)提出一种量子密码分发协议,后被称为BB84协议[2]。
1994年,數學家彼得·秀爾發現針對整數分解的秀爾演算法(Shor算法)。2001年,IBM使用NMR實做的量子計算機以及7個量子位元展示了秀爾演算法的實例,將15分解成3×5[3]。
相干特性
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a6/EPR-Experiment_Bohm_1676x516_zh.png/350px-EPR-Experiment_Bohm_1676x516_zh.png)
由于量子相干性,量子比特在测量过程中会表现出与经典情况完全不同的行为[4]。测量仪器与被测系统的相互作用会引起所谓的波包塌缩。这时相干性将被彻底破坏,即发生了所谓的量子退相干[5]。量子纠缠是多比特系统特有的量子性质。两个比特的量子系统不仅有经典系统中的4种不同的状态,并且可以处在非平凡的双粒子相干叠加态(量子纠缠态)上,这构成了量子通讯的物理基础[1]。
领域
量子通信
美国在2005年建成了DARPA量子网络[6][7],连接美国BBN公司、哈佛大学和波士顿大学3个节点。中国在2008年研制了20km级的3方量子电话网络[8][9][10]。2009年构建了一个4节点全通型量子通信网络[11],大大提高了安全通信的距离和密钥产生速率,同时保证了绝对安全性[12][13][14][15]。同年,“金融信息量子通信验证网”在北京正式开通,是世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。2014年中国远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里,刷新世界纪录[16]。2016年8月16日,中国发射一颗量子科學實驗衛星「墨子號」,連接地面光纖量子通信網絡[17][18],并力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通信网。
量子计算
量子计算机由包含有导线和基本量子门的量子线路构成,导线用于传递量子信息,量子门用于操作量子信息[19]。
2015年5月,IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破,開發出四量子位原型電路(Four Quantum Bit Circuit),成為未來10年量子電腦基礎。另外一項是,可以同時發現兩項量子的錯誤型態,分別為Bit-Flip(位元翻轉)與Phase-Flip(相位翻轉),不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態,使量子電腦運作更為穩定。[20]2016年8月,美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子位元组成的可编程量子计算机[21][22]。
量子雷达
量子雷达属于一种新概念雷达,是将量子信息技术引入经典雷达探测领域,提升雷达的综合性能[23]。量子雷达具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特点,未来可进一步应用于导弹防御和空间探测,具有极其广阔的应用前景[24]。根据利用量子现象和光子发射机制的不同,量子雷达主要可以分为三个类别:一是量子雷达发射非纠缠的量子态电磁波;二是量子雷达发射纠缠的量子态电磁波;三是雷达发射经典态的电磁波[25]。2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2013年義大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測,證明其有實戰價值的可能性[26]。中国首部基于单光子检测的量子雷达系统由中国电科14所研制,中国科学技术大学、 中国电科27所以及南京大学协作完成[27]。不过专家表示,量子雷达想要实现工程化可能还有比较漫长的路要走[28]。
量子博弈
量子博弈是Eisert等人在1999年提出的,游戏者可以利用量子规律摆脱所谓的囚徒困境[1],防止某一玩家因背叛而获利[29]。
参考来源
- ^ 1.0 1.1 1.2 量子信息简介 (PDF). 中国科学院物理研究所. [2016-09-27]. (原始内容 (PDF)存档于2016-10-01).
- ^ C. H. Bennett and G. Brassard. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing (PDF). In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, (紐約). 1984, 175: 8 [2016-08-22]. (原始内容 (PDF)存档于2016-03-04).
- ^ Vandersypen, Lieven M. K.; Steffen, Matthias; Breyta, Gregory; Yannoni, Costantino S.; Sherwood, Mark H. & Chuang, Isaac L., Experimental realization of Shor's量子factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, Nature, 2001, 414 (6866): 883–887, doi:10.1038/414883a.
- ^ O'Connell, A. D.; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D. & Wang, H. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature. 2010, 464 (7289): 697–703. Bibcode:2010Natur.464..697O. PMID 20237473. doi:10.1038/nature08967.
- ^ Maximilian A. Schlosshauer. Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition. Springer Science & Business Media. 1 January 2007. ISBN 978-3-540-35773-5.
- ^ (英文)C. Elliott, “Building the quantum network”, New J. Phys. 4, 46 (2002).
- ^ (英文)C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J.Schlafer, and H. Yeh, Current status of the DARPA Quantum Network, Quantum Information and Computation III, E. J. Donkor, A. R. Pirich, and H. E. Brandt, eds., Proc. SPIE 5815, 138--149 (2005).
- ^ T.-Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, W.-Q. Cai, L. Ju, W.-Y. Liu, J. Wang, H. Yin, K. Chen, Z.-B. Chen, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, “Field test of a practical secure communication network with decoy-state quantum cryptography”, Opt. Exp. 17, 6540-6549 (2009). [1] (页面存档备份,存于互联网档案馆) 于2010年4月1日查阅
- ^ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
- ^ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
- ^ 潘建伟科研团队。[2] (页面存档备份,存于互联网档案馆)于2010年4月1日查阅
- ^ (英文)W.-Y. Hwang, “Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication”, Phys. Rev. Lett. 91, 057901 (2003).
- ^ (英文)X.-B. Wang, “Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography”, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
- ^ (英文)H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, “Decoy state quantum key distribution”, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
- ^ 世界首个全通型量子通信网络落户中科大。《科技日报》,存档副本. [2016-06-27]. (原始内容存档于2010-04-14). 于2010年4月1日查阅
- ^ 中国量子密钥分发安全距离创纪录. [2016-08-22]. (原始内容存档于2014-11-29).
- ^ 世界第一個量子衛星!中國7月首射掀起通訊新革命. ETtoday 新聞雲. 2016年5月26日 [2016-06-27]. (原始内容存档于2016-06-25).
- ^ 我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”. 2016-08-16 [2016-08-16]. (原始内容存档于2016-08-15).
- ^ 郭光灿.量子信息概论 (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ [3] (页面存档备份,存于互联网档案馆),iThome新聞,2015年5月1日
- ^ 全球首台可编程量子计算机在美国诞生. 搜狐新聞. [2016-08-05]. (原始内容存档于2017-03-05).
- ^ Debnath, S.; Linke, N. M.; Figgatt, C.; Landsman, K. A.; Wright, K.; Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 2016-08-04, 536: 63–66 [2016-08-22]. doi:10.1038/nature18648. (原始内容存档于2019-07-01) (英语).
- ^ 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 腾讯新闻. 观察者网. 2016-09-07 [2016-09-27]. (原始内容存档于2020-04-02).
- ^ 张文. 中国量子雷达研发获突破 隐身战机“克星”将至. 中国新闻网. 解放军报. 2016年9月22日 [2016-09-27]. (原始内容存档于2020-04-02).
- ^ 铁流. 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 观察者. 2016-09-07 [2016-09-27]. (原始内容存档于2020-08-11).
- ^ 鳳凰衛視-神秘量子雷達. [2016-09-27]. (原始内容存档于2019-05-02).
- ^ 贾婧. 中国研制成功首部量子雷达. 科学网. 科技日报. 2016-09-14 [2016-09-27]. (原始内容存档于2020-12-01).
- ^ 专家:量子雷达还不成熟 对付F35要靠现有装备. 凤凰军事. 环球时报. 2016年9月25日 [2016-09-27]. (原始内容存档于2020-04-02).
- ^ Simon C. Benjamin and Patrick M. Hayden, Multiplayer quantum games, Physical Review A, 13 August 2001, 64 (3): 030301, Bibcode:2001PhRvA..64c0301B, arXiv:quant-ph/0007038
, doi:10.1103/PhysRevA.64.030301, arXiv:quant-ph/0007038 (页面存档备份,存于互联网档案馆)
參考文獻
- Vlatko Vedral: Introduction to quantum information science. Oxford Univ. Pr., Oxford 2006, ISBN 0-19-921570-7
- Dirk Bouwmeester: The physics of quantum information – quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-66778-4
- Dieter Heiss: Fundamentals of quantum information – quantum computation, communication, decoherence and all that. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43367-8
- Dagmar Bruss, Gerd Leuchs: Lectures on quantum information. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-40527-5
- Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с. (俄文)
- Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо. Ижевск: РХД, 2000. 172 с. (俄文)
- Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М.: Мир, 2006. 824 с. (俄文)
- Прескилл Дж. РХД, 2008. 464 с. ISBN 978-5-93972-651-1 (俄文)
- Холево А. С. Введение в квантовую теорию информации. М.: МЦНМО, 2002. 128 с. ISBN 5-94057-017-8 (俄文)
- Хренников А. Ю. Введение в квантовую теорию информации. М.: Физматлит, 2008. 284 с. ISBN 978-5-9221-0951-2 (俄文)
- Квантовая криптография: идеи и практика / под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. — Мн., 2008. — 392 с. (俄文)
- Kilin S. Ya. Quanta and information / Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90. (俄文)
- Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527. [4] (页面存档备份,存于互联网档案馆) (俄文)
延伸阅读
- Charles H. Bennett and Peter W. Shor, "Quantum Information Theory," IEEE Transactions on Information Theory, Vol 44, pp 2724–2742, Oct 1998
- Gregg Jaeger's book on Quantum Information(published by Springer, New York, 2007, ISBN 0-387-35725-4)
- Lectures at the Institut Henri Poincaré (slides and videos)
- International Journal of Quantum Information (页面存档备份,存于互联网档案馆) World Scientific
- Quantum Information Processing (页面存档备份,存于互联网档案馆) Springer
- Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information" (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- J. Watrous, The Theory of Quantum Information (Cambridge Univ. Press, 2018). Freely available at [5] (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- John Preskill, Course Information for Physics 219/Computer Science 219 Quantum Computation, Caltech [6] (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Masahito Hayashi, "Quantum Information: An Introduction" (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Masahito Hayashi, "Quantum Information Theory: Mathematical Foundation" (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Charles H. Bennett, Peter W. Shor, "Quantum Information Theory" [7] (页面存档备份,存于互联网档案馆) Template:CiteSeerX
- Wilde, Mark M., Quantum Information Theory, Cambridge University Press, 2017, Bibcode:2011arXiv1106.1445W, arXiv:1106.1445
, doi:10.1017/9781316809976.001
- Vlatko Vedral, "Introduction to Quantum Information Science" (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Weedbrook, Christian; Pirandola, Stefano; García-Patrón, Raúl; Cerf, Nicolas J.; Ralph, Timothy C.; Shapiro, Jeffrey H.; Lloyd, Seth. Gaussian quantum information. Reviews of Modern Physics. 2012, 84 (2): 621–669. Bibcode:2012RvMP...84..621W. arXiv:1110.3234
. doi:10.1103/RevModPhys.84.621.
参见
外部連接
- Валиев К. А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография (页面存档备份,存于互联网档案馆) Вестник РАН. Том 70. N.8. (2000) с.688-695. (俄文)
|
|
|