量子信息
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。
目录
1 基础
1.1 重大发现
1.2 相干特性
2 领域
2.1 量子通信
2.2 量子计算
2.3 量子雷达
2.4 量子博弈
3 参见
4 参考来源
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,查理斯·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
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]。
参见
- 信息论
- 量子力學詮釋
- 量子计算机
- 量子引力
- 量子信息科学
参考来源
^ 1.01.11.2 量子信息简介 (PDF). 中国科学院物理研究所. [2016-09-27].
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