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简述量子科学的基本概念、性质、原理、现状与展望
简述量子科学的基本概念、性质、原理、现状与展望
9/17/2018 10:17:39 AM | 浏览:435 | 评论:0

简述量子科学的基本概念、性质、原理、现状与展望

1 引言

量子信息科学(Quantum Information)是以量子力学为基础,把量子系统“状态”所带有的物理信息,进行信息编码、计算和传输的全新信息技术。量子信息技术主要包括量子通信和量子计算,由于它们具有潜在的应用价值和重大的科学意义,正引起人们广泛的关注和研究。6park.com

本文首先介绍量子相关的基本概念、性质及基本原理;接着,从量子通信和量子计算两个部分阐述其原理与发展现状;然后,简单介绍了后量子密码学(也称抗量子密码体制)的发展情况;最后,对量子信息技术的发展进行总结与展望。6park.com

2 量子信息简介

在本章中,首先介绍量子和量子信息基本概念及相关特性;然后介绍量子信息学领域的研究分支及其研究内容。6park.com

2.1 量子概念

量子(Quantum)属于一个微观的物理概念。如果一个物理量存在最小的不可分割的基本单位[1],那么称这个物理量是可量子化的,并把物理量的基本单位称为量子。现代物理中,将微观世界中所有的不可分割的微观粒子(光子、电子、原子等)或其状态等物理量统称为量子。6park.com

量子这个概念最早由德国物理学家普朗克在1900年提出的,他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍,这很好地解释了黑体辐射的实验现象。即假设对于一定频率的电磁辐射,物体只以“量子”的方式吸收和发射,每个“量子”的能量可以表示为:

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,为普朗克常数。6park.com

量子假设的提出有力地冲击了牛顿力学为代表的经典物理学,促进物理学进入微观层面,奠定了现代物理学基础,进入了全新的领域。6park.com

2.2 量子基本特性

作为一种微观粒子,量子具有许多特别的基本特性,如量子力学三大基本原理:6park.com

量子测不准

也称为不确定性原理,即观察者不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的总是以一定的概率存在某一个不同的地方,而对未知状态系统的每一次测量都必将改变系统原来的状态。也就是说,测量后的微粒相比于测量之前,必然会产生变化。6park.com

量子不可克隆

量子不可克隆原理,即一个未知的量子态不能被完全地克拢在量子力学中,不存在这样一个物理过程:实现对一个未知量子态的精确复制,使得每个复制态与初始量子态完全相同。6park.com

量子不可区分

量子不可区分原理,即不可能同时精确测量两个非正交量子态。事实上,由于非正交量子态具有不可区分性,无论采用任何测量方法,测量结果的都会有错误。6park.com

除此之外,还包括以下基本特性:6park.com

量子态叠加性(superposition)

量子状态可以叠加,因此量子信息也是可以叠加的。这是量子计算中的可以实现并行性的重要基础,即可以同时输入和操作个量子比特的叠加态。6park.com

量子态纠缠性(entanglement)

两个及以上的量子在特定的(温度、磁场)环境下可以处于较稳定的量子纠缠状态,基于这种纠缠,某个粒子的作用将会瞬时地影响另一个粒子。爱因斯坦称其为:“幽灵般的超距作用”。6park.com

量子态相干性(interference)

量子力学中微观粒子间的相互叠加作用能产生类似经典力学中光的干涉现象。6park.com

2.3 量子信息

利用微观粒子状态表示的信息称为量子信息。量子比特(quantum bit或qubit)是量子信息的载体,它有两个可能的状态,一般记为

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,对应经典信息里的0和1。状态
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是二维复向量空间中的单位向量,它们构成了这个向量空间的一组标准正交基。量子比特的状态是用一个叠加态表示的,如
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,其中
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,而且测量结果为
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态的概率是
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,而得到
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态的概率是
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。这说明一个量子比特能够处于既不是
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又不是
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的状态上,而是处于和的一个线性组合的所谓中间状态之上。经典信息可表示为
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,而量子信息可表示为
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一个经典的二进制存储器只能存一个数:要么存 0,要么存 1。但一个二进制量子存储器却可以同时存储0和1这两个数。两个经典二进制存储器只能存储以下四个数的一个数:00,01,10 或 11。倘若使用两个二进制量子存储器,则以上四个数可以同时被存储下来。按此规律,推广到N个二进制存储器的情况,理论上,N个量子存储器与N个经典存储器分别能够存储

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个数和1个数。由此可见,量子存储器的存储能力是呈指数增长的,它比经典存储器具有更强大的存储数据的能力,尤其是当 N很大时 N=250 ),量子存储器能够存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多[1]6park.com

2.4 量子信息学

量子信息学是量子力学与信息科学形成的一个交叉学科,该领域主要包括两个领域:量子通信和量子计算。其中量子通信主要研究的是量子介质的信息传递功能进行通信的一种技术,而量子计算则主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。6park.com

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图 1 量子信息学的研究分支6park.com

3 量子通信

所谓量子通信,从概念角度来讲就是利用量子介质的信息传递功能进行通信的一种技术。它主要包括量子密钥分配、量子隐形传态等技术。量子密码(Quantum Cryptography)是利用量子力学属性开发的密码系统。与传统的密码系统不同的是,它的安全性依赖于量子力学属性(不可测量和不可克隆等)而不是数学的复杂度理论。量子密钥分配是研究最为成熟的量子密码技术。在本章中,我们首先简单地介绍量子通信系统的基本模型以及优势,然后介绍量子密钥分配和量子隐形传态的基本原理。接着,概述量子通信的目前研究与发展现状。最后,总结量子通信目前存在的问题。6park.com

3.1 量子通信系统基本模型

量子通信体系架构包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置以及经典信道等部分,其基本模型如图2所示。6park.com

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图 2 量子通信系统基本模型6park.com

量子通信过程可以从发送端和接收端两个角度理解。6park.com

在发送端,量子信源模块产生消息,消息通过量子编码模块转换成量子比特,量子比特通过量子调制模块得到以量子态为载体的量子信息,量子信息通过量子信道进行传输。除此以外,量子调制的模式信息(传统的信息)需要使用经典信道进行传输。6park.com

在接收端,将接收到两部分信息:量子信道接收量子信息;经典信道接收额外的经典信息。这两部分信息通过解调和解码模块后,获得最终的消息。6park.com

3.2 量子通信技术优势

量子通信与传统通信技术相比,具有如下主要特点和优势:6park.com

(1)时效性高。量子通信的线路时延近乎为零,量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍,传输速度快。6park.com

(2)抗干扰性能强。量子通信中的信息传输不通过传统信道(如传统移动通信为了使得通信不被干扰,需要约定好频率,而量子通信不需要考虑这些因素),与通信双方之间的传播媒介无关,不受空间环境的影响,具有完好的抗干扰性能。6park.com

(3)保密性能好。根据量子不可克隆定理,量子信息一经检测就会产生不可还原的改变,如果量子信息在传输中途被窃取,接收者必定能发现。6park.com

(4)隐蔽性能好。量子通信没有电磁辐射,第三方无法进行无线监听或探测。6park.com

(5)应用广泛。量子通信与传播媒介无关,传输不会被任何障碍阻隔,量子隐形传态通信还能穿越大气层。因此,量子通信应用广泛,既可在太空中通信,又可在海底通信,还可在光纤等介质中通信。6park.com

3.3 量子密钥分配基本原理

量子密钥分配(Quantum Key Distribution, QKD)以量子态为信息载体,通过量子信道使通信收发双方共享密钥,是密码学与量子力学相结合的产物。QKD 技术在通信中并不传输密文,而是利用量子信道将密钥分配给通信双方,由于量子力学的测不准和量子不可克隆定理,攻击者无法获取正确的密钥。6park.com

基于QKD 技术的保密通信系统结构如图3所示,其中上路负责密钥分配,下路负责传输加解密数据。在上路中,量子信道负责传输量子密钥,经典信道负责传输测量基[2]等额外需要的信息。下面,将以BB84[5]方案为例,具体地介绍两条信道起到的作用。6park.com

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图 3 基于QKD 的量子保密通信系统6park.com

BB84 方案。1984 年,Brassard与Bennett联合提出了第一个实用型量子密钥分配系统—BB84 方案,系统架构如图4 所示。6park.com

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图 4 BB84协议示意图[20]6park.com

该方案通过量子信道传送密钥,量子信道的信息载体是单个量子,通过量子的相位、极化方向或频率等物理量携带量子密钥信息。BB84 方案利用单个量子作为信息载体两组共扼基,每组基中的两个极化互相正交。由于理想状态的量子信道无法实现,BB84 方案还利用经典信道进行量子态测量方法的协商和码序列的验证。6park.com

假设Alice和Bob使用的是光量子系统,光的偏振态编码为量子信息,不同的偏振态代表量子比特

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。如图4,Alice有四种偏振片,水平和垂直方向(组成一组正交基)、-45°和+45°方向(组成一组正交基),因此可以制备四种不同偏振方向的光量子,分别代表
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。如图4,Bob有两种测量基,第一种可以接收和测量水平或垂直方向的光量子,判断是还是;同理第二种能接收和测量-45°或+45°的光量子,是
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还是
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有趣的现象:接收端必须使用正确的测量基,才能正确地测出量子比特(光量子的偏振态);使用错误的测量基,测量结果将发生错误,同时光量子的偏振态发生改变,如图5所示。6park.com

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图 5测量基对测量结果的影响[20]6park.com

有了以上基础后,理解BB84协议将变得相对容易,其主要步骤如下:6park.com

量子信道部分6park.com

(1)  Alice发送随机的量子比特串给Bob。Alice随机选择四种偏振片,制备不同偏振状态的光量子,得到足够多的随机量子比特并将其发送给Bob。6park.com

(2)  Bob随机选择测量基测量量子比特。由于Bob并不知道光量子是由发送端那一种测量基编码的,所以他也只能随机选择测量基来进行测量。当选择正确的测量基时,测量的结果正确。当使用错误的测量结果时,测量结果错误。6park.com

经典信道部分6park.com

(3)  Bob将使用的测量基发送给Alice。6park.com

(4)  Alice将接收的测量基与使用的测量基进行比较,并通过信息告诉Bob哪些位置的测量基是正确的。6park.com

(5)  Bob根据Alice的消息剔除错误的量子比特,并将选择少部分正确的测量结果告诉Alice。6park.com

(6)  Alice确认Bob测量结果的正确性。若错误,则说明存在量子信道可能存在窃听,停止通信或者返回第(1)步(由于实际的量子信道中也存在噪声,因此会根据一个错误率阈值判断是否窃听和停止通信)。若正确,剔除部分的量子比特,剩下的二进制串作为最终的密钥。并发送确认信息给Bob。6park.com

(7) Bob收到确认信息。同样剔除部分的量子比特,剩下的二进制串作为最终的密钥。6park.com

我们对BB84协议的安全性做一个简单的分析:6park.com

如果Eve在量子信道中旁路窃听,由于量子不可克隆,因此Eve无法复制出一份相同的量子比特副本;如果他在量子信道中直接测量光量子,由于Eve不知正确的测量基,他也会随机选择,有50%的概率选择正确,50%的概率选择错误。若选择的测量基错误,有上述的有趣的现象可知,测量结果错误,同时光量子的偏振态发生改变。当协议的步骤由(2)执行到(6)时,Alice将发现到量子信道的窃听,那么她将终止这一过程。6park.com

如果在经典信道进行窃听呢?实际上也是无效的。即使Eve知道了测量基信息(步骤(3)),然而由于量子不可克隆,无法得到正确的量子比特串副本。由以上分析可知,BB84协议基于量子不可克隆等原理,实现安全的密钥分配过程。6park.com

3.4 量子隐形传态基本原理

量子隐形传态( Quantum Teleportation)又称量子远程传态或量子离物传态,是利用量子纠缠的不确定特性,将某个量子的未知量子态通过EPR对(纠缠量子对)的一个量子传送到另一个地方(即EPR对中另一个量子),而原来的量子仍留在原处。如图所示6所示,Alice想和Bob通信,具体流程如下:6park.com

(1)制备两个有纠缠的EPR量子(粒子)对,然后将其分开,Alice和Bob各持一个,分别是粒子1和粒子2。6park.com

(2)Alice粒子1和某一个未知量子态的粒子3进行联合测量,然后将测量结果通过经典信道传送给接Bob。6park.com

此时,神奇的事情发生了:Bob持有的粒子2将随着Alice测量同时发生改变,由一量子态变成新的量子态。这是由于量子纠缠的作用,粒子2和粒子1之间如同有一根无形。6park.com

(3)Bob根据接收的息和拥有粒子2做相应幺正变换(一种量子计算变换),根据这些信息,可以重构出粒子3的全貌。6park.com

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图 6 量子隐形传态原理图6park.com

3.5 理论与试验研究进展

1993年,学术界给出了一种利用量子技术传输信息的实际方案,4年后量子通信技术在奥地利科学家的实验室中正式完成了实验验证。经过十多年的发展,量子通信先后实现了信息传递从600m(2007年)到通信距离144km(2012年)的巨大跨越,标志量子通信从理论阶段走向实用化阶段。下面从量子密钥分配和量子隐形传态两个主要研究领域进行介绍。6park.com

(1) 量子密钥分配6park.com

国外:1993年,英国研究小组首先在光纤中,使用相位编码的方法实现了BB84方案,通信传输距离达10km;1995年,该小组将距离提升到30km。瑞士于1993年用偏振光子实现了BB84方案,光子波长1.3mm,传输距离1.1km,误码率0.54%;1995年,将距离提升到23km,误码率为3.4%;2002年,传输距离达到67km。2000年,美国实现自由空间量子密钥分配通信,传输距离达1.6km。2003年,欧洲研究小组实现自由空间中23km的通信。2008年10月,欧盟开通了8个用户的量子密码网络;同月,日本将量子通信速率提高100倍,20km时通信速率达到1.02Mbit/s,100km时通信速率达到10.1kbit/s。目前,国外光纤量子密钥分配的通信距离达300km,量子密钥协商速率最高试验记录在50km光纤传输中超过1Mb/s[2]6park.com

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图7 北京—天津量子密码实验[1]6park.com

国内:2004年,郭光灿团队完成了途径北京望京—河北香河—天津宝坻的量子密钥分配,距离125km。2008年,潘建伟团队建成基于商用光纤和诱骗态相位编码的3节点量子通信网络,节点间距离达20km,能实现实时网络通话和3方通话。2009年,郭光灿团队建成世界上第一个“量子政务网”。同年9月,中国科技大学建成世界上第一个5节点全通型量子通信网络,实现实时语音量子密码通信。2011年5月,王建宇团队研发出兼容经典激光通信的“星地量子通信系统”,实现了星地之间同时进行量子通信和经典激光通信。2012年2月17日,合肥市城域量子通信实验示范网建成并进入试运行阶段,具有46个节点,光纤长度1700km,通过6个接入交换和集控站,连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。2013年5月,中科院在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面试验。同年11月,济南量子保密通信试验网建成,包括三个集控站、50个用户节点[2]。在2016年8月16日,我国发射首颗“墨子号”量子卫星,这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了新的一步。6park.com

(2) 量子隐形传态6park.com

1997 年,奥地利Zeilinger小组首次成功实现了量子隐形传态通信; 1998 年初,意大利Rome 小组实现将量子态从纠缠光子对中的一个光子传递到另一个光子上的方案; 同年底,美国CIT 团队实现了连续变量(连续相干光场)的量子隐形传态,美国学者用核磁共振( NMR)的方法,实现了核自旋量子态的隐形传送。2001 年,美国Shih Y H 团队在脉冲参量下转换中,利用非线性方法实施Bell 基的测量,完成量子隐形传态。2002年,澳大利亚学者将信息编码的激光束进行了“远距传物”。1997 年,我国潘建伟和荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输;2004 年,潘建伟小组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输,此后又首次实现6光子、8光子纠缠态; 2011 年,在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,解决了通讯卫星的远距离信息传输问题。2012年9月,奥地利、加拿大、德国和挪威研究人员,实现了长达143公里的“隐形传输”[2]6park.com

3.6 产业化进展与面临的挑战

量子通信的战略意义吸引了西方各国科研机构的关注,IBM、NIST、Battelle、NTT、东芝、西门子等著名公司和机构一直密切关注其发展并投资相关研究。英国政府在2013年发布了为期5年的量子信息技术专项,投入2.7亿英镑用于量子通信和量子计算等方面的研究成果转化,促进新应用和新产业的形成。国外成立了多个专门从事量子通信技术成果转化和商业推广的实体公司。例如美国的MagiQ公司和瑞士日内瓦大学成立的idQuantique公司等,能够提供QKD量子通信的商用化器件、系统和解决方案。法国电信研究院成立的SeQureNet公司从事连续变量量子密钥分发产品的开发。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室成立了Qubittek公司,主攻智能电网安全通信领域[4]6park.com

国内开展量子通信相关研究的代表性机构包括中国科学技术大学、中国科学院微系统所和技术物理所、清华大学、山西大学和南京大学等。以中国科学技术大学相关研究团队为核心发起成立了科大国盾量子、安徽问天量子和山东量子等产业化实体,进行量子通信前沿研究成果向应用技术和用化产品的转化,国家对量子通信领域持续的专项投入和政策扶持为其发展提供了强劲动力。6park.com

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(a)量子密钥分发机             (b)量子安全加密手机6park.com

图 8 科大国盾量子公司的产品6park.com

相比其他量子信息技术,QKD无论在理论中、试验中还是实际应用中,都已经取得了一些重要的进展。然而,大规模的应用和推广仍然面临一系列的困难和挑战[4],主要表现以下四个方面:6park.com

(1)初期市场规模和用户群体十分有限。量子通信目前主要面向的是有高安全性要求的特定应用场景,如银行、政务和国防等通信网络环境。传统通信业界对于量子通信的应用目前仍然持观望态度,参与度和热情较低。6park.com

(2)产业化供应链的建立尚需时日。QKD 系统采用的单光子源和光子探测器等核心器件与传统光学器件完全不同,生产将面临量子设备特有的器件参数、制造工艺等新的挑战,因此需要一段时间的发展与适应。6park.com

(3)行业标准与规范研尚不完善。对于任何高新技术而言,测试认证和标准化是商用化推广的必备条件,而新型测试认证技术的开发通常是非常复杂、昂贵和耗时的。目前测评技术和标准化研究已经成为量子通信实用化的一大瓶颈。6park.com

(4)基础设施建立目前难以实现。QKD 系统前期需要更多的投入与改造,将原有传统的通信系统升级量子通信系统,将消耗巨额的经济成本。QKD 系统的量子态信号和传统强光信号的混传,所以大规模量子通信组网需要额外的光纤资源进行支持,将对量子通信系统的应用造成限制。此外,量子通信无法共享传统光通信设备等基础设备,需要进行全新部署, 造成前期大量软硬件升级改造的高投入要求。6park.com

4 量子计算

量子计算利用量子态的叠加性和纠缠性信息的运算和处理,其最显著优势在于“操作的并行性”,即个叠加态的量子信息进行一次变换,相当于对个量子信息同时进行操作。在本章中,我们将首先介绍三种典型的量子算法的原理,进而介绍量子机器学习与深度学习算法相关知识,最后介绍量子计算机的基本原理和量子编码相关知识。6park.com

4.1 典型量子算法

量子算法是量子计算的灵魂。可以说,没有量子算法就无法实现量子计算的并行性。因此,寻找和设计量子算法是量子计算的关键。在量子算法的研究中,出现了三个里程碑式的重要算法:Shor算法,Grove算法和HHL算法,它们都具有较高的理论意义和应用价值。

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