量子信息学应用研究的三大热点

今天,信息科学正在以令人瞩目的方式推动社会文明进步并改善人类生活质量.随着人类对信息需求的持续增长,信息技术的发展也正日益受到人类的推动.然而,目前的信息系统功能已接近其极限值.过去30年间,电子计算机芯片上的晶体管数量每年以指数级增长,这一著名的摩尔定律指导原则表明,在可预见的未来内,单个芯片内的存储单元可能会减少至单个原子级别,而电路中的电子行为将由经典力学规律转变为量子力学规律.由此提出了一个问题:量子效应如何影响计算机运算速度？这也意味着信息科学的发展将需要依赖于新的理论基础与技术手段.

基于量子特性在信息领域中的显著优势，在提升计算速度的同时能够有效保障信息安全，并具备扩大数据存储容量以及精确提升数据检测能力等方面的能力, 从而有望突破现有经典信息系统所面临的局限性. 因此, 作为一门新兴学科, 量子信息学首先在信息技术领域获得广泛应用. 这门学科以量子力学中的态叠加原理为基础, 主要研究基于量子力学原理的信息处理方式. 作为交叉学科, 该学派涵盖了密码技术、通信技术和计算机技术等多个分支. 近年来, 在理论研究和实际应用方面均取得了令人瞩目的进展

量子计算机

一种物理装置基于量子力学规律实现快速数学运算与逻辑推理，并具备高效存储与管理量子信息的能力。若某设备仅从事处理与计算 Quantum Information 的任务，并运行 Quantum Algorithms，则其被定义为 Quantum Computer。Quantum Computer 概念的提出源于对 Reversible Computer 研究的需求。针对解决 Computer 能耗问题这一目标而展开研究。

在20世纪60至70年代期间

在量子计算领域中，无论是采用并行计算方式还是模拟计算方法，在本质上都依赖于某种形式的叠加态维持能力。然而，在实际应用中这一特性往往难以得到稳定维持。特别是在现代量子计算机体系中，单个的量子比特并非独立存在而是一个与环境持续互动的复杂系统这使得叠加态的有效维持面临严峻挑战即所谓的消相干现象这种现象的存在严重制约了大规模实用型 quantum 计算器的发展为此克服消相干成为克服其局限性的一个关键挑战目前研究的主要解决方案集中于借鉴经典纠错码的思想通过引入特殊的编码机制来增强系统的容错能力其中最成熟有效的方案主要包括三类：基于位前向错误校正的 quantum 纠错码基于相位前向错误校正的 quantum 位移校正码以及基于综合冗余度量下的 quantum 抗干扰码这些方法从不同角度对原始叠加态进行保护以期达到有效抑制干扰的目的

到目前为止，在量子计算领域还尚未出现真正意义上的量子计算机。然而，在这个充满热情的追求目标下، 全球各地的研究实验室正全力以赴地探索着这一理想。实现量子计算的方法和方案并不缺乏, 但就实验层面而言, 在操纵微观量子态方面仍面临着极大的挑战。目前所提出的各种方案都主要基于以下几种技术基础: 原子与光腔之间的相互作用; 被冷阱束缚的离子; 电子或核自旋共振; 量子点操纵; 和超导量子干涉等技术手段。在这些现有研究中, 尚不清楚哪种技术路线将具有更强的竞争优势, 但已知的是, 基于当前研究, 量子点操作技术和超导约瑟夫森结操作技术可能更适合于集成化与小型化的方向发展。未来也许现有的所有解决方案都将不再奏效, 而最终脱颖而出的独特设计将采用一种全新的架构模式, 并且这种新架构必然将建立在某种新型材料的基础之上——就像半导体材料对于传统电子计算机发挥着关键作用一样

量子通信

量子通信系统的主要组成部分包括光子产生装置、传输介质以及测量设备等关键设备。根据所传输信息的性质可分为两类：一类用于实现量子密钥分发；另一类则可用于执行量子隐形传态与量子纠缠分发任务。所谓的"隐形传送"是指无需依赖实体对象就能完成的信息传递过程。从物理学的角度来看这一过程可以这样理解：首先获取待传输物体的所有信息参数；然后将这些信息参数通过特定渠道传递至目标地点；接收端的专业技术团队依据接收到的信息数据选择与待传输物体完全一致的基本单元构建物件；然而受限于量子力学基本原理这一精确还原过程无法完美实现因此最终构造出的对象必定与原始物体存在本质差异。

1993年,6位来自不同国家的科学家提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案：通过将某个粒子的未知量子态传送到另一地点并将另一个粒子制备到该量子态上使原来的粒子仍然留在原处其基本思想是将原物的信息分为经典信息和量子信息两部分它们分别经由经典通道和量子通道传递给接收者经典信息是由发送者进行测量所获得的而量子信息则是发送者在测量中未提取的其余部分；接收者在获取这两种信息后便能够复制出原物的完整量子态这一过程中仅传递的是原物的量子态而非实体本身发送者甚至无需了解这个特定的量子态接收者则是在另一个粒子上实现了与目标状态相同的量子状态这种现象被称为纠缠态；由于纠缠态表现出非定域性这一特性已被贝尔不等式的实验结果所证实因此纠缠态在量子力学中展现出许多反直觉的现象；此外在这样的状态下两个相关联但无法用经典系统解释的状态被称为纠缠态而这种现象正是所谓的量子纠缠；值得注意的是在这个研究领域中能够通过类似方式生成两个或多个纠缠体之间关联的现象被称为纠缠体；这些现象不仅有助于我们深入理解自然界的运行机制而且在现代通信技术中具有重要应用价值尤其是在利用光子作为载体传输大量数据并实现理论上不可被破解的安全通信方面具有重要意义；1997年在中国学者潘建伟等人领导下首次实现了未知状态光子的空间传输这标志着国际上首次成功将一个光子从甲地传送到乙地；然而随着传送距离的增长由于环境干扰等问题导致光子间的纠缠状态质量逐渐下降因此如何维持高品质的纠缠体便成为了当前研究的核心难题；尽管许多研究团队提出了多种纯化方案但现有技术仍无法实现这些目标直到最近潘建伟等人发现了一种基于现有技术的新方案他们认为这种方法不仅可行还可能彻底解决长途量子通信中的关键问题这一成果受到了国际科学界的高度评价被视为远距离量子通信研究的重要里程碑

量子密码术

作为将密码技术与量子力学相结合的产品, 量子密码术主要利用了系统特有的量子特性. 最早将这一领域的知识应用于密码技术的是美国科学家韦斯纳. 韦斯纳在1970年提出了一个关键设想,即通过利用单粒子态来制造不可伪造的"电子货币". 然而要实现这一设想需持续长时间维持单粒子态,这在当时并不现实. 贝内特与布拉萨德在研究过程中发现了单粒子态虽然难以长期保存却具有传输信息的独特性质. 1984年时,贝内特与布拉萨德共同提出了第一个实用性的量子通信方案,即著名的BB84方案,这标志着现代密码技术的重要进步.

1992年时贝内特推出了更简单的B92方案

然而，在20世纪末期的人类科技水平仍不足以实现对量子态的有效控制。因此，在本世纪初阶段应当全力以赴推进量子技术的研发工作。