量子通信與量子計(jì)算

量子通信與量子計(jì)算

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第21卷第6期2004年12月量子電子學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICSVbl.21NO.6Dec.2004文章編號(hào):1007·5461(2004)06—0706-13量子通信與量子計(jì)算蘇曉琴-,一,郭光燦·(1中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230026;2運(yùn)城學(xué)院物理與電子工程系,山西運(yùn)城044000)摘要:量子信息學(xué)是物理學(xué)目前研究的熱門領(lǐng)域。它主要包括量子通信和量子計(jì)算。文章簡(jiǎn)要介紹了量子通信和量子計(jì)算的理論框架,包括量子糾纏、量子不可克隆定

2、理、量子密鑰分配、量子隱形傳態(tài)、量子并行計(jì)算、Shor以及Grover的量子算法,并介紹該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞:量子信息;量子通信;量子計(jì)算;量子糾纏;量子隱形傳態(tài);量子密碼中圖分類號(hào):TN91;TP301.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言我們的時(shí)代是信息時(shí)代,信息科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)深入到社會(huì)的各個(gè)方面。信息科學(xué)的飛速發(fā)展,使經(jīng)典信息系統(tǒng)受到巨大的挑戰(zhàn),從而誕生了由量子力學(xué)和信息科學(xué)形成的一門新興交叉學(xué)科量子信息學(xué)。量子信息基于量子特性而具有獨(dú)特的信息功能,在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測(cè)精度等方面,具有突破

3、現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)極限的能力。由于量子信息學(xué)潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值及重大的科學(xué)意義,不僅引起各國(guó)政府和科技界的廣泛關(guān)注,而且受到信息產(chǎn)業(yè)界和軍事部門的高度重視。因而量子信息科學(xué)作為目前最有吸引力的前沿領(lǐng)域之一,已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn),量子信息技術(shù)將為人類帶來(lái)難以估量的影響。量子信息學(xué)主要包括量子通信和量子計(jì)算。本文簡(jiǎn)要介紹這兩方面涉及的概念、類型、理論框架、發(fā)展?fàn)顩r及相關(guān)問(wèn)題。Z重于通信【quantumcommunication)量子通信是量子信息學(xué)的一個(gè)重要分支,是量子信息中研究較早的領(lǐng)域。量子通信是以量子態(tài)作為信

4、息單元來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的有效傳送的。在量子通信中,除了需要傳統(tǒng)的經(jīng)典信道外,更為主要的還需建立通信各方之間的量子信道。所謂量子信道實(shí)際上就是通信各方之間的量子糾纏。量子糾纏在通信中的應(yīng)用,創(chuàng)造出了用量子信道傳送經(jīng)典比特的“量子密集編碼”、用經(jīng)典輔助的辦法傳送量子態(tài)的“量子隱形傳態(tài)”以及信息保密傳送所需的“絕對(duì)安全的量子密碼”等經(jīng)典信息理論不可思議的奇跡。2.1量子糾纏(quantumentanglement)1935年,愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森(Einstein,PodolskyandRosen)提出了著名的EPR佯謬[

5、1

6、,預(yù)示了量子力學(xué)基本問(wèn)題未來(lái)的發(fā)展方向,量子糾纏態(tài)的概念正是在這一方向上產(chǎn)生的。量子糾纏是量子、力學(xué)不同于經(jīng)典物理的存在于多子系量子系統(tǒng)中的一種最奇妙、最不可思議的現(xiàn)象,即對(duì)一個(gè)子系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果無(wú)法獨(dú)立于其他子系的測(cè)量參數(shù)。雖然,近些年來(lái),隨著量子信息這一新興領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,量子糾纏逐漸成為人們的熱門話題,但它并不是什么新生事物,“糾纏”這一名詞的出現(xiàn)可以追溯到量子力學(xué)誕生之初[引?;痦?xiàng)目:國(guó)家科技部973項(xiàng)目(2001CB309300)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60121503)資助收稿日期:2004—07—0

7、8;修改日期:2004—07—19E-maihsxycxq@163.com萬(wàn)方數(shù)據(jù)第6期蘇曉琴等:量子通信與量子計(jì)算707因?yàn)榱孔恿W(xué)描述的物理實(shí)在具有無(wú)法消除的隨機(jī)性,所以,從它誕生之日起,圍繞量子力學(xué)中對(duì)其基本原理的詮釋和對(duì)其基本概念的理解的爭(zhēng)論就從未間斷過(guò)。爭(zhēng)論發(fā)生在以愛(ài)因斯坦為代表的經(jīng)典物理學(xué)家和以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派之間,爭(zhēng)論的核心實(shí)質(zhì)上是涉及“糾纏態(tài)”及其展現(xiàn)出的非局域關(guān)聯(lián)。最近20年來(lái),由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的巨大進(jìn)展,這些爭(zhēng)論已不再停留在思辯性階段,而是可以依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,并由此引發(fā)了量子信息學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)

8、的蓬勃發(fā)展。所謂“糾纏態(tài)”,是指復(fù)合系統(tǒng)的一種特殊形式的量子態(tài),它在任何表象中,都無(wú)法寫成兩子系量子態(tài)的直積形式。兩個(gè)1/2自旋粒子體系的4個(gè)Bell基[3]就是最常見(jiàn)的兩體糾纏態(tài)1、I空土12=÷(10)110)2土11)111)2),l寧}(1)j少士)12=÷(fo)lJ1)2-I-J1)1Io)2),l、/Z,假定有兩個(gè)原子1和2,分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)量子態(tài)10)和11),它們可以處在(1)式中其中之一的疊加態(tài)1I步一12=÷(Io),11)2一11)1lo)2),VZ其中l(wèi)o)·11)2表示原子1處于態(tài)Io),原子

9、2處于態(tài)11),余類推。當(dāng)這兩個(gè)原子處于疊加態(tài)I妒一)時(shí),我們只知道一個(gè)原子處于態(tài)10),一個(gè)原子處于態(tài)11),然而,并不知道哪個(gè)原子處于態(tài)IO),哪個(gè)原子處于態(tài)11),因此,這兩個(gè)原子是糾纏在一起的。因?yàn)榧m纏態(tài)的每一分量均由兩個(gè)粒子的單態(tài)10)和f1)構(gòu)成,所以處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子有一個(gè)奇妙特性。一旦我們對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量,確定了它的狀態(tài)

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