量子通信與量子計算

《量子通信與量子計算》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、萬方數(shù)據(jù)第21卷第6期2004年12月量子電子學報CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICSVbl．21NO．6Dec．2004文章編號：1007·5461(2004)06—0706-13量子通信與量子計算蘇曉琴-，一，郭光燦·(1中國科學院中國科學技術大學量子信息重點實驗室，安徽合肥230026；2運城學院物理與電子工程系，山西運城044000)摘要：量子信息學是物理學目前研究的熱門領域。它主要包括量子通信和量子計算。文章簡要介紹了量子通信和量子計算的理論框架，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)、量子并行計算、Shor以及Grover的量子算法，并介紹該領域的研究進展。關鍵詞：量子信息；量子通信；量子計算；量子糾纏；量子隱形傳態(tài)；量子密碼中圖分類號：TN91；TP301．4文獻標識碼：A1引言我們的時代是信息時代，信息科學與技術已經(jīng)深入到社會的各個方面。信息科學的飛速發(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和信息科學形成的一門新興交叉學科量子信息學。量子信息基于量子特性而具有獨特的信息功能，在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面，具有突破

3、現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)極限的能力。由于量子信息學潛在的巨大應用價值及重大的科學意義，不僅引起各國政府和科技界的廣泛關注，而且受到信息產(chǎn)業(yè)界和軍事部門的高度重視。因而量子信息科學作為目前最有吸引力的前沿領域之一，已經(jīng)成為國際學術界研究的熱點，量子信息技術將為人類帶來難以估量的影響。量子信息學主要包括量子通信和量子計算。本文簡要介紹這兩方面涉及的概念、類型、理論框架、發(fā)展狀況及相關問題。Z重于通信【quantumcommunication)量子通信是量子信息學的一個重要分支，是量子信息中研究較早的領域。量子通信是以量子態(tài)作為信

4、息單元來實現(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、，預示了量子力學基本問題未來的發(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，即對一個子系統(tǒng)的測量結果無法獨立于其他子系的測量參數(shù)。雖然，近些年來，隨著量子信息這一新興領域的蓬勃發(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誕生之初[引?；痦椖浚簢铱萍疾?73項目(2001CB309300)和國家自然科學基金項目(60121503)資助收稿日期：2004—07—0

7、8；修改日期：2004—07—19E-maihsxycxq@163．com萬方數(shù)據(jù)第6期蘇曉琴等：量子通信與量子計算707因為量子力學描述的物理實在具有無法消除的隨機性，所以，從它誕生之日起，圍繞量子力學中對其基本原理的詮釋和對其基本概念的理解的爭論就從未間斷過。爭論發(fā)生在以愛因斯坦為代表的經(jīng)典物理學家和以玻爾為代表的哥本哈根學派之間，爭論的核心實質(zhì)上是涉及“糾纏態(tài)”及其展現(xiàn)出的非局域關聯(lián)。最近20年來，由于實驗技術的巨大進展，這些爭論已不再停留在思辯性階段，而是可以依靠實驗來驗證，并由此引發(fā)了量子信息學的理論與實驗

8、的蓬勃發(fā)展。所謂“糾纏態(tài)”，是指復合系統(tǒng)的一種特殊形式的量子態(tài)，它在任何表象中，都無法寫成兩子系量子態(tài)的直積形式。兩個1／2自旋粒子體系的4個Bell基[3]就是最常見的兩體糾纏態(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，假定有兩個原子1和2，分別對應兩個量子態(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。當這兩個原子處于疊加態(tài)I妒一)時，我們只知道一個原子處于態(tài)10)，一個原子處于態(tài)11)，然而，并不知道哪個原子處于態(tài)IO)，哪個原子處于態(tài)11)，因此，這兩個原子是糾纏在一起的。因為糾纏態(tài)的每一分量均由兩個粒子的單態(tài)10)和f1)構成，所以處于糾纏態(tài)的兩個粒子有一個奇妙特性。一旦我們對其中一個粒子進行測量，確定了它的狀態(tài)