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1、量子信息简介BriefIntroductiontoQuantumInformation量子信息是指以量子力学基本原理为基础、通过量子系统的各种相干特性(如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等)，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。根据摩尔（Moore）定律，每十八个月计算机微处理器的速度就增长一倍，其中单位面积（或体积）上集成的元件数目会相应地增加。可以预见，在不久的将来，芯片元件就会达到它能以经典方式工作的极限尺度。因此，突破这种尺度极限是当代信息科学所面临的一个重大科学问题。量子信息的研究就是充分利用量子物理基
2、本原理的研究成果，发挥量子相干特性的强大作用，探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯片极限提供新概念、新思路和新途径。量子力学与信息科学结合,不仅充分显示了学科交叉的重要性,而且量子信息的最终物理实现,会导致信息科学观念和模式的重大变革。事实上，传统计算机也是量子力学的产物，它的器件也利用了诸如量子隧道现象等量子效应。但仅仅应用量子器件的信息技术，并不等于是现在所说的量子信息。目前的量子信息主要是基于量子力学的相干特征，重构密码、计算和通讯的基本原理。1.量子相干性与量子纠缠在经典信息处理过程中，
3、刻画信息的二进制经典比特（Bit）由经典状态(如电压的高低)1和0表示。对于量子信息而言,由于微观世界中量子效应会鲜明地凸现出来,经典比特状态的1和0必须由两个量子态
4、1>和
5、0>来取代；处于这样两种不同状态之上的粒子就是量子信息的基本存储单元—量子比特（Qubit）。任意两态量子体系都可成为量子信息的载体，如二能级原子、分子或离子，光子偏振态或其它等效的自旋1／2的粒子。图1:二能级原子构成量子比特与经典比特本质不同，一个量子比特可以处在
6、0>和
7、1>的相干叠加态
8、u>=a
9、0>+b
10、1>2上。即，量子比特可以随机
11、地存在于状态
12、0>和
13、1>上，且在每种状态上出现的概率p=
14、c
15、由复数系数c=a,b确定。需要指出，这样的叠加态具有明显的量子相干特征，经典概率2p=
16、c
17、不足以描写这个叠加态，a和b相对的位相在量子信息过程中，起着至关重要的作用。1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。在经典力学中，至少在理论上可以构造理想的测量，使得测量本身不会本质地改变被测体系的状态。而在量子力学中则不然，测量仪器与被测系统的相互作用会引起所谓的波包塌缩：设
18、0>和
19、1>是力学量A的本征态，相应的本征值是a0和a
20、1。在
21、u>上对Ａ进行测量,一旦单一的测量得到了值a0，波函数便塌缩到
22、0>上。这时
23、，u>的相干性将被彻底破坏，即发生了所谓的量子退相干。正如在中子干涉问题中，一旦通过测量观测到中子到达屏的路径，干涉条纹将不复存在了。多比特系统特有的量子性质是所谓的量子纠缠（QuantumEntanglement）。两个比特的量子系统有4种不同的状态，即两个比特都在
24、0>上的状态
25、0，0>，两个比特都在
26、1>上的状态
27、1，1>，第一个比特在
28、0>上同时第二个比特在
29、1>上的状态
30、0，1>以及第一个比特在
31、1>上同时第二个比特在
32、0
33、>上的状态
34、1，0>。这一点与两个比特经典系统的情况一样。不同的是，2比特量子系统可以处在非平凡的双粒子相干叠加态—量子纠缠态上，如1/2
35、EPR>=（1/2）（
36、0，1>+
37、1，0>）其非平凡性表现在它不能够分解为单个相干叠加态的乘积，从而呈现出比单比特更丰富的、更奇妙的量子力学特性：想象
38、EPR>描述了处在自旋单态上的双电子体系，其中
39、1>代表电子自旋向上的状态，
40、0>代表电子自旋向下的状态。测量第一个电子的自旋，可以50%几率得到向上的电子和50%向下的电子；当第一个电子被发现向下，整个波函数被塌缩到态
41、0,1
42、>上.这时，再测量第二个电子，必得到自旋向下的确定的结果。即使是两个电子分开得很远，这种不可思议的关联仍然存在。图2:量子纠缠描述的电子自旋关联的奇妙特性：电子自旋向上、向下的关联—量子纠缠，本质上不同于经典关联：同一个
43、EPR>态，还可以重新表达为沿任意方向（如自旋向左、向右）自旋的关联，因而它描述哪一种自旋关联，依赖于你对第一个电子测量什么。而经典关联具有确定的特征：伸手到一个放了一个白球和一个黑球的黑盒子里，随便摸得黑球和白球的几率各为50%。拿到了一只黑球后把盒子拿到远处，再摸你一定得到白球。没有白球和黑球的
44、叠加，表面上看，这种向上、向下关联与经典情况相似：假设一个黑盒子里放了一个白球和这种经典关联是不足为奇的。因此，
45、EPR>量子纠缠与经典关联的这种基本差异，正是量子通讯的物理基础。2一个黑球。你伸手到盒子里随便摸一个球，得到黑球和白球的几率各为50%。但是一旦你拿到了一只黑球，然后把盒子拿开，不管多远，你仍然可以断定盒子里一定是白球。这种事先预
