《量子信息研究》word版

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1、量子信息研究一、引言量子信息是20世纪末发展起来的一门理论。在量子信息迅速发展的今天，关于量子纠缠以及量子信息本质的探究已经受到科学哲学家的关注。然而，对量子信息思想发展史的研究在国内甚至国际方面才刚刚起步。量子信息在许多方面已经取得了理论和实验上的许多成果，而且有些成果已经或即将运用到实践中去。通常“量子信息”一词有两种不同的解释，一方面是广义上的，它指的是与利用量子力学进行信息处理有关的所有操作方式的概括，它包括量子计算、量子通信、量子密码术等；另一方面是狭义的，它指的是对量子信息处理基本任务的研究，与经典信息论相对应。量子信息论的奠基者们的本意是用量子力学来辅助完成一

2、些经典信息过程，然而随着研究的深入，后来者们逐步把量子力学与经典信息论真正地结合起来。在此过程中，许多重大问题（如消相干等）得到解决，各种新的奇异现象被发现，这使得研究者们越来越坚定地相信量子信息论已成为一门独立的学科。这一点可以体现在量子信息领域的两位权威Bennett和DiVincenzo在《自然》杂志上对量子信息所做的总结性评价上：从经典信息到量子信息的推广，就象从实数到复数的推广一样。量子信息除了推广了经典信息中的信源与信道等概念外，还引入了其特有的量子纠缠。量子信息可以说是经典信息与量子纠缠的互补。经典信息可以被任意克隆，但只能从时空中的一点传到后面的一点。量子纠

3、缠不可以被克隆，但可以把时空中的任意两点联系起来（非局域性）。目前量子信息论中，量子通信与量子计算领域已经做了广泛深入的研究，新的领域如量子对策等也在兴起，而且其基础理论的研究也不断取得新的进展。相比较而言，实验进展要小一些。二、研究进展2005年，量子光学之父，美国哈佛大学的路易．格劳伯(RoyJGlauber)、美国国家标准和技术研究所(NIST)的约翰．霍尔(JohnLHall)和德国马克斯一普朗克量子光学研究所(MPQ)的提阿多．汉斯(TheodorWHansch)共同获得年度诺贝尔物理学奖，这是诺贝尔奖8年内第3次把“量子光学与冷物质物理”(1997年的激光冷却和

4、囚禁原子、2001年的玻色一爱因斯坦凝聚)这一物理学最活跃的研究领域推到公众面前。2.1量子计算与经典计算经典计算机受到量子效应的干扰及能耗问题的限制，其发展受到很大的阻碍。研究量子信息的最初目的和意义在于突破现有经典信息系统的极限，辅助经典信息系统完成复杂的任务，旨在提高信息速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度。然而随着量子信息自身理论的发展，特别是在1994年P．W．Shor量子算法提出之后，研究量子信息则成为各国科学研究的重点。量子计算与经典计算相比有哪些优越性昵?在经典计算机科学中，算法指的是一个特定的指令序列，算法的难易程度由算法复杂性衡量。而算法复杂性

5、取决于执行这个算法所消耗的物理资源的多少。这里的物理资源通常指的是执行算法所消耗的时间和空间。而量子计算有很大的优越性。首先，在量子计算中信息的载体是量子位(qubit)，量子位通常是一个双态的量子系统。量子比特(量子位，qubit)的物理实体可以是两种不同极化的光子(Polarization)，也可以是在均匀磁场中自旋取向不同的核，也可以是处于基态或激发态的电子。单量子比特的状态可以落在

6、0＞和

7、1＞以及它们的任意线性组合态一叠加态(Superpositition)。ѱ=c0

8、0＞+c1

9、1＞，其中，c0、c1是两个复常数，

10、c0

11、2+

12、cl

13、2=l，

14、0＞和

15、1＞称为计

16、算基态(ComputationBasisState)，是构成向量空间的一组正交基。我们可以通过测量来确定它是处于

17、0＞状态还是

18、1＞状态，但是我们不能确定它的量子态。也就是说我们不能得到关于量子态的全部信息。这与我们理解宏观物理世界的常识相矛盾。经典比特可以看成量子比特的特例（c0=0或c1=1）。用量子态来表示信息是量子信息的出发点，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演变遵从薛定谔方程，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理（计算）是量子态的幺正变换，信息提取便是对量子系统实行量子测量。在实验中任何两态的量子系统都可以用来制备成量子比特，常见的

19、有：光子的正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式等。信息一旦量子化，量子力学的特性便成为量子信息的物理基础，其主要的有：1）量子纠缠：N（大于1）的量子比特可以处于量子纠缠态，子系统的局域状态不是相互独立的，对一个子系统的测量会获取另外子系统的状态。2）量子不可克隆：量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制，量子不可克隆定理和不确定性质原理构成量子密码术的物理基础。3）量子叠加性和相干性：量子比特可以处在两个本征态的叠加态，在对量子比特的操作过程中，两态的叠加振幅可以相互