波导管中的量子计算

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1、第一章绪论(2)量子相干性：量子干涉现象成为量子信息诸多特性的重要物理基础；(3)量子纠缠态。m1：N(大于1)的量子比特可以处于量子纠缠态，对其中某个子系统的局域操作会影响到其余子系统的状态；(4)量子不可克隆定理(quantumnon-cloningtheorem)：量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制，这个原理和不确定性质原理构成量子密码术的物理基础。正是由于量子信息的这种独特的量子力学特性，它将导致许多领域革命性的前进，例如计算领域、通信领域以及精确测量领域等。量子信息的发展可以追溯到二十多年前，当charlesBennett，PaulBenioif,Ric

2、hardFeynman等科学界的先锋人物开始考虑将量子力学与经典的图灵机”1结合在一起的应用。这个领域的发展从早期直到90年代中期获得了迅猛的发展，这是因为在那个时候：PeterShor证明一台量子计算机可以有效地分解一个大数；半导体工业界也意识到基于Moore定律的计算机的发展将很快达到量子极限，这就要求在工艺技术上的根本性的变革：物理学发展产生的俘获离子、量子点和其他的一些发展使得人们可以组建可行的量子逻辑装置；人们对于通信安全性的要求也促使了对量子信息技术的研究。§1．4量子信息学的主要内容量子信息科学主要包括量子密码术、量子通信、量子计算、量子测量等几个方面的内容。下面

3、首先简单介绍量子信息科学中各个分支的基本内容。1．4．1量子密码术在许多情况下人们对于通讯要求是保密的。现代保密通讯的原理图如图1．4一l所示。第一章绪论—————--[：：：!一⋯～一下窃听者圈图1．4-1保密通讯原理图BobAlice采用密钥k(随机数)将她要发给Bob的明文通过某种加密规则变换成密文，然后经由公开的经典信息通道传送给Bob，Bob采用密钥k’通过适当的解密规则将密文变换成明文，这个过程如果能够有效地防止任何非法用户的窃听，那这种就是安全的保密通信。而按照密钥k和k’是否相同，密钥系统可分为对称密码(k=七1)和非对称密码(k=k一)。在数学上已经证明存在有

4、不可破译的对称密钥，这种密钥称为Vemam密码或一次性便笺密码，它要求密钥应与明文一样长，而且仅能使用一次。这种体系的缺点是：它要求用户双方拥有庞大的相同密码(随机数)，因此密钥的传送、保管等都极不安全，不适合广泛使用。在网络、金融行业中目前广泛使用的是非对称密码，这种密码是一种公开的密钥，加密和解密法则，加密的密钥k均是公开的，只是解密的密钥k’不公开，只有接收者也就是图1．4—1中的Bob本人知道。这种密钥的安全性是基于大数因子分解这样一类不易计算的单向性函数。在数学上虽没有严格的证明这种密钥不可破译，但现有经典计算机几乎无法完成这种计算。Shor量子算法证明，采用量子计算

5、机可以轻而易举地破坏这种公开密钥体系。这就对现有保密通讯提出了严峻挑战。解决这个问题的有效途径是量子密码术。量子密钥体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥(经典随机数)。量子密码的安全性由量子力学原理所保证。所谓绝对安全性是指窃听者智商极高，采用高明的窃听策略，使用一切可能的先进仪器，在这些条件下，密钥仍然是安全的。窃听者的基本策略有两类：一是通过对携带着经典信息的量子态进行测量，从其测量的结果来获取所需的信息，但是量子力学的基本原理告诉我们，粤第一章绪论对量子态的测量会干扰量子态本身，这种窃听方式必然会留下痕迹而被合法用户所发现。二是避开直

6、接量子测量而采用量子复制机来复制传送信息的量子态，窃听者将原量子态传送给Bob，而留下复制的量子态进行测量以窃取信息，这样就不会留下任何会被发现的痕迹。但是量子不可克隆定理确保窃听者不会成功，任何物理上可行的量子复制机都不可能克隆出与输入量子念完全一样的量子态来。因此，量子密码术原则上可以提供不可破译，不可窃听的保密通讯体系。1．4．2量子通信量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，量子通信领域主要包括：量子隐形传态、密集编码、量子通信复杂度以及远程量子通信等领域”3。在这里我们简单介绍一下量子隐形传态和量子密集编码。(1)量子隐形传态(qumatumtelepo

7、rtation)量子隐形传态又称为量子离物传态，它的基本思想是：一个物理客体(Dhysicalobject)等价于构造该客体所需的全部信息，传递一个客体，只需传递构造该客体所需的所有信息，而毋庸搬运客体的原件。遗憾的是，量子力学的不确定性原理不允许精确的提取原物的全部信息，因此长期以来，隐形传物只不过是种幻想而已。1993年Bermet提出了量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态I妒)传送到另一个地方，把另一个粒子制备在I庐)态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经