量子信息物理综述

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1、量子信息物理综述高微10110832165量子信息科学是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的基本原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。由于它潜在的应用价值和重大的科学意义，正引起各方面的越来越多的关注。在量子力学中，量子信息(quantuminformation)是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。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。量子信息最基本单位是为量子比特(qubit)——也就是一个只有两个状态的量子系统。然而不同于经典数位状态（其为离散

2、），一个二状态量子系统实际上可以在任何时间为两个状态的叠加态，这两状态也可以是本征态。量子信息学(quantuminformatics)主领域包括有：量子计算，量子通信，量子密码学。（一）量子计算(quantumcomputation)的概念最早由IBM的科学家R.Landauer及C.Bennett于70年代提出。他们主要探讨的是计算过程中诸如自由能(freeenergy)、信息(informations)与可逆性(reversibility)之间的关系。80年代初期，阿岗国家实验室的P.Benioff首先提出二能级的量子系统可以用来仿真数字计算；稍后费因曼也对这个问

3、题产生兴趣而着手研究，并在1981年于麻省理工学院举行的FirstConferenceonPhysicsofComputation中给了一场演讲，勾勒出以量子现象实现计算的前景。1985年，牛津大学的D.Deutsch提出量子图林机(quantumTuringmachine)的概念，量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。1994年，贝尔实验室的应用数学家P.Shor指出[3]，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。自此

4、之后，新的量子算法陆续的被提出来，Grover提出了快速的量子搜索算法，这两类算法展示了量子计算从根本上超越经典计算机能力和在信息处理方面的巨大潜能。而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构，例如量子点(QuantumDOT)、腔量子电动力学(cavityquantumelectrodynamics,CQED)、离子阱(iontrap)以及核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)等等。以目前的技术来看，这其中以离子阱与核磁共振最具可行性。事实

5、上，核磁共振已经在这场竞赛中先驰得点：以I.Chuang为首的IBM研究团队在2002年的春天，成功地在一个人工合成的分子中(内含7个量子位)利用NMR完成N=15的因子分解(factorization)。（二）目前量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，量子纠缠在此扮演着重要的角色。量子纠缠（quantumentanglement）是量子力学特有的现象，是量子力学不同于经典物理最奇特，最不可思议的特征。当量子叠加状态无法用各量子张量积表示时，这种叠加状态就称量子的纠缠状态。例如

6、ψ>=α

7、0，0>

8、+β

9、1,1>，就无法写成张量积的形式。量子态能够纠缠时实现信息高速的不可破译通信的理论基础。量子通信系统的基本部件包括量子态中继器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传送和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将

10、原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的