量子信息前沿发展介绍-李宏荣

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1、量子信息及其前沿发展介绍李宏荣西安交通大学理学院陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室报告提纲一、何为量子信息？二、量子信息应用发展三、量子信息的技术实现一、何为量子信息？1.量子力学主要特征量子力学是20世纪物理学发展的台柱之一经典力学-------宏观物体的运动规律量子力学-------微观粒子的运动规律；自然界的运动规律经典粒子：任意时刻的位置、速度完全确定，有确定的运行轨迹，遵循牛顿力学经典波：充满整个空间，服从经典波动理论，特点产生干涉量子力学－波粒二象性微观粒子：同时具有粒子性和波动性设想空间有一

2、个微观粒子，任何时刻有可能在空间任何点探测到粒子（类似于经典波的特性），但一旦探测到则只能在一个探测器处发现该粒子（类似于经典粒子的特性）经典世界空间定域、运动确定的轨迹量子世界非定域（概率分布），同时经由各种路径通过量子世界的粒子满足量子力学的规律——薛定谔方程22iU(r).t2粒子的波函数,模方表示粒子在空间某一点出现的几率三个主要特征哥本哈根诠释（量子力学的正统解释）三个支点1、互补原理：微观粒子具有波粒二向性，波动性与粒子性既对立又统一（幽灵游走）2、概率波:量子力学是概

3、率波的运动3、波包塌缩，测量：了解量子世界就要进行测量提取信息，测量让体系波函数塌缩到一个确定状态上，概率变成确定2.经典信息与量子信息从物理角度看，信息是什么？信息：“用符号传送的报道，报道的内容是接收符号者预先不知道的”－－现代汉语词典。从今年开始，动量模块必考？某某人的银行卡号、密码及存款数信息必须通过物理载体实现表达！信息学的内涵信息存储、传输、读取、处理、计算特征：物理过程，针对物理载体实施物理操作例：将0、1组合信息（高低电平）加载于电磁波进行远距离空间传输；信息学技术分类：信息通讯、信息计算经典

4、信息学和量子信息学的概念用经典物理态编码（表示〕信息，并以经典物理学规律为基础研究信息存储、传输和信息处理的科学就是经典信息学。用量子物理态编码（表示〕信息，并以量子物理学规律为基础研究信息存储、传输和信息处理的科学就是量子信息学。量子信息学包括：量子通讯和量子计算3.量子信息学产生的背景1）经典计算机不能模拟粒子数大的量子系统.2）Moore’s定律.3）器件的热耗问题.4）没有绝对安全的通信.5）量子非局域性的本质的探讨.1）经典计算机不能模拟粒子数大的量子系统RichardFeymann1982年，“S

5、imulatingPhysicswithComputers”以n个2态粒子为例：经典...n量子(cc)a......b...模拟步骤随N指数增长！2）Moore’s定律－－－后摩尔时代英特尔前总裁GordonMoore预言单位面积的比特（晶体管等）数目每2年翻一番；计算机微处理器的速度每18个月增长1倍。电子器件－原子、微观粒子3）器件的热耗问题：Landauer’sPrinciple(1961)信息的删除意味着物理相空间的压缩，是不可逆的！1bitiserasedb

6、yagate=workw=kTln2isneeded!集成度不断增加，密集散热日趋严重。怎么办？C.Bennett(1973):任何不可逆计算可用若干可逆过程来代替！期待可逆的量子计算！4）没有绝对安全的通信保密通信的关键是密钥的保密性。大数分解n=pq---RSA密钥系统通过通信和第三者传送密钥是不安全的。经典密钥的安全性是以数学为基础的，这样的密钥不存在绝对的安全。特别是如果量子计算机问世，则很多密钥将很容易被破译。Shor的素数分解算法（400位的数：10^10年－－3年）需要绝对安全的密钥－－安全性基

7、于物理原理的量子密钥！5）量子非局域性的本质的探讨局域实在论量子非局域性Bell不等式纠缠态的判别、分类量子态的识别……4.何为“量子信息”量子信息作为后摩尔时代的新技术，它是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科。量子信息以量子态作为信息单元，信息从产生、传输、处理和检测等均服从量子力学的规律。基于量子力学的特性，诸如叠加性、非局域性、纠缠性、不可克隆性等，量子信息可以实现经典信息所无法做到的新的信息功能，突破现有信息技术的物理极限。何为“量子信息”•以比特(0或1)作为信息单元,称为经典信息。010111

8、01001011101100001101111000001100……•以量子比特作为信息单元,称为量子信息。•量子比特：对应为一个二能级的量子态22C0C1,CC1.12121234N量子信息是经典信息的扩展和完善，正如复数z=x+iy是实数的完善和扩展。5.量子比特有何特殊性质？相干叠加的本质！单光子光电探测器上D1幽灵游走分束器D2下1上＋下2量子信息比特量子