量子資訊

量子資訊是以量子力學基本原理為基礎，把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊，進行計算、編碼和資訊傳輸的全新資訊方式^[1]。

量子資訊最常見的單位是為量子位元（qubit）——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。然而不同於古典數碼狀態（其為離散），一個二狀態量子系統實際上可以在任何時間為兩個狀態的疊加態，這兩狀態也可以是本徵態。

基礎

重大發現

1927年，海森堡發現在測量粒子動量和位置的時候會導致h/4π的誤差（兩者誤差相乘）。測量時位置的誤差越小，動量的誤差就會變得相當大。而h/4π就是這個誤差的下限（也就是說兩者誤差的乘積大於等於h/4π）。這一結論最終被稱作不確定性原理。

1935年，阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論，客觀上揭示了量子糾纏現象。

1984年，查爾斯·貝內特（Charles Bennett）與吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）提出一種量子密碼分發協定，後被稱為BB84協定^[2]。

1994年，數學家彼得·秀爾發現針對整數分解的秀爾演算法（Shor演算法）。2001年，IBM使用NMR實做的量子計算機以及7個量子位元展示了秀爾演算法的實例，將15分解成3×5^[3]。

相干特性

由於量子相干性，量子位元在測量過程中會表現出與經典情況完全不同的行為^[4]。測量儀器與被測系統的相互作用會引起所謂的波包塌縮。這時相干性將被徹底破壞，即發生了所謂的量子退相干^[5]。量子糾纏是多位元系統特有的量子性質。兩個位元的量子系統不僅有經典系統中的4種不同的狀態，並且可以處在非平凡的雙粒子相干疊加態（量子糾纏態）上，這構成了量子通訊的物理基礎^[1]。

領域

量子通訊

美國在2005年建成了DARPA量子網絡絡^[6]^[7]，連接美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學3個節點。中國在2008年研製了20km級的3方量子電話網絡^[8]^[9]^[10]。2009年構建了一個4節點全通型量子通訊網絡^[11]，大大提高了安全通訊的距離和金鑰產生速率，同時保證了絕對安全性^[12]^[13]^[14]^[15]。同年，「金融資訊量子通訊驗證網」在北京正式開通，是世界上首次將量子通訊技術應用於金融資訊安全傳輸。2014年中國遠端量子金鑰分發系統的安全距離擴充至200公里，重新整理世界紀錄^[16]。2016年8月16日，中國發射一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，連接地面光纖量子通訊網絡^[17]^[18]，並力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通訊網。

量子計算

量子電腦由包含有導線和基本量子門的量子線路構成，導線用於傳遞量子資訊，量子門用於操作量子資訊^[19]。

2015年5月，IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破，開發出四量子位原型電路（Four Quantum Bit Circuit），成為未來10年量子電腦基礎。另外一項是，可以同時發現兩項量子的錯誤型態，分別為Bit-Flip（位元翻轉）與Phase-Flip（相位翻轉），不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態，使量子電腦運作更為穩定。^[20]2016年8月，美國馬里蘭大學學院市分校發明世界上第一台由5量子位元組成的可程式化量子電腦^[21]^[22]。

量子雷達

量子雷達屬於一種新概念雷達，是將量子資訊科技引入經典雷達探測領域，提升雷達的綜合效能^[23]。量子雷達具有探測距離遠、可辨識和分辨隱身平台及武器系統等突出特點，未來可進一步應用於導彈防禦和空間探測，具有極其廣闊的應用前景^[24]。根據利用量子現象和光子發射機制的不同，量子雷達主要可以分為三個類別：一是量子雷達發射非糾纏的量子態電磁波；二是量子雷達發射糾纏的量子態電磁波；三是雷達發射經典態的電磁波^[25]。2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2013年意大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測，證明其有實戰價值的可能性^[26]。中國首部基於單光子檢測的量子雷達系統由中國電科14所研製，中國科學技術大學、中國電科27所以及南京大學協同運作完成^[27]。不過專家表示，量子雷達想要實現工程化可能還有比較漫長的路要走^[28]。

量子博弈

量子博弈是Eisert等人在1999年提出的，遊戲者可以利用量子規律擺脫所謂的囚徒困境^[1]，防止某一玩家因背叛而獲利^[29]。

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參考文獻

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延伸閱讀

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參見

外部連接

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