量子信息

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量子信息是以量子力学基本原理为基础，把量子系统“状态”所带有的物理信息，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式[1]。

量子信息最常见的单位是为量子比特（qubit）——也就是一个只有两个状态的量子系统。然而不同于古典数字状态（其为离散），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。

基础

参见：量子力学和量子力学入门

重大发现

主条目：量子信息学

1927年，海森堡发现在测量粒子动量和位置的时候会导致h/4π的误差（两者误差相乘）。测量时位置的误差越小，动量的误差就会变得相当大。而h/4π就是这个误差的下限（也就是说两者误差的乘积大于等于h/4π）。这一结论最终被称作不确定性原理。

1935年，阿尔伯特·爱因斯坦、波特里斯·波多尔斯基和纳森·罗森提出了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论，客观上揭示了量子纠缠现象。

1984年，查尔斯·贝内特（Charles Bennett）与吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）提出一种量子密码分发协议，后被称为BB84协议[2]。

1994年，数学家彼得·秀尔发现针对整数分解的秀尔算法（Shor算法）。2001年，IBM使用NMR实做的量子计算机以及7个量子比特展示了秀尔算法的实例，将15分解成3×5[3]。

相干特性

主条目：量子相干性和量子纠缠
EPR实验假设一个零自旋中性π介子衰变成一个电子与一个正电子，这两个衰变产物各自朝着相反方向移动，虽然彼此之间相隔一段距离，它们仍旧会发生量子纠缠现象。

由于量子相干性，量子比特在测量过程中会表现出与经典情况完全不同的行为[4]。测量仪器与被测系统的相互作用会引起所谓的波包塌缩。这时相干性将被彻底破坏，即发生了所谓的量子退相干[5]。量子纠缠是多比特系统特有的量子性质。两个比特的量子系统不仅有经典系统中的4种不同的状态，并且可以处在非平凡的双粒子相干叠加态（量子纠缠态）上，这构成了量子通讯的物理基础[1]。

领域

量子通信

主条目：量子密码学和量子隐形传态

美国在2005年建成了DARPA量子网络[6][7]，连接美国BBN公司、哈佛大学和波士顿大学3个节点。中国在2008年研制了20km级的3方量子电话网络[8][9][10]。2009年构建了一个4节点全通型量子通信网络[11]，大大提高了安全通信的距离和密钥产生速率，同时保证了绝对安全性[12][13][14][15]。同年，“金融信息量子通信验证网”在北京正式开通，是世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。2014年中国远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录[16]。2016年8月16日，中国发射一颗量子科学实验卫星“墨子号”，连接地面光纤量子通信网络[17][18]，并力争在2030年建成20颗卫星规模的全通型量子通信网。

量子计算

主条目：量子计算

量子计算机由包含有导线和基本量子门的量子线路构成，导线用于传递量子信息，量子门用于操作量子信息[19]。

2015年5月，IBM在量子运算上获取两项关键性突破，开发出四量子位原型电路（Four Quantum Bit Circuit），成为未来10年量子电脑基础。另外一项是，可以同时发现两项量子的错误类型，分别为Bit-Flip（比特翻转）与Phase-Flip（相位翻转），不同于过往在同一时间内只能找出一种错误类型，使量子电脑运作更为稳定。[20]2016年8月，美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子比特组成的可编程量子计算机[21][22]。

量子雷达

主条目：量子雷达

量子雷达属于一种新概念雷达，是将量子信息技术引入经典雷达探测领域，提升雷达的综合性能[23]。量子雷达具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特点，未来可进一步应用于导弹防御和空间探测，具有极其广阔的应用前景[24]。根据利用量子现象和光子发射机制的不同，量子雷达主要可以分为三个类别：一是量子雷达发射非纠缠的量子态电磁波；二是量子雷达发射纠缠的量子态电磁波；三是雷达发射经典态的电磁波[25]。2008年美国麻省理工学院的Lloyd教授首次提出了量子远程探测系统模型。2013年意大利的Lopaeva博士在实验室中达成量子雷达成像探测，证明其有实战价值的可能性[26]。中国首部基于单光子检测的量子雷达系统由中国电科14所研制，中国科学技术大学、 中国电科27所以及南京大学协作完成[27]。不过专家表示，量子雷达想要实现工程化可能还有比较漫长的路要走[28]。

量子博弈

量子博弈是Eisert等人在1999年提出的，游戏者可以利用量子规律摆脱所谓的囚徒困境[1]，防止某一玩家因背叛而获利[29]。

参考来源

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 量子信息简介 (PDF). 中国科学院物理研究所. [2016-09-27]. 
  2. ↑ C. H. Bennett and G. Brassard. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing (PDF). In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, (纽约). 1984, 175: 8 [2016-08-22]. 
  3. ↑ Vandersypen, Lieven M. K.; Steffen, Matthias; Breyta, Gregory; Yannoni, Costantino S.; Sherwood, Mark H. & Chuang, Isaac L., Experimental realization of Shor's量子factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, Nature, 2001, 414 (6866): 883–887, doi:10.1038/414883a .
  4. ↑ O'Connell, A. D.; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D. & Wang, H. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature. 2010, 464 (7289): 697–703. Bibcode:2010Natur.464..697O. PMID 20237473. doi:10.1038/nature08967. 
  5. ↑ Maximilian A. Schlosshauer. Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition. Springer Science & Business Media. 2007-01-01. ISBN 978-3-540-35773-5. 
  6. ↑ （英文）C. Elliott, “Building the quantum network”, New J. Phys. 4, 46 (2002).
  7. ↑ （英文）C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J.Schlafer, and H. Yeh, Current status of the DARPA Quantum Network, Quantum Information and Computation III, E. J. Donkor, A. R. Pirich, and H. E. Brandt, eds., Proc. SPIE 5815, 138--149 (2005).
  8. ↑ T.-Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, W.-Q. Cai, L. Ju, W.-Y. Liu, J. Wang, H. Yin, K. Chen, Z.-B. Chen, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, “Field test of a practical secure communication network with decoy-state quantum cryptography”, Opt. Exp. 17, 6540-6549 (2009). [1] 于2010年4月1日查阅
  9. ↑ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
  10. ↑ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
  11. ↑ 潘建伟科研团队。[2] 于2010年4月1日查阅
  12. ↑ （英文）W.-Y. Hwang, “Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication”, Phys. Rev. Lett. 91, 057901 (2003).
  13. ↑ （英文）X.-B. Wang, “Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography”, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
  14. ↑ （英文）H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, “Decoy state quantum key distribution”, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
  15. ↑ 世界首个全通型量子通信网络落户中科大。《科技日报》，存档副本. [2016-06-27].  于2010年4月1日查阅
  16. ↑ 中国量子密钥分发安全距离创纪录. [2016-08-22]. 
  17. ↑ 世界第一個量子衛星！中國7月首射掀起通訊新革命. ETtoday 新闻云. 2016年5月26日 [2016-06-27]. 
  18. ↑ 我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”. 2016-08-16 [2016-08-16]. 
  19. ↑ 郭光灿.量子信息概论
  20. ↑ [3] ，iThome新闻，2015年5月1日
  21. ↑ 全球首台可编程量子计算机在美国诞生. 搜狐新闻. [2016-08-05]. 
  22. ↑ Debnath, S.; Linke, N. M.; Figgatt, C.; Landsman, K. A.; Wright, K.; Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 2016-08-04, 536: 63–66 [2016-08-22]. doi:10.1038/nature18648 （英语）. 
  23. ↑ 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 腾讯新闻. 观察者网. 2016-09-07 [2016-09-27]. 
  24. ↑ 张文. 中国量子雷达研发获突破 隐身战机“克星”将至. 中国新闻网. 解放军报. 2016年9月22日 [2016-09-27]. 
  25. ↑ 铁流. 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 观察者. 2016-09-07 [2016-09-27]. 
  26. ↑ 鳳凰衛視-神秘量子雷達. [2016-09-27]. 
  27. ↑ 贾婧. 中国研制成功首部量子雷达. 科学网. 科技日报. 2016-09-14 [2016-09-27]. 
  28. ↑ 专家：量子雷达还不成熟 对付F35要靠现有装备. 凤凰军事. 环球时报. 2016年9月25日 [2016-09-27]. 
  29. ↑ Simon C. Benjamin and Patrick M. Hayden, Multiplayer quantum games, Physical Review A, 2001-08-13, 64 (3): 030301, Bibcode:2001PhRvA..64c0301B, arXiv:quant-ph/0007038 可免费查阅, doi:10.1103/PhysRevA.64.030301 , arXiv:quant-ph/0007038

参考文献

  • Vlatko Vedral: Introduction to quantum information science. Oxford Univ. Pr., Oxford 2006, ISBN 0-19-921570-7
  • Dirk Bouwmeester: The physics of quantum information – quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-66778-4
  • Dieter Heiss: Fundamentals of quantum information – quantum computation, communication, decoherence and all that. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43367-8
  • Dagmar Bruss, Gerd Leuchs: Lectures on quantum information. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-40527-5
  • Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с. （俄文）
  • Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо. Ижевск: РХД, 2000. 172 с. （俄文）
  • Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М.: Мир, 2006. 824 с. （俄文）
  • Прескилл Дж. РХД, 2008. 464 с. ISBN 978-5-93972-651-1 （俄文）
  • Холево А. С. Введение в квантовую теорию информации. М.: МЦНМО, 2002. 128 с. ISBN 5-94057-017-8 （俄文）
  • Хренников А. Ю. Введение в квантовую теорию информации. М.: Физматлит, 2008. 284 с. ISBN 978-5-9221-0951-2 （俄文）
  • Квантовая криптография: идеи и практика / под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. — Мн., 2008. — 392 с. （俄文）
  • Kilin S. Ya. Quanta and information / Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90. （俄文）
  • Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527. [4] （俄文）

延伸阅读

  • Charles H. Bennett and Peter W. Shor, "Quantum Information Theory," IEEE Transactions on Information Theory, Vol 44, pp 2724–2742, Oct 1998
  • Gregg Jaeger's book on Quantum Information(published by Springer, New York, 2007, ISBN 0-387-35725-4)
  • Lectures at the Institut Henri Poincaré (slides and videos)
  • International Journal of Quantum Information World Scientific
  • Quantum Information Processing Springer
  • Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information"
  • J. Watrous, The Theory of Quantum Information (Cambridge Univ. Press, 2018). Freely available at [5]
  • John Preskill, Course Information for Physics 219/Computer Science 219 Quantum Computation, Caltech [6]
  • Masahito Hayashi, "Quantum Information: An Introduction"
  • Masahito Hayashi, "Quantum Information Theory: Mathematical Foundation"
  • Charles H. Bennett, Peter W. Shor, "Quantum Information Theory" [7] Template:CiteSeerX
  • Wilde, Mark M., Quantum Information Theory, Cambridge University Press, 2017, Bibcode:2011arXiv1106.1445W, arXiv:1106.1445 可免费查阅, doi:10.1017/9781316809976.001 
  • Vlatko Vedral, "Introduction to Quantum Information Science"
  • Weedbrook, Christian; Pirandola, Stefano; García-Patrón, Raúl; Cerf, Nicolas J.; Ralph, Timothy C.; Shapiro, Jeffrey H.; Lloyd, Seth. Gaussian quantum information. Reviews of Modern Physics. 2012, 84 (2): 621–669. Bibcode:2012RvMP...84..621W. arXiv:1110.3234 可免费查阅. doi:10.1103/RevModPhys.84.621. 

参见

外部连接

量子信息
基础
量子通信
量子算法
量子复杂性理论
其他
核磁共振量子计算机
光子量子计算机
离子阱量子计算机
硅基量子计算机
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