量子信息连载——量子信息学的研究内容-量子客  

从经典物理是量子物理的宏观理论这点来说,目前的计算机实际上也是量子力学的产物。经典计算机也用到了量子效应比如量子隧道现象等,但是这些远远不能和量子信息潜在的巨大功能相比。量子信息的方案的基本单元是量子比特,它可以在很多的量子体系中来实现,目前已经提出的方案有粒子井方案,腔量子电动力学方案,核磁共振方案、超导量子计算方案和量子点方案。要实现量子信息处理,除了具备上述各种双态体系外,还需要构造量子纠缠、量子逻辑门等。量子纠缠体现了量子态的非定域性,导致了Bell不等式的违背。而实验对Bell不等式违背的验证极大地坚定了人们对量子力学基本原理的信念;另一方面,量子纠缠已经被广泛地应用于量子信息领域,量子态的远程传输、量子编码、量子密钥分配等所用到的基本资源就是量子纠缠态。可见,量子纠缠已经成为量子信息领域乃至量子力学的基本特征之一。量子信息学研究的内容之一就是量子纠缠。  

量子纠缠研究

 

子纠缠指的是两个或者多个量子体系间的非定域、非经典的关联,是量子体系内子体系或者各个自由度间关联的力学属性。量子纠缠是实现信息高速的不可破译通信的理论基础。2bit的量子系统有4种不同的状体,即\(|00 \rangle\) ,\(|01 \rangle\) ,\(|10 \rangle\) ,\(|11 \rangle\) ,这一点与两个比特系统经典系统的情况一样。不同的是2bit 量子系统可以处在非平凡的双粒子相干叠加态——量子纠缠态上,如\[ |EPR \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|01 \rangle +|10 \rangle) \]

其非平凡性表现在它不能够分解为单个相干叠加态乘积,从而呈现出比单比特更丰富的、更奇妙的量子特性:一旦两个量子字体系的状态构成纠缠态,则不管后来这两个量子子系统间的距离被分割多远,且它们之间可能不再有理想上的交互作用,但只要仍保持在纠缠态,它们之间超强的量子关联就不会改变。 目前实验上所实验的信息的瞬时传递就是基于量子纠缠态超时空的关联。似乎两子体系间的纠缠关联比紧密结合的两个原子都要强。 量子纠缠已经成为实现量子信息处理必不可少的资源。但是由于量子纠缠极其脆弱,一旦体系和环境耦合就可能被减少关联度甚至被完全破坏,所以科学家们正致力于寻找合适的体系来制备具有高抗干扰能力的纠缠态。


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量子加密和量子通信

 

所谓量子加密和量子通信就是利用量子纠缠效应进行信息加密,传递的一种新型的加密和通信方式。

1量子加密

 

众所周知、目前的加密设备,通常是用一个较大的整数作为公用密钥,它没有被窃取的可能:要破解这样的密码必须求得如此一个大数的所有素数,此项任务在短时间或者有生之年是不可能做到的。自此Shor 基于量子力学原理提出“Shor 大数因子化的量子算法后,人们认为现用的保密体质完成的任何加密都会被解密。Shor大数因子化可以在短时间内将一个很大的数素数化。

因而,将来出现的利用量子力学原理工作的量子计算机就可能对传统密码体系造成威胁。可喜的是利用量子的方式进行加密可以完全避免这种威胁。量子加密采用量子态作为信息载体,窃听者想要偷取密码必须要测量携带密码信息的量子态,依据量子力学原理——任何对量子态的观测都会改变量子态。所以这种窃取必然会被发现;当然窃听者也可以不去直接测量而是试图制备出于带有密码信息的量子态相同的复制品态,然而量子态的不可克隆原理说明这种做法是不可能的:窃听者不会完整地复制出传输信息的量子态,也就无法知道其携带的密码信息。

2量子通信

 

不同于经典信息的传输,量子态的传输可以完全脱离实物。尽管量子非克隆定理告诉我们无法复制出量子态,但是我们可以让量子态在甲地消失在乙地出现,这样量子态携带的信息也就从甲地传输到了乙地:将某物体待传递量子态的信息分成经典和量子两个部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接受者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而提取的,量子信息是发送者在测量中未提取的大量信息;接受者在获取这两种信息后,就可以制备出原来量子态的完全复制品。

该过程中传送的仅仅是该物体的量子态,而不是该物体本身。发送者甚至可以对待传递量子态的信息一无所知,而接受者则能使他持有的粒子处于原物体的量子态上。其中最关键的是量子信息的传输,量子信息的传输必须借助一对纠缠光子态或者其他纠缠态。让发送者和接受者拥有处于纠缠态的一对光子或者其他微观粒子,如果发送者和接受者相距很远,这是很难做到的(量子纠缠态子啊外界噪声的影响下会随着距离的增加而减少纠缠关联),因此如何克服量子纠缠的削减是量子通信中迫切需解决的问题。

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3量子计算

 

所谓量子计算就是利用量子态进行信息处理。基于经典比特的非01的确定特征,经典算法是通过经典计算机(或者经典图灵机)的内部逻辑电路加以实现的。而量子计算,则是基于比特的既\(|0 \rangle\) 且\(|1 \rangle\) 相干叠加特征,对可由量子叠加态描述的输入信号,根据量子的算法要求进行叫做“量子逻辑门操作的幺正变换。量子逻辑门不仅可以将\(|0 \rangle\) 和\(|1 \rangle\) 的态交换,还可以将\(|0 \rangle\) 和\(|1 \rangle\) 变为它们的任意叠加态。

量子计算最主要的优点就是量子并行性。前面已经提到了1 qubti 可以存储两个数。2qubit 就可以存储4个数字;换句话说,描述1qubit 就要两个经典数字,描述n quibt 的量子计算机就需要\(2^n \)个数字。例如,n=10,那就需要大约1024个数来描述量子计算机的所有可能状态。虽然n增大时所有可能状态的数目将迅速变成一个很大的集合,但由相干叠加原理(一个以上的信息状态累加在同一微观粒子上的现象),量子计算机操作——幺正变换能够对于叠加态的所有分量同时进行,这就是所谓的量子并行性。由于这一奇妙的内禀并行性,一台量子计算机仅仅靠一个处理器就能够很自然地同时进行非常多的运算。 在量子计算中,因为qubit 是由原子或者其他微观粒子所构成,很容易受到外部环境的干扰,导致量子态之间纠缠关联的缺失,从而导致计算错误,因此要实现量子计算必须克服量子态之间关联的缺失即相干性的消失,我们称之为退相干。对目前实验上来说,这是一个难题。  

 

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Caroline ▏ 整理
量豆豆 ▏ 校对
Core ▏ 编辑

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