量子信息技術及其網信應用

彭設強曾清華

1.中國人民解放軍國防信息學院；2.武漢中原電子集團有限公司

量子信息技術及其網信應用

彭設強1曾清華2

1.中國人民解放軍國防信息學院；2.武漢中原電子集團有限公司

量子信息技術是量子力學與信息技術相結合發(fā)展起來的新興技術，已呈現(xiàn)出具體實際的應用價值，本文從基本概念、技術原理出發(fā)，分析闡述了量子通信技術和量子計算技術在網信中的應用。

近年來，量子信息技術在理論研究、實踐應用等方面都取得了較大突破。量子通信在一定程度上已具備商業(yè)應用推廣前景，如我國正在推進北京城域量子通信設施建設、計劃2016年8月發(fā)射全球首顆量子衛(wèi)星、2016年底前開通量子保密通信“京滬干線”國家項目，讓更多人享受到量子保密通信技術服務；量子計算機從原理上具有目前計算機無與倫比的計算能力，基于量子光學和固態(tài)體系的量子處理器的研究也在不斷深入推進。

量子信息技術基本概念

量子（Quantum）一詞最早是M?普朗克在1900年提出來的，來源于拉丁語quantus（意思為“有多少”，代表“相當數(shù)量的某物質”），在微觀物理世界常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。例如，“能量子”（量子）是能量的最小單位，“光的量子”（光子）是光的最小單位。也就是說，一個物理量如果存在最少的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱之為量子。“量子化”是指其物理量數(shù)值變化的最小份額只能是量子，而不是連續(xù)變化的任意值。

量子態(tài)是指一種穩(wěn)恒的微觀粒子運動狀態(tài)，也就是說，電子做穩(wěn)恒的運動，具有完全確定的能量，這種穩(wěn)恒的運動狀態(tài)，我們就稱之為量子態(tài)。量子信息技術是以電子、原子、光子等量子系統(tǒng)作為信息載體，根據(jù)量子物理原理，用量子態(tài)表示信息，利用量子物理規(guī)律進行信息存儲、傳輸和處理的技術。隨著集成電路技術按照摩爾定律發(fā)展暫入困境，集成度越來越高的芯片晶體管大小和線寬降到原子、電子大小量級，也就是達到量子級，從而進入量子世界。這里，一切將按照量子規(guī)律運行，微電子技術、IC技術將過渡到量子技術。量子信息技術包括量子編碼、量子通信、量子計算、遠程傳態(tài)等，為下一代通信和計算機技術的發(fā)展開辟道路。

量子信息技術的基本原理

量子特性在網絡安全和信息化領域有著獨特的應用基礎，在確保信息安全、提高運算速度、增大信息容量和提升檢測精度等方面，可以突破目前經典信息系統(tǒng)的理論極限。量子信息技術的基本原理主要建立在量子糾纏原理、量子不可克隆定理、量子測不準原理基礎之上。

量子糾纏是指兩個微觀粒子A和B，雖然在空間中處在兩個不同的位置，無論相距多遠，但由于這兩個微觀粒子之間的量子關聯(lián)，使得微觀粒子A和B之間的糾纏態(tài)表現(xiàn)為一種混合狀態(tài)。同時，沒有一種測量裝置或方法，能夠測量其中一個微觀粒子的確定狀態(tài)而不破壞該混合狀態(tài)，也就是說，如果對微觀粒子A進行了一次測量，獲得了微觀粒子A的狀態(tài)，但由于非定域性量子關聯(lián)，使得相互糾纏的微觀粒子B的狀態(tài)即刻發(fā)生改變，坍縮到另一個量子態(tài)。量子不可克隆定理，是量子通信安全的理論基礎，Wooters和Zurek兩人曾發(fā)表論文指出，量子系統(tǒng)不可能對未知量子態(tài)進行復制（即克隆）的主要原因是基于疊加態(tài)的原理以及量子系統(tǒng)幺正變換的基本原理。在具體的量子通信系統(tǒng)中，別有用心的人不可能通過復制（即克?。┑姆绞剑瑏頊蚀_獲得量子通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)男畔?，從而為量子通信系統(tǒng)提供了很好的安全性和可靠性。量子測不準原理，又稱之為量子不確定性原理，是量子力學的一項基本性質，它表明在測量量子的動量和位置時，無法同時精確測量。也就是說，要測定一個量子的精確位置時，需要用波長盡量短的波，而這樣會對這個量子產生越大的擾動，使得對它速度的測量就越不準確。

量子計算的基本原理主要建立在量子的重疊與牽連原理基礎之上，目前電子計算機中的一個兩位寄存器，在某一時刻只能存儲兩個二進制位，其中某1位要么是0、要么是1，不可能既存儲0又存儲1，而每一個量子比特是一個疊加態(tài)，可以是兩個狀態(tài)的疊加，也就是可同時表示0和1兩個值，對于量子計算機中的兩位量子寄存器，則可同時存儲00、01、10、11這四個二進制數(shù)。如果有更多量子比特的話，其存儲能力和計算能力就呈指數(shù)級提升。

量子信息技術在網信領域中的應用

量子信息技術是量子力學與現(xiàn)代信息技術相結合發(fā)展起來的新興技術，主要包括兩個領域：量子通信技術和量子計算技術。量子信息技術在網信中的應用也主要體現(xiàn)在量子通信和量子計算兩個領域。

量子通信是指利用量子糾纏、量子不可克隆等相關特性來傳遞信息。在量子通信系統(tǒng)中，信息的收發(fā)雙方共享糾纏在一起的兩個成對量子A和B，當發(fā)送方將信息賦予一個量子A時，接收方的糾纏量子B幾乎同時發(fā)生相應變化，從而實現(xiàn)不需要添加任何外部因素的信息傳輸。量子通信系統(tǒng)通常包括量子信源、編碼、解碼、調制、解調、傳輸信道、輔助信道、測量裝置和信宿等部分，其中：量子信源是量子信息產生器，其表現(xiàn)形式是量子態(tài)；量子信宿是接收量子信息的裝置；量子編碼是將待發(fā)送的信息轉換成量子比特；量子解碼是將接收到的量子比特轉換成相應信息；信道則分為量子傳輸信道與輔助信道兩部分，量子傳輸信道傳輸量子比特流，輔助信道是指經典的信息傳輸信道，是除量子傳輸信道和測量信道之外的附加信道；量子通信系統(tǒng)中同樣存在量子噪聲，是指通信環(huán)境對量子比特流信號產生影響的等效描述。在目前量子通信系統(tǒng)的實際應用中，通信雙方主要采用量子信道與輔助經典信道相結合的方式，實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)和量子密碼通信。量子通信系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)有兩大顯著特點：一是無障礙的傳輸能力，這是相互糾纏的量子態(tài)實現(xiàn)的，這為網信領域的信息傳輸提供了可靠的保障；二是無條件的安全性，這是由量子不可克隆定理與測不準原理所決定的，在物理學范疇而非數(shù)學方法解決了安全方面的問題。量子通信將在網信領域的軍事保密通信、信息對抗等方面發(fā)揮非常重要的作用。

量子計算是指利用量子并行、糾纏等相干特性進行數(shù)據(jù)編碼、存儲和運算，也是一種全新的基于量子特性和量子力學基礎的計算模式。例如，利用量子相干性、非局域性、糾纏性和不可克隆性等，造就可能突破現(xiàn)有計算設備計算能力的全新計算方式，實現(xiàn)現(xiàn)有計算設備無法做到的新計算功能。量子計算的實體設備就是量子計算機。量子計算機基本原理是運用量子力學原理，將電子計算機微晶體管壓縮到原子大小，然后在極小面積上放置數(shù)十億量子微晶體管，進而利用量子態(tài)疊加性和相干性進行信息存儲、運算和傳遞。與傳統(tǒng)電子計算機不同，量子計算機運算對象不再是傳統(tǒng)的比特序列，而是量子比特序列，其n個量子比特的存儲容量是目前電子計算機的2n倍，具有n個量子位的量子計算機，可以在每一步完成2n次運算，其存儲容量和運算速度都得到了指數(shù)級提升。網絡安全和信息化建設需要超高速率、極大容量的信息處理和按需信息共享能力，量子計算的信息處理、信息存儲能力是經典計算無法企及的，正好能滿足網信領域的特殊要求，必將引領網信領域特別是軍事指揮控制及決策的高速發(fā)展。