量子特性與量子信息技術(shù)

葉豐源

【摘 要】量子具有疊加性、不可克隆、相干性、糾纏性等特性，基于量子特性的量子信息技術(shù)將突破經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，在信息安全、運算速度、信息容量、檢測精度等方面獲得更高性能的突破，具有無與倫比的優(yōu)勢和前景。本文介紹了量子態(tài)特性，以及量子通信、量子計算、量子成像、量子定位、量子傳感等量子信息技術(shù)的概念和研究進展。

【關(guān)鍵詞】量子態(tài)；量子信息技術(shù)；量子通信；量子計算；量子傳感

0 引言

十九世紀末二十世紀初，愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，海森堡、薛定諤等一些科學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)，由此誕生了現(xiàn)代物理學(xué)。相對論和量子論成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。量子信息是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科[1]。經(jīng)典物質(zhì)和微觀粒子的本質(zhì)差別在于微觀粒子具有量子特性，這些特性包括疊加性、不可克隆、相干性、糾纏性等。量子信息技術(shù)重點研究利用這些量子力學(xué)特性，突破基于經(jīng)典電動力學(xué)的信息系統(tǒng)的性能極限。量子信息技術(shù)主要包括量子通信技術(shù)、量子計算技術(shù)、量子成像技術(shù)、量子定位技術(shù)、量子傳感技術(shù)等。由于量子信息技術(shù)具有經(jīng)典信息無法比擬的優(yōu)勢和前景，近年來受到廣泛關(guān)注和發(fā)展。

1 量子態(tài)的基本特性

1.1 態(tài)疊加原理

為量子系統(tǒng)的可能狀態(tài)，則由它們?nèi)我饩€性組合得到的疊加態(tài)

也是系統(tǒng)的一個可能的態(tài)。

1.2 相干性

相干性是態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性，是指微觀世界的量子態(tài)矢之間存在相互干涉。量子態(tài)利用其相干性保持其攜帶的量子信息。環(huán)境噪聲的影響或測量會破壞量子相干性導(dǎo)致量子信息塌縮為經(jīng)典信息，即消相干[2]。

1.3 測不準原理

若兩個力學(xué)量A和B不對易即AB≠BA，則它們無法同時精確測量。力學(xué)量A和B在量子態(tài)|？鬃〉下的不確定關(guān)系可以描述為

其中？駐A和？駐B分別為力學(xué)量A和B在|？鬃〉中的不確定度，而[A，B]=AB-BA為A與B的對易式。

由海森堡測不準原理可知，如果將信息編碼在一對非互易的物理量上，接收者是無法將該信息完整的還原出來的，測量某一個物理量時，必會對另一個物理量產(chǎn)生擾動[3]。

1.4 不可克隆定理

不可克隆指未知量子態(tài)不可以被精確復(fù)制。不經(jīng)過測量，就不能得到量子系統(tǒng)的任何信息，這就意味著要從非正交量子態(tài)中提取編碼信息，就必須對這些量子態(tài)進行破壞性測量。不可克隆定理使得竊聽者無法采用克隆的手段獲取私密信息，它是量子協(xié)議安全性的重要保障。盡管精確復(fù)制未知量子態(tài)被不可克隆定理否決，但概率克隆依然是可能的。量子不可克隆定理斷言，非正交態(tài)不可以克隆，但它并沒有排除非精確克隆即復(fù)制量子態(tài)的可能性。目前主要有兩種克隆機：普適克隆機和概率克隆機[4]。

1.5 量子糾纏性

量子糾纏性是一種特殊的量子力學(xué)現(xiàn)象，即對復(fù)合系統(tǒng)中的某個子系統(tǒng)測量的結(jié)果決定了剩余子系統(tǒng)的可能狀態(tài)。量子糾纏態(tài)存在非定域的遠距離關(guān)聯(lián)，相互糾纏的兩個粒子無論被分離多遠，一個粒子狀態(tài)的變化都會立即使得另一個粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。

2 量子信息技術(shù)

2.1 量子通信技術(shù)

量子通信是指利用微觀粒子（一般為光子）的量子態(tài)作為編碼物理態(tài)，進行信息傳遞的通信方式，其特征是通信過程中的信息載體為物理系統(tǒng)的量子態(tài)。由于光子量子態(tài)不能被分割或復(fù)制，在量子信道上傳送的信息不可能被竊聽、被截獲、被復(fù)制，量子通信具有安全性。利用量子糾纏態(tài)進行量子態(tài)隱形傳輸，量子通信可實現(xiàn)無障礙通信的能力。廣義的量子通信技術(shù)包含了量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼、量子信息論、量子密碼等研究分支。量子密碼技術(shù)又包含量子安全直接通信（QSDC）、量子秘密共享（QSS）、量子公鑰密碼（QPKC）、量子密鑰分發(fā)（QKD）等技術(shù)。

1984年，美國IBM研究院的C. H. Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的G. Brassard首次提出了基于量子物理方法的密鑰分發(fā)協(xié)議，被稱為BB84協(xié)議。BB84協(xié)議的提出標志著量子通信技術(shù)及量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)的誕生。當前技術(shù)條件下，文獻資料中所謂量子通信技術(shù)通常指QKD技術(shù)，迄今為止世界上幾乎所有的“量子網(wǎng)絡(luò)”都是指“量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)”。其余的量子通信技術(shù)的理論或?qū)嶒灮A(chǔ)尚不完備，仍處于基礎(chǔ)研究階段。美國、歐盟和日本分別在基于自由空間和光纖信道的離散變量QKD技術(shù)、基于光纖信道的連續(xù)變量QKD技術(shù)、基于自由空間信道的糾纏光子對QKD技術(shù)上處于世界領(lǐng)先水平。從技術(shù)指標上來講，目前國際上QKD系統(tǒng)最遠傳輸距離達300公里，在通信距離為50公里條件下安全碼率可達1Mb/s。市場上至少有三家公司銷售商用QKD產(chǎn)品，其中包括瑞士的ID Quantique公司，美國的MagiQ公司和法國的Smart Quantum公司。2007年瑞士聯(lián)邦選舉中，日內(nèi)瓦政府信息部門采用了ID Quantique公司的商用QKD系統(tǒng)進行投票結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)保密處理。2010年，南非世界杯安全信息服務(wù)也采用了該公司的商用QKD系統(tǒng)作為安全保障。

2.2 量子計算技術(shù)

量子計算是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)，用二能級系統(tǒng)作為信息處理單元（量子比特，qubit），通過對量子態(tài)的調(diào)控實現(xiàn)信息輸入、信息處理及信息提取的并行計算方式。其核心在于以量子態(tài)來編碼信息，優(yōu)勢源于量子相干性引起的量子并行。在經(jīng)典計算中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。從原理上講，經(jīng)典計算是基于經(jīng)典比特的非0即1的確定特征，對輸入信號序列按一定算法進行變換（邏輯門操作）的物理過程。而量子計算則是基于量子比特的|0>和|1>的相干疊加特征，對可由量子疊加態(tài)描述的輸入信號，根據(jù)量子的算法要求，進行量子邏輯門操作的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進行測量得出計算結(jié)果。因此，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充。量子計算機不僅能克服特征尺寸減少引起的熱耗效應(yīng)和量子效應(yīng)對現(xiàn)有計算機進一步發(fā)展的制約，解決經(jīng)典計算機制造中面臨的摩爾定律失效問題，而且能夠突破經(jīng)典計算極限，滿足計算速度不斷提高的需求，將成為下一代計算機發(fā)展重要方向[5]。

量子計算的基本理論模型已經(jīng)得到實驗驗證，國內(nèi)外的研究人員正致力于集成更多量子位，盡可能長時間的保持其量子特性，以進行更多的量子邏輯門操作。2010年，加拿大D-wave公司宣布研制成128個量子比特的超導(dǎo)絕熱量子計算機。2011年，奧地利因斯布魯克大學(xué)利用離子阱實現(xiàn)了6個量子位，并進行了數(shù)百個量子邏輯運算。此裝置實際上已經(jīng)可以看做可實現(xiàn)特定功能的專用量子計算機。2012年，IBM采用三維合金波導(dǎo)諧振腔，使內(nèi)置的超導(dǎo)量子位將量子態(tài)保持了100微秒，理論上可以完成數(shù)百個量子邏輯門操作，成功率達到95%以上，展示了超導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于量子計算的巨大潛力。

2.3 量子成像技術(shù)

量子成像是一種利用雙光子復(fù)合探測恢復(fù)待測物體空間信息的一種新型成像技術(shù)。相對于傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)中通過記錄輻射場的光強分布從而獲取目標的圖像信息的方法，量子成像則是通過利用、控制（或模擬）輻射場的量子漲落來得到物體的圖像。由于經(jīng)典電磁波成像技術(shù)建立在電磁波的確定性理論模型和經(jīng)典信息論基礎(chǔ)之上；而量子成像技術(shù)建立在光場的量子統(tǒng)計的不確定性理論模型之上。因此，量子成像能夠打破經(jīng)典成像的探測系統(tǒng)量子噪聲極限、成像系統(tǒng)分辨率衍射極限、奈奎斯特采樣極限，在成像探測靈敏度、分辨率和掃描成像速率上得到突破。

1995 年，美國馬里蘭大學(xué)史硯華小組首次在實驗上實現(xiàn)了雙光子糾纏源的“鬼”成像。1999 年巴西Fonseca 等人利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的雙光子態(tài)作光源，觀察到了雙縫的亞波長干涉效應(yīng)。鬼像以及鬼干涉實驗的研究帶動了量子成像的發(fā)展。2000 年，Boto提出利用N個光子糾纏系統(tǒng)來做N個光子復(fù)合探測的量子刻錄方案，可以在不改變光波波長的情況下，把光學(xué)系統(tǒng)的瑞利衍射分辨極限提高N 倍。2004 年，Bennink 小組用經(jīng)典光源證明了雙光子“鬼”成像的實驗。2008 年，美國國家標準和技術(shù)學(xué)院以及馬里蘭大學(xué)的聯(lián)合研究團隊首次實時捕獲了被量子糾纏在一起的圖像，兩幅在空間上分隔開的隨機變動的圖像，但通過它們的互補功能被緊密鏈接在一起。

2.4 量子定位技術(shù)

量子定位技術(shù)是基于傳統(tǒng)無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)的同步、信息傳輸、測距（測角/測時差/測相差/測頻差）和解算（位置/方向/姿態(tài)）基本原理，利用量子的糾纏和壓縮特性實現(xiàn)超越經(jīng)典測量中能量、帶寬和精度的限制。根據(jù)理論分析量子定位技術(shù)在定位精度、安全性和抗干擾方面遠優(yōu)于無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。理論計算表明，量子定位系統(tǒng)（QPS）的定位精度至少是現(xiàn)有經(jīng)典無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)的M*N倍（M束光脈沖，每束光脈沖包含N個光子），是經(jīng)典光學(xué)測距的MN1/2倍。量子定位系統(tǒng)可很容易地解決保密通信和防竊聽的問題。量子定位系統(tǒng)由于采用量子光信號，不存在電磁干擾問題，同時，量子測不準性保證了噪聲干擾的可檢測性。

2001年美國麻省理工學(xué)院Vittorio Giovannetti博士帶領(lǐng)的研究小組最早提出量子定位系統(tǒng)（QPS）概念。從理論上證實了量子壓縮和量子糾纏時實現(xiàn)高精度量子定位的基礎(chǔ)；通過利用脈沖內(nèi)處于糾纏和壓縮態(tài)的光子的個數(shù)，可以提高距離測量的精度，且壓縮和糾纏的光子數(shù)越多，對應(yīng)的精度越高。此外，還研究了量子糾纏源的制備，時鐘同步等問題，并實現(xiàn)了基于糾纏雙光子對的10米距離量子測距的桌面試驗系統(tǒng)。2004年，美國陸軍研究實驗室詳細給出了采用基線干涉式QPS的構(gòu)建方案。2008年美國陸軍研究實驗室正式將陸基QPS和采用地球近軌衛(wèi)星的星載QPS研究成果申請專利，對于星載QPS而言，若忽略大氣層效應(yīng)，對于地球的絕大多數(shù)區(qū)域而言，優(yōu)于1cm的定位精度是完全可能的，而且可能會成為定義全球四維參考坐標系的主要系統(tǒng)。

2.5 量子傳感技術(shù)

量子傳感器是利用量子信號對環(huán)境變化的極高敏感性，得到高靈敏度和測量精度的新型傳感器。量子傳感器可以觀察到光子相位的微小變化，并通過量子態(tài)的調(diào)控高度壓縮光場固有的散粒噪聲，從而實現(xiàn)接近于海森堡測不準原理（物理學(xué)要求的測量極限）量級的觀測。

量子傳感技術(shù)中最成熟的研究領(lǐng)域是位移傳感，其最早被應(yīng)用于美國的“干涉探測器”（LIGO）尋找引力波存在的跡象，該探測器可以探測10-18米量級的極微量位移，甚至比光子本身的直徑還小一千倍，充分展示了量子傳感器的巨大應(yīng)用潛力。目前，已相繼開展量子激光陀螺、量子光纖擾動傳感和量子光纖水聽器等量子傳感技術(shù)的理論研究[6]。美國國防先期研究計劃局DARPA已經(jīng)專門立項量子傳感器的研究專題。2007年，澳大利亞學(xué)者安德魯·懷特小組制備了6光子以上的糾纏源。2010年，來自意大利羅馬大學(xué)的團隊證明了存在損耗和噪聲的干涉儀中也可以實現(xiàn)高精度的傳感和測量，探索了將量子技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境以實現(xiàn)遠距離傳感的可能性。

3 結(jié)語

量子信息技術(shù)是量子力學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合的一門快速發(fā)展的新型學(xué)科，基于量子特性的量子信息技術(shù)在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面能夠突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。近年來量子信息在理論、實驗和應(yīng)用領(lǐng)域都取得重要突破，隨著信息時代的到來，量子信息技術(shù)將越來越廣泛的引起人們的關(guān)注，將成為下一代信息技術(shù)的先導(dǎo)。

【參考文獻】

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[2]何立宏.安全多方量子計算理論與應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013，5.

[3]陸鳶.連續(xù)變量量子保密通信技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，2011，12.

[4]肖.量子信息技術(shù)-量子密鑰[J].湖北教育學(xué)院學(xué)報，2005，3.

[5]Arun G， Vivekanand Mishra， A Review on Quantum Computing and Communication， IEEE， 2014.

[6]陳暉.量子信息技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2012，10（5）.

[責任編輯：朱麗娜]