的学科分支量子信息学也应运而生。该学科 是量子力学与信息科学相结合的产物是以量子力学的态叠加原理为基础研究信息处 理的门新兴前沿科学。量子信息学包括量子密码术量子通信量子计算机等几个方 面近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。 量子计算机 量子计算机是类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算存储及处理量子信 息的物理装置。当个装置处理和计算的是量子信息运行的是量子算法时它就是量 子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了 解决计算机中的能耗问题。 世纪年代至年代人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热极大地影响 了芯片的集成度从而限制了计算机的运行速度。研究发现能耗来源于计算过程中的 不可逆操作。那么是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢问题的答案是所 有经典计算机都可以找到种对应的可逆计算机而且不影响运算能力。早期量子计算 机实际上是用量子力学语言描述的经典计算机并没有用到量子力学的本质特性如量 子态的叠加性和相干性。与经典计算机不同量子计算机可以做任意的幺正变换在得 到输出态后进行测量得出计算结果。因此量子计算对经典计算作了极大的扩充在 数学形式上经典计算可看作是类特殊的量子计算。量子计算机对每个叠加分量进 行变换所有这些变换同时完成并按定的概率幅叠加起来给出结果这种计算称 作量子并行计算。除了进行并行计算外量子计算机的另重要用途是模拟量子系统 这项工作是经典计算机无法胜任的。 无论是量子并行计算还是量子模拟计算本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是 在实际系统中量子相干性很难证密码本的绝对安全也就 保证了加密信息的绝对安全。最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振特性目前主 流的实验方案则用光子的相位特性进行编码。目前在量子密码术实验研究上进展最快 的国家为英国瑞士和美国。在中国量子密码通信的研究刚刚起步比起国外目前的 水平我国还有较大差距。 量子力学的研究进展导致了新兴交叉学科量子信息学的诞生为信息科学展 示了美好的前景。另方面量子信息学的深入发展遇到了许多新课题反过来又有 力地促进量子力学自身的发展。当前量子信息学无论在理论上还是在实验上都在不断 取得重要突破从而激发了研究人员更大的研究热情。但是实用的量子信息系统是宏量子直接通讯过程的研究 观尺度上的量子体系人们要想做到有效地制备和操作这种量子体系的量子态目前还是 十分困难的。 人类在世纪能够精确地操控航天飞机和搬动单个原子但却未能掌握操控量子 态的有效方法。在世纪人类应积极致力于量子技术的开发推动科学和技术更迅 速地发展。 量子信息学进展 利用纠缠光子对在实验上检验了理论 在量子物理学中隐变量理论直在挑战着量子力学的完备性不等式在实验上的违 背证实了这种隐变量是不存在的量子力学是完备的但这个结论仅适合于类空事件的场 合理论更深刻揭示出与环境无关的隐变量与量子力学的不相 容性但以往只有两个对进行统计性检验的实验我们完成了个全有或全无 类型的对的非统计性的实验检验实验结果有力地说明了量子力学的正确性。 首次利用核磁共振实现了量子博弈实验 实验上验证了在量子博弈中如果两个参与人都选择了量子策略他们将获得双赢的结 果而在经典博弈中任何个理性的参与人都不可能获胜这个有趣的研究成果在国 际学术媒体中引起广泛的兴趣美国和英国物理学会发表了许多报道和评价。 实验上实现高精度量子相位测量 应用双模光子数态和自己独创的多光子投影测量方法实验测得的相位精度超过相应的 标准量子极限该方法最有希望逼近海森伯极限著名的美国物理学科网站以测量精度 冲破了标准量子极限为题做了专文报道 实验上研制成功量子赌博机 这是宏观上展示量子力学反常行为的奇妙机器其功能可抑制庄家的欺骗在未来的 量子信息产业中可能成为种必备的商用机器该文章发表后在其研究亮 点栏目专文中作了报导美国物理学科网站也以物理学家建立量子赌博机为题予 以长篇报道 量子信息学的研究进展非常快还有许许多多的研究成果就不介绍了。量子信息技 术已经成为各国战略竞争的焦点之我们有幸在起跑线上加入到这场关系到国家重大量子直接通讯过程的研究 利益的竞争之中就必须义无反顾地担负起这份历史责任在这个新兴领域中为我国 争得重要的席之地面对着这个巨大的挑战和难得的机遇我们将以量子通信网络和量 子计算机为研究目标艰苦奋斗永不放弃雄关漫道真如铁无限风光在险峰, 量子信息学发展趋势和方向 量子信息科学的主要任务就在于开展基础量子信息科学领域的研究工作其中 包括量子信息科学的物理基础量子编码量子算法量子信息论等开展量子光 通信领域的研究工作其中包括量子密码术量子隐形传态量子隐形传物和量子 概率克隆等开展全光量子计算机的开发与研制工作以光子作为信息和能量的载 体以全光量子计算机作为发送与接收终端以光缆作为光量子信息的主要通道同时 借助于人造通信卫星等空间技术首先在国内建立局域网量子保密通信体系并将其率 先用于国防科技领域以便提高国家的安全防卫能力。即在国内初步开通局域网信息高 速公路根据全球体化进程并选择适当的时机将国内的局域网信息高速公路 并入国际网络体系之中最终实现全球体化的真正科学意义上的信息高速公路。 为保障在信息高速公路开通之后国家的信息安全不受任何威协那么就必须在信 息高速公路开通之前加大力度重点研究和建设好国家局域网新型量子安全体系。 当前量子信息科学领域的研究工作在国际上刚刚起步我国在这领域的研究工 作与国际同步并且在许多方面居于国际领先地位。以郭光灿教授为首的中国科技大学 的研究集体在单双模量子信息学的理论研究方面取得了大量的开创性的研究成果 从而为我国量子信息科学的高速发展奠定了十分重要的理论基础。以彭堃墀教授为首 的山西大学的研究群体则在单双模压缩态光场等量子信息学的实验技术研究方面取 得了系列重大的开拓性和开创性的研究成果特别是原子的激光冷却与捕获以及 量子隐形传态在实验上的实现等等为我国量子信息科学的飞速发展奠定了坚实的实验 基础。但是上述的研究工作主要集中在单双模量子信息科学领域而对于多模指 光场的多纵模量子信息科学则几乎没有涉及。 当前及世纪人们应将主要研究目标集中在以下两个方面 第继续发展和完善单双模量子信息科学其中包括继续开展单双模光 场压缩态领域的研究工作力争在较短的时间内使各种单双模光压缩器件全固化小 型化和集成化利用双光子及多光子纠缠态深入开展各种光子体系的量子隐形传态 力争使其研究成果器件化产品化和产业化并由此向量子隐形传物的方向逼近 继续在单双模光场领域开展全光量子计算机的硬件实现问题的研究工作力争在较短量子直接通讯过程的研究 的时间内研制出我国第台全光量子计算机并在此基础上进步率先开通国内的局域 网信息高速公路以便使我国在这学科领域的研究上再度走在国际前列。 第二建立发展和完善多纵模量子信息科学。其中包括深入开展多模光场 压缩态领域的理论与实验技术研究工作力争研制成功我国第台多模光压缩器件促 使多模光压缩器件产品化和产业化并在此基础上进步实现全固化小型化和集成化 等等在多纵模光场领域开展各种量子隐形传态等领域的研究工作并力争使其器件 化产品化和产业化开展以多纵模光场压缩态为基础的全光量子计算机领域的理 论与技术探索工作力争研制成功首台适用于多纵模非经典光场的全光量子计算机 以便为信息高速公路的全面贯通打好物质基础建立发展和完善多纵模量子信息 理论建立发展和完善多纵模量子光通信理论等等。从而在以上研究的基础上全 面建立多纵模量子信息科学与技术的完整体系最终使我国与世界其它国家拉大差距并 远远走在国际前列。 量子信息基础 量子信息学是涉及量子力学信息论计算机科学的交叉学科它可以完成经典信 息无法完成的事情因此不同于经典信息理论。它以量子力学为其理论基础以量子态 为信息载体利用量子力学的些基本原理实现高安全性能的信息传输和强大的计算能 力。因此在进步研究量子通信之前我们首先对量子力学的基本原理及量子体系的 些基本特性做个介绍。 量子力学中相关知识 量子信息学以量子力学为基础但涉及多个学科在介绍量子信息前我们简单介绍些 量子力学的基本原理。量子力学是反映微观粒子运动规律的物理 学分支学科它是研究原子分子凝聚态物质以及原子核和基本粒子的结构属性的 基础理论它与相对论起构成了现代物理学的理论基础是世纪物理学的两个划 时代的里程碑。量子力学已经有了过百年的历史是门相当成熟的学科除了量子信 息论领域以外也正在逐步渗透到生命科学领域其前景难以预测。它的全部内容可以从 五个基本假设推演出来 波函数公设 个微观量子系统的状态可以用希尔伯特空间中的矢量来描述。两个矢量若只相差 个复数因子则是描写同个状态。 个微观量子系统的状态可以用希尔伯特空间中的矢量来描述。两个矢量若只相差 个复数因子则是描写同个状态。右矢或左矢都称为态矢量满足归化的条 件下它们都可以用来描写系统的状态我们称此态为状态它包含系统的所有信息。 表达式表示粒子出现的概率密度。波函数般应满足连续性有限性和单值性