量子特性与量子信息技术

科技・黼・争鸣　Ｓｃ科ｉｅｎｃｅ＆Ｔｅ技ｃｈ视ｎｏｌｏｇｙＳｉｔ　　Ｖｉｓｉｏｎ　量子特性与量子信息技术　叶丰源　（西安电子科技大学附属中学２０１８届０１班，陕西西安７１００７１）　【摘要】量子具有叠加性、不可克隆、相干性、纠缠性等特性，基于量子特性的量子信息技术将突破经典信息系统的极限，在信息安全、运　算速度、信息容量、检测精度等方面获得更高性能的突破，具有无与伦比的优势和前景。本文介绍了量子态特性，以及量子通信、量子计算、量子　成像、量子定位、量子传感等量子信息技术的概念和研究进展。　【关键词】量子态；量子信息技术；量子通信；量子计算；量子传感　物理系统的量子态。由于光子量子态不能被分割或复制．在量子信道　传送的信息不可能被窃听、被截获、被复制．量子通信具有安全性。　十九世纪末二十世纪初，爱因斯坦创立了相对论，海森堡、薛定谔　利用量子纠缠态进行量子态隐形传输．量子通信可实现无障碍通信的　等一些科学家创立了量子力学．由此诞生了现代物理学　相对论和量　能力　广义的量子通信技术包含了量子隐形传态、量子密集编码、量子　子论成为现代物理学的两大支柱　量子信息是量子物理与信息技术相　信息论、量子密码等研究分支　量子密码技术又包含量子安全直接通　结合发展起来的新学科Ｉ”。经典物质和微观粒子的本质差别在于微观　信（ＱＳＤＣ）、量子秘密共享（ＱＳＳ）、量子公钥密码（ＱＰＫＣ）、量子密钥分　粒子具有量子特性，这些特性包括叠加性、不可克隆、相干性、纠缠性　发（ＱＫＤ）等技术。　等。量子信息技术重点研究利用这些量子力学特性．突破基于经典电　１９８４年．美国［ＢＭ研究院的ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ和加拿大蒙特利尔大　动力学的信息系统的性能极限　量子信息技术主要包括量子通信技　学的Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ首次提出了基于量子物理方法的密钥分发协议．被称　术、量子计算技术、量子成像技术、量子定位技术、量子传感技术等。由　为ＢＢ８４协议　ＢＢ８４协议的提出标志着量子通信技术及量子密钥分　于量子信息技术具有经典信息无法比拟的优势和前景．近年来受到广　发（ＱＫＤ）技术的诞生　当前技术条件下，文献资料中所谓量子通信技　泛关注和发展　术通常指ＱＫＤ技术．迄今为止世界上几乎所有的“量子网络”都是指　“量子密钥分发网络”，、其余的量子通信技术的理论或实验基础尚不完　１量子态的基本特性　备，仍处于基础研究阶段　美国、欧盟和日本分别在基于自由空间和光　１．１态叠加原理　纤信道的离散变量ＱＫＤ技术、基于光纤信道的连续变量ＱＫＤ技术、　若１０　＞、ｌ　：）、…　｝　）为量子系统的可能状态，则南它们任意线　基于自由空间信道的纠缠光子对ＱＫＤ技术上处于世界领先水平。从　性组合得到的叠加态　技术指标上来讲．目前国际上ＱＫＤ系统最远传输距离达３００公里．在　通信距离为５Ｏ公里条件下安全码率可达１Ｍｂ／ｓ　市场上至少有三家　）＝∑ｃ　１０　），ｉ∈｛１１２，…，ｎ｝也是系统的一个可能的态。　公司销售商用ＯＫＤ产品，其中包括瑞士的ＩＤ　Ｏｎａｎｔｉｑｕｅ公司，美国的　Ｍａ　Ｏ公司和法国的Ｓｍａｒｔ　Ｑｕａｎｔｕｍ公司　２００７年瑞士联邦选举中，　１．２相干性　相干性是态之间的关联性．是指微观世界的量子态矢之间存在相　日内瓦政府信息部门采用了ＩＤ　Ｑｕａｎｔｉｑｕｅ公司的商用ＱＫＤ系统进行　０年．南非世界杯安全信息服务也采用　互干涉。量子态利用其相干陛保持其携带的量子信息。环境噪声的影响　投票结果和网络保密处理　２０１了该公司的商用ＯＫＤ系统作为安全保障。　或测量会破坏量子相干性导致量子信息塌缩为经典信息．即消相干　２．２量子计算技术　１．３测不准原理　量子计算是以量子力学原理为基础．用二能级系统作为信息处理　若两个力学量Ａ和Ｂ不对易即ＡＢ≠ＢＡ．则它们无法同时精确测　单元（量子比特．ｑｕｂｉｔ）．通过对量子态的调控实现信息输入、信息处理　量。力学量Ａ和Ｂ在量子态Ｉ　）下的不确定关系可以描述为　及信息提取的并行计算方式　其核心在于以量子态来编码信息，优势　源于量子相干陛引起的量子并行　在经典计算中．基本信息单位为比　其中　Ａ和　Ｂ分别为力学量Ａ和Ｂ在ｌ　）中的不确定度，而ｆＡ，Ｂ１　特．运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算中，基本信息单　ＡＢ—ＢＡ为Ａ与Ｂ的对易式　位是量子比特．运算对象是量子比特序列　所不同的是，量子比特序列　由海森堡测不准原理可知．如果将信息编码在一对非互易的物理　不但可以处于各种正交态的叠加态上．而且还可以处于纠缠态上　从　量上．接收者是无法将该信息完整的还原出来的．测量某一个物理量　原理上讲．经典计算是基于经典比特的非０即１的确定特征，对输入　时．必会对另一个物理量产生扰动　信号序列按一定算法进行变换（逻辑门操作）的物理过程。而量子计算　１．４不可克隆定理　则是基于量子比特的ｌＯ＞和ｌ１＞的相干叠加特征．对可由量子叠加态描　不可克隆指未知量子态不可以被精确复制　不经过测量．就不能　述的输入信号．根据量子的算法要求，进行量子逻辑门操作的幺正变　得到量子系统的任何信息．这就意味着要从非正交量子态中提取编码　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　信息．就必须对这些量子态进行破坏性测量　不可克隆定理使得窃听　计算作了极大的扩充　量子计算机不仅能克服特征尺寸减少引起的热　者无法采用克隆的手段获取私密信息．它是量子协议安全性的重要保　耗效应和量子效应对现有计算机进一步发展的制约．解决经典计算机　障　尽管精确复制未知量子态被不可克隆定理否决．但概率克隆依然　制造中面临的摩尔定律失效问题．而且能够突破经典计算极限，满足　是可能的。量子不可克隆定理断言．非正交态不可以克隆，但它并没有　计算速度不断提高的需求．将成为下一代计算机发展重要方向　Ｉ。　排除非精确克隆即复制量子态的可能性　目前主要有两种克隆机：普　量子计算的基本理论模型已经得到实验验证．国内外的研究人员　适克隆机和概率克隆机１４１　正致力于集成更多量子位．尽可能长时间的保持其量子特性，以进行　１．５量子纠缠性　更多的量子逻辑门操作　２０１０年．加拿大Ｄ—ｗａｖｅ公司宣布研制成ｌ２８　量子纠缠性是一种特殊的量子力学现象．即对复合系统中的某个　个量子比特的超导绝热量子计算机。２０１１年，奥地利因斯布鲁克大学　子系统测量的结果决定了剩余子系统的可能状态　量子纠缠态存在非　利用离子阱实现了６个量子位，并进行了数百个量子逻辑运算。此装　定域的远距离关联．相互纠缠的两个粒子无论被分离多远．一个粒子　置实际上已经可以看做可实现特定功能的专用量子计算机。２Ｏ１２年，　状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化　ＩＢＭ采用三维合金波导谐振腔，使内置的超导量子位将量子态保持了　１００微秒．理论上可以完成数百个量子逻辑门操作．成功率达到９５％　２量子信息技术　以上．展示了超导系统应用于量子计算的巨大潜力。　２．３量子成像技术　２．１量子通信技术　量子成像是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的　量子通信是指利用微观粒子（一般为光子）的量子态作为编码物　理态，进行信息传递的通信方式，其特征是通信过程中的信息载体为　种新型成像技术　相对于传统光学成像技术中通过记录辐射场的光　Ｏ引言　ＡＡＡＢ￣－ｈｌ　Ｉ　，曰１　Ｊ　＝一作者简介：叶丰源（２０Ｉ）（　一），男，浙江永康人，西安电子科技大学附属中学２（）１８届０１班，高二在较学生，在校研究性学习课题是现代物理学发展史，对２１世纪　物理学的发展历史和主要成就进行学习和研究．尤其感兴趣基于量子力学的量子信息科学。　４５８　ｆ科技视界Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｉｓｉｏｎ　　ｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｉｓｉｏｎ　科技视界　科技・探索・争鸣　强分布从而获取目标的图像信息的方法．量子成像则是通过利用、控　用地球近轨卫星的星载ＱＰＳ研究成果申请专利．对于星载ＱＰＳ而言，若　制（或模拟１辐射场的量子涨落来得到物体的图像　由于经典电磁波成　忽略大气层效应．对于地球的绝大多数区域而言。优于ｌｃｍ的定位精度　像技术建立在电磁波的确定性理论模型和经典信息论基础之上；而量　是完全可能的．而且可能会成为定义全球四维参考坐标系的主要系统。　子成像技术建立在光场的量子统计的不确定性理论模型之上。因此，　２．５量子传感技术　量子成像能够打破经典成像的探测系统量子噪声极限、成像系统分辨　量子传感器是利用量子信号对环境变化的极高敏感性．得到高灵　率衍射极限、奈奎斯特采样极限，在成像探测灵敏度、分辨率和扫描成　敏度和测量精度的新型传感器　量子传感器可以观察到光子相位的微　像速率上得到突破　小变化。并通过量子态的调控高度压缩光场固有的散粒噪声．从而实　１９９５年．美国马里兰大学史砚华小组首次在实验上实现了双光　现接近于海森堡测不准原理（物理学要求的测量极限）量级的观测。　子纠缠源的“鬼”成像　１９９９年巴西Ｆ０ｎｓｅｃａ等人利用自发参量下转换　量子传感技术中最成熟的研究领域是位移传感．其最早被应用于　产生的双光子态作光源．观察到了双缝的亚波长干涉效应　鬼像以及　美国的“干涉探测器”（ＵＧＯ）寻找引力波存在的迹象，该探测器可以　鬼干涉实验的研究带动了量子成像的发展　２０００年．Ｂｏｔｏ提出利用Ｎ　探测ｌ０一ｓ米量级的极微量位移．甚至比光子本身的直径还小一千倍．　个光子纠缠系统来做Ｎ个光子复合探测的量子刻录方案．可以在不改　充分展示了量子传感器的巨大应用潜力　目前．已相继开展量子激光　变光波波长的情况下．把光学系统的瑞利衍射分辨极限提高Ｎ倍。　陀螺、量子光纤扰动传感和量子光纤水听器等量子传感技术的理论研　２００４年．Ｂｅｎｎｉｎｋ小组用经典光源证明了双光子“鬼”成像的实验。　究１６１　美国国防先期研究计划局ＤＡＲＰＡ已经专门立项量子传感器的　２００８年．美国国家标准和技术学院以及马里兰大学的联合研究团队　研究专题。２００７年，澳大利亚学者安德鲁・怀特小组制备了６光子以　首次实时捕获了被量子纠缠在一起的图像．两幅在空间上分隔开的随　上的纠缠源　２０１０年．来自意大利罗马大学的团队证明了存在损耗和　机变动的图像．但通过它们的互补功能被紧密链接在一起　噪声的干涉仪中也可以实现高精度的传感和测量．探索了将量子技术　２．４量子定位技术　应用干现场环境以实现远距离传感的可能性　量子定位技术是基于传统无线电导航定位系统的同步、信息传　输、测距（测角／测时差／测相差／测频差）和解算（位置／方向／姿态）基　３结语　本原理．利用量子的纠缠和压缩特性实现超越经典测量中能量、带宽　量子信息技术是量子力学和信息科学相结合的一门快速发展的　和精度的限制。根据理论分析量子定位技术在定位精度、安全性和抗　新型学科．基于量子特性的量子信息技术在提高运算速度、确保信息　干扰方面远优于无线电导航定位系统。理论计算表明．量子定位系统　安全、增大信息容量和提高检测精度等方面能够突破现有经典信息系　（ＱＰＳ）的定位精度至少是现有经典无线电导航定位系统的Ｍ＊Ｎ倍（Ｍ　统的极限。近年来量子信息在理论、实验和应用领域都取得重要突破．　束光脉冲．每束光脉冲包含Ｎ个光子）．是经典光学测距的ＭＮＩｒ２倍　随着信息时代的到来．量子信息技术将越来越广泛的引起人们的关　量子定位系统可很容易地解决保密通信和防窃听的问题　量子定位系　注，将成为下一代信息技术的先导。●　统由于采用量子光信号，不存在电磁干扰问题。同时，量子测不准性保　证了噪声干扰的可检测性　Ｉ参考文献】　２００１年美国麻省理工学院Ｖｉｔｔｏｒｉｏ　Ｇｉｏｖａｎｎｅｔｔｉ博士带领的研究小　［１］郭光灿．量子信息技术『Ｊ１ｌ重庆邮电大学学报（自然科学版）．２０１０，１０．　组最早提出量子定位系统（ＱＰＳ）概念　从理论上证实了量子压缩和量　［２］何立宏．安全多方量子计算理论与应用研究　．中国科学技术大学００１３’５．　子纠缠时实现高精度量子定位的基础：通过利用脉冲内处于纠缠和压　［３］陆鸢＿连续变量量子保密通信技术研究［Ｄ１．上海交通大学，２０１１，１２．　缩态的光子的个数．可以提高距离测量的精度．且压缩和纠缠的光子　［４］肖．量子信息技术一量子密钥『Ｊ１ｌ湖北教育学院学报，２００５，３．　数越多。对应的精度越高。此外，还研究了量子纠缠源的制备，时钟同　［５］Ａｒｕｎ　Ｇ　Ｖｉｖｅｋａｎａｎｄ　Ｍｉｓｈｒａ，Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｏ１１　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，　步等问题．并实现了基于纠缠双光子对的１ｏ米距离量子测距的桌面　ＩＥＥＥ　２０１　试验系统。２００４年．美国陆军研究实验室详细给出了采用基线干涉式　［６］陈晖．量子信息技术及其应用探讨『Ｊ１．中国电子科学研究院学报，２０１２，ｌ０（５）．　ＱＰＳ的构建方案。２００８年美国陆军研究实验室正式将陆基ＱＰＳ和采　［责任编辑：朱丽娜］　（上接第２１６页）称、投资和住房等方面新政策的出台．以及自然灾害　也不失一般性　城乡个体之间虽然并非都有直接联系．但都有间接联　和影响社会稳定的其它突发事件等。“定居惰性”主要是指精准信息传　系　把通过中间行政区划级别的迁人和迁出看作一个过渡．人口迁移　递的延迟度、人口固守家园思维定式的稳固度、墨守成规做事风格的　也可以实现行政区划级别跨越　先忽略两城乡之间的迁移壁垒．即引　影响等。“静态”是指突发事件影响已进入平稳期．各城乡宜居指数趋　入管网中长管的处理方法．进一步研究时为了提高分析精度再考虑此　于不变．人口迁移趋势稳定。人口分布态势平稳。“动态”是指新出台政　方面的影响。　策及突发自然灾害等因素影响效应明显．各城乡宜居指数随时间而改　人口迁移动力学模型的构建大致可以分为三个阶段　首先．借鉴　变．人口迁移趋势加速或变缓．人口分布态势异动　水流运动的管网水力计算理论．根据人口迁移网络的性质及其影响因　通过这样的对应关系．描述水流运动的管网理论和计算方法就可　素，初步构建人口迁移动力学模型。接下来．由长系列的历史资料．比　以应用于人口迁移问题分析。上述的四个表达式均是对应于静态人口　如２０００年至２０１０年统计数据．确定模型中的参数　最后．利用若干年　迁移的情况。１）式所反映的是某一人口集聚地人口迁入、迁出、出生和　份的实际资料，比如２０１１年至２０１５年统计数据，对模型进行检验．并　死亡等所引起人口变化之间的守恒规律　２）式所反映的是两人口集聚　修改完善。基于经过检验完善之后的模型．就可以实现对人口迁移的　地之间宜居指数差异与人口迁移速度之间的规律　３）式所反映的是人　预测　比如分析静态人口迁移的长期趋势．发生某种程度的自然灾害　口沿着任意一条路径在两人口集聚地之间阶梯式（非跳跃式）迁移时．　或出现某种类型的突发事件所导致的人口迁移动态响应．制定应急预　两地宜居指数差值应该等于构成该路径的所有必经迁移阻滞之和　４）　案。也可以进行反分析，根据人口集聚地对迁移规模所能够承受的程　式所反映的是任意若干人口集聚地构成一个环路．如若定义一个环路　度．制定相应力度的政策干预措施　的正方向．当人口迁移方向与环路正方向相同时阻滞为正．否则为负．　那么构成环路所有必经联系路径对应阻滞的代数和为零。　５结语　４人口迁移网络分析模型建立及应用前景　人口迁移背景可以进行联系路径的网络模式化。借鉴水力学关于　水流运动管网计算的研究成果．将人口迁移与水流运动的基本要素建　基于管网水力计算理论的人口迁移分析方法．作为可以精细定量　立准确对应关系．就可以构建精准定量分析人口迁移规律的动力学模　分析人口迁移问题的数学模型．具有巨大的潜力　其研究进程可以采　用循序渐进原则．由简单到复杂　在范围方面．先以围内为主要研究对　型。这对该领域研究有着重要的理论和实际意义。ｅ　象。认为各城乡之间的人口迁移基本上不受任何硬性约束．可近似认　【参考文献】　为具有自由迁移的特征　跨Ｉ　跨境直至移民类型的迁移往往有壁垒的　［１］钟水映．人口流动与社会经济发展［Ｍ］．湖北武汉：武汉大学出版社，２０００，５　限制，可概化为一个定值甚或忽略不计。在复杂性方面。先静态分析．　（１）：１４－３０．　然后再考虑新政策出台和自然灾害等突发事件的影响进行动态研究　［２］四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室编［Ｍ】．水力学（上册），　如果所有城乡之间均建立联系路径．则计算工作量巨大　可以先根据　北京：高等教育出版社，２０１６，４（５）：１１５—１１９，１７５—１７７．　行政区划，假定人口集聚地仅与同级别及相邻级别之间有迁移联系　这　［责任编辑：田吉捷］　ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎ。ｌ。ｇｙ　Ｖｉｓｉ。ｎ科技视界１　４５９