神奇的量子信息技术 量子特性在提高运算速度、稀保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突 破现有经典信息系统的极限。一个20量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储 的数达2250，比现有已知的字宙中全部原子数目还要多，用量子搜寻算法攻击现有密码体系， 经典计算需要1000年的运算量，量子计算机只需小于4分钟的时间。量子密阴体系采用量 子态作为信息载体，其安全性由量子力学原理所保证。基于量子隐形传态过程，可以实现多 瑞分布运算，构成量子因特网。薛定司“器”佯谬， 量子力学的诞生深刻地改变了人类社会：在0世纪推动了社会发展的核能，激光、半 导体等高科技，都是源于量子力学，然后，自然界是否确实按膈量子理论的规律运行？以爱 因斯坦为代表的一方始终认定量子力学不是完备的理论，“上帝是不会玩般子的”，而以蜀本 哈根学派额袖玻尔为代表的另一方则坚信量子理论的正确性。 量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入被函数（量子态）来描述量子客体的状态， 著名物理学家费曼曾指出：量子力学的精妙之处在于引入几率幅（即量子态）的概念。事实 上，量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态，而关于量子理论的长期激烈争论的 焦点也在这个量子药。在近百年的学术争论中，影响最大的瓷是薛定博(19]5年)提出的 所谓“薛定得瑞”件图和爱因斯坦等人(1935年)提出的EP明徉谬。 薛定词授想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在每一秒时间内以1/2几率放射出一 个较子，换句话说，按愿量子力学的叠如性原理，一秒钟后体系处于无较子态和一个较子态 的等几率幅叠加态。一且粒子发射出来，它将通过一个巧妙的传动机构将毒药瓶打开，毒气 释成后会导数盒子里面的一只猫立刻死亡。当然，如果无较子的发射，这一切均不会发生， 猫仍然活着。现在要问：一秒钟后金子里的猫是死还是活？既然放射性轮子是处于零和1 的叠加态，那么这只猫理应处于死指和活指的叠加志。这只似死似活、半死半话的猫就是著 名的“薛定得猫”。 在这个假想实验中，抛掉“篇”这个形象表狂之外，薛定河想要阐述的物理问题是：微 观世界遵连从量子叠加原理，那么，如果自然界确实按照量子力学运行的话。宏观世界也应连 从量子叠加原理。薛定博的实验装置巧妙地把微观成射源与宏观的指联接起来，最终衡生出 这贝可笑的薛定司罐。结论似乎否定了宏观世界存在有可以区分的量子态的叠如态。然面， 随着量子光学的爱属，人们研制各种制答宏观量子叠如态的方案，1997年科学家终于在离 子阱中观察到这种“薛定词”态。薛定司的问题还可以进一步扩展为：宏观世界中是否存
神奇的量子信息技术 量子特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突 破现有经典信息系统的极限。一个 250 量子比特（由 250 个原子构成）的存储器，可能存储 的数达 2250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。用量子搜寻算法攻击现有密码体系， 经典计算需要 1000 年的运算量，量子计算机只需小于 4 分钟的时间。量子密钥体系采用量 子态作为信息载体，其安全性由量子力学原理所保证。基于量子隐形传态过程，可以实现多 端分布运算，构成量子因特网。薛定谔“猫”佯谬。 量子力学的诞生深刻地改变了人类社会：在 20 世纪推动了社会发展的核能、激光、半 导体等高科技，都是源于量子力学。然后，自然界是否确实按照量子理论的规律运行？以爱 因斯坦为代表的一方始终认定量子力学不是完备的理论，“上帝是不会玩骰子的”，而以哥本 哈根学派领袖玻尔为代表的另一方则坚信量子理论的正确性。 量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入波函数（量子态）来描述量子客体的状态， 著名物理学家费曼曾指出：量子力学的精妙之处在于引入几率幅（即量子态）的概念。事实 上，量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态，而关于量子理论的长期激烈争论的 焦点也在这个量子态。在近百年的学术争论中，影响最大的就是薛定谔（1935 年）提出的 所谓“薛定谔猫”佯谬和爱因斯坦等人（1935 年）提出的 EPR 佯谬。 薛定谔设想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在每一秒时间内以 1／2 几率放射出一 个粒子。换句话说，按照量子力学的叠加性原理，一秒钟后体系处于无粒子态和一个粒子态 的等几率幅叠加态。一旦粒子发射出来，它将通过一个巧妙的传动机构将毒药瓶打开，毒气 释放后会导致盒子里面的一只猫立刻死亡。当然，如果无粒子的发射，这一切均不会发生， 猫仍然活着。现在要问：一秒钟后盒子里的猫是死还是活？既然放射性粒子是处于零和 1 的叠加态，那么这只猫理应处于死猫和活猫的叠加态。这只似死似活、半死半活的猫就是著 名的“薛定谔猫”。 在这个假想实验中，抛掉“猫”这个形象表征之外，薛定谔想要阐述的物理问题是：微 观世界遵从量子叠加原理，那么，如果自然界确实按照量子力学运行的话，宏观世界也应遵 从量子叠加原理。薛定谔的实验装置巧妙地把微观放射源与宏观的猫联接起来，最终诞生出 这只可笑的薛定谔猫，结论似乎否定了宏观世界存在有可以区分的量子态的叠加态。然而， 随着量子光学的发展，人们研制各种制备宏观量子叠加态的方案，1997 年科学家终于在离 子阱中观察到这种“薛定谔猫”态。薛定谔的问题还可以进一步扩展为：宏观世界中是否存
在有量子效应？事实上，大量实验事实都肯定地回答了这个月题。最近几年引起广泛兴趣的 藏色一一一爱因斯坦凝案的实验研究进展更有力证实了宏观量子效应。“P取佯谬”在近 0多年的量子力学的发展中起着重要的推动作用。它是爱因斯粗用来与孩尔做最重要一次 争论的假想实验，这个实验所预示的结果完全遵从量子力学原理。但却令人难以接受，设想 有一对总自旋为零的粒子（称为EP帆对），两个粒子随后在空间上分开，假定粒子A在地 球上，而粒子B在月球上。量子力学预言，若单独测量A(减B》的自能，则自旋可能向 上，也可能向下，各自概率为1/2。若地球上己测得粒子A的白旋向上，那么，月球上 的较子B不管测量与香，必然会处在自蒙向下的本征态上·爱因斯坦认定真实世界地妻如 此，月球上的粒子B决不会受到地球上对A测量的任何影响。因此，毛病来自量子力学理 论的不完备性。即不足以正确地描述真实的世界。玻尔则持完全相反的看法，他认为粒子A 和B之间存在着量子关联，不管它们在空间上分得多开，对其中一个较子实行局线操作（如 上述的测量)，必然会立刻导致另一个较子状态的改变，这是量子力学的非同域性。 这场争论的本质在于：真实世界是遵从爱因斯坦的局域实在论，还是玻尔的丰局域性理 论。长期以来，这个争论停面在哲学上，希以判断“孰是铁”，直到B基于爱因所相的 隐参数理论而推导出著名的8州不等式，人们才有可能在实验上寻找列定这场争论的依据， 法国学者首先在实验上证实了B不等式可以被进背，支持了玻尔的看法。之后，随着量 子光学的发展，有更多的实验支持了这个结论。1997年瑞士学者更直截了当地在10公里光 纤中测量到作为E%对的两个光子之间的量子关联。因此，现在我们可得出结论：①量子 力学是正确的（起码迄今光全与实验事实相自洽）：②丰局域性是量子力学的基本性质。现 在这种由爱因斯坦等人在其佯深中首先揭示的量子关联效应常被称为E明效应，它是非局 线性的体现， 事实上，按照量子力学理论，E卵粒子对处在所谓的创缠态上，这个量子态最大地违 背B山不等式，有着奇特的性质：我们无法单鞋地确定某个粒子处在什么量子态上，这个 态给出的唯一信息是两个轮子之间的关联这类整体的特性，现在实验上已成功地制备这类匈 端态。自发参量下转换的非线性光学过程所产生的字生光子对就是在领域、方向、偏振上形 成纠罐的P?对，采用腔量子电动力学方法也已制备出单子纠罐态， 量子信息技术 量子特性在信息领域中有着鞋特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容 量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是便是生了一门新的学科分 支一一一量子信息科学。它是量子力学与信息科学相结合的产物，包括：量子密码，量子通
在有量子效应？事实上，大量实验事实都肯定地回答了这个问题。最近几年引起广泛兴趣的 玻色―――爱因斯坦凝聚的实验研究进展更有力证实了宏观量子效应。“ EPR 佯谬”在近 60 多年的量子力学的发展中起着重要的推动作用，它是爱因斯坦用来与玻尔做最重要一次 争论的假想实验，这个实验所预示的结果完全遵从量子力学原理，但却令人难以接受。设想 有一对总自旋为零的粒子（称为 EPR 对），两个粒子随后在空间上分开，假定粒子 A 在地 球上，而粒子 B 在月球上。量子力学预言，若单独测量 A（或 B）的自旋，则自旋可能向 上，也可能向下，各自概率为 1／2。但若地球上已测得粒子 A 的自旋向上，那么，月球上 的粒子 B 不管测量与否，必然会处在自旋向下的本征态上。爱因斯坦认定真实世界绝非如 此，月球上的粒子 B 决不会受到地球上对 A 测量的任何影响。因此，毛病来自量子力学理 论的不完备性，即不足以正确地描述真实的世界。玻尔则持完全相反的看法，他认为粒子 A 和 B 之间存在着量子关联，不管它们在空间上分得多开，对其中一个粒子实行局域操作（如 上述的测量），必然会立刻导致另一个粒子状态的改变，这是量子力学的非局域性。 这场争论的本质在于：真实世界是遵从爱因斯坦的局域实在论，还是玻尔的非局域性理 论。长期以来，这个争论停留在哲学上，难以判断“孰是孰非”，直到 Bell 基于爱因斯坦的 隐参数理论而推导出著名的 Bell 不等式，人们才有可能在实验上寻找判定这场争论的依据。 法国学者首先在实验上证实了 Bell 不等式可以被违背，支持了玻尔的看法。之后，随着量 子光学的发展，有更多的实验支持了这个结论。1997 年瑞士学者更直截了当地在 10 公里光 纤中测量到作为 EPR 对的两个光子之间的量子关联。因此，现在我们可得出结论：①量子 力学是正确的（起码迄今完全与实验事实相自洽）；②非局域性是量子力学的基本性质。现 在这种由爱因斯坦等人在其佯谬中首先揭示的量子关联效应常被称为 EPR 效应，它是非局 域性的体现。 事实上，按照量子力学理论， EPR 粒子对处在所谓的纠缠态上，这个量子态最大地违 背 Bell 不等式，有着奇特的性质：我们无法单独地确定某个粒子处在什么量子态上，这个 态给出的唯一信息是两个粒子之间的关联这类整体的特性，现在实验上已成功地制备这类纠 缠态。自发参量下转换的非线性光学过程所产生的孪生光子对就是在频域、方向、偏振上形 成纠缠的 EPR 对，采用腔量子电动力学方法也已制备出原子纠缠态。 量子信息技术 量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容 量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是便诞生了一门新的学科分 支―――量子信息科学。它是量子力学与信息科学相结合的产物，包括：量子密码、量子通
信、量子计算和量子测量等，近年来，在理论和实验上已经取得了重要实破，引起各国政府、 科技界和信息产业界的高度重视。人们越来越紧信，量子信息科学为信息科学的发展开创了 新的原理和方法，将在21世纪发挥出巨大潜力。 现有的经奥信息以比静作为信息单元，从物理角度讲，比特是个两查系统，它可以制备 为两个可识别状态中的一个，如是或非，真或假，0或1。在数字计算机中电容器平板之间 的电压可表示信息比特，有电荷代表1无电背代表0。一个比特的信息还可以用两个不同的 光偏振成原子的两个不同修级来编码， 量子信息的单元称为量子比特（©编》，它是两个逐辑态的叠加态，。 经具比特可以看成量子比特的特例。用量子态来表示信息是量子信息的出爱点，有关信 息的所有问题都必颈采用量子力学理论来处理，信息的演变遵从体定诗方程，信息传输就是 量子态在量子通道中的传送，的息处理（计算）是量子态的名正变换，信息提取梗是对量子 系统实行量子测量。 在实验中任柯两态的量子系统都可以用米制备成量子比特，常见的有：光子的正交偏据 态、电子成原子核的自能、原子成量子点的能缓、任何量子系统的空间模式等。信息一且量 子化，量子力学的特性便成为量子信息的物理基础，其主要的有： (1)量子态的叠如性：量子信息可以同时输入或操作N个量子比特的叠加态： (2)量子相干性：量子干诊现象成为量子信息诸多特性的盈要物理基础： (3)量子饲缠性：N(大于1)的量子比特可以处于量子纠游态，对其中某个子系统 的局域操作会影响到其余子系统的状态： (4)量子不可克隆定理：量子力学的线性特性禁止对任意量子老实行精确的复制。这 个定理和不确定性原理构成量子密码术的物理基础， 量子计算 量子比特可以制备在两个逐铜态0和1的相干叠如态，换句话讲，它可以同时存储0 和1。考虑一个N个物理比特的存销墨，若它是经典存储图，则它只能存储2N个可能数据 当中的任一个。若它是量子存储器。则它可以同时存储2N个数，而且随着N的增加。其 存销信是的能力将带数上升，例知，一个250量子比特的存储器（由250个原子构成）可能 存储的数达2250，比现有已知的宇宙中全第？子数目还要多。 由于数学提作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运 算中可以同时对2N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实能2N次操 作，或者采用2N个不同处理器实行并行燥作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源
信、量子计算和量子测量等，近年来，在理论和实验上已经取得了重要突破，引起各国政府、 科技界和信息产业界的高度重视。人们越来越坚信，量子信息科学为信息科学的发展开创了 新的原理和方法，将在 21 世纪发挥出巨大潜力。 现有的经典信息以比特作为信息单元，从物理角度讲，比特是个两态系统，它可以制备 为两个可识别状态中的一个，如是或非，真或假，0 或 1。在数字计算机中电容器平板之间 的电压可表示信息比特，有电荷代表 1,无电荷代表 0。一个比特的信息还可以用两个不同的 光偏振或原子的两个不同能级来编码。 量子信息的单元称为量子比特（ Qubit），它是两个逻辑态的叠加态。 经典比特可以看成量子比特的特例。用量子态来表示信息是量子信息的出发点，有关信 息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演变遵从薛定谔方程，信息传输就是 量子态在量子通道中的传送，信息处理（计算）是量子态的幺正变换，信息提取便是对量子 系统实行量子测量。 在实验中任何两态的量子系统都可以用来制备成量子比特，常见的有：光子的正交偏振 态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式等。信息一旦量 子化，量子力学的特性便成为量子信息的物理基础，其主要的有： （1）量子态的叠加性：量子信息可以同时输入或操作 N 个量子比特的叠加态； （2）量子相干性：量子干涉现象成为量子信息诸多特性的重要物理基础； （3）量子纠缠性： N（大于 1）的量子比特可以处于量子纠缠态，对其中某个子系统 的局域操作会影响到其余子系统的状态； （4）量子不可克隆定理：量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制，这 个定理和不确定性原理构成量子密码术的物理基础。 量子计算 量子比特可以制备在两个逻辑态 0 和 1 的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储 0 和 1。考虑一个 N 个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储 2 N 个可能数据 当中的任一个，若它是量子存储器，则它可以同时存储 2 N 个数，而且随着 N 的增加，其 存储信息的能力将指数上升，例如，一个 250 量子比特的存储器（由 250 个原子构成）可能 存储的数达 2250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。 由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运 算中可以同时对 2 N 个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施 2 N 次操 作，或者采用 2 N 个不同处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源
(如时间、记忆单元等)。 为开拓出量子计算机巨大的并行处理能力，必须司找适用于这种量子计算的有效算法， S外0于1994年发现第一个量子算法，它可以有效地用来进行大数因子分解。大数因子分解 是现在广泛用于电子银行，网洛等领域的公开密阴体系R5A安全性的依据。采用现有计算 机对数N(二进制长度为agN)做因子分解，其运算步康（时间）随输入长度(gN)指 数增长。迄今在实验上被分解的最大数为129位。1994年在世界范围内月时使用1600个工 作站花了8个月时间才成功地完成了这个分解.若用同样计算功能来分解250位的数则要用 80万年，而对于1000位的数，则要有1025年， 与此相反，量子计算机采用5算法可以在几分之一秒内实现1000位数的因子分解， 而且操作时间仅随输入数的3次方增长。可见量子算法将这类“难解”问题变成“易 解”问题。在量子计算机面前，现有公开密钥R5A体系将无密可保！ 50的开创性工作有力地则激了量子计算机和量子密码术的发展，成为量子信息科学 发展的重要里程碑之一。 1997年G©er发现了另一种很有用的量子算法，即所谓的量子搜寻算法，它适用于解 决如下问题！从N个表分类的客体中寻找出某个特定的客体。经典算法只能是一个接一个 陆搜寻。直到找到所要的客体为止，这种算法平均地讲要寻找N/2次，成功几率为1/2， 而采用G@er的量子算法则只需要N收√次。例如。要从有着100万个号码的电话本中找 出某个指定号马，该电话本是以姓名为顺序编排的。经典方法是一个个找，平均要找50万 次，才能以1/2几率找到所要电话号码。Goer的量子算法是每查询一次可以同时检查所 有100万个号码。由于100万量子比特处于叠如态，量子干荡的效应会使前次的结果影响到 下一次的量子操作，这种干诊生成的操作运算重复1000（即N√）次后，我得正确容案的 几率为1/2。但若再多重复操作几次，那么找到所需电话号码的几率接近于1. G算法的用途氨广，可以寻找最大值，最小值、平均值等，也可以用于下棋。最有 里的是可有效地攻击密码体系。如DE5体系，这个问题的实质是从255=7×1016个可能 的密钥中寻找一个正确的密明。若以每秒10的万密明的运算速率操作，经具计算需要100 年，而采用G©er算法的量子计算机则只需小于4分钟的时间。难怪Grover以“量子力学 可以帮助在稻草堆中寻找一服针”这样的墨目在P明L上公布他的算法。 Feynman最先(19g1年)指出，采用经典计算机不可能以有效方式来模拟量子系统的 演化，我们知道，经典计算机与量子系统遵从不问的物理规律，用于描述量子态演化所需要 的经奥信息量，远远大于用来以月样精度描述相应的轻奥系统所需的经典信息量。量子计算
（如时间、记忆单元等）。 为开拓出量子计算机巨大的并行处理能力，必须寻找适用于这种量子计算的有效算法。 Shor 于 1994 年发现第一个量子算法，它可以有效地用来进行大数因子分解。大数因子分解 是现在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥体系 R SA 安全性的依据。采用现有计算 机对数 N（二进制长度为 logN）做因子分解，其运算步骤（时间）随输入长度（ logN）指 数增长。迄今在实验上被分解的最大数为 129 位，1994 年在世界范围内同时使用 1600 个工 作站花了 8 个月时间才成功地完成了这个分解。若用同样计算功能来分解 250 位的数则要用 80 万年，而对于 1000 位的数，则要有 1025 年。 与此相反，量子计算机采用 Shor 算法可以在几分之一秒内实现 1000 位数的因子分解， 而且操作时间仅随输入数的 3 次方增长。可见 Shor 量子算法将这类“难解”问题变成“易 解”问题。在量子计算机面前，现有公开密钥 RSA 体系将无密可保！ Shor 的开创性工作有力地刺激了量子计算机和量子密码术的发展，成为量子信息科学 发展的重要里程碑之一。 1997 年 Grover 发现了另一种很有用的量子算法，即所谓的量子搜寻算法，它适用于解 决如下问题：从 N 个未分类的客体中寻找出某个特定的客体。经典算法只能是一个接一个 地搜寻，直到找到所要的客体为止，这种算法平均地讲要寻找 N／2 次，成功几率为 1／2, 而采用 Grover 的量子算法则只需要 Nkk√次。例如，要从有着 100 万个号码的电话本中找 出某个指定号码，该电话本是以姓名为顺序编排的。经典方法是一个个找，平均要找 50 万 次，才能以 1／2 几率找到所要电话号码。 Grover 的量子算法是每查询一次可以同时检查所 有 100 万个号码。由于 100 万量子比特处于叠加态，量子干涉的效应会使前次的结果影响到 下一次的量子操作，这种干涉生成的操作运算重复 1000（即 N √）次后，获得正确答案的 几率为 1／2。但若再多重复操作几次，那么找到所需电话号码的几率接近于 1。 Grover 算法的用途很广，可以寻找最大值、最小值、平均值等，也可以用于下棋。最有 趣的是可有效地攻击密码体系，如 D ES 体系，这个问题的实质是从 256＝7×1016 个可能 的密钥中寻找一个正确的密钥。若以每秒 100 万密钥的运算速率操作，经典计算需要 1000 年，而采用 Grover 算法的量子计算机则只需小于 4 分钟的时间。难怪 Grover 以“量子力学 可以帮助在稻草堆中寻找一根针”这样的题目在 PRL 上公布他的算法。 Feynman 最先（1981 年）指出，采用经典计算机不可能以有效方式来模拟量子系统的 演化。我们知道，经典计算机与量子系统遵从不同的物理规律，用于描述量子态演化所需要 的经典信息量，远远大于用来以同样精度描述相应的经典系统所需的经典信息量。量子计算
则可以精确而方梗地实现这种榄拟，采用少数量子比特的量子计算机可以进行有效的量子榄 拟，事实上人们已采用这种方法在德单情况下预言了量子体系的行为： 一般地说，量子慎抓可以按下列步骤素完成：①根据所研究的量子体系的哈密顺量，设 计出能够实现相应的么正变换的量子网络：②将N一量子比特按醒要求制备为特定胡态： ③操作计算机进行模拟运算。计算机的悴态就是所需的量子态。因此，一旦人们有了量子枫 拟计算机，就无需求解裤定碍方程成者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值运算，便可 精确地研究量子体系的特性。 有许多量子体系可以用这种方法来研究。例如：①高祖高密度等离子体：②采用格点规 范理论描述的体系，如量子色动力学：③品体因态模型，色括诸如Hbar核型的因体费 米系统。其量子对移性使得它们难以采用蒙特卡罗技术来模狐：④固体慎型。包括诸知高温 超导体的长程关联：⑤分子行为的量子模型等等。 然而，量子计算的实现在技术上遇到严重的挑战，实现量子计算必類解决三个方面的问 思：一是量子算法，它是提高运算速度的关健，目前己研究成功Shc量子并行算法，Grover 量子搜寻算法等：二是量子编码，它是克服消相干的有效办法，目前已有量子纠错、量子避 错和量子防错三种不同原理：三是实现量子计算的物理体系（即多个量子比特的量子逻辑网 络)，目前在腔Q正D、离子阱、核磁共振、量子点等系统己实现少数量子比特，但距实现有 效量子计算的需求相差甚远，各国科学家正从不同途径米摆素实现可扩展的量子逻辑网格的 方法，虽然不断取得进展。在《白然》、《科学》上每年都有许多重要进展发表。但仍未根本 上突破。这个领域仍处于基础性的深索阶段。 量子密码 现代保密通信原理是这样的：假定甲和乙要进行保密通信。甲采用密钥K(随机数)将 她要发送给乙的明文通过某种如密规则变换成密文，然后经由公开的经典信息通道传送给 乙，乙采用密钥K?通过适当的解密规则将密文变换成为明文。这个过程如果能够有效地勋 止任何非法用户的商所，那就是安全的保密通信。 按属密钥K和K?是否相同，密钥系统可分为对称密码(《一K?)和丰对称密码(K子 ?),数学上业已证明存在有不可破译的对称密钥。即am密码域一次性便笺式密码， 它要求密钥应与明文一样长，而且仅能使用一次。这种体系需要用户双方拥有魔大的相同密 码（随机数），因此密钥的传送、保管等都极不安全，不直广泛使用。目前广泛用于网路， 金融行业的是非对称密码，它是一种公开密钥，如密和解密法则、如密的密明《均是公开 的，只是解密的密阴k?不公开，只有接收者站本人知道。这种密钥的安全性基于大数因
则可以精确而方便地实现这种模拟。采用少数量子比特的量子计算机可以进行有效的量子模 拟，事实上人们已采用这种方法在简单情况下预言了量子体系的行为。 一般地说，量子模拟可以按下列步骤来完成：①根据所研究的量子体系的哈密顿量，设 计出能够实现相应的幺正变换的量子网络；②将 N―量子比特按照要求制备为特定初态； ③操作计算机进行模拟运算。计算机的终态就是所需的量子态。因此，一旦人们有了量子模 拟计算机，就无需求解薛定谔方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值运算，便可 精确地研究量子体系的特性。 有许多量子体系可以用这种方法来研究。例如：①高温高密度等离子体；②采用格点规 范理论描述的体系，如量子色动力学；③晶体固态模型，包括诸如 Hubbard 模型的固体费 米系统，其量子对称性使得它们难以采用蒙特卡罗技术来模拟；④固体模型，包括诸如高温 超导体的长程关联；⑤分子行为的量子模型等等。 然而，量子计算的实现在技术上遇到严重的挑战。实现量子计算必须解决三个方面的问 题：一是量子算法，它是提高运算速度的关键，目前已研究成功 Shor 量子并行算法、Grover 量子搜寻算法等；二是量子编码，它是克服消相干的有效办法，目前已有量子纠错、量子避 错和量子防错三种不同原理；三是实现量子计算的物理体系（即多个量子比特的量子逻辑网 络），目前在腔 QED、离子阱、核磁共振、量子点等系统已实现少数量子比特，但距实现有 效量子计算的需求相差甚远。各国科学家正从不同途径来探索实现可扩展的量子逻辑网络的 方法，虽然不断取得进展，在《自然》、《科学》上每年都有许多重要进展发表，但仍未根本 上突破。这个领域仍处于基础性的探索阶段。 量子密码 现代保密通信原理是这样的：假定甲和乙要进行保密通信。甲采用密钥 K（随机数）将 她要发送给乙的明文通过某种加密规则变换成密文，然后经由公开的经典信息通道传送给 乙，乙采用密钥 K?通过适当的解密规则将密文变换成为明文。这个过程如果能够有效地防 止任何非法用户的窃听，那就是安全的保密通信。 按照密钥 K 和 K?是否相同，密钥系统可分为对称密码（ K＝K?）和非对称密码（ K≠ K?）。数学上业已证明存在有不可破译的对称密钥，即 Vernam 密码或一次性便笺式密码， 它要求密钥应与明文一样长，而且仅能使用一次。这种体系需要用户双方拥有庞大的相同密 码（随机数），因此密钥的传送、保管等都极不安全，不宜广泛使用。目前广泛用于网络、 金融行业的是非对称密码，它是一种公开密钥，加密和解密法则、加密的密钥 K 均是公开 的，只是解密的密钥 K?不公开，只有接收者 Bob 本人知道。这种密钥的安全性基于大数因
子分解这样一类不易计算的单向性函数。数学上風没能严格证明这种密钥不可碳译，但现在 经典计算机几乎无法完成这种计算。 Sh量子算法证明，采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公开密钥体系。这就对 现有保密通信提出了严峻桃战。解决这个问愿的有效递径是量子密码术。量子密明体系采用 量子态作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之同建立共享的密钥（经奥随机数）， 量子密码的安全性由量子力学原理所保证。窃听者的基本策略有两类：一是通过对携带 着经典信息的量子态进行测量，从其测量的站果米获取所需的信息，但是量子力学的基本原 理告诉我们，对量子志的测量会干扰量子态本身，因此，这种窃听方式必然会留下痕迹而装 合法用户所发现。二是避开直接量子测量面采量子复制机来复制传送信息的量子态，窃听者 将原量子态传送给乙，而面下复制的量子态进行测量以窃取信息，这样线不会留下任何会棱 发现的复迹。目是量子不可克隆定理确保窗听者不会成功，任何物理上可行的量子复制机都 不可能克隆出与输入量子药完全一样的量子态来。 日前美、英、瑞士等国正致力干这方面的研究并在实验上取得重煲进展，已经在光纤上 实现67公里的密钥传送。在自由空间中实现10公里的密钥传送。西方国家的目标是在近5 年之内实现量子密马玛实用化，目前在技术上活到的主要困难是：如啊增加量子密钥传输距离。 有特实破的重要关键技术：一是红外(1.3微米、1.5微米)单光子深测器。这是因为光纤量 子密钥传输是采用单个光子来实现的，光纤损耗阳碍着传输距离的提高，1.3微米和15微 米是现在所使用的光纤损耗最小的被长，现有成熟的单光子探测器工作波长在可见光，理论 上光子在光纤中传输的极限距离钓为2D公里。因此实用的红外单光子计数器成为关键性问 思，二是单光子光源，现在量子密码研究中所使用的单光子光源是将相干光账冲襄减到平均 每个林冲只有0.102个光子，这是一种近蚁的单光子潭。其效率低，低影响量子密钥的传 输距离。又影响其安全性，因为这种光源有可能在一个脉冲中同时出现两个光子。因此研制 真实的单光子源成为量子密玛研究的另一个关键性问愿。美国、日本、西欲正在大力开展这 些关健技术的研究，最近在《白然》，《科学》上也服导了一些重要遗展，但仍未获得根本上 的突破。 量子通信 在科幻电影或神话小说中，常常有这样的场面：某人实然在某地消失掉，其后却在别的 地方莫明其妙地显现出米。从物理学角度，人们可以这样地想象隐形传运的过程：先提取厚 物的所有信息，然后将这个信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完 全相同的基本单元《如原子)，制适出原物完美的复制品。边憾的是，量子力学的不确定性
子分解这样一类不易计算的单向性函数。数学上虽没能严格证明这种密钥不可破译，但现在 经典计算机几乎无法完成这种计算。 Shor 量子算法证明，采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公开密钥体系。这就对 现有保密通信提出了严峻挑战。解决这个问题的有效途径是量子密码术。量子密钥体系采用 量子态作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥（经典随机数）。 量子密码的安全性由量子力学原理所保证。窃听者的基本策略有两类：一是通过对携带 着经典信息的量子态进行测量，从其测量的结果来获取所需的信息。但是量子力学的基本原 理告诉我们，对量子态的测量会干扰量子态本身，因此，这种窃听方式必然会留下痕迹而被 合法用户所发现。二是避开直接量子测量而采量子复制机来复制传送信息的量子态，窃听者 将原量子态传送给乙，而留下复制的量子态进行测量以窃取信息，这样就不会留下任何会被 发现的痕迹。但是量子不可克隆定理确保窃听者不会成功，任何物理上可行的量子复制机都 不可能克隆出与输入量子态完全一样的量子态来。 目前美、英、瑞士等国正致力于这方面的研究并在实验上取得重要进展，已经在光纤上 实现 67 公里的密钥传送，在自由空间中实现 10 公里的密钥传送。西方国家的目标是在近 5 年之内实现量子密码实用化。目前在技术上遇到的主要困难是：如何增加量子密钥传输距离。 有待突破的重要关键技术：一是红外（1.3 微米、1.5 微米）单光子探测器。这是因为光纤量 子密钥传输是采用单个光子来实现的，光纤损耗阻碍着传输距离的提高，1.3 微米和 1.5 微 米是现在所使用的光纤损耗最小的波长，现有成熟的单光子探测器工作波长在可见光，理论 上光子在光纤中传输的极限距离约为 20 公里。因此实用的红外单光子计数器成为关键性问 题，二是单光子光源，现在量子密码研究中所使用的单光子光源是将相干光脉冲衰减到平均 每个脉冲只有 0.1 0.2 个光子，这是一种近似的单光子源，其效率低，既影响量子密钥的传 输距离，又影响其安全性，因为这种光源有可能在一个脉冲中同时出现两个光子。因此研制 真实的单光子源成为量子密码研究的另一个关键性问题。美国、日本、西欧正在大力开展这 些关键技术的研究，最近在《自然》、《科学》上也报导了一些重要进展，但仍未获得根本上 的突破。 量子通信 在科幻电影或神话小说中，常常有这样的场面：某人突然在某地消失掉，其后却在别的 地方莫明其妙地显现出来。从物理学角度，人们可以这样地想象隐形传送的过程：先提取原 物的所有信息，然后将这个信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完 全相同的基本单元（如原子），制造出原物完美的复制品。遗憾的是，量子力学的不确定性
原理不允许精确地提取螺物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形 传物只不过是种幻想而己 1993年Bennet等在PL上发表一篇开创性的论文。提出量子隐形传态的方案：将某个 粒子的未知量子态（即未知量子比特）传送到另一个地方，把另一个粒子制备到这个量子态 上，而原米的粒子仍窗在原处，其基本思是是：将原物的信息分成经具信息和量子信息两部 分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接牧者，经典信息是发送者对原物选行某种测 量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息接收者在获得这两种信息之后， 就可制造出原物量子态的完全复制品，这个过程中传运的仅仅是原物的量子态，而不是原物 本身，发送者甚至可以对这个量子老一无所知，而接收者是将别的粒子（基至可以是与原物 不相同的校子)处于原物的量子药上。原物的量子态在此过程中已道破坏。 量子隐形传态的原理是这样的：假设甲手头有一个粒子A处干未如量子态，地希望将 这个量子老（即一个量子比特的量子信息》运给远处的乙，但不传运作为信息载体的粒子A 本身。甲和乙事先需要共享E明粒子对B和C(即纠缠粒子)，由于EPR粒子对具有量子 关联特性，若对其中一个粒子进行局城操作（包括测量），另一个较子的量子态立即发生相 应的麦化，因此EP吸粒子对构成甲和乙之间的一条量子通道。甲对地手头上的纠缠粒子B 和量子信息我体A实能一种所翻的B态测量，这个测量可能输出4种结果，每种测量结 果的几率为1/4，但一次测量只能给出其中一个结果。甲测量到其中一个B志后，获得2 比特的经典信息，当然这个信息完全无法用来确定未如的量子比特，甲将测量结果（即获得 那一个B态)轻由经典通道传遥给乙，乙手头的纠缠粒子C会因甲的测量坍缩到相应的 量子态上，于是乙在获如甲的测量结果之后，对粒子C做相应的操作，便可以使粒子C处 在与粒子A原先未知量子药完全相同的量子态上，这就完成了粒子A的未知量子态的量子 隐形传送，此时量子偏息的载体是较子C,在这过程中甲和乙都不知道他们所传送的量子比 特是什么。 这种量子信息的隐形传送是香是超光速的传输？由于在此过程中经典通信是必不可少 的，单靠量子通道无法实现这种隐形传态，因此，此过程不会违背光速最大原理。这个过程 是否违背量子不可克隆定理？没有。事实上，在甲随行量子测量时，粒子A的量子态必定 被酸坏而变成另一状志，因此，。这个过程可以看作是未知量子比特在甲处清失掉，而在乙处 重新出现，这不是量子克隆的过程，而是量子信息的传输过程。 19羽7年年底奥地利研究组首先在实验上演示成功这种量子隐形传态，论文发表在《自 然》上，引起国际学术界的极大兴趣。在这之后，有若干研究组相雕在实验上实观了这种量
原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形 传物只不过是种幻想而已。 1993 年 Bennet 等在 PRL 上发表一篇开创性的论文，提出量子隐形传态的方案：将某个 粒子的未知量子态（即未知量子比特）传送到另一个地方，把另一个粒子制备到这个量子态 上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部 分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测 量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。接收者在获得这两种信息之后， 就可制造出原物量子态的完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物 本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子（甚至可以是与原物 不相同的粒子）处于原物的量子态上。原物的量子态在此过程中已遭破坏。 量子隐形传态的原理是这样的：假设甲手头有一个粒子 A 处于未知量子态，她希望将 这个量子态（即一个量子比特的量子信息）送给远处的乙，但不传送作为信息载体的粒子 A 本身。甲和乙事先需要共享 E PR 粒子对 B 和 C（即纠缠粒子），由于 E PR 粒子对具有量子 关联特性，若对其中一个粒子进行局域操作（包括测量），另一个粒子的量子态立即发生相 应的变化，因此 E PR 粒子对构成甲和乙之间的一条量子通道。甲对她手头上的纠缠粒子 B 和量子信息载体 A 实施一种所谓的 Bell 态测量，这个测量可能输出 4 种结果，每种测量结 果的几率为 1／4,但一次测量只能给出其中一个结果。甲测量到其中一个 B ell 态后，获得 2 比特的经典信息，当然这个信息完全无法用来确定未知的量子比特，甲将测量结果（即获得 那一个 Bell 态）经由经典通道传递给乙，乙手头的纠缠粒子 C 会因甲的测量坍缩到相应的 量子态上，于是乙在获知甲的测量结果之后，对粒子 C 做相应的操作，便可以使粒子 C 处 在与粒子 A 原先未知量子态完全相同的量子态上，这就完成了粒子 A 的未知量子态的量子 隐形传送，此时量子信息的载体是粒子 C，在这过程中甲和乙都不知道他们所传送的量子比 特是什么。 这种量子信息的隐形传送是否是超光速的传输？由于在此过程中经典通信是必不可少 的，单靠量子通道无法实现这种隐形传态，因此，此过程不会违背光速最大原理。这个过程 是否违背量子不可克隆定理？没有，事实上，在甲施行量子测量时，粒子 A 的量子态必定 被破坏而变成另一状态，因此，这个过程可以看作是未知量子比特在甲处消失掉，而在乙处 重新出现，这不是量子克隆的过程，而是量子信息的传输过程。 1997 年年底奥地利研究组首先在实验上演示成功这种量子隐形传态，论文发表在《自 然》上，引起国际学术界的极大兴趣。在这之后，有若干研究组相继在实验上实现了这种量
子隐形传态， 量子隐形传态所传送的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。人们基干这个过程提 出实现量子因特网的构塑。量子因特网是用量子通道来联洛许多量子处理器。它可以同时实 量子信息的传输和处理。相比于现在经典因特料。量子因特网具有安全候密特性，可实现 多端的分布计算，有效地降低通信复杂度等一系列优点。目前学术界正在致力于研究量子通 信网洛的关键技术，如高亮度纠缠潭、纠领操作和纯化、量子中继和量子处理器等，并不斯 烛取得重要的进展。相信在不久的将来，一种新额的通信方式将会展现在人们的面粮，发挥 出奇特的作用
子隐形传态。 量子隐形传态所传送的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提 出实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器，它可以同时实 现量子信息的传输和处理。相比于现在经典因特网，量子因特网具有安全保密特性，可实现 多端的分布计算，有效地降低通信复杂度等一系列优点。目前学术界正在致力于研究量子通 信网络的关键技术，如高亮度纠缠源、纠缠操作和纯化、量子中继和量子处理器等，并不断 地取得重要的进展。相信在不久的将来，一种新颖的通信方式将会展现在人们的面前，发挥 出奇特的作用