浅谈量子信息技术贝尔学院韩笑(一) 引言众所周知，信息技术经常出现在人们的视野之中，是许多人都很熟悉的词汇。

它是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。

主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件。

它也常被称为信息和通信技术。

主要包括传感技术、计算机技术和通信技术。

而量子信息技术，其与信息技术最显著的区别就在于“量子”两个字。

量子信息技术是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科，主要包括量子通信和量子计算2个领域。

量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

(二) 量子信息技术的具体含义那么到底量子信息技术相比信息技术，它的高端之处在哪呢?首先，应该着重于“量子”这两个字。

在量子力学中，量子信息是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。

通过量子系统的各种相干特性（如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等），进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。

量子是一个态．所谓态在物理上不是一个具体的物理量，也不是一个单位，也不是一个实体，而是一个可以观测记录的一组记录（也就是确定组不变量去测量另外一组量），但是这组记录可以运算．并可以求出某时刻对是已观测的纪录对比十分吻合．这个就是波动力学的基础。

要解决量子信息．首先要在逻辑有一个多值逻辑理论，才能通过对于量子态对应于一个实体，也就是现在所谓的给量子的态赋给予实体的功能，这样就可以实现某些交换，也就是可以计算，只要这组态符合一定的条件，由波动力学①，结论一定成立。

这就是量子信息学的基础，如果一旦能找到符合理论的这些态，则计算能力将不是现有计算机的N信部题，而是的一0时计算的超量完成．对某个有限大的数组在量子态可以理论上是0时完成，也就是超距变换。

这是量子信息学的研究动力。

根据摩尔定律，每十八个月计算机微处理器的速度就增长一倍，其中单位面积（或体积）上集成的元件数目会相应地增加。

可以预见，在不久的将来，芯片元件就会达到它能以经典方式工作的极限尺度。

因此，突破这种尺度极限是当代信息科学所面临的一个重大科学问题。

量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，发挥量子相干特性的强大作用，探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯片极限提供新概念、新思路和新途径。

量子力学与信息科学结合,不仅充分显示了学科交叉的重要性, 而且量子信息的最终物理实现, 会导致信息科学观念和模式的重大变革。

事实上，传统计算机也是量子力学的产物，它的器件也利用了诸如量子隧道现象等量子效应。

但仅仅应用量子器件的信息技术，并不等于是现在所说的量子信息。

目前的量子信息主要是基于量子力学的相干特征，重构密码、计算和通讯的基本原理。

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。

①波动力学:量子力学的两大形式之一，由薛定谔创立，与海森伯等人创立的矩阵力学在数学形式上是等价的。

根据微观粒子的波动性建立起来的用波动方程描述微观粒子运动规律的理论，量子力学理论的一种表述形式。

1924 年，L.V.德布罗意提出微观粒子具有波动性的假设。

1926年，E.薛定谔在此基础上提出微观粒子运动满足的波动方程，用于解决氢原子问题获得成功，后来用于其他问题，并发展了完善的近似计算方法。

与运用矩阵作为数学工具的矩阵力学相比，波动力学使用比较熟悉的波动语言和偏微分方程，比较适合于初学者，在量子理论的基本应用中最常使用的也是这种形式。

(三) 量子信息技术的具体应用——量子计算机1. 什么是量子计算机量子计算机是一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。

当某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。

2. 量子计算机的提出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。

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一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力由此，科学家想到既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示，从而运用到量子计算机中。

3. 量子计算机原理简单介今天我们使用的计算机通过操作具有两种状态的位元（0或1）进行工作。

量子计算机不只依靠两种状态。

它们将信息编码为量子比特，或称昆比特。

量子比特可以是1或0，也可以是某种叠加态：即同时是1、0或二者之间的某个值。

量子比特由一组原子实现，它们协同工作起到计算机内存和处理器的作用。

因为量子计算机可以同时包含这几种状态，所以它可能比当今功能最强大的超级计算机还要强大数百万倍的计算机。

量子比特:量子计算机的基本元件是量子比特，根据量子力学的基本原理，一个量子比特可以同时有两种状态；两个量子比特则可以同时表示4种状态；三个量子比特可以同时表示8种状态等等。

随着量子比特数目的增加，其运算能力也呈指数级增加。

当然，这其中也面临着一定的困难。

测量或者观测一个量子比特的行为可能会剥夺其计算潜力。

于是，研究人员使用了量子纠缠来获取信息。

量子平行:一个量子重叠态运行一个昆比特位同时储存0和1。

两个昆比特位能同时储存所有的4个二进制数。

三个昆比特位能储存8个二进制数000，001，010，011，100，101，110和111。

300个昆比特位能同时储存2300个数字。

这甚至多于我们这个可见宇宙中的原子数。

这表明了量子计算机的威力：只用300个光子（或者300个离子等等）就能储存比这个宇宙中的原子数还多的数字，而且对这些数字的计算可以同时进行4. 量子计算机历史发展1920年，奥地利人‘埃尔温.薛定谔’爱因斯坦‘德国人’海森伯格‘和’狄拉克，共同创建了一个前所未有的新学科‘量子力学’。

量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打下了基础。

在它的基础上人们发现了一个新的技术，就是量子计算机。

量子计算机的技术概念最早由‘理乍得·费曼’提出，后经过很多年的研究这一技术已初步见成效。

在1980年代多处于理论推导等等纸上谈兵状态。

一直到1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题，除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。

5. 现代量子计算机的发展1994年两位物理学家尼尔和艾萨克已经研制出一台最为基本的量子计算机，能够进行简单的运算。

使用丙胺酸，它可以完成１＋１的运算，使用液态氯仿，还能解决其他问题。

物理学家们现在正努力研究出一种比较复杂的计算机，能够将15分解成３乘５。

2000年日本日立公司开发成功一种量子元件——“单个电子晶体管”，可以控制单个电子的运动，具有体积小，功耗低的特点，比目前功耗最小的晶体管低约1000倍。

日本富士通公司正在开发量子元件超高密度存储器，在1平方厘米面积的芯片上，可存储10万亿比特的信息，相当于可存储6000亿个汉字。

美国物理学家的翰逊博士开发成功的电子自旋晶体管，有可能将集成电路的线宽降至0.01微米。

在一个小小的芯片上可容纳数万亿个晶体管，使集成电路的集成度大大提高。

2000年3月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们宣布研制了一台包含7个量子比特，存在于一滴液体中的量子计算机。

该量子计算机使用核磁共振操纵反式丁烯酸分子原子核中的粒子。

反式丁烯酸是一种简单的液体，其分子由六个氢原子和四个碳原子组成。

核磁共振可用来产生促使粒子排列起来的电磁脉冲。

处于与磁场方向相同或相反的位置的粒子使得该量子计算机可以模仿数字计算机来按比特对信息进行编码。

2000年8月，IBM-Almaden研究中心的研究人员宣布制成了一台据称是当时最先进的量子计算机。

这台量子计算机的5个量子比特由5个相互作用的氟原子核构成，使用无线电频率脉冲编程，并使用类似于医院中的核磁共振(NMR) 设备（有关详细信息，请参见核磁共振成像原理）进行探测。

这支由艾萨克·庄(Isaac Chuang)博士领导的IBM小组成功地仅用一步解决了一个用传统机器需要循环才能解决的数学问题。

这个称为寻秩的问题涉及查找一个特定函数的周期，是密码学中经常遇到的众多数学问题之一。

6. 我国量子计算机走在世界前沿中国科技大学研制成功世界上第一台量子计算机。

2007年初，中国科技大学微尺度国家实验室潘建伟小组在《Nature ·Physical》上发表论文，成功制备了国际上纠缠光子数最多的"薛定谔猫"态和单向量子计算机，刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录，成果被欧洲物理学会和《Nature》杂志等广泛报道。

特别引人注目的是，英国《新科学家》杂志在"中国崛起"的专栏中，把中国科大在量子计算领域取得的一系列成就作为中国科技崛起的重要代表性成果，进行了专门介绍。

7. 未来展望量子计算机和量子信息技术在科技界的领先地位却是不可动摇的。

未来处理能力超强的量子计算机将能够在数秒钟内完成目前速度最快的超级计算机数年才能完成的计算任务。

可能未来的某天，你会发现现代的数字计算机已经因为过时而被丢进了历史的垃圾堆。

量子计算虽然起源于理论物理这个高度特殊的领域，但是它的未来无疑有着深远的意义，它必将对全人类的生活产生深刻的影响。

(四) 量子信息技术的具体应用——量子通信1. 什么是量子通信量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方是近二十年发展起来的新兴交叉科学，它具有高效率和绝对安全等特点。

量子通信按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类：A 经典主要用于量子密钥的传输；B 量子则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。

2. 什么是隐形传态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。