明文M
窃取者
通道
加密
量子力学与现代科技
王学雷
河南师范大学物理与信息工程学院
量子力学向其它领域的渗透
量子化学、 量子生物学、 量子磁学
量子力学向近代科学技术的发展 提供了理论基础 原子能技术开发、纳米技术、 激光、超导研究、大规模集成电路
一、量子计算机
.1. 什么是量子计算机 经典计算机： 1943年－－ 速度提高了10亿倍 半导体技术， 集成电路（尺度0.18微米） 经典信号，串行处理 量子计算机：实现量子计算的装置。
序处理。 量子计算机并行运算：对每一叠加分
量的运算相当于一经典运算，对所有分 量的运算同时完成，并按一定的几率叠 加，从而给出输出结果。
一、量子计算机
.例子: 1到9乘8的运算 C1 |1>+ C2 |2>+ C3 |3>+… + C9|9>
|8> 并行 运算
|
形成 强信号
一、量子计算机
.3. 量子计算机的优点: (1)计算速度快 计算速度可提高10亿倍,1个400位长
生相互作用，导致量子相关性的衰减， 使相干性很难维持。
克服消相干效应是量子计算机要克服 的主要困难。
消相干还会导致运算结果出错，如何 进行量子纠错是量子计算机要克服的另
ห้องสมุดไป่ตู้
一、量子计算机
.5. 正在开发的量子计算机类型: （1）核磁共振量子计算机 （2）硅基半导体量子计算机 （3）量子阱量子计算机
6. 量子计算机带来的问题 量子计算机将成为黑客的天堂！ 当代信息系统保密依赖于RSA加密算
的数分解成质数乘积,采用巨型机需10亿 年,用量子计算机只要一年.
(2)量子位储存能力大大提高.
一、量子计算机
(3)可完成一些传统计算机无法完成的 计算
高效率模拟、模拟量子系统 40个自旋1/2粒子体系： (4)低能耗： 量子计算机计算是么正变换，是可逆 的。
一、量子计算机
.4. 量子计算机存在的问题: 受环境影响大，纠错复杂 消相干效应：量子信号与外部环境发
二、量子信息学
2.量子克隆与量子复制： 量子克隆与量子复制的区别是：前者是精
确复制，而后者允许输出态与输入态有一定 偏差。 量子不可克隆定理：一个未知的量子态不可 以克隆。 证明：两态量子系统|0>和|1>为基矢，
|s>|s>|Q>x—>|s>|s>|Q’s>x 。
|s>s>表示初始模和复制模均处于|s>态 |Q>x， |Q’s>x分别 为装置在复制前后的量子态。
二、量子信息学
对基矢|0>和|1>：
|0>|Q>x—>|0>|0>|Q’0>x |1>|Q>x—>|1>|1>|Q’1>x
|s>=a|0>+b|1> |s>|Q>x= (a|0>+b|1>) |Q>x a |0>|0>|Q’0>x+b |1>|1>|Q’1>x 不等于|s>|s>|Q’s>x
量子力学的线性特性禁止这样复制。
量子态不可克隆。 1993年， Bennett指出：量子态远程传送是
可能的。由量子力学，相互耦合的微观粒子 之间存在某种超光速关联。对其中一个粒子 进行测量，另一粒子将瞬时“感应”到这种 影响。
二、量子信息学
经典信息
Alice
测量结果
Bob
联合测量
1
初始态
2 量子信息 3
关联对
二、量子信息学
4.量子密码通信：
一、量子计算机
.2. 量子计算机的工作原理 量子位、量子并行计算
（1）量子位 经典计算机： 二进制位存储： 非0即1<－>开或关
串行处理
一、量子计算机
量子计算机： 量子位（qubits）储存信息,用量子态
表示0和1（自旋向上或向下）。量子位 可以是0和1的叠加。
一、量子计算机
.（2）量子并行运算 经典计算机串行运算：一步一步按顺
二、量子信息学
量子纠错方案：1995年底，shor和steane独立提出最 初的两个纠错方案。 （1）为了不违背量子态不可克隆定理，量子编码时， 单比特不是被复制为多比特的直积，而是编码为较 复杂的纠缠态。 (2)量子纠错在确定错误图样时，只进行部分测量， 信息的量子相干性仍被保留。 （3）量子错误的种类虽为连续流，但它可表示为3 种基本量子错，所有的量子错误都将得到纠正。 两种编码方案：1）纠随机的量子码，2）防合作错 量子码。
1）经典密码通信原理：
信息加密：对明文M进行数据变换Gk，得出
密文C:
Gk(M)=C.
解密：对密文进行逆变换，恢复明文。
Gk1(C) M
密钥：明文和密文之间的变换借助密码算法 在参数K作用下完成，这样的参数称为密钥， 保密通信的关键在于密钥K的生成。
二、量子信息学
例：CIPHER --(按字母表向后错三位)FLSKHU
二、量子信息学
量子编码：消相干会引起量子错误，量子编 码的目的是为纠正或防止这些量子错误。基 本思想是以合适的方式引进多余信息，以提 高信息的抗干扰能力。
量子编码的困难：（1）量子态不可克隆定理 禁止态复制。（2）经典编码纠错时，需要进 行测量，以确定错误图样，对量子态测量会 破坏量子相干性。（3）经典码中的错误只有 一种，即0和1之间的跃迁，而量子错误的自 由度大得多，对一确定输入态，输出态可以 是二维空间的任意态，错误种类是连续的。
法。RSA码用量子计算机几分钟可破译。
二、量子信息学
量子编码、量子克隆与量子复制、 量子密码通讯、量子态远程传输 1. 量子编码: 引入多余信息，使得在一部分比特发 生错误时，仍有可能按照一定的规则纠 正这些错误。 0 000 1111 000001 少数服从多数原则纠正错误
二、量子信息学
经典比特：电路的开或关 量子比特：量子体系（二能级的原子、 自旋1/2粒子、二个偏振方向光子）称为 量子比特。 量子相干性：量子比特可以处于0，1两 个本征态的叠加态。 消相干：受环境影响，量子相干性随时 间指数衰减。
二、量子信息学
量子态不可精确复制是量子密码术的 重要前提，它确保了量子密码的安全性， 使窃听者不可采取克隆技术获得合法用 户的信息。
量子不可克隆定理并未排除量子复制。 人们一直在寻找最佳的量子复制机，尽 可能精确复制所有输入态。
二、量子信息学
3.量子态远程传送(teleportation)： 科幻小说《星际旅行》 经典物理：精确测量—>远程复制 量子物理：海森伯测不准原理。单个未知