通信科技趨勢之量子計(jì)算

1、?？茖?shí)習(xí)報(bào)告（論文）題 目： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2017年 月 日通信科技趨勢之量子計(jì)算摘要：量子計(jì)算 (quantum computation) 的概念最早由IBM的科學(xué)家R. Landauer及C. Bennett于70年代提出。他們主要探討的是計(jì)算過程中諸如自由能(free energy)、信息(informations)與可逆性(reversibility)之間的關(guān)系。量子信息是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科,主要包括量子通信和量子計(jì)算2個(gè)領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠(yuǎn)距離量子通信的技術(shù)等等;量子計(jì)算主要研究量子計(jì)算機(jī)和適

2、合于量子計(jì)算機(jī)的量子算法?？茖W(xué)社會(huì)學(xué)的奠基人貝爾納曾說:"科學(xué)與戰(zhàn)爭一直是極其密切地聯(lián)系著的。"今天，倘若我們要追溯風(fēng)靡全球的信息化戰(zhàn)爭之科技源頭的話，無疑是1946年世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)"ENIAC"誕生所開啟的電子信息科技革命。然而，這一曾徹底顛覆機(jī)械化戰(zhàn)爭圖景的電子信息科技，在遵循"摩爾定律"飛速前行了數(shù)十年之后，制約其進(jìn)一步發(fā)展的系列問題日漸凸顯:電子計(jì)算機(jī)的極限運(yùn)算速度是否存在?越來越一體化的電子信息網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)對(duì)"網(wǎng)電空間戰(zhàn)"等等。對(duì)此，近年來不斷突破的量子信息科技正在開啟新的機(jī)遇之門，勢必在未來重新涂抹戰(zhàn)神

3、的面孔。關(guān)鍵字：量子計(jì)算 量子通信 科技 電子信息目錄一.量子技術(shù)的發(fā)展 4二.量子計(jì)算簡介 52.1.量子密碼 62.2.量子通信 7三.量子通信衛(wèi)星 83.1.信息簡介 83.2.通訊優(yōu)勢 83.3.量子通訊 83.4.首發(fā)應(yīng)用 93.5.中國發(fā)展 9四.量子疊加 10一.量子技術(shù)的發(fā)展1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P. Shor指出 3，相對(duì)于傳統(tǒng)電子計(jì)算器，利用量子計(jì)算可以在更短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個(gè)結(jié)論開啟量子計(jì)算的一個(gè)新階段:有別于傳統(tǒng)計(jì)算法則的量子算法(quantum algorithm)確實(shí)有其實(shí)用性，絕非科學(xué)家口袋中的戲法。自此之后，新的量子算法

4、陸續(xù)的被提出來，而物理學(xué)家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計(jì)算器，來執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名做為量子計(jì)算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振(photon polarization)、空腔量子電動(dòng)力學(xué)(cavity quantum electrodynamics,CQED)、離子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等等。以目前的技術(shù)來看，這其中以離子阱與核磁共振最具可行性。事實(shí)上，核磁共振已經(jīng)在這場競賽中先馳得點(diǎn):以I. Chuang為首的IBM研究團(tuán)隊(duì)在2002年的春天，成功地在一個(gè)人工合成的分子

5、中(內(nèi)含7個(gè)量子位)利用NMR完成N =15的因子分解(factorization)折疊發(fā)展前景量子計(jì)算將有可能使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大大超過今天的計(jì)算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計(jì)算所存在的一個(gè)問題是，提高所需量子裝置的準(zhǔn)確性有困難。量子信息編碼基本概念量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，并因此成為國際上量子物理和

6、信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。2016年8月16日凌晨1時(shí)40分，我國科學(xué)家在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空，目前已成功入軌運(yùn)行。這使得我國成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)太空和地面之間量子通信的國家，同時(shí)也建成了我國天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系?！澳犹?hào)”是世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉表示，之所以給它起名“墨子”，是因?yàn)槟邮紫韧ㄟ^小孔成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光沿直線傳播，而且他也提出了某種意義上的“粒子論”。命名緣由于墨子在墨經(jīng)中提出的“光學(xué)八條”，墨家邏輯是全球三大古老邏輯體系之一，而邏輯體系是科學(xué)的基礎(chǔ)，墨子在兩千多年前

7、就發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播，并設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。二.量子計(jì)算曾創(chuàng)作出侏羅紀(jì)公園和失去的世界等作品的著名科幻作家邁克爾·克萊頓，在科幻小說時(shí)間線中曾嘗試用文學(xué)的筆調(diào)來想象量子計(jì)算的神奇。其中，一家名為國際技術(shù)公司的經(jīng)理們?nèi)绱送其N其眼中的高新科技:"普通的計(jì)算機(jī)用電子的兩種狀態(tài)計(jì)算，這兩種狀態(tài)被定為0和1。但在20年前，理查德·費(fèi)曼就提出，有可能利用電子所有的32個(gè)量子態(tài)來進(jìn)行快速計(jì)算?，F(xiàn)在有諸多實(shí)驗(yàn)室正在試圖制造這樣的計(jì)算機(jī)。它們的優(yōu)點(diǎn)是難以想象的、強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。作為科幻作品，克萊頓的小說中充斥著"量子多宇宙"&

8、quot;量子泡沫蟲洞""量子運(yùn)輸""量子糾纏態(tài)"等令人既感新奇又感陌生的詞匯，書中之"電子的32個(gè)量子態(tài)"說法也并不科學(xué)。然而，克萊頓預(yù)言的量子"并行計(jì)算"的強(qiáng)大潛力和美好前景，如今卻正在現(xiàn)實(shí)世界一步步得到印證。具體而言，1965年，英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾針對(duì)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提出了"每18個(gè)月計(jì)算能力翻倍"的摩爾定律。然而，由于傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，這一能力或?qū)⒃谖磥?020年之內(nèi)達(dá)到極限。據(jù)保守估計(jì)，2018年芯片制造業(yè)就將步入16納米的工藝流程，業(yè)內(nèi)專家則

9、認(rèn)為，16納米制程已經(jīng)是普通硅芯片的盡頭。事實(shí)上，當(dāng)芯片的制程小于20納米之后，量子效應(yīng)就將嚴(yán)重影響芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，單純通過減小制程將無法繼續(xù)遵循摩爾定律，而突破的希望恰在于量子計(jì)算。從理論上講，一個(gè)250量子比特(由250個(gè)原子構(gòu)成)的存儲(chǔ)器，可能存儲(chǔ)的數(shù)達(dá)2的250次方，比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。無論在基礎(chǔ)理論還是在具體算法上，量子計(jì)算都是超越性的。因此，對(duì)量子計(jì)算的相關(guān)研究及量子計(jì)算機(jī)的具體研制已成為世界科學(xué)領(lǐng)域最閃亮的"明珠"之一。比如，美國國防部對(duì)此就給予了高度重視，國防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)專門制定了名為"量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃

10、"的研究計(jì)劃，其對(duì)外公開宣稱的目標(biāo)是，若干年內(nèi)要在核磁共振量子計(jì)算、中性原子量子計(jì)算、諧振量子電子動(dòng)態(tài)計(jì)算、光量子計(jì)算、離子阱量子計(jì)算及固態(tài)量子計(jì)算等領(lǐng)域取得重大研究進(jìn)展。科學(xué)社會(huì)學(xué)的奠基人貝爾納曾說:"科學(xué)與戰(zhàn)爭一直是極其密切地聯(lián)系著的。"今天，倘若我們要追溯風(fēng)靡全球的信息化戰(zhàn)爭之科技源頭的話，無疑是1946年世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)"ENIAC"誕生所開啟的電子信息科技革命。然而，這一曾徹底顛覆機(jī)械化戰(zhàn)爭圖景的電子信息科技，在遵循"摩爾定律"飛速前行了數(shù)十年之后，制約其進(jìn)一步發(fā)展的系列問題日漸凸顯:電子計(jì)算機(jī)的極限運(yùn)算速度是否存

11、在?越來越一體化的電子信息網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)對(duì)"網(wǎng)電空間戰(zhàn)"?等等。對(duì)此，近年來不斷突破的量子信息科技正在開啟新的機(jī)遇之門，勢必在未來重新涂抹戰(zhàn)神的面孔。2.1量子密碼構(gòu)筑"數(shù)字城堡"的銅墻鐵壁近年來，諜戰(zhàn)劇熱播我國熒屏，圍繞著奪取情報(bào)、破譯密碼，一個(gè)個(gè)斗智斗勇的故事，吸引了無數(shù)觀眾的眼球。然而很多人并不知道，隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，密碼通訊正在迎來劃時(shí)代的變化，一種永遠(yuǎn)無法破譯的密碼或?qū)⒃诓贿h(yuǎn)的未來登上軍事斗爭舞臺(tái)。具體來說，目前的密碼大都采用單項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解或其它復(fù)雜的數(shù)學(xué)原理。例如，在目前互聯(lián)網(wǎng)上比較常用的RSA密碼算法，就是應(yīng)用因數(shù)分解

12、的原理。因?yàn)橐?jì)算兩個(gè)大質(zhì)數(shù)的乘積很容易，但要將乘積分解回質(zhì)數(shù)卻極為困難，這就使得密碼很難被破解。然而，美國科學(xué)家皮特·休爾卻提出了"量子算法"，它利用量子計(jì)算的并行性，可以快速分解出大數(shù)的質(zhì)因子，這意味著以大數(shù)因式分解算法為根基的密碼體系在量子計(jì)算機(jī)面前不堪一擊。差不多同時(shí)，另一個(gè)著名的量子算法-"量子搜尋算法"也被提出，用該方法攻擊現(xiàn)有密碼體系，經(jīng)典計(jì)算需要1000年的運(yùn)算量，量子計(jì)算機(jī)只需小于4分鐘的時(shí)間，從而使傳統(tǒng)密碼領(lǐng)域遭遇前所未有的挑戰(zhàn)，以致有科學(xué)家宣稱:"其意義不亞于核武器一旦有些國家擁有了量子計(jì)算機(jī)，而另一些國家卻沒有

13、，當(dāng)戰(zhàn)爭爆發(fā)的時(shí)候，這就猶如一個(gè)瞎子和一個(gè)睜眼的人在打架一樣，對(duì)方可以把你的東西看得清清楚楚，而你卻什么都看不到。"當(dāng)然，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)雖然會(huì)對(duì)傳統(tǒng)密碼產(chǎn)生顛覆，但是量子信息同時(shí)也提供了一個(gè)守護(hù)神，即一種理論上無法破解的密碼-量子密碼。由于采用量子態(tài)作為密鑰，具有不可復(fù)制性，因而無破譯的可能，量子密碼的出現(xiàn)也因此被視為"絕對(duì)安全"的回歸。世界各國紛紛將其納入國防科技發(fā)展戰(zhàn)略之中。如美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室就在研究量子局域網(wǎng)的密碼體系和自由空間量子密碼。此外，英國國防部及歐盟各國也啟動(dòng)了類似的量子密碼研究計(jì)劃。2.2量子通信"超光速"聯(lián)通一體

14、化戰(zhàn)場神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這個(gè)世界上真的存在"超時(shí)空隧道"嗎?對(duì)此，科學(xué)家給出的答案是，伴隨著量子信息科技的持續(xù)發(fā)展，未來這一幻想不是沒有實(shí)現(xiàn)的可能。當(dāng)然，這一說法今天看來依然不無夸張，但其所謂的與"量子糾纏"密切關(guān)聯(lián)的"量子態(tài)隱形傳輸"則正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。通俗而言，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的陌生人不約而同地想做同一件事，好像有一根無形的線繩牽著他們，這種神奇現(xiàn)象可謂"心靈感應(yīng)"。與此類似，所謂量子糾纏，是指在微觀世界里，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變

15、化。量子通信正是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式。此種通信技術(shù)若能得以實(shí)現(xiàn)，其影響將是劃時(shí)代的。在時(shí)空方面，由于量子通信屬于超光速通信，不僅是"最快的通信"，而且有穿越大氣層的可能，從而為基于衛(wèi)星量子中繼的全球化通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。日前，德國物理學(xué)家就正在利用量子糾纏效應(yīng)打造量子互聯(lián)網(wǎng)，其研究人員稱:"我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)原型，在節(jié)點(diǎn)之間完成了量子信息的可逆交換。此外，還可以在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生遠(yuǎn)程糾纏，并保持約100微秒未來人們通過它不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子信息溝通，而且還將使大型量子互聯(lián)網(wǎng)完全實(shí)現(xiàn)成為可能。"顯然，這一量子通信技

16、術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景，量子隱形通信系統(tǒng)將建立在各類作戰(zhàn)指揮控制體系之間和各種偵察預(yù)警系統(tǒng)、主要作戰(zhàn)平臺(tái)以及量子微空間武器系統(tǒng)之中，構(gòu)建出 量子信息化戰(zhàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來的信息化戰(zhàn)爭中扮演無可替代的角色。亦正因此，近年來，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃署啟動(dòng)了多項(xiàng)量子通信方面的相關(guān)研究計(jì)劃。英國、德國、日本等國也都將量子通信技術(shù)納入議程，對(duì)其開展了廣泛的探索。三.量子通訊衛(wèi)星3.1信息簡介量子信號(hào)從地面上發(fā)射并穿透大氣層衛(wèi)星接收到量子信號(hào)并按需要將其轉(zhuǎn)發(fā)到另一特定衛(wèi)星量子信號(hào)從該特定衛(wèi)星上再次穿透大氣層到達(dá)地球某個(gè)角落的指定接收地點(diǎn)。量子衛(wèi)星是中國

17、科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，其主要科學(xué)目標(biāo)是借助衛(wèi)星平臺(tái)，進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。3.2通訊優(yōu)勢由于量子信號(hào)的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒有損耗，如果能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子再穿透整個(gè)大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信。此次發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完全由我國自主研發(fā)，突破了衛(wèi)星平臺(tái)、有效載荷、地面光學(xué)收發(fā)站等一系列關(guān)鍵技術(shù)，將在軌開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)

18、絡(luò)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、星地高速相干激光通信等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。3.3量子通訊經(jīng)過研究人員的種種努力，在如此遠(yuǎn)距離的傳送中，雖有許多糾纏光子衰減，但仍有相當(dāng)比例的“夫妻對(duì)”能存活下來并有旺盛的生命力，經(jīng)單光子探測器檢測，分居?xùn)|西兩地的光子“夫妻對(duì)”即使相距遙遠(yuǎn)仍能保持相互糾纏狀態(tài)，攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量能完全滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信要求。在此基礎(chǔ)上，研究小組進(jìn)一步利用分發(fā)的糾纏光源進(jìn)行絕對(duì)安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發(fā)的最大距離。2012年8月11日我國科學(xué)家潘建偉等人近期在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由

19、空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊自然雜志8月9 日重點(diǎn)介紹了該成果。3.4首發(fā)應(yīng)用中科院“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”2016年8月16日發(fā)射，這既是中國首個(gè)、也是世界首個(gè)量子衛(wèi)星。該衛(wèi)星的發(fā)射將使中國在國際上率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信，連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)。 “京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程預(yù)計(jì)于今年下半年交付。這一工程將構(gòu)建千公里級(jí)高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺(tái)。3.5中國發(fā)展2016年8月16日凌晨1時(shí)40分，我國科學(xué)家在酒泉衛(wèi)星發(fā)射

20、中心用長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空，目前已成功入軌運(yùn)行。這使得我國成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)太空和地面之間量子通信的國家，同時(shí)也建成了我國天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系?！澳犹?hào)”是世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉表示，之所以給它起名“墨子”，是因?yàn)槟邮紫韧ㄟ^小孔成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光沿直線傳播，而且他也提出了某種意義上的“粒子論”。命名緣由于墨子在墨經(jīng)中提出的“光學(xué)八條”，墨家邏輯是全球三大古老邏輯體系之一，而邏輯體系是科學(xué)的基礎(chǔ)，墨子在兩千多年前就發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播，并設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。量子

21、衛(wèi)星工程由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心抓總負(fù)責(zé)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)的提出和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制；中國科學(xué)院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院（上海微小衛(wèi)星工程中心）抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制有效載荷分系統(tǒng)；中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)研制、建設(shè)和運(yùn)行，對(duì)地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心等單位參加。1四.量子疊加科技日?qǐng)?bào)北京4月7日電 （記者劉霞）量子計(jì)算機(jī)勝過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“秘密武器”是量子疊加，但量子疊加很脆弱，延長其壽命是研制大型通用量子計(jì)算機(jī)面臨的主要“攔路虎”之一。在7日出版的自然雜志上，美國科學(xué)家稱，他們?cè)谟珊铣摄@石制造的量子設(shè)備內(nèi)使用一種量子反饋技術(shù)，將量子疊加的時(shí)長提高了1000多倍，向最終研制出可靠的量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步。上海交通大學(xué)物理與天文系金賢敏教授對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者解釋