量子通訊及量子計(jì)算

1、量子通訊與量子計(jì)算量子通訊與量子計(jì)算目目 錄錄一、引一、引 言言二、量子信息的特性二、量子信息的特性三、量子密碼三、量子密碼四、量子通訊四、量子通訊五、量子計(jì)算機(jī)五、量子計(jì)算機(jī)六、結(jié)束語(yǔ)六、結(jié)束語(yǔ)一、引言一、引言信息科學(xué)面臨挑戰(zhàn)信息科學(xué)面臨挑戰(zhàn) 信息科學(xué)在改善人類生活質(zhì)信息科學(xué)在改善人類生活質(zhì)量和推進(jìn)社會(huì)文明發(fā)展中發(fā)揮著量和推進(jìn)社會(huì)文明發(fā)展中發(fā)揮著無(wú)可比擬和令人驚嘆的作用，但無(wú)可比擬和令人驚嘆的作用，但在信息化的進(jìn)程中人類也面臨越在信息化的進(jìn)程中人類也面臨越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，如當(dāng)今信息系來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，如當(dāng)今信息系統(tǒng)的處理能力已接近極限值的程統(tǒng)的處理能力已接近極限值的程度。度。 現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)算

2、速度能無(wú)限制地增長(zhǎng)嗎？現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度能無(wú)限制地增長(zhǎng)嗎？1965-1995年微處理器與存儲(chǔ)器芯片年微處理器與存儲(chǔ)器芯片集成度的提高基本符合集成度的提高基本符合Moores Law.Gordon Moore, Intel公司的創(chuàng)始人之一公司的創(chuàng)始人之一. 現(xiàn)有的密碼體系是絕對(duì)安全的嗎？現(xiàn)有的密碼體系是絕對(duì)安全的嗎？ 密鑰的安全性是核心問(wèn)題。密鑰的安全性是核心問(wèn)題。 所謂所謂“絕對(duì)安全絕對(duì)安全”是指能經(jīng)受物理定律所允許的攻擊是指能經(jīng)受物理定律所允許的攻擊而不被破譯。而不被破譯。明文明文明文明文加密加密變換變換脫密脫密變換變換密鑰密鑰K密鑰密鑰K密文密文密文密文公開(kāi)信道公開(kāi)信道KK1 公開(kāi)密鑰公

3、開(kāi)密鑰RSARSA體系基于體系基于“大數(shù)因子分解大數(shù)因子分解”這類這類難以計(jì)算的數(shù)學(xué)問(wèn)題，并不是嚴(yán)格意義上的絕對(duì)安全。難以計(jì)算的數(shù)學(xué)問(wèn)題，并不是嚴(yán)格意義上的絕對(duì)安全。密鑰可以克隆是密碼體系不安全的根源。密鑰可以克隆是密碼體系不安全的根源。 一直在國(guó)際上廣泛應(yīng)用的兩大密碼算一直在國(guó)際上廣泛應(yīng)用的兩大密碼算法法MD5MD5、SHASHA1 1，近期宣布被王小云教授，近期宣布被王小云教授破解。破解。 20042004年年8 8月，王小云在國(guó)際密碼大月，王小云在國(guó)際密碼大會(huì)上首次宣布了對(duì)會(huì)上首次宣布了對(duì)MD5MD5、HAVALHAVAL128128、MD4MD4和和RIPEMDRIPEMD等四個(gè)著名密

4、碼算法的破譯等四個(gè)著名密碼算法的破譯結(jié)果。結(jié)果。v 20052005年年2 2月月7 7日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院發(fā)表申明，院發(fā)表申明，SHASHA1 1沒(méi)有被攻破，并且沒(méi)有沒(méi)有被攻破，并且沒(méi)有足夠的理由懷疑它會(huì)很快被攻破，開(kāi)發(fā)人員足夠的理由懷疑它會(huì)很快被攻破，開(kāi)發(fā)人員在在20102010年前應(yīng)該轉(zhuǎn)向更為安全的年前應(yīng)該轉(zhuǎn)向更為安全的SHASHA256256和和SHASHA512512算法。而僅僅在一周之后，王小云算法。而僅僅在一周之后，王小云就宣布了破譯就宣布了破譯SHASHA1 1的消息。的消息。v 諸如此類問(wèn)題對(duì)現(xiàn)有信息技術(shù)提出嚴(yán)峻的諸如此類問(wèn)題對(duì)現(xiàn)有信息技術(shù)提出嚴(yán)

5、峻的挑戰(zhàn)。未來(lái)信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展要求開(kāi)拓新挑戰(zhàn)。未來(lái)信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展要求開(kāi)拓新的原理和方法。的原理和方法。量子力學(xué)的奇妙特性量子力學(xué)的奇妙特性 量子力學(xué)是量子力學(xué)是2020世紀(jì)初才誕生的，世紀(jì)初才誕生的，是近代物理學(xué)兩大支柱之一。是近代物理學(xué)兩大支柱之一。經(jīng)典力學(xué)：宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)：宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。量子力學(xué)：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律量子力學(xué)：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。經(jīng)典粒子經(jīng)典粒子特性：特性：每時(shí)刻的位置、速度完全確定，有確定每時(shí)刻的位置、速度完全確定，有確定 的運(yùn)行軌跡，遵從牛頓力學(xué)。的運(yùn)行軌跡，遵從牛頓力學(xué)。經(jīng)典的波經(jīng)典的波特性：特性：充滿整個(gè)空間

6、，遵從經(jīng)典電磁場(chǎng)理論。充滿整個(gè)空間，遵從經(jīng)典電磁場(chǎng)理論。微觀粒子微觀粒子特點(diǎn)：同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性。特點(diǎn)：同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性。 設(shè)想空間中有一個(gè)微觀粒子，設(shè)想空間中有一個(gè)微觀粒子，任何時(shí)刻有可能在空間中任何點(diǎn)探任何時(shí)刻有可能在空間中任何點(diǎn)探測(cè)到粒子（類似經(jīng)典波的特性），測(cè)到粒子（類似經(jīng)典波的特性），但一旦探測(cè)到只能在其中一個(gè)探測(cè)但一旦探測(cè)到只能在其中一個(gè)探測(cè)器處發(fā)現(xiàn)該粒子（類似經(jīng)典粒子的器處發(fā)現(xiàn)該粒子（類似經(jīng)典粒子的特性）。特性）。CABA,B,C,為探測(cè)器為探測(cè)器多次入射多次入射（干涉現(xiàn)象）（干涉現(xiàn)象）遵從量子力學(xué)。遵從量子力學(xué)。微觀粒子微觀粒子一次入射一次入射經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處

7、于確定的經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處于確定的 物理狀態(tài)上；物理狀態(tài)上；量子粒子則可以同時(shí)處于各種可能的物量子粒子則可以同時(shí)處于各種可能的物 理狀態(tài)上（疊加態(tài)）。理狀態(tài)上（疊加態(tài)）。D1D2單個(gè)光子單個(gè)光子分束器分束器光電探測(cè)器光電探測(cè)器單個(gè)光子究竟沿哪條路徑傳送？單個(gè)光子究竟沿哪條路徑傳送？“薛定諤貓薛定諤貓” 宏觀量子疊加態(tài)宏觀量子疊加態(tài) 活死21tAEPR粒子對(duì)粒子對(duì)BEPR佯謬佯謬EPR效應(yīng)：非局域性是量子力學(xué)的基效應(yīng)：非局域性是量子力學(xué)的基 本性質(zhì)。本性質(zhì)。BABABA21,糾纏態(tài)糾纏態(tài)量子信息應(yīng)運(yùn)而生量子信息應(yīng)運(yùn)而生 量子特性應(yīng)用到信息領(lǐng)域中可以發(fā)揮量子特性應(yīng)用到信息領(lǐng)域中可以發(fā)揮出獨(dú)特

8、的功能，在提高運(yùn)算速度、確保信出獨(dú)特的功能，在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面可以突破現(xiàn)息安全、增大信息容量等方面可以突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，于是誕生了一有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，于是誕生了一門(mén)新興的交叉學(xué)科：門(mén)新興的交叉學(xué)科：量子信息科學(xué)量子信息科學(xué)它是量子物理與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。它是量子物理與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。量量子子密密碼碼量量子子通通訊訊量量子子計(jì)計(jì)算算 人們堅(jiān)信，信息技術(shù)的發(fā)展人們堅(jiān)信，信息技術(shù)的發(fā)展將從將從經(jīng)典經(jīng)典跨越到跨越到量子量子的時(shí)代。的時(shí)代。 近年來(lái)，量子信息在理論近年來(lái)，量子信息在理論和試驗(yàn)研究上取得重要突破，和試驗(yàn)研究上取得重要突破，引起各國(guó)引

9、起各國(guó)政府、科學(xué)界、信息產(chǎn)業(yè)界政府、科學(xué)界、信息產(chǎn)業(yè)界的高度重視。的高度重視。二、量子信息的特性二、量子信息的特性自然界有三要素：物質(zhì)、能量和信息。自然界有三要素：物質(zhì)、能量和信息。相應(yīng)有三個(gè)學(xué)科：材料科學(xué)、能量科學(xué)和信息科學(xué)。相應(yīng)有三個(gè)學(xué)科：材料科學(xué)、能量科學(xué)和信息科學(xué)。何謂何謂“信息信息”？信息就是我們?cè)谶m應(yīng)外部世界和控制外信息就是我們?cè)谶m應(yīng)外部世界和控制外部世界的過(guò)程中，同外部世界進(jìn)行交換的內(nèi)部世界的過(guò)程中，同外部世界進(jìn)行交換的內(nèi)容和名稱。容和名稱?！靶畔⒕褪切畔?，既不是物質(zhì)，也不是能信息就是信息，既不是物質(zhì)，也不是能量量”。為全人類帶來(lái)更豐富的高科為全人類帶來(lái)更豐富的高科技成果。技成果

10、。 2020世紀(jì)人類把量子力學(xué)應(yīng)用于物世紀(jì)人類把量子力學(xué)應(yīng)用于物質(zhì)科學(xué)和能源科學(xué)，導(dǎo)致了構(gòu)成當(dāng)代質(zhì)科學(xué)和能源科學(xué)，導(dǎo)致了構(gòu)成當(dāng)代文明社會(huì)的高科技成果，如核能、半文明社會(huì)的高科技成果，如核能、半導(dǎo)體、激光等。導(dǎo)體、激光等。 2121世紀(jì)人類將量子力學(xué)世紀(jì)人類將量子力學(xué)應(yīng)用應(yīng)用于信于信息科學(xué)，導(dǎo)致量子信息的誕生，這將息科學(xué)，導(dǎo)致量子信息的誕生，這將 量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別經(jīng)典信息經(jīng)典信息 二進(jìn)制二進(jìn)制0或或1組成的數(shù)字串，其信息組成的數(shù)字串，其信息單元稱為單元稱為“比特比特”，為，為0或者或者1。 用量子的語(yǔ)言可描述為態(tài)用量子的語(yǔ)言可描述為態(tài) 和和 。經(jīng)典粒子只能

11、處在經(jīng)典粒子只能處在 或或 之中的一個(gè)態(tài)之中的一個(gè)態(tài)上。上。0101量子信息量子信息 微觀粒子允許同時(shí)處在微觀粒子允許同時(shí)處在 和和 兩個(gè)兩個(gè)態(tài)上，這是其波粒二象性的結(jié)果。態(tài)上，這是其波粒二象性的結(jié)果。 01121201 , ,CCC C為任意復(fù)數(shù)。12221 CC（疊加態(tài)）（疊加態(tài)） 量子信息是經(jīng)典信息的完善和擴(kuò)充，正如復(fù)數(shù)量子信息是經(jīng)典信息的完善和擴(kuò)充，正如復(fù)數(shù)z=x+iyz=x+iy是實(shí)數(shù)是實(shí)數(shù)x x，y y的完善和擴(kuò)充。的完善和擴(kuò)充。量子信息的單元量子信息的單元 稱為量子比特。稱為量子比特。 量子比特（即量子態(tài)）的物理載體：光子，電子，原量子比特（即量子態(tài)）的物理載體：光子，電子，原子

12、，核自旋，子，核自旋， 以量子態(tài)作為信息單元，以量子態(tài)作為信息單元，“信息信息”就量子就量子化。化。 以以“比特比特”作為信息單元的是經(jīng)典信息，作為信息單元的是經(jīng)典信息，以以“量子比特量子比特”作為單元的是量子信息。作為單元的是量子信息。 因此，量子信息遵從量子力學(xué)規(guī)律。因此，量子信息遵從量子力學(xué)規(guī)律。信息傳輸：信息傳輸：量子態(tài)在量子通道中傳送量子態(tài)在量子通道中傳送信息處理信息處理( (計(jì)算計(jì)算) )：量子態(tài)幺正演化量子態(tài)幺正演化信息提?。盒畔⑻崛。毫孔訙y(cè)量量子測(cè)量 如，經(jīng)典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的如，經(jīng)典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的（量子不可克隆定理）。（量子不可克隆定理

13、）。 兩經(jīng)典粒子分離后就不關(guān)聯(lián)，而兩量子粒子處于糾兩經(jīng)典粒子分離后就不關(guān)聯(lián)，而兩量子粒子處于糾纏態(tài)（纏態(tài)（EPR粒子）時(shí)不論空間分離多開(kāi)仍然存在量子關(guān)粒子）時(shí)不論空間分離多開(kāi)仍然存在量子關(guān)聯(lián)，對(duì)其中一個(gè)粒子施行作用必然會(huì)影響另一個(gè)粒子的聯(lián)，對(duì)其中一個(gè)粒子施行作用必然會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。狀態(tài)。于是，奇特的量子性質(zhì)就可以產(chǎn)生新的信息功能。于是，奇特的量子性質(zhì)就可以產(chǎn)生新的信息功能。三、量子密碼三、量子密碼 采用量子態(tài)采用量子態(tài)(量子比特量子比特)作為信息載體，經(jīng)由量子作為信息載體，經(jīng)由量子通道傳送，在合法用戶之間建立共享的密鑰通道傳送，在合法用戶之間建立共享的密鑰(經(jīng)典隨經(jīng)典隨機(jī)數(shù)機(jī)數(shù))，這個(gè)

14、密鑰是安全的，任何竊聽(tīng)都會(huì)被發(fā)現(xiàn)。，這個(gè)密鑰是安全的，任何竊聽(tīng)都會(huì)被發(fā)現(xiàn)。 其安全性由量子力學(xué)原理所保證：其安全性由量子力學(xué)原理所保證：竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)對(duì)量子態(tài)的測(cè)量來(lái)竊竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)對(duì)量子態(tài)的測(cè)量來(lái)竊取信息，則必然會(huì)干擾這個(gè)量子態(tài)本身，取信息，則必然會(huì)干擾這個(gè)量子態(tài)本身，從而會(huì)留下痕跡而被合法用戶發(fā)現(xiàn)。從而會(huì)留下痕跡而被合法用戶發(fā)現(xiàn)。竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)復(fù)制傳送密鑰的量子竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)復(fù)制傳送密鑰的量子態(tài)來(lái)獲得信息，此時(shí)量子不可克隆定理態(tài)來(lái)獲得信息，此時(shí)量子不可克隆定理確保這種復(fù)制不可能成功。確保這種復(fù)制不可能成功。 因此，量子密碼術(shù)原則上可以提供不可破譯、因此，量子密碼術(shù)原則上可以提供不可

15、破譯、不可竊聽(tīng)的保密通信體系。不可竊聽(tīng)的保密通信體系。目前中國(guó)科大已在光目前中國(guó)科大已在光纖中成功地實(shí)現(xiàn)纖中成功地實(shí)現(xiàn)125125公里量子密鑰傳輸，在自由公里量子密鑰傳輸，在自由空間中實(shí)現(xiàn)空間中實(shí)現(xiàn)1313公里傳送。公里傳送。量子安全體系量子安全體系量子量子身份身份認(rèn)證認(rèn)證量子量子比特比特承諾承諾量子量子對(duì)策對(duì)策論論 量子密碼通信量子密碼通信是目前唯一被證明是目前唯一被證明絕對(duì)安全的保密通絕對(duì)安全的保密通信方法信方法, ,美國(guó)美國(guó)商業(yè)商業(yè)周刊周刊把它列在了把它列在了改變?nèi)藗兾磥?lái)生活改變?nèi)藗兾磥?lái)生活的十大發(fā)明的第三的十大發(fā)明的第三位。位。 四、量子通訊四、量子通訊 長(zhǎng)期以來(lái)，這種隱形傳物無(wú)長(zhǎng)期以

16、來(lái)，這種隱形傳物無(wú)論用經(jīng)典方法或量子方法都認(rèn)為論用經(jīng)典方法或量子方法都認(rèn)為是不可能的，只是是不可能的，只是“科學(xué)幻想科學(xué)幻想”或或“神話神話”而已。而已。地地球球木木星星 1993年美國(guó)年美國(guó)IBM的著名科學(xué)家的著名科學(xué)家Bennet等等四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家聯(lián)名在四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家聯(lián)名在PhysicalReview Letters上發(fā)表了一篇開(kāi)創(chuàng)性論文：上發(fā)表了一篇開(kāi)創(chuàng)性論文：“經(jīng)由經(jīng)典和經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知量子態(tài)通道傳送未知量子態(tài)”，提，提出了一種方法可以將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)出了一種方法可以將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)(未未知量子比特知量子比特)傳送給遠(yuǎn)處的另一個(gè)傳送給遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子

17、，使該粒子處在這個(gè)未知量子粒子，使該粒子處在這個(gè)未知量子態(tài)上，而原先的粒子不被傳送，這態(tài)上，而原先的粒子不被傳送，這就是所謂就是所謂“量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)”。EPR-sourceinitial stateBSMUClassical informationALICEBOBTeleported stateEntangled pair量子隱形傳量子隱形傳態(tài)原理圖態(tài)原理圖為實(shí)現(xiàn)傳送某個(gè)物體的未知量子態(tài)，可將原為實(shí)現(xiàn)傳送某個(gè)物體的未知量子態(tài)，可將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，基本思想基本思想它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接受者。它們分別經(jīng)由經(jīng)典通

18、道和量子通道傳送給接受者。量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的部分信息經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的部分信息接受者在獲得這兩種信息之后，就可以接受者在獲得這兩種信息之后，就可以制造出原物量子態(tài)的精確復(fù)制品。制造出原物量子態(tài)的精確復(fù)制品。在這個(gè)過(guò)程中，在這個(gè)過(guò)程中，原物始終留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子原物始終留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而且，發(fā)送者對(duì)這個(gè)量子態(tài)始終一無(wú)所知；態(tài)，而且，發(fā)送者對(duì)這個(gè)量子態(tài)始終一無(wú)所知；接受者是將別的物質(zhì)單元接受者是將別的物質(zhì)單元(如粒子如粒子)制

19、備成為與原物完全制備成為與原物完全相同的量子態(tài)，他對(duì)這個(gè)量子態(tài)也始終一無(wú)所知；相同的量子態(tài)，他對(duì)這個(gè)量子態(tài)也始終一無(wú)所知；原物的量子態(tài)在測(cè)量時(shí)已被破壞掉原物的量子態(tài)在測(cè)量時(shí)已被破壞掉不違背不違背“量子量子不可克隆定理不可克隆定理”；未知量子態(tài)未知量子態(tài)(量子比特量子比特)的這種傳送，需要經(jīng)的這種傳送，需要經(jīng)典信道傳送經(jīng)典信息典信道傳送經(jīng)典信息(即發(fā)送者的測(cè)量結(jié)果即發(fā)送者的測(cè)量結(jié)果)，傳送速度不可能超過(guò)光速傳送速度不可能超過(guò)光速不違背相對(duì)論不違背相對(duì)論的原理。的原理。 19971997年，奧地利學(xué)者年，奧地利學(xué)者( (其第二作者為中國(guó)其第二作者為中國(guó)科技大學(xué)學(xué)生科技大學(xué)學(xué)生) )在在Nature

20、Nature上報(bào)道了第一個(gè)上報(bào)道了第一個(gè)實(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)隱形傳送的試驗(yàn)。該論文轟實(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)隱形傳送的試驗(yàn)。該論文轟動(dòng)了學(xué)術(shù)界和新聞界，后被動(dòng)了學(xué)術(shù)界和新聞界，后被NatureNature評(píng)為評(píng)為2020世紀(jì)最有影響的世紀(jì)最有影響的2121篇經(jīng)典論文之一；篇經(jīng)典論文之一；19981998年，意大利學(xué)者在年，意大利學(xué)者在Physical Review Physical Review LettersLetters上發(fā)表了另一個(gè)光子隱形傳態(tài)的論文上發(fā)表了另一個(gè)光子隱形傳態(tài)的論文；19981998年底，美國(guó)學(xué)者分別在年底，美國(guó)學(xué)者分別在ScienceScience和和NatureNature上報(bào)道新的

21、試驗(yàn)。上報(bào)道新的試驗(yàn)。2 2、量子密集編碼、量子密集編碼 量子密集編碼可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送單個(gè)光子束傳輸量子密集編碼可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送單個(gè)光子束傳輸兩個(gè)比特的信息。兩個(gè)比特的信息。量子密集編碼原理圖量子密集編碼原理圖特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1) (1) 保密性高；保密性高；(2) (2) 增大信息傳送速率，適用于緊急場(chǎng)合。增大信息傳送速率，適用于緊急場(chǎng)合。3 3、 量子通信網(wǎng)絡(luò)量子通信網(wǎng)絡(luò)ACBD量子存量子存儲(chǔ)器儲(chǔ)器存儲(chǔ)量子信息，處存儲(chǔ)量子信息，處理理(運(yùn)算運(yùn)算)量子信息。量子信息。量子存儲(chǔ)器量子存儲(chǔ)器量子通道量子通道傳送量子信息。傳送量子信息。用途：開(kāi)拓新的通信原理和方法。用途：開(kāi)拓新的通信原理和方法。例：例：(1

22、)(1)網(wǎng)絡(luò)量子密碼網(wǎng)絡(luò)量子密碼;(2);(2)分布量子計(jì)算。分布量子計(jì)算。 2004 2004 年年6 6 月月3 3 日日, ,世界上第一個(gè)世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)馬薩諸塞州量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)馬薩諸塞州劍橋城正式投入運(yùn)行。主持這套網(wǎng)絡(luò)劍橋城正式投入運(yùn)行。主持這套網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的是美國(guó)建設(shè)的是美國(guó)BBN BBN 技術(shù)公司。這個(gè)量技術(shù)公司。這個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)已成功地實(shí)現(xiàn)了該公子密碼通信網(wǎng)絡(luò)已成功地實(shí)現(xiàn)了該公司與哈佛大學(xué)之間的連接司與哈佛大學(xué)之間的連接, ,且很快就且很快就延伸至波士頓大學(xué)。新的量子密碼通延伸至波士頓大學(xué)。新的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有因特網(wǎng)技術(shù)完全兼容信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有因特網(wǎng)技

23、術(shù)完全兼容, ,網(wǎng)絡(luò)傳輸距離約為網(wǎng)絡(luò)傳輸距離約為10 10 千米。千米。五、量子計(jì)算機(jī)五、量子計(jì)算機(jī)經(jīng)典經(jīng)典量子量子可存儲(chǔ)可存儲(chǔ)0 0或或1 1（一個(gè)數(shù)）（一個(gè)數(shù)）可同時(shí)存儲(chǔ)可同時(shí)存儲(chǔ)0 0和和1 1（兩個(gè)數(shù)）（兩個(gè)數(shù)）一個(gè)存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)器兩個(gè)存儲(chǔ)器兩個(gè)存儲(chǔ)器經(jīng)經(jīng)量量典典子子可存儲(chǔ)可存儲(chǔ)00,01,1000,01,10或或11(11(一個(gè)數(shù)一個(gè)數(shù)) )可同時(shí)存儲(chǔ)可同時(shí)存儲(chǔ)00,01,10,11(00,01,10,11(四個(gè)數(shù)四個(gè)數(shù)) )N N個(gè)存儲(chǔ)器個(gè)存儲(chǔ)器經(jīng)典：可存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)（經(jīng)典：可存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)（2 2N N個(gè)可能的數(shù)之中的一個(gè)數(shù)）個(gè)可能的數(shù)之中的一個(gè)數(shù)）量子：可同時(shí)存儲(chǔ)量子：可同時(shí)存儲(chǔ)2 2

24、N N個(gè)數(shù)個(gè)數(shù) 因此，量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力是經(jīng)典的因此，量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力是經(jīng)典的2 2N N倍，倍，且隨且隨N N指數(shù)增長(zhǎng)。指數(shù)增長(zhǎng)。 例如，例如，N=250,N=250,量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)比宇宙中原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。比宇宙中原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。計(jì)算是對(duì)數(shù)據(jù)的變換。計(jì)算是對(duì)數(shù)據(jù)的變換。經(jīng)典計(jì)算機(jī)經(jīng)典計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)N個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，只變換一個(gè)數(shù)據(jù)。個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，只變換一個(gè)數(shù)據(jù)。 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)N個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，同時(shí)變換個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，同時(shí)變換2 2N N個(gè)數(shù)據(jù)。個(gè)數(shù)據(jù)。 可見(jiàn)：對(duì)可見(jiàn)：對(duì)N N個(gè)量子存儲(chǔ)器實(shí)行一次操作，個(gè)量子存儲(chǔ)器實(shí)行一次操作

25、，其效果相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典存儲(chǔ)器進(jìn)行其效果相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典存儲(chǔ)器進(jìn)行2 2N N次操作。次操作。 這就是量子計(jì)算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力。這就是量子計(jì)算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力。 采用合適的量子算法，這個(gè)能力可以大采用合適的量子算法，這個(gè)能力可以大大地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。大地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。 現(xiàn)在廣泛使用的現(xiàn)在廣泛使用的RSA公開(kāi)密鑰：加密密鑰、加密變換、公開(kāi)密鑰：加密密鑰、加密變換、解密變換均是公開(kāi)的，但解密密鑰是保密的。解密變換均是公開(kāi)的，但解密密鑰是保密的。 Shor 量子并行算法量子并行算法1994年，量子信息領(lǐng)域的里程碑工作，年，量子信息領(lǐng)域的里程碑工作，獲獲1998年世界數(shù)學(xué)家大會(huì)最高獎(jiǎng)。年

26、世界數(shù)學(xué)家大會(huì)最高獎(jiǎng)。這個(gè)算法可以求解這個(gè)算法可以求解“大數(shù)因子分解大數(shù)因子分解”難題。難題。 這類大數(shù)因子分解是個(gè)難解的數(shù)學(xué)問(wèn)題這類大數(shù)因子分解是個(gè)難解的數(shù)學(xué)問(wèn)題(NP問(wèn)題問(wèn)題)。其安全性依賴于其安全性依賴于“單向單向”函數(shù)函數(shù)127229？ 很容易計(jì)算很容易計(jì)算？29083 很難計(jì)算很難計(jì)算 分解分解N 運(yùn)算步驟（時(shí)間）隨輸入長(zhǎng)度運(yùn)算步驟（時(shí)間）隨輸入長(zhǎng)度logN 指數(shù)增長(zhǎng)，用經(jīng)典計(jì)算是難以計(jì)算的。指數(shù)增長(zhǎng)，用經(jīng)典計(jì)算是難以計(jì)算的。例例若若N=250， 要用要用8105年年 N=1000，要用，要用1025年年( (比宇宙年齡還長(zhǎng)比宇宙年齡還長(zhǎng)) )N=129位，位，1994年年1600臺(tái)

27、工作站花了臺(tái)工作站花了8個(gè)月分解成功。個(gè)月分解成功。 Shor算法證明，采用量子計(jì)算算法證明，采用量子計(jì)算機(jī)并行計(jì)算，分解機(jī)并行計(jì)算，分解N N的時(shí)間隨的時(shí)間隨logN 的多項(xiàng)式增長(zhǎng)的多項(xiàng)式增長(zhǎng)(即可解問(wèn)題即可解問(wèn)題)。 一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，現(xiàn)一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，現(xiàn)有的有的RSARSA密鑰將無(wú)密可保。密鑰將無(wú)密可保。 目前在實(shí)驗(yàn)上，一個(gè)推廣了的目前在實(shí)驗(yàn)上，一個(gè)推廣了的ShorShor算法已經(jīng)在核磁共振中得到實(shí)現(xiàn)。算法已經(jīng)在核磁共振中得到實(shí)現(xiàn)。 Grove量子搜尋算法量子搜尋算法問(wèn)題：從問(wèn)題：從N個(gè)未分類的客體中尋找出某個(gè)特定客體。個(gè)未分類的客體中尋找出某個(gè)特定客體。例如，從按姓序排列

28、的例如，從按姓序排列的106個(gè)電話號(hào)碼中找出某個(gè)特定個(gè)電話號(hào)碼中找出某個(gè)特定的號(hào)碼。的號(hào)碼。經(jīng)典計(jì)算機(jī)經(jīng)典計(jì)算機(jī)一個(gè)個(gè)查詢，直到找到所要的號(hào)碼。平一個(gè)個(gè)查詢，直到找到所要的號(hào)碼。平均講，要查均講，要查 次，找到的幾率為為。次，找到的幾率為為。N2121量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)采用并行處理，只需采用并行處理，只需 次，次，找到的幾率接近找到的幾率接近100(Grover算法算法)。N這個(gè)算法應(yīng)用廣泛：這個(gè)算法應(yīng)用廣泛：尋找最大值，最小值，平均值，下棋，尋找最大值，最小值，平均值，下棋， 例例:可以有效地攻破可以有效地攻破DES(the data encryption standard)密碼體系密碼體

29、系(問(wèn)題的本質(zhì)是從問(wèn)題的本質(zhì)是從256=71016可能的可能的密鑰中尋找一個(gè)正確的密鑰密鑰中尋找一個(gè)正確的密鑰)。 若以每秒若以每秒106次的運(yùn)算速率，經(jīng)典計(jì)算機(jī)要花次的運(yùn)算速率，經(jīng)典計(jì)算機(jī)要花1000年，而量子計(jì)算機(jī)采用年，而量子計(jì)算機(jī)采用Grove算法，則低于算法，則低于4分鐘。分鐘。 GroveGrove算法：算法：“可以在稻可以在稻草堆里發(fā)現(xiàn)一根針！草堆里發(fā)現(xiàn)一根針！” 目前，目前，GroveGrove算法已經(jīng)在核磁共算法已經(jīng)在核磁共振和光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。振和光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。 量子模擬計(jì)算量子模擬計(jì)算諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾提出諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾提出這樣的問(wèn)題：這樣的問(wèn)題：經(jīng)典計(jì)算機(jī)能否精

30、確地模擬量子體系的演化？經(jīng)典計(jì)算機(jī)能否精確地模擬量子體系的演化？回答是：回答是：NO! 量子計(jì)算機(jī)可以精確地模擬這種演化，提供量子計(jì)算機(jī)可以精確地模擬這種演化，提供了研究許多重要量子體系的有效工具，成為科學(xué)了研究許多重要量子體系的有效工具，成為科學(xué)研究的重要方法。研究的重要方法。 用途：用途：高溫高密度等離子體高溫高密度等離子體高溫超導(dǎo)高溫超導(dǎo)晶體固態(tài)理論晶體固態(tài)理論格點(diǎn)規(guī)范理論格點(diǎn)規(guī)范理論 在核磁共振中，量子模擬的初步實(shí)驗(yàn)在核磁共振中，量子模擬的初步實(shí)驗(yàn)業(yè)已展開(kāi)。目前已經(jīng)模擬了量子諧振子和業(yè)已展開(kāi)。目前已經(jīng)模擬了量子諧振子和反諧振子的動(dòng)力學(xué)行為以及三體碰撞哈密反諧振子的動(dòng)力學(xué)行為以及三體碰撞

31、哈密頓量的演化。頓量的演化。量子編碼量子編碼消相干消相干(decoherence)是量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用的主是量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用的主要障礙，因?yàn)榄h(huán)境會(huì)不可避免地破壞量子相干性，要障礙，因?yàn)榄h(huán)境會(huì)不可避免地破壞量子相干性，使量子計(jì)算機(jī)演變成經(jīng)典計(jì)算機(jī)。使量子計(jì)算機(jī)演變成經(jīng)典計(jì)算機(jī)。 量子編碼是克服消相干的主要途徑。量子編碼是克服消相干的主要途徑。量子編碼原理量子編碼原理量子糾錯(cuò)碼量子糾錯(cuò)碼量子避錯(cuò)碼量子避錯(cuò)碼量子防錯(cuò)碼量子防錯(cuò)碼目前在腔目前在腔QED、離子阱、核磁共振、超導(dǎo)系統(tǒng)已演、離子阱、核磁共振、超導(dǎo)系統(tǒng)已演量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于尋找適合制備量子網(wǎng)絡(luò)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于尋找適合制備量子網(wǎng)

32、絡(luò)的物理體系。的物理體系。示簡(jiǎn)單的量子網(wǎng)絡(luò)。示簡(jiǎn)單的量子網(wǎng)絡(luò)。 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)原則上量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)原則上已不存在不可逾越的障礙，但已不存在不可逾越的障礙，但技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)卻遇到嚴(yán)重的困技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)卻遇到嚴(yán)重的困難。如何研制多個(gè)量子比特的難。如何研制多個(gè)量子比特的量子邏輯網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今國(guó)際學(xué)量子邏輯網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。 量子信息作為新興交叉的學(xué)科而誕生，無(wú)疑是量量子信息作為新興交叉的學(xué)科而誕生，無(wú)疑是量子力學(xué)的又一個(gè)輝煌成果，反過(guò)來(lái)也豐富了量子力學(xué)子力學(xué)的又一個(gè)輝煌成果，反過(guò)來(lái)也豐富了量子力學(xué)的研究?jī)?nèi)容，有力地推動(dòng)量子論的發(fā)展。的研究?jī)?nèi)容，有力地推動(dòng)量子論的發(fā)展。

33、信息時(shí)代的發(fā)展促使人類把微觀世界的信息時(shí)代的發(fā)展促使人類把微觀世界的量子理論運(yùn)用到信息技術(shù)這一高科技領(lǐng)域，量子理論運(yùn)用到信息技術(shù)這一高科技領(lǐng)域，由于其速度快、功耗低、存儲(chǔ)能力大、計(jì)算由于其速度快、功耗低、存儲(chǔ)能力大、計(jì)算能力強(qiáng)、保密性好以及其他奇特的性能，量能力強(qiáng)、保密性好以及其他奇特的性能，量子信息很有可能成為信息時(shí)代新的主宰，已子信息很有可能成為信息時(shí)代新的主宰，已經(jīng)引起了各國(guó)政府、軍事部門(mén)、金融銀行業(yè)經(jīng)引起了各國(guó)政府、軍事部門(mén)、金融銀行業(yè)以及企業(yè)的廣泛重視。中科院先后支持兩項(xiàng)以及企業(yè)的廣泛重視。中科院先后支持兩項(xiàng)知識(shí)創(chuàng)新工程方向性項(xiàng)目知識(shí)創(chuàng)新工程方向性項(xiàng)目:“:“量子物理與信量子物理與信

34、息息”和和“量子通信技術(shù)的研究量子通信技術(shù)的研究”，科技部也，科技部也把把“量子通信與量子信息技術(shù)量子通信與量子信息技術(shù)”劃入劃入“973”973”項(xiàng)目。項(xiàng)目。 目前，國(guó)內(nèi)正在從事量子信息研究的單目前，國(guó)內(nèi)正在從事量子信息研究的單位主要有：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院武漢位主要有：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院武漢物理與數(shù)學(xué)所、半導(dǎo)體所、理論物理所、物物理與數(shù)學(xué)所、半導(dǎo)體所、理論物理所、物理所、華中師大、華南師大、清華大學(xué)、山理所、華中師大、華南師大、清華大學(xué)、山西大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、福建師大等。西大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、福建師大等。Group 成員：李洪才教授，成員：李洪才教授， 林秀敏教授林秀敏教授 李

35、興華副教授，林李興華副教授，林 秀老師秀老師 陳志華老師，陳志華老師， 陳陳 翔老師翔老師 黃志平老師，黃志平老師， 10位研究生位研究生近三年來(lái)承擔(dān)的部分科研課題：近三年來(lái)承擔(dān)的部分科研課題：1 1、林秀敏、李洪才林秀敏、李洪才等：等：國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家自然科學(xué)基金 利用腔泄漏消相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算利用腔泄漏消相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算2 2、鄭仕標(biāo)、李洪才鄭仕標(biāo)、李洪才等：等：國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家自然科學(xué)基金腔腔QEDQED及離子阱在量子信息中的應(yīng)用研究及離子阱在量子信息中的應(yīng)用研究 3 3、張永生、林秀敏張永生、林秀敏等：等：國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家自然科學(xué)基金量子光學(xué)方法對(duì)量子點(diǎn)相干性質(zhì)的研究

36、量子光學(xué)方法對(duì)量子點(diǎn)相干性質(zhì)的研究 4 4、李洪才、林秀敏李洪才、林秀敏等：等：省自然科學(xué)基金省自然科學(xué)基金量量子信息和量子通信的應(yīng)用研究子信息和量子通信的應(yīng)用研究5 5、林秀敏、李洪才林秀敏、李洪才等：等：省自然科學(xué)基金省自然科學(xué)基金利利用腔中消相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子信息與量子通訊技用腔中消相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子信息與量子通訊技術(shù)術(shù) 近三年來(lái)發(fā)表的部分論文：近三年來(lái)發(fā)表的部分論文：Xiu-Min Lin et al., One-step implementation of multiqubit controlled phase flip gate, accepted by Phys. Rev. A Yu

37、n-Feng Xiao, Xiu-Min Lin et al., Realizing quantum controlled phase flip through cavity QED, Phys. Rev. A 70, 042314 (2004) Peng Xue, Chao Han, Bo Yu, Xiu-Min Lin et al., Robust generation of entanglement and quantum communication with atoms in optical cavities, Phys. Rev. A 69, 052318 (2004) Xiu-Mi

38、n Lin et al., Implementing high efficiency quantum controlled phase gate betweem long distance atoms, J. Opt. Soc. Am. B Vol. 22, 1547 (2005) Li Hongcai et al., Generation of Surperpositions of Squeezed State Via Raman Interaction, Optics Communications 197, 97-101, 2001 Xiu-Min Lin et al., Scheme for implementing quantum dense coding via cavity QED, Phys. Lett. A 313, 351 (2003) 7. Xiu-Min Lin et al., Generation of polarization-entangled photon pairs through cavity-assisted interaction, accepted by Phys. Lett. A8. Huang Zhiping, Li Hongcai， A Proposal of Many-pa