基礎(chǔ)模塊 5.2 了解量子信息技術(shù)

主講人：傅連仲05信息技術(shù)（基礎(chǔ)模塊）單元5新一代信息技術(shù)概論新一代信息技術(shù)是以人工智能、量子信息、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等為代表的新興技術(shù)。它既是信息技術(shù)的縱向升級(jí)，也是信息技術(shù)之間及其與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的橫向融合。本單元介紹新一代信息技術(shù)的基本概念、技術(shù)特點(diǎn)、典型應(yīng)用、技術(shù)融合等內(nèi)容。新一代信息技術(shù)概論05任務(wù)5.2了解量子信息技術(shù)主講人：傅連仲

概述

近年來(lái)，量子信息技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，巨大潛力日益顯現(xiàn)，其各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域均取得若干重大突破，世界各國(guó)在此領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)也進(jìn)入白熱化，全球涌現(xiàn)“量子科技”潮，量子技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)，在傳感、通信、信息處理和安全等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)前所未有的跨越式發(fā)展。量子技術(shù)正成為近期科技創(chuàng)新的聚焦點(diǎn)之一，人類社會(huì)正在逐漸走入“量子信息技術(shù)”時(shí)代。

2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行的第二十四次集體學(xué)習(xí)會(huì)上，習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)，要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋。

本節(jié)主要介紹量子信息技術(shù)的基本概念、技術(shù)特點(diǎn)、典型應(yīng)用、技術(shù)融合等內(nèi)容。

任務(wù)描述通過(guò)本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，完成下列學(xué)習(xí)任務(wù)：

1.了解量子和量子信息的基本概念；2.了解量子信息發(fā)展的主要?dú)v程，知道我國(guó)量子信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；3.初步理解量子糾纏、量子疊加、量子并行等概念，了解量子隱形傳態(tài)的基本原理；4.了解量子信息技術(shù)在量子通信和量子計(jì)算方面的應(yīng)用；1234

目錄CONTENTS理解量子信息的基本概念了解量子信息的發(fā)展歷程理解量子信息的技術(shù)特點(diǎn)理解量子信息的典型應(yīng)用5.2.1理解量子信息的基本概念基本概念應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展歷程技術(shù)特點(diǎn)1.什么是量子量子（quantum）是現(xiàn)代物理的重要概念，最早是由德國(guó)物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出的。即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。在物理學(xué)中常用到量子的概念，指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體。例如，“光的量子”（光子）是一定頻率的光的基本能量單位。通俗地講，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。后來(lái)的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。描寫(xiě)微觀物理世界的物理理論是量子力學(xué)。物理學(xué)家普朗克

量子化現(xiàn)象

5.2.1理解量子信息的基本概念基本概念應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展歷程技術(shù)特點(diǎn)2.什么是量子信息

在量子力學(xué)中，量子信息(quantuminformation)是關(guān)于量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息。通過(guò)量子系統(tǒng)的各種相干特性（如量子并行、量子糾纏等），進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞健?/p>

量子是一個(gè)態(tài)．所謂態(tài)在物理上不是一個(gè)具體的物理量，也不是一個(gè)單位，也不是一個(gè)實(shí)體，而是一個(gè)可以觀測(cè)記錄的一組記錄（也就是確定組不變量去測(cè)量另外一組量），這組記錄可以運(yùn)算，并可以求出某時(shí)刻對(duì)已觀測(cè)的紀(jì)錄。5.2.1理解量子信息的基本概念基本概念應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展歷程技術(shù)特點(diǎn)3.什么是量子信息技術(shù)學(xué)

量子信息技術(shù)是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合的戰(zhàn)略性前沿科技，主要包括量子計(jì)算、量子通信、量子雷達(dá)、量子探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。量子信息技術(shù)學(xué)迅速發(fā)展成為一門(mén)新興交叉學(xué)科，主要是以量子力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，利用量子系統(tǒng)的各種相干特性進(jìn)行編碼、計(jì)算和信息傳輸?shù)男畔⒖茖W(xué)。量子信息分為量子計(jì)算和量子通信，如圖所示。5.2.2了解量子信息的發(fā)展歷程智能機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)據(jù)挖掘自然語(yǔ)言處理深度學(xué)習(xí)發(fā)展歷程應(yīng)用領(lǐng)域基本概念技術(shù)特點(diǎn)1.1993年，首次提出了量子通信(QuantumTeleportation)的概念在量子糾纏理論的基礎(chǔ)上，1993年，美國(guó)科學(xué)家班奈特（C.H.Bennett）提出了量子通信的概念。量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信。同年，6位來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)家，基于量子糾纏理論，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送最初的基本方案。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識(shí)與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過(guò)量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。美國(guó)科學(xué)家C.H.Bennett

量子隱形傳送方案

智能機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)據(jù)挖掘自然語(yǔ)言處理深度學(xué)習(xí)發(fā)展歷程應(yīng)用領(lǐng)域基本概念技術(shù)特點(diǎn)5.2.2了解量子信息的發(fā)展歷程2.1997年，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸1997年在奧地利留學(xué)的中國(guó)青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。3.2012年，首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)圖5-23中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉

圖5-24量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸智能機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)據(jù)挖掘自然語(yǔ)言處理深度學(xué)習(xí)發(fā)展歷程應(yīng)用領(lǐng)域基本概念技術(shù)特點(diǎn)5.2.2了解量子信息的發(fā)展歷程4.2016年8月16日，世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)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。這將使我國(guó)在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。5.2017年，世界首個(gè)大型商用量子通信專網(wǎng)在濟(jì)南測(cè)試成功2017年7月13日，世界上首個(gè)大型商用量子通信專網(wǎng)在濟(jì)南完成第一階段測(cè)試，未來(lái)商用量子通信專網(wǎng)還將推廣到國(guó)防、金融、電力等多個(gè)領(lǐng)域。2017年８月１０日凌晨，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉、彭承志團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院上海技物所等單位宣布，“墨子號(hào)”在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。智能機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)據(jù)挖掘自然語(yǔ)言處理深度學(xué)習(xí)發(fā)展歷程應(yīng)用領(lǐng)域基本概念技術(shù)特點(diǎn)5.2.2了解量子信息的發(fā)展歷程6.2017年，全球首條量子通信“京滬干線”建成世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”2017年9月29日正式開(kāi)通，如圖5-26所示。結(jié)合“京滬干線”與“墨子號(hào)”的天地鏈路，我國(guó)科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信。這標(biāo)志著我國(guó)已構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?？梢哉f(shuō)，量子通信的發(fā)展速度非常之快。從城域到城際，從陸地到衛(wèi)星，量子通信的實(shí)驗(yàn)和落地在不斷取得進(jìn)展。圖5-26全球首條量子通信“京滬干線”建成主講人：傅連仲05單元5新一代信息技術(shù)概論任務(wù)5.2基本概念與發(fā)展歷程結(jié)束新一代信息技術(shù)概論05任務(wù)5.2.3量子信息的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域主講人：傅連仲技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域基本概念發(fā)展歷程5.2.3理解量子信息的技術(shù)特點(diǎn)1.量子糾纏在量子力學(xué)里，當(dāng)幾個(gè)粒子在彼此相互作用后，由于各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無(wú)法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，我們稱這現(xiàn)象為量子糾纏（quantumentanglement），基于這種糾纏，某個(gè)粒子的作用將會(huì)瞬時(shí)地影響另一個(gè)粒子。所謂量子糾纏，是指在微觀世界里，有共同來(lái)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。愛(ài)因斯坦稱其為:“幽靈般的超距作用”。量子糾纏是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象，在經(jīng)典力學(xué)里，找不到類似的現(xiàn)象。一對(duì)糾纏量子

技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域基本概念發(fā)展歷程5.2.3理解量子信息的技術(shù)特點(diǎn)2.量子疊加態(tài)量子疊加就是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上?？茖W(xué)家在觀測(cè)量子時(shí)發(fā)現(xiàn)，量子的狀態(tài)無(wú)法確定，量子在同一時(shí)間可能出現(xiàn)在A地，也可能出現(xiàn)在B地，或可能同時(shí)出現(xiàn)在不同的地方。量子在某個(gè)位置出現(xiàn)是概率性的，并沒(méi)有確定性，這就叫量子疊加態(tài)，如圖5-28所示。當(dāng)你不觀測(cè)量子時(shí)，量子處于疊加態(tài)，當(dāng)你觀測(cè)量子時(shí)量子表現(xiàn)出唯一狀態(tài)，這就量子塌縮。圖5-28量子疊加技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域基本概念發(fā)展歷程5.2.3理解量子信息的技術(shù)特點(diǎn)著名的“薛定諤的貓”理論曾經(jīng)形象地表述為“一只貓可以同時(shí)既是活的又是死的”。有一個(gè)非常有名的“薛定諤的貓”思維實(shí)驗(yàn)。把一只貓和一個(gè)放射源一起裝進(jìn)一個(gè)看不見(jiàn)內(nèi)部的盒子，放射源會(huì)隨機(jī)放射出粒子，觸發(fā)盒子里的機(jī)關(guān)釋放出毒氣，如果放射源沒(méi)有放射粒子，貓就是活著的，反之貓就是死的。當(dāng)我們不打開(kāi)盒子時(shí)，貓是一種不知道生死，即所謂的既死又活的疊加狀態(tài)，當(dāng)我們打開(kāi)盒的那一瞬間，貓的生死才確定下來(lái)，如圖5-29所示。圖5-29薛定諤的貓這個(gè)思維實(shí)驗(yàn)是對(duì)量子疊加狀態(tài)通俗的比喻，這只不死不活的貓?bào)w現(xiàn)出了量子無(wú)比怪異的行為（疊加態(tài)）。開(kāi)箱之后，貓由生死疊加的狀態(tài)坍塌為確定的狀態(tài)，不是死便是活。技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域基本概念發(fā)展歷程5.2.3理解量子信息的技術(shù)特點(diǎn)3.量子隱形傳態(tài)基本原理量子隱形傳態(tài)(QuantumTeleportation)是利用量子糾纏的不確定特性，將某個(gè)量子的未知量子態(tài)通過(guò)EPR對(duì)（糾纏量子對(duì)）的一個(gè)量子傳送到另一個(gè)地方（即EPR對(duì)中另一個(gè)量子），而原來(lái)的量子仍留在原處。如圖5-30所示，Alice想和Bob通信，具體流程如下：(1)制備兩個(gè)有糾纏的EPR量子（粒子）對(duì)，然后將其分開(kāi)，Alice和Bob各持一個(gè)，分別是粒子1和粒子2。(2)Alice粒子1和某一個(gè)未知量子態(tài)的粒子3進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，然后將測(cè)量結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道傳送給Bob。此時(shí)，神奇的事情發(fā)生了：Bob持有的粒子2將隨著Alice測(cè)量同時(shí)發(fā)生改變，由一量子態(tài)變成新的量子態(tài)。這是由于量子糾纏的作用。(3)Bob根據(jù)接收的信息和擁有粒子2做相應(yīng)幺正變換（一種量子計(jì)算變換），根據(jù)這些信息，可以重構(gòu)出粒子3的全貌。技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域基本概念發(fā)展歷程5.2.3理解量子信息的技術(shù)特點(diǎn)4.量子并行我們普通計(jì)算機(jī)的比特單位就是0或者1，要么就是低電平，要么就是高電平。而量子最重要的特點(diǎn)就是他的疊加態(tài)，也即是不確定性，就好像薛定諤的貓一樣，是死也是活。量子比特可以制備在兩個(gè)邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，它可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1?？紤]一個(gè)N個(gè)物理比特的存儲(chǔ)器，若它是經(jīng)典存儲(chǔ)器，則它只能存儲(chǔ)2^N個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任一個(gè)，若它是量子存儲(chǔ)器，則它可以同時(shí)存儲(chǔ)2^N數(shù)，而且隨著N的增加，其存儲(chǔ)信息的能力將指數(shù)上升，例如，一個(gè)250量子比特的存儲(chǔ)器（由250個(gè)原子構(gòu)成）可能存儲(chǔ)的數(shù)達(dá)2^250,比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。5.2.4了解量子信息的應(yīng)用領(lǐng)域基本概念發(fā)展歷程應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)特點(diǎn)1.量子通信

量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)信息傳遞。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì)立刻發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，量子通信可將某信息的量子態(tài)安全傳遞到另外一個(gè)地方從而實(shí)現(xiàn)信息傳遞（量子隱形傳態(tài)）。5.2.4了解量子信息的應(yīng)用領(lǐng)域基本概念發(fā)展歷程應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)特點(diǎn)量子通信與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有如下主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。一是時(shí)效性高，量子通信的線路時(shí)延近乎為零；二是抗干擾性能強(qiáng)，量子通信中的信息傳輸不通過(guò)傳統(tǒng)信道，與通信雙方之間的傳播媒介無(wú)關(guān)，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能；三是保密性能好，根據(jù)量子不可克隆定理，量子信息一經(jīng)檢測(cè)就會(huì)產(chǎn)生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發(fā)現(xiàn)；四是隱蔽性能好，量子通信沒(méi)有電磁輻射，第三方無(wú)法進(jìn)行無(wú)線監(jiān)聽(tīng)或探測(cè)。五是應(yīng)用廣泛。量子通信與傳播媒介無(wú)關(guān)，傳輸不會(huì)被任何障礙阻隔，量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層。因此，量子通信應(yīng)用廣泛，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質(zhì)中通信。

量子通信是面向未來(lái)的全新通信技術(shù)，在安全性、高效性上具有經(jīng)典通信無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。如今，發(fā)展量子通信技術(shù)已經(jīng)成為事關(guān)提升國(guó)家信息技術(shù)水平、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)空間安全保障能力的戰(zhàn)略事項(xiàng)。在相關(guān)產(chǎn)業(yè)背景下，量子保密通信，尤其是量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)及其融合應(yīng)用部署，已成為國(guó)際行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略技術(shù)熱點(diǎn)。5.2.4了解量子信息的應(yīng)用領(lǐng)域基本概念發(fā)展歷程應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)特點(diǎn)2.量子計(jì)算量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律，進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量