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量子信息技术论文篇一
“量子计算”是一个对大部分人来说都比较陌生的名词，对我也是如此。这节课的教授向我们简单介绍了量子计算相关的知识，让我对这个概念有了初步的了解。
以量子力学原理进行计算的计算机就是量子计算机，而量子信息与量子计算是信息论和计算机科学与量子物理交叉的学科。量子计算有许多优势，比如运算速度快，在物理上容易实现等等。由此可看出量子计算的广阔前景。
摩尔定律指出，集成电路上可容纳的晶体管数量，约每隔十八个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。但是随着时间的推移，以基础物理为原理设计出的计算机性能提升已接近极限，摩尔定律也面临着失效的危险。在后摩尔时代，人们需要用新型技术来实现计算速度的提升，而基于量子物理的量子计算机就是很好的选择。
量子计算的应用前景广阔。其中最引人注目的就是窃取密码。目前的密码破解的困难主要是由于大数分解的困难，而量子计算能将大数分解问题在多项式时间内解决，因此能轻松破解密码。反过来，量子计算机还可以基于heisenberg测不准原理与量子非克隆原理来发现监听，确保安全通信，这一成果已得到商业应用。此外，它还能够提高数据搜索的效率，在大数据时代的今天十分重要。因此，发展量子计算机在国际社会上普遍得到重视。我国在量子通信方面成果显著，而在量子算法方面比较薄弱。
量子物理是一门很深奥的学科，在短短的两节课内无法进行详细的介绍，我也没有听懂。但是这门物理学的应用将挑战传统的计算机，打开计算机世界的新大门。量子计算机的未来值得我们期待。
量子信息技术论文篇二
量子计算时代，信息安全的挑战与机遇
by *** 2010年7月
（武汉大学 国际软件学院 2008级7班）
摘 要：量子计算技术的发展对我们来说既是机遇，又是挑战。计算机的实用化只是时间问题，我们必须提前做好准备工作。本文简单介绍了量子计算的基本原理，发展现状及实现方案，展现出了其诱人的前景。同时也指出了对我们当前信息安全的挑战，并且提出了两种应对方案，一是从密码的算法方面入手，二是发展被称为最可靠通信技术的量子密码。
关键字：量子;计算机;信息安全;密码
abstract: the developing of quantum technology is an opportunity as well as common quantum computer is on the way and we must do the preparation paper gives a brief introduction to both the basic theory of quantum computation and the possible solutions for implementation of quantum computer, which shows the promising future of this the same time, we point out the challenges witch it brings to present information are two solutions for this first one is to do research in algorithm of r solution is to develop quantum cryptography which is described as the most reliable communication words: quantum;computer;information safety;cryptography
一、引言
从1946年人类第一台计算机eniac的，到今天计算机信息技术飞速的发展，计算机已经走过了六十多年的历程。六十年中计算机一直按“摩尔定律”的预言不断发生着惊人的变化，体积越来越小，运算速度越来越高，成本基本保持不变，当然计算机芯片的集成化程度越来越高。
这种经典计算机本身存在着不可避免的致命弱点：一是计算过程能耗的最基本限制。逻辑元件或存储单元所需的最低能量应在kt的几倍以上，以避免在热涨落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的功能。因此现代计算机进一步缩小计算机的体积，提高运算速度已经极其困难。
大多数观察家预期“摩尔定律”的神话将在21世纪的前20年内结束。然而量子学研究给计算机的未来探索出了一条新的出路——量子计算机。量子计算机利用粒子所具有的量子特性进行信息处理，能够用极少的数量表示大量的数据。量子计算很可能就是“摩尔定律”的终结者。目前，量子计算与量子信息技术已经取得了可喜的成就。
量子计算时代的到来，将对我们人类的生活产生极大的影响，在给我们带来了巨大机遇的同时，也对我们的当前的信息安全形成了严重的威胁，不断地挑战信息安全工作者的智慧。
二、量子计算技术 1.一些重要的基本原理
量子计算之所以有杰出的表现，主要是有以下几个特点：
（1）量子比特
在量子力学中，我们可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位。与经典计算机相区别，我们称之为量子位(qubit)，经常用|表示。在经典计算机中，每一个数据位要么是0，要么是1，二者必取其一。与经典计算机数据位不同的是，量子位可以是|0或者|1，也可以同时是|0和|1。也就是说，在量子计算中，数据位的存储内容可以是0和1的迭加态：|0|1。其中、的含义是在测量时得出结果|0、|1的概率的相关量，221。
以上只是对单量子比特的介绍，还可以有多量子比特。以双量子比特为例，它有四个基：|00、|01、|10、|11，一个双量子比特可以处于如下状态：
其归一化条件为：
|=00|00+01|01+10|10+11|11
x{0,1}2|x|21。
对于更多的量子比特，其基态可表示为：|x1x2xn|。
由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充。n个量子位可以同时存储2n个数据，从而大大提高了存储能力。
（2）量子比特门
经典计算线路由连接线和门组成，量子线路也不例外。
单量子比特门是一个（二阶）酉矩阵u，满足u†ui，作用在量子比特
||0|1上，相当于将|左乘上u，变换成|`u。
实际上，第一个酉矩阵u都对应着一个有效的量子门，即对于量子门来说 唯一的限制就酉性（unitary）。量子门的作用都是线性的。
在量子线路中，受控非（cnot）门是一个通用门，任意的多量子比特门都可以由cont门和单量子比特门复合而成。
（3）量子纠缠态
现代物理学发展表明，量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制。如果体系的波函数不能写成构成该体系的粒子的的波函数的乘积，则该体系的状态就出处在一个纠缠态，即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。如果两个粒子处在纠缠态上，不管它们离开有多么遥远，对其中一个粒子进行测量（作用），必然会同时影响到另外一个粒子。正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应，使得量子计算机可以实现量子平行算法，从而在许多问题上可以比经典计算机大大减少操作次数。2.量子计算机的优势
（1）体积
量子计算机是一类遵循物理系统的量子力学性质、规律进行高速数学和逻辑计算、存储及处理量子信息的物理设备。当某个设备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。在计算机的器件尺度方面，经典计算机要达到体积小、容量大和速度快的要求受到限制，而量子计算机遵循着独一无二的量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理的新模式。它以原子量子态作为记忆单元、开关电路和信息储存形式，组成量子计算机硬件的各种元件达到原于级尺寸，其体积不到现在同类元件的1%。对计算问题并行处理，量子计算机比起经典计算机有着速度上的绝对优势。
（2）速度
与经典计算机相比，量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上。我们已经知道，量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，例如一个很大的自然数的因子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。因此，用量子态代替经典态的量子并行计算，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能，同时节省了大量的运算资源。我国已经研制出４个量子位的演示用量子电脑，在世界上处于领先水平。据中科院院士郭光灿说，具有５０００个量子位的量子电脑，可在３０秒内解决传统超级计算机要１００亿年才能解决的大数因子分解问题，这种特性非一般人能够理解。
（3）计算与能量的关系
由热力学定律知，计算的另一个资源是能量。经典计算作为一种机械的过程与能量的消耗是有关联的。在现代的经典计算中，计算机消耗电能看似平常，亦很少有人研究经典计算与能量的关系。然而在量子计算当中，理论上计算是不消耗任何能量的。3.量子计算机的几种实现方案
1998年美国和英国的牛津大学小组已在实验室里制造出了最简单的量子计算机。这种计算机与以往的计算机不同，与我们现在办公桌上“庞大的”机器相比，它更象放在机器旁边的咖啡杯。我们现在还无法确定未来的量子计算机究竟是什么样的，目前科学家们提出了以下几种方案。
第一种方案，也就是前面提到的“咖啡杯”量子计算机是核磁共振计算机。我们可以用自旋向上或向下表示量子位的0和1两种状态，那么怎么实现自旋状态的控制非操作呢？在许多有机分子中，当其中一个原子的自旋处于不同状态时，另外一个原子的自旋翻转所需的能量或者说共振频率也不同。如果我们把其中一个原子的自旋状态当作控制位，另一个原子的自旋当作目标位，控制不同的共振频率，就可以实现控制非操作。而它之所以更象一个咖啡杯，是由于这些有机分子(例如氯仿)被溶解于另外的有机溶液里。这些有机溶液与氯仿几乎没有相互作用，从而保证了量子态和环境的较好隔离。
第二种方案是离子阱计算机。在这种计算机中，一系列自旋为的冷离子被禁锢在线性量子势阱里，组成一个相对稳定的绝热系统。与核磁共振计算机不同，这种量子计算机由激光来实现自旋翻转的控制非操作。由于在这种系统中，去相干效应在整个计算中几乎可以忽略，而且很容易在任意离子之间实现n位量子门。
第三种方案是硅基半导体量子计算机。在高纯度硅中掺杂自旋为的离子实现存储信息的量子位，由绝缘物质实现量子态的隔绝，硅基半导体量子计算机与经典计算机一样建立在半导体技术的发展基础上，因此有着巨大的诱惑力。此外还有线性光学方案，腔量子动力学方案等。
三、对信息安全的影响 1.对当前密码体制的挑战
量子计算机的快速计算与分析能力也给当今社会的信息安全体系带来很大的冲击。目前，针对密码破译的量子算法有以下两种：
一是由贝尔实验室的grover在1996年发明的grover算法。这是一种针对所有密码(包括对称密码)的通用的搜索破译算法，其计算复杂度为o(n)(相当于把密钥长度减少到原来的一半)。从破译的角度，虽然这种算法使现有的计算能力提高了数亿倍，但对于目前使用的绝大多数对称密码和公钥密码来说还没有受到致命威胁。二是由贝尔实验室的shor在1994年发明的shor算法。这是一种专用的搜索破译算法，其扩展算法能以多项式时间攻破所有的能够转换成广义离散傅立叶变换的公钥密码—— 包括目前广泛使用的rsa、dh 和ecc。由于量子并行运算的内在机制，即使我们不断增加这类密码的密钥长度，也只不过给破译工作增加了很小的代价。对于椭圆曲线离散对数问题，proos和zalka指出在nqubit的量子计算机上可以容易地求解k比特的椭圆曲线离散对数问题，例如，利用1448 qubit量子计算机可以破译256位的椭圆曲线密码。但shor算法不能用来破译其他类型的公钥密码。
现行的信用卡加密技术也面临着失效的危险。如今的安全措施可能需要现在的计算机花费数千年才能破解，但是量子计算机破解它们只需要几个小时，所有的安全措施都将成为一纸空文。
2.应对量子计算挑战的策略
一旦量子计算机进入实用，还有什么密码可用? 这是摆在我国面前的一个紧迫的重大战略问题。我们应该未雨绸缪，积极探求具有自主知识产权的抗量子计算密码算法，以应对量子计算的挑战、确保我国在量子计算环境下的信息安全。2006 年5 月，在比利时召开了“第一届抗量子密码学会议”（pqcrypto2006，post-quantum cryptography，意思是“量子时代到来之后的密码学”。2008 年10 月，在美国辛辛那提大学召开“第二届抗量子密码学会议”（pqcrypto 2008）。
从这两次国际会议来看，公钥密码应对量子计算机的挑战，还有以下三种基本对策：
（1）用量子密码替代公钥密码。其优点：安全性能在理论上保证绝对不可能用数学方法来破译。问题在于：建立量子密码系统需要昂贵的量子信道，量子密码也不具备数字签名的功能，如何建立网络信任体系值得探讨。
（2）用对称密码的签名取代公钥密码的签名，例如用hash 函数实现merkle 签名方案。其优点：其安全性等价求解单向函数的困难性，大大高于目前所有的公钥密码体制；与量子密码相比实现的代价很低。问题在于，这种签名采用一次一密体制，即产生一次签名就要用掉一个密钥，难以在开放环境下大量使用。（3）采用不能转换成离散傅立叶变换的数学难题来建立公钥密码体制。其优点：功能与现有公钥密码一致，能满足开放性的使用环境，成本低，具备工程实现的可行性。问题在于：其安全性不如前两种那么强，不排除将来有可能会发明出能破译这些密码的新的量子算法。
武汉大学的张老师认为可以采用量子密码、dna 密码等基于非数学难题的新型密码。这些极具潜力的新型密码的研究还处于初级阶段，有待我们深入系统地研究完善。他还指出，基于数学难题的、能够抗量子计算攻击的密码也能有效的抗量子计算，这种方案的哲学原理是: 哲学上，任何事物有优点，必然也有缺点。量子计算机有优势，必然也有劣势。有其擅长计算的问题，也有其不擅长计算的问题。基于量子计算机不擅长计算的数学问题构造密码，便可以抗量子计算的攻击。目前的研究表明：凡是能够转化为求解广义离散傅里叶变换的数学问题，量子计算机都擅长计算。量子计算机能够依据shor 算法对rsa、ecc 公钥密码和dh 密钥协商体制实施有效攻击，其原因就在于此。但是，量子计算机对诸如非线性方程组求解、格上的一些问题、背包问题、纠错码的一般译码问题等一些困难问题，都不擅长计算。于是，完全可以基于这些困难问题设计密码，而这些密码是抗量子计算的。
四、量子密码 1.基本原理
量子密码学的理论基础是量子力学，而以往密码学的理论基础是数学。与传统密码学不同，量子密码学利用物理学原理保护信息。首先想到将量子物理用于密码技术的是美国科学家威斯纳。威斯纳在“ 海森堡测不准原理”和“ 单量子不可复制定理”的基础上，逐渐建立了量子密码的概念。“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“ 单量子不可复制定理”是“ 海森堡测不准原理”的推论，它指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态。
威斯纳于1970 年提出，可利用单量子不可复制的原理制造不可伪造的“电子钞票”。由于这个设想的实现需要长时间保存单量子态，这是不太现实的，因此，“ 电子钞票” 的设想失败了。但是，单量子态虽然不好保存却可以用来传递信息，威斯纳的尝试为研究密码的科学家们提供了一种新的思路。
量子密码最基本的原理是“ 量子纠缠”，即一个特殊的晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子。被爱因斯坦称为“ 神秘的远距离活动”的量子纠缠，是指粒子间即使相距遥远也是相互联结的。大多数量子密码通信利用的都是光子的偏振特性，这一对纠缠的光子一般有两个不同的偏振方向，就像计算机语言里的“0”和“1”。根据量子力学原理，光子对中的光子的偏振方向是不确定的，只有当其中一个光子被测量或受到干扰，它才有明确的偏振方向，它代表“0”和“1”完全是随机的，但一旦它的偏振方向被确定，另外一个光子就被确定为与之相关的偏振方向。当两端的检测器使用相同的设定参数时，发送者和接收者就可以收到相同的偏振信息，也就是相同的随机数字串。另外，量子力学认为粒子的基本属性存在于整个组合状态中，所以由纠缠光子产生的密码只有通过发送器和接收器才能阅读。窃听者很容易被检测到，因为他们在偷走其中一个光子时不可避免地要扰乱整个系统。
当前，量子密码研究的核心内容是如何利用量子技术在量子通道上安全可靠地分配密钥。所谓“ 密钥”，在传统的密码术中就是指只有通信双方掌握的随机数字串。量子密钥分配的安全性由“ 海森堡测不准原理”及“ 单量子不可复制定理”保证。根据这两个原理，即使量子密码不幸被电脑黑客撷取，也因为测量过程中会改变量子状态，黑客得到的会是毫无意义的数据。
我们可以这样描绘科学家们关于“ 量子密码”的设想：由电磁能产生的量子（如光子）可以充当为密码解码的一次性使用的“钥匙”。每个量子代表" 比特含量的信息，量子的极化方式（波的运动方向）代表数字化信息的数码。量子一般能以四种方式极化，水平的和垂直的，而且互为一组；两条对角线的，也是互为一组。这样，每发送出一串量子，就代表一组数字化信息。而每次只送出一个量子，就可以有效地排除黑客窃取更多的解密“ 钥匙”的可能性。
假如现在有一个窃密黑客开始向“ 量子密码”动手了，我们可以看到这样一场有趣的游戏：窃密黑客必须先用接收设施从发射出的一连串量子中吸去一个量子。这时，发射密码的一方就会发现发射出的量子流出现了空格。于是，窃密黑客为了填补这个空格，不得不再发射一个量子。但是，由于量子密码是利用量子的极化方式编排密码的，根据量子力学原理，同时检测出量子的四种极化方式是完全不可能的，窃密黑客不得不根据自己的猜测随便填补一个量子，这个量子由于极化方式的不同很快就会被发现。
2.最可靠的密码通信技术
加密是保障信息安全的重要手段之一。在现有的各种密码中，没有哪种是解不开的。现在常用的标准加密方式是用一串随机数字对信息进行编码。比如，用数字串“5，1，19，20”来加密英文单词“east”（四个数字分别表示单词中四个字母在英文字母表中的位置）。这种加密方案有一个致命的缺陷：从数学上来讲，只要掌握了恰当的方法，任何密码都是可以被破译的。更糟糕的是，这种密码在被窃听破解时，不会留下任何痕迹，合法用户无法察觉，还会继续使用同一个地址储存重要信息，损失就会更大。
现在就是最安全的公钥密码系统，一旦遇上量子计算机，就形同虚设。须臾之间量子计算机便能破译这种密钥。要是用量子密钥来加密信息，那就连量子计算机也只能望“密”兴叹了。量子密码技术是一种截然不同的加密方法，是密码编制人员追求的最高境界。主要是利用两种不同状态的快速光脉冲（光子）来以无法破译的密码传输信息。任何想测算和破译密钥的人，都会因改变量子状态而得到无意义的信息，而信息合法接收者也可以从量子态的改变而知道密钥曾被截获过。单量子态有两个特殊的脾气，使它能“ 守口如瓶”：一是根据量子不可克隆原理，未知的量子态不能被精确复制，所以人们不能像复制钥匙一样复制量子态；二是由于量子不确定性原理，任何试图对它“ 不轨”的举动，都会毁坏套在信息上的量子密钥“ 信封”，使盗贼自暴形迹。从理论上来说，用量子密码加密的通信不可能被窃听，安全程度极高。
3.发展现状
2003年8 月，美国的科研人员研制出一种能探测到单脉冲光的探测器，它同时还能将误测或“ 漏测”率几乎减小到零。
2003 年11 月，日本总务省量子信息通信研究推进会提出了以新一代量子信息通信技术为对象的长期研究战略，计划在2020 年至2030 年间，建成绝对安全保密的高速量子信息通信网，以实现通信技术质的飞跃。
2003 年7 月，中国科技大学中科院量子信息重点实验室的科学家在该校成功铺设一条总长为3.2km 的“ 特殊光缆”，即一套基于量子密码的保密通信系统。2003年11 月，华东师大研制成功国内首台量子保密通信样机。
2006 年5 月，在比利时召开了“第二届抗量子密码学会议”。2008 年10 月，在美国辛辛那提大学召开“第二届抗量子密码学会议”（pqcrypto 2008）。
五、国内外研究动态
由于认识到量子计算的战略重要性，世界上好多国家投入了大量的人力财力地，众多研究机构深入到了这一领域，目前已经取得了许多可喜的成果。1.美国政府已在量子计算领域投入巨资并走在世界前列。首先是美国军方的高度重视。美国国防高级研究计划局（d a r p a）制定了一个“量子信息科学和技术发展规划”，2002 年12 月发表1.0 版，2004 年4 月发表2.0 版，其目标是：在2012 年前开发出各种复杂的量子技术，从核磁共振量子计算、离子陷阱量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算、固态量子计算、超导量子计算和“独特” 量子位（如液态氦上的电子等）量子计算等八个不同的技术方向上同时开展研究。
美国政府的其他部门也部署了相关计划：国家安全局（nsa）的arda5(advanced research and development activity)计划；美国科学基金会（nsf）的qubic(quantum and biologically inspired computing)计划；美国宇航局（nasa）的quantum computing technology group 计划；以及美国国家标准与技术研究院（nist）的physics laboratory quantum information计划等。
在2007 年以前，i b m 一直是量子计算领域的先锋企业。该公司2001 年率先研制成功7 位量子计算机，并完成了用s h o r 算法进行整数分解的试验。i b m 没有采用“绝热量子计算”的技术路线，其研制难度更大，但更接近于多用途密码破译量子计算机。
2.2007 年2 月，加拿大d-w a v e 公司成功研制出世界上第一台16 位商用量子计算机“orion”，同年11 月，宣布研制成功28 qubit 量子计算机系统。2008 年5 月，研制成功48 qubit 量子计算机系统，12 月19 日，研制成功128qubit 量子处理器。
3.欧盟在已完成的第五个框架计划中、以及正在进行的第六个框架计划中都有量子计算的项目。日本早在2000年10 月就开始了为期5 年的量子计算与信息计划。
4.我国科学家也在积极开展量子计算方面的研究工作，2004 年中国科技大学潘建伟等完成π 粒子量子系统纠缠态以及终端开放的量子隐态传输试验成吴楠等5 量子计算与量子计算机功。这是在国际上首次取得5粒子量子纠缠态的制备与操纵。
六、结束语
量子世界是一个神奇的世界，它的到来对我们来说既是机遇，又是挑战。目前，世界上各个国家，特别是各大经济科技强国，都认识到了发展量子计算技术的重要性，并把它提升到了国家战略层面。正是由于这个关系到国家重大利益的对抗性问题原因，上述计划正在紧锣密鼓地进行，但研究成果严格保密，不允许在公开的学术会议上发表。
因此，我们国家必须要独立自主地发展我们的量子技术，有长远计划,并把它提升到国家战略层面。由于历史等原因，我们没有很好地把握电子计算机时代的机遇。这又是一次机遇，我们国家一定要把握好，亲自迎接量子计算时代的到来，引领量子技术发展潮流，实现大国崛起。
参考文献
l n, isaac m computation and quantum information, london, published by cambridge university press in 2000.13502-00 2.张焕国，王后珍。抗量子计算密码体制研究，专题研究，2011年第05期，doi：10.3969 3.龙桂鲁，王川，李岩松，邓富国。量子安全直接通信，《中国科学：物理学 力学 天文学》，2011年第41卷，第4期：332~342.4.吴楠，宋方敏。量子计算与量子计算机，《计算机科学与探索》2007年1月，issn 1673-9418.5.管海明。国外量子计算机进展、对信息安全的挑战与对策，《计算机安全》，2009年4月。
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8.杨理。量子密码学的理论基础。中国科学院研究生院信息安全国家重点实验室。r introduction to quantum computing for palo alto laboratory and wolfgang computing surveys, vol.32, no.3, september, .300-335 10.王吉林，刘建设，陈培毅。《微纳电子技术》第46卷第6期，2009年6月。11.龙桂鲁。量子计算算法介绍。《物理》第39卷，2001看第12期。
量子信息技术论文篇三
科普 量子纠缠
量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论，但另一方面，它却和人类日常生活的经验如此格格不入。
如今，很多实验物理学家还在验证这一理论在80年前所做的基本假设。物理学家们依然还在为这个理论头疼不已。著名物理学家费曼就曾说：“我敢肯定，现在没有一个人能够懂得量子力学。”尽管已经走过百年历史，它还有无数的谜尚待解开。
微观与宏观，水火不兼容
物理学家常常会说“传统物理学认为如何如何，量子物理学则认为如何如何”或者“客观现实中如何如何，但量子世界里却如何如何”这样的“鬼话”。量子物理学家告诉我们，物质在被测量之前是不确定的。“不确定性”是量子世界的基本法则。“观测”是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。那么，神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢？在经典极限情况下，通过合理的近似，量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论。但如何描述这两个世界的交界面，成了量子论过不去的一个坎。直到现在，理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来。
“哥本哈根学派”认为，物质在被观测之前，是处于一种不确定的叠加态的。为了反驳这种观点，证实量子力学在宏观层面是不完整的，德国物理学家薛定谔设计出物理学史上最著名的动物：薛定谔的猫。
这是一个思想实验：不透明的箱子里装着一只猫，箱子中另外还有一个原子衰变装置，原子会随机发生衰变，一旦衰变发生，就会激发一系列连锁反应，最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫，反之猫则活。在打开箱子观测那一瞬间之前，原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态，只有当打开箱子的一刹那，猫的死活才确定下来。所以，在打开箱子之前，猫既是死的，又是活的。问题是，现实中的猫怎么可能是“既死又活”的呢？我们的常识中，猫要么是死的，要么是活的。量子论无法解释现实世界，这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点。
“薛定谔的猫”出现之后，物理和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素产生了一场大讨论：如果人的观测能决定猫的生死，那是否人的意识也会决定客观世界的走向呢？2
同一个世界，很多个宇宙？
“虽然我支持在无数个宇宙中存在着无数个sheldon的‘平行宇宙理论’，我还是像你保证，没有任何一个宇宙中的我会和你跳舞。”《生活大爆炸》中，“宅男”sheldon这么回复美女penny的邀舞请求。
为了解决与现实世界兼容的问题，无数物理学家尝试了各种理论，最著名的恐怕就是上世纪50年代兴起的“平行宇宙”(多世界理论)。
支持这个理论的科学家认为，“薛定谔的猫”实验中，箱子在被打开观测之前，与其说猫处于一种既死又活的状态，不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中猫是活的，有的“宇宙”中猫是死的。听起来是不是很奇怪？但这个理论的确成功避开了很多问题，将微观和宏观世界联系在了一起。
然而，即使到现在，这个理论依然如此前卫，令人无法理解。最近20年间，它才开始受到人们的关注，并成为量子力学的热门理论。霍金甚至将这一理论用到解释时空旅行中：因为平行宇宙的存在，时间线产生了分叉，出现了多重“历史”，人们因此可能可以进行时空旅行。这一解释也解决了此前人们在时空旅行中关于“杀死过去的我”的悖论。
现在，“多世界理论”演化出的“时空穿梭”已经成为很多科幻作品中的主题。但这个理论完全是严格遵循数学方程演化得来的结果，其前提认为所有“宇宙”都包容在同一个“时空”中，而这个“时空”是多维度的，霍金所提出的进行“时空旅行”的“虫洞”目前只存在于理论层面，还没有任何物理证据证明其真实存在。
量子纠缠，挑战光速
“量子纠缠”现象是说，一个粒子衰变成两个粒子，朝相反的两个方向飞去，同时会发生向左或向右的自旋。如果其中一个粒子发生“左旋”，则另一个必定发生“右旋”。两者保持总体守恒。也就是说，两个处于“纠缠态”的粒子，无论相隔多远，同时测量时都会“感知”对方的状态。那么，这两个粒子如何实现瞬间的沟通，这种感知是否是超光速的，这是否违背了相对论呢？
在量子力学中，微观物质很可能的确展现出和日常生活中的常识相悖的情况。“在物理世界中，某些定义的速度是可以超越真空光速的，但是到目前为止，还没有一个可以让人信服的实验结果支持‘物理信号可以超越真空光速’这一论断。”中科院量子信息重点实验室副主任周正威强调。
在现实世界中，不可能在人和石头之间建立某种感应，不经接触就令石头发生改变。但瞬间感应可能发生在量子世界中。爱因斯坦不满地将“量子纠缠”称为“遥远的鬼魅行为”。20世纪下半叶至今的各类实验中，不断有人证实各种超光速现象的出现。1982年，巴黎大学的物理学家证实，亚原子粒子在向相反方向发射后，在运动时依然可以彼此互通信息。2008年，日内瓦大学的物理学家再次进行类似实验。这次，两个相互感应的粒子距离超过17千米。奥地利科学家蔡林格(anton zeilinger)甚至在两个相距144千米的岛屿之间观测到光子的量子纠缠现象。
尽管如此，依然没人能让物理信号超越光速。
量子论不是
“绝对真理”
量子论是20世纪出现的最成功的理论，它和相对论成为现代物理学的两大基石，但这两个基石之间却互不包容，又都不完整。相对论很好地解释了时空扭曲等问题，改变了人类的时空观；量子论的各种假设虽然不断被实验所证实，它或许也能帮助人类理解宇宙为何凭空而生，但却始终没法解释量子世界和宏观世界的交界面上所发生的一切。
为了将量子论和相对论结合起来，理论界出现了如“量子引力”、“超弦”等更加复杂难懂的理论。可以肯定，如果将来出现一个能替代量子论的理论，它必定能首先解释，为什么现有的各种实验能够如此符合量子理论。
费曼曾说，“我们要记住，或许有一天量子理论会被证明是失败的，因为它和我们日常的生活经验、哲学是如此地不同。”
而理论物理学家曾谨言也在《物理》杂志所发表的《量子物理学百年回顾》一文中表达了他的看法：“迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性，但这只表明：它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理。量子力学并没有，也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。”
量子信息技术论文篇四
量子信息——新时代科技的推进器
现如今，量子信息已成为科学领域发展必不可少的要素之一，其实，在20世纪初量子就已经被发现并被人类所利用。在19世纪后期，在科学界出现了许多难题——很多物理现象无法用经典理论解释，包括在当时科学界讨论很激烈的黑体辐射问题（由于物体辐射的电磁波在各个波段是不同的，并且受物体自身特性和温度的影响，为了研究这种规律，科学家定义了黑体来作为热辐射研究的标准物体）。1900年，当普朗克研究黑体辐射时，提出了普朗克辐射定律，量子这一概念就此诞生。量子假设的提出终结了经典物理学的垄断地位，使物理学进入了微观时代，也就是现代物理学的诞生。而经过一个多世纪的发展，量子领域的一些假设仍然不是非常严密，还需在日后的研究中逐步完善，但这并不能否认量子在目前科学领域的领导地位。
量子，即某物质或物理量特性的最小单元，它以qubit为单位，而从中衍生的量子力学，量子力学中的量子通信已经成为当今科技发展的主要领域。
先讨论一下量子力学，上文提到过量子力学是描述微观物质的理论，与相对论紧密结合，成为现代物理学的支柱。它强调微观世界的不确定性以及客观规律，而其中最著名的预测便是量子纠缠态，即使两个粒子在空间上也许会相距很远，但是其中一个粒子会时刻随着另外一个粒子的改变而改变，因此，爱因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”，这种粒子的互相影响现象听起来似乎十分玄学，但是它的确是科学家在实际试验中获得的现象。例如，我国量子卫星“墨子号”成功实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，在全世界取得领先的地位。值得一提的是，21世纪兴起的量子计算机中的原理正源自于量子之间的纠缠，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。相对于传统计算机，量子计算机拥有其特殊的优越性，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，还做到了传统计算机几乎无法完成的工作。但迫于对微观量子态的操纵难度，量子计算机还没有真正意义上的创造出来，在未来几年的发展中量子计算机绝对是一个主要的研究趋向。在量子力学中，泡利不相容原理是一个拥有极大实际意义的原理，由于费米子（反对称状态粒子）的自旋数为半数，因此两个费米子无法占据同一状态，该原理又延伸到原子，电子领域——一个原子轨道上最多可容纳两个电子，而这两个电子的自旋方向必须相反，为元素周期表的解释奠定了坚实的基础。
再来看量子通信领域，量子通信作为一种新型的通信方式，也是基于量子的纠缠态理论，由于这种特殊的原理，使得这种通信方式变得高效、安全。在传统的信息传输过程中，也许会被某些不法分子在中途截获，不仅造成了信息的泄露，被截获后信息的准确度也会大大降低。于20世纪末，量子通信的雏形形成了，当时传送的仅仅是量子的状态，而信息本体并没有被传输。随着量子通信的不断发展，它拥有一套极难被破译的密码系统，这套密码系统抛弃了传统以数学为主体的方案，转而使用物理方式对其加密，而所谓的物理方式就是量子力学，该方案杜绝了信息在传输过程中被随意截取或更改的漏洞。而基于量子力学的密码所具有的随机性更是为信息的安全添加了一层保护伞，即使被截获，也因无法正确读取该密码而无法盗取信息。另外，由于两个粒子纠缠的特性，导致一个粒子被改变时另一粒子也随之改变。量子密码系统一般分为两种：非公开密钥（对称密钥）以及非对称密钥，非公开密钥就是加密密钥和解密密钥相同，例如一次一密，即用一次就作废。后者为公开的加密密钥和保密的解密密钥不同，从而使从公开密钥破解非公开密钥花费大量资源，理论上可以完成但实际上无法做出具有如此强大功能的计算机进行破密，因此实现了其安全性。
尽管量子力学已经对人类做出了杰出的贡献，但是量子力学的潜力远远没有挖掘出来，量子力学还有很多非常深刻的现象，能够超过我们现有技术的的性能。例如，正在从经典调控过渡的量子调控，虽然人类在经典调控方面已经做到非常高的精度，但是在量子世界中的量子调控还不是十分成熟。量子调控为根据量子力学原理，在量子态的层面对所研究的体系进行控制与改变。当我们控制电子时，可以控制它的电荷态，自旋态或是轨道状态，当两种状态耦合时，便会产生许多新的、未发现过的物质特性。当进行量子调控时，必须要明白量子态的三种特性——可叠加性，不可复制性，非局域性，这三种特性会给量子调控带来新的特性。而量子调控的对象，除了上文提到的电子，还有基于光子、声子等复杂体系的高级调控。对于量子调控的方法，就是广泛，综合的对各个领域同时调控，特别是对量子系统环境的调控技术。这些系统环境，包括马尔科夫和非马尔科夫环境，分别对粒子起着不同的作用。马尔科夫环境是指系统信息单向流入环境，而环境无法对其作出反馈，相反，非马尔科夫环境是指信息流到环境里去，在经历一系列的过程后，还可以恢复。因此对环境的调控就是要克服马尔科夫环境的负面影响，使其变成非马尔科夫环境，将该环境作为一个储存空间，将信息放入里面进行储存，之后需要的时候还可以取出。实际上，对于两种环境之间的调控，是控制它们的频谱，前者频谱较宽，后者较窄，当改变其频谱时，也就相当于改变了它们的性质。总的来说，量子调控也是非常重要的一个领域，在量子的发展中不可忽视。
不可否认的是，量子信息是通过量子的特性进行计算、编码和信息传输的全新信息方式，在当前的各个科研领域起到了至关重要的作用，正引领着一个新时代的的发展。
