量子信息学简介，本文主要内容关键词为：量子论文,信息学论文,简介论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
当今社会正步入一个信息高度发达的时代，人们希望信息能够更加快速地传递、处理以及希望出现更大容量的信息存储器件。微电子技术的迅速发展在提高电子计算机集成上起到了举足轻重的作用，为现代社会的信息化打下了坚实的物质基础，但是随着集成程度的增加、随着人们对信息的高标准的要求，新的信息传输、处理等问题又摆在了科学家的面前。比如：从制造工艺来说，微处理器已经从微米量级进入到纳米量级，此时器件的量子效应开始起主导作用，经典物理的二进制信息存储方式肯定将不再适用；从制造成本来说，制造新一代集成电路芯片所需的设备成本投入每隔3年就按2的指数因子进行增长，生产成本投入将从1992年的1亿美元增大到2010年的50亿美元，即使全世界的半导体产业联合，也无法负担这么快的资金投入。目前的信息存储和电子计算机的发展陷入了前所未有的困境中；不仅如此，人们开始关注有没有一种通信方式使得通讯能够真正做到保密？电子计算机是否存在极限运算速度？从理论上讲这些困惑或者思考对物理学乃至整个经典信息学的发展和完善都是有利的，从适用角度来说更是值得期待的。最近几年，科学家们致力于回答和解决这些问题，他们设想利用微观粒子作为信息的载体，制造出利用量子力学效应工作的量子器件，在量子力学的理论基础上研究信息的行为，将量子理论和信息科学结合起来，期望能够澄清目前大众关心的问题，也希望能发展一种新的计算机——量子计算机。科学家们在不断的研究中孕育出量子信息学这门新的交叉学科。本文将对量子信息学作简单介绍。
一、量子信息学有关概念
量子代表了人类认识微观世界的核心观念，它不仅是微观实物粒子存在的基本形式，而且描述了波与场所具有的粒子性特征。以量子力学为中心的现代量子理论，完整地描述了微观世界的量子行为。在应用上，它导致了激光、半导体和核能技术的建立，深刻地影响了当代人类社会的生产力。
信息科学是20世纪科学发展中另一伟大的革命，它的研究对象不是具体的消息，而是各种不同形式的消息抽象后的“信息”（就是指用来消除不确定性的东西。“不确定性”与“可能性”是相互关联的。可能性的大小表示事物出现或者发生的“概率”的大小。可见，可以用概率来度量信息）。信息科学的研究目标是提高信息系统的可靠性、有效性、保密性和认证性，确保信息系统的最优化。
量子力学和信息科学的交汇促成了量子信息科学的诞生。量子力学和信息科学之间的联系之所以能够得以建立，主要是因为人们发现一些量子系统的特性可以在现实中加以利用，如“量子测量将不可避免地引起量子系统的扰动”的特性可以被运用到密码学中等。量子信息学的研究对象主要包括量子通信技术、量子密码技术、量子计算技术以及量子器件的研发。量子信息学为信息科学提供了可持续性的发展，为科学技术提供了新的原理和方法。
二、量子信息
量子信息用微观粒子作为载体，而微观粒子的行为服从量子力学，其物理量要服从统计的规律，没有确定的量值，描述其行为必须用“态空间”中的“算符”。通常情况下，一个物理量（算符）有多个量值（其状态有多个“量子态”），我们也没有办法知道到底处在哪个值（哪个“量子态”），如果测量我们只能得到处于某个值的概率。也就是说物理量的值是不确定的，相比经典物理量这是很奇妙的。人们把这些区别于经典粒子所具有的神奇属性统称为量子态特性。这些特性包括量子的“波粒二象性”、量子态叠加性、量子态纠缠、量子态不可克隆等所谓的量子相干的特性。而量子信息就是指：以量子力学基本原理为基础、通过量子系统的各种相干特性，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。
1.两大发现
以微观粒子作为信息载体，实现信息的传输和存储。科学家们的研究不断爆出惊人的结果，完全超出了经典信息学和量子力学两个奠基学科本身所能包含的全新概念，人们对未来的信息发展信心百倍。其中两个最惊人、最不可思议的发现就是：①量子信息用qubit来定量化，且遵从量子力学的规则进行存储、处理和传输。科学家们可以洞察到宏观世界根本无法实现的信息的瞬间传输等科学技术；②将经典信息0和1直接映射到量子态上，依照量子状态的特性对信息进行存储、传输和处理。发现出现了基于经典信息理论认为不可能的信息机能，比如信道容量的超加法性等。两大发现为提高计算机处理信息的速度、增加信息的存储容量、确保信息安全传输、实现不可破译的保密通讯奠定了理论基础。
2.量子信息的特点
量子信息的载体可以是具有任意两态的微观粒子：例如，光子具有两个不同线偏振态或者椭圆偏振态，原子核的自旋，具有二能级的原子、分子或者离子等。有趣的现象是通过实验手段我们可以使微观粒子在从一状态（比如0态）向另一状态（比如1态）的改变过程中定位在这两个状态中的任意中间状态（非0非1或既0且1状态），这是经典信息绝对不可能的。在经典信息处理过程中，刻画信息的二进制经典比特(bit)由经典状态（如电压的高低）1和0表示。对于量子信息而言，由于微观世界中量子效应会鲜明地凸现出来，经典比特状态的1和0必须由两个量子态11＞和10＞来取代；处于这样两种不同的状态之上的粒子就是量子信息的基本存储单元—量子比特(qubit)。与经典比特本质不同，一个量子比特可以处在10＞和11＞的相干叠加态|u＞=a10＞+b|1＞上，正因为如此，一个qubit可以同时存储2个数（a和b），N个qubit可以同时存储
个数，存储能力大大提升。在量子信息和经典信息中N bits都可以表示0，1，2，…，N-1，…，中的数，但是在某一时刻，经典计算机只能表示其中的一个，而量子计算机可以同时表示所有的数的线性叠加。在相同比特位数下，量子信息记录信息的容量是目前经典信息的倍。用300qubit就能存储比已知宇宙中所有原子的总数还要多的数字。
三、量子信息学研究内容
事实上，目前使用的经典计算机也是量子力学的产物，它的器件也利用了诸如量子隧道现象等量子效应。但仅仅应用量子器件的信息技术，并不等于是现在所说的量子信息。目前的量子信息主要是基于量子力学的相干特征，重构密码、计算和通讯的基本原理。我们将对量子信息学目前存在的研究方向作简单介绍。
1.量子纠缠的研究
量子态的叠加性来源于“波粒二象性”中波动的“相干叠加性”（一个以上的信息状态累加在同一个微观粒子上的现象）；量子纠缠指的是两个或者多个量子体系间的非定域、非经典的关联，是量子体系内子体系或者各个自由度间关联的力学属性。量子纠缠是实现信息高速的不可破译通信的理论基础。两个比特的量子系统有4种不同的状态，即两个比特都在10＞上的状态|0,0＞，两个比特都在|1,0＞上的状态|1,1＞，第一个比特在10＞上同时第二个比特在11＞上的状态|0,1＞以及第一个比特在|1＞上同时第二个比特在|0＞上的状态|1,0＞，这一点与两个比特经典系统的情况一样。不同的是，2比特量子系统可以处在非平凡的双粒子相干叠加态——量子纠缠态上，如
，其非平凡性表现在它不能够分解为单个相干叠加态的乘积，从而呈现出比单比特更丰富的、更奇妙的量子力学特性：一旦两量子子体系的状态（比如两光子的极化态）构成纠缠态，则不管后来这两个量子子系统间的距离被分隔多远，且它们之间可能不再有力学上的交互作用，但只要仍保持在纠缠态，它们之间超强的量子关联就不会改变。目前实验上所实现的信息的瞬时传递就是基于量子纠缠态超空间的关联。
量子纠缠已经成为实现量子信息必不可少的资源。但是由于量子纠缠极其脆弱，一旦和环境耦合就可能被减少关联度甚至被完全破坏，所以科学家们正致力于寻找合适的体系来制备具有高抗干扰能力的纠缠态。
2.量子加密和量子通讯
所谓量子加密和量子通讯就是利用量子纠缠效应进行信息加密、传递的一种新型的加密和通讯方式。通讯系统整体由量子态产生器、量子通道和量子接收设备构成，可以说是光纤通讯的一种，只是信息通道是利用光的量子特性，让一个个光子传输0和1的信息。按照所传输的信息是经典的还是量子的，量子通讯技术可以分为两类：①量子密钥的传输，开发无法破译的密码；②量子态瞬间传输（一种难以置信但在量子世界中确实可行的瞬间远距离信息传输技术）。
(1)量子加密
目前的加密设备，通常是用一个较大的整数作为公用密钥，它没有被窃取的可能，破解的关键在于求一个很大整数的质因数。比如：一个400位的整数要求得其质因数，最快的计算机大概要花数十亿年。因而这样的安全机制被认为是无法破解的。但是以量子力学原理为基础的“Shor大数因子化”的量子算法能够在很短的时间内找出超大整数的质因数。换句话说：如果人们能够在实际中实现“Shor大数因子化”的量子算法，现用的保密体制完成的任何加密就会被解密。因此，量子计算会对由传统密码体系保护的信息安全构成致命的打击，对现有保密通讯提出了严峻挑战。要预防这种打击，必须采取量子的方式加密。量子密码体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道在合法的用户之间传送密钥。量子密码的安全性由量子力学原理所保证。窃取者要窃取信息无非是采取两种方法：①测量携带信息的微观粒子的量子态。但是量子力学表明任何观测都会立刻改变系统的状态，因此，任何窃听者都会被发现，从而保证解码本的绝对安全，也就保证了信息加密的安全；②不直接测量，但是去复制微观粒子的量子态。然而量子态的不可克隆原理告诉我们，任何物理上允许的量子复制装置都不可能克隆出与输入态完全一样的量子态来。这一重要的量子物理效应，确保了窃听者不会完整地复制出传送信息的量子态，也就无法知道其携带的信息。
目前人们正致力于实验上的实现，尽管不断取得突破，但有效地制备和操作实用的量子密码，还是相当困难的。
(2)量子通讯
量子信息最奇妙的应用是量子瞬时传输，即脱离实物的一种实物信息传输。其基本思想是：将某物体待传递量子态的信息分成经典和量子两个部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而提取的，量子信息是发送者在测量中未提取的大量信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原来量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是该物体的量子态，而不是该物体本身。发送者甚至可以对这个待传量子态的信息一无所知，而接收者则能将他持有的粒子处于原物体的量子态上。其中最关键的是量子信息的传输，发送者甚至对这部分量子信息一无所知，量子信息的传输必须借助一对纠缠光子态，通过将其中的一个光子制备到原物体的量子态上来提取原物体的信息，并非由发送者传输给接收者，从而保证信息的完整性。
为了进行远距离的量子态传输，必须让相距很远的传输和接收体系一直处于纠缠状态。但是由于不可避免的环境噪声，使量子纠缠性随距离的增加越来越差。因此如何克服量子纠缠的削减是量子通讯中的迫切需要解决的问题。
3.量子计算
量子计算就是利用量子态进行信息处理的方法，其设备称为量子计算机。基于经典比特的非0即1的确定特征，经典算法是通过经典计算机（或经典图灵机）的内部逻辑电路加以实现的。而量子计算，则是基于量子比特的既10＞又1＞相干叠加特征，对可由量子叠加态描述的输入信号，根据量子的算法要求进行叫做“量子逻辑门操作”的幺正变换。量子逻辑门不仅可以将10＞和|1＞的态交换，还可以将|0＞和|1＞变为它们的任意叠加态。
量子计算最主要的优点就是量子并行性。前面已经提到1个qubit可以存储2个数，2个qubit就可以存储4个数字；换句话说描述1个qubit就要2个经典数字，描述n个qubit的量子计算机就需要
个数字。例如，如果n等于50，那就需要大约1015个数来描述量子计算机的所有可能状态。虽然n增大时所有可能状态的数目将迅速变成一个很大的集合，但由于态叠加原理（一个以上的信息状态累加在同一个微观粒子上的现象），量子计算机操作——幺正变换能够对处于叠加态的所有分量同时进行，这就是所谓的量子并行性。由于这一奇妙的内禀并行性，一台量子计算机仅仅靠一个处理器就能够很自然地同时进行非常多的运算。举个简单例子：比如十进制数字10与5，如果用qubit来表示则可写成：
，取它们的叠加态就得如下的表示，
。针对它们的叠加态可以利用量子算法同时处理十进制数的10与5。显然状态的各个量子位是纠缠的，可以对这个叠加态实施各种运算，其结果如同同时对10和5进行计算，最后通过测量即可分别获得10和5的计算结果，实现两个数物理上的并行计算。一台32个qubit的计算机，其能力相当于40亿台经典计算机作平行计算。如果求一个400位整数的质因数，量子计算机只需要几分钟的时间。
在量子计算中，因为qubit是原子或者其他微观粒子所构成，很容易受到外部环境的干扰，导致量子态之间关联的缺失，从而导致计算错误。因此要实现量子计算必须克服量子态之间关联的缺失即相干性的消失，我们称之为消相干。目前在实验上是个难题。
四、结束语
量子信息学是一门新兴的交叉学科，涉及物理、计算机、数学等基础学科，这些学科的结合，不仅充分显示了学科交叉的重要性，而且量子信息的最终物理实现，会导致信息科学观念和模式的重大变革；同时量子信息的研究也会给物理、计算机、数学等学科提供更广阔的发展机遇。
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