量子通信与量子计算.ppt

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1、量子通信 与 量子计算,光信息科学与技术 0310190 李震光信息科学与技术 0310326 黄章超,量子信息学，是一门利用微观粒子的量子 力学原理来解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题的学科，因此量子信息学是量子力学和信息学的交叉科学。量子信息学最重要的两个应用方向是量子通信和量子计算。,一门新兴学科,量子信息学,量子信息学涉及的领域：1）物理学 量子态的描述，传输和控制 2）信息科学 量子信息的编码、传输、处理 量子计算机的组织、结构 量子通信设备的系统、结构3）数学 量子信息描述、运算,研究状况 1982年，Paul Bennooff提出量子计算机的假设1985年，D.Deuts

2、h构造了量子计算机模型1992年，提出量子信道传送经典信息的可能性1993年，SLloyd证明了二元量子逻辑门的通用性。,1993年，发表了量子测量、量子信息提取、量子信道、信道容量的开创性的研究成果。1994年 Peter shor提出量子快速分解算法1995年 Peter shor 提出量子纠错编码,量子信息,量子信息就是利用微观粒子状态表示的信息。量子信息的载体可以是任意两态的微观粒子系统。例如光子具有两个不同的线偏振态或椭圆偏振态；恒定磁场中原子核的自旋；具有二能级的原子、分子或离子；围绕单一原子旋转的电子的两个状态等。这些微观粒子构成的系统都是只有量子力学才能描述的微观系统。,用具有

3、两个电子层面的原子 来表示量子信息,在这个原子模型中，具有两个层面的电子即能稳定在“基本”状态。我们把这两种状态称为一个电子的两个极化状态，分别为|0和|1。这两个状态之间可以通过外界条件互相转化。当利用量子的某一状态表示信息时，我们就说信息量子化了，并称之为 量子信息,通过将信息量子化，就可以进行量子通讯。,量子通讯是利用光的偏振对数据进行编码。在一个方向上的偏振视为0，而另一个视为1。常用的有两种偏振方式：,直线型,和,对角型,为了接收正确的信息，必须测量光子并使用正确的滤光器偏振方向。例如，和信息传送的偏振方向相同。如果一个接收器是处于直线型的偏振方向，那么就会发射出对角偏振的光子，然后

4、一个完全随机的结果就会出现在接收器上。使用这种方法，特性信息能够发送而使窃听者无法不被发现地偷听。这就涉及到,量子密码术,加密是保障信息安全的重要手段之一。当前最常用的加密技术是用复杂的数学算法来改变原始信息。这种方法虽然安全性较高，但存在被破译的可能，并非绝对可靠。而量子密码术是一种截然不同的加密方法，主要利用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。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。,量子密码的安全性在理论上可由,1。海森堡测不准原理2。量子不可复制定理,“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，它表明，在同

5、一时刻以相同的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，它表明，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。,根据这两条定理，任何窃听者的存在都会被发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全。,量子密码术是密码术与量子力学结合的产物，它利用了系统所具有的量子性质。首先想到将量子物理用于密码术的是美国科学家威斯纳。威斯纳于1970年提出，可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，不太现实。贝内特和布拉萨德在研

6、究中发现，单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。1984年，贝内特和布拉萨德提出了第一个量子密码术方案，称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。,1992年，贝内特又提出一种更简单，但效率减半的方案，即B92方案：,量子密码术并不用于传输密文，而是用于建立、传输密码本。,最初的量子密码通信利用的都是 光子的偏振特性，目前主流的实验方案则用 光子的相位特性 进行编码。目前，在量子密码术 实验研究上进展最快的国家为英 国、瑞士和美国。,英国国防研究部于1993年首先在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发，光纤传输长度为10公里。这项研究后来转到英国通讯实验室进行，到1995年

7、，经多方改进，在30公里长的光纤传输中成功实现了量子密钥分发。与偏振编码相比，相位编码的好处是对光的偏振态要求不那么苛刻。,在长距离的光纤传输中，光的偏振性会退化，造成误码率的增加。,瑞士日内瓦大学1993年基于BB84方案的偏振编码方案，在11公里长的光纤中传输13微米波长的光子，误码率仅为054，并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长民用光通信光缆中进行了实地表演，误码率为34。1997年，他们利用法拉第镜消除了光纤中的双折射等影响因素，使得系统的稳定性和使用的方便性大大提高，被称为“即插即用”的量子密码方案。,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室以B92方案成功地在长达48公里的地下光缆中传送

8、量子密钥，创造了目前光纤中量子密码通信距离的新纪录。,量子计算机,自第一台电子计算机问世以来，构想能够超越传统所谓图灵机的计算模型，便是许多科学家努力的梦想。第一位提出此概念的是美国阿冈国家实验室的Paul Benioff，认为利用量子物理的二能态系统模拟数位0与1，可以设计出更有效能的计算工具。此概念稍后又经Feynman的引深，使得有更多的物理学家注意到量子力学与计算科学之间的关联。直到1985年，在英国牛津的物理学家David Deutsch发表的一篇论文，量子图灵机才正式开始具有数学形式。,量子并行计算的能力来自于 量子态的可叠加性，是量子信息理论应用的一个重要分支。量子计算机对每一个

9、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，最终给出量子计算机 的输出结果，以这种方式实现的信息处理叫量子并 行处理。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很难完成的工作。,问题的计算时间若以计算项数幂次上升的计算量完成，我们称此问题为P-问题（P 为英文多项式Polynomial 的第一字母），包含所有此类问题的集合以 P 表示。NP 是英文 nondeterministic polynomial 的缩写，意思就是（时间）非确定性的多项式。,经典计算中存在着一大类NP 问题。这类 问题在经典计算机上是不能计算的，

10、但是量子计算可以把其中的一部分NP 问题变成 P 问题，即问题的复杂度随着比特位数的增长 以多项式数量级上升。这类问题原则上是可 以计算的。一个具体的例子就是大因数分解，按经 典计算复杂性理论，这个问题不存在有效算 法，所以被利用来进行经典密钥分配。但是 如果用量子计算机结合Shor 量子算法，这个 问题就变成了P 问题。,例如，为了对一个400 位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时 上百亿年 这几乎等于宇宙的整个寿命；而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机只需要大约 一分钟,Shor 量子算法,1994 年Shor 等人提出了一种大因数分解的量子多项式算法，引起了轰动。Shor

11、算法的核心是 1。利用数论中的一些定理，将大数因子分解转化为求某个函数的周期。2。通过对储存器中的纠缠态实施“量子傅立叶变换”，从而完成经典计算机无法完成的大数因子分解。,原子和光腔相互作用 冷阱束缚离子 电子或核自旋共振 量子点操纵 超导量子干涉,在量子算法不断创新完善同时，量子计算机的物理实现（主要为量子逻辑门的构造）也在探索当中，目前已经提出的方案主要利用了:,现在还很难说哪一种方案更有前景，其中 量子点方案 与 超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。,1）量子通信（量子信息论）还处在萌芽状态，正如刚刚发明无线电的18世纪，和刚发明电子计算机的20世纪中叶。还有很多课题和理论有待研究解决。2）量子通信与量子计算机是一个综合学科，它已大大超出了电子学与经典信息论的范畴，需要物理学、量子力学等基础学科的研究合作，才能推动它的不断成熟。,发展前景：,4）量子通信、量子计算机必然走向成熟，到那时，电子信息技术又将进入一个 崭新的时代！,3）任何一个新学科诞生之初都会遇到很 多困难，无线电、半导体、电子计算机均 是如此。如电子计算机诞生之初的错误积 累，误码与目前量子计算机遇到的困难有 类似之处。,The end,谢谢大家！,