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量子信息

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量子信息是以量子力学基本原理为基础，把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式[1]。

量子資訊最常見的單位是為量子位元（qubit）——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。然而不同於古典數位狀態（其為離散），一個二狀態量子系統實際上可以在任何時間為兩個狀態的疊加態，這兩狀態也可以是本徵態。

基础

参见：量子力学和量子力學入門

重大发现

主条目：量子資訊科學

1927年，海森堡发现在测量粒子动量和位置的时候会导致h/4π的误差（两者误差相乘）。测量时位置的误差越小，动量的误差就会变得相当大。而h/4π就是这个误差的下限（也就是说两者误差的乘积大于等于h/4π）。这一结论最终被称作不确定性原理。

1935年，阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論，客观上揭示了量子纠缠现象。

1984年，查尔斯·貝內特（Charles Bennett）與吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）提出一种量子密码分发协议，后被称为BB84协议[2]。

1994年，數學家彼得·秀爾發現針對整數分解的秀爾演算法（Shor算法）。2001年，IBM使用NMR實做的量子計算機以及7個量子位元展示了秀爾演算法的實例，將15分解成3×5[3]。

相干特性

主条目：量子相干性和量子纠缠
EPR实验假設一個零自旋中性π介子衰變成一個電子與一個正電子，這兩個衰變產物各自朝著相反方向移動，雖然彼此之間相隔一段距離，它們仍舊會發生量子糾纏現象。

由于量子相干性，量子比特在测量过程中会表现出与经典情况完全不同的行为[4]。测量仪器与被测系统的相互作用会引起所谓的波包塌缩。这时相干性将被彻底破坏，即发生了所谓的量子退相干[5]。量子纠缠是多比特系统特有的量子性质。两个比特的量子系统不仅有经典系统中的4种不同的状态，并且可以处在非平凡的双粒子相干叠加态（量子纠缠态）上，这构成了量子通讯的物理基础[1]。

领域

量子通信

主条目：量子密碼學和量子隱形傳態

美国在2005年建成了DARPA量子网络[6][7]，连接美国BBN公司、哈佛大学和波士顿大学3个节点。中国在2008年研制了20km级的3方量子电话网络[8][9][10]。2009年构建了一个4节点全通型量子通信网络[11]，大大提高了安全通信的距离和密钥产生速率，同时保证了绝对安全性[12][13][14][15]。同年，“金融信息量子通信验证网”在北京正式开通，是世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。2014年中国远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录[16]。2016年8月16日，中国发射一颗量子科學實驗衛星「墨子號」，連接地面光纖量子通信網絡[17][18]，并力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通信网。

量子计算

主条目：量子计算

量子计算机由包含有导线和基本量子门的量子线路构成，导线用于传递量子信息，量子门用于操作量子信息[19]。

2015年5月，IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破，開發出四量子位原型電路（Four Quantum Bit Circuit），成為未來10年量子電腦基礎。另外一項是，可以同時發現兩項量子的錯誤型態，分別為Bit-Flip（位元翻轉）與Phase-Flip（相位翻轉），不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態，使量子電腦運作更為穩定。[20]2016年8月，美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子位元组成的可编程量子计算机[21][22]。

量子雷达

主条目：量子雷达

量子雷达属于一种新概念雷达，是将量子信息技术引入经典雷达探测领域，提升雷达的综合性能[23]。量子雷达具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特点，未来可进一步应用于导弹防御和空间探测，具有极其广阔的应用前景[24]。根据利用量子现象和光子发射机制的不同，量子雷达主要可以分为三个类别：一是量子雷达发射非纠缠的量子态电磁波；二是量子雷达发射纠缠的量子态电磁波；三是雷达发射经典态的电磁波[25]。2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2013年義大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測，證明其有實戰價值的可能性[26]。中国首部基于单光子检测的量子雷达系统由中国电科14所研制，中国科学技术大学、 中国电科27所以及南京大学协作完成[27]。不过专家表示，量子雷达想要实现工程化可能还有比较漫长的路要走[28]。

量子博弈

量子博弈（英语：Quantum game theory）是Eisert等人在1999年提出的，游戏者可以利用量子规律摆脱所谓的囚徒困境[1]，防止某一玩家因背叛而获利[29]。

参考来源

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 量子信息简介 (PDF). 中国科学院物理研究所. [2016-09-27]. （原始内容 (PDF)存档于2016-10-01）. 
  2. ^ C. H. Bennett and G. Brassard. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing (PDF). In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, (紐約). 1984, 175: 8 [2016-08-22]. （原始内容 (PDF)存档于2016-03-04）. 
  3. ^ Vandersypen, Lieven M. K.; Steffen, Matthias; Breyta, Gregory; Yannoni, Costantino S.; Sherwood, Mark H. & Chuang, Isaac L., Experimental realization of Shor's量子factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, Nature, 2001, 414 (6866): 883–887, doi:10.1038/414883a .
  4. ^ O'Connell, A. D.; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D. & Wang, H. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature. 2010, 464 (7289): 697–703. Bibcode:2010Natur.464..697O. PMID 20237473. doi:10.1038/nature08967. 
  5. ^ Maximilian A. Schlosshauer. Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition. Springer Science & Business Media. 1 January 2007. ISBN 978-3-540-35773-5. 
  6. ^ （英文）C. Elliott, “Building the quantum network”, New J. Phys. 4, 46 (2002).
  7. ^ （英文）C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J.Schlafer, and H. Yeh, Current status of the DARPA Quantum Network, Quantum Information and Computation III, E. J. Donkor, A. R. Pirich, and H. E. Brandt, eds., Proc. SPIE 5815, 138--149 (2005).
  8. ^ T.-Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, W.-Q. Cai, L. Ju, W.-Y. Liu, J. Wang, H. Yin, K. Chen, Z.-B. Chen, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, “Field test of a practical secure communication network with decoy-state quantum cryptography”, Opt. Exp. 17, 6540-6549 (2009). [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆） 于2010年4月1日查阅
  9. ^ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
  10. ^ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
  11. ^ 潘建伟科研团队。[2] （页面存档备份，存于互联网档案馆）于2010年4月1日查阅
  12. ^ （英文）W.-Y. Hwang, “Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication”, Phys. Rev. Lett. 91, 057901 (2003).
  13. ^ （英文）X.-B. Wang, “Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography”, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
  14. ^ （英文）H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, “Decoy state quantum key distribution”, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
  15. ^ 世界首个全通型量子通信网络落户中科大。《科技日报》，存档副本. [2016-06-27]. （原始内容存档于2010-04-14）.  于2010年4月1日查阅
  16. ^ 中国量子密钥分发安全距离创纪录. [2016-08-22]. （原始内容存档于2014-11-29）. 
  17. ^ 世界第一個量子衛星！中國7月首射掀起通訊新革命. ETtoday 新聞雲. 2016年5月26日 [2016-06-27]. （原始内容存档于2016-06-25）. 
  18. ^ 我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”. 2016-08-16 [2016-08-16]. （原始内容存档于2016-08-15）. 
  19. ^ 郭光灿.量子信息概论 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  20. ^ [3] （页面存档备份，存于互联网档案馆），iThome新聞，2015年5月1日
  21. ^ 全球首台可编程量子计算机在美国诞生. 搜狐新聞. [2016-08-05]. （原始内容存档于2017-03-05）. 
  22. ^ Debnath, S.; Linke, N. M.; Figgatt, C.; Landsman, K. A.; Wright, K.; Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 2016-08-04, 536: 63–66 [2016-08-22]. doi:10.1038/nature18648. （原始内容存档于2019-07-01） （英语）. 
  23. ^ 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 腾讯新闻. 观察者网. 2016-09-07 [2016-09-27]. （原始内容存档于2020-04-02）. 
  24. ^ 张文. 中国量子雷达研发获突破 隐身战机“克星”将至. 中国新闻网. 解放军报. 2016年9月22日 [2016-09-27]. （原始内容存档于2020-04-02）. 
  25. ^ 铁流. 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 观察者. 2016-09-07 [2016-09-27]. （原始内容存档于2020-08-11）. 
  26. ^ 鳳凰衛視-神秘量子雷達. [2016-09-27]. （原始内容存档于2019-05-02）. 
  27. ^ 贾婧. 中国研制成功首部量子雷达. 科学网. 科技日报. 2016-09-14 [2016-09-27]. （原始内容存档于2020-12-01）. 
  28. ^ 专家：量子雷达还不成熟 对付F35要靠现有装备. 凤凰军事. 环球时报. 2016年9月25日 [2016-09-27]. （原始内容存档于2020-04-02）. 
  29. ^ Simon C. Benjamin and Patrick M. Hayden, Multiplayer quantum games, Physical Review A, 13 August 2001, 64 (3): 030301, Bibcode:2001PhRvA..64c0301B, arXiv:quant-ph/0007038 可免费查阅, doi:10.1103/PhysRevA.64.030301 , arXiv:quant-ph/0007038 （页面存档备份，存于互联网档案馆）

參考文獻

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  • Dirk Bouwmeester: The physics of quantum information – quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-66778-4
  • Dieter Heiss: Fundamentals of quantum information – quantum computation, communication, decoherence and all that. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43367-8
  • Dagmar Bruss, Gerd Leuchs: Lectures on quantum information. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-40527-5
  • Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с. （俄文）
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  • Холево А. С. Введение в квантовую теорию информации. М.: МЦНМО, 2002. 128 с. ISBN 5-94057-017-8 （俄文）
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延伸阅读

参见

外部連接

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