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量子資訊

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量子資訊是以量子力學基本原理為基礎，把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊，進行計算、編碼和資訊傳輸的全新資訊方式[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。

基礎

參見：量子力學和量子力學入門

重大發現

主條目：量子資訊學

1927年，海森堡發現在測量粒子動量和位置的時候會導致h/4π的誤差（兩者誤差相乘）。測量時位置的誤差越小，動量的誤差就會變得相當大。而h/4π就是這個誤差的下限（也就是說兩者誤差的乘積大於等於h/4π）。這一結論最終被稱作不確定性原理。

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，客觀上揭示了量子糾纏現象。

1984年，查爾斯·貝內特（Charles Bennett）與吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）提出一種量子密分碼發協定，後被稱為BB84協定[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演算法）。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

主條目：量子相干性和量子糾纏
EPR實驗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。

由於量子相干性，量子位元在測量過程中會表現出與經典情況完全不同的行為[4]。測量儀器與被測系統的相互作用會引起所謂的波包塌縮。這時相干性將被徹底破壞，即發生了所謂的量子退相干[5]。量子糾纏是多位元系統特有的量子性質。兩個位元的量子系統不僅有經典系統中的4種不同的狀態，並且可以處在非平凡的雙粒子相干疊加態（量子糾纏態）上，這構成了量子通訊的物理基礎[1]。

領域

量子通訊

主條目：量子密碼學和量子隱形傳態

美國在2005年建成了DARPA量子網路絡[6][7]，連接美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學3個節點。中國在2008年研製了20km級的3方量子電話網路[8][9][10]。2009年構建了一個4節點全通型量子通訊網路[11]，大大提高了安全通訊的距離和金鑰產生速率，同時保證了絕對安全性[12][13][14][15]。同年，「金融資訊量子通訊驗證網」在北京正式開通，是世界上首次將量子通訊技術應用於金融資訊安全傳輸。2014年中國遠端量子金鑰分發系統的安全距離擴充至200公里，重新整理世界紀錄[16]。2016年8月16日，中國發射一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，連接地面光纖量子通訊網路[17][18]，並力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通訊網。

量子計算

主條目：量子計算

量子電腦由包含有導線和基本量子門的量子線路構成，導線用於傳遞量子資訊，量子門用於操作量子資訊[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，美國馬里蘭大學學院市分校發明世界上第一台由5量子位元組成的可程式化量子電腦[21][22]。

量子雷達

主條目：量子雷達

量子雷達屬於一種新概念雷達，是將量子資訊科技引入經典雷達探測領域，提升雷達的綜合效能[23]。量子雷達具有探測距離遠、可辨識和分辨隱身平台及武器系統等突出特點，未來可進一步應用於飛彈防禦和空間探測，具有極其廣闊的應用前景[24]。根據利用量子現象和光子發射機制的不同，量子雷達主要可以分為三個類別：一是量子雷達發射非糾纏的量子態電磁波；二是量子雷達發射糾纏的量子態電磁波；三是雷達發射經典態的電磁波[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]。中國首部基於單光子檢測的量子雷達系統由中國電科14所研製，中國科學技術大學、 中國電科27所以及南京大學協同運作完成[27]。不過專家表示，量子雷達想要實現工程化可能還有比較漫長的路要走[28]。

量子博弈

量子博弈（英語：Quantum game theory）是Eisert等人在1999年提出的，遊戲者可以利用量子規律擺脫所謂的囚徒困境[1]，防止某一玩家因背叛而獲利[29]。

參考來源

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 量子信息简介 (PDF). 中國科學院物理研究所. [2016-09-27]. （原始內容 (PDF)存檔於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]. （原始內容 (PDF)存檔於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] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 於2010年4月1日查閱
  9. ^ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
  10. ^ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
  11. ^ 潘建偉科研團隊。[2] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）於2010年4月1日查閱
  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. ^ 世界首個全通型量子通訊網路落戶中科大。《科技日報》，存档副本. [2016-06-27]. （原始內容存檔於2010-04-14）.  於2010年4月1日查閱
  16. ^ 中国量子密钥分发安全距离创纪录. [2016-08-22]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2016-08-15）. 
  19. ^ 郭光燦.量子資訊概論 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  20. ^ [3] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），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]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於2019-07-01） （英語）. 
  23. ^ 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 騰訊新聞. 觀察者網. 2016-09-07 [2016-09-27]. （原始內容存檔於2020-04-02）. 
  24. ^ 張文. 中国量子雷达研发获突破 隐身战机“克星”将至. 中國新聞網. 解放軍報. 2016年9月22日 [2016-09-27]. （原始內容存檔於2020-04-02）. 
  25. ^ 鐵流. 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 觀察者. 2016-09-07 [2016-09-27]. （原始內容存檔於2020-08-11）. 
  26. ^ 鳳凰衛視-神秘量子雷達. [2016-09-27]. （原始內容存檔於2019-05-02）. 
  27. ^ 賈婧. 中国研制成功首部量子雷达. 科學網. 科技日報. 2016-09-14 [2016-09-27]. （原始內容存檔於2020-12-01）. 
  28. ^ 专家：量子雷达还不成熟 对付F35要靠现有装备. 鳳凰軍事. 環球時報. 2016年9月25日 [2016-09-27]. （原始內容存檔於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 可免費查閱, doi:10.1103/PhysRevA.64.030301 , arXiv:quant-ph/0007038 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

參考文獻

  • Vlatko Vedral: Introduction to quantum information science. Oxford Univ. Pr., Oxford 2006, ISBN 0-19-921570-7
  • 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）
  • Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо. Ижевск: РХД, 2000. 172 с. （俄文）
  • Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М.: Мир, 2006. 824 с. （俄文）
  • Прескилл Дж. РХД, 2008. 464 с. ISBN 978-5-93972-651-1 （俄文）
  • Холево А. С. Введение в квантовую теорию информации. М.: МЦНМО, 2002. 128 с. ISBN 5-94057-017-8 （俄文）
  • Хренников А. Ю. Введение в квантовую теорию информации. М.: Физматлит, 2008. 284 с. ISBN 978-5-9221-0951-2 （俄文）
  • Квантовая криптография: идеи и практика / под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. — Мн., 2008. — 392 с. （俄文）
  • Kilin S. Ya. Quanta and information / Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90. （俄文）
  • Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527. [4] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） （俄文）

延伸閱讀

參見

外部連接

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