量子信息论简介

量子信息论简介
一、什么是量子信息论？
近20年来，量子力学除了更深入地应用于物理学本身许多分支学科之外，还迅速广泛地应用到了化学、生物学、材料科学、信息科学等领域。

量子理论这种广泛，深入应用的结果、极大地促进了这些学科的发展，从根本上改变了它们的面貌，形成了众多科学技术研究热点，产生了许多崭新的学科；与此同时，量子力学本身也得到了很大的丰富和发展。

热点之一就是已经诞生、正在形成和发展中的量子信息科学———量子通信和量子计算机，简称为量子信息论。

它是将量子力学应用于现有电子信息科学技术而形成的交叉学科。

量子信息论不但将以住的经典信息扩充为量子信息，而且直接利用微观体系的量子状态来表达量子信息。

从而进入人为操控、存储和传输量子状态的崭阶段。

近10多年来，量子信息论从诞生到迅猛发展，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。

这种崭新的交叉结合已经并正在继续大量生長出许多科学技术研究热点，并逐渐形成一片新兴广阔的研究领域，不断取得引人瞩目的輝煌成就。

量子信息论的诞生和发展，在科学方面有着深远的意义。

因为它反过来极大地丰富了量子理论本身的内容，并且有助于加深对量子理论的理解，突出暴露并可能加速解决量子理论本身存在的基础性问题。

借助这一新兴交叉学科的实验技术，改造量子力学基础，加速变革现有时空观念，加深对定域因果律的认识也许是可能的。

量子信息论在技术方面也有着重大影响。

因为它的发展前景是量子信息技朮（QIT）产业，它是更新换代目前庞大IT产业的婴儿，是推动IT产业更新换代的动力，指引IT技朮彻底变革的方向。

在这方面大量、迅猛、有效的探索性研究正在逐步导致以下各色各样的新兴分支学科的诞生：量子比特和量子存储器的构造，人造可控量子微尺度结构，量子态的各类超空间传送，量子态的制备、存诸、调控与传送，量子编码及压缩、纠错与容错，量子中继站技朮，量子网络理论，量子计算机，量子算法等等。

它们必将对国际民生和金融安全技朮以及国防技朮产生深刻的影响。

目前，一方面是寻求各色各样存取量子信息的载体———量子比特和量子信息处理器。

相关的实验和理论研究正在蓬勃开展。

实验中的量子信息载体，不仅包括自然的微观系统，更着重于形形色色的人造可控微尺度结构———也就是人造可控量子系统。

在研制可控量子比特和量子存储器件时，必须考虑它们和传送环节的光场之间的可控耦合，以保证量子信息的有效写入和取出。

这里最重要的是研究光场和人造原子系综的相互作用。

第二方面是关于量子信息的传送。

量子通信是量子信息论领域中首先走向实用化的研究方向。

目前量子通信主要以极化光子作为信息载体，釆用纠缠光子对作为传送的量子通道。

量子通信可以分为光纤量子通信和自由空间量子通信两个方向。

关于光纤量子通信方面，建立光纤量子通信局域网和延长光纤量子通信鉅离的时机已经到来。

而利用纠缠光子实施自由空间量子通信，其最终目标是通过卫星实现全球化量子通信。

量子通信要求长程、高品质、高強度的纠缠光源。

这需要掌握包括纠缠纯化、纠缠交换与纠缠焊接的量子中继器技术。

同时还需要展开各类量子编码(纠错码、避错码、防错码)研究，各类量子态超空间传送方式研究，进而逐步创立完善的量子网络理论。

第三方面是关于量子计算机。

目前的经典计算机受到经典物理原理限制，己经接近其处理能力的极限。

而由于量子态迭加原理和量子纠缠特性，量子计算机具有经典计算机无法比拟的、快速的、高保密的计算功能，所以，有必要研究量子计算机。

制造量子计算机的核心任务是造出可控多位量子比特的量子信息处理器。

这里的关键是寻求能够避免退相干、易于操控和规模化的多位量子比特。

这正是制约量子计算机研制进度的主要困难。

1994年，计算机专家Chair C.H.Bennett宣布，量子计算机的研制己进入工程阶段。

根据近10年来各国量子计算机研制己报导的有关资料预计，量子计算机技术的长远发展，最终有赖于固体方案。

关于量子计算机研制进度：乐观估计是到20l0年可以在硅片技朮基础上制造出10多位可控量子比特，从而造出简单的台式计算机; 较稳健的估计是可能在下一个l0年之內; 持悲观估计的人们有个比喻：现在不必做出发展量子计算机的“哈曼顿计划”，因为现在还没有发现“核裂变”。

二、国內外量子信息专业的发展状况
2006年9月1日～4日，来自世界21个国家和地区的近200名科技人员聚集在北京友谊宾馆，参加由中国科大量子信息国家重点实验室举办的亚洲量子信息科学会议。

在这次会议中首次提出量子隐形传态思想、首次提出第一个量子密钥分配协议的IBM研究机构科学家Chair C.H.Bennett接受采访时说：“量子信息现在还是个婴儿！”但鉴于量子信息科学技术的巨大发展潜力，目前已受到各国政府、科技专家和公众的广泛关注。

１、国外量子信息的研究和进展：
国际上重要的西方国家（美、英、法、加拿大、以色列、日本、瑞典、奥地利、意大利、瑞士等），特别是美国和欧盟均投入大量人力物力于量子通讯和量子计算的理论和实验研究，量子信息已成为学术界的热门课题，其发展十分迅猛，参与研究的国家、机构和人员日益增多，有关国际会议连接不断。

以美国为例，加州理工大学、MIT和南加州大学联合成立了量子信息和计算研究所，其长远目标就是
通过多学科交叉和多单位协作以实现量子计算机，近期规划为量子算法、量子网络设计、量子门设计、量子编程、量子模拟的理论和实验研究。

在Los Alamos国家实验室，正在实验上研究局域网的量子密码体系和自由空间中（地－空或低轨道卫星之间）的量子密钥传送，以及离子阱量子计算机原理实验；美国标准和技术研究所（NIST）正在研究量子逻辑门和制备薛定谔猫态等，Stanford大学研究基于核磁共振的量子计算机。

并且美国总统布什在今年国情咨文中，已明确将“量子信息等基础性研究课题”列入《美国竞争力计划》。

至于欧洲，则成立了以英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网，其主要的研究内容是量子密码，量子通讯和量子计算。

这是继欧洲核子中心和航天技术的国际合作之后，又一大规模的针对科技重大问题的国际合作。

此外，加拿大在Montereal大学成立了量子信息实验室，澳大利亚在国立大学建立量子通讯研究所，荷兰的国家数学和计算机科学研究所，芬兰Helsinki 大学理论物理部等，也积极开展了量子信息的研究。

量子信息研究的另一个十分显著的特点是信息产业界投入。

例如IBM, AT&RTR，英国电话电报公司等都巨资投入信息产业，这从一个侧面有力地表明量子信息和量子计算机具有广阔的实用前景。

更值得注意的是政府和国防部门的重视。

例如美国的量子信息和计算研究所为美国军队研究部门（Army Research Office）管理，隶属于美国国防部高级研究计划司超大规模计算工程之列。

英国国防部研究局直接卷入与英国电话电报公司合作的量子保密通讯实验。

北大西洋公约组织则出资支持牛津大学A.Ekurt教授的量子信息研究计划。

这说明量子信息的研究与国家安全紧密联系着。

日本专家认为，今后信息技术的研究课题是利用量子技术进行加密，来建成能高速通信的通信网。

日本计划在5年内实现在100公里左右的中距离通信中使用量子加密技术，到2007年将构筑起量子信息技术高速通信实验系统，在2020年至2030年间建成利用量子加密技术的安全高速的量子信息通信网。

负责起草长期研究战略报告的东京大学教授今井秀树在记者招待会上说，量子通信技术20年后将成为信息社会的支柱。

据国外媒体报道，德国科学家在通往制造量子计算机的道路上又迈出了一大步。

他们成功地通过光子复合态进行量子传输，首次实现不仅是一个量子比特，而是两个量子比特信息的传输。

德国海德堡大学物理学院的科学家们实现了两对极化光子间量子态传输。

实现了两个光子间量子态的传输，实际上这是实现制造量子计算机的征途中的巨大进步。

物理学家们指出，量子态传输的可靠性为６５－８６％，已经极大地超过了４０％的界限。

量子传输问题早在70多年前由爱因斯坦提出，但直至现在只是在实验过程中实现了个别粒子和原子性质的量子传输。

澳大利亚的科学家首次实现了单独光子的量子传输。

他们利用了光子特性实现“纠缠”状态，这是两个量子粒子在相互作用时出现的一种状态。

美国国家标准与技术研究院的物理学家们设计并制成了一种新型电磁离子阱，这种离子阱能够不费力地大批量生产，可能会使量子计算机体积足够大，但使得投入应用成为现实。

2004年6月，世界上第一个量子密码通信网络在美国马薩诸塞州建桥城正式投入运行。

它是连接美国BBN公司和哈佛大学之间的网络，距离为10KM。

２、国内量子信息的研究状况
2003年11月中科院上海光机所量子力学重点实验室首次实现了量子信息存储，对光通信和光量子信息处理领域具有潜在的科学价值和应用价值。

2006年中国基础科学研究领域13项重大发展中第4项为：实现光纤通信中抗干扰量子密码分配方案，该方案保证了长距离光纤量子通信的安全和质量。

2007年2月科技文摘报报道：我国刷新光子纠缠和量子计算领域的世界纪录。

中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室的工作人员潘建伟和他的同事杨涛等，最近通过实验成功制备出国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态，刷新光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录。

2007年4月2日我国第一个量子密码网络系统在京测试运行成功。

4月3日上午，中国科学技术大学在北京举行新闻发布会，正式向外界透露：由中国科学技术大学教授、中科院院士郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室，利用自主创新的量子路由器，日前在北京网通公司商用通信网络上率先完成四用户量子密码通信网络的测试运行并确保了网络通信的安全。

据悉，这是迄今为止国际公开报道的唯一无中转、可同时、任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出关键性的一步。

今年3月，该课题组在北京网通的商用光纤线路上进行多用户的测试运行，四个用户节点的分布构成方式为北京市朝阳区的望京- 东小口- 南沙滩- 望京，路由器位于东城区的东皇城根地区，用户之间最短距离约32千米，最长约42.6千米。

测试系统演示了一对三和任意两点互通的量子密钥分配，并在对原始密钥进行纠错和提纯基础上，完成了加密的多媒体通信实验。

这次实验的成功，不仅使量子密码技术在实用化道路上迈出关键一步，也为量子因特网的发展奠定了基础。

对比国外的同类技术，该方案也处于领先的水平。

郭光灿院士表示，这一技术可能会首先使用在军事、银行等系统上，离大规模的商业化还有较长的距离。

在目前的技术条件下，它能扩建成拥有数百个用户的量子密码通信网络。

此外，武汉大学在量子计算和量子信息方面的研究取得了较大的成果，并在国际上产生一定的影响。

总的看来，我国量子信息虽然在某些领域处于世界先进水平，但在主流领域的开创性成果不多，从事一流研究的科学家也很少，特别是在量子计算方面与国外差距较大，主要是投入少，人才缺乏，实验能力积累不够，必须要有国家层面的大项目、大课题来支撑，吸引队伍联合攻关。

三、我国高校量子信息理论研究和专业课程开设情况
国内较早从事量子信息研究的是中国科技大学。

他们率先在国际重要刊物上发表大量有关量子编码、量子通讯、量子密码术、量子态制备和操作等方面的论文，目前已推出了几项重大开创性成果：在国际上首次提出概率量子克隆原理；在国际上首次建立了量子避错编码理论；提出了一种克服消相干的新型量子处理器；今年我国首个量子密码通信网络测试成功，它的性能在多方面具有世界领先地位，从而为中国在量子信息科学跻身国际前沿做了贡献。

留澳科学家、中科大教授潘建伟的工作又有重大突破，其“自由量子态隐形传输”被欧洲物理学会评为2003年国际物理学十大进展之一，这一研究成果表明，可在不破坏被传输态的条件下成功传输量子态，实现高精度量子纯化。

此外,武汉大学基于半导体量子点的量子计算与量子信息方面的研究取得了较好的成果：首次实现单个半导体量子点两个量子比特间的粒子数交换；实现了目前最长周期(10p) Rabi振荡和高品质因子量子比特旋转；揭示了半导体量子点Rabi振荡主要的退相干机制。

在单个InGaAs半导体量子点中实现了Deutsch-Jozsa量子逻辑运算。

在我国高校中，建立量子信息研究所的已有不少。

北京大学与清华大学于2002年联合成立量子信息与测量实验室。

中科院上海光机所于2003年11月量子力学重点实验室首次实现了量子信息存储，对光通信和光量子信息处理领域具有潜在的科学价值和应用价值。

还有中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学院理论物理研究所、南开大学陈省身数学研究所理论物理研究室、清华大学量子信息与测量教育部重点实验室、北京大学量子电子学、山西大学光电研究所、华南师范大学光电子材料与技术研究所等等，对量子信息也有一定的研究。

此外，在量子信息专业和相关课程的开设方面，华南师范大学、中国传媒大学、武汉大学、长春理工大学、齐齐哈尔大学、香港大学、北京大学、上海交通大学、清华大学、中国科技大学、山西大学、北京邮电大学、扬州大学、北京航空航天大学等大学均开设了与量子信息理论相关的专业课程，例如：上海交通大学物理系包含两个专业：应用物理学专业和光信息科学与技术专业，下设量子光学与量子信息等7个研究所。

清华大学在以下几个方面开展有关量子信息的教学和科研：1)量子计算机与量子通讯；2)量子光子与原子光子；3)量子测量；4)量子信息材料等。

北京邮电大学认为量子力学是所有工科专业应普遍开设的重要的课程。

在为学生介绍有关量子信息所需要的量子力学基础知识的同时开设量子通信和量子计算等基础课程。

上述其它高校也在不同层次、不同专业范围內开设了量子信息的相关课程。

四、对我校开设量子信息专业的建议
1. 我校开设量子信息专业的必要性
由以上资料可以看出量子信息学这一新兴的交叉学科是21世纪科技领域的前沿学科之一，它的迅速发展和不断取得的新成果完全可能引发新一轮产业革命，量子信息学将是这新一轮产业革命的带头学科，量子信息技术也将成为这次科技革命的领头技术。

可以说量子信息学已成为21世纪科技发展主流之一。

这正如在由中国科技大量子信息国家重点实验室举办的亚洲量子信息科学会议中，一位来自美国印第安纳州的年轻的华裔科学家接受记者釆访时所说的那样：自“量子”概念被Plank等人提出以来，物理学的发展从经典牛顿力学走进了另一种崭新的境界。

量子信息是国际上研究的最前沿学科之一，它的成功将会再次引发科技革命。

我校既没有开设量子信息专业（本科或研究生），也没有开展量子信息方面的研究工作，显然在量子信息学教学与科研方面处于空白状态。

这种状态与我校的建设发展目标——以教师教育为主要特色的综合型、研究型大学极不相称，也与我校的地位——211工程国家重点建设院校极不相称。

另外从学科建设方面考虑，一个综合型研、研研究型大学不仅要各类学科齐全，而且要能够紧跟科技发展的态势，及时开设出最新的交叉学科和前沿学科，不失时机地开辟出新的研究领域，永立于高新科技的最前列。

开设量子信息专业既可以适应我校学科建设发展的要求，同时也可以实现我校学科建设的跨越式发展。

总之，在我校开设量子信息专业，既是学科建设的需要，也是保特我校211地位之必须。

及时地跟踪量子信息学的发展态势，开展量子信息学的教学与科研工作是刻不容缓、大势所趋。

好在这一学科刚刚诞生，全国范围内设立量子信息专业的院校也是曲指可数，我们若能及时开设这一专业，并开展这一领域的研究，并能持之以恒，那么未来一定不会落后于兄弟院校，进而为我校在量子信息领域争得一席之地。

反之，如果我校不是立即着手创办量子信息专业、或者根本不想建立量子信息专业，那后果将是怎样？试设想一下，当量子信
息学的应用价值得已全面实现，即当量子计算机真正问世，量子信息已完全取代电子信息，人类社会己全面进入量子信息时代之时，我们产品——人类灵魂的工程师以及其它各专业的毕业生连最基本的量子信息原理都不清楚，面对与日常生活息息相关的量子计算机和各种量子技术，我们的学生则一无所知，如痴如盲。

那么，我们学校将何以面对国家，面对社会？我们的学生将何以适应社会的发展，何以在社会上立足！
2. 我校开设量子信息专业的可能性
我们知道，量子信息论是属于量子力学和电子信息科学的交叉学科。

说得具体一些，它是把量子力学理论应用于电子信息科学和电子信息技朮而形成的一门新的学科。

而我校作为综合性师范大学，我们的物理学及信息技朮学院本来就有电子信息专业。

量子力学作为物理系的主杆理论课程已具有近50年的教学历史，已有一定的师资力量。

而电子信息技朮作为物信院的一个完整专业，无论是师资队伍还是实验设备都具有一定基础。

这两部分力量的融合和重组就为量子信息专业的创建提供了一个基本条件。

在此基础之上，根据学科发展的需要引进相关专业的人才，配置相应的教学和科研的实验设备，逐渐完善条件，经过3—5年努力，建立起一个完整的量子信息专业是完全可能的。

可以这样设想：第一年调研考察，提出组建规化，搭建起一个基本框架；第二年抓硬件建设，购置实验设备，建立起一个基本实验基地；第三年开始招收本科生，全面启动量子信息专业的教学和科研工作。

我们的有利条件是：我们的建设和发展不是一切从零开始，而是以量子信息理论现有的基础为起点。

只要我们紧紧跟踪学科发展前沿，与时俱进，实现跨越式发展是完全可能的。