量子通信演讲PPT(PPT41页)
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2020/11/13
量子信息科学
——它是量子物理与信息科学相结合的产物。
量
量
子
子
通
密
信
码
2020/11/13
什么是量子通信？
我们可以通过类比来了解它的意义： • 电子通信：通过电信号的参数传送信息 • 量子通信：由量子态携带信息 • 量子通信系统的基本部件 量子态发生器、量子通道和量子测量装置。
• 解释：没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各 种可能性的混合叠加状态。
• 电影《 Source Code 》
2020/11/13
量子力学对我们生活的启示
• 在最宏大的视野里，宇宙中运行着的星球的角落 里所发生的细微的量子过程，将宇宙一次次的分 裂。因而，地球连同我们被一次次的复制，数目 巨大到难以想象的宇宙的不同版本在同时上演。 在我们每一次的选择中，宇宙被分裂成几个世界， 因而你的不同版本的生命形态在同时上演，可见 我们每个人的生命都是丰富多彩的~~
2020/11/13
量子不可克隆定理
Wootters 和 Zurek 曾于1982 年在《自然》杂志 上撰文提出了如下问题: 是否存在一种物理过程, 实现对一个未知量子态的精确复制, 使得每个复制 态与初始量子态完全相同呢？Wootters 和 Zurek 证明, 量子力学的线性特性禁止这样的复制, 这就 是量子不可复制定理的最初表述。
量子通信
2020/11/13
一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片
2020/11/13
几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像 这张一样，在一幅画面内集中了如此之多的、 水平如此之高的人类精英~~
这是1927年在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会 议上的照片。在这次会议上，爱因斯坦和玻尔 这两个当时世界上最顶尖的物理学家，进行了 科学史上著名的学术辩论。在这次辩论中，玻 尔所代表的新生量子论学派获得了更广泛的支 持，而维护经典理论的爱因斯坦则被认为不合 时宜，站到了对立面。
• 可见，现在我们在座的每个人能坐在这里并结下 深厚的友谊是经过多少次的宇宙分裂得来的，所 以大家要珍惜现在生活，感恩生命的伟大！
2020/11/13
由量子力学到量子信息
量子特性应用到信息领域中可以发挥 出独特的功能，在提高运算速度、确保信 息安全、增大信息容量等方面可以突破现 有的经典信息系统的极限，于是诞生了一 门新兴的交叉学科：
下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，雌猫必死无疑。
这个残忍的装置由薛定谔所设计，所以雌猫便叫做薛定谔猫。
薛定谔的猫是死是活？
体系的总体波函数代表 猫既活又死的混合状态。 这以常识而论是荒谬的， 猫似当非死即活。
2020/11/13
t 12活死
对于这只猫的多世界解释
• 这只猫即是死的又是活的。只是分别在不同的世界中，在 观测者打开盒子的那一刹那，整个世界分裂成两个，在一 个世界里观测者看到的那只猫活了下来，在另一个世界里， 观测者看到的那只猫不幸死去。除此之外的世界完全一样。
刻有可能在空间中任何点探测到粒子（类
似经典波的特性），但一旦探测到只能在
其中一个探测器处发现该粒子（类似经典
粒子的特性）。
C
B
A
2020/11/13
A,B,C,…为探测器
经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状 态上，经典比特：0、1； 量子粒子则可以同时处于各种可能的物理状 态上（叠加态）（dirac） |0＞，|1＞ 。 因此由于，量子粒子拥有不确定性，在量子 力学中微观粒子的状态用波函数描述。
2020/11/13
薛定谔猫—宏观量子叠加态（解决爱因 斯坦祖母悖论）
•
薛定谔于1935年设计了“杀猫实验”。这个猫十分可
怜，她（假设这是一只雌性的猫，以引起更多怜悯）
被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤
子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。
如果原子核衰变，则放出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落
C 10 C 21 , C 1 ,C 2 为 任 意 复 数 ,
C12C221(叠 加 态 )
注：ψ psi psai 普西
一点说明
信息一旦量子化, 量子力学的特性便成为量 子信息的物理基础, 这主要有量子纠缠、量 子不可克隆、量子叠加性和相干性。因为量 子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精 确的复制, 量子不可克隆定理和Heisenberg 测不准原理构成了量子密码学的物理基础。
2020/11/13
• 玻尔和爱因斯坦的争论
• 经典理论：条件定，结果唯一 • 量子理论：条件定，结果不唯一
• 爱因斯坦：上帝不掷骰子！爱因斯坦在
纪念牛顿逝世200周年时说过：“牛顿理论的 精髓可能会给我们提供力量，去恢复物理现实 与牛顿教诲中最深奥的特点——严格的因果 律——之间的和谐。”（不满非决定论基础） 最后一位经典物理学家
• 后来，霍金针对爱因斯坦“上帝不掷
骰子”的名言说：“上帝不只是掷骰 子，还把骰子掷到我们看不到的地方!”
2020/11/13
令“科学如此性感”的量子力学
• 量子力学是20世纪初才诞生的，是近代物理学两 大支柱之一。
= 经典力学：宏观物质的运动规律 = 量子力学：微观粒子的运动规律
——自然界的运动规律。 = 量子力学的基本规律是统计规律，而经典物理的基本
2020/11/13
量子信息与经典信息的根本区别
经典信息
二进制0或1组成的数字串，其信息 单元称为“比特”，为0或者1。
用量子的语言可描述为态 0 和 1 。 经典粒子只能处在 0 或 1 之中的一个态 上。
量子信息
2020/11/13
微观粒子允许同时处在 0 和 1 两个 态上，这是其波粒二象性的结果。
规律是决定论、严格ห้องสมุดไป่ตู้因果律。
玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有感到 困惑，那他一定没听懂。”
2020/11/13
经典粒子 • 特性：每时刻的位置、速度完全确定，有
确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。
2020/11/13
微观粒子
• 特点：同时具有粒子性和波动性。(不确定)
•
设想空间中有一个微观粒子，任何时
2020/11/13
Heisenberg 的测不准原理
由测不准原理可知, 对任何一个物理量的测 量都不可避免地对另一物理量产生干扰。 这 就使得通信双方能够检测到信息是否被窃听, 这一性质使通信双方无须事先交换密钥即可 进行绝密通信。 量子加密学为人们提供了一 种无条件安全的希望，并且不象一次一密的 密钥, 任何窃听量子密钥交换和拷贝密钥的 人不可能不被检测到。
量子信息科学
——它是量子物理与信息科学相结合的产物。
量
量
子
子
通
密
信
码
2020/11/13
什么是量子通信？
我们可以通过类比来了解它的意义： • 电子通信：通过电信号的参数传送信息 • 量子通信：由量子态携带信息 • 量子通信系统的基本部件 量子态发生器、量子通道和量子测量装置。
• 解释：没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各 种可能性的混合叠加状态。
• 电影《 Source Code 》
2020/11/13
量子力学对我们生活的启示
• 在最宏大的视野里，宇宙中运行着的星球的角落 里所发生的细微的量子过程，将宇宙一次次的分 裂。因而，地球连同我们被一次次的复制，数目 巨大到难以想象的宇宙的不同版本在同时上演。 在我们每一次的选择中，宇宙被分裂成几个世界， 因而你的不同版本的生命形态在同时上演，可见 我们每个人的生命都是丰富多彩的~~
2020/11/13
量子不可克隆定理
Wootters 和 Zurek 曾于1982 年在《自然》杂志 上撰文提出了如下问题: 是否存在一种物理过程, 实现对一个未知量子态的精确复制, 使得每个复制 态与初始量子态完全相同呢？Wootters 和 Zurek 证明, 量子力学的线性特性禁止这样的复制, 这就 是量子不可复制定理的最初表述。
量子通信
2020/11/13
一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片
2020/11/13
几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像 这张一样，在一幅画面内集中了如此之多的、 水平如此之高的人类精英~~
这是1927年在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会 议上的照片。在这次会议上，爱因斯坦和玻尔 这两个当时世界上最顶尖的物理学家，进行了 科学史上著名的学术辩论。在这次辩论中，玻 尔所代表的新生量子论学派获得了更广泛的支 持，而维护经典理论的爱因斯坦则被认为不合 时宜，站到了对立面。
• 可见，现在我们在座的每个人能坐在这里并结下 深厚的友谊是经过多少次的宇宙分裂得来的，所 以大家要珍惜现在生活，感恩生命的伟大！
2020/11/13
由量子力学到量子信息
量子特性应用到信息领域中可以发挥 出独特的功能，在提高运算速度、确保信 息安全、增大信息容量等方面可以突破现 有的经典信息系统的极限，于是诞生了一 门新兴的交叉学科：
下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，雌猫必死无疑。
这个残忍的装置由薛定谔所设计，所以雌猫便叫做薛定谔猫。
薛定谔的猫是死是活？
体系的总体波函数代表 猫既活又死的混合状态。 这以常识而论是荒谬的， 猫似当非死即活。
2020/11/13
t 12活死
对于这只猫的多世界解释
• 这只猫即是死的又是活的。只是分别在不同的世界中，在 观测者打开盒子的那一刹那，整个世界分裂成两个，在一 个世界里观测者看到的那只猫活了下来，在另一个世界里， 观测者看到的那只猫不幸死去。除此之外的世界完全一样。
刻有可能在空间中任何点探测到粒子（类
似经典波的特性），但一旦探测到只能在
其中一个探测器处发现该粒子（类似经典
粒子的特性）。
C
B
A
2020/11/13
A,B,C,…为探测器
经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状 态上，经典比特：0、1； 量子粒子则可以同时处于各种可能的物理状 态上（叠加态）（dirac） |0＞，|1＞ 。 因此由于，量子粒子拥有不确定性，在量子 力学中微观粒子的状态用波函数描述。
2020/11/13
薛定谔猫—宏观量子叠加态（解决爱因 斯坦祖母悖论）
•
薛定谔于1935年设计了“杀猫实验”。这个猫十分可
怜，她（假设这是一只雌性的猫，以引起更多怜悯）
被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤
子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。
如果原子核衰变，则放出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落
C 10 C 21 , C 1 ,C 2 为 任 意 复 数 ,
C12C221(叠 加 态 )
注：ψ psi psai 普西
一点说明
信息一旦量子化, 量子力学的特性便成为量 子信息的物理基础, 这主要有量子纠缠、量 子不可克隆、量子叠加性和相干性。因为量 子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精 确的复制, 量子不可克隆定理和Heisenberg 测不准原理构成了量子密码学的物理基础。
2020/11/13
• 玻尔和爱因斯坦的争论
• 经典理论：条件定，结果唯一 • 量子理论：条件定，结果不唯一
• 爱因斯坦：上帝不掷骰子！爱因斯坦在
纪念牛顿逝世200周年时说过：“牛顿理论的 精髓可能会给我们提供力量，去恢复物理现实 与牛顿教诲中最深奥的特点——严格的因果 律——之间的和谐。”（不满非决定论基础） 最后一位经典物理学家
• 后来，霍金针对爱因斯坦“上帝不掷
骰子”的名言说：“上帝不只是掷骰 子，还把骰子掷到我们看不到的地方!”
2020/11/13
令“科学如此性感”的量子力学
• 量子力学是20世纪初才诞生的，是近代物理学两 大支柱之一。
= 经典力学：宏观物质的运动规律 = 量子力学：微观粒子的运动规律
——自然界的运动规律。 = 量子力学的基本规律是统计规律，而经典物理的基本
2020/11/13
量子信息与经典信息的根本区别
经典信息
二进制0或1组成的数字串，其信息 单元称为“比特”，为0或者1。
用量子的语言可描述为态 0 和 1 。 经典粒子只能处在 0 或 1 之中的一个态 上。
量子信息
2020/11/13
微观粒子允许同时处在 0 和 1 两个 态上，这是其波粒二象性的结果。
规律是决定论、严格ห้องสมุดไป่ตู้因果律。
玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有感到 困惑，那他一定没听懂。”
2020/11/13
经典粒子 • 特性：每时刻的位置、速度完全确定，有
确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。
2020/11/13
微观粒子
• 特点：同时具有粒子性和波动性。(不确定)
•
设想空间中有一个微观粒子，任何时
2020/11/13
Heisenberg 的测不准原理
由测不准原理可知, 对任何一个物理量的测 量都不可避免地对另一物理量产生干扰。 这 就使得通信双方能够检测到信息是否被窃听, 这一性质使通信双方无须事先交换密钥即可 进行绝密通信。 量子加密学为人们提供了一 种无条件安全的希望，并且不象一次一密的 密钥, 任何窃听量子密钥交换和拷贝密钥的 人不可能不被检测到。