量子通信[课件]
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量子通信
制作：usafchn
一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片
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
量子通信 Quantum Teleportation
量子比特 量子隐形传态
计算机为什么要耗电？
能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了 芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。
不可逆异或门改进为可逆异或门
Bennett后来更严格地考虑了此问题，并证明了：所有经典 不可逆的计算机都可以改造为可逆计算机，而不影响其计算 能力。
用本征态|0>和|1>对量子位编码
量子位可以处在|0>和|1>的叠加状态：a|0>+b|1>， 其中a和b是复数，且|a|2+|b|2 = 1
必须具备的两大特点：
1 2 3
(
和 1 2
12
是粒子1和粒子2所在的四
维希尔伯特空间中的Bell基)
12 1 2 1 2 1 2 0 1 2 0
public communication
Teleportation
粒子2 粒子1
Alice
“因为散热问题，当年Intel冲击4GHz CPU 计划失败”
Landauer最早考虑了这个问题，他考察了能耗的来源，指 出：能耗产生于计算过程中的不可逆操作。例如，对两比 待的异或操作，因为只有一比特的输出，这一过程损失了 一个自由度，因此是不可逆的，按照热力学，必然会产生 一定的热量。但这种不可逆性是不是不可避免的呢？事实 上，只要对异或门的操作如图所示的简单改进，即保留一 个无用的比特，该操作就变为可逆的。因此物理原理并没 有限制能耗的下限，消除能耗的关键是将不可逆操作改造 为可逆操作
(3)量子隐形传态不存在超光速通讯问题.因为没 有通过经典通道传送的经典信息,隐形传态将不可 能成功.而经典通道的通讯速度必然要受到相对性 原理的限制,即传送速度不可能超过光速.
(4)量子隐形传态不违背符合量子力学的不可克隆定 理.因为Alice进行Bell基测量后,
|φ〉1已被破坏掉了,一次量子隐形传态只能够使原 粒子的量子态在另外的一个粒子上重新构建出来.
3 a , z 3 b , x 3 c ,i y 3 d ,将得到最终的态
3 （ 2 2 1 ）
(1)从粒子1到粒子3量子信息的传递可以发生在任 意的时空之间,因为量子纠缠具有非局域性.
(2)联合测量后接收方的粒子的量子态仍然处于混 合态,也就是说,联合测量本身对Bob来说,并不给 出任何关于原粒子态的信息.原粒子态的重建应该 归功于EPR态的纠缠非局域关联,经典通讯和局域 的幺正变换.
(5)发送者和接收者在整个传输过程中都不需要知道 他们所传输的或者接收的量子态的任何信息,因而量 子隐形传态提供了操控量子态而不破坏量子态的可 能性.
真正的随机数 绝对安全的信息传输 解决NP问题
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
谢谢
R x R R x R .........
Alice EPR1: .........
Bob EPR2: .........
Information: 0 1 1 0 ...............
0 1 1 0 ...............
④ 为了使量子隐形传态成功完成,Alice通过经典通道把测量结果 告诉给Bob.最后Bob根据测量结果对粒子3做适当的幺正变换，
幺正性 可逆性
两个重要的定理(原理)：
量子不可克隆定理 Heisenberg 测不准原理
量子力学的一个基本原理
由德国物理学家海森堡于1927年提出。
该原理表明：一个微观粒子的某些物理量，不可能 同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个 量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差的 乘积必然大于常数 h/4π。（h即普朗克常数）
粒子3
Bob
EPR Source ③ Alice对粒子1和粒子2施行一个Bell基测量,粒子3的态将会坍塌 为下面4个态中的其中一个,而且分别与Alice测量结果相对应. 此时,粒子1的相关信息存储到粒子3上了. 3a1 3b1
3c10 3d
Information Encoding and Decoding
量子隐形传态
public communication
Teleportation
粒子2 粒子1
Alice
粒子3
Bob
EPR Source ① Alice拥有一个粒子1处于未知态，其可以表示为
1 （ 2 2 1 ） , 和 表 示 要 送 的 量 子 信 息
② 粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.
23
1
2
23
Байду номын сангаас 11
public communication
Teleportation
粒子2 粒子1
Alice
粒子3
Bob
EPR
Source
② 粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.
这个EPR对与粒子1构成的量子体系的复合波函数可以表示成两
个态的直积形式
1 2 3
制作：usafchn
一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片
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
量子通信 Quantum Teleportation
量子比特 量子隐形传态
计算机为什么要耗电？
能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了 芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。
不可逆异或门改进为可逆异或门
Bennett后来更严格地考虑了此问题，并证明了：所有经典 不可逆的计算机都可以改造为可逆计算机，而不影响其计算 能力。
用本征态|0>和|1>对量子位编码
量子位可以处在|0>和|1>的叠加状态：a|0>+b|1>， 其中a和b是复数，且|a|2+|b|2 = 1
必须具备的两大特点：
1 2 3
(
和 1 2
12
是粒子1和粒子2所在的四
维希尔伯特空间中的Bell基)
12 1 2 1 2 1 2 0 1 2 0
public communication
Teleportation
粒子2 粒子1
Alice
“因为散热问题，当年Intel冲击4GHz CPU 计划失败”
Landauer最早考虑了这个问题，他考察了能耗的来源，指 出：能耗产生于计算过程中的不可逆操作。例如，对两比 待的异或操作，因为只有一比特的输出，这一过程损失了 一个自由度，因此是不可逆的，按照热力学，必然会产生 一定的热量。但这种不可逆性是不是不可避免的呢？事实 上，只要对异或门的操作如图所示的简单改进，即保留一 个无用的比特，该操作就变为可逆的。因此物理原理并没 有限制能耗的下限，消除能耗的关键是将不可逆操作改造 为可逆操作
(3)量子隐形传态不存在超光速通讯问题.因为没 有通过经典通道传送的经典信息,隐形传态将不可 能成功.而经典通道的通讯速度必然要受到相对性 原理的限制,即传送速度不可能超过光速.
(4)量子隐形传态不违背符合量子力学的不可克隆定 理.因为Alice进行Bell基测量后,
|φ〉1已被破坏掉了,一次量子隐形传态只能够使原 粒子的量子态在另外的一个粒子上重新构建出来.
3 a , z 3 b , x 3 c ,i y 3 d ,将得到最终的态
3 （ 2 2 1 ）
(1)从粒子1到粒子3量子信息的传递可以发生在任 意的时空之间,因为量子纠缠具有非局域性.
(2)联合测量后接收方的粒子的量子态仍然处于混 合态,也就是说,联合测量本身对Bob来说,并不给 出任何关于原粒子态的信息.原粒子态的重建应该 归功于EPR态的纠缠非局域关联,经典通讯和局域 的幺正变换.
(5)发送者和接收者在整个传输过程中都不需要知道 他们所传输的或者接收的量子态的任何信息,因而量 子隐形传态提供了操控量子态而不破坏量子态的可 能性.
真正的随机数 绝对安全的信息传输 解决NP问题
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
谢谢
R x R R x R .........
Alice EPR1: .........
Bob EPR2: .........
Information: 0 1 1 0 ...............
0 1 1 0 ...............
④ 为了使量子隐形传态成功完成,Alice通过经典通道把测量结果 告诉给Bob.最后Bob根据测量结果对粒子3做适当的幺正变换，
幺正性 可逆性
两个重要的定理(原理)：
量子不可克隆定理 Heisenberg 测不准原理
量子力学的一个基本原理
由德国物理学家海森堡于1927年提出。
该原理表明：一个微观粒子的某些物理量，不可能 同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个 量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差的 乘积必然大于常数 h/4π。（h即普朗克常数）
粒子3
Bob
EPR Source ③ Alice对粒子1和粒子2施行一个Bell基测量,粒子3的态将会坍塌 为下面4个态中的其中一个,而且分别与Alice测量结果相对应. 此时,粒子1的相关信息存储到粒子3上了. 3a1 3b1
3c10 3d
Information Encoding and Decoding
量子隐形传态
public communication
Teleportation
粒子2 粒子1
Alice
粒子3
Bob
EPR Source ① Alice拥有一个粒子1处于未知态，其可以表示为
1 （ 2 2 1 ） , 和 表 示 要 送 的 量 子 信 息
② 粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.
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Байду номын сангаас 11
public communication
Teleportation
粒子2 粒子1
Alice
粒子3
Bob
EPR
Source
② 粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.
这个EPR对与粒子1构成的量子体系的复合波函数可以表示成两
个态的直积形式
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