量子信息技术导论

量子信息导论期末总结

量子信息技术是20世纪随着信息技术的发展和对信息器件要求的提高，将传统的信息技术和量子力学相结合而应运而生的新型技术体系。它的出现使得传统的信息领域得到了极大的充实和发展，在信息传递、信息计算、信息安全等方面都有着极大的突破。

量子信息学主要分量子通信和量子计算量大方面。前者包括量子隐形传态（Teleportation）、量子密钥分布等主要内容；而后者主要在于量子计算机（量子器件）和量子算法。

量子信息是基于量子力学的基本原理上的，其最为重要的一个概念之一就是量子纠缠的概念。所谓纠缠态，指的是当两个或多个子系统构成的复合系统的态矢不能写成各子系统态矢直积时，则体系处在纠缠态。它是多体量子系统的最基本的特征，其本质是量子力学的叠加原理，该概念反映了量子力学非定域性的本质，是量子信息学最根本的出发点。

量子通信的一个重要的理论基础是量子体系的不可复制性。量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制，一个未知的量子态不可能被完全复制，同时不存在完全复制两个非正交态的复制机。这一基本原理决定了要从编码在非正交量子态中获取信息，不扰动这些态势不可能的，即测量仪器的末态是不可区分的，无法完全提取。

量子信息中以Qubit的形式携带信息，量子态模拟经典信息的0和1来储存信息。量子Qubit可以通过NMR方案、腔场量子电动力学方案、离子阱方案等得到实现。

对于很多人所感兴趣的量子隐形传态（Teleportation），其实即使将：先提取原物的所有信息，然后将这个信息传送到接收地点，接受者再根据这些信息，选取与原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。实际上这是量子状态的一种“隔空传物”，而并不是将实际物质，即是“复制”而非“剪切”。1993年Bennet等人提出了量子隐形传态的概念：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送接受者，接受者获得了这两种信息之后，就可以制造出原物量子态的完全复制品。

量子密钥方面最值得突出强调的是BB84密钥分配协议。信息发送者Alice和信息接受者Bob分别发送和接受2n歌量子位，每个都处于|0>，|1>，|+>，|->四个状态之一。双方几下结果之后相互通报他们的测量基矢这样而二者有一半的机会有相同的基矢，将不同状态与0，1对应就有了n个0，1串作为密钥。由于若是有第三方Eve在监听，将量子位测量之后再发给Bob。这样Alice与Bob相同的几率降为四分之一，这样而这便知道第三方Eve的存在，便可以放弃此次密钥。

量子计算机的出现可以从著名的摩尔定律上拣出端倪。由于摩尔定律中器件的尺度不停地减小，因此使得在一定大小之后量子效应明显而不能被忽略。因此，

科学家们可以利用量子体系中的一些独特的性质来提升元件的性质和表现。

量子计算机区别于经典计算机在于其用量子态编码和储存信息，用量子力学么正时间演化算子进行信息处理和传输运算的过程是可逆额度，并且其用多位量子态的相感和纠缠使量子计算成为大规模的平行运算。两自己算机由量子位和量子逻辑们组成，有指数型上升的储存能留并且有天然并行计算的特点。

在量子计算的物理实现的方面主要有离子阱量子计算、腔场量子电动力学量子计算和几何相位量子计算三种主要方法。量子计算机应当满足下列四个基本要求如下:1.量子比特要有足够长的相干时间。事实上,外部环境不可避免地破坏着量子计算机的量子相干性,使之自发地向经典的概率计算机演化,这将导致量子计算失去其可靠性,甚至完全无法运作。2.具备有完备的普适幺正操作能力。任何高维幺正操作均可分解成一系列低维操作来实现,最基本的幺正操作单元称为普适门。最简单的普适逻辑门的集合是单比特的任意幺正旋转和两比特的受控非操作。量子计算机应能对任意量子比特精确地实施这些基本操作。3.具备有初态制备能力。因为任何量子计算的出发点都是从纯态开始,所以,我们要有给量子计算机归零的能力。不失一般性,在计算开始时,我们让所有的逻辑量子比特都置为|0〉。4.必须有能力对量子计算机终态实施有效的量子测量,以提取最终输出值。这时,量子的信息转变为经典的信息,因为人是生活在经典世界中的,而量子计算的最终目的是服务于经典世界中的人。

量子算法主要用于处理NP（non-polynormal）问题，即迄今未找到能够用多项式时间算法解得问题。这种问题的典型例子有旅行推销员问题、大数质因子分解问题和地图着色问题。量子算法最为著名的一个算法影视Shor算法，其用于对RSA公钥密码体系进行破解。

总体来说量子特性在信息领域有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限。近年来，量子信息在理论和实验上已经取得重要突破，在各国政府、科技界和信息产业界的高度重视下，量子信息技术也从一开始的理论上的可能变成了有许多应用的实用技术。对于这一领域的继续探讨无论对于科研还是经济方面都对我国政府和经济有着重大的作用。