上海市智能信息处理重点实验室 Shanghai Key Laboratory of Intelligent Information Processing

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量子信息学应用研究的三大热点

张惠群 陈颖健

今天,信息科学在推动社会文明进步和提高人类生活质量方面发挥着令人惊叹的作用。 随着人类对信息需求的日益增加,人们也在不断地推进信息技术的发展,但是现有信 息系统的功能已接近于极限值。电子计算机在过去30年中,每个芯片上集成的晶体管 数目随时间呈指数增长,这个被称为摩尔定律的经验法则预示着,10多年以后计算机 存储单元将是单个原子,电子在电路中的行为将不再服从经典力学规律,取而代之的 是量子力学规律。于是就提出了量子效应究竟会对计算机运算速度产生什么样影响的 问题。因此,信息科学的进一步发展必须借助于新的原理和新的方法。

由于量子特性在信息领域中有着独特的功能,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的经典信息系统的极限,因而量子力学 便首先在信息科学中得到应用,一门新的学科分支———量子信息学也应运而生。该学科 是量子力学与信息科学相结合的产物,是以量子力学的态叠加原理为基础,研究信息处 理的一门新兴前沿科学。量子信息学包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方 面,近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。

量子计算机


量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息 的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量 子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为 了解决计算机中的能耗问题。

20世纪60年代至70 年代,人们发现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。研究发现,能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么, 是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢?问题的答案是:所有经典计算机都可 以找到一种对应的可逆计算机,而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都 可以改造为可逆操作,那么在量子力学中,它就可以用一个幺正变换来表示。早期量 子计算机,实际上是用量子力学语言描述的经典计算机,并没有用到量子力学的本质 特性,如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中,基本信息单位为比特,运算对 象是各种比特序列。与此类似,在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对 象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上, 而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,而 且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同,量子计算机可以做任意的幺正变换, 在得到输出态后,进行测量得出计算结果。因此,量子计算对经典计算作了极大的扩 充,在数学形式上,经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠 加分量进行变换,所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来,给出结果, 这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外,量子计算机的另一重要用途是模 拟量子系统,这项工作是经典计算机无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是, 在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中,量子比特不是一个孤立的系统, 它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干。因此,要使量子 计算成为现实,一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干 最有效的方法。主要的几种量子编码方案是:量子纠错码、量子避错码和量子防错码。 量子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围 广,缺点是效率不高。

迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是,世界各地的许多实验室正 在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算,方案并不少,问题是在实验上 实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔 相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在 还很难说哪一种方案更有前景,只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化 和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场,最后脱颖而出的是一种全新的设计, 而这种新设计又是以某种新材料为基础,就像半导体材料对于电子计算机一样。研究 量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一 新,这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算 机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。

量子通信


量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输 的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输,后者则可用于量 子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传 送。从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程:先提取原物的所有信息,然后 将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本 单元,制造出原物完美的复制品。但是,量子力学的不确定性原理不允许精确地提取 原物的全部信息,这个复制品不可能是完美的。因此长期以来,隐形传送不过是一种 幻想而已。

1993年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子 隐形传态的方案:将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到 该量子态上,而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是: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给接收者。经典信息是发 送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息; 接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送 的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知, 而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中,纠缠态的非定域性起着 至关重要的作用。量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果 所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式 制备两个粒子态,在它们之间的关联不能被经典地解释,这样的态称为纠缠态,量子 纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。量子隐形传态不仅在物 理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态作为 信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保 密通信。1997年,在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作, 首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从 甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信 息载体的光子本身并不被传输。最近,潘建伟及其合作者在如何提纯高品质的量子纠 缠态的研究中又取得了新突破。为了进行远距离的量子态隐形传输,往往需要事先让 相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是,由于存在各种不可避免的环境噪声, 量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此,如何提纯高品质的 量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要课题。近年,国际上许多研究小组都在对这 一课题进行研究,并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案,但是没有一个是能用 现有技术实现的。最近潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态 纯化的理论方案,原则上解决了目前在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果 受到国际科学界的高度评价,被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”。

量子密码术


量子密码术是密码术与量子力学结合的产物,它利用了系统所具有的量子性质。首先 想到将量子物理用于密码术的是美国科学家威斯纳。威斯纳于1970年提出,可利用单 量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态,不 太现实。贝内特和布拉萨德在研究中发现,单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。 1984年,贝内特和布拉萨德提出了第一个量子密码术方案,称为BB84方案,由此迎来 了量子密码术的新时期。

1992年,贝内特又提出 一种更简单,但效率减半的方案,即B92方案。量子密码术并不用于传输密文,而是用 于建立、传输密码本。根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理,任何窃 听者的存在都会被发现,从而保证密码本的绝对安全,也就保证了加密信息的绝对安 全。最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振特性,目前主流的实验方案则用光子 的相位特性进行编码。目前,在量子密码术实验研究上进展最快的国家为英国、瑞士 和美国。英国国防研究部于1993年首先在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子 密钥分发,光纤传输长度为10公里。这项研究后来转到英国通讯实验室进行,到1995 年,经多方改进,在30公里长的光纤传输中成功实现了量子密钥分发。与偏振编码相 比,相位编码的好处是对光的偏振态要求不那么苛刻。在长距离的光纤传输中,光的 偏振性会退化,造成误码率的增加。然而,瑞士日内瓦大学1993年基于BB84方案的偏 振编码方案,在1.1公里长的光纤中传输1.3微米波长的光子,误码率仅为0.54%, 并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长民用光通信光缆中进行了实地表演,误码率 为3.4%。1997年,他们利用法拉第镜消除了光纤中的双折射等影响因素,使得系统 的稳定性和使用的方便性大大提高,被称为“即插即用”的量子密码方案。美国洛斯阿 拉莫斯国家实验室,创造了目前光纤中量子密码通信距离的新纪录。他们采用类似英 国的实验装置,通过先进的电子手段,以B92方案成功地在长达48公里的地下光缆中传 送量子密钥,同时他们在自由空间里也获得了成功。1999年,瑞典和日本合作,在光 纤中成功地进行了40公里的量子密码通信实验。在中国,量子密码通信的研究刚刚起 步,中科院物理所于1995年以BB84方案在国内首次做了演示性实验,华东师范大学用 B92方案做了实验,但也是在距离较短的自由空间里进行的。2000年,中科院物理所 与研究生院合作,在850纳米的单模光纤中完成了1.1公里的量子密码通信演示性实验。 总的来说,比起国外目前的水平,我国还有较大差距。量子力学的研究进展导致了新 兴交叉学科———量子信息学的诞生,为信息科学展示了美好的前景。另一方面,量子信 息学的深入发展,遇到了许多新课题,反过来又有力地促进量子力学自身的发展。当 前量子信息学无论在理论上,还是在实验上都在不断取得重要突破,从而激发了研究 人员更大的研究热情。但是,实用的量子信息系统是宏观尺度上的量子体系,人们要 想做到有效地制备和操作这种量子体系的量子态目前还是十分困难的。

人类在20世纪能够精确地操控航天飞机和搬动单个原子,但却未能掌握操控量子态的 有效方法。在21世纪,人类应积极致力于量子技术的开发,推动科学和技术更迅速地 发展。
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