量子技术
一 量子世界
1.1 引入
经典粒子,其特性--每时刻的位置、速度完全确定,有确定的运动轨迹,遵从牛顿力学。
经典的波,其特性--充满整个空间,遵从经典的波动理论。
微观粒子,其特性--同时具有粒子性和波动性。
设想空间中有一个微观粒子,任何时刻都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)。
量子力学,哥本哈根解释(量子力学正统解释)(1)互补原理;(2)概率波;(3)波包塌缩。
1.2 互补原理
由杨氏双缝实验出发的思考。
* 当屏幕放上时,在屏幕上可以看到干涉条纹,光表现出波动性。
* 当屏幕移走时,对应的探测器上探测到光子,就可以知道光子是从哪条狭缝过来的。此时光表现出粒子性。
波尔认为:
某些物理对象可能同时具有多种相互对立的属性;这些属性有时可以根据观测方法的不同而相互切换;但是这些属性却不能在同一次观测中同时被观测到。这就是波尔的互补原理。
1.3 叠加态
经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状态上;
量子粒子则可以同时处于多种可能的物理状态上(叠加态)。
1.4 “量子比特”与“比特”的区别
以单光子作为信息物理载体为例:
经典信息:有光子代表“1”,无光子代表“0”.
量子信息:以光子的量子态表征信息,如约定光子偏振态,圆偏振代表“1”,线偏振代表“0”(每个脉冲均有一个光子).
1.5 小结
态叠加原理是微观粒子状态描述的基本原理,这个原理使得微观粒子与宏观物体完全不一样的效应。当叠加原理应用于多体系统,将会产生许多奇妙的应用。量子信息科学就由此而产生。
二 从关联到资源
2.1 量子体系中的关联
(1)经典关联
所谓的经典关联就是能够从A到B,其中的一个A或B探测到的信息,这种关联就叫做经典关联。
从局部的探测能得到的信息就叫局域信息。局域信息表征了两个客体的经典关联。
(2)量子关联
(注意:只要有量子关联,就一定有经典关联)。
量子关联就是量子关联所携带的信息,你是无法从局域测量拿出来的。局域测量看不到,你必须A和B同时测量,才能把这个信息提取出来。这种类型的信息叫非局域的信息。所以,描述 表征经典关联的信息是局域信息,表征量子关联的就是非局域信息。所以,两个客体的关联所包含的信息应该包含局域的信息和非局域的信息两部分。
量子关联包含两部,一部分叫量子纠缠,另一部分包含着非纠缠的量子关联。这两部分都是量子关联的内容。
2.2 何为“量子纠缠”
由A和B构成的复合系统,若其量子态不能表示为子系统态的直积形式则称为纠缠态。
2.3 EPR 效应
非局域性:对A(或B)的任意测量必然会影响B(或A)的量子态,不管A和B分离多远。
EPR粒子对: 两个粒子A和B制备到一个特殊的量子态,叫总自旋等于0的这样的一个量子态。
A-B构成“量子通道”。
2.4 纠缠的产生
局域操作无法产生纠缠,纠缠态的产生需要集体操作,如非线性相互作用和纠缠交互等。在实验上可采用参量下转换过程制备脉冲和连续的光子纠缠态。
2.5 量子隐形传态(Quantum Teleportation)
1993年美国IBM的著名科学家Bennet等四个国家的六位科学家联名在《Physical Review Letters》上发表了一篇开创性论文:“经由经典和EPR通道传送未知量子态”,提出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态(未知量子比特)传送给远处的另一个粒子,使该粒子处在这个未知粒子态上,而原先的粒子不被传送,这就是所谓“量子隐形传态”。
实现的基本思想
为实现传送某个物体的未知量子态,可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受者。经典信息是发送给原物进行某种测量而获取的部分信息。量子信息是发送在测量中提取的其余信息。接受者在获得这两种信息之后,就可以制造出原物量子态的精确复制。
在这个过程中:
(1)原物始终留在发送者处,被传送的仅仅是原物的量子态,而且,发送者对这个量子态始终一无所知;
(2)接受者是将别的物质单元(如粒子)制备成为与原物完全相同的量子态,他对这个量子态也始终一无所知;
(3)原物的量子态在测量时已被破坏掉--不违背“量子不可克隆定理”;
(4)未知量子态(量子比特)的这种传送,需要经典信道传送经典信息(即发送者的测量结果),传送速度不可能超过光速---不违背相对论的原理。
三 量子密码
3.1 信息安全问题
(1)动用海量软、硬件资源,甚至国家力量破解现有加密系统---网络武器、网络战争已经迫在眉睫,信息保护升级刻不容缓;
(2)网络大炮、僵尸网络等新技术手段层出不穷;
(3)专用芯片、并行计算、特别时量子计算对现有密码体制提出了严峻的挑战;
(4)“光进铜退”,光纤通信大数量的安全需要特别重视;
(5)截取-重发的威胁。
3.2 密码的安全性
密码的安全性由两方面决定
(1)计算安全性
原理上可破译,但需耗费极大量时间和资源。
如:非对称密钥RSA,对称密码DES等等。
(2)无条件安全性
原理上不可破译,无论窃听者能力如何强大。
如:对称密码 one time pad,一次一密 。
3.3 无条件安全性
一次一密无条件安全的条件:
(1)密钥真随机且只使用一次;
(2)与明文等长,且按位进行二进制制异或操作。
优点:安全性与计算能力无关,理论上不可破译。
缺点:安全的密钥分发困难。
为了应对强大的量子计算机,我们需要无条件安全的一次一密加密方案。为了解决一次一密中密钥分发的困难,我们需要借助量子力学的能力。
3.4 量子密码学简介
(1)利用信息载体(例如光子等粒子)的量子特性,以量子态作为符号描述的密码称为量子密码。
(2)研究量子密码的学科被称为量子密码学,是密码学的一个分支;
(3)20世纪60年代,美国人Wiesner以“量子钞票”的形式提出量子密码学的原始概念,并在正式发表的文章中提出了更重要的共轭编码和概率信息传递的思想,正式后者成为了量子密码学的原始萌芽。
(4)1984年,IBM公司的Bennett 与 加拿大的Brassard提出了量子密钥分配的新概念,以及一个量子密码分配协议--BB84协议,标志着量子密码技术的开端。
(5)量子密码学体系包含了量子保密、量子认证、量子安全协议、量子密码分析等研究方向。
3.5 物理原理保障
量子密码的安全性由量子力学的物理原理保障。
(1)测量塌缩理论
除非该量子态本身即为测量算符的本征态,否则对量子态进行测量会导致“波包塌缩”,即测量将会改变最初的量子态。这一定律即为测量塌缩理论。
(2)不确定原理
不能同时精确测量两个非对易物理量。
3.6 采用量子比特实现
量子密码采用量子比特元取代经典比特元。
经典比特只有0,1 两种状态,例如对应着晶体管的电流导通和截至两种状态。
由于叠加原理,量子比特不仅可以处于0,1两种状态,还可以处于在0,1的叠加状态,例如对应着电子自旋状态、光子的偏振状态。
四 量子计算
4.1 目前的计算机
20世纪高科技标志之一是电子计算子,其核心器件是半导体芯片(处理器--CPU),它是由大量晶体管集成起来的,利用每个晶体管的电流导通和截至作为信息处理单元1和0(为比特)。
芯片界的摩尔定律:芯片几十年来一直沿着著名的摩尔定律发展:即芯片的集成度越来越高,而其中每个晶体管的尺寸越来越小。【电子计算机每18个月,它的运算速度翻一倍。】
目前摩尔定律正逼近其物理极限。当芯片随着摩尔定律的发展,其中每个晶体管越来越小,容纳的电子数目也随之越来越少。由于量子效应的影响,人们将达到按照传统方法操控芯片的物理极限!
由于量子效应的出现,经典计算机的摩尔时代必将告终,人类文明社会的持续发展必然要依仗着新一代信息技术的出现。
量子计算将成为后摩尔时代具有标志性的新技术,它是量子物理与计算机科学相融合的新兴交叉学科。基于量子力学特性,量子计算不但能突破现有芯片的物理极限,还可以实现经典计算机所无法做到的强大计算功能。
4.2 量子信息处理单元
一切计算的基础----信息处理单元。
经典信息处理单元:经典比特只有0,1两种状态,例如对应着晶体管的电流导通和截止两种状态。
量子信息处理单元:由于态叠加原理,量子比特不仅可以处于0,1 两种状态,还可以处于0,1的叠加状态,例如对应着电子自旋状态、光子的偏振状态。
以比特(0或1)作为信息处理单元,成为经典计算。
以量子比特(qubit)作为信息处理单元,成为量子计算。
4.3 为什么量子计算拥有强大的计算能力
来源于 量子计算机的并行计算能力。
例如:
处理器个数 | 类型 | 能力 |
一个处理器 | 经典 | 可处理0或1(一个数) |
量子 | 可同时处理0和1(两个数) | |
两个处理器 | 经典 | 可处理00、01、10或11(一个数) |
量子 | 可同时处理00、01、10与11(四个数) | |
。。。 | 。。。 | 。。。 |
N个处理器 | 经典 | 可处理一个数(2^N 个可能的数之中的一个数) |
量子 | 可同时处理 2^N 个数 |
由于量子力学的叠加原理,量子计算拥有指数增加的天然的并行优势。
因此,量子处理器的处理数据能力是经典的2^N 倍,且随着N指数增长。
例如,N=250,量子处理器可同时处理比宇宙中原子数目还要多的数据。
量子计算机将拥有海量的计算能力,是经典计算无法企及的。
4.4 量子计算机实现
量子芯片(硬件)、量子编码、量子算法(软件)。
量子芯片:实现量子计算的物理系统。
量子编码:克服破坏量子相干性的消相干过程,确保计算的可靠性。
量子算法:提高运算速度的关键。
4.5 量子编码
现有量子编码有三种不同类型原理:
量子纠错码:出了错后纠正(经典纠错码的对应)。
量子避错吗:避免出错(应用量子相干保持态)。
量子防错吗:采用多次测量防止出错(应用量子Zeno效应)。
总之,在量子编码出现之后,量子计算机的实现原则上已不存在不可逾越的困难,但量子硬件的突破尚需加强。
4.6 物理实现
量子计算的实现不存在原理性的困难,当前的研究瓶颈在于量子计算的物理实现。未来诞生的量子计算机,其核心器件是量子芯片(硬件),它是由多个量子比特(量子信息处理单元)集成起来的。
半导体量子点方案:当每个晶体管最终缩小到只容纳一个电子,称之为单电子晶体管(量子点),可以用单子电子的自旋向上和向下态作为量子比特。
半导体量子点芯片这一方案的优势在于完全继承了现代微电子产业的技术和优势,因而在大规模集成化和最终应用方面可行性更高。
4.7 案例说明
大数因子分解是个难解的数学问题,因而构成了目前广泛应用于网络、电子银行系统的RSA(Rivest、Shamir、Adlman)密钥的基础。
然而Shor算法显示,一旦量子计算机实现,现有密码体系将无密可保!因而等到了发到国政府和军方的高度关注。美国政府主管高科技预研工作的国防部高级研究计划局(DARPA)启动的针对量子计算的“微型曼哈顿”计划,也是基于占领未来国家信息安全的战略制高点。
五 量子调控
5.1 定义
根据量子力学原理,在量子态的层面对所研究的体系进行控制和改变。
5.2 量子态的特点
(1)叠加性:经典bit 只有0,1 两种状态;量子bit 可以有0,1的叠加状态。
(2)未知量子态不可克隆。
(3)量子态具有非局域性
5.3 量子调控对象
从对简单体系的初级调控发展到对基于电子、光子、声子、自旋等的复杂体系的高级调控。
六 学习资料源
《来自量子世界的新技术》---郭光灿 - 教授,中国科学院院士
https://open.163.com/newview/movie/courseintro?newurl=M8E4V7EMN
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