量子信息科技前沿与热点问题

量子信息技术前沿进展普朗克提出量子论（1900）爱因斯坦提出相对论（1905）量子力学与相对论:20世纪物理学两大支柱原子弹（1945）氢弹（1951）中子弹（1962）重大应用原子弹（1945）冯·诺依曼现代通用计算机重大应用相对论＋量子力学CERN互联网GPS原子钟重大应用粒子物理，探索宇宙起源数据传输精确计时检验相对论二十世纪，在研究和应用量子力学、相对论的过程中所催生的信息科学，为人类带来了物质文明的巨大进步信息科技进一步发展面临的重大问题随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，电子的运动不再遵守经典物理学规律，半导体晶体管将不再可靠2011,22nm2022,4nm原子尺寸，0.2nm???未来的计算机是什么样子？摩尔定律：单位面积集成电路上可容纳的半导体晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍计算能力瓶颈“棱镜门”光缆无感窃听信息科技进一步发展面临的重大问题信息安全瓶颈芯片后门RSA512：1999年被破解；RSA768：2009年被破解；RSA1024?下一代的标准密码“配对密码”2012年被破解……网络犯罪每年给全球带来高达4450亿美元的经济损失——美国战略和国际问题研究中心窃听、黑客攻击破解超级计算机运算速度突破亿亿次每秒量子力学在近百年的发展过程中，已经为解决这些重大问题做好了准备一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，我们就说这个物理量是量子化的，把这个最小单位称为量子。光子就是光量子，一束光至少包含一个光子，再少就不存在了。实验发现，原子中电子的能量不是连续变化的，而是只能取一些分立的值，也就是说，原子中的电子能量是量子化的。量子化是微观世界的普遍现象。20世纪上半叶（主要是从1900年到1930年），普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利等伟大的物理学家们创立了量子力学，这是我们目前对微观世界最准确的描述。量子1911年，实业家欧内斯特·索尔维创立了的，第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开，以后每3年举行一届。1927年，第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开了，因为发轫于这次会议的阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔两人的大辩论，这次索尔维峰会被冠之以“最著名”的称号。量子本征态与不确定性对于任何一个物理量P（例如位置、动量），态矢量都可以分为两类。一类具有确定的P，称为P的本征态，P的取值称为这个本征态的本征值；另一类不具有确定的P，称为P的非本征态。非本征态比本征态多得多，如同无理数比有理数多得多。也就是说，绝大多数情况下，一个粒子是没有确定的位置的！非本征态是一个客观真实的状态，跟本征态同样客观真实，它没有确定的位置是因为它本质上就是如此，而不是因为我们的信息不全。来打个比方，有些状态可以用指向上下左右的箭头来表示，于是你定义“方向”为一个物理量，但是还有些状态是一个圆！圆状态跟箭头状态同样真实，只是没有确定的方向而已。测量对P的本征态测量P，粒子的状态不变，测得的是这个本征态的本征值。对P的非本征态s测量P，会使粒子的状态突然从s变成某个P的本征态f，概率是s与f的内积的绝对值的平方|(s,f)|^2，发生这个突变后测得的就是f的本征值。状态从s突变到f的概率是|(s,f)|^2，实际意思就是这两个态越相似，概率就越大。用上面的例子来说，对箭头状态测方向，状态不变，得到的就是箭头的方向；对圆状态测方向，圆状态会以相同的几率变成任何一个箭头状态，得到的是这个新的箭头状态的方向。对位置的非本征态测量位置，就会测得粒子出现在某个随机的位置，而出现在空间所有位置的几率之和等于1。怎么知道测量结果是随机的呢？制备多个具有相同状态的粒子，把实验重复多次，就会发现实验结果每次都不一样--量子力学具有本质的随机性！量子力学最大的神秘之一，就是测量的本质谁也不知道！目前只能把测量理解为一种操作定义：对本征态的测量不改变状态，得到本征值；对非本征态的测量随机地把它改变成某个本征态，得到相应的本征值。挑战事实上，现在仍然有不少人对量子力学提出各种各样的挑战，包括不少专业科学家，民科就更多了（当然挑战相对论的民科更多）。历史上，挑战量子力学的势力更加强大，其中的带头大哥就是——爱因斯坦！老爱坚信粒子应该具有确定的位置和动量，世界的演化应该是决定性的，对前面说的量子力学的不确定性和随机性十分不满。用他自己的话来说，他相信“没有人看月亮的时候，月亮仍然存在”，以及“上帝不掷骰子”。EPR详谬爱因斯坦是超级伟大的科学家，神一样的人物，他不满足于只做口舌之争，打算按照科学规范，设计一个判决性的实验，以可验证的方式证明量子力学的错误。1935年，爱因斯坦（Einstein）、波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）提出了一个思想实验，后人用他们的首字母称为EPR实验：制备两个粒子A和B的“圆”态，使得在这个状态中两个粒子的某个性质（如电子的自旋角动量、光子的偏振）相加等于零，而单个粒子的这个性质不确定。这样一对粒子称为“EPR对”，属于量子力学中的“纠缠态”，因为这两个粒子的性质不可分割地纠缠在一起了。然后把这两个粒子在空间上分开任意的远，再测量粒子A的这个性质。如果测得A是“上”，那么就立刻知道了B现在是“下”。问题是，既然A和B已经离得非常远了，B是怎么知道A发生了变化，然后发生相应的变化的？EPR认为A和B之间出现了“鬼魅般的超距作用”，信息传递的速度超过光速，违反相对论。所以，量子力学肯定有错误。解释与验证量子力学的正统卫道士有一个标准回答：处于纠缠态的A和B是一个整体，当你对A进行测量的时候，A和B是同时发生变化的，并不是A变了之后传一个信息给B，B再变化，所以这里没有信息的传递，不违反相对论。这个回答怎么样？不过爱因斯坦一直都不信，以这个他参与创建的理论的反对者的身份走完了一生。在爱因斯坦的时代，EPR实验只能在头脑中进行。随着科技的进步，这个实验可以实现了。1980年代，阿斯佩克特等人做了EPR实验，结果你猜怎么着？完全跟量子力学的预言符合！真的是你测得一个EPR对中的A是“上”的时候，B就变成了“下”。本来是设计出来否定量子力学的，反而验证了量子力学的正确性。EPR现象是一个真实的效应，就可以利用它作量子隐形传态（quantumteleportation）。这是1993年按照量子力学设计出来的一种实验方案，把一个粒子A的量子态传输给远处的另一个粒子B，让B变成A最初的状态，传的是状态而不是粒子基本思路是这样：让第三个粒子C跟B组成EPR对，而C跟A离得很近，跟B离得很远。让A跟C发生相互作用，改变C的状态，于是B的状态也发生了相应的变化。A和C这个两粒子集合的状态有四种可能，即00、01、10、11。B的状态也相应地有四种可能，每一种可能都跟A最初的状态（即你想传输的目标状态）有一定程度的相似之处，可以通过某些量子力学的操作变成目标状态。对A和C的整体做一次测量，A和C就随机地突变到了00、01、10、11这四种状态中的某一个上，B也突变到了相应的状态。现在你得到了00、01、10或11，你可以把它理解为一个密码。把这个密码通过经典的通讯手段（比如电话、光缆）告诉B那边的人，对B按照密码进行操作，就得到了A最初的状态。可见，量子隐形传态的基本元素包括中介粒子、密码和经典信道。量子隐形传态量子隐形传态是在什么时候实现的？答案是1997年，当时潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学的塞林格（AntonZeilinger）教授组里读博士，他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》（“Experimentalquantumteleportation”）的文章，潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”，跟它并列的包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等。--A粒子最初是红色的，通过隐形传态让远处的B粒子变成红色，而A粒子同时变成了绿色单自由度量子隐形传态光子具有自旋角动量和轨道角动量。在以前的实验中，传的只是自旋角动量的状态。但是如果你想真正传输一个光子的完整状态，就需要把这两个自由度的状态都传过去。潘建伟研究组实现的就是这件事。所以完整意义的量子隐形传态，应该说是2015年才实现的。打个比方，现在用颜色和形状来表示状态，A粒子最初是红色的正方形，我们可以让B粒子变成红色的正方形，同时A变成绿色的圆形。双自由度量子隐形传态由于这项工作的重要性，《自然》在同一期上评论道：“该实验为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步，并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元。”1997年是实现了道生一，这次是实现了一生二。不过，离传人有多远的距离呢？可以这样估算。12克碳原子是1摩尔，即6.023*10^23个。人的体重如果是60公斤，就大约有5000摩尔的原子，3*10^27个。描述一个原子的状态，我不知道要多少个自由度，姑且算作10个吧。那么要描述一个人，就需要10^28量级的自由度。多自由度量子隐形传态以上介绍摘自----袁岚峰：科普量子瞬间传输技术，包你懂！叠加态量子构成物质的最基本单元能量的最基本携带者不可分割光子原子分子量子比特经典比特01＋量子叠加与量子比特|0|1光子极化|||=|+||𝜓=𝛼|𝐻+𝛽|𝑉|𝛽|2|𝛼|2量子不可克隆定理:未知的量子态无法被精确复制！在量子力学基础问题的实验检验中，人们发展和掌握了对单个量子的状态进行人工制备、对多个量子间相互作用进行主动操纵的能力||||＋“遥远地点之间的诡异互动”——爱因斯坦量子纠缠量子纠缠||||＋无条件安全的通信手段超快的计算能力，有效揭示复杂物理系统的规律测量精度超越经典极限量子信息量子通信量子计算与模拟量子精密测量C.H.BennettR.FeynmanP.ShorT.HänschJ.Hall量子通信一次一密，完全随机量子不可分割量子不可克隆定理原理上无条件安全的通信方式存在窃听必然被发现加密内容不可破译单粒子方案：Bennett&Brassard(1984)纠缠态方案：Ekert,PRL67,661(1991)量子保密通信的安全性C.Shannon密钥必须随机产生密钥不能重复使用密钥明文长度一样无条件安全CommunicationTheoryofSecrecySystems.BellSystemTechnicalJournal28,656(1949)Masanesetal.,PRL102,140501(2009)只要因果律成立（无法超光速通信），量子密钥分发的安全性就是得到严格证明的保密通信的安全性密钥分发的安全性利用万亿次经典计算机分解300位的大数，需150000年利用万亿次量子计算机，只需1秒3个比特可代表8种状态，但寄存器却只能记录其中一个结果，而3个量子比特构成的寄存器具备线性叠加态效果，可同时记录8种数值结果。量子并行性：可以同时对2N个数进行数学运算，相当于经典计算机重复实施2N次操作量子计算大数分解“大数据”、人工智能等求解一个亿亿亿变量的方程组，利用亿亿次的“天河二号”需要100年利用万亿次量子计算机，只需0.01秒解决大规模计算难题：密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探……量子计算基本原理量子比特能秒杀传统计算机比特得益于两个独特的量子效应：量子叠加和量子纠缠。量子叠加能让一个量子比特的值不仅仅是0或1，而是同时具备这两种状态，这可以实现同步计算。量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态，创造出一种超级叠加，每个量子比特的处理能力因此翻倍。比如，5个纠缠的量子比特能同时执行25或32个计算操作，而传统算机不得不按顺序进行32次计算。理论上，只要300全纠缠的量子比特就能支持比宇宙中原子数量更多的平行计算。这种大规模并行可能在很多任务上并没有什么价值—没有人认为量子计算机会革命文字处理或电子邮件。但其可以极大地加速被设计用来同时探索大量不同路径的算法，包括：大数据搜索、发现新型催化剂、对用于加密数据的大数进行因数