量子通信与量子计算.ppt

量子通信 与 量子计算,光信息科学与技术 0310190 李震 光信息科学与技术 0310326 黄章超,量子信息学，是一门利用微观粒子的量子 力学原理来解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题的学科，因此量子信息学是量子力学和信息学的交叉科学。 量子信息学最重要的两个应用方向是量子通信和量子计算。,一门新兴学科,量子信息学,量子信息学涉及的领域： 1）物理学 量子态的描述，传输和控制 2）信息科学 量子信息的编码、传输、处理 量子计算机的组织、结构 量子通信设备的系统、结构 3）数学 量子信息描述、运算,研究状况 1982年，Paul Bennooff提出量子计算机的假设 1985年，D.Deutsh构造了量子计算机模型 1992年，C.H.Bennett提出量子信道传送经典信息的可能性 1993年，SLloyd证明了二元量子逻辑门的通用性。,1993年，C.H.Bennett发表了量子测量、量子信息提取、量子信道、信道容量的开创性的研究成果。 1994年 Peter shor提出量子快速分解算法 1995年 Peter shor 提出量子纠错编码,量子信息,量子信息就是利用微观粒子状态表示的 信息。量子信息的载体可以是任意两态的 微观粒子系统。例如光子具有两个不同的 线偏振态或椭圆偏振态；恒定磁场中原子 核的自旋；具有二能级的原子、分子或离 子；围绕单一原子旋转的电子的两个状态 等。这些微观粒子构成的系统都是只有量 子力学才能描述的微观系统。,用具有两个电子层面的原子 来表示量子信息,在这个原子模型中，具有两个层面的电子 即能稳定在“基本”状态。我们把这两种状 态称为一个电子的两个极化状态，分别为 |0和 | 1。这两个状态之间可以通过外 界条件互相转化。 当利用量子的某一状态表示信息时，我 们就说信息量子化了，并称之为 量子信息,通过将信息量子化，就可以进行量子 通讯。,量子通讯是利用光的偏振对数据进行编码。 在一个方向上的偏振视为0，而另一个视为1。 常用的有两种偏振方式：,直线型,和,对角型,为了接收正确的信息，必须测量光子并使用 正确的滤光器偏振方向。例如，和信息传送 的偏振方向相同。如果一个接收器是处于直 线型的偏振方向，那么就会发射出对角偏振 的光子，然后一个完全随机的结果就会出现 在接收器上。使用这种方法，特性信息能够 发送而使窃听者无法不被发现地偷听。这就 涉及到,量子密码术,加密是保障信息安全的重要手段之一。当前 最常用的加密技术是用复杂的数学算法来改变 原始信息。这种方法虽然安全性较高，但存在 被破译的可能，并非绝对可靠。而量子密码术 是一种截然不同的加密方法，主要利用量子状 态来作为信息加密和解密的密钥。任何想测算 和破译密钥的人，都会因改变量子状态而得到 无意义的信息，而信息合法接收者也可以从量 子态的改变而知道密钥曾被截获过。,量子密码的安全性在理论上可由,1。海森堡测不准原理 2。量子不可复制定理,“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理， 它表明，在同一时刻以相同的精度测定量子 的位置与动量是不可能的，只能精确测定两 者之一。 “单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理” 的推论，它表明，在不知道量子状态的情况下 复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量 子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状 态。,根据这两条定理，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。,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。,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。,瑞士日内瓦大学1993年基于BB84方案的 偏振编码方案，在11公里长的光纤中传输 13微米波长的光子，误码率仅为054， 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 34。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，创造了目前光纤中量子密码通信距离 的新纪录。,量子计算机,自第一台电子计算机问世以来，构想能够超越传统所谓图灵机的计算模型，便是许多科学家努力的梦想。第一位提出此概念的是美国阿冈国家实验室的Paul Benioff，认为利用量子物理的二能态系统模拟数位0与1，可以设计出更有效能的计算工具。此概念稍后又经Feynman的引深，使得有更多的物理学家注意到量子力学与计算科学之间的关联。直到1985年，在英国牛津的物理学家David Deutsch发表的一篇论文，量子图灵机才正式开始具有数学形式。, 量子并行计算的能力来自于 量子态的可叠加性， 是量子信息理论应用的一个重要分支。 量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当 于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并 按一定的概率振幅叠加起来，最终给出量子计算机 的输出结果，以这种方式实现的信息处理叫量子并 行处理。量子并行处理大大提高了量子计算机的效 率，使得其可以完成经典计算机很难完成的工作。,问题的计算时间若以计算项数幂次上升的计算量完成，我们称此问题为P -问题（P 为英文多项式Polynomial 的第一字母），包含所有此类问题的集合以 P 表示。 NP 是英文 nondeterministic polynomial 的缩写，意思就是（时间）非确定性的多项式。,经典计算中存在着一大类NP 问题。这类 问题在经典计算机上是不能计算的，但是量子计算可以把其中的一部分NP 问题变成 P 问题，即问题的复杂度随着比特位数的增长 以多项式数量级上升。这类问题原则上是可 以计算的。 一个具体的例子就是大因数分解，按经 典计算复杂性理论，这个问题不存在有效算 法，所以被利用来进行经典密钥分配。但是 如果用量子计算机结合Shor 量子算法，这个 问题就变成了P 问题。,例如，为了对一个400 位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时 上百亿年 这几乎等于宇宙的整个寿命；而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机只需要大约 一分钟,Shor 量子算法,1994 年Shor 等人提出了一种大因数分解的量子多项式算法，引起了轰动。 Shor算法的核心是 1。 利用数论中的一些定理，将大数因子分解转化为求某个函数的周期。 2。 通过对储存器中的纠缠态实施 “量子傅立叶变换”， 从而完成经典计算机无法完成的大数因子分解。,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,在量子算法不断创新完善同时，量子计算机 的物理实现（主要为量子逻辑门的构造）也 在探索当中，目前已经提出的方案主要利用 了:,现在还很难说哪一种方案更有前景， 其中 量子点方案 与 超导约瑟夫森结方案 更适合集成化和小型化。,1）量子通信（量子信息论）还处在萌芽状态，正如刚刚发明无线电的18世纪，和刚发明电子计算机的20世纪中叶。还有很多课题和理论有待研究解决。 2）量子通信与量子计算机是一个综合学科，它已大大超出了电子学与经典信息论的范畴，