光学工程前沿报告1潘运.docx

光学工程前沿之来自量子世界的新技术潘运（MF1415003)（南京大学光通信中心 江苏 南京 210008）摘要：本文是听完全国光电技术与系统学术会议中量子技术的邀请报告后，自己的一些感想和总结。郭光灿院士首先介绍了量子世界的与经典世界的一些不同的特点，用来引起大家对量子学的兴趣，然后着重介绍了量子密码和量子计算这两方面的量子学的应用，这两项应用着重体现了量子学巨大的发展前景，最后鼓励大家投身与科学研究的事业中来，体现了郭院士不仅自己专心搞研究而且期望拉起一个研究队伍的科研理念。本篇报告着重介绍量子光学的一些基础性知识，并且对会议中量子学的应用做一些介绍。关键词：量子光学，量子信息技术，量子世界Abstract: This article is after listening to the National Optoelectronic Technology and Systems Conference invited the report quantum technology, some of their own feelings and summary. Academician Guangcan Guo first introduced the quantum world with some of the different characteristics of the classical world, to arouse interest in quantum science, and then focuses on the quantum cryptography and quantum computing applications of quantum science in these two areas, which focuses on two applications quantum Theory reflects strong growth prospects, and finally to encourage everyone to join the cause of scientific research in the past, reflecting the professor Guo concentrate not only their own research and expect to pull out of a research team of research ideas. This chapter report highlights some of the basic quantum optics knowledge, and for meeting the application of quantum science to do some introduction.Keywords: Quantum Optics，Quantum information technology，Quantum World1. 引言量子世界具有经典世界所不具有的特点，对于常年生活在宏观世界中的人来说，这种微观的量子世界的特点可能会然人感到怪异。但是正是由于量子世界所具有的这种宏观经典世界所不具有的特点，所以对于量子学的研究必然能对经典世界的科学发展起到跨时代的推动作用。2012年诺贝尔物理学奖颁发给了阿罗什（法）和瓦恩兰（美），用以表彰他们在实验方法上的基础性突破，这项突破使得单量子操作和单量子测量成为可能。其中阿罗什提出了单光子腔囚禁光子【1】方案，如图1-1所示。利用高品质的腔将单个光子囚禁在光腔中，在腔中放入单个原子与光子发生相互作用，通过光腔来调控囚禁光子与环境的作用。图1-1而瓦兰恩提出了单离子阱囚禁单点离子方案，如图1-2所示。把囚禁离子的两个近简并基态作为一个两能级量子体系，将整个系统冷却到接近声子的基态，用激光来操控离子内态。图1-2由于经典世界是一个确定性的世界，而量子世界则是一个概率性的世界，所以经典世界里的理论大多拿到量子世界是行不通的。这就需要人来建立和研究量子世界的理论并进行实验验证，而在量子世界里的发现应用到经典世界来时，由于量子世界的特殊性这些应用的理论基础必然是与经典世界不同的，因而这些技术也就更容易比现在的技术更有优势和更好的发展前景。如量子学可能带来的新技术：量子通信，量子计算机，量子模拟，量子度量学等。2.量子学简介量子世界的“怪异性”有一些具体的体现：1. 在经典世界里我们可以在空间定域里清楚而准确的描述一个物体的位置信息，而在量子世界里我们没有办法给出一个粒子的确定时空信息，我们只能对该粒子的位置信息给出一个可能的概率分布。2. 在经典世界中物体从一个位置运动到另一个位置必然有一条确定的运动轨迹，而且这个轨迹是可以通过一定得方法得到的，而在量子世界里粒子从一个位置到另一个位置的这个过程会有无数条可能的运动轨迹，我们不可能测得这个粒子是怎样运动到另一个位置的，但是我们可以得到这个粒子各种动作的可能的概率。3. 对于经典世界中分开之后的两个物体，他们之间将会没有关联，可以各自确定他们的状态，而对于纠缠量子，他们之间互相关联，虽然没办法测得他们的状态，但是由于他们之间幽灵般的相互作用，可以得到他们状态间的关系。总之，量子世界的粒子不再遵从经典力学，而是量子力学。量子力学处理的是不可观测量，是几率。反应自然界的基本规律是概率性。量子纠缠【2】【3】（EPR效应）如图1-3，量子纠缠态：图1-3量子具有不可克隆性，不存在物理过程中可精确地复制任意量子态。这是量子密码安全行的基础，是量子信息提取不可逾越的障碍。如图1-4：图1-4量子调控是量子学应用的基础。量子调控要求能制备量子体系的量子态，操控其量子态的演化，测量量子体系的信息。量子体系是从单个粒子到多个粒子最终到宏观的量子物质的一个完整体系，只有能做到量子调控才能调控宏观量子物质。量子纠缠有着大量妙用。如量子隐形传态，在1993年的一篇开创性论文“经由经典的EPR通道传送位置量子态”中，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，是该粒子处在这个未知的量子态上，洱源县的粒子不被传送，这就是所谓的“量子隐形传态”。这种量子传态的基本原理是：通过两个互相纠缠的量子，其中一个量子用来测量原物的部分信息（经典信息），而另一个量子依靠纠缠保留了该原物未被提取的信息（量子信息）。然后接受者在获得这两种信息后，就可以制造出原物量子太的精确复制。这个隐形传态的过程有一下的特点：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。5. 量子信道的容量具有不可加性。量子纠缠作为一种量子资源，在量子密码，量子通信网络，量子计算，量子调控，量子模拟，量子纠缠网络等领域发挥着重要作用。3.量子密码信息安全是一场永无休止的博弈，在信息时代到来的今天，信息的大容量传输和信息价值量巨大，使得信息安全的问题越来越受到人们的关注。而有效保护通信安全的最通用的手段就是为信息加密。信息的加密技术从传统的虎符，“天书”等加密手段，到今天的DES，AES等编码加密手段。在传统的密码学中，密钥的传递是一个不容忽视的问题，对于 one time pad的密码是一次一密，用与明文等长的二进制密钥与明文异或得密文，再用相同密钥异或恢复明文。每个密钥使用一次后即销毁。而对于RSA密码，基于大数因子分解的难题，保证从公开密钥推导出私有密钥需耗费极巨大的资源。这两种方法中其中如非对称密码RSA和对称密码DES等都具有计算安全性，即理论上可破译，但血药耗费极大的时间和资源。而另一类如one time pad则具有无条件安全性，无论窃听者能力多强大，原理上都是不可破解的。而随着量子学的发展，量子计算机已经不再遥远，一旦量子计算机研制成功，现有的基于大数分解的RSA密钥将无密可保！这就要求我们要使用one time pad，而one time pad的安全密钥由于是一次一密分发十分困难，这就要求我们使用量子密码。总之：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力量！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。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。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。量子密码的安全性由量子力学【4】的物理原理保障。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。不确定原理：不能同时精确测量两个非对易物理量不可克隆原理：无法对一个未知的量子态进行精确的复制。单个光子不可再分：不存在半个光子！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止两种状态。由于态叠加原理，量子比特不仅可以处在0,1两种状态，还可以处在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。测量塌缩理论即不确定原理保证了每种编码方法对应一组测量。选对了测量，能精确的恢复信息；选择了错误的测量，则信息被完全毁坏。1984年，Bennett 与 Brassard联合提出了世界上第一个量子密码协议：BB84协议。当有窃听者存在是误码率会达到25%，无窃听者时为0。当误码率超过了阈值，就表示信道中间存在窃听者。此时警报响起，停止密钥分发，已分发密钥丢弃不用。量子密钥分配【5】的理论安全性已得到了严格的数学证明：理论上能够证明，量子密码不仅能抵抗经典的截取重发攻击，即使在量子攻击下也是安全的！实现BB84协议的技术困难：1. 单光子源：理想的单光子源制备非常困难，因此常用较易制备的弱相干光源来代替2. 单光子探测器3. 信道干扰4. 设备的非理想特性5. 身份认证，密钥存储等技术的改良配合量子密码技术有巨大的应用价值和前景，实际系统的安全性应受到重视，量子密码的大规模应用仍然任重道远。4.量子计算后摩尔时代的来临与量子计算产生具有必然性。20世纪高科技最重要的标志之一是电子计算机，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止作为信息处理单元1和0（为比特）。晶体管、芯片（集成电路）、计算机的发明奠定了人类信息社会的基础和核心技术。这些划时代的革命也荣获了1956年、2000年两度诺贝尔奖。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。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！量子计算相比经典计算的本质区别与天然优势。与量子密码通信一样，量子计算的量子比特也不仅只有0和1这两个状态，还可以处在0和1的叠加状态。以比特(0或1)作为信息处理单元, 称为经典计算。以量子比特作为信息处理单元, 称为量子计算。量子计算机具有强大的并行计算能力。一个经典的处理器可以处理0或1一个数，而一个量子处理器可以同时处理0和1两个数，而对于两个经典处理器可以处理00，01，10，或11中任意一个数，两个量子处理器却可以同时处理这四个数。由于量子力学的叠加原理，量子计算拥有指数增长的天然的并行优势！因此，量子处理器的处理数据能力是经典的 2N 倍，且随 N 指数增长。在经典力学系统中，一个比特的状态是唯一的，而量子力学允许量子比特是同一时刻两个状态的叠加，这是量子计算的基本性质。参考文献：1. 郭光灿 光子究