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未来的信息技术 郭光灿 中国科学技术大学量子信息重点实验室 灿郭印光 目录 一 引言 后莫尔时代的新技术二 量子密码三 量子因特网四 量子计算五 量子信息基础理论六 结论 一 引言 我国现代技术明显落后的状况与我国全面建设小康社会和实现中华民族复兴的宏伟目标极不相称 现代技术的世界格局基本确立 即便我们跟着现代技术的潮流向前发展 也难于在整体上超越国际先进水平 与西方强国水平上的差距甚至有可能越来越大 一 引言 新型工业化 必须以高技术为基石 但我国目前落后的科学技术现状明显地制约着新工业化的进程 当前摆在我们面前的一个紧迫任务是 如何闯出一条新的发展道路 开拓新一代技术 彻底摆脱长期被动的局面 实现真正的跨跃式发展 一 引言 莫尔时代的终结为开拓新技术创造了难得的机遇按莫尔定律发展的微电子造就了IT产业几十年的辉煌 然而 由于量子效应和热耗散的影响 人们却会完全失去按传统方式控制电子的能力 这表明 莫尔时代必将告终 一 引言 什么是后莫尔时代的新技术呢 它将如何超越以微电子和激光为代表的现代技术 已成为全世界战略竞争的新焦点 也为我国科技复兴提供一次难得的战略机遇 在现代技术发展的历史上 我们曾丧失掉若干极重要的发展机遇 导致在其后的战略竞争中始终处于下风 这次我们必须从探索研究阶段开始就牢牢地把握住机遇 争取先机 控制制高点 开拓出新一代技术 为中华民族自立于世界之林做出贡献 一 引言 量子调控孕育着新一代技术现代技术建立在量子力学基础之上 构成20世纪高科技的重要基石的微电子和激光都是直接应用到量子力学原理而发现的 现代技术的发展仅仅是量子力学简单应用而已 其本质上仍属经典调控技术 一 引言 现代技术是一种经典调控技术 它仅运用到基本的量子现象 一 引言 这些初等量子效应已经为人类社会造就了半个世纪的前所未有的昌盛和繁荣 更深刻的量子现象和效应将构成这种基于经典调控的现代技术难于逾越的障碍 换句话讲 现代技术正在迅速地达到其物理极限 人类文明社会的持续发展必然要依仗着更高层次的新一代技术的出现 量子调控应用到更深奥更奇妙的量子效应 它孕育着新一代技术 将在未来世纪中发挥出难于估量的影响 一 引言 量子调控的特征量子力学中奇妙的量子态 具有本质特征的相位和蕴藏着极其丰富量子效应的强耦合多粒子体系等更深刻的量子特征将孕育出面貌全新的技术 例如 相位伴随着量子干涉 而这种干涉可通过改变光 电 磁 机械和几何等参数来改变其载流子的相位 以调控干涉行为 达到技术上可使用的量子调控性 一 引言 在现代技术中仅运用到电子的电荷属性 传统上利用电场来控制电流 但电子同时具有自旋的量子属性 通过对电子自旋的量子调控和操纵 将导致新一代自旋电子学的诞生 开发出集存储 逻辑和显示等功能于一身的新一代自旋电子器件 运用量子态作为信息单元将使信息科学发生根本性变革 量子存储器的数据存储能力呈指数增长 运用适合算法 量子计算机可攻破现有的密钥体系 而量子密码则可提供绝对安全保密通信 一 引言 当现代光子技术中光的衍射极限构成光子器件性能提高的根本性障碍 诸如光存储能力 通信容量等受到了最终的限制 纳米尺度光子器件和近场光学可突破这种衍射极限的限制 极大地提高光子器件的性能 一 引言 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 量子态等量子概念的复杂体系的高级调控 调控方法 从目前广泛使用的简单低层次的经典调控方法发展到对电 磁 光等全面的深层次的高级量子调控方法 最终将开创出基于量子调控的新一代技术 预期这种技术将具有相干性好 可集成控制 快速操作 功能集成和低功耗等现代技术所无法具备的特征 一 引言 20世纪60年代 日本正是抓住从电子管转型到晶体管的机遇 及时地提出 半导体立国 的发展战略 一跃成为工业大国 21世纪我国应及时地把握住现代技术转型的重要时机 将 量子调控技术 作为国家发展战略任务给予有力扶持 必将在我国新型工业化发展中发挥至关重要作用 一 引言 现代技术本质上是应用了量子力学基本原理的经典调控技术 而未来的新一代技术则是应用到诸如量子态 相位 强关联等深层次量子特性的量子调控技术 如图1所示 一 引言 现代技术 经典调控 微电子技术 光子技术 经典信息 极限 集成度限制 运算速度 极限 衍射斑限制 通信容量等 极限 0 1布尔代数限制 串行运算 一 引言 后莫尔时代的新技术 量子调控 分子 纳米电子 纳米光子学 量子信息学 特点 自组装性能 突破集成度极限 特点 近场光学性能 突破衍射极限 特点 量子态作信息单元性能 并行运算 现代技术和新一代技术 一 引言 量子信息将成为后莫尔时代的新技术 它是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科 量子信息以量子态作为信息单元 信息从产生 传输 处理和检测等均服从量子力学的规律 基于量子力学的特性 诸如叠加性 非局域性 纠缠性 不可克隆性等 量子信息可以实现经典信息所无法做到的新的信息功能 突破现有信息技术的物理极限 一 引言 量子计算可以加快某些函数的运算速度 量子因特网具有安全性 并集信息处理和传输于一体 可实现多端分布计算 降低通信复杂度 量子密码可以确保量子密钥分配的安全性 与一次一密算法的不可破译性相结合 可提供不可窃听 不可破译的安全保密通信 一 引言 量子信息的诞生促使信息科学从 经典 跨越到 量子 时代 为信息科学的持续发展提供新的原理和方法 将在本世纪中发挥出难以估量的影响 最终形成新QIT产业 一 引言 以比特 0或1 作为信息单元 称为经典信息 01011101001011101100001101111000001100 以量子比特作为信息单元 称为量子信息 量子比特 量子信息是经典信息的扩展和完善 正如复数z x iy是实数的完善和扩展 何为 量子信息 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 一 引言 量子比特 与 比特 有何区别 一 引言 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 一 引言 单光子干涉 量子态有何特殊性质 一 引言 一则漫画 一 引言 量子信息过程遵从量子力学原理 于是可实现经典信息无法做到的新信息功能 如 量子密码 量子通信网络 量子计算 等等 一 引言 量子不可克隆定理 不存在物理过程可精确地复制任意量子态 量子克隆机 A B A B No 量子密码安全性的基础 量子信息提取不可逾越的障碍 一 引言 薛定谔猫 一 引言 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 量子纠缠态 A B构成 量子通道 EPR效应 一 引言 量子信息技术 量子密码 量子因特网 量子计算 目录 一 引言 后莫尔时代的新技术二 量子密码三 量子因特网四 量子计算五 量子信息基础理论六 结论 二 量子密码 军事指挥系统的保密通信 二 量子密码 网络政务 二 量子密码 远程授权与网络合同 经典密钥分配 基于私钥的保密通信 二 量子密码 基于公钥的保密通信 二 量子密码 经典密钥分配 二 量子密码 量子密钥分配 一次一密的不可破译性 量子密钥的不可窃听性 绝对安全的保密通信 二 量子密码 量子密钥分配 二 量子密码 1 量子密钥分配的安全保证A 以单光子 量子 携带信息 不怕敌人分取信息 B 量子不可克隆定律保证敌人不可能拷贝信息 物理层面的安全性2 量子密钥分配的几种方案A BB84 B92 方案 B EPR方案C 正交态方案 D 信道加密方案 二 量子密码 偏振态编码 二 量子密码 光子相位量子态 二 量子密码 相位编码方案 BB84协议 D1 D2 相位调制器 相位调制器 Alice安全区 Bob安全区 二 量子密码 光子偏振态代表0 1两组基共四个不同的偏振态例如 线偏振基 水平 垂直 圆偏振基 左旋 右旋 Alice随机选送四个态中的任意一个 Bob随机选任意一组基测量 BB84方案 偏振编码 二 量子密码 1 Alice随机选择一个偏振态光子传出2 Bob随机选择一组偏振基同步测量3 Bob实际测得的偏振光子 只Bob知道 4 Bob通知Alice测量到光子用的偏振基 不是态 5 Alice告诉Bob那些选择是正确的6 双方按约定转换成0 1 BB84方案 偏振编码 二 量子密码 以M Z干涉仪分配密码第一组基 0 第二组基 2 3 2 水平 垂直偏振 左 右圆偏振 优点 不受途中外界干扰影响1 可能的传输距离远 2 长期稳定性好 3 抗干扰力强 BB84方案 相位编码 二 量子密码 室内 英国人122公里 日本人 测试 150公里 双不等臂M Z干涉仪方案 二 量子密码 英国 122公里 2004年4月 日本 150公里 测试 实验室内结果 二 量子密码 双不等臂M Z的不稳定性 二 量子密码 日本人100公里 室内 瑞士人67公里 通讯线路 法拉第反射镜往返式方案 二 量子密码 1 瑞士 日内瓦湖底67公里 实际通讯线路 二 量子密码 2 日本 100公里 NEC2003 实验室内 二 量子密码 世界上第一台商用量子密码机NAVAJO 二 量子密码 光纤量子密钥分配实用化研究遇到的关键性问题 往返式M Z干涉仪 稳定但不安全 可用木马光子窃听而不被发现 单向式M Z干涉仪 安全但不稳定 我们设计了一种新型方案 既安全 单向 又稳定 申请发明专利 二 量子密码 稳定性 测试距离175公里 条纹长期稳定 相位缓慢漂移 二 量子密码 极限传输距离 二 量子密码 三代核心装置 2002 2003 2004 二 量子密码 光缆线路图 二 量子密码 二 量子密码 二 量子密码 二 量子密码 天津 发射端系统图 二 量子密码 北京 接收端系统图 二 量子密码 1 解决了相位编码量子密钥分配系统在实际通信线路中的长期高稳定度运行问题 2 使用较少 一对光纤线路 的光缆线路资源实现了量子密钥分配与加密图像信号的传输 3 本实验的结果证明 125公里范围内的实际光缆线路量子保密通信的关键性技术障碍已经全部克服 目录 一 引言 后莫尔时代的新技术二 量子密码三 量子因特网四 量子计算五 量子信息基础理论六 结论 三 量子因特网 量子通信按量子通道可分为两类 1 恒等变换通道如光纤 在理想场合 量子比特在传送过程不发生变化 即保真度为1 2 量子纠缠通道通信双方或多方共享处于纠缠态的粒子 并同时使用经典通信和局域操作来实现信息传送 三 量子因特网 量子通信网络比起现有网络有显著优越性 保密性强 集信息处理与传送为一体 通信复杂度降低等 量子通信网络 三 量子因特网 量子隐形传态 QuantumTeleportation 传送单个量子比特的技术 三 量子因特网 实验验证 奥地利小组的实验原理图 三 量子因特网 量子通信采用量子技术来传送量子信息 它比起现有因特网有一系列优点 美国拟在10年左右实现全球量子因特网 如图2所示 量子因特网的功能是在网中任何两个通信节点之间实现量子信息的交换 或者多个节点协同进行分布计算 其核心技术包括 量子态工程 量子通道 纠缠操控 量子信息处理器 量子测量技术等 三 量子因特网 信源 编码 信息传输 解码与探测 量子态工程单光子源 度量压缩编码 直接通道纠缠通道信道容量 探测器Bell基测量广义量子测量QND 量子通信基本过程 三 量子因特网 1 量子态工程研究如何制备 操纵和存储作为信息载体的量子态等问题 包括 1 可控单光子源 目前实用单光子是种将激光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0 1个光子的准单光子源 理想的单光子源应是每个脉冲有且仅有一个光子 其发射时间 发射方向和光子频率可以人为精确控制 人们正致力研制这种光子源 但尚未完成实现 三 量子因特网 2 量子态操纵 量子态的制备 识别 克隆 变换以及层析照像等 3 量子存储器 它应必须能有效地存储量子信息 以备进一步操作或传送之用 主要研究内容是寻找能够长时间保存量子态的物理系统 并且要能克服环境的干扰即消相干问题 4 高亮度 高纠缠度的纠缠光子源的制备 其参数可控且其波长损耗最小 三 量子因特网 2 信源编码理论研究如何在保持不失真的前提下有效压缩量子信源的冗余度 以增大传输效率 涉及到量子信息度量问题 如保真度 距离熵 Holevo信息和可获取信息 以及信源编码问题 如编码基的选取 对混合态和有限序列进行压缩编码等 三 量子因特网 3 量子信道研究如何建立远距离的纠缠通道和在有噪声通道中如何有效地传送量子信息使其保真度达到所预期的值 包括 信道消相干及其克服办法 消相干过程 量子纠错编码 DFS编码和QND测量压制损耗等 纠缠通道的建立 关键性问题是远距离纠缠通道的建立和局域量子操作的实现 三 量子因特网 量子中继原理和技术 解决所传送的量子信息保真度随距离指数衰减的难题 量子中继通过纠缠交换将能有效制备和自动进行纠缠纯化的短距离量子通道扩展为更远距离 其结构复杂度是距离的多项式函数 信道容量 研究纠缠通道在各种辅助条件 如LQCC 的通信能力 三 量子因特网 基于量子纠缠的量子通信目的 在相距甚远的用户之间传送量子态 关键问题 纠缠度随通道长度指数衰减 量子信息保真度指数衰减 三 量子因特网 解决办法 纠缠纯化 即由若干被破坏的纠缠通道纯化成最大纠缠通道 存在问题 所需的部分纠缠通道数随距离增大指数增长 三 量子因特网 量子中继器 原则上可以解决保真度指数衰减的困难其基本思想 将通信信道按衰减长度量级分成若干段 1 每段产生纠缠和纯化 2 经由纠缠交换将相邻段落间接起来 3 因纠缠交换使纠缠度降低 需要再纯化 如此反复进行 三 量子因特网 关键的硬件是 量子存储器 纯化是概率性的 纯化成功后存储且保持该段量子态 只需对失败段再纯化 这是确保通信效率多项式扩展的核心 若无存储器 则要求所有段的纯化要同时成功 这样的事件的概率随距离指数降低 原子量子存储器 将量子信息存储于原子态中 而不是光子态 这要求光腔Q值很高以使光子与原子有强耦合 可用于原子纠缠的产生 纯化 三 量子因特网 Duan等人提出热原子系综方案 可以解决上述问题 三 量子因特网 纠缠的产生 三 量子因特网 采用线性光学通过交换实现纠缠连接 三 量子因特网 如类似于Ekert方案的量子密钥分配 最终的EME态可直接用于通信 三 量子因特网 Non classicalphotonpairsgeneratedfromaroom temperatureatomicensembleAbstract Wereportexperimentalgenerationofnon classicallycorrelatedphotonpairsfromcollectiveemissioninaroom temperatureatomicvaporcell Thenon classicalfeatureoftheemissionisdemonstratedbyobservingaviolationoftheCauchy Schwarzinequality Eachpairofcorrelatedphotonsareseparatedbyacontrollabletimedelayupto2microseconds ThisexperimentdemonstratesanimportantsteptowardstherealizationoftheDuan Lukin Cirac Zollerschemeforscalablelong distancequantumcommunication Phys Rev A2004年发表 三 量子因特网 在上述方案中 首要的一步是演示在所发射的光子与长寿命集体原子激发之间的量子关联 在这个实验中 我们在室温Rb原子气体中观察这个非经典关联 在实验中 原子集体激发不断地被转换成光子 由此 我们便可观察两个相继发射光子之间的关联 三 量子因特网 三 量子因特网 a SMfiber 三 量子因特网 由测得数据来检验是否违背Cauchy Schwarz不等式 实验结果 三 量子因特网 WeiJiang ChaoHan PengXue Lu MingDuan Guang CanGuo Preprintquant ph 0309175 三 量子因特网 同Kimble Lukin两个小组的实验相比 我们的实验有以下优点 1 采用室温Rb原子气体 比Kimble组的MOT束缚冷原子简单 便宜 2 Kimble组的延迟时间为400ns 我们的为2 s 3 Lukin小组采用热原子系综 但不处于单光子范畴 量子态的探测研究如何有效地提取信息 涉及到单光子探测技术 Bell态测量和广义量子测量 QND测量等 目前 国际学术界正致力于上述关键性科学和技术问题的研究 一旦取得突破就可实现量子因特网 它可与量子计算相结合 实现量子信息的远程操作 远程量子态制备和远程量子态克隆 还可以实现高精度的量子刻蚀和时钟同步 在分布计算中有效地降低通信复杂度等 三 量子因特网 目录 一 引言 后莫尔时代的新技术二 量子密码三 量子因特网四 量子计算五 量子信息基础理论六 结论 四 量子计算 经典 量子 可存储0或1 一个数 可同时存储0和1 两个数 一个存储器 两个存储器 经典 量子 可存储00 01 10或11 一个数 可同时存储00 01 10 11 四个数 量子计算机的并行计算能力 四 量子计算 N个存储器 经典 可存储一个数 2N个可能的数之中的一个数 量子 可同时存储2N个数 因此 量子存储器的存储数据能力是经典的2N倍 且随N指数增长 例如 N 250 量子存储器可同时存储比宇宙中原子数目还要多的数据 四 量子计算 计算是对数据的变换 经典计算机 对N个存储器运算一次 只变换一个数据 量子计算机 对N个存储器运算一次 同时变换2N个数据 四 量子计算 可见 对N个量子存储器实行一次操作 其效相当于对经典存储器进行2N次操作 这就是量子计算机的巨大并行运算能力 采用合适的量子算法 这个能力可以大大地提高计算机的运算速度 四 量子计算 Shor量子并行算法 1994年 量子信息领域的里程碑工作 获1998年世界数学家大会最高奖 这个算法可以求解 大数因子分解 难题 这类大数因子分解是个难解的数学问题 其安全性依赖于 单向 函数127 129 很容易计算 29083很难计算 四 量子计算 分解N运算步骤 时间 随输入长度logN指数增长 用经典计算是难以计算的 例 若N 250 要用8 105年N 1000 要用1025年 比宇宙年龄还长 N 129位 1994年1600台工作站花了8个月分解成功 四 量子计算 Shor算法证明 采用量子计算机并行计算 分解N的时间随logN的多项式增长 即可解问题 所以 一旦量子计算机研制成功 现有的RSA密钥将无密可保 四 量子计算 四 量子计算 四 量子计算 量子计算技术有可能成为二十一世纪上半叶人类最伟大的技术突破之一 该技术一旦成为现实 基于量子力学的算法将远优于经典算法 从而使现有的密码系统产生根本性的变革 直接影响到各国的国防部门乃至整个经济社会 基于量子计算的量子模拟技术 将有助于人们清楚地认识介观体系的物性 进而可能成为新的技术发明和发现的基本研究手段 未来量子计算机的成品 极可能是基于纳米技术和微观操控技术 从而量子计算机的研究将为这些目前新兴的技术领域提供技术革新的动力 四 量子计算 量子计算机的实现已不存在原则性的障碍 今年日本和美国联合的研究小组已经在实验上实现了两个超导电荷量子比特的相干振荡 美国在2002年年底制定的十年发展规划中 已明确地将目标定位于 到2012年发展一套可行的带有足够复杂度的量子计算技术 以其充当量子计算检测平台的功能 在这个平台之上去探索量子计算机的构建及算法等问题 四 量子计算 量子计算机的技术实现问题已不是一个遥远的梦想 它已经到了基本的实验实现阶段 在我国开展量子计算技术的研究 不仅是必要的 而且是迫切的 由于量子计算必须是在相干地操控多个量子逻辑比特时才能展示出巨大的威力 所以 作为一个长远的目标 我们应该发展具有可扩展性的量子计算技术 四 量子计算 量子计算 实现量子计算必须解决下列问题 量子逻辑网络 硬件 量子芯片 实现量子计算的物理系统 量子算法 提高运算速度的关键 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 四 量子计算 量子门和量子逻辑网络 四 量子计算 量子算法 1994年 Shor量子并行算法1997年 Grove量子搜寻算法已有更多算法在探索之中 四 量子计算 量子编码 量子计算机的实际应用的重要障碍是宏观环境不可避免地破坏量子相干性 即所谓消相干问题 使量子计算机演变成经典计算机 若不能有效地克服消相干 即是量子硬件做成了 量子计算机也无法实际应用 量子编码是克服消相干的有效方法 它引入冗余度 将有用的量子信息分配到更多量子比特之间纠缠之中 四 量子计算 现有量子编码有三种不同类型原理 其中量子避错码原理是我们在国际上最早提出的 发表在PhysicalReviewLetters 1997 总之 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有待时日 四 量子计算 目前研究可扩展量子计算技术的主要用途1 基于超导的量子计算技术2 基于固体量子点的量子计算技术3 基于线性光学的量子计算技术4 基于中性原子的量子计算技术 1 光子晶格 2 腔QED 四 量子计算 利用微阱阵列中的离子实现可扩展的电子计算机Nature2000 byJ I Cirac P Zoller 四 量子计算 Nature2001 byI L Chuang小组 采用NMR实现Shor量子因子分解算法 N 15 四 量子计算 采用线性光学实现有效量子计算的方案Nature2001 byE Knill等 四 量子计算 采用THz辐射相干操控半导体量子比特Nature2001 byB E Cole等 四 量子计算 大尺度离子阱量子计算机的结构Nature2002 byD Kielpinski等 四 量子计算 两个相互耦合电荷量子比特的量子振荡Nature2003 byYu A Pashkin等 四 量子计算 Cirac Zoller可控 NOT量子门的实现Nature2003 byF Schmidt Kaler等 四 量子计算 无消相干子空间的实验验证Science2000 byP G Kwiat等 四 量子计算 光诱导单个量子点中的激子纠缠Science2000 byP G Kwiat等 四 量子计算 宏观持续电流态的量子叠加Science2000 byC H vandel等 四 量子计算 量子点单光子源Science2000 byP Michler等 四 量子计算 用于量子计算的俘获离子的几何操作Science2001 byL M Duan等 四 量子计算 采用核自旋实现用于量子信息处理的无噪声子空间Science2001 byL Viola等 四 量子计算 电驱动的单光子源Science2002 byZhiliangYuan等 四 量子计算 超导流量子比特的相干量子动力学Science2003 byI Chiorescu等 四 量子计算 两个超导量子比特中的纠缠宏观量子态Science2003 byA J Berkley等 四 量子计算 我们的研究途径 基于腔QED的量子计算实现 量子比特 普适门 固体微球腔中离子能级 单个量子比特的旋转 两个量子比特的可控相位门 四 量子计算 可控相位门 量子芯片 以光子作中介采用局域操作实现 K2 Transmittedat 0 T Reflectedat T 2T HWP1 HWP2 CPFgatebetweentwoions 目录 一 引言 后莫尔时代的新技术二 量子密码三 量子因特网四 量子计算五 量子信息基础理论六 结论 五 量子信息基础理论 量子信息应用量子力学原理和方法来研究信息科学 从而开发出现经典信息无法做到的新信息功能 反过来 量子信息的发展大大地丰富了量子力学的研究内容 有力地将量子理论推向更深层次的发展阶段 使人类对自然界的认识更深刻 更本质 量子信息的基础理论为量子信息技术的发展构建雄厚理论平台 为其持续发展打下扎实基础 当前学术界关注的若干研究内容如下 五