量子通讯与量子计算.ppt

1、内容：1 .导言；2.量子信息的特征；3.量子密码术；4.量子通信；5.量子计算机；6.结束语；1.导言。信息科学正面临挑战。信息科学在提高人类生活质量和促进社会文明发展方面发挥着无与伦比的惊人作用。然而，在信息化的过程中，人类也面临着越来越严重的问题，比如今天信息系统的处理，现有计算机的运行速度能无限制地增长吗？从1965年到1995年，微处理器和存储芯片集成的改进基本符合穆雷斯定律。戈登摩尔，英特尔公司的创始人之一。现有的密码系统绝对安全吗？关键的安全性是核心问题。所谓的“绝对安全”意味着能够抵御物理定律允许的攻击而不被破译。公钥RSA系统是基于“大数因式分解”的数学问题，这是一个很难计算

2、的问题，从严格意义上讲也不是绝对安全的。密钥可以克隆，这是密码系统不安全的根源。MD5和SHA1在世界上被广泛使用，最近被王小云教授宣布破解。2004年8月，王小云首次公布了四种著名密码算法MD5、HAVAL128、MD4和RIPEMD的解码结果。2005年2月7日，国家标准和技术研究所发表声明称，SHA1没有被违反，没有足够的理由怀疑它将很快被违反。开发人员应该在2010年前转向更安全的SHA256和SHA512算法。仅仅一周后，王小云宣布了破译SHA1的消息。这些问题对现有的信息技术提出了严峻的挑战。未来信息技术的可持续发展需要探索新的原则和方法。诞生于20世纪初的量子力学的奇妙特性，是现

3、代物理学的两大支柱之一。宏观物质的运动定律。量子力学：微观粒子的运动定律自然界的运动定律。经典粒子，特征：每个时刻的位置和速度都是完全确定的，并且有一个明确的运行轨迹，遵循牛顿力学。经典波，特征：它充满整个空间，遵循经典电磁场理论。微观粒子，特征：粒子和波动。假设在空间中有一个微观粒子，并且可以在任何时间在空间中的任何点检测到该粒子(类似于经典波的特征)，但是一旦被检测到，它只能在一个检测器中被发现(类似于经典粒子的特征)。经典粒子只能在某个时刻处于某个物理状态；量子粒子可以同时处于所有可能的物理状态(叠加态)。单个光子沿着哪条路径行进？“薛定谔猫”宏观量子叠加态，电子顺磁共振佯谬，电子顺磁共

4、振效应：非局域性是量子力学的基本性质。纠缠态、量子信息应运而生，量子特性可以在信息领域发挥独特的作用，在提高计算速度、保证信息安全和增加信息容量方面可以突破现有经典信息系统的限制，于是一门新的交叉学科诞生了：量子信息科学，它是量子物理和信息科学相结合的产物。量子密码，量子通信，量子计算，第二，量子信息的特性，自然界有三个元素：物质，能量和信息。有三个学科：材料科学、能源科学和信息科学。什么是“信息”？信息是我们在适应和控制外部世界的过程中与外部世界交流的内容和名称。“信息就是信息，既不是物质也不是能量”。为全人类带来更多丰富的高科技成果。20世纪，人类将量子力学应用于材料科学和能源科学，导致了

5、当代文明社会的高科技成果，如核能、半导体和激光。21世纪，人类将量子力学应用于信息科学，导致了量子信息的诞生。量子信息与经典信息的根本区别在于，经典信息是由二进制0或1组成的数字串，其信息单位称为“比特”，即0或1。可能是德斯，量子信息，微观粒子被允许同时处于和态，这是波粒二象性的结果。量子信息是经典信息的完善和扩展，就像复数z=x iy是实数x和y的完善和扩展一样。量子信息的单位叫做量子比特。量子位的物理载体(即量子态):光子、电子、原子、核自旋，以量子态为信息单位，“信息”被量子化。经典信息以“比特”为信息单位，量子信息以“量子比特”为单位。因此，量子信息遵循量子力学的定律。例如，经典信息

6、可以克隆，而量子信息不能克隆(量子不克隆定理)。当两个经典粒子分离时，它们是不相关的，但是当两个量子粒子处于纠缠态(EPR粒子)时，无论空间相距多远，仍然存在量子连接，并且作用于一个粒子将不可避免地影响另一个粒子的状态。因此，特殊的量子性质可以产生新的信息函数。3.量子密码使用量子态(量子比特)作为信息载体，通过量子信道传输，在合法用户之间建立共享密钥(经典随机数)，这是安全的，任何窃听都将被发现。量子力学的原理保证了它的安全性：如果窃听者试图通过测量量子态来窃取信息，他们将不可避免地干扰量子态本身，这将留下痕迹并被合法用户发现。如果窃听者试图通过复制传输密钥的量子状态来获取信息，量子不克隆定

7、理保证了这种复制不会成功。因此，原则上，量子密码术可以提供一个不能被破译和窃听的安全通信系统。目前，中国科技大学已经成功实现了125公里的光纤量子密钥传输和13公里的自由空间传输。量子密码通信是目前唯一被证明绝对安全的安全通信方法，美国商业周刊将其列为改变人们未来生活的十大发明之三。4，量子通信，1，量子隐形传态，长期以来，这种隐形传态被经典方法或量子方法认为是不可能的，而它只是“科学幻想”或“神话”。1993年，来自四个国家的六位科学家，如美国IBM公司的著名科学家Bennet，共同发表了一篇开创性的论文物理评论快报:“通过经典和EPR通道传输未知量子态”，并提出了一种方法，将一个粒子的未知

8、量子态(未知量子位)传输到远处的另一个粒子，使该粒子处于这种未知量子态，而原始粒子不被传输。量子隐形传态原理示意图，在接收到这两种信息后，接收器可以精确的复制出原来的量子状态。在这一过程中，原件留在发送方，只发送原件的量子态，而发送方始终对这个量子态一无所知；接收者将其他物质单位(如粒子)准备成与原始状态完全相同的量子状态，而他总是对这个量子状态一无所知；测量过程中原始物体的量子态被破坏，这并不违反“量子不可克隆定理”；这种未知量子态(qubit)的传输需要经典信道来传输经典信息(即发送者的测量结果)，并且传输速度不能超过光速而不违反相对论原理。1997年，奥地利学者(第二作者是中国科技大学学

9、生)报道了在自然界实现光子偏振态隐形传态的首次实验。这篇论文在学术界和新闻界引起了轰动，后来被自然杂志评为20世纪最具影响力的21篇经典论文之一。1998年，意大利学者在物理评论快报上发表了另一篇关于光子隐形传态的论文。1998年底，美国学者分别在科学和自然杂志上报道了新的实验。2.量子密集编码，通过发送单光子束可以传输两位信息。量子密集编码示意图，特点：(1)保密性高；(2)提高信息传输速率适用于紧急情况。3.量子通信网络，存储量子信息和过程量子存储器，量子通道，传输量子信息。目的：发展新的沟通原则和方法。例子：(1)网络量子密码术；(2)分布式量子计算。2004年6月3日，世界上第一个量子

10、密码通信网络在美国马萨诸塞州的剑桥正式投入运行。美国BBN技术公司负责这个网络建设。这个量子密码通信网络已经成功地将公司与哈佛大学连接起来，并很快扩展到波士顿大学。新的量子密码通信网络与现有的互联网技术完全兼容，网络传输距离约为10公里。5.量子计算机，N个存储器，经典：它可以存储一个数(2N个可能数中的一个)。量子：它可以同时存储2N个数，因此，量子存储器的数据存储容量是经典的2N倍，并且它随N成指数增长。例如，N=250，量子存储器可以同时存储比宇宙中原子数目更多的数据。计算是数据的转换。可以看出，对n个量子存储器的一次运算相当于对经典存储器的2N次运算。这就是量子计算机巨大的并行计算能力

11、。通过适当的量子算法，这种能力可以大大提高计算机的计算速度。广泛使用的RSA公钥：加密密钥、加密转换和解密转换都是公开的，但解密密钥是保密的。Shor量子并行算法是1994年量子信息领域的一个里程碑式的工作，在1998年世界数学家大会上获得了最高奖。该算法可以解决大数的因式分解问题。这种大数分解是一个困难的数学问题。谁的安全性依赖于“单向”功能127229？容易计算吗？29083难以计算，分解n的步骤(时间)随输入长度logN呈指数增长，这是经典计算难以计算的。例如，如果N=250，则需要8105年，N=1000，1025年(比宇宙的年龄长)，N=129，1600个工作站在1994年需要8个月

12、才能成功分解。Shor算法证明了分解n的时间随着logN的多项式而增加(即问题可以解决)。一旦量子计算机成功开发，现有的RSA密钥将是不安全的。目前，核磁共振实验中已经实现了一种扩展的Shor算法。格罗夫量子搜索算法，问题：从n个未分类的对象中找到一个特定的对象。例如，从按姓氏顺序排列的106个电话号码中找出一个特定的号码。经典电脑，一个一个查询，直到你找到你想要的号码。一般来说，要检查，找到的概率是。目前，格罗夫算法已经在核磁共振和光学系统中实现。量子模拟计算，诺贝尔奖获得者费曼曾提出这样一个问题：经典计算机能准确模拟量子系统的演化吗？答案是：不！量子计算机可以精确地模拟这种演化，为研究许多

13、重要的量子系统提供有效的工具，并成为科学研究的重要方法。目的：在核磁共振中，进行了量子模拟的初步实验。目前，量子谐振子和反谐振子的动力学行为以及三体碰撞哈密顿量的演化已经得到了模拟。量子编码和退相干是量子计算机实际应用的主要障碍，因为环境不可避免地会破坏量子相干性，使量子计算机演化为经典计算机。量子编码是克服退相干的主要方法。量子编码原理、量子纠错码、量子避错码和量子防错码已经在腔量子电动力学、离子阱、核磁共振和超导系统中实现。实现量子计算机的关键是找到一个适合制备量子网络的物理系统。展示了一个简单的量子网络。量子计算机的实现原理没有不可逾越的障碍，但技术实现却遇到了严重的困难。如何发展多量子

14、位的量子逻辑网络已经成为国际学术界关注的焦点。结论：量子信息作为一门新兴的交叉学科的诞生，无疑是量子力学的又一辉煌成就，这反过来丰富了量子力学的研究内容，有力地推动了量子理论的发展。随着信息时代的发展，人类已经将微观世界的量子理论应用到信息技术的高科技领域。量子信息因其速度快、功耗低、存储容量大、计算能力强、保密性好等独特性质，有可能成为信息时代的新主人，受到各国政府、军事部门、金融银行和企业的广泛关注。中国科学院先后支持知识创新项目：“量子物理与信息”和“量子通信技术研究”两个方向项目，科技部也将“量子通信与量子信息技术”列为“973”项目。目前，国内从事量子信息研究的单位主要有：中国科技大

15、学、武汉物理数学研究所、半导体研究所、理论物理研究所、物理研究所、华中师范大学、华南师范大学、清华大学、山西大学、国防科技大学、福建师范大学等。小组成员：李红才教授、林秀敏教授、李兴华副教授、林岫老师、陈志华老师、陈翔老师、黄志平老师，10名研究生。近三年来承担的一些科研项目：1 .林秀敏、李红才等。国家自然科学基金利用腔漏退相干效应实现量子计算2。郑世标、李红才等。QED和离子阱在国家自然科学基金量子信息中的应用3。张永生、林秀敏等。国家自然科学基金项目：量子点相干特性的量子光学研究4。李红才，林秀敏等。省级自然科学基金量子信息与量子通信应用研究。5。林秀敏，李红才等：省自然科学基金利用腔内退相干效应实现了量子信息和量子通信技术。近三年发表的一些论文：修-林敏等，多量子位控制相位翻转门的一步实现，已