[科普中國(guó)]-量子信息

在量子力學(xué)中，量子信息(quantum information)是關(guān)于量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息。通過(guò)量子系統(tǒng)的各種相干特性（如量子并行、量子糾纏和量子不可克隆等），進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞健?/p>

概述量子信息最常見(jiàn)的單位是為量子比特(qubit)——也就是一個(gè)只有兩個(gè)狀態(tài)的量子系統(tǒng)。然而不同于經(jīng)典數(shù)位狀態(tài)（其為離散），一個(gè)二狀態(tài)量子系統(tǒng)實(shí)際上可以在任何時(shí)間為兩個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)，這兩狀態(tài)也可以是本征態(tài)。1

詳解量子是一個(gè)態(tài)．所謂態(tài)在物理上不是一個(gè)具體的物理量，也不是一個(gè)單位，也不是一個(gè)實(shí)體，而是一個(gè)可以觀測(cè)記錄的一組記錄（也就是確定組不變量去測(cè)量另外一組量），但是這組記錄可以運(yùn)算．并可以求出某時(shí)刻對(duì)是已觀測(cè)的紀(jì)錄對(duì)比十分吻合．這個(gè)就是波動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)．要解決量子信息．首先要在邏輯有一個(gè)多值邏輯理論，才能通過(guò)對(duì)于量子態(tài)對(duì)應(yīng)于一個(gè)實(shí)體，也就是現(xiàn)在所謂的給量子的態(tài)賦給予實(shí)體的功能，這樣就可以實(shí)現(xiàn)某些交換，也就是可以計(jì)算，只要這組態(tài)符合一定的條件，由波動(dòng)力學(xué)，結(jié)論一定成立．這就是量子信息學(xué)的基礎(chǔ)，如果一旦能找到符合理論的這些態(tài)，則計(jì)算能力將不是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的N信部題，而是的一0時(shí)計(jì)算的超量完成．對(duì)某個(gè)有限大的數(shù)組在量子態(tài)可以理論上是0時(shí)完成，也就是超距變換。這是量子信息學(xué)的研究動(dòng)力。

根據(jù)摩爾（Moore）定律，每十八個(gè)月計(jì)算機(jī)微處理器的速度就增長(zhǎng)一倍，其中單位面積（或體積）上集成的元件數(shù)目會(huì)相應(yīng)地增加?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，芯片元件就會(huì)達(dá)到它能以經(jīng)典方式工作的極限尺度。因此，突破這種尺度極限是當(dāng)代信息科學(xué)所面臨的一個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題。量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，發(fā)揮量子相干特性的強(qiáng)大作用，探索以全新的方式進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)目赡苄?，為突破芯片極限提供新概念、新思路和新途徑。量子力學(xué)與信息科學(xué)結(jié)合,不僅充分顯示了學(xué)科交叉的重要性, 而且量子信息的最終物理實(shí)現(xiàn), 會(huì)導(dǎo)致信息科學(xué)觀念和模式的重大變革。事實(shí)上，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)也是量子力學(xué)的產(chǎn)物，它的器件也利用了諸如量子隧道現(xiàn)象等量子效應(yīng)。但僅僅應(yīng)用量子器件的信息技術(shù)，并不等于是現(xiàn)在所說(shuō)的量子信息。目前的量子信息主要是基于量子力學(xué)的相干特征，重構(gòu)密碼、計(jì)算和通訊的基本原理。

糾錯(cuò)量子狀態(tài)耶魯大學(xué)研究人員成功開(kāi)發(fā)出一種新方法，既可以觀察量子信息，同時(shí)還能保持其完整性，這將給量子力學(xué)研究提供更大的控制權(quán)，以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，并將極大地提升量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展前景。該研究結(jié)果發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上。

耶魯大學(xué)應(yīng)用物理與物理研究教授米歇爾和主要研究者弗雷德里克說(shuō)：“盯著一個(gè)理論公式是一回事，能夠真正控制一個(gè)量子對(duì)象是另一回事。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是量子計(jì)算過(guò)程中必不可少的一次彩排，可以真正積極地理解量子力學(xué)?！?/p>

在量子系統(tǒng)中，信息是由量子比特來(lái)存儲(chǔ)的。量子比特可以假定為“0”或“1”兩個(gè)狀態(tài)，這兩個(gè)狀態(tài)在同一時(shí)刻是疊加的。正確認(rèn)識(shí)、解釋和跟蹤它們的狀態(tài)對(duì)于量子計(jì)算非常必要。但通常情況下，監(jiān)視量子比特會(huì)損害其信息內(nèi)容。

新開(kāi)發(fā)的這種非破壞性的測(cè)量系統(tǒng)可以觀察、跟蹤和記錄一個(gè)量子位所有狀態(tài)的變化，同時(shí)保持量子比特的信息價(jià)值。研究人員說(shuō)，原則上，這將允許其監(jiān)視量子比特的狀態(tài)，以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤。

米歇爾說(shuō)：“具有與量子比特對(duì)話的能力，并且聽(tīng)到它在告訴你什么，這就是關(guān)鍵所在。量子計(jì)算機(jī)一個(gè)主要問(wèn)題是量子比特存儲(chǔ)的信息‘壽命’有限，并持續(xù)衰減，所以必須予以糾正?！?/p>

弗雷德里克說(shuō)：“只要你知道過(guò)程中發(fā)生了什么錯(cuò)誤，就可以修正。這些錯(cuò)誤基本上是可以撤消的。”

該研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以成功地測(cè)量一個(gè)量子比特，未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)是一次測(cè)量和控制更多的量子比特。他們正在開(kāi)發(fā)基于此目的的超高速數(shù)字電子技術(shù)。2

領(lǐng)域量子通信美國(guó)在2005年建成了DARPA量子網(wǎng)絡(luò)，連接美國(guó)BBN公司、哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)3個(gè)節(jié)點(diǎn)。中國(guó)在2008年研制了20km級(jí)的3方量子電話網(wǎng)絡(luò)。2009年構(gòu)建了一個(gè)4節(jié)點(diǎn)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，大大提高了安全通信的距離和密鑰產(chǎn)生速率，同時(shí)保證了絕對(duì)安全性。同年，“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”在北京正式開(kāi)通，是世界上首次將量子通信技術(shù)應(yīng)用于金融信息安全傳輸。2014年中國(guó)遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)展至200公里，刷新世界紀(jì)錄。2016年8月16日，中國(guó)發(fā)射一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，并力爭(zhēng)在2030年建成20顆衛(wèi)星規(guī)模的全通型量子通信網(wǎng)。

量子計(jì)算量子計(jì)算機(jī)由包含有導(dǎo)線和基本量子門的量子線路構(gòu)成，導(dǎo)線用于傳遞量子信息，量子門用于操作量子信息。

2015年5月，IBM在量子運(yùn)算上取得兩項(xiàng)關(guān)鍵性突破，開(kāi)發(fā)出四量子位原型電路（Four Quantum Bit Circuit），成為未來(lái)10年量子電腦基礎(chǔ)。另外一項(xiàng)是，可以同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩項(xiàng)量子的錯(cuò)誤型態(tài)，分別為Bit-Flip（比特翻轉(zhuǎn)）與Phase-Flip（相位翻轉(zhuǎn)），不同于過(guò)往在同一時(shí)間內(nèi)只能找出一種錯(cuò)誤型態(tài)，使量子電腦運(yùn)作更為穩(wěn)定。2016年8月，美國(guó)馬里蘭大學(xué)學(xué)院市分校發(fā)明世界上第一臺(tái)由5量子比特組成的可編程量子計(jì)算機(jī)。

量子雷達(dá)量子雷達(dá)屬于一種新概念雷達(dá)，是將量子信息技術(shù)引入經(jīng)典雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域，提升雷達(dá)的綜合性能。量子雷達(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、可識(shí)別和分辨隱身平臺(tái)及武器系統(tǒng)等突出特點(diǎn)，未來(lái)可進(jìn)一步應(yīng)用于導(dǎo)彈防御和空間探測(cè)，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)利用量子現(xiàn)象和光子發(fā)射機(jī)制的不同，量子雷達(dá)主要可以分為三個(gè)類別：一是量子雷達(dá)發(fā)射非糾纏的量子態(tài)電磁波；二是量子雷達(dá)發(fā)射糾纏的量子態(tài)電磁波；三是雷達(dá)發(fā)射經(jīng)典態(tài)的電磁波。2008年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Lloyd教授首次提出了量子遠(yuǎn)程探測(cè)系統(tǒng)模型。2013年意大利的Lopaeva博士在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)成量子雷達(dá)成像探測(cè)，證明其有實(shí)戰(zhàn)價(jià)值的可能性。中國(guó)首部基于單光子檢測(cè)的量子雷達(dá)系統(tǒng)由中國(guó)電科14所研制，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、 中國(guó)電科27所以及南京大學(xué)協(xié)作完成。不過(guò)專家表示，量子雷達(dá)想要實(shí)現(xiàn)工程化可能還有比較漫長(zhǎng)的路要走。

量子博弈量子博弈是Eisert等人在1999年提出的，游戲者可以利用量子規(guī)律擺脫所謂的囚徒困境，防止某一玩家因背叛而獲利。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)