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量子通信初步 朱建锋Zjf.mail@126.com 内 容 量子与量子力学 量子信息学 量子计算 量子通信 量子密码学 总结 1 量子与量子力学 量子(quantum) 来自拉丁语quantus，意为“多少”，代表“相当数量的某事”。量子不是物质，也不是能量。 量子化(quantization) 在物理学中使用“量子化”的概念来描述物理量的数值是离散化而不是连续的。 量子理论是现代物理学的两大基石之一，为从微观理解宏观提供了理论基础。 量子力学 1900年德国的普朗克（Planck）在研究黑体辐射时提出了“量子”的概念，指出能量的辐射是一份一份的进行，而不是连续辐射的，这是对经典物理学的突破，也是近代物理学的开端。 1905年爱因斯坦在研究光电效应时试探性地假设了光量子的存在，并用它成功地解释了光电效应。 1926年奥地利学者薛定谔创立波动力学，同年德国的海森堡创立矩阵力学。矩阵力学和波动力学统称量子力学，量子力学正式诞生。 近代物理学英雄谱 主要物理原理 量子状态公设：任一个孤立物理系统对应一个矢量空间，它是一个复空间称为Hilbert空间。 量子测量公设：对系统测量将破化其封闭性，引出海森堡测不准原理。 量子纠缠：N（N1）个量子可以处于量子纠缠态，状态相互影响。 其他公设：略。 2 量子信息学 内容：以量子力学基本原理为基础、充分利用量子的独特性质（如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆）、探索以全新的方式进行计算、存储、编码和传输信息的可能性 方向：量子计算、量子通信和量子密码 量子比特 经典比特：用布尔逻辑描述，任何时刻只能表示0、1状态之一； 量子比特：用矢量描述，可以表示0、1的线性叠加。规定原子在基态时记为 |0〉，在激发态时原子的状态记为 |1〉。原子除了保持上述两种状态之外，还可以处于两种态的线性叠加，记为 |φ〉=a |1〉+ b |0〉 a和b分别代表原子处于两种态的几率幅。 量子比特 比特数与等效内存 10 1KB； 20 1MB； 30 1GB； 300 10^90，超过宇宙中原子总数 运算：经典比特运算是与或非门运算，量子比特运算是幺正变换 3 量子计算 经典计算：对N个存储器运算一次只变换1个数据； 量子计算：对N个存储器运算一次变换2N个数据； 1次量子运算相当于2N次经典运算，这是量子运算运算能力的关键。使用量子计算可以解决经典计算机中的一些NP问题。 量子计算－－大数分解 问题：将一个预先构造大数N分解为两个素数的乘积，大数分解难题是RSA密码的安全前提。 经典计算：已公开最好算法是log2N的指数复杂度。 量子计算：运算复杂度是log2N的多项式（Shor算法， 1994 ATT公司）。 结论：量子计算的出现导致基于计算复杂度的安全性需要重新评估！ 量子计算－－量子有哪些信誉好的足球投注网站 问题：从N个没有排序的数据中有哪些信誉好的足球投注网站一个特定的数据。 经典计算：平均N/2次，最差N次。 量子计算：运算次数O（N1/2）（Grover算法，1997年 贝尔实验室）。 量子计算的并行体制产生了新的有哪些信誉好的足球投注网站算法，那么在量子计算基础上会产生新的应用和安全算法吗？ 量子计算机 量子计算机是量子计算的物质基础。 超强的存储能力和计算能力是量子计算机的突出优点。 目前没有公开发布一台真正的量子计算机，研究工作需要物理学和计算机科学的共同进步。 4 量子通信 物理基础： 测不准原理：测量会引起量子状态的变化 量子不可克隆性：单个量子的状态无法复制； 量子纠缠：处于纠缠态的两个量子无论相距多；远，其中一个状态的改变也会引起另一个状态的改变； 主要特点： 量子通信的不可窃听特性； 经典意义上的密码绝对安全性 4 量子通信 原理：利用量子纠缠效应，通信双方对处于纠缠态的量子对进行测量观测进行信息传递。 组成：包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。 目前的主要研究集中于光纤量子通信和自由空间量子通信。 量子通信基本模型 量子通信的实现 量子隐态传送：利用量子纠缠效应，使信息的发送者和接收者分别控制处于纠缠态的量子对，通过状态的改变传送信息。 量子密码通信：通信由量子信道和经典信道组成，量子信道传送密钥，经典信道传送加密后的信息。 量子通信是有望最先进入实用！ 量子通信特点 最大优点：窃听可检测性。 量子通信研究进展 1993年，Bennett提出量子通信的概念;同年提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案； 1997年，中国学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上