葉豐源

【摘 要】量子具有疊加性、不可克隆、相干性、糾纏性等特性，基于量子特性的量子信息技術將突破經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，在信息安全、運算速度、信息容量、檢測精度等方面獲得更高性能的突破，具有無與倫比的優(yōu)勢和前景。本文介紹了量子態(tài)特性，以及量子通信、量子計算、量子成像、量子定位、量子傳感等量子信息技術的概念和研究進展。

【關鍵詞】量子態(tài)；量子信息技術；量子通信；量子計算；量子傳感

0 引言

十九世紀末二十世紀初，愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，海森堡、薛定諤等一些科學家創(chuàng)立了量子力學，由此誕生了現(xiàn)代物理學。相對論和量子論成為現(xiàn)代物理學的兩大支柱。量子信息是量子物理與信息技術相結合發(fā)展起來的新學科[1]。經(jīng)典物質和微觀粒子的本質差別在于微觀粒子具有量子特性，這些特性包括疊加性、不可克隆、相干性、糾纏性等。量子信息技術重點研究利用這些量子力學特性，突破基于經(jīng)典電動力學的信息系統(tǒng)的性能極限。量子信息技術主要包括量子通信技術、量子計算技術、量子成像技術、量子定位技術、量子傳感技術等。由于量子信息技術具有經(jīng)典信息無法比擬的優(yōu)勢和前景，近年來受到廣泛關注和發(fā)展。

1 量子態(tài)的基本特性

1.1 態(tài)疊加原理

為量子系統(tǒng)的可能狀態(tài)，則由它們?nèi)我饩€性組合得到的疊加態(tài)

也是系統(tǒng)的一個可能的態(tài)。

1.2 相干性

相干性是態(tài)之間的關聯(lián)性，是指微觀世界的量子態(tài)矢之間存在相互干涉。量子態(tài)利用其相干性保持其攜帶的量子信息。環(huán)境噪聲的影響或測量會破壞量子相干性導致量子信息塌縮為經(jīng)典信息，即消相干[2]。

1.3 測不準原理

若兩個力學量A和B不對易即AB≠BA，則它們無法同時精確測量。力學量A和B在量子態(tài)|？鬃〉下的不確定關系可以描述為

其中？駐A和？駐B分別為力學量A和B在|？鬃〉中的不確定度，而[A，B]=AB-BA為A與B的對易式。

由海森堡測不準原理可知，如果將信息編碼在一對非互易的物理量上，接收者是無法將該信息完整的還原出來的，測量某一個物理量時，必會對另一個物理量產(chǎn)生擾動[3]。

1.4 不可克隆定理

不可克隆指未知量子態(tài)不可以被精確復制。不經(jīng)過測量，就不能得到量子系統(tǒng)的任何信息，這就意味著要從非正交量子態(tài)中提取編碼信息，就必須對這些量子態(tài)進行破壞性測量。不可克隆定理使得竊聽者無法采用克隆的手段獲取私密信息，它是量子協(xié)議安全性的重要保障。盡管精確復制未知量子態(tài)被不可克隆定理否決，但概率克隆依然是可能的。量子不可克隆定理斷言，非正交態(tài)不可以克隆，但它并沒有排除非精確克隆即復制量子態(tài)的可能性。目前主要有兩種克隆機：普適克隆機和概率克隆機[4]。

1.5 量子糾纏性

量子糾纏性是一種特殊的量子力學現(xiàn)象，即對復合系統(tǒng)中的某個子系統(tǒng)測量的結果決定了剩余子系統(tǒng)的可能狀態(tài)。量子糾纏態(tài)存在非定域的遠距離關聯(lián)，相互糾纏的兩個粒子無論被分離多遠，一個粒子狀態(tài)的變化都會立即使得另一個粒子狀態(tài)發(fā)生相應變化。

2 量子信息技術

2.1 量子通信技術

量子通信是指利用微觀粒子（一般為光子）的量子態(tài)作為編碼物理態(tài)，進行信息傳遞的通信方式，其特征是通信過程中的信息載體為物理系統(tǒng)的量子態(tài)。由于光子量子態(tài)不能被分割或復制，在量子信道上傳送的信息不可能被竊聽、被截獲、被復制，量子通信具有安全性。利用量子糾纏態(tài)進行量子態(tài)隱形傳輸，量子通信可實現(xiàn)無障礙通信的能力。廣義的量子通信技術包含了量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼、量子信息論、量子密碼等研究分支。量子密碼技術又包含量子安全直接通信（QSDC）、量子秘密共享（QSS）、量子公鑰密碼（QPKC）、量子密鑰分發(fā)（QKD）等技術。

1984年，美國IBM研究院的C. H. Bennett和加拿大蒙特利爾大學的G. Brassard首次提出了基于量子物理方法的密鑰分發(fā)協(xié)議，被稱為BB84協(xié)議。BB84協(xié)議的提出標志著量子通信技術及量子密鑰分發(fā)（QKD）技術的誕生。當前技術條件下，文獻資料中所謂量子通信技術通常指QKD技術，迄今為止世界上幾乎所有的“量子網(wǎng)絡”都是指“量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡”。其余的量子通信技術的理論或實驗基礎尚不完備，仍處于基礎研究階段。美國、歐盟和日本分別在基于自由空間和光纖信道的離散變量QKD技術、基于光纖信道的連續(xù)變量QKD技術、基于自由空間信道的糾纏光子對QKD技術上處于世界領先水平。從技術指標上來講，目前國際上QKD系統(tǒng)最遠傳輸距離達300公里，在通信距離為50公里條件下安全碼率可達1Mb/s。市場上至少有三家公司銷售商用QKD產(chǎn)品，其中包括瑞士的ID Quantique公司，美國的MagiQ公司和法國的Smart Quantum公司。2007年瑞士聯(lián)邦選舉中，日內(nèi)瓦政府信息部門采用了ID Quantique公司的商用QKD系統(tǒng)進行投票結果和網(wǎng)絡保密處理。2010年，南非世界杯安全信息服務也采用了該公司的商用QKD系統(tǒng)作為安全保障。

2.2 量子計算技術

量子計算是以量子力學原理為基礎，用二能級系統(tǒng)作為信息處理單元（量子比特，qubit），通過對量子態(tài)的調控實現(xiàn)信息輸入、信息處理及信息提取的并行計算方式。其核心在于以量子態(tài)來編碼信息，優(yōu)勢源于量子相干性引起的量子并行。在經(jīng)典計算中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。從原理上講，經(jīng)典計算是基于經(jīng)典比特的非0即1的確定特征，對輸入信號序列按一定算法進行變換（邏輯門操作）的物理過程。而量子計算則是基于量子比特的|0>和|1>的相干疊加特征，對可由量子疊加態(tài)描述的輸入信號，根據(jù)量子的算法要求，進行量子邏輯門操作的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充。量子計算機不僅能克服特征尺寸減少引起的熱耗效應和量子效應對現(xiàn)有計算機進一步發(fā)展的制約，解決經(jīng)典計算機制造中面臨的摩爾定律失效問題，而且能夠突破經(jīng)典計算極限，滿足計算速度不斷提高的需求，將成為下一代計算機發(fā)展重要方向[5]。

量子計算的基本理論模型已經(jīng)得到實驗驗證，國內(nèi)外的研究人員正致力于集成更多量子位，盡可能長時間的保持其量子特性，以進行更多的量子邏輯門操作。2010年，加拿大D-wave公司宣布研制成128個量子比特的超導絕熱量子計算機。2011年，奧地利因斯布魯克大學利用離子阱實現(xiàn)了6個量子位，并進行了數(shù)百個量子邏輯運算。此裝置實際上已經(jīng)可以看做可實現(xiàn)特定功能的專用量子計算機。2012年，IBM采用三維合金波導諧振腔，使內(nèi)置的超導量子位將量子態(tài)保持了100微秒，理論上可以完成數(shù)百個量子邏輯門操作，成功率達到95%以上，展示了超導系統(tǒng)應用于量子計算的巨大潛力。

2.3 量子成像技術

量子成像是一種利用雙光子復合探測恢復待測物體空間信息的一種新型成像技術。相對于傳統(tǒng)光學成像技術中通過記錄輻射場的光強分布從而獲取目標的圖像信息的方法，量子成像則是通過利用、控制（或模擬）輻射場的量子漲落來得到物體的圖像。由于經(jīng)典電磁波成像技術建立在電磁波的確定性理論模型和經(jīng)典信息論基礎之上；而量子成像技術建立在光場的量子統(tǒng)計的不確定性理論模型之上。因此，量子成像能夠打破經(jīng)典成像的探測系統(tǒng)量子噪聲極限、成像系統(tǒng)分辨率衍射極限、奈奎斯特采樣極限，在成像探測靈敏度、分辨率和掃描成像速率上得到突破。

1995 年，美國馬里蘭大學史硯華小組首次在實驗上實現(xiàn)了雙光子糾纏源的“鬼”成像。1999 年巴西Fonseca 等人利用自發(fā)參量下轉換產(chǎn)生的雙光子態(tài)作光源，觀察到了雙縫的亞波長干涉效應。鬼像以及鬼干涉實驗的研究帶動了量子成像的發(fā)展。2000 年，Boto提出利用N個光子糾纏系統(tǒng)來做N個光子復合探測的量子刻錄方案，可以在不改變光波波長的情況下，把光學系統(tǒng)的瑞利衍射分辨極限提高N 倍。2004 年，Bennink 小組用經(jīng)典光源證明了雙光子“鬼”成像的實驗。2008 年，美國國家標準和技術學院以及馬里蘭大學的聯(lián)合研究團隊首次實時捕獲了被量子糾纏在一起的圖像，兩幅在空間上分隔開的隨機變動的圖像，但通過它們的互補功能被緊密鏈接在一起。

2.4 量子定位技術

量子定位技術是基于傳統(tǒng)無線電導航定位系統(tǒng)的同步、信息傳輸、測距（測角/測時差/測相差/測頻差）和解算（位置/方向/姿態(tài)）基本原理，利用量子的糾纏和壓縮特性實現(xiàn)超越經(jīng)典測量中能量、帶寬和精度的限制。根據(jù)理論分析量子定位技術在定位精度、安全性和抗干擾方面遠優(yōu)于無線電導航定位系統(tǒng)。理論計算表明，量子定位系統(tǒng)（QPS）的定位精度至少是現(xiàn)有經(jīng)典無線電導航定位系統(tǒng)的M*N倍（M束光脈沖，每束光脈沖包含N個光子），是經(jīng)典光學測距的MN1/2倍。量子定位系統(tǒng)可很容易地解決保密通信和防竊聽的問題。量子定位系統(tǒng)由于采用量子光信號，不存在電磁干擾問題，同時，量子測不準性保證了噪聲干擾的可檢測性。

2001年美國麻省理工學院Vittorio Giovannetti博士帶領的研究小組最早提出量子定位系統(tǒng)（QPS）概念。從理論上證實了量子壓縮和量子糾纏時實現(xiàn)高精度量子定位的基礎；通過利用脈沖內(nèi)處于糾纏和壓縮態(tài)的光子的個數(shù)，可以提高距離測量的精度，且壓縮和糾纏的光子數(shù)越多，對應的精度越高。此外，還研究了量子糾纏源的制備，時鐘同步等問題，并實現(xiàn)了基于糾纏雙光子對的10米距離量子測距的桌面試驗系統(tǒng)。2004年，美國陸軍研究實驗室詳細給出了采用基線干涉式QPS的構建方案。2008年美國陸軍研究實驗室正式將陸基QPS和采用地球近軌衛(wèi)星的星載QPS研究成果申請專利，對于星載QPS而言，若忽略大氣層效應，對于地球的絕大多數(shù)區(qū)域而言，優(yōu)于1cm的定位精度是完全可能的，而且可能會成為定義全球四維參考坐標系的主要系統(tǒng)。

2.5 量子傳感技術

量子傳感器是利用量子信號對環(huán)境變化的極高敏感性，得到高靈敏度和測量精度的新型傳感器。量子傳感器可以觀察到光子相位的微小變化，并通過量子態(tài)的調控高度壓縮光場固有的散粒噪聲，從而實現(xiàn)接近于海森堡測不準原理（物理學要求的測量極限）量級的觀測。

量子傳感技術中最成熟的研究領域是位移傳感，其最早被應用于美國的“干涉探測器”（LIGO）尋找引力波存在的跡象，該探測器可以探測10-18米量級的極微量位移，甚至比光子本身的直徑還小一千倍，充分展示了量子傳感器的巨大應用潛力。目前，已相繼開展量子激光陀螺、量子光纖擾動傳感和量子光纖水聽器等量子傳感技術的理論研究[6]。美國國防先期研究計劃局DARPA已經(jīng)專門立項量子傳感器的研究專題。2007年，澳大利亞學者安德魯·懷特小組制備了6光子以上的糾纏源。2010年，來自意大利羅馬大學的團隊證明了存在損耗和噪聲的干涉儀中也可以實現(xiàn)高精度的傳感和測量，探索了將量子技術應用于現(xiàn)場環(huán)境以實現(xiàn)遠距離傳感的可能性。

3 結語

量子信息技術是量子力學和信息科學相結合的一門快速發(fā)展的新型學科，基于量子特性的量子信息技術在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面能夠突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。近年來量子信息在理論、實驗和應用領域都取得重要突破，隨著信息時代的到來，量子信息技術將越來越廣泛的引起人們的關注，將成為下一代信息技術的先導。

【參考文獻】

[1]郭光燦.量子信息技術[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2010，10.

[2]何立宏.安全多方量子計算理論與應用研究[D].中國科學技術大學，2013，5.

[3]陸鳶.連續(xù)變量量子保密通信技術研究[D].上海交通大學，2011，12.

[4]肖.量子信息技術-量子密鑰[J].湖北教育學院學報，2005，3.

[5]Arun G， Vivekanand Mishra， A Review on Quantum Computing and Communication， IEEE， 2014.

[6]陳暉.量子信息技術及其應用探討[J].中國電子科學研究院學報，2012，10（5）.

[責任編輯：朱麗娜]