量子通信与量子计算

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1、万方数据第21卷第6期2004年12月量子电子学报CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICSVbl．21NO．6Dec．2004文章编号：1007·5461(2004)06—0706-13量子通信与量子计算苏晓琴-，一，郭光灿·(1中国科学院中国科学技术大学量子信息重点实验室，安徽合肥230026；2运城学院物理与电子工程系，山西运城044000)摘要：量子信息学是物理学目前研究的热门领域。它主要包括量子通信和量子计算。文章简要介绍了量子通信和量子计算的理论框架，包括量子纠缠、量子不可克隆定

2、理、量子密钥分配、量子隐形传态、量子并行计算、Shor以及Grover的量子算法，并介绍该领域的研究进展。关键词：量子信息；量子通信；量子计算；量子纠缠；量子隐形传态；量子密码中图分类号：TN91；TP301．4文献标识码：A1引言我们的时代是信息时代，信息科学与技术已经深入到社会的各个方面。信息科学的飞速发展，使经典信息系统受到巨大的挑战，从而诞生了由量子力学和信息科学形成的一门新兴交叉学科量子信息学。量子信息基于量子特性而具有独特的信息功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面，具有突破

3、现有经典信息系统极限的能力。由于量子信息学潜在的巨大应用价值及重大的科学意义，不仅引起各国政府和科技界的广泛关注，而且受到信息产业界和军事部门的高度重视。因而量子信息科学作为目前最有吸引力的前沿领域之一，已经成为国际学术界研究的热点，量子信息技术将为人类带来难以估量的影响。量子信息学主要包括量子通信和量子计算。本文简要介绍这两方面涉及的概念、类型、理论框架、发展状况及相关问题。Z重于通信【quantumcommunication)量子通信是量子信息学的一个重要分支，是量子信息中研究较早的领域。量子通信是以量子态作为信

4、息单元来实现信息的有效传送的。在量子通信中，除了需要传统的经典信道外，更为主要的还需建立通信各方之间的量子信道。所谓量子信道实际上就是通信各方之间的量子纠缠。量子纠缠在通信中的应用，创造出了用量子信道传送经典比特的“量子密集编码”、用经典辅助的办法传送量子态的“量子隐形传态”以及信息保密传送所需的“绝对安全的量子密码”等经典信息理论不可思议的奇迹。2．1量子纠缠(quantumentanglement)1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(Einstein，PodolskyandRosen)提出了著名的EPR佯谬[

5、1

6、，预示了量子力学基本问题未来的发展方向，量子纠缠态的概念正是在这一方向上产生的。量子纠缠是量子、力学不同于经典物理的存在于多子系量子系统中的一种最奇妙、最不可思议的现象，即对一个子系统的测量结果无法独立于其他子系的测量参数。虽然，近些年来，随着量子信息这一新兴领域的蓬勃发展，量子纠缠逐渐成为人们的热门话题，但它并不是什么新生事物，“纠缠”这一名词的出现可以追溯到量子力学诞生之初[引。基金项目：国家科技部973项目(2001CB309300)和国家自然科学基金项目(60121503)资助收稿日期：2004—07—0

7、8；修改日期：2004—07—19E-maihsxycxq@163．com万方数据第6期苏晓琴等：量子通信与量子计算707因为量子力学描述的物理实在具有无法消除的随机性，所以，从它诞生之日起，围绕量子力学中对其基本原理的诠释和对其基本概念的理解的争论就从未间断过。争论发生在以爱因斯坦为代表的经典物理学家和以玻尔为代表的哥本哈根学派之间，争论的核心实质上是涉及“纠缠态”及其展现出的非局域关联。最近20年来，由于实验技术的巨大进展，这些争论已不再停留在思辩性阶段，而是可以依靠实验来验证，并由此引发了量子信息学的理论与实验

8、的蓬勃发展。所谓“纠缠态”，是指复合系统的一种特殊形式的量子态，它在任何表象中，都无法写成两子系量子态的直积形式。两个1／2自旋粒子体系的4个Bell基[3]就是最常见的两体纠缠态1、I空土12=÷(10)110)2土11)111)2)，l宁}(1)j少士)12=÷(fo)lJ1)2-I-J1)1Io)2)，l、／Z，假定有两个原子1和2，分别对应两个量子态10)和11)，它们可以处在(1)式中其中之一的叠加态1I步一12=÷(Io)，11)2一11)1lo)2)，VZ其中lo)·11)2表示原子1处于态Io)，原子

9、2处于态11)，余类推。当这两个原子处于叠加态I妒一)时，我们只知道一个原子处于态10)，一个原子处于态11)，然而，并不知道哪个原子处于态IO)，哪个原子处于态11)，因此，这两个原子是纠缠在一起的。因为纠缠态的每一分量均由两个粒子的单态10)和f1)构成，所以处于纠缠态的两个粒子有一个奇妙特性。一旦我们对其中一个粒子进行测量，确定了它的状态