量子信息技术的现状和未来1.pptx

量子信息技术的现状和未来1.pptx

《量子信息技术的现状和未来1.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子信息技术的现状和未来1.pptx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

,量子信息技术进展和展望,1,outlines,一、引言三、量子密码五、量子计算机,2,二、量子信息的特性四、量子通信六、结束语,一、引言,信息科学面临挑战信息科学在改善人类生活质量和推进社会文明发展中发挥着无可比拟和令人惊叹的作用，但在信息化的进程中人类也面临越来越严重的问题，如当今信息系统的处理能力已接近极限值的程度。

3,构想和设计完全可编程计算机的第一人,计算机之父，人工智能之父，计算机逻辑的奠基者,提出信息理论和信息墒以及逻辑符号的概念,4,第一台电子计算机ENIAC，electronicnumericalintegratorandcomputer，在1946年2月15日在美国诞生。

占地面积达170平米，重达30吨，1秒钟内可以进行5000次加法运算和500次乘法运算。

1947年12月，3位贝尔实验室的科学家共同发明了晶体管，从而开辟了现在电子时代，随着半导体技术的不断发展，晶体管的运行速度更快，可靠性更高，成本也更低。

1959年，随着能够将大量的晶体管与其他电子器件集成到一块硅晶片上的集成电路的发明，晶体管取得了新的突破。

自从晶体管发明以来，其尺寸不断缩小，目前，60亿枚晶体管所占面积不过为一张信用卡的大小而已。

计算机的出现，加速了人类社会自动化、信息化的进程，是人类社会进步的一个显著标志。

技术的进步推动了计算机产业。

我们目前使用的个人电脑，一年左右就会更新换代。

新电脑更便捷，速度更快，这主要依赖于微处理器芯片集成度的提高。

这是因为，电信号在介质中的传播速度是受物理规律限制的，我们要想在单位时间内进行尽可能多的操作，就需要把元件做得尽可能地小而密集。

那么，现有计算机的运算速度能无限制地增长吗？

Intel公司的创始人之一Moore，提出著名的Moore定律：

微处理器与存储器芯片集成度随时间呈现指数增长。

但是，这一趋势会永远的持续下去吗？

答案是否定的。

7,现有计算机的运算速度能无限制地增长吗？

GordonMoore,Intel公司的创始人之一.1965-1995年微处理器与存储器芯片集成度的提高基本符合MooresLaw：

微处理器与存储器芯片集成度随时间呈现指数增长。

8,经典计算机的不可逆过程导致热耗散，由于材料的散热速度是有限的，从而元件的集成度存在上限，故计算机的速度也存在上限。

这就是所谓的“热耗效应”。

另一个方面，如果我们将元件做到纳米甚至是埃的尺度的时候，微观客体的运行机制将服从量子力学，从而会出现与我们所处的经典世界大相径庭的结果。

比如，在经典世界中，存储器的状态非“0”即“1”，但是在量子世界中，会出现“0”和“1”的叠加状态；对量子状态的测量，其测量结果会展现出不可消除的随机性。

我们把这些统称为量子的“尺寸效应”。

人类对于计算速度的追求驱使计算机技术的前沿伸向越来越微小的尺度。

9,现有的密码体系是绝对安全的吗？

密钥的安全性是核心问题。

所谓“绝对安全”是指能经受物理定律所允许的攻击而不被破译。

明文,明文,加密变换,密文,密文,公开信道,10,K密钥K,脱密变换K1密钥K,上世纪80年代初，美国物理学家shor.,密钥可以克隆/复制是经典密码体系不安全的根源。

公开密钥RSA体系基于“大数因子分解”这类难以计算的数学问题，并不是严格意义上的绝对安全。

在AT&T工作的Shor提出了一种量子算法，可以在多项式时间内解决大数因子分解问题。

这是一个带有革命性的算法。

因为大数因子分解问题的难解性是目前所广泛使用的公钥密码体系安全性的依据。

如果采用经典计算机来求解，目前所知的最佳算法是一个随着问题的规模计算步骤呈指数增长的算法。

Shor算法的发现意味着，只要量子计算机一旦建成，解决该问题就变得轻而易举，从而现存的公钥密码体系也将土崩瓦解。

这对现有信息系统的通信安全性提出严峻的挑战。

Shor算法的发现激发了人们对于量子计算机研究的热情，同时也推动了量子密码、量子通信的发展。

11,诸如此类问题对现有信息技术提出严峻的挑战。

未来信息技术的持续发展要求开拓新的原理和方法。

这时候基于量子力学，以量子力学为运动规律的量子信息学应运而生。

12,量子力学的奇妙特性,量子力学是20世纪初才诞生的，是近代物理学两大支柱之一。

（另外一个是相对论）经典力学：

宏观物质的运动规律。

量子力学：

微观粒子的运动规律自然界的运动规律。

13,经典粒子,特性：

每时刻的位置、速度完全确定，有确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。

14,经典的波,特性：

充满整个空间，遵从经典电磁场理论。

15,微观粒子,特点：

同时具有粒子性和波动性。

设想空间中有一个微观粒子，任何时刻有可能在空间中任何点探测到粒子，但一旦探测到只能在其中一个探测器处发现该粒子。

C,16,A,B,A,B,C,为探测器,经典比特和量子比特,经典比特只有0,1两种状态,例如对应着晶体管的电流导通和截止两种状态,量子比特既可以是0和1，也可以有0,1的叠加状态,例如对应着电子自旋状态,17,“薛定谔猫”宏观量子叠加态,18,量子信息应运而生,解决经典世界无法解决的问题，以量子力学为运动规律的量子信息学应运而生。

量子信息科学是利用量子体系的独特性质对计算、编码、信息处理和传输过程给予新的诠释，开发新的更为高效的信息处理功能的一门学科，它是现代科学技术发展的必然结果。

量子信息科学的研究为物理学、信息科学、材料科学乃至整个科学注入新的生命力，同时对推动相关高新技术的发展以及人类社会的进步具有意义深远的影响。

19,量子信息科学,它是量子物理与信息科学相结合的产物。

20,二、量子信息的特性,何谓“信息”？

信息就是我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，与外部世界进行交换的内容和名称。

控制论创始人维纳说“信息就是信息，既不是物质，也不是能量”。

自然界有三要素：

物质、能量和信息。

相应有三个学科：

材料科学、能量科学和信息科学。

21,20世纪人类把量子力学应用于物质科学和能源科学，导致了构成当代文明社会的高科技成果，如核能、半导体、激光等。

21世纪人类将量子力学应用于信息科学，导致量子信息的诞生，这将为全人类带来更丰富的高科技成果。

22,量子信息与经典信息的根本区别,经典信息,量子信息,二进制0或1组成的数字串，其信息单元称为“比特”，为0或者1。

用量子的语言可描述为态和。

经典粒子只能处在或之中的一个态上。

微观粒子允许同时处在和两个态上，这是其波粒二象性的结果。

（叠加态）,23,量子信息的单元称为量子比特。

量子比特（即量子态）的物理载体：

光子，电子，原子，核自旋，以量子态作为信息单元，“信息”就量子化。

以“比特”作为信息单元的是经典信息，以“量子比特”作为单元的是量子信息。

量子信息是经典信息的完善和扩充，正如复数z=x+iy是实数x，y的完善和扩充。

因此，量子信息遵从量子力学规律。

24,信息传输：

量子态在量子通道中传送信息处理（计算）：

量子态幺正演化信息提取：

量子测量于是，奇特的量子性质就可以产生新的信息功能。

例如，经典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的（量子不可克隆定理量子密码的安全性保证）。

两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠缠态（EPR粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关联，对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的状态。

25,EPR佯谬,EPR效应：

非局域性是量子力学的基本性质。

A,26,EPR粒子对设想一对处于“量子纠缠态”的粒子分道扬镳，各自朝相反方向飞行了一段距离以后，对其中一个粒子进行测量，不仅能确定该粒子的状态，而且由于两个粒子之间的量子相关作用，也同时确定了已在远处的另一个粒子的状态。

这个理想实验将量子力学的结论与相对论的光速不变原理对立起来，乍看两者中必定有一个是错的，EPR佯谬似乎是一个判决实验。

EPR实在性判据包含着“定域性假设”，即如果测量时两个体系不再相互作用，那么对第一个体系所能做的无论什么事，都不会使第二个体系发生任何实在的变化。

人们通常把和这种定域要求相联系的物理实在观称为定域实在论。

B,三、量子密码,采用量子态（量子比特）作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥（经典随机数），这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。

其安全性由量子力学原理量子不可克隆定理所保证：

窃听者若企图通过对量子态的测量来窃取信息，则必然会干扰这个量子态本身，从而会留下痕迹而被合法用户发现。

窃听者若企图通过复制传送密钥的量子态来获得信息，此时量子不可克隆定理确保这种复制不可能成功。

27,因此，量子密码术原则上可以提供不可破译、不可窃听的保密通信体系。

量子安全体系,量子身份认证,量子比特承诺,量子对策论,28,29,目前中国科大已在光纤中成功地实现125公里量子密钥传输，在自由空间中实现13公里传送。

30,英国国防研究部于1993年首先在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发，光纤传输长度为10公里。

到1995年，经多方改进，在30公里长的光纤传输中成功实现了量子密钥分发。

瑞士日内瓦大学于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长民用光通信光缆中进行了实地表演。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，创造了在长达48公里的地下光缆中传送量子密钥，同时他们在自由空间里也获得了成功。

1999年，瑞典和日本合作，在光纤中成功地进行了40公里的量子密码通信实验。

2006年，欧洲科学家让光子在自由空间而不是光纤中完成了一次量子通信过程。

通信在相距144公里的西班牙加纳利群岛的LaPalma岛和Tenerife岛之间。

2007年，美国科学家已经利用光纤实现了距离为148.7公里量子通信，直逼理论预计的极限。

目前科学家希望通过卫星在大气中进行量子通信。

31,量子密码通信是目前唯一被证明绝对安全的保密通信方法,美国商业周刊把它列在了改变人们未来生活的十大发明的第三位。

32,四、量子通信,1、量子隐形传态（QuantumTeleportation）长期以来，这种隐形传物无论用经典方法或量子方法都认为是不可能的，只是“科学幻想”或“神话”而已。

33,1993年美国IBM的著名科学家Bennet等四个国家的六位科学家联名在PhysicalReviewLetters上发表了一篇开创性论文：

“经由经典和EPR通道传送未知量子态”，提出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态（未知量子比特）传送给远处的另一个粒子，使该粒子处在这个未知量子态上，而原先的粒子不被传送，这就是所谓“量子隐形传态”。

34,EPR-source,initialstate,U,Classicalinformation,ALICEBSM,BOB,Teleportedstate,Entangledpair,量子隐形传态原理图,35,为实现传送某个物体的未知量子态，可将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，,基本,思想,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接受者。

经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的部分信息量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息接受者在获得这两种信息之后，就可以制造出原物量子态的精确复制品。

36,在这个过程中，原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，而且，发送者对这个量子态始终一无所知；接受者是将别的物质单元（如粒子）制备成为与原物完全相同的量子态，他对这个量子态也始终一无所知；原物的量子态在测量时已被破坏掉不违背“量子不可克隆定理”；未知量子态（量子比特）的这种传送，需要经典信道传送经典信息（即发送者的测量结果），传送速度不可能超过光速不违背相对论的原理。

37,1997年，奥地利学者（其第二作者为中国科学技术大学的潘建伟教授）在Nature上报道了第一个实现光子偏振态隐形传送的试验。

该论文轰动了学术界和新闻界，后被Nature评为20世纪最有影响的21