量子通讯与量子计算.ppt
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量子通讯与量子计算量子通讯与量子计算目目录录一、引一、引言言二、量子信息的特性二、量子信息的特性三、量子密码三、量子密码四、量子通讯四、量子通讯五、量子计算机五、量子计算机六、结束语六、结束语一、引言一、引言信息科学面临挑战信息科学面临挑战信息科学在改善人类生活质量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。
的处理能力已接近极限值的程度。
现有计算机的运算速度能无限制地增长吗？
现有计算机的运算速度能无限制地增长吗？
1965-1995年微处理器与存储器芯片年微处理器与存储器芯片集成度的提高基本符合集成度的提高基本符合MooresLaw.GordonMoore,Intel公司的创始人之一公司的创始人之一.现有的密码体系是绝对安全的吗？
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。
密钥的安全性是核心问题。
所谓所谓“绝对安全绝对安全”是指能经受物理定律所允许的攻击是指能经受物理定律所允许的攻击而不被破译。
而不被破译。
明文明文明文明文加密加密变换变换脱密脱密变换变换密钥密钥K密钥密钥K密文密文密文密文公开信道公开信道KK1公开密钥公开密钥RSARSA体系基于体系基于“大数因子分解大数因子分解”这类这类难以计算的数学问题，并不是严格意义上的绝对安全。
难以计算的数学问题，并不是严格意义上的绝对安全。
密钥可以克隆是密码体系不安全的根源。
密钥可以克隆是密码体系不安全的根源。
一直在国际上广泛应用的两大密码算一直在国际上广泛应用的两大密码算法法MD5MD5、SHASHA11，近期宣布被王小云教授，近期宣布被王小云教授破解。
破解。
20042004年年88月，王小云在国际密码大月，王小云在国际密码大会上首次宣布了对会上首次宣布了对MD5MD5、HAVALHAVAL128128、MD4MD4和和RIPEMDRIPEMD等四个著名密码算法的破译结果。
等四个著名密码算法的破译结果。
v20052005年年22月月77日，美国国家标准技术研究日，美国国家标准技术研究院发表申明，院发表申明，SHASHA11没有被攻破，并且没有没有被攻破，并且没有足够的理由怀疑它会很快被攻破，开发人员足够的理由怀疑它会很快被攻破，开发人员在在20102010年前应该转向更为安全的年前应该转向更为安全的SHASHA256256和和SHASHA512512算法。
而仅仅在一周之后，王小云算法。
而仅仅在一周之后，王小云就宣布了破译就宣布了破译SHASHA11的消息。
的消息。
v诸如此类问题对现有信息技术提出严峻的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挑战。
未来信息技术的持续发展要求开拓新的原理和方法。
的原理和方法。
量子力学的奇妙特性量子力学的奇妙特性量子力学是量子力学是2020世纪初才诞生的，世纪初才诞生的，是近代物理学两大支柱之一。
是近代物理学两大支柱之一。
经典力学：
宏观物质的运动规律。
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量子力学：
微观粒子的运动规律自然界的运动规律。
自然界的运动规律。
经典粒子经典粒子特性：
特性：
每时刻的位置、速度完全确定，有确定每时刻的位置、速度完全确定，有确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。
的运行轨迹，遵从牛顿力学。
经典的波经典的波特性：
特性：
充满整个空间，遵从经典电磁场理论。
充满整个空间，遵从经典电磁场理论。
微观粒子微观粒子特点：
同时具有粒子性和波动性。
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，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任何时刻有可能在空间中任何点探测到粒子（类似经典波的特性），测到粒子（类似经典波的特性），但一旦探测到只能在其中一个探测但一旦探测到只能在其中一个探测器处发现该粒子（类似经典粒子的器处发现该粒子（类似经典粒子的特性）。
特性）。
CABA,B,C,为探测器为探测器多次入射多次入射（干涉现象）（干涉现象）遵从量子力学。
遵从量子力学。
微观粒子微观粒子一次入射一次入射经典粒子在某个时刻只能处于确定的经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状态上；物理状态上；量子粒子则可以同时处于各种可能的物量子粒子则可以同时处于各种可能的物理状态上（叠加态）。
理状态上（叠加态）。
D1D2单个光子单个光子分束器分束器光电探测器光电探测器单个光子究竟沿哪条路径传送？
单个光子究竟沿哪条路径传送？
“薛定谔猫薛定谔猫”宏观量子叠加态宏观量子叠加态AEPR粒子对粒子对BEPR佯谬佯谬EPR效应：
非局域性是量子力学的基效应：
非局域性是量子力学的基本性质。
本性质。
纠缠态纠缠态量子信息应运而生量子信息应运而生量子特性应用到信息领域中可以发挥量子特性应用到信息领域中可以发挥出独特的功能，在提高运算速度、确保信出独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面可以突破现息安全、增大信息容量等方面可以突破现有的经典信息系统的极限，于是诞生了一有的经典信息系统的极限，于是诞生了一门新兴的交叉学科：
门新兴的交叉学科：
量子信息科学量子信息科学它是量子物理与信息科学相结合的产物。
它是量子物理与信息科学相结合的产物。
量量子子密密码码量量子子通通讯讯量量子子计计算算人们坚信，信息技术的发展人们坚信，信息技术的发展将从将从经典经典跨越到跨越到量子量子的时代。
的时代。
近年来，量子信息在理论近年来，量子信息在理论和试验研究上取得重要突破，和试验研究上取得重要突破，引起各国引起各国政府、科学界、信息产业界政府、科学界、信息产业界的高度重视。
的高度重视。
二、量子信息的特性二、量子信息的特性自然界有三要素：
物质、能量和信息。
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。
相应有三个学科：
材料科学、能量科学和信息科学。
何谓何谓“信息信息”？
信息就是我们在适应外部世界和控制外信息就是我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容和名称。
容和名称。
“信息就是信息，既不是物质，也不是能量信息就是信息，既不是物质，也不是能量”。
为全人类带来更丰富的高科为全人类带来更丰富的高科技成果。
技成果。
2020世纪人类把量子力学应用于物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、半文明社会的高科技成果，如核能、半导体、激光等。
导体、激光等。
2121世纪人类将量子力学世纪人类将量子力学应用应用于信于信息科学，导致量子信息的诞生，这将息科学，导致量子信息的诞生，这将量子信息与经典信息的根本区别量子信息与经典信息的根本区别经典信息经典信息二进制二进制0或或1组成的数字串，其信息组成的数字串，其信息单元称为单元称为“比特比特”，为，为0或者或者1。
用量子的语言可描述为态用量子的语言可描述为态和和。
经典粒子只能处在经典粒子只能处在或或之中的一个态之中的一个态上。
上。
量子信息量子信息微观粒子允许同时处在微观粒子允许同时处在和和两个两个态上，这是其波粒二象性的结果。
态上，这是其波粒二象性的结果。
（叠加态）叠加态）量子信息是经典信息的完善和扩充，正如复数量子信息是经典信息的完善和扩充，正如复数z=z=x+iyx+iy是实数是实数xx，yy的完善和扩充。
的完善和扩充。
量子信息的单元量子信息的单元称为量子比特。
称为量子比特。
量子比特（即量子态）的物理载体：
光子，电子，原量子比特（即量子态）的物理载体：
光子，电子，原子，核自旋，子，核自旋，以量子态作为信息单元，以量子态作为信息单元，“信息信息”就量子就量子化。
化。
以以“比特比特”作为信息单元的是经典信息，作为信息单元的是经典信息，以以“量子比特量子比特”作为单元的是量子信息。
作为单元的是量子信息。
因此，量子信息遵从量子力学规律。
因此，量子信息遵从量子力学规律。
信息传输：
信息传输：
量子态在量子通道中传送量子态在量子通道中传送信息处理信息处理（计算计算）：
量子态幺正演化量子态幺正演化信息提取：
信息提取：
量子测量量子测量如，经典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的如，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）。
（量子不可克隆定理）。
两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠缠态（缠态（EPR粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关联，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。
对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的状态。
于是，奇特的量子性质就可以产生新的信息功能。
于是，奇特的量子性质就可以产生新的信息功能。
三、量子密码三、量子密码采用量子态采用量子态（量子比特量子比特）作为信息载体，经由量子作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥（经典随经典随机数机数），这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。
，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所保证：
其安全性由量子力学原理所保证：
窃听者若企图通过对量子态的测量来窃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，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。
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。
确保这种复制不可能成功。
因此，量子密码术原则上可以提供不可破译、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。
不可窃听的保密通信体系。
目前中国科大已在光目前中国科大已在光纤中成功地实现纤中成功地实现125125公里量子密钥传输，在自由公里量子密钥传输，在自由空间中实现空间中实现1313公里传送。
公里传送。
量子安全体系量子安全体系量子量子身份身份认证认证量子量子比特比特承诺承诺量子量子对策对策论论量子密码通信量子密码通信是目前唯一被证明是目前唯一被证明绝对安全的保密通绝对安全的保密通信方法信方法,美国美国商业商业周刊周刊把它列在了把它列在了改变人们未来生活改变人们未来生活的十大发明的第三的十大发明的第三位。
位。
四、量子通讯四、量子通讯1111、量子隐形传态、量子隐形传态、量子隐形传态、量子隐形传态（QuantumTeleportationQuantumTeleportationQuantumTeleportationQuantumTeleportation）长期以来，这种隐形传物无长期以来，这种隐形传物无论用经典方法或量子方法都认为论用经典方法或量子方法都认为是不可能的，只是是不可能的，只是“科学幻想科学幻想”或或“神话神话”而已。
而已。
地地球球木木星星1993年美国年美国IBM的著名科学家的著名科学家Bennet等等四个国家的六位科学家联名在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：
上发表了一篇开创性论文：
“经由经典和经由经典和EPR通道传送未知量子态通道传送未知量子态”，提，提出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态（未未知量子比特知量子比特）传送给远处的另一个传送给远处的另一个粒子，使该粒子处在这个未知量子粒子，使该粒子处在这个未知量子态上，而原先的粒子不被传送，这态上，而原先的粒子不被传送，这就是所谓就是所谓“量子隐形传态量子隐形传态”。
EPR-sourceinitialstateBSMUClassicalinformationALICEBOBTeleportedstateEntangl
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