量子信息论文

量子信息——新时代科技的推进器

现如今，量子信息已成为科学领域发展必不可少的要素之一，其实，在20世纪初量子就已经被发现并被人类所利用。在19世纪后期，在科学界出现了许多难题——很多物理现象无法用经典理论解释，包括在当时科学界讨论很激烈的黑体辐射问题（由于物体辐射的电磁波在各个波段是不同的，并且受物体自身特性和温度的影响，为了研究这种规律，科学家定义了黑体来作为热辐射研究的标准物体）。1900年，当普朗克研究黑体辐射时，提出了普朗克辐射定律，量子这一概念就此诞生。量子假设的提出终结了经典物理学的垄断地位，使物理学进入了微观时代，也就是现代物理学的诞生。而经过一个多世纪的发展，量子领域的一些假设仍然不是非常严密，还需在日后的研究中逐步完善，但这并不能否认量子在目前科学领域的领导地位。

量子，即某物质或物理量特性的最小单元，它以qubit为单位，而从中衍生的量子力学，量子力学中的量子通信已经成为当今科技发展的主要领域。

先讨论一下量子力学，上文提到过量子力学是描述微观物质的理论，与相对论紧密结合，成为现代物理学的支柱。它强调微观世界的不确定性以及客观规律，而其中最著名的预测便是量子纠缠态，即使两个粒子在空间上也许会相距很远，但是其中一个粒子会时刻随着另外一个粒子的改变而改变，因此，爱因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”，这种粒子的互相影响现象听起来似乎十分玄学，但是它的确是科学家在实际试验中获得的现象。例如，我国量子卫星“墨子号”成功实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，在全世界取得领先的地位。值得一提的是，21世纪兴起的量子计算机中的原理正源自于量子之间的纠缠，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。相对于传统计算机，量子计算机拥有其特殊的优越性，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，还做到了传统

计算机几乎无法完成的工作。但迫于对微观量子态的操纵难度，量子计算机还没有真正意义上的创造出来，在未来几年的发展中量子计算机绝对是一个主要的研究趋向。在量子力学中，泡利不相容原理是一个拥有极大实际意义的原理，由于费米子（反对称状态粒子）的自旋数为半数，因此两个费米子无法占据同一状态，该原理又延伸到原子，电子领域——一个原子轨道上最多可容纳两个电子，而这两个电子的自旋方向必须相反，为元素周期表的解释奠定了坚实的基础。

再来看量子通信领域，量子通信作为一种新型的通信方式，也是基于量子的纠缠态理论，由于这种特殊的原理，使得这种通信方式变得高效、安全。在传统的信息传输过程中，也许会被某些不法分子在中途截获，不仅造成了信息的泄露，被截获后信息的准确度也会大大降低。于20世纪末，量子通信的雏形形成了，当时传送的仅仅是量子的状态，而信息本体并没有被传输。随着量子通信的不断发展，它拥有一套极难被破译的密码系统，这套密码系统抛弃了传统以数学为主体的方案，转而使用物理方式对其加密，而所谓的物理方式就是量子力学，该方案杜绝了信息在传输过程中被随意截取或更改的漏洞。而基于量子力学的密码所具有的随机性更是为信息的安全添加了一层保护伞，即使被截获，也因无法正确读取该密码而无法盗取信息。另外，由于两个粒子纠缠的特性，导致一个粒子被改变时另一粒子也随之改变。量子密码系统一般分为两种：非公开密钥（对称密钥）以及非对称密钥，非公开密钥就是加密密钥和解密密钥相同，例如一次一密，即用一次就作废。后者为公开的加密密钥和保密的解密密钥不同，从而使从公开密钥破解非公开密钥花费大量资源，理论上可以完成但实际上无法做出具有如此强大功能的计算机进行破密，因此实现了其安全性。

尽管量子力学已经对人类做出了杰出的贡献，但是量子力学的潜力远远没有挖掘出来，量子力学还有很多非常深刻的现象，能够超过我们现有技术的的性能。例如，正在从经典调控过渡的量子调控，虽然人类在经典调控方面已经做到非常高的精度，但是在量子世界中的

量子调控还不是十分成熟。量子调控为根据量子力学原理，在量子态的层面对所研究的体系进行控制与改变。当我们控制电子时，可以控制它的电荷态，自旋态或是轨道状态，当两种状态耦合时，便会产生许多新的、未发现过的物质特性。当进行量子调控时，必须要明白量子态的三种特性——可叠加性，不可复制性，非局域性，这三种特性会给量子调控带来新的特性。而量子调控的对象，除了上文提到的电子，还有基于光子、声子等复杂体系的高级调控。对于量子调控的方法，就是广泛，综合的对各个领域同时调控，特别是对量子系统环境的调控技术。这些系统环境，包括马尔科夫和非马尔科夫环境，分别对粒子起着不同的作用。马尔科夫环境是指系统信息单向流入环境，而环境无法对其作出反馈，相反，非马尔科夫环境是指信息流到环境里去，在经历一系列的过程后，还可以恢复。因此对环境的调控就是要克服马尔科夫环境的负面影响，使其变成非马尔科夫环境，将该环境作为一个储存空间，将信息放入里面进行储存，之后需要的时候还可以取出。实际上，对于两种环境之间的调控，是控制它们的频谱，前者频谱较宽，后者较窄，当改变其频谱时，也就相当于改变了它们的性质。总的来说，量子调控也是非常重要的一个领域，在量子的发展中不可忽视。

不可否认的是，量子信息是通过量子的特性进行计算、编码和信息传输的全新信息方式，在当前的各个科研领域起到了至关重要的作用，正引领着一个新时代的的发展。