量子信息概述
量子信息科学国家战略概述
量子信息科学国家战略是针对量子信息科学领域的发展而制定的一系列政策和计划。
量子信息科学是一个涉及量子力学、信息科学、计算机科学等多个领域的交叉学科，主要研究如何利用量子力学原理来处理、传输和存储信息，以实现更高效、更安全的信息技术。
近年来，随着量子计算、量子通信、量子密码学等领域的快速发展，量子信息科学已成为全球科技竞争的重要领域之一。
为了保持和扩大在量子信息科学领域的领先地位，各国纷纷制定相关的国家战略，加强量子技术的研究和应用。
量子信息科学国家战略的主要内容包括：
加强量子技术研究和开发：加大对量子计算、量子通信、量子密码学等领域的投入，加强科研人员之间的交流与合作，推动量子技术的研发和应用。
培养量子科技人才：加强量子科技人才的培养和教育，鼓励产业界与学术界合作，推动量子技术的普及和推广。
加强国际合作：加强与其他国家和地区的合作，共同推动量子技术的发展和应用，促进国际间的交流与合作。
推动量子产业发展：加强对量子产业的支持和引导，促进量子技术的商业化应用，推动量子产业的快速发展。
量子信息科学国家战略的实施，对于推动量子技术的发展和应用，促进国家经济发展和国家安全具有重要意义。
同时，也需要加强与其他领域的协调与配合，实现量子技术与其他领域的融合发展。
量子通信概述
04 量子纠缠
four
量子纠缠
four
量子纠缠
正
死
反
死
正
生
反
生
正
死
反
生
两个系统之间产生了交互作用=量子纠缠
five
量子隐形传态
Alice和Bob两个人很久以前是朋友，但后来离得很远，他们在一起的时候产生了一个EPR对，分手 的时候每人带走EPR对中的一个量子比特，许多年后，Bob已经不知道踪影，而Alice想向Bob发送一 个量子比特ȁψۧ,Alice并不知道该量子比特的状态，而且只能给Bob发送经典信息。
four
●经典粒子在某个时刻只能处于确定的 物理状态上；
●量子粒子则可以同时处于各种可能的物 理状态上（叠加态）。
02 量子信息基本概念
two
什么是量子通信
量子通信（Quantum Teleportation） 是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。
我们可以通过类比来了解它的意义：
难点：
Alice不知道该量子比特的状态ȁψۧ，根据量子测不准原理，她也不能通过测量去知道他的状态，也不能 克隆这个状态，假使她知道了状态ȁψۧ，描述它也需要无穷多的经典信息，因为ȁψۧ取值于一个连续的 空间，因此Alice需要花无穷长的时间向Bob描述这个状态。
看似是一个不可能完成的任务
five
量子隐形传态
普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制 数(00、01、10、11)中的一个，而量子计算机中的2位量子 位（ qubit)寄存器可同时存储这四个数，因为每一个量子比 特可表示两个值。如果有更多量子比特的话，计算"能力就 呈指数级提高。
four
量子信息科学 一级学科-概述说明以及解释
量子信息科学一级学科-概述说明以及解释1.引言1.1 概述量子信息科学是一门研究量子力学和信息科学相结合的学科，它致力于探索和利用量子力学的性质来传输、存储和处理信息。
在信息时代的浪潮下，传统的计算机和通信系统已经无法满足人们对于更高效、更安全、更强大的信息处理和传输需求。
而量子信息科学的出现，为我们带来了一条全新的道路。
量子信息科学的研究内容主要包括量子计算、量子通信和量子信息处理。
量子计算与传统计算机不同，利用量子比特的叠加和纠缠特性，具有更强大的计算能力，能够解决传统计算机无法解决的问题。
量子通信利用量子纠缠来实现安全的信息传输，可以有效地抵御窃听和篡改。
量子信息处理则涉及利用量子力学的特性进行信息的存储、处理和操作。
量子信息科学的应用领域广泛，涵盖了计算、通信、密码学、模拟等诸多领域。
在计算领域，量子计算的出现将会对密码学、优化问题、模拟等方面产生深远影响，为解决一系列复杂问题提供可能。
在通信方面，量子通信的安全性将会对金融、政府、军事等领域的信息传输产生重大影响。
在密码学领域，量子密码学的发展有望提供更强大的加密方法，保护敏感信息的安全。
在模拟领域，量子模拟器能够模拟和研究诸多复杂的物理系统，解决传统计算机无法解决的问题。
展望未来，量子信息科学将持续发展壮大。
随着技术的进步和理论的突破，我们有望进一步发掘并利用量子力学的奇妙性质，实现更加高效、安全和强大的信息处理和传输。
量子计算机的研发将会带来技术和产业领域的巨大变革，推动科学技术的进步。
在量子通信领域，我们将能够建立起高度安全的通信网络，保护个人隐私和公司机密。
量子信息科学的发展前景令人振奋，我们有理由相信，量子信息科学将引领信息时代的发展，为我们创造更加美好的未来。
1.2文章结构1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三部分。
1. 引言部分引言部分主要概述了本文所要探讨的主题——量子信息科学，并对整篇文章的结构和目的进行介绍。
2. 正文部分正文部分主要包括以下内容：2.1 量子信息科学的定义和背景在这一部分，将详细介绍量子信息科学的定义和其所处的背景，探讨为什么量子信息科学具有重要意义以及对现代科学和技术的影响。
小微ict 量子-概述说明以及解释
小微ict 量子-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述随着信息和通信技术的快速发展，小微ICT（Information and Communication Technology）逐渐成为了现代社会的重要组成部分。
小微ICT是指应用于各个领域中的小型和微型信息和通信技术产品和服务。
这些技术产品和服务通常被广泛应用于智能手机、电子商务、云计算、物联网等领域。
小微ICT的发展取得了显著的成果，并且在经济社会发展中发挥着重要的作用。
随着科技的进步和创新的推动，小微ICT在提高生产效率、促进经济增长、改善生活质量等方面发挥着不可替代的作用。
同时，小微ICT 也为个人提供了丰富的娱乐和信息获取渠道，改变了人们的生活方式和沟通方式。
然而，随着科技的发展，小微ICT领域仍面临着一些挑战。
技术更新换代的快速速度要求从业者不断学习和更新知识，以适应新技术的应用。
同时，安全问题也是小微ICT领域需要重视和解决的一个重要问题。
信息安全、网络安全、数据隐私等问题需要得到充分关注和保护。
为了进一步推动小微ICT的发展，引入量子技术是一个重要的方向。
量子技术作为一种前沿的科技，具有超强的计算处理能力和信息传输能力，将为小微ICT领域带来颠覆性的改变。
量子技术在小微ICT中的应用不仅可以提高系统的性能和安全性，还可以拓宽小微ICT的应用场景。
因此，探索和研究量子技术在小微ICT中的应用具有重要的意义和价值。
本文将从小微ICT的定义和特点出发，探讨量子技术在小微ICT中的应用，并分析小微ICT与量子技术的发展前景及对小微ICT产业的影响和挑战。
通过对小微ICT与量子技术的综合分析，旨在为读者提供一个全面了解小微ICT与量子技术关系的视角，进一步推动小微ICT领域的发展和应用。
1.2文章结构文章结构部分的内容如下:本文分为引言、正文和结论三个主要部分。
下面将对每个部分的内容进行详细说明。
引言部分主要包括概述、文章结构以及目的三个方面。
量子计算机课件(精)
03
如何将更多的量子比特集成到一台量子计算机中，并保持其性能和稳定性是一个巨大的挑战。
量子计算机的可扩展性
1
2
3
超导量子比特是实现量子计算最有前景的物理系统之一，它利用了约瑟夫森结来制备超导材料中的量子态。
超导量子比特
离子阱是一种将离子捕获在微米级电极中的技术，通过控制电极上的电压，可以实现离子的量子态操作。
量子计算机对现有基础设施的影响
由于量子计算机的运行方式和传统计算机不同，因此它可能会对现有的基础设施产生影响。例如，网络传输协议可能需要重新设计以适应量子信息的传输。
量子计算机的安全问题
由于量子计算机的高效计算能力，它可能会被用于进行恶意活动，例如破解密码、窃取机密信息等。因此，我们需要研究和开发安全措施以防止这些潜在的风险。
CHAPTER
量子计算基础知识
量子比特是量子计算中的基本单元，它与传统计算机中的比特有所不同。在量子计算机中，量子比特可以处于多种可能的状态叠加态，这使得量子计算机能够处理和存储更加复杂的信息。
量子比特的状态可以通过量子态进行描述，它是一个向量，其中的每个元素代表该量子比特处于不同状态的概率幅。
量子比特的状态可以通过量子测量进行确定，而在测量之前，它的状态是不确定的，处于一种叠加态。
量子纠缠是量子力学中的另一个重要概念，它表示两个或多个量子比特之间存在一种特殊的关联。
当两个量子比特处于纠缠状态时，它们的状态是相互依赖的，一旦测量其中一个量子比特，另一个量子比特的状态也会立即确定。
03
CHAPTER
量子算法介绍
总结词
高效分解大数
详细描述
Shor算法是一种基于量子并行性的算法，可以高效地分解大数，这对于密码学和网络安全具有重要意义。相比经典计算机需要指数级别的时间复杂度，Shor算法只需要多项式级别的时间复杂度。
量子力学概述
量子力学概述量子力学是一门研究微观粒子的物理学科，它的发展始于20世纪早期。
量子力学揭示了微观粒子行为的本质，改变了我们对于宇宙的认知。
本文将概述量子力学的基本概念和原理，并探讨其在科学研究和技术应用中的重要性。
1. 波粒二象性量子力学的核心概念之一是波粒二象性。
实验观察表明，微观粒子既具有粒子特性，又具有波动特性。
例如，光既可以被看作是粒子（光子）也可以被看作是一种电磁波。
这一观点由德布罗意提出，并由实验验证，成为了量子力学的基础。
2. 波函数和叠加原理波函数是量子力学描述微观粒子行为的数学工具。
它能够用来计算和预测微观粒子的性质和行为。
根据叠加原理，微观粒子的波函数可以同时处于多个可能的状态，并在观测之前不确定其具体状态。
观测时，波函数会崩塌为其中一个确定的状态。
3. 测量和不确定性原理量子力学中的测量与经典物理不同。
在经典物理中，测量一个物理量并不会对其他物理量造成干扰。
然而，在量子力学中，测量一个物理量会对其他物理量的测量结果产生影响。
这是由于测量过程本身引入了不确定性。
不确定性原理表明了人们无法同时准确测量微观粒子的位置和动量（或其他共轭变量），这对我们了解微观世界的基本粒子行为有着重要影响。
4. 薛定谔方程和定态薛定谔方程是量子力学中描述系统演化的基本方程。
通过求解薛定谔方程，可以得到系统的定态和能量谱。
定态是指系统处于一种稳定的状态，且不随时间演化。
一个定态可以由一个或多个量子数来描述，每个量子数对应于系统的一个可观测的物理量。
5. 相对论和量子力学的结合相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱。
相对论揭示了宏观物体和高速粒子行为的规律，而量子力学揭示了微观粒子行为的规律。
尽管两者各自都能很好地解释和预测实验结果，但在高能物理和宇宙学等领域中，需要将相对论和量子力学结合起来，即量子场论。
量子场论的发展使得我们能够研究更高能量和更小尺度的粒子行为。
6. 应用和前景量子力学是许多科学和技术领域的基石。
量子信息技术对信息安全的影响
量子信息技术对信息安全的影响随着信息化时代的到来，信息传输变得越来越普及和便捷，但同时也带来了信息安全问题。
传统的加密技术在面对未来的电脑计算能力的增长和量子计算机的崛起时，将变得越来越脆弱。
而量子信息技术作为一种新型的信息科学，也对信息安全产生了重大的影响。
一、量子信息技术的概述量子信息技术是一种利用量子力学的性质来进行信息处理和传输的新型信息技术。
与传统的计算机技术不同，量子信息技术使用的基本单位不再是0和1的比特，而是量子比特（qubit），可以同时存在多种状态。
这种特性在一定程度上提高了信息的存储和处理效率，即量子并行性（quantum parallelism）。
同时，由于“量子纠缠”（quantum entanglement）的存在，量子信息技术也具有更高的安全性。
二、量子信息技术的应用领域量子信息技术在很多领域都有广泛的应用。
例如，量子计算机可以大大提高难题的计算效率，在密钥分发、密码校验、卫星通信等方面也有很好的应用。
此外，量子物理学和量子光学在传感器、探测器、显微镜等领域的使用也随着相关实验和技术的不断进步，变得越来越广泛。
三、 1. 传统密码的安全性被突破传统密码技术基于大数分解的复杂度来保证密码的安全性，但如果使用量子计算机，计算机的理论速度将远高于传统计算机，这将给传统密码的安全性带来巨大的挑战。
量子计算机采用的是一种新型的加密技术——量子密码，它基于测量导致测定结果的变化性质，使用量子态密度变化实现密码的安全传输。
2. 量子密码技术的优越性量子密码技术的最大优势在于它可以在传输时检测窃听情况。
由于量子物理学中的测量原理，量子密码的传输不仅可以保证信息传输的安全性，还可以检测传输过程中的攻击情况。
一旦接收方发现存在未知的窃听情况，就可以采取措施来防止信息泄露。
3. 量子信息安全技术的发展前景量子信息安全技术作为一种新型的信息安全技术，其发展前景十分广阔。
目前，量子加密技术已经被广泛地应用于卫星通信、银行交易等领域。
量子力学与量子信息科学的关系
量子力学与量子信息科学的关系自从量子力学理论的产生和逐渐发展壮大以来，它所涉及到的信息与科技领域便不断扩充，而其中一个十分重要的分支就是量子信息科学。
量子信息科学是以量子力学为理论基础，研究如何利用量子力学中的独特性质，来处理和传输信息的学科领域。
因此，量子力学与量子信息科学密不可分，也越来越被人们所重视。
一、量子力学简介量子力学是研究微观粒子在微小尺度下的运动规律的一种物理学理论，它在20世纪初被创立。
量子力学主要探讨物质粒子的波粒二象性、不确定性原理以及纠缠等特殊现象。
根据量子力学理论，物质的一些基本特性和行为往往不同于我们平时所熟悉的球体物理学定律，而是具有极其微奇特的异常性质，比如说量子叠加态、纠缠态等等。
二、量子信息科学概述量子信息科学是指应用量子力学理论来研究信息的传导与处理的一门学科。
量子信息可被看做是一种全新的信息形式，它不同于数字、声音、图像等传统信息形式，而是基于量子力学的宏观和微观尺度中的物理系统之间能够建立的关系，这种关系被称为“量子态”。
量子态的变换和传递，为我们解决信息传输和处理的问题提供了无限的可能性，比如量子计算、量子通信、量子密码学等都是量子信息科学的研究领域。
三、量子计算和量子信息量子计算，顾名思义，是利用量子力学中奇特的性质，设计和运行基于量子比特（qubit）的计算机系统。
与传统机器不同，量子计算机使用基于量子叠加态的运算来加速信息处理速度，在实际应用领域会更快、更高效。
量子计算机还具有一种独特的、被称为“量子并行”的计算方式，带来了数百倍以至千倍以上的计算速度提升。
现在，量子计算机仍处于非常初级的阶段，但能否真正实现已经引发了科学界和工业界的重大兴趣和热切关注。
同时，量子信息科学还有量子加密、量子通信、量子密钥分发等探寻和利用量子物理特性的应用研究。
通过利用量子纠缠态和相关技术，可以实现更加保密、可靠和精确的信息传输和处理。
在信息安全领域中，量子计算机能够破解一些常见的密码技术，而量子密码学的出现则可以更好地保证信息的安全性。
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取
则不等式破坏！
CHSH不等式
1969年Clauser-Horne-Shimony-Holt提出 CHSH不等式。 若考虑关联实验的失误或误差因素则只能 得 1 A a , B a , 1
则
P( a , b ) P( a , c ) P (d , c ) P (d , b ) 2
量子力学的诞生
1 Plank-Einstein的光量子论 光子能量有一个最小单位ε=hν p=h/λ 2 康普顿效应 3 Bohr的量子论 4 德布罗意得物质波 5 heisenberg的矩阵力学 6 薛定谔的波动力学
诠释风波
• 量子力学诞生了，但她的理论解释一直存 有两派 • 1 以Bohr为首的哥本哈根学派为正统量子力 学派，认为波函数描述的是粒子在空间出 现的概率，单次测量结果是概率性的，我 们只能得出测量结果出现某一本征值的概 率 • 2 Einstein、薛定谔等人认为单次测量结果 也是确定可预知的
基本思想
• 为传送某物的未知量子态，将原物的信息 分为经典信息和量子信息两部分，经典信 息是发送者对原物进行某种测量得到，量 子信息为其余信息，接受者获得这两种信 息后即可制造原物复制品。整个过程中只 传递了原物的量子态，发送者可以对此量 子态一无所知，而接收方可以将别的物质 单元变换成与原物处于相同的量子态。
量子信息不可克隆
• 一个未知量子态不可以被完全拷贝。对量 子态的测量会导致量子态所包含信息的改 变。
量子隐形传态
• 1993年Bennett等四个国家的六位科学家联 合发表了题为“经由经典和EPR信道传送 未知量子态”的文章。1997年奥地利学者 在nature上报道了世界上第一个实现量子隐 形传态的实验结果，引起了学术界的轰动。
B
A
B
若同时从 a 方向测A自旋 b 方向测B自旋测 A a, 结果分别为 和 B a, 再将对应结果相乘
A a , B a , 1
Bell不等式
• 多次测量对λ求平均可得关联函数
P( A, B) d ( )A a , B a ,
再选一个
方向重复试验，经推导可得 c
P( a , b ) P ( a , c ) 1 P ( b , c )
量子力学结果
• 按照量子力学，AB组成纠缠态
P( a, b ) AB
A a B b AB cos( a , b )
代入bell不等式得
cos( a , b ) cos( a , c ) 1 cos( b , c )
• 根据以上三个条件构思的构思了一对处于 自旋单态的粒子（EPR态）满足
1 1 2 1 2
2
让两个粒子沿相反的方向运动到足够远， 然后测量其中一个的自旋，由于两粒子处 于自旋单态，故另一个粒子波函数也同时 坍缩至一个已知态，则这两个粒子之间坍 缩信息传递速度为无限大，不满足狭义相 对论信息传递不超过光速的要求
隐形传态量子电路
0
0
L R
经典信道
S
S
经典信道
经典信道
L
发送电路
接收电路
谢谢大家
得
1 2 00 (a 0 b 1 ) 10 (a 0 b 1 ) 2 01 (a 0 b 1 ) 11 (a 0 b 1 )
最后Alice对 2 的1，2位进 行测量 2 就会坍缩到上述 四个态之一， Alice把坍缩信 息用经典通讯方式告诉Bob， Bob就知道该如何对3进行相 应幺正操作，并重现1的量子 2 2 态，实现 a 0 b 1 , a b 1 从Alice到Bob的远程传递
质疑-量力信息的开端
• 1932年，von Neumann的‘no-go 理论’ 引入了一个系统的态，预示了一个比量子 力学更完备更规范的理论“隐变量理论” 出现的可能
隐变量理论
• 为了解决量子力学完备性问题，Bohm在20 世纪50年代初提出隐变量模型。认为单次 测量结果是确定的，只是它由一个未知的 参数——隐变量的控制。隐变量模型对正 统量子力学产生了巨大冲击。
质疑-量力信息的开端
• 1935年Einstein, Podolsky and Rosen在 physics review letter上发表文章《量子力 学是完备的吗？》文中他们给出完备理论 应满足的三个条件 （一）物理实在的每个要素在一个完备的物 理理论中都应该有其对应 （二）如果不以任何方式干扰系统，系统 应该可以确定的预言。 （三）超距作用是不存在的
• 量子力学的正确表明信息的超光速的量子 态隐形传输是可能的！ • 量子信息是编码在量子物理上的信息，量 子信息的存储加工和传递很大程度上依赖 于量子态的纠缠特性。
量子纠缠
• 简单的说，量子纠缠就是做Schmidt分解后 对偶基还包含两项以上的纯态，纠缠度的 大小表征携带有效信息的能力。可通过量 子纠缠的浓缩（蒸馏）来提高纠缠度。
3 ( a , c ) 取 ( a , b ) ( b , d ) (d , c ) 4 4
不等式破坏!
实验检验
• 1981年Aspect用原子瀑流的光子散射实验 中验证CHSH不等式大程度的破坏。证明量 子力学的正确性
量子信息ห้องสมุดไป่ตู้
隐形传态的实现
• 若Alice要把下列态传给Bob
a 0 b 1 , a b 1
2 2
其中Alice处于与1邻近的2位，Bob处于与1远离的3位
• 若2和3通过某种方式建立纠缠，且处 于最大量子态：
1 2
00
11
则三个量子态的初态为 1 0 a 000 b 100 c 011 d 111 2
经典力学的困难
• 19世纪末20世纪初，经典物理理论已经发 展到了相当完善的地步。但还存在以下几 个困难 • 1 黑体辐射——经典统计力学导致能量在高 频区发散，即所谓紫外灾难 • 2 光电效应——光电子能量与频率的线性关 系（包括低频截止）和光电子相应时间太 快 • 3原子线状光谱——原子能量取分立值
孰对孰错
• 为了在正统量子力学和隐变量理论中做出 选择，1964年Bell重新审视了von Neumann 的工作提出Bell不等式对隐变量理论提 出质疑。
Bell不等式
• 隐变数理论认为自旋朝Z轴的纯态可表示为 z , 0,1
考虑两电子自旋单态
AB
1 2
A
Alice对 0 1，2位进行CNOT操作
CNOT 00 00 CNOT 10 11 CNOT 01 01 CNOT 11 10
得
1 1 a 000 b 110 c 011 d 111 2
然后Alice对 1 进行H门操作
1 1 H 0 0 1 H1 0 1 2 2