量子特性与量子信息技术

叶丰源

【摘 要】量子具有叠加性、不可克隆、相干性、纠缠性等特性，基于量子特性的量子信息技术将突破经典信息系统的极限，在信息安全、运算速度、信息容量、检测精度等方面获得更高性能的突破，具有无与伦比的优势和前景。本文介绍了量子态特性，以及量子通信、量子计算、量子成像、量子定位、量子传感等量子信息技术的概念和研究进展。

【关键词】量子态；量子信息技术；量子通信；量子计算；量子传感

0 引言

十九世纪末二十世纪初，爱因斯坦创立了相对论，海森堡、薛定谔等一些科学家创立了量子力学，由此诞生了现代物理学。相对论和量子论成为现代物理学的两大支柱。量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科[1]。经典物质和微观粒子的本质差别在于微观粒子具有量子特性，这些特性包括叠加性、不可克隆、相干性、纠缠性等。量子信息技术重点研究利用这些量子力学特性，突破基于经典电动力学的信息系统的性能极限。量子信息技术主要包括量子通信技术、量子计算技术、量子成像技术、量子定位技术、量子传感技术等。由于量子信息技术具有经典信息无法比拟的优势和前景，近年来受到广泛关注和发展。

1 量子态的基本特性

1.1 态叠加原理

为量子系统的可能状态，则由它们任意线性组合得到的叠加态

也是系统的一个可能的态。

1.2 相干性

相干性是态之间的关联性，是指微观世界的量子态矢之间存在相互干涉。量子态利用其相干性保持其携带的量子信息。环境噪声的影响或测量会破坏量子相干性导致量子信息塌缩为经典信息，即消相干[2]。

1.3 测不准原理

若两个力学量A和B不对易即AB≠BA，则它们无法同时精确测量。力学量A和B在量子态|？鬃〉下的不确定关系可以描述为

其中？驻A和？驻B分别为力学量A和B在|？鬃〉中的不确定度，而[A，B]=AB-BA为A与B的对易式。

由海森堡测不准原理可知，如果将信息编码在一对非互易的物理量上，接收者是无法将该信息完整的还原出来的，测量某一个物理量时，必会对另一个物理量产生扰动[3]。

1.4 不可克隆定理

不可克隆指未知量子态不可以被精确复制。不经过测量，就不能得到量子系统的任何信息，这就意味着要从非正交量子态中提取编码信息，就必须对这些量子态进行破坏性测量。不可克隆定理使得窃听者无法采用克隆的手段获取私密信息，它是量子协议安全性的重要保障。尽管精确复制未知量子态被不可克隆定理否决，但概率克隆依然是可能的。量子不可克隆定理断言，非正交态不可以克隆，但它并没有排除非精确克隆即复制量子态的可能性。目前主要有两种克隆机：普适克隆机和概率克隆机[4]。

1.5 量子纠缠性

量子纠缠性是一种特殊的量子力学现象，即对复合系统中的某个子系统测量的结果决定了剩余子系统的可能状态。量子纠缠态存在非定域的远距离关联，相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化。

2 量子信息技术

2.1 量子通信技术

量子通信是指利用微观粒子（一般为光子）的量子态作为编码物理态，进行信息传递的通信方式，其特征是通信过程中的信息载体为物理系统的量子态。由于光子量子态不能被分割或复制，在量子信道上传送的信息不可能被窃听、被截获、被复制，量子通信具有安全性。利用量子纠缠态进行量子态隐形传输，量子通信可实现无障碍通信的能力。广义的量子通信技术包含了量子隐形传态、量子密集编码、量子信息论、量子密码等研究分支。量子密码技术又包含量子安全直接通信（QSDC）、量子秘密共享（QSS）、量子公钥密码（QPKC）、量子密钥分发（QKD）等技术。

1984年，美国IBM研究院的C. H. Bennett和加拿大蒙特利尔大学的G. Brassard首次提出了基于量子物理方法的密钥分发协议，被称为BB84协议。BB84协议的提出标志着量子通信技术及量子密钥分发（QKD）技术的诞生。当前技术条件下，文献资料中所谓量子通信技术通常指QKD技术，迄今为止世界上几乎所有的“量子网络”都是指“量子密钥分发网络”。其余的量子通信技术的理论或实验基础尚不完备，仍处于基础研究阶段。美国、欧盟和日本分别在基于自由空间和光纤信道的离散变量QKD技术、基于光纤信道的连续变量QKD技术、基于自由空间信道的纠缠光子对QKD技术上处于世界领先水平。从技术指标上来讲，目前国际上QKD系统最远传输距离达300公里，在通信距离为50公里条件下安全码率可达1Mb/s。市场上至少有三家公司销售商用QKD产品，其中包括瑞士的ID Quantique公司，美国的MagiQ公司和法国的Smart Quantum公司。2007年瑞士联邦选举中，日內瓦政府信息部门采用了ID Quantique公司的商用QKD系统进行投票结果和网络保密处理。2010年，南非世界杯安全信息服务也采用了该公司的商用QKD系统作为安全保障。

2.2 量子计算技术

量子计算是以量子力学原理为基础，用二能级系统作为信息处理单元（量子比特，qubit），通过对量子态的调控实现信息输入、信息处理及信息提取的并行计算方式。其核心在于以量子态来编码信息，优势源于量子相干性引起的量子并行。在经典计算中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，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。从原理上讲，经典计算是基于经典比特的非0即1的确定特征，对输入信号序列按一定算法进行变换（逻辑门操作）的物理过程。而量子计算则是基于量子比特的|0>和|1>的相干叠加特征，对可由量子叠加态描述的输入信号，根据量子的算法要求，进行量子逻辑门操作的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充。量子计算机不仅能克服特征尺寸减少引起的热耗效应和量子效应对现有计算机进一步发展的制约，解决经典计算机制造中面临的摩尔定律失效问题，而且能够突破经典计算极限，满足计算速度不断提高的需求，将成为下一代计算机发展重要方向[5]。

量子计算的基本理论模型已经得到实验验证，国内外的研究人员正致力于集成更多量子位，尽可能长时间的保持其量子特性，以进行更多的量子逻辑门操作。2010年，加拿大D-wave公司宣布研制成128个量子比特的超导绝热量子计算机。2011年，奥地利因斯布鲁克大学利用离子阱实现了6个量子位，并进行了数百个量子逻辑运算。此装置实际上已经可以看做可实现特定功能的专用量子计算机。2012年，IBM采用三维合金波导谐振腔，使内置的超导量子位将量子态保持了100微秒，理论上可以完成数百个量子逻辑门操作，成功率达到95%以上，展示了超导系统应用于量子计算的巨大潜力。

2.3 量子成像技术

量子成像是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。相對于传统光学成像技术中通过记录辐射场的光强分布从而获取目标的图像信息的方法，量子成像则是通过利用、控制（或模拟）辐射场的量子涨落来得到物体的图像。由于经典电磁波成像技术建立在电磁波的确定性理论模型和经典信息论基础之上；而量子成像技术建立在光场的量子统计的不确定性理论模型之上。因此，量子成像能够打破经典成像的探测系统量子噪声极限、成像系统分辨率衍射极限、奈奎斯特采样极限，在成像探测灵敏度、分辨率和扫描成像速率上得到突破。

1995 年，美国马里兰大学史砚华小组首次在实验上实现了双光子纠缠源的“鬼”成像。1999 年巴西Fonseca 等人利用自发参量下转换产生的双光子态作光源，观察到了双缝的亚波长干涉效应。鬼像以及鬼干涉实验的研究带动了量子成像的发展。2000 年，Boto提出利用N个光子纠缠系统来做N个光子复合探测的量子刻录方案，可以在不改变光波波长的情况下，把光学系统的瑞利衍射分辨极限提高N 倍。2004 年，Bennink 小组用经典光源证明了双光子“鬼”成像的实验。2008 年，美国国家标准和技术学院以及马里兰大学的联合研究团队首次实时捕获了被量子纠缠在一起的图像，两幅在空间上分隔开的随机变动的图像，但通过它们的互补功能被紧密链接在一起。

2.4 量子定位技术

量子定位技术是基于传统无线电导航定位系统的同步、信息传输、测距（测角/测时差/测相差/测频差）和解算（位置/方向/姿态）基本原理，利用量子的纠缠和压缩特性实现超越经典测量中能量、带宽和精度的限制。根据理论分析量子定位技术在定位精度、安全性和抗干扰方面远优于无线电导航定位系统。理论计算表明，量子定位系统（QPS）的定位精度至少是现有经典无线电导航定位系统的M*N倍（M束光脉冲，每束光脉冲包含N个光子），是经典光学测距的MN1/2倍。量子定位系统可很容易地解决保密通信和防窃听的问题。量子定位系统由于采用量子光信号，不存在电磁干扰问题，同时，量子测不准性保证了噪声干扰的可检测性。

2001年美国麻省理工学院Vittorio Giovannetti博士带领的研究小组最早提出量子定位系统（QPS）概念。从理论上证实了量子压缩和量子纠缠时实现高精度量子定位的基础；通过利用脉冲内处于纠缠和压缩态的光子的个数，可以提高距离测量的精度，且压缩和纠缠的光子数越多，对应的精度越高。此外，还研究了量子纠缠源的制备，时钟同步等问题，并实现了基于纠缠双光子对的10米距离量子测距的桌面试验系统。2004年，美国陆军研究实验室详细给出了采用基线干涉式QPS的构建方案。2008年美国陆军研究实验室正式将陆基QPS和采用地球近轨卫星的星载QPS研究成果申请专利，对于星载QPS而言，若忽略大气层效应，对于地球的绝大多数区域而言，优于1cm的定位精度是完全可能的，而且可能会成为定义全球四维参考坐标系的主要系统。

2.5 量子传感技术

量子传感器是利用量子信号对环境变化的极高敏感性，得到高灵敏度和测量精度的新型传感器。量子传感器可以观察到光子相位的微小变化，并通过量子态的调控高度压缩光场固有的散粒噪声，从而实现接近于海森堡测不准原理（物理学要求的测量极限）量级的观测。

量子传感技术中最成熟的研究领域是位移传感，其最早被应用于美国的“干涉探测器”（LIGO）寻找引力波存在的迹象，该探测器可以探测10-18米量级的极微量位移，甚至比光子本身的直径还小一千倍，充分展示了量子传感器的巨大应用潜力。目前，已相继开展量子激光陀螺、量子光纤扰动传感和量子光纤水听器等量子传感技术的理论研究[6]。美国国防先期研究计划局DARPA已经专门立项量子传感器的研究专题。2007年，澳大利亚学者安德鲁·怀特小组制备了6光子以上的纠缠源。2010年，来自意大利罗马大学的团队证明了存在损耗和噪声的干涉仪中也可以实现高精度的传感和测量，探索了将量子技术应用于现场环境以实现远距离传感的可能性。

3 结语

量子信息技术是量子力学和信息科学相结合的一门快速发展的新型学科，基于量子特性的量子信息技术在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面能够突破现有经典信息系统的极限。近年来量子信息在理论、实验和应用领域都取得重要突破，随着信息时代的到来，量子信息技术将越来越广泛的引起人们的关注，将成为下一代信息技术的先导。

【参考文献】

[1]郭光灿.量子信息技术[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2010，10.

[2]何立宏.安全多方量子计算理论与应用研究[D].中国科学技术大学，2013，5.

[3]陆鸢.连续变量量子保密通信技术研究[D].上海交通大学，2011，12.

[4]肖.量子信息技术-量子密钥[J].湖北教育学院学报，2005，3.

[5]Arun G， Vivekanand Mishra， A Review on Quantum Computing and Communication， IEEE， 2014.

[6]陈晖.量子信息技术及其应用探讨[J].中国电子科学研究院学报，2012，10（5）.

[责任编辑：朱丽娜]