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量子信息科学(Quantum Information)是以量子力学为基础，把量子系统“状态”所带有的物理信息，进行信息编码、计算和传输的全新信息技术。量子信息技术主要包括量子通信和量子计算，由于它们具有潜在的应用价值和重大的科学意义，正引起人们广泛的关注和研究。

本文首先介绍量子相关的基本概念、性质及基本原理；接着，从量子通信和量子计算两个部分阐述其原理与发展现状；最后，对量子信息技术的发展进行总结与展望。

2.1 量子概念

量子(Quantum)属于一个微观的物理概念。如果一个物理量存在最小的不可分割的基本单位[1]，那么称这个物理量是可量子化的，并把物理量的基本单位称为量子。现代物理中，将微观世界中所有的不可分割的微观粒子（光子、电子、原子等）或其状态等物理量统称为量子。

量子这个概念最早由德国物理学家普朗克在1900年提出的，他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，这很好地解释了黑体辐射的实验现象。即假设对于一定频率的电磁辐射，物体只以“量子”的方式吸收和发射，每个“量子”的能量可以表示为:，为普朗克常数。

量子假设的提出有力地冲击了牛顿力学为代表的经典物理学，促进物理学进入微观层面，奠定了现代物理学基础，进入了全新的领域。

2.2 量子基本特性

作为一种微观粒子，量子具有许多特别的基本特性，如量子力学三大基本原理：

量子测不准

也称为不确定性原理，即观察者不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的总是以一定的概率存在某一个不同的地方，而对未知状态系统的每一次测量都必将改变系统原来的状态。也就是说，测量后的微粒相比于测量之前，必然会产生变化。

量子不可克隆

量子不可克隆原理，即一个未知的量子态不能被完全地克隆。在量子力学中，不存在这样一个物理过程：实现对一个未知量子态的精确复制，使得每个复制态与初始量子态完全相同。

量子不可区分

量子不可区分原理，即不可能同时精确测量两个非正交量子态。事实上，由于非正交量子态具有不可区分性，无论采用任何测量方法，测量结果的都会有错误。

除此之外，还包括以下基本特性：

量子态叠加性(superposition)

量子状态可以叠加，因此量子信息也是可以叠加的。这是量子计算中的可以实现并行性的重要基础，即可以同时输入和操作个量子比特的叠加态。

量子态纠缠性(entanglement)

两个及以上的量子在特定的(温度、磁场)环境下可以处于较稳定的量子纠缠状态，基于这种纠缠，某个粒子的作用将会瞬时地影响另一个粒子。爱因斯坦称其为: “幽灵般的超距作用”。

量子态相干性(interference)

量子力学中微观粒子间的相互叠加作用能产生类似经典力学中光的干涉现象。

2.3 量子信息

利用微观粒子状态表示的信息称为量子信息。量子比特(quantum bit或qubit)是量子信息的载体，它有两个可能的状态，一般记为和，对应经典信息里的0和1。状态和是二维复向量空间中的单位向量，它们构成了这个向量空间的一组标准正交基。量子比特的状态是用一个叠加态表示的，如，其中，而且测量结果为态的概率是，而得到态的概率是。这说明一个量子比特能够处于既不是又不是的状态上，而是处于和的一个线性组合的所谓中间状态之上。经典信息可表示为，而量子信息可表示为

一个经典的二进制存储器只能存一个数：要么存 0，要么存 1。但一个二进制量子存储器却可以同时存储0和1这两个数。两个经典二进制存储器只能存储以下四个数的一个数: 00，01，10 或 11。倘若使用两个二进制量子存储器，则以上四个数可以同时被存储下来。按此规律，推广到N个二进制存储器的情况，理论上，N个量子存储器与N个经典存储器分别能够存储个数和1个数。由此可见，量子存储器的存储能力是呈指数增长的，它比经典存储器具有更强大的存储数据的能力，尤其是当 N很大时(如 N=250 )，量子存储器能够存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多[1]。

2.4 量子信息学

量子信息学是量子力学与信息科学形成的一个交叉学科，该领域主要包括两个领域：量子通信和量子计算。其中量子通信主要研究的是量子介质的信息传递功能进行通信的一种技术，而量子计算则主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

3 量子通信

所谓量子通信，从概念角度来讲就是利用量子介质的信息传递功能进行通信的一种技术。它主要包括量子密钥分配、量子隐形传态等技术。量子密码 (Quantum Cryptography)是利用量子力学属性开发的密码系统。与传统的密码系统不同的是，它的安全性依赖于量子力学属性（不可测量和不可克隆等）而不是数学的复杂度理论。量子密钥分配是研究最为成熟的量子密码技术。在本章中，我们首先简单地介绍量子通信系统的基本模型以及优势，然后介绍量子密钥分配和量子隐形传态的基本原理。接着，概述量子通信的目前研究与发展现状。最后，总结量子通信目前存在的问题。

3.1 量子通信系统基本模型

量子通信体系架构包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置以及经典信道等部分，其基本模型如图2所示。

图 2 量子通信系统基本模型

量子通信过程可以从发送端和接收端两个角度理解。

在发送端，量子信源模块产生消息，消息通过量子编码模块转换成量子比特，量子比特通过量子调制模块得到以量子态为载体的量子信息，量子信息通过量子信道进行传输。除此以外，量子调制的模式信息（传统的信息）需要使用经典信道进行传输。

在接收端，将接收到两部分信息：量子信道接收量子信息；经典信道接收额外的经典信息。这两部分信息通过解调和解码模块后，获得最终的消息。

3.2 量子通信技术优势

量子通信与传统通信技术相比，具有如下主要特点和优势：

(1) 时效性高。量子通信的线路时延近乎为零，量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍，传输速度快。

(2) 抗干扰性能强。量子通信中的信息传输不通过传统信道（如传统移动通信为了使得通信不被干扰，需要约定好频率，而量子通信不需要考虑这些因素），与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能。

(3) 保密性能好。根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现。

(4) 隐蔽性能好。量子通信没有电磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测。

(5) 应用广泛。量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子隐形传态通信还能穿越大气层。因此，量子通信应用广泛，既可在太空中通信，又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信。

4.3 量子计算机

所谓量子计算机，它是指具有量子计算能力的物理设备。为什么要出现这种设备呢？主要有两个原因：(1) 外部原因：摩尔定律失效。根据摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目每隔24个月增加一倍，性能也相应增加一倍。然而，一方面随着芯片元件集成度的提高会导致单位体积内散热增加，由于材料散热速度有限，就会出现计算速度上限，产生“热耗效应”。另一方面元件尺寸的不断缩小，在纳米甚至埃尺度下经典世界的物理规律不再适用，出现“尺寸效应”。(2) 内部原因：量子计算机的强并行性。这是量子计算机相比传统计算机的显著优势，量子计算机和量子算法相互结合，可以将计算效率进行二倍加速甚至指数加速，例如传统计算机计算需要1年的任务，使用量子计算机可能需要不足1秒的时间。

不同于传统计算机，量子计算机用来存储数据的对象是量子比特；不同于传统计算机，量子计算机用使用量子逻辑门进行信息操作。

从我国发展状况来看，量子通信技术发展速度迅猛，在理论研究和实验技术上均取得了许多重大突破，成果卓越。然而，量子算法、量子计算机的研究与欧美发达国家相比，仍有很大的差距，相关研究仍需努力。

什么是量子通信？

什么是量子计算机？

量子通信和量子计算机加油。