未來的信息技術(shù)燦郭目錄一、引言－后莫爾時(shí)代的新技術(shù)二、量子密碼三、量子因特網(wǎng)四、量子計(jì)算五、量子信息基礎(chǔ)理論六、結(jié)論一、引言

我國現(xiàn)代技術(shù)明顯落后的狀況與我國全面建設(shè)小康社會(huì)和實(shí)現(xiàn)中華民族復(fù)興的宏偉目標(biāo)極不相稱?，F(xiàn)代技術(shù)的世界格局基本確立，即便我們跟著現(xiàn)代技術(shù)的潮流向前發(fā)展，也難于在整體上超越國際先進(jìn)水平，與西方強(qiáng)國水平上的差距甚至有可能越來越大。

一、引言

莫爾時(shí)代的終結(jié)為開拓新技術(shù)創(chuàng)造了難得的機(jī)遇

按莫爾定律發(fā)展的微電子造就了IT產(chǎn)業(yè)幾十年的輝煌。然而，由于量子效應(yīng)和熱耗散的影響，人們卻會(huì)完全失去按傳統(tǒng)方式控制電子的能力。這表明，莫爾時(shí)代必將告終。一、引言

什么是后莫爾時(shí)代的新技術(shù)呢？它將如何超越以微電子和激光為代表的現(xiàn)代技術(shù)？已成為全世界戰(zhàn)略競爭的新焦點(diǎn)，也為我國科技復(fù)興提供一次難得的戰(zhàn)略機(jī)遇。在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的歷史上，我們曾喪失掉若干極重要的發(fā)展機(jī)遇，導(dǎo)致在其后的戰(zhàn)略競爭中始終處于下風(fēng)。這次我們必須從探索研究階段開始就牢牢地把握住機(jī)遇，爭取先機(jī)，控制制高點(diǎn)，開拓出新一代技術(shù)，為中華民族自立于世界之林做出貢獻(xiàn)。一、引言

量子調(diào)控孕育著新一代技術(shù)現(xiàn)代技術(shù)建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)之上，構(gòu)成20世紀(jì)高科技的重要基石的微電子和激光都是直接應(yīng)用到量子力學(xué)原理而發(fā)現(xiàn)的。現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展僅僅是量子力學(xué)簡單應(yīng)用而已，其本質(zhì)上仍屬經(jīng)典調(diào)控技術(shù)。

一、引言

這些初等量子效應(yīng)已經(jīng)為人類社會(huì)造就了半個(gè)世紀(jì)的前所未有的昌盛和繁榮。更深刻的量子現(xiàn)象和效應(yīng)將構(gòu)成這種基于經(jīng)典調(diào)控的現(xiàn)代技術(shù)難于逾越的障礙，換句話講，現(xiàn)代技術(shù)正在迅速地達(dá)到其物理極限，人類文明社會(huì)的持續(xù)發(fā)展必然要依仗著更高層次的新一代技術(shù)的出現(xiàn)。量子調(diào)控應(yīng)用到更深?yuàn)W更奇妙的量子效應(yīng)，它孕育著新一代技術(shù)，將在未來世紀(jì)中發(fā)揮出難于估量的影響。一、引言

量子調(diào)控的特征

量子力學(xué)中奇妙的量子態(tài)，具有本質(zhì)特征的相位和蘊(yùn)藏著極其豐富量子效應(yīng)的強(qiáng)耦合多粒子體系等更深刻的量子特征將孕育出面貌全新的技術(shù)。例如，

相位伴隨著量子干涉，而這種干涉可通過改變光、電、磁、機(jī)械和幾何等參數(shù)來改變其載流子的相位，以調(diào)控干涉行為，達(dá)到技術(shù)上可使用的量子調(diào)控性。一、引言

在現(xiàn)代技術(shù)中僅運(yùn)用到電子的電荷屬性，傳統(tǒng)上利用電場來控制電流，但電子同時(shí)具有自旋的量子屬性，通過對電子自旋的量子調(diào)控和操縱，將導(dǎo)致新一代自旋電子學(xué)的誕生，開發(fā)出集存儲(chǔ)、邏輯和顯示等功能于一身的新一代自旋電子器件；

運(yùn)用量子態(tài)作為信息單元將使信息科學(xué)發(fā)生根本性變革，量子存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力呈指數(shù)增長，運(yùn)用適合算法，量子計(jì)算機(jī)可攻破現(xiàn)有的密鑰體系，而量子密碼則可提供絕對安全保密通信。一、引言

調(diào)控對象，從對簡單體系的初級調(diào)控發(fā)展到對基于電子、光子、聲子、自旋、量子態(tài)等量子概念的復(fù)雜體系的高級調(diào)控；

調(diào)控方法，從目前廣泛使用的簡單低層次的經(jīng)典調(diào)控方法發(fā)展到對電、磁、光等全面的深層次的高級量子調(diào)控方法。

最終將開創(chuàng)出基于量子調(diào)控的新一代技術(shù)，預(yù)期這種技術(shù)將具有相干性好、可集成控制、快速操作、功能集成和低功耗等現(xiàn)代技術(shù)所無法具備的特征。

一、引言

20世紀(jì)60年代，日本正是抓住從電子管轉(zhuǎn)型到晶體管的機(jī)遇，及時(shí)地提出“半導(dǎo)體立國”的發(fā)展戰(zhàn)略，一躍成為工業(yè)大國。21世紀(jì)我國應(yīng)及時(shí)地把握住現(xiàn)代技術(shù)轉(zhuǎn)型的重要時(shí)機(jī)，將“量子調(diào)控技術(shù)”作為國家發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)給予有力扶持，必將在我國新型工業(yè)化發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要作用。一、引言

現(xiàn)代技術(shù)本質(zhì)上是應(yīng)用了量子力學(xué)基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，而未來的新一代技術(shù)則是應(yīng)用到諸如量子態(tài)、相位、強(qiáng)關(guān)聯(lián)等深層次量子特性的量子調(diào)控技術(shù)。如圖1所示。

一、引言

后莫爾時(shí)代的新技術(shù)（量子調(diào)控）分子/納米電子

納米光子學(xué)量子信息學(xué)特點(diǎn)：自組裝性能：突破集成度極限特點(diǎn)：近場光學(xué)性能：突破衍射極限特點(diǎn)：量子態(tài)作信息單元性能：并行運(yùn)算現(xiàn)代技術(shù)和新一代技術(shù)一、引言

量子信息將成為后莫爾時(shí)代的新技術(shù)，它是量子物理與信息科學(xué)相融合的新興交叉學(xué)科。量子信息以量子態(tài)作為信息單元，信息從產(chǎn)生、傳輸、處理和檢測等均服從量子力學(xué)的規(guī)律?；诹孔恿W(xué)的特性，諸如疊加性、非局域性、糾纏性、不可克隆性等，量子信息可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息所無法做到的新的信息功能，突破現(xiàn)有信息技術(shù)的物理極限。

一、引言

量子計(jì)算可以加快某些函數(shù)的運(yùn)算速度；量子因特網(wǎng)具有安全性，并集信息處理和傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)多端分布計(jì)算，降低通信復(fù)雜度；量子密碼可以確保量子密鑰分配的安全性，與一次一密算法的不可破譯性相結(jié)合，可提供不可竊聽、不可破譯的安全保密通信。

一、引言以比特(0或1)作為信息單元,稱為經(jīng)典信息。

11100……以量子比特作為信息單元,稱為量子信息。 量子比特：量子信息是經(jīng)典信息的擴(kuò)展和完善，正如復(fù)數(shù)z=x+iy是實(shí)數(shù)的完善和擴(kuò)展。何為“量子信息”

以單光子作為信息物理載體為例:經(jīng)典信息：有光子代表“1”，無光子代表“0”1000111一、引言“量子比特”與“比特”有何區(qū)別？

一、引言量子信息：以光子的量子態(tài)表征信息如約定光子偏振態(tài)，圓偏振代表“1”，線偏振代表“0”（每個(gè)脈沖均有一個(gè)光子）。0101010偏振態(tài)經(jīng)典比特

一、引言一則漫畫一、引言量子信息過程遵從量子力學(xué)原理，于是可實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息無法做到的新信息功能。如:量子密碼量子通信網(wǎng)絡(luò)量子計(jì)算等等。

一、引言AEPR粒子對B非局域性：對A（或B）的任意測量必然會(huì)影響B(tài)（或A）的量子態(tài)，不管A和B分離多遠(yuǎn)。量子糾纏態(tài)A－B構(gòu)成“量子通道”。

EPR效應(yīng)一、引言

量子信息技術(shù)量子密碼量子因特網(wǎng)量子計(jì)算目錄一、引言－后莫爾時(shí)代的新技術(shù)二、量子密碼三、量子因特網(wǎng)四、量子計(jì)算五、量子信息基礎(chǔ)理論六、結(jié)論二、量子密碼軍事指揮系統(tǒng)的保密通信

量子網(wǎng)絡(luò)路由器網(wǎng)絡(luò)主會(huì)場網(wǎng)絡(luò)分會(huì)場A網(wǎng)絡(luò)分會(huì)場B二、量子密碼網(wǎng)絡(luò)政務(wù)

二、量子密碼

遠(yuǎn)程授權(quán)與網(wǎng)絡(luò)合同經(jīng)典密鑰分配基于私鑰的保密通信二、量子密碼基于公鑰的保密通信二、量子密碼經(jīng)典密鑰分配二、量子密碼量子密鑰分配一次一密的不可破譯性量子密鑰的不可竊聽性+絕對安全的保密通信二、量子密碼量子密鑰分配二、量子密碼1.量子密鑰分配的安全保證A.以單光子(量子)攜帶信息,不怕敵人分取信息;B.量子不可克隆定律保證敵人不可能拷貝信息?！锢韺用娴陌踩?.量子密鑰分配的幾種方案A.BB84（B92）方案；B.EPR方案C.正交態(tài)方案；D.信道加密方案

二、量子密碼偏振態(tài)編碼

10AliceBob

二、量子密碼光子相位量子態(tài)單光子干涉單光子探測器D1D2單光子分束器上下

二、量子密碼相位編碼方案(BB84協(xié)議）D1D2相位調(diào)制器相位調(diào)制器Alice安全區(qū)Bob安全區(qū)

二、量子密碼光子偏振態(tài)代表0,1兩組基共四個(gè)不同的偏振態(tài)例如：線偏振基（水平、垂直）圓偏振基（左旋、右旋）Alice隨機(jī)選送四個(gè)態(tài)中的任意一個(gè),Bob隨機(jī)選任意一組基測量BB84方案偏振編碼

二、量子密碼1.Alice隨機(jī)選擇一個(gè)偏振態(tài)光子傳出2.Bob隨機(jī)選擇一組偏振基同步測量3.Bob實(shí)際測得的偏振光子（只Bob知道）4.Bob通知Alice測量到光子用的偏振基（不是態(tài)）5.Alice告訴Bob那些選擇是正確的6.雙方按約定轉(zhuǎn)換成0、1

BB84方案偏振編碼二、量子密碼以M-Z干涉儀分配密碼第一組基：0，；第二組基：/2，3/2（水平、垂直偏振）（左，右圓偏振）優(yōu)點(diǎn)：不受途中外界干擾影響1.可能的傳輸距離遠(yuǎn)；2.長期穩(wěn)定性好；3.抗干擾力強(qiáng)。BB84方案相位編碼

二、量子密碼

室內(nèi)：英國人122公里；日本人（測試）150公里雙不等臂M-Z干涉儀方案二、量子密碼英國（122公里，2004年4月）；日本（150公里，測試）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)結(jié)果二、量子密碼

0公里50公里25公里75公里雙不等臂M-Z的不穩(wěn)定性二、量子密碼

日本人100公里（室內(nèi)）；瑞士人67公里（通訊線路）法拉第反射鏡往返式方案二、量子密碼（1）瑞士（日內(nèi)瓦湖底67公里，實(shí)際通訊線路）二、量子密碼（2）日本（100公里，NEC2003，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)）二、量子密碼

世界上第一臺(tái)商用量子密碼機(jī)NAVAJO二、量子密碼光纖量子密鑰分配實(shí)用化研究遇到的關(guān)鍵性問題：往返式M-Z干涉儀，穩(wěn)定但不安全(可用木馬光子竊聽而不被發(fā)現(xiàn))單向式M-Z干涉儀，安全但不穩(wěn)定。我們設(shè)計(jì)了一種新型方案，既安全(單向)，又穩(wěn)定。(申請發(fā)明專利)

二、量子密碼穩(wěn)定性（測試距離175公里）條紋長期穩(wěn)定相位緩慢漂移二、量子密碼極限傳輸距離

二、量子密碼三代核心裝置200220032004

二、量子密碼光纜線路圖

二、量子密碼二、量子密碼

二、量子密碼二、量子密碼

天津—發(fā)射端系統(tǒng)圖1550激光器1530激光器100M光端機(jī)CWDM波分復(fù)用器計(jì)算機(jī)可調(diào)衰減器光學(xué)調(diào)制器光纜干線至北京(量子信道)光纜干線至北京(經(jīng)典信道)光環(huán)行器二、量子密碼北京—接收端系統(tǒng)圖同步信號(hào)探測器100M光端機(jī)CWDM波分復(fù)用器計(jì)算機(jī)單光子探測器光學(xué)調(diào)制器至天津光纜干線(量子信道)至天津光纜干線(經(jīng)典信道)光環(huán)行器二、量子密碼1、解決了相位編碼量子密鑰分配系統(tǒng)在實(shí)際通信線路中的長期高穩(wěn)定度運(yùn)行問題；2、使用較少（一對光纖線路）的光纜線路資源實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分配與加密圖像信號(hào)的傳輸；3、本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明：125公里范圍內(nèi)的實(shí)際光纜線路量子保密通信的關(guān)鍵性技術(shù)障礙已經(jīng)全部克服！

目錄一、引言－后莫爾時(shí)代的新技術(shù)二、量子密碼三、量子因特網(wǎng)四、量子計(jì)算五、量子信息基礎(chǔ)理論六、結(jié)論三、量子因特網(wǎng)量子通信按量子通道可分為兩類：（1）恒等變換通道

如光纖，在理想場合，量子比特在傳送過程不發(fā)生變化，即保真度為1。（2）量子糾纏通道

通信雙方或多方共享處于糾纏態(tài)的粒子，并同時(shí)使用經(jīng)典通信和局域操作來實(shí)現(xiàn)信息傳送。

三、量子因特網(wǎng)量子通信網(wǎng)絡(luò)比起現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)有顯著優(yōu)越性：保密性強(qiáng)，集信息處理與傳送為一體，通信復(fù)雜度降低等。量子通道量子處理器量子信息源

量子通信網(wǎng)絡(luò)

三、量子因特網(wǎng)量子隱形傳態(tài)

(QuantumTeleportation)

——傳送單個(gè)量子比特的技術(shù)TeleportedstateinitialstateEPR-ourceBSMClassicalinformationAliceBobEntangledpairU三、量子因特網(wǎng)CBSPDO偏振器A1A2AliceBobCarol實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證奧地利小組的實(shí)驗(yàn)原理圖

三、量子因特網(wǎng)

量子通信采用量子技術(shù)來傳送量子信息，它比起現(xiàn)有因特網(wǎng)有一系列優(yōu)點(diǎn)，美國擬在10年左右實(shí)現(xiàn)全球量子因特網(wǎng)。如圖2所示，量子因特網(wǎng)的功能是在網(wǎng)中任何兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)量子信息的交換，或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同進(jìn)行分布計(jì)算，其核心技術(shù)包括：量子態(tài)工程、量子通道、糾纏操控、量子信息處理器、量子測量技術(shù)等。三、量子因特網(wǎng)

信源編碼信息傳輸解碼與探測量子態(tài)工程單光子源度量壓縮編碼直接通道糾纏通道信道容量探測器Bell基測量廣義量子測量QND量子通信基本過程三、量子因特網(wǎng)1、量子態(tài)工程

研究如何制備、操縱和存儲(chǔ)作為信息載體的量子態(tài)等問題，包括：

（1）可控單光子源：目前實(shí)用單光子是種將激光脈沖衰減到平均每個(gè)脈沖只有0.1個(gè)光子的準(zhǔn)單光子源，理想的單光子源應(yīng)是每個(gè)脈沖有且僅有一個(gè)光子，其發(fā)射時(shí)間、發(fā)射方向和光子頻率可以人為精確控制。人們正致力研制這種光子源，但尚未完成實(shí)現(xiàn)。三、量子因特網(wǎng)

（2）量子態(tài)操縱：量子態(tài)的制備、識(shí)別、克隆、變換以及層析照像等。（3）量子存儲(chǔ)器：它應(yīng)必須能有效地存儲(chǔ)量子信息，以備進(jìn)一步操作或傳送之用，主要研究內(nèi)容是尋找能夠長時(shí)間保存量子態(tài)的物理系統(tǒng)，并且要能克服環(huán)境的干擾即消相干問題。（4）高亮度、高糾纏度的糾纏光子源的制備，其參數(shù)可控且其波長損耗最小。

三、量子因特網(wǎng)2、信源編碼理論

研究如何在保持不失真的前提下有效壓縮量子信源的冗余度，以增大傳輸效率，涉及到量子信息度量問題，如保真度、距離熵、Holevo信息和可獲取信息，以及信源編碼問題，如編碼基的選取、對混合態(tài)和有限序列進(jìn)行壓縮編碼等。三、量子因特網(wǎng)3、量子信道研究如何建立遠(yuǎn)距離的糾纏通道和在有噪聲通道中如何有效地傳送量子信息使其保真度達(dá)到所預(yù)期的值。包括：信道消相干及其克服辦法：消相干過程，量子糾錯(cuò)編碼，DFS編碼和QND測量壓制損耗等。

糾纏通道的建立，關(guān)鍵性問題是遠(yuǎn)距離糾纏通道的建立和局域量子操作的實(shí)現(xiàn)。三、量子因特網(wǎng)

量子中繼原理和技術(shù)，解決所傳送的量子信息保真度隨距離指數(shù)衰減的難題，量子中繼通過糾纏交換將能有效制備和自動(dòng)進(jìn)行糾纏純化的短距離量子通道擴(kuò)展為更遠(yuǎn)距離，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度是距離的多項(xiàng)式函數(shù)。信道容量，研究糾纏通道在各種輔助條件（如LQCC）的通信能力。三、量子因特網(wǎng)

基于量子糾纏的量子通信目的：在相距甚遠(yuǎn)的用戶之間傳送量子態(tài)。節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)糾纏量子通道關(guān)鍵問題：糾纏度隨通道長度指數(shù)衰減量子信息保真度指數(shù)衰減三、量子因特網(wǎng)解決辦法：糾纏純化，即由若干被破壞的糾纏通道純化成最大糾纏通道。存在問題：所需的部分糾纏通道數(shù)隨距離增大指數(shù)增長。三、量子因特網(wǎng)

量子中繼器：原則上可以解決保真度指數(shù)衰減的困難其基本思想：將通信信道按衰減長度量級分成若干段

（1）每段產(chǎn)生糾纏和純化（2）經(jīng)由糾纏交換將相鄰段落間接起來（3）因糾纏交換使糾纏度降低，需要再純化，如此反復(fù)進(jìn)行

三、量子因特網(wǎng)

關(guān)鍵的硬件是“量子存儲(chǔ)器”純化是概率性的，純化成功后存儲(chǔ)且保持該段量子態(tài)，只需對失敗段再純化。這是確保通信效率多項(xiàng)式擴(kuò)展的核心。若無存儲(chǔ)器，則要求所有段的純化要同時(shí)成功，這樣的事件的概率隨距離指數(shù)降低！原子量子存儲(chǔ)器：將量子信息存儲(chǔ)于原子態(tài)中，而不是光子態(tài)，這要求光腔Q值很高以使光子與原子有強(qiáng)耦合，可用于原子糾纏的產(chǎn)生，純化三、量子因特網(wǎng)Duan等人提出熱原子系綜方案，可以解決上述問題三、量子因特網(wǎng)糾纏的產(chǎn)生三、量子因特網(wǎng)采用線性光學(xué)通過交換實(shí)現(xiàn)糾纏連接三、量子因特網(wǎng)

如類似于Ekert方案的量子密鑰分配最終的EME態(tài)可直接用于通信三、量子因特網(wǎng)

Non-classicalphotonpairsgeneratedfromaroom-temperatureatomicensemble

Abstract:Wereportexperimentalgenerationofnon-classicallycorrelatedphotonpairsfromcollectiveemissioninaroom-temperatureatomicvaporcell.Thenon-classicalfeatureoftheemissionisdemonstratedbyobservingaviolationoftheCauchy-Schwarzinequality.Eachpairofcorrelatedphotonsareseparatedbyacontrollabletimedelayupto2microseconds.ThisexperimentdemonstratesanimportantsteptowardstherealizationoftheDuan-Lukin-Cirac-Zollerschemeforscalablelong-distancequantumcommunication. （Phys.Rev.A2004年發(fā)表）三、量子因特網(wǎng)

在上述方案中,首要的一步是演示在所發(fā)射的光子與長壽命集體原子激發(fā)之間的量子關(guān)聯(lián)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們在室溫Rb原子氣體中觀察這個(gè)非經(jīng)典關(guān)聯(lián)。在實(shí)驗(yàn)中，原子集體激發(fā)不斷地被轉(zhuǎn)換成光子，由此，我們便可觀察兩個(gè)相繼發(fā)射光子之間的關(guān)聯(lián)。

三、量子因特網(wǎng)三、量子因特網(wǎng)S1Gate1S2Gate2Afulldutycycle(a)(b)(c)writereadStokesphotonAnti-StokesphotonSMfiberReadbeamCMagneticshieldWritebeamSMfiberSMfiberSMfiber三、量子因特網(wǎng)由測得數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)是否違背Cauchy-Schwarz不等式:實(shí)驗(yàn)結(jié)果三、量子因特網(wǎng)WeiJiang,ChaoHan,PengXue,Lu-MingDuan,Guang-CanGuo,Preprintquant-ph/0309175三、量子因特網(wǎng)

同Kimble，Lukin兩個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)相比，我們的實(shí)驗(yàn)有以下優(yōu)點(diǎn)：1、采用室溫Rb原子氣體，比Kimble組的MOT束縛冷原子簡單，便宜。2、Kimble組的延遲時(shí)間為400ns，我們的為2s。3、Lukin小組采用熱原子系綜，但不處于單光子范疇。

量子態(tài)的探測

研究如何有效地提取信息，涉及到單光子探測技術(shù)，Bell態(tài)測量和廣義量子測量、QND測量等。目前，國際學(xué)術(shù)界正致力于上述關(guān)鍵性科學(xué)和技術(shù)問題的研究，一旦取得突破就可實(shí)現(xiàn)量子因特網(wǎng)，它可與量子計(jì)算相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)量子信息的遠(yuǎn)程操作，遠(yuǎn)程量子態(tài)制備和遠(yuǎn)程量子態(tài)克隆，還可以實(shí)現(xiàn)高精度的量子刻蝕和時(shí)鐘同步，在分布計(jì)算中有效地降低通信復(fù)雜度等。三、量子因特網(wǎng)

目錄一、引言－后莫爾時(shí)代的新技術(shù)二、量子密碼三、量子因特網(wǎng)四、量子計(jì)算五、量子信息基礎(chǔ)理論六、結(jié)論四、量子計(jì)算經(jīng)典量子可存儲(chǔ)0或1（一個(gè)數(shù)）可同時(shí)存儲(chǔ)0和1（兩個(gè)數(shù)）一個(gè)存儲(chǔ)器兩個(gè)存儲(chǔ)器經(jīng)典量子可存儲(chǔ)00,01,10或11(一個(gè)數(shù))可同時(shí)存儲(chǔ)00,01,10,11(四個(gè)數(shù))量子計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算能力四、量子計(jì)算N個(gè)存儲(chǔ)器經(jīng)典：可存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)（2N個(gè)可能的數(shù)之中的一個(gè)數(shù)）量子：可同時(shí)存儲(chǔ)2N個(gè)數(shù)

因此，量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力是經(jīng)典的2N倍，且隨N指數(shù)增長。

例如，N=250,量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)比宇宙中原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。

四、量子計(jì)算計(jì)算是對數(shù)據(jù)的變換經(jīng)典計(jì)算機(jī)對N個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，只變換一個(gè)數(shù)據(jù)。

量子計(jì)算機(jī)對N個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，同時(shí)變換2N個(gè)數(shù)據(jù)。

四、量子計(jì)算可見：對N個(gè)量子存儲(chǔ)器實(shí)行一次操作，其效相當(dāng)于對經(jīng)典存儲(chǔ)器進(jìn)行2N次操作,這就是量子計(jì)算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力。采用合適的量子算法，

這個(gè)能力可以大大地提高計(jì)

算機(jī)的運(yùn)算速度。

四、量子計(jì)算Shor量子并行算法——1994年，量子信息領(lǐng)域的里程碑工作，獲1998年世界數(shù)學(xué)家大會(huì)最高獎(jiǎng)。這個(gè)算法可以求解“大數(shù)因子分解”難題這類大數(shù)因子分解是個(gè)難解的數(shù)學(xué)問題其安全性依賴于“單向”函數(shù)127×129＝？很容易計(jì)算？×？＝29083很難計(jì)算

四、量子計(jì)算

分解N運(yùn)算步驟（時(shí)間）隨輸入長度logN指數(shù)增長，用經(jīng)典計(jì)算是難以計(jì)算的。例若N=250，要用8×105年N=1000，要用1025年(比宇宙年齡還長)N=129位，

1994年1600臺(tái)工作站花了8個(gè)月分解成功。

四、量子計(jì)算Shor算法證明:采用量子計(jì)算機(jī)并行計(jì)算，分解N的時(shí)間隨logN的多項(xiàng)式增長(即可解問題)。所以，一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，現(xiàn)有的RSA密鑰將無密可保。

四、量子計(jì)算Grover量子搜尋算法問題：從N個(gè)未分類的客體中尋找出某個(gè)特定客體。例如:從按姓序排列的106個(gè)電話號(hào)碼中找出某個(gè)特定的號(hào)碼。經(jīng)典計(jì)算機(jī)一個(gè)個(gè)查詢，直到找到所要的號(hào)碼。平均講，要查次，找到的幾率為。量子計(jì)算機(jī)采用并行處理，只需次，找到的幾率接近100％(Grover算法)。四、量子計(jì)算這個(gè)算法應(yīng)用廣泛：尋找最大值，最小值，平均值，下棋，……例:可以有效地攻破DES(thedataencryptionstandard)密碼體系(問題的本質(zhì)是從256=7×1016可能的密鑰中尋找一個(gè)正確的密鑰)。若以每秒106次的運(yùn)算速率，經(jīng)典計(jì)算機(jī)要花1000年，而量子計(jì)算機(jī)采用Grove算法，則低于4分鐘。Grove算法：可以在稻草堆里發(fā)現(xiàn)一根針！四、量子計(jì)算

量子計(jì)算技術(shù)有可能成為二十一世紀(jì)上半葉人類最偉大的技術(shù)突破之一。該技術(shù)一旦成為現(xiàn)實(shí)，基于量子力學(xué)的算法將遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典算法，從而使現(xiàn)有的密碼系統(tǒng)產(chǎn)生根本性的變革，直接影響到各國的國防部門乃至整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)；基于量子計(jì)算的量子模擬技術(shù)，將有助于人們清楚地認(rèn)識(shí)介觀體系的物性。進(jìn)而可能成為新的技術(shù)發(fā)明和發(fā)現(xiàn)的基本研究手段；未來量子計(jì)算機(jī)的成品，極可能是基于納米技術(shù)和微觀操控技術(shù)，從而量子計(jì)算機(jī)的研究將為這些目前新興的技術(shù)領(lǐng)域提供技術(shù)革新的動(dòng)力。四、量子計(jì)算

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)已不存在原則性的障礙。今年日本和美國聯(lián)合的研究小組已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)超導(dǎo)電荷量子比特的相干振蕩。美國在2002年年底制定的十年發(fā)展規(guī)劃中，已明確地將目標(biāo)定位于：“到2012年發(fā)展一套可行的帶有足夠復(fù)雜度的量子計(jì)算技術(shù)，以其充當(dāng)量子計(jì)算檢測平臺(tái)的功能，在這個(gè)平臺(tái)之上去探索量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建及算法等問題”。四、量子計(jì)算

量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題已不是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢想，它已經(jīng)到了基本的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)階段，在我國開展量子計(jì)算技術(shù)的研究，不僅是必要的，而且是迫切的。由于量子計(jì)算必須是在相干地操控多個(gè)量子邏輯比特時(shí)才能展示出巨大的威力，所以，作為一個(gè)長遠(yuǎn)的目標(biāo)，我們應(yīng)該發(fā)展具有可擴(kuò)展性的量子計(jì)算技術(shù)。

四、量子計(jì)算

量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算必須解決下列問題：量子邏輯網(wǎng)絡(luò)(硬件，量子芯片)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理系統(tǒng)量子算法提高運(yùn)算速度的關(guān)鍵量子編碼克服破壞量子相干性的消相干過程，確保計(jì)算的可靠性。四、量子計(jì)算

量子門和量子邏輯網(wǎng)絡(luò)1995年美國勢阱中離子2量子比特PRL1995年美國微腔—原子2量子比特PRL1997年美國核磁共振2量子比特Science1999年日本電子庫柏對單量子比特Nature2000年美國勢阱中離子4量子比特Nature2000年美、德核磁共振5量子比特Nature2001年美國核磁共振7量子比特Nature1998年中國核磁共振2量子比特CPL2000年中國核磁共振3量子比特CPL2000年中國核磁共振4量子比特PRA四、量子計(jì)算

量子算法1994年，Shor量子并行算法1997年，Grove量子搜尋算法已有更多算法在探索之中。四、量子計(jì)算

量子編碼

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用的重要障礙是宏觀環(huán)境不可避免地破壞量子相干性(即所謂消相干問題)，使量子計(jì)算機(jī)演變成經(jīng)典計(jì)算機(jī)。若不能有效地克服消相干，即是量子硬件做成了，量子計(jì)算機(jī)也無法實(shí)際應(yīng)用。量子編碼是克服消相干的有效方法。

它引入冗余度，將有用的量子信息分配到更多量子比特之間糾纏之中。四、量子計(jì)算

現(xiàn)有量子編碼有三種不同類型原理：

其中量子避錯(cuò)碼原理是我們在國際上最早提出的(發(fā)表在PhysicalReviewLetters,1997)?？傊?，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)原則上已不存在不可逾越的困難，但量子硬件的突破尚有待時(shí)日。量子糾錯(cuò)碼量子避錯(cuò)碼量子防錯(cuò)碼出了錯(cuò)后糾正(經(jīng)典糾錯(cuò)碼的對應(yīng))避免出錯(cuò)(應(yīng)用量子相干保持態(tài))采用多次測量防止出錯(cuò)(應(yīng)用量子Zero效應(yīng))四、量子計(jì)算

目前研究可擴(kuò)展量子計(jì)算技術(shù)的主要用途

1、基于超導(dǎo)的量子計(jì)算技術(shù)

2、基于固體量子點(diǎn)的量子計(jì)算技術(shù)

3、基于線性光學(xué)的量子計(jì)算技術(shù)

4、基于中性原子的量子計(jì)算技術(shù)

（1）光子晶格（2）腔QED

四、量子計(jì)算利用微阱陣列中的離子實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的電子計(jì)算機(jī)Nature2000,byJ.I.Cirac,P.Zoller

四、量子計(jì)算Nature2001,byI.L.Chuang小組

采用NMR實(shí)現(xiàn)Shor量子因子分解算法

(N=15)四、量子計(jì)算采用線性光學(xué)實(shí)現(xiàn)有效量子計(jì)算的方案Nature2001,byE.Knill等

四、量子計(jì)算采用THz輻射相干操控半導(dǎo)體量子比特Nature2001,byB.E.Cole等

四、量子計(jì)算大尺度離子阱量子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)Nature2002,byD.Kielpinski等四、量子計(jì)算兩個(gè)相互耦合電荷量子比特的量子振蕩Nature2003,byYu.A.Pashkin等四、量子計(jì)算Cirac—Zoller可控—NOT量子門的實(shí)現(xiàn)Nature2003,byF.Schmidt—Kaler等四、量子計(jì)算無消相干子空間的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Science2000,byP.G.Kwiat等四、量子計(jì)算光誘導(dǎo)單個(gè)量子點(diǎn)中的激子糾纏Science2000,byP.G.Kwiat等四、量子計(jì)算宏觀持續(xù)電流態(tài)的量子疊加

Science2000,byC.H.vandel等四、量子計(jì)算量子點(diǎn)單光子源Science2000,byP.Michler等四、量子計(jì)算用于量子計(jì)算的俘獲離子的幾何操作Science2001,byL.–M.Duan等四、量子計(jì)算采用核自旋實(shí)現(xiàn)用于量子信息處理的無噪聲子空間Science2001,byL.Viola等四、量子計(jì)算電驅(qū)動(dòng)的單光子源Science2002,byZhiliangYuan等四、量子計(jì)算超導(dǎo)流量子比特的相干量子動(dòng)力學(xué)Science2003,byI.Chiorescu等四、量子計(jì)算兩個(gè)超導(dǎo)量子比特中的糾纏宏觀量子態(tài)Science2003,byA.J.Berkley等四、量子計(jì)算

我們的研究途徑：

基于腔QED的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)。量子比特普適門固體微球腔中離子能級單個(gè)量子比特的旋轉(zhuǎn)＋兩個(gè)量子比特的可控相位門四、量子計(jì)算

可控相位門ij量子芯片以光子作中介采用局域操作實(shí)現(xiàn)

K2:Transmittedat[0,T]Reflectedat[T,2T]HWP1(HWP2):CPFgatebetweentwoions目錄一、引言－后莫爾時(shí)代的新技術(shù)二、量子密碼三、量子因特網(wǎng)四、量子計(jì)算五、量子信息基礎(chǔ)理論六、結(jié)論五、量子信息基礎(chǔ)理論

量子信息應(yīng)用量子力學(xué)原理和方法來研究信息科學(xué)，從而開發(fā)出現(xiàn)經(jīng)典信息無法做到的新信息功能，反過來，量子信息的發(fā)展大大地豐富了量子力學(xué)的研究內(nèi)容，有力地將量子理論推向更深層次的發(fā)展階段，使人類對自然界的認(rèn)識(shí)更深刻、更本質(zhì)。量子信息的基礎(chǔ)理論為量子信息技術(shù)的發(fā)展構(gòu)建雄厚理論平臺(tái)，為其持續(xù)發(fā)展打下扎實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)前學(xué)術(shù)界關(guān)注的若干研究內(nèi)容如下：五、量子信息基礎(chǔ)理論

1、量子編碼

量子編碼用來有效地克服環(huán)境不可避免地引起的消相干，確保量子通信和量子計(jì)算的可靠性。目前已有量子糾錯(cuò)，量子避錯(cuò)和量子防錯(cuò)三種不同原理的量