1、上海理工大學(xué) 王春芳,量子信息基礎(chǔ)及技術(shù)前沿,量子世界的奇妙性,量子通信，量子計算機，量子模擬，量子度量學(xué),量子力學(xué),量子力學(xué)是20世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展的臺柱之一。但是，自量子力學(xué)誕生以來，科學(xué)界關(guān)于量子力學(xué)基本問題一直進行著激烈的爭論。,爭論焦點： 自然界是否確實按量子力學(xué)的規(guī)律運行？,特性：每時刻的位置、速度完全確定，有確定的運行軌跡，遵從牛頓力學(xué)。,經(jīng)典粒子,微觀粒子,特性：同時具有波動性和粒子性 設(shè)想空間有一個微觀粒子，任何地刻有可能在空間中任何點探測到粒子（類似經(jīng)典波的特性）， 但一旦探測到只能在其中一個探測器處發(fā)現(xiàn)該粒子（類似經(jīng)典粒子的特性）。,經(jīng)典世界,空間定域,量子世界,非定域（概

2、率分布）,量子世界的怪異性,經(jīng)典世界,量子世界,同時經(jīng)由各種軌跡傳送,運動確定軌跡,漫 話,微觀粒子,哥本哈根解釋（量子力學(xué)正統(tǒng)解釋） 三個支點： （1）互補原理 （2）概率波 （3）波包塌縮,光是波還是粒子？,古希臘時代人們就開始思考這個問題,兩大學(xué)說的對立,波動說勝利,光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)支持了粒子說,提出不僅光，任何粒子都有波粒二象性,當(dāng)屏幕放上時，在屏幕上可以看到干涉條紋，光表現(xiàn)出波動性。 當(dāng)屏幕移走時，對應(yīng)的探測器上探測到光子，就可以知道光子是從哪條狹縫過來的。此時表現(xiàn)出粒子性。,波爾認為： 這就是波爾的互補原理。 在楊氏雙縫實驗中，光表現(xiàn)出波動性還是粒子性取決于觀察者所使用的探測裝置，這

3、是波動性和粒子性的互補原理。,某些物理對象可能同時具有多種相互對立的屬性; 這些屬性有時可以根據(jù)觀測方法的不同而相互切換； 但是這些屬性卻不能在同一次觀測中同時被觀測到。,玻爾設(shè)計的“對立即互補” (contraria sunt complementa)族徽,有一種隱變量理論認為光子在通過狹縫之前可以獲得后面探測裝置的信息，然后根據(jù)這些信息來選擇表現(xiàn)形式。 1978年，為了排除這種隱變量理論，惠勒提出一個思想實驗，即在光子通過狹縫之后再來隨機地選擇探測裝置，這就是惠勒延遲選擇實驗。,雙縫裝置,Mach-Zehnder(MZ)裝置,經(jīng)典的惠勒延遲選擇性實驗,光子的延遲選擇實驗都是在MZ裝置中完成

4、的。,等價于,經(jīng)典惠勒延遲選擇性實驗結(jié)果,有第二個BS，光子表現(xiàn)波動性,無第二個BS，光子表現(xiàn)粒子性,實驗結(jié)果支持了玻爾的互補原理，排除了隱變量理論，粒子性和波動性不能同時觀測到。,量子的惠勒延遲選擇性實驗,在經(jīng)典的惠勒選擇實驗中第二個BS的“有”和“無”是確定的，而在量子的惠勒選擇實驗中第二個BS的“有”和“無”是疊加狀態(tài)。,紅線：經(jīng)典混合 藍線：量子疊加,實驗結(jié)果一： 利用量子裝置（量子BS）觀察到了波和粒子的疊加態(tài)，豐富了人們對玻爾互補原理的理解。,實現(xiàn)量子的惠勒延遲選擇性實驗,實驗結(jié)果二： 揭示了互補原理和疊加態(tài)原理的深層關(guān)系,輔助量子比特在0，1基測量,輔助量子比特在+，-基測量,J

5、. S. Tang et al, Nature Photinics, 6, 600604:(2012),態(tài)疊加原理 量子系統(tǒng)的狀態(tài)表示為,是概率幅，測量會使系統(tǒng)塌縮到其中一個本征態(tài) 上，其概率為 。,經(jīng)典粒子在某個時刻只能處于確定的物理狀態(tài)上,量子粒子則可以同時處于各種可能的物理狀態(tài)上（疊加態(tài)）,薛定諤的貓,量子信息與量子力學(xué),量子比特： 量子信息：,量子信息是經(jīng)典信息的擴展和完善，正如復(fù)數(shù) 是實數(shù)的完善和擴展。,“量子比特”與“比特”有何區(qū)別？,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”,“量子比特”與“比特”有何區(qū)別？,量子信息：以光子的量子態(tài)表征信息 如約

6、定偏振態(tài)，圓偏振代表“1”，線偏振代表“0”（每個脈沖有一個光子）,“量子比特”有何特殊性質(zhì)？,量子不可克隆定理,量子不可克隆定理： 不存在物理過程可精確地復(fù)制任意量子態(tài)。,量子克隆機,A,B,A,B,?,No!,量子密碼安全性的基礎(chǔ) 量子信息提取不可逾越的障礙,普適量子克隆機,和 之間的保真度,概率量子克隆機,最大成功率為（段-郭界限）,測量C： 處于 ，克隆成功保真度為1 處于 ， 克隆失敗,量子關(guān)聯(lián)及應(yīng)用,關(guān)聯(lián)的分類,何為量子糾纏？,由A和B構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，若其量子態(tài)不能表示為子系統(tǒng)態(tài)的直積形式，則稱為糾纏態(tài)。,非局域性：對A(或B)的任意測量必然會影響B(tài)(或A)的量子態(tài)，不管A和B分離

7、多遠。,EPR佯謬,（1935年）,量子糾纏態(tài),A-B構(gòu)成“量子通道”,糾纏光子的產(chǎn)生,局域操作無法產(chǎn)生糾纏，糾纏態(tài)的產(chǎn)生需要集體操作。如非線性相互作用和糾纏交換等。在實驗上可采用參量下轉(zhuǎn)換過程制備脈沖和連續(xù)的光子糾纏態(tài)。,量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation）,什么是隱形傳物？(Teleportation),長期以來，這種隱形傳物無論用經(jīng)典方法或量子方法都認為是不可能的，只是“科學(xué)幻想”或“神話”而已,1993年美國IBM的著名科學(xué)家Bennet等四個國家的六位科學(xué)家聯(lián)名在Physical Review Letters上發(fā)表了一篇開創(chuàng)性論文：“經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知

8、量子態(tài)”，提出了一種方法可以將某個粒子的未知,量子態(tài)(未知量子比特)傳送給遠處的另一個粒子，使該粒子處在這個未知量子態(tài)上，而原先的粒子不被傳送，這就是所謂“量子隱形傳態(tài)”。,接受者在獲得這兩種信息之后，就可以制造出原物量子態(tài)的精確復(fù)制品。,量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation),A,B,糾纏源,Alice,Bob,A,B,貝爾測量,幺正變換,在這個過程中， 原物始終留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而且，發(fā)送者對這個量子態(tài)始終一無所知； 接受者是將別的物質(zhì)單元(如粒子)制備成為與原物完全相同的量子態(tài)，他對這個量子態(tài)也始終一無所知； 原物的量子態(tài)在測量時已被破壞掉不違

9、背“量子不可克隆定理”；,未知量子態(tài)(量子比特)的這種傳送，需要經(jīng)典信道傳送經(jīng)典信息(即發(fā)送者的測量結(jié)果)，傳送速度不可能超過光速不違背相對論的原理。,采用量子態(tài)(量子比特)作為信息載體，經(jīng)由量子通道傳送，在合法用戶之間建立共享的密鑰(經(jīng)典隨機數(shù))，這個密鑰是安全的，任何竊聽都會被發(fā)現(xiàn)。 其安全性由量子力學(xué)原理所保證：,竊聽者若企圖通過對量子態(tài)的測量來竊 取信息，則必然會干擾這個量子態(tài)本身， 從而會留下痕跡而被合法用戶發(fā)現(xiàn)。,竊聽者若企圖通過復(fù)制傳送密鑰的量子 態(tài)來獲得信息，此時量子不可克隆定理 確保這種復(fù)制不可能成功。,量子密碼,因此，量子密碼術(shù)原則上可以提供不可破譯、不可竊聽的保密通信體系。目前中國科大已在光纖中成功地實現(xiàn)125公里量子密鑰傳輸，在自由空間中實現(xiàn)13公里傳送。,量子密碼通信是目前唯一被證明絕對安全的保密通信方法,美國商業(yè)周刊把它列在了改變?nèi)藗兾磥砩畹氖蟀l(fā)明的第三位。,量子計算機,N個存儲器,經(jīng)典：可存儲一個數(shù)（2N個可能的數(shù)之中的一個數(shù)） 量子：可同時存儲2N個數(shù),因此，量子存儲器的存儲數(shù)據(jù)能力是經(jīng)典的2N倍，且隨N指數(shù)增長。,例如，N=250,量子存儲器可同時存儲比宇宙中原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。,計算是對數(shù)據(jù)的變換。,可見