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量子資訊

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量子資訊是以量子力學基本原理為基礎,把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊,進行計算、編碼和資訊傳輸的全新資訊方式[1]

量子資訊最常見的單位是為量子位元(qubit)——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。然而不同於古典數位狀態(其為離散),一個二狀態量子系統實際上可以在任何時間為兩個狀態的疊加態,這兩狀態也可以是本徵態

基礎

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重大發現

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1927年,海森堡發現在測量粒子動量和位置的時候會導致h/4π的誤差(兩者誤差相乘)。測量時位置的誤差越小,動量的誤差就會變得相當大。而h/4π就是這個誤差的下限(也就是說兩者誤差的乘積大於等於h/4π)。這一結論最終被稱作不確定性原理

1935年,阿爾伯特·愛因斯坦鮑里斯·波多爾斯基納森·羅森提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論,客觀上揭示了量子糾纏現象。

1984年,查爾斯·貝內特(Charles Bennett)與吉勒·布拉薩(Gilles Brassard)提出一種量子密分碼發協定,後被稱為BB84協定[2]

1994年,數學家彼得·秀爾發現針對整數分解秀爾演算法Shor演算法)。2001年,IBM使用NMR實做的量子計算機以及7個量子位元展示了秀爾演算法的實例,將15分解成3×5[3]

相干特性

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EPR實驗假設一個零自旋中性π介子衰變成一個電子與一個正電子,這兩個衰變產物各自朝著相反方向移動,雖然彼此之間相隔一段距離,它們仍舊會發生量子糾纏現象。

由於量子相干性量子位元在測量過程中會表現出與經典情況完全不同的行為[4]。測量儀器與被測系統的相互作用會引起所謂的波包塌縮。這時相干性將被徹底破壞,即發生了所謂的量子退相干[5]量子糾纏是多位元系統特有的量子性質。兩個位元的量子系統不僅有經典系統中的4種不同的狀態,並且可以處在非平凡的雙粒子相干疊加態(量子糾纏態)上,這構成了量子通訊的物理基礎[1]

領域

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量子通訊

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美國在2005年建成了DARPA量子網路絡[6][7],連接美國BBN公司哈佛大學波士頓大學3個節點。中國在2008年研製了20km級的3方量子電話網路[8][9][10]。2009年構建了一個4節點全通型量子通訊網路[11],大大提高了安全通訊的距離和金鑰產生速率,同時保證了絕對安全性[12][13][14][15]。同年,「金融資訊量子通訊驗證網」在北京正式開通,是世界上首次將量子通訊技術應用於金融資訊安全傳輸。2014年中國遠端量子金鑰分發系統的安全距離擴充至200公里,重新整理世界紀錄[16]。2016年8月16日,中國發射一顆量子科學實驗衛星「墨子號」,連接地面光纖量子通訊網路[17][18],並力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通訊網

量子計算

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量子電腦由包含有導線和基本量子門的量子線路構成,導線用於傳遞量子資訊,量子門用於操作量子資訊[19]

2015年5月,IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破,開發出四量子位原型電路(Four Quantum Bit Circuit),成為未來10年量子電腦基礎。另外一項是,可以同時發現兩項量子的錯誤型態,分別為Bit-Flip(位元翻轉)與Phase-Flip(相位翻轉),不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態,使量子電腦運作更為穩定。[20]2016年8月,美國馬里蘭大學學院市分校發明世界上第一台由5量子位元組成的可程式化量子電腦[21][22]

量子雷達

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量子雷達屬於一種新概念雷達,是將量子資訊科技引入經典雷達探測領域,提升雷達的綜合效能[23]。量子雷達具有探測距離遠、可辨識和分辨隱身平台及武器系統等突出特點,未來可進一步應用於飛彈防禦和空間探測,具有極其廣闊的應用前景[24]。根據利用量子現象和光子發射機制的不同,量子雷達主要可以分為三個類別:一是量子雷達發射非糾纏的量子態電磁波;二是量子雷達發射糾纏的量子態電磁波;三是雷達發射經典態的電磁波[25]。2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2013年義大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測,證明其有實戰價值的可能性[26]。中國首部基於單光子檢測的量子雷達系統由中國電科14所研製,中國科學技術大學、 中國電科27所以及南京大學協同運作完成[27]。不過專家表示,量子雷達想要實現工程化可能還有比較漫長的路要走[28]

量子博弈

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量子博弈英語Quantum game theory是Eisert等人在1999年提出的,遊戲者可以利用量子規律擺脫所謂的囚徒困境[1],防止某一玩家因背叛而獲利[29]

參考來源

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 量子信息简介 (PDF). 中國科學院物理研究所. [2016-09-27]. (原始內容 (PDF)存檔於2016-10-01). 
  2. ^ C. H. Bennett and G. Brassard. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing (PDF). In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, (紐約). 1984, 175: 8 [2016-08-22]. (原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04). 
  3. ^ Vandersypen, Lieven M. K.; Steffen, Matthias; Breyta, Gregory; Yannoni, Costantino S.; Sherwood, Mark H. & Chuang, Isaac L., Experimental realization of Shor's量子factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, Nature, 2001, 414 (6866): 883–887, doi:10.1038/414883a .
  4. ^ O'Connell, A. D.; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D. & Wang, H. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature. 2010, 464 (7289): 697–703. Bibcode:2010Natur.464..697O. PMID 20237473. doi:10.1038/nature08967. 
  5. ^ Maximilian A. Schlosshauer. Decoherence And the Quantum-To-Classical Transition. Springer Science & Business Media. 1 January 2007. ISBN 978-3-540-35773-5. 
  6. ^ (英文)C. Elliott, 「Building the quantum network」, New J. Phys. 4, 46 (2002).
  7. ^ (英文)C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J.Schlafer, and H. Yeh, Current status of the DARPA Quantum Network, Quantum Information and Computation III, E. J. Donkor, A. R. Pirich, and H. E. Brandt, eds., Proc. SPIE 5815, 138--149 (2005).
  8. ^ T.-Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, W.-Q. Cai, L. Ju, W.-Y. Liu, J. Wang, H. Yin, K. Chen, Z.-B. Chen, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, 「Field test of a practical secure communication network with decoy-state quantum cryptography」, Opt. Exp. 17, 6540-6549 (2009). [1]頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) 於2010年4月1日查閱
  9. ^ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
  10. ^ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
  11. ^ 潘建偉科研團隊。[2]頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)於2010年4月1日查閱
  12. ^ (英文)W.-Y. Hwang, 「Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication」, Phys. Rev. Lett. 91, 057901 (2003).
  13. ^ (英文)X.-B. Wang, 「Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography」, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
  14. ^ (英文)H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, 「Decoy state quantum key distribution」, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
  15. ^ 世界首個全通型量子通訊網路落戶中科大。《科技日報》,存档副本. [2016-06-27]. (原始內容存檔於2010-04-14).  於2010年4月1日查閱
  16. ^ 中国量子密钥分发安全距离创纪录. [2016-08-22]. (原始內容存檔於2014-11-29). 
  17. ^ 世界第一個量子衛星!中國7月首射掀起通訊新革命. ETtoday 新聞雲. 2016年5月26日 [2016-06-27]. (原始內容存檔於2016-06-25). 
  18. ^ 我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”. 2016-08-16 [2016-08-16]. (原始內容存檔於2016-08-15). 
  19. ^ 郭光燦.量子資訊概論頁面存檔備份,存於網際網路檔案館
  20. ^ [3]頁面存檔備份,存於網際網路檔案館),iThome新聞,2015年5月1日
  21. ^ 全球首台可编程量子计算机在美国诞生. 搜狐新聞. [2016-08-05]. (原始內容存檔於2017-03-05). 
  22. ^ Debnath, S.; Linke, N. M.; Figgatt, C.; Landsman, K. A.; Wright, K.; Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 2016-08-04, 536: 63–66 [2016-08-22]. doi:10.1038/nature18648. (原始內容存檔於2019-07-01) (英語). 
  23. ^ 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 騰訊新聞. 觀察者網. 2016-09-07 [2016-09-27]. (原始內容存檔於2020-04-02). 
  24. ^ 張文. 中国量子雷达研发获突破 隐身战机“克星”将至. 中國新聞網. 解放軍報. 2016年9月22日 [2016-09-27]. (原始內容存檔於2020-04-02). 
  25. ^ 鐵流. 中国量子雷达研制成功 有哪些技术优势. 觀察者. 2016-09-07 [2016-09-27]. (原始內容存檔於2020-08-11). 
  26. ^ 鳳凰衛視-神秘量子雷達. [2016-09-27]. (原始內容存檔於2019-05-02). 
  27. ^ 賈婧. 中国研制成功首部量子雷达. 科學網. 科技日報. 2016-09-14 [2016-09-27]. (原始內容存檔於2020-12-01). 
  28. ^ 专家:量子雷达还不成熟 对付F35要靠现有装备. 鳳凰軍事. 環球時報. 2016年9月25日 [2016-09-27]. (原始內容存檔於2020-04-02). 
  29. ^ Simon C. Benjamin and Patrick M. Hayden, Multiplayer quantum games, Physical Review A, 13 August 2001, 64 (3): 030301, Bibcode:2001PhRvA..64c0301B, arXiv:quant-ph/0007038可免費查閱, doi:10.1103/PhysRevA.64.030301 , arXiv:quant-ph/0007038頁面存檔備份,存於網際網路檔案館

參考文獻

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  • Vlatko Vedral: Introduction to quantum information science. Oxford Univ. Pr., Oxford 2006, ISBN 0-19-921570-7
  • Dirk Bouwmeester: The physics of quantum information – quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-66778-4
  • Dieter Heiss: Fundamentals of quantum information – quantum computation, communication, decoherence and all that. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43367-8
  • Dagmar Bruss, Gerd Leuchs: Lectures on quantum information. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-40527-5
  • Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с. (俄文)
  • Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо. Ижевск: РХД, 2000. 172 с. (俄文)
  • Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М.: Мир, 2006. 824 с. (俄文)
  • Прескилл Дж. РХД, 2008. 464 с. ISBN 978-5-93972-651-1 (俄文)
  • Холево А. С. Введение в квантовую теорию информации. М.: МЦНМО, 2002. 128 с. ISBN 5-94057-017-8 (俄文)
  • Хренников А. Ю. Введение в квантовую теорию информации. М.: Физматлит, 2008. 284 с. ISBN 978-5-9221-0951-2 (俄文)
  • Квантовая криптография: идеи и практика / под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. — Мн., 2008. — 392 с. (俄文)
  • Kilin S. Ya. Quanta and information / Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90. (俄文)
  • Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527. [4]頁面存檔備份,存於網際網路檔案館(俄文)

延伸閱讀

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參見

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外部連接

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