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
[編輯]重大發現
[編輯]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·波多爾斯基和納森·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的秀爾演算法(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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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
[編輯]量子通訊
[編輯]美國在2005年建成了DARPA量子網路絡[6][7],連接美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學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
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]量子博弈是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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參考文獻
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延伸閱讀
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參見
[編輯]外部連接
[編輯]- Валиев К. А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) Вестник РАН. Том 70. N.8. (2000) с.688-695. (俄文)
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