1、量子信息導論南京郵電學院理大學王川1課程介紹本課程的目的：1）提供學習量子信息的必要的知識背景；2）介紹量子信息的主干內容；3）引導朋友步入本領域的原創性研究；4)從另一個角度認識量子熱學成績評定分兩部份：期末課程論文50%；平常表現50%23課程主體內容框架基礎篇：講授+討論前沿與應用篇：以討論為主內容待定主要知識點，主要輪廓，量子化學學基礎，量子糾纏及應用，量子密碼術，量子算法，量子信息處理的數學實現參考書目：I.andM.-英文“and”.J.
2、“on”.李承祖“量子信息與量子估算”楊伯君“量子通訊基礎”:PHD,,2003-:,.Tel:(Main-802)5量子信息計算機科學信息論密碼學量子熱學以量子熱學基本原理為基礎、充分借助量子相干性的奇特性質（如量子并行、量子糾纏和量子不可克隆）、探索以全新的方法進行估算、存儲、編碼和傳輸信息的可能性什
3、么是量子信息？67為何研究量子信息？！9精典計算機發展歷史1946年2月15日，在韓國賓夕法尼亞學院，世界上第一臺電子估算器ENIAC即將投入了運行。在隆重的啟幕典禮上，ENIAC演出了它的秘訣：在一秒鐘內進行5000次乘法運算；在一秒鐘內進行500次加法運算。這比當時最快的家電估算器的運算速率要抉1000多倍。全場起立歡呼，歡呼科學技術步入了新的歷史發展時期。馮諾伊曼，知名法籍瑞士物理家。1903年12月3日生于英國赫爾辛基的一個猶太人家庭。此處省略50年More定理的數學極限More定理:18個月CPU速率加倍，單位面積上集成的晶體管數量加倍量子估算：計
4、算機發展的歷史必然？1011量子計算機的發展（1）80年代早期，首先提出了量子估算的思想，他設計了一臺可執行的、有精典類比的量子機。發展了的構想，提出量子計算機可以模擬其它量子系統；D.提出基于量子干涉的計算機模型以及“量子邏輯門”這一新概念，并強調量子計算機可以通用化、量子估算錯誤的形成和糾正等問題。12量子計算機概念的提出P.企圖用傳統計算機模擬量子熱學對象行為。但這樣的模擬估算量太大。想到：假如在算出量子熱學的過程中須要大量估算，這么搭建一個實驗，檢測其結果
5、，正正好相當于從初始條件起完成了一次估算。13為何研究量子計算機？量子體系的模擬必須使用以量子熱學原理直接估算的計算機；300個量子比特體系的狀態須要23001090量子物理學基礎知識點，超過宇宙中的原子的總量;量子計算機可以解決一些重要的物理問題;現今的計算機技術早已接近量子極限,量子計算機是一個新的發展方向;14量子計算機的發展（2）但到了80年代中期，這一研究領域因為若干緣由被疏遠了。首先，由于當時所有的量子計算機模型都是把量子計算機看成是一個不與外界環境發生作用的孤立系統，而不是實際模型。其次，存在許多不利于實現量子計算機的阻礙誘因，如強調的去相干、熱噪音等等。另外，量子計算機可能易出
6、錯，但是不易糾錯。最后，還不清楚量子計算機解決物理問題是否比精典估算快。15量子計算機的發展（3）1994年，P.Shor發明了第一種有很強實用性的量子計算機算法，其高效率的因式分解法可分解大數，它能在幾秒內破譯常規計算機“無法破譯”的密碼。據悉,關于量子邏輯門、量子電路等許多設計方案不斷涌現，促使量子估算的理論和實驗研究蓬勃發展。16量子計算機的優點估算速率可提升10億倍,1個400位長的數分解成素數乘積，采用巨型機需10億年，量子計算機只要一年。量子位存儲能力大大增強。可完成一些傳統計算機難以完成的估算：高效率模擬、模擬量子系統；40個載流子1/2粒子體系低煤耗：計算機幺正變換，是可逆的。
7、-2008年,美國D-wave公司連續發布最新研究進展報告稱她們的基于超導體的量子計算機早已實現了128位量子算法.18從2007年到2008年,該公司4次報告最新的研究進展.所實現的位數由16位增至128位.D波公司由化學學家Rose于1999年成立，這個公司宣稱她們的產品有16個量子字節（BitorQubit），是基于兩種超導材料鋁和鈮構成的回路制造下來的。由于它們可以用傳統的微芯片加工技術從薄膜中制造下來。而困難在于聯接并控制量子字節使之才能進行估算。非常是，量子字節會因為與環境之間的互相作用而很快地遺失其攜帶的信息。1920何謂量子計
8、算機?21量子計算機是一類遵守量子熱學規律進行高速物理和邏輯運算、存儲及處理量子信息的化學裝置。*當某個裝置處理和估算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。*量子計算機的概念始于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的煤耗問題。擦出一個比特信息要消耗能量原理,量子計算機工作原理量子計算機是一數學系統，它能儲存處理關于量子熱學變量的信息。量子計算機遵照的基本原理是量子熱學原理：量子熱學變量的分立特點、態迭加原理和量子相干原理。23量子計算機的特性（1）任何一量子估算都可用估算的一幺正變換作為整體上的描述。任何一個量子估算都是
9、可逆的，但檢測一般不可逆。輸入量子位的相干疊加性將造成量子邏輯門的輸出發生關聯。量子位可以處于半翻轉狀態。即量子位處于0和1的同等幅度的迭加態，這時此量子位作為信息位只翻轉一半。24量子計算機的特性（2）若對許多量子位進行許多邏輯操作，那量子計算機才能同時進行所有可能的估算。稱這一效應為“量子并行”。量子模擬。任何化學過程都可用量子計算機進行完美的模擬，但是所需的時間要遠遠多于精典計算機模擬。信息安全傳輸的基礎25信息的安全傳輸加密技術DES:1977年由法國國家標準局出臺數據加密標準，秘鑰厚度為。AES:2000年的10月，澳大利亞政府通過公開招標選取了新的加密算法R
10、作為其中級加密標準(AES)，該方案是由兩位法國工程師遞交。2001年成為官方標準。RSA加密算法信息安全的重要性目前大量的網路保密是使用“RSA私鑰體系”的密碼技術。想要破譯這些密碼，就要對大數分解質因子。分解一個大數的質因子是十分困難的。根據現有的理論估算，分解一個400位數的質因子，用目前最先進的巨型計算機也須要用10億年的時間，而人類的歷史才不過幾百萬年。但是量子計算機概念的誕生，嚴重動搖了RSA私鑰密碼體系的安全性。1994年，法國的PeterShor借助量子計算機理論證明，一個N位大數的質因子分解只需用N的方程的時間而不是原先所覺得的N的指數次的時間。借助量子
11、計算機分解一個400位大數僅僅須要不到一年的時間,這一結果向RSA私鑰系統的安全性提出嚴重挑戰。這在另一方面推動了量子密碼通訊技術的發展。26精典秘鑰分配過程-Key量子通訊模型量子秘鑰分配明文量子通訊的研究現況量子通訊:-,Max--fr,,Space,年7月18日復旦學院化學系30空間量子通訊實驗研究現況
12、of,年7月18日31空間量子通訊實驗研究現況實驗裝置：419，450,(2002)量子信息的研究現況量子計算機：33量子比特量子線路量子邏輯門量子儲存器量子檢測量子計算機研究現況/7/空間傳播光束控制周期結構297,820(2002)APL90,51113(2007)量子控制37帶、槽結構PRB68,(2003)440,508(2006)量子點結構NanoLett.5,1399(2005)60Adv.Mater.13,1501(2001)周期結構NanoLett.7,2784(2007)平面內傳播光束控制38應用：40世界上最小的激光器4142量子信息的研究對象基于量子態操控的信息處理。其目的為信息處理量子物理學基礎知識點，其手段為量子態操控未來方向化學估算用化學的方法來思索估算的問題.也可用估算的方法來思索化學的問題跨越小的與相對復雜系統之間的鴻溝.