1、量子信息導(dǎo)論南京郵電學(xué)院理大學(xué)王川1課程介紹本課程的目的：1）提供學(xué)習(xí)量子信息的必要的知識(shí)背景；2）介紹量子信息的主干內(nèi)容；3）引導(dǎo)朋友步入本領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究；4)從另一個(gè)角度認(rèn)識(shí)量子熱學(xué)成績(jī)?cè)u(píng)定分兩部份：期末課程論文50%；平常表現(xiàn)50%23課程主體內(nèi)容框架基礎(chǔ)篇：講授+討論前沿與應(yīng)用篇：以討論為主內(nèi)容待定主要知識(shí)點(diǎn)，主要輪廓，量子化學(xué)學(xué)基礎(chǔ)，量子糾纏及應(yīng)用，量子密碼術(shù)，量子算法，量子信息處理的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)參考書(shū)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(chǔ)”:PHD,,2003-:,.Tel:(Main-802)5量子信息計(jì)算機(jī)科學(xué)信息論密碼學(xué)量子熱學(xué)以量子熱學(xué)基本原理為基礎(chǔ)、充分借助量子相干性的奇特性質(zhì)（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(jìn)行估算、存儲(chǔ)、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(jì)算機(jī)發(fā)展歷史1946年2月15日，在韓國(guó)賓夕法尼亞學(xué)院，世界上第一臺(tái)電子估算器ENIAC即將投入了運(yùn)行。在隆重的啟幕典禮上，ENIAC演出了它的秘訣：在一秒鐘內(nèi)進(jìn)行5000次乘法運(yùn)算；在一秒鐘內(nèi)進(jìn)行500次加法運(yùn)算。這比當(dāng)時(shí)最快的家電估算器的運(yùn)算速率要抉1000多倍。全場(chǎng)起立歡呼，歡呼科學(xué)技術(shù)步入了新的歷史發(fā)展時(shí)期。馮諾伊曼，知名法籍瑞士物理家。1903年12月3日生于英國(guó)赫爾辛基的一個(gè)猶太人家庭。此處省略50年More定理的數(shù)學(xué)極限More定理:18個(gè)月CPU速率加倍，單位面積上集成的晶體管數(shù)量加倍量子估算：計(jì)
4、算機(jī)發(fā)展的歷史必然？1011量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展（1）80年代早期，首先提出了量子估算的思想，他設(shè)計(jì)了一臺(tái)可執(zhí)行的、有精典類(lèi)比的量子機(jī)。發(fā)展了的構(gòu)想，提出量子計(jì)算機(jī)可以模擬其它量子系統(tǒng)；D.提出基于量子干涉的計(jì)算機(jī)模型以及“量子邏輯門(mén)”這一新概念，并強(qiáng)調(diào)量子計(jì)算機(jī)可以通用化、量子估算錯(cuò)誤的形成和糾正等問(wèn)題。12量子計(jì)算機(jī)概念的提出P.企圖用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬量子熱學(xué)對(duì)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(xué)的過(guò)程中須要大量估算，這么搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)其結(jié)果
5、，正正好相當(dāng)于從初始條件起完成了一次估算。13為何研究量子計(jì)算機(jī)？量子體系的模擬必須使用以量子熱學(xué)原理直接估算的計(jì)算機(jī)；300個(gè)量子比特體系的狀態(tài)須要23001090量子物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，超過(guò)宇宙中的原子的總量;量子計(jì)算機(jī)可以解決一些重要的物理問(wèn)題;現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)技術(shù)早已接近量子極限,量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)新的發(fā)展方向;14量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展（2）但到了80年代中期，這一研究領(lǐng)域因?yàn)槿舾删売杀皇柽h(yuǎn)了。首先，由于當(dāng)時(shí)所有的量子計(jì)算機(jī)模型都是把量子計(jì)算機(jī)看成是一個(gè)不與外界環(huán)境發(fā)生作用的孤立系統(tǒng)，而不是實(shí)際模型。其次，存在許多不利于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的阻礙誘因，如強(qiáng)調(diào)的去相干、熱噪音等等。另外，量子計(jì)算機(jī)可能易出
6、錯(cuò)，但是不易糾錯(cuò)。最后，還不清楚量子計(jì)算機(jī)解決物理問(wèn)題是否比精典估算快。15量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展（3）1994年，P.Shor發(fā)明了第一種有很強(qiáng)實(shí)用性的量子計(jì)算機(jī)算法，其高效率的因式分解法可分解大數(shù)，它能在幾秒內(nèi)破譯常規(guī)計(jì)算機(jī)“無(wú)法破譯”的密碼。據(jù)悉,關(guān)于量子邏輯門(mén)、量子電路等許多設(shè)計(jì)方案不斷涌現(xiàn)，促使量子估算的理論和實(shí)驗(yàn)研究蓬勃發(fā)展。16量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)估算速率可提升10億倍,1個(gè)400位長(zhǎng)的數(shù)分解成素?cái)?shù)乘積，采用巨型機(jī)需10億年，量子計(jì)算機(jī)只要一年。量子位存儲(chǔ)能力大大增強(qiáng)。可完成一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以完成的估算：高效率模擬、模擬量子系統(tǒng)；40個(gè)載流子1/2粒子體系低煤耗：計(jì)算機(jī)幺正變換，是可逆的。
7、-2008年,美國(guó)D-wave公司連續(xù)發(fā)布最新研究進(jìn)展報(bào)告稱(chēng)她們的基于超導(dǎo)體的量子計(jì)算機(jī)早已實(shí)現(xiàn)了128位量子算法.18從2007年到2008年,該公司4次報(bào)告最新的研究進(jìn)展.所實(shí)現(xiàn)的位數(shù)由16位增至128位.D波公司由化學(xué)學(xué)家Rose于1999年成立，這個(gè)公司宣稱(chēng)她們的產(chǎn)品有16個(gè)量子字節(jié)（BitorQubit），是基于兩種超導(dǎo)材料鋁和鈮構(gòu)成的回路制造下來(lái)的。由于它們可以用傳統(tǒng)的微芯片加工技術(shù)從薄膜中制造下來(lái)。而困難在于聯(lián)接并控制量子字節(jié)使之才能進(jìn)行估算。非常是，量子字節(jié)會(huì)因?yàn)榕c環(huán)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(jì)
8、算機(jī)?21量子計(jì)算機(jī)是一類(lèi)遵守量子熱學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速物理和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的化學(xué)裝置。*當(dāng)某個(gè)裝置處理和估算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。*量子計(jì)算機(jī)的概念始于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究。研究可逆計(jì)算機(jī)的目的是為了解決計(jì)算機(jī)中的煤耗問(wèn)題。擦出一個(gè)比特信息要消耗能量原理,量子計(jì)算機(jī)工作原理量子計(jì)算機(jī)是一數(shù)學(xué)系統(tǒng)，它能儲(chǔ)存處理關(guān)于量子熱學(xué)變量的信息。量子計(jì)算機(jī)遵照的基本原理是量子熱學(xué)原理：量子熱學(xué)變量的分立特點(diǎn)、態(tài)迭加原理和量子相干原理。23量子計(jì)算機(jī)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(gè)量子估算都是
9、可逆的，但檢測(cè)一般不可逆。輸入量子位的相干疊加性將造成量子邏輯門(mén)的輸出發(fā)生關(guān)聯(lián)。量子位可以處于半翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。即量子位處于0和1的同等幅度的迭加態(tài)，這時(shí)此量子位作為信息位只翻轉(zhuǎn)一半。24量子計(jì)算機(jī)的特性（2）若對(duì)許多量子位進(jìn)行許多邏輯操作，那量子計(jì)算機(jī)才能同時(shí)進(jìn)行所有可能的估算。稱(chēng)這一效應(yīng)為“量子并行”。量子模擬。任何化學(xué)過(guò)程都可用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行完美的模擬，但是所需的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于精典計(jì)算機(jī)模擬。信息安全傳輸?shù)幕A(chǔ)25信息的安全傳輸加密技術(shù)DES:1977年由法國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局出臺(tái)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，秘鑰厚度為。AES:2000年的10月，澳大利亞政府通過(guò)公開(kāi)招標(biāo)選取了新的加密算法R
10、作為其中級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)，該方案是由兩位法國(guó)工程師遞交。2001年成為官方標(biāo)準(zhǔn)。RSA加密算法信息安全的重要性目前大量的網(wǎng)路保密是使用“RSA私鑰體系”的密碼技術(shù)。想要破譯這些密碼，就要對(duì)大數(shù)分解質(zhì)因子。分解一個(gè)大數(shù)的質(zhì)因子是十分困難的。根據(jù)現(xiàn)有的理論估算，分解一個(gè)400位數(shù)的質(zhì)因子，用目前最先進(jìn)的巨型計(jì)算機(jī)也須要用10億年的時(shí)間，而人類(lèi)的歷史才不過(guò)幾百萬(wàn)年。但是量子計(jì)算機(jī)概念的誕生，嚴(yán)重動(dòng)搖了RSA私鑰密碼體系的安全性。1994年，法國(guó)的PeterShor借助量子計(jì)算機(jī)理論證明，一個(gè)N位大數(shù)的質(zhì)因子分解只需用N的方程的時(shí)間而不是原先所覺(jué)得的N的指數(shù)次的時(shí)間。借助量子
11、計(jì)算機(jī)分解一個(gè)400位大數(shù)僅僅須要不到一年的時(shí)間,這一結(jié)果向RSA私鑰系統(tǒng)的安全性提出嚴(yán)重挑戰(zhàn)。這在另一方面推動(dòng)了量子密碼通訊技術(shù)的發(fā)展。26精典秘鑰分配過(guò)程-Key量子通訊模型量子秘鑰分配明文量子通訊的研究現(xiàn)況量子通訊:-,Max--fr,,Space,年7月18日復(fù)旦學(xué)院化學(xué)系30空間量子通訊實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)況
12、of,年7月18日31空間量子通訊實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)況實(shí)驗(yàn)裝置：419，450,(2002)量子信息的研究現(xiàn)況量子計(jì)算機(jī)：33量子比特量子線路量子邏輯門(mén)量子儲(chǔ)存器量子檢測(cè)量子計(jì)算機(jī)研究現(xiàn)況/7/空間傳播光束控制周期結(jié)構(gòu)297,820(2002)APL90,51113(2007)量子控制37帶、槽結(jié)構(gòu)PRB68,(2003)440,508(2006)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)NanoLett.5,1399(2005)60Adv.Mater.13,1501(2001)周期結(jié)構(gòu)NanoLett.7,2784(2007)平面內(nèi)傳播光束控制38應(yīng)用：40世界上最小的激光器4142量子信息的研究對(duì)象基于量子態(tài)操控的信息處理。其目的為信息處理量子物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，其手段為量子態(tài)操控未來(lái)方向化學(xué)估算用化學(xué)的方法來(lái)思索估算的問(wèn)題.也可用估算的方法來(lái)思索化學(xué)的問(wèn)題跨越小的與相對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)之間的鴻溝.