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[信息] 你抓得到我吗?非0非1的量子资讯

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发表于 2008-12-5 04:27:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
  量子计算

  很多人都读过名物理学家费曼(R.P. Feynman)的故事,但也许没有很多人知道他生前(二十世纪八十年代初)曾认真地研究过用量子力学理论、实现量子计算并建构量子电脑。费曼的构想虽然在当时引起了部分科学家很大的兴趣,但大家对量子计算的概念基本上停留在「原则上可行」的状态,原因之一是由于量子态的测不准特性和量子系统容易受环境杂讯干扰,使量子运算很容易出错。因此,在八十年代,这股热潮并没有对新科技的发展产生很大的冲击。

  直到一九九四年,量子计算的基本问题取得突破性的进展。美国电话电报公司(AT&T)电脑专家苏尔(P. Shor)证明量子电脑能非常快速地进行大因数分解,他还发展出第一套量子算法编码。而这两项成果在资讯领域裡靠传统电脑是无法有效实现的,从而使量子电脑的研究进入实验时代。目前,已有许多国家建立了量子电脑的研究中心和实验室,并投入相当可观的研究经费。简单地说,量子计算就是利用量子态进行资讯处理的方法,其实体装置称为量子电脑,是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、储存及处理量子资讯的物理装置。基本原理就是透过量子力学的运用,将电晶体压缩到原子般大小,然后在极小的面积上放入数十亿颗量子电晶体,进而利用量子态的叠加性和相干性进行资讯运算、储存及处理。

  在传统电脑中,运算对象是各种位元序列,在量子电脑中,运算对象是量子位元序列,所不同的是,量子位元序列可以处在各种正交态的叠加态上。以一个由三位元组成的序列为例,可以用八个二进制组态表示︰000,001,010,…,111,分别代表0到7这八个数字。由这三位元序列构成的古典暂存器每次只能记录这八个数字中的一个,但量子暂存器可以在同一时刻以量子态叠加同时记录这八个不同的数字。

  这一简单结果显示量子电脑所具有的无穷潜力,因为它意味着用更多的量子位元组成的暂存器,其存储量子资讯的速度将呈指数增加。四个量子位元可同时存储十六个不同的数字,n个量子位元可同时存储2的n次方个数字。换句话说,在相同位元数下,量子电脑记录资讯的速度是目前传统电脑的2的n次方。用500量子位元就能在瞬间存储比已知宇宙中所有原子的总数还要多的数字。隐藏在量子资讯中如此惊人的功能,正是人类梦寐以求的。

  另一方面,电脑运算是由逻辑闸做基本元件,量子电脑则由量子逻辑闸构成其运算元件。与传统电脑不同的是,量子电脑中的量子逻辑元件对应于数学上的一个么正变换矩阵,例如,量子逻辑闸不仅可以将│0> 态和│1>态做交换,还可以将│0> 态和│1> 态变为它们的任意叠加态。

  更为关键的是,量子运算会将暂存器内的量子位元变换为纠缠态。量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间具有在非古典的强关联,例如,两个量子位元可构成纠缠态(│00>+│11>),其特性是它不能被分解为两个单独量子位元态的乘积。因此,纠缠态内量子位元间具有很强的相干性或关联性,其中一个量子位元状态被改变或测量时,也决定了纠缠态内所有其它位元状态的相应变化,这类特殊量子态提供了量子平行处理的可行性。量子平行处理就是对量子态每一叠加分量进行么正变换,所有这些变换在同一时刻一次完成,并按一定的机率幅叠加起来得出结果。

  因此,量子运算完全摒弃传统运算法则,其大量瞬间计算的能力是传统电脑望尘莫及的。一台三十二个量子位元的电脑,其能力相当于四十亿部传统电脑作平行运算。如用量子电脑做因数分解,以目前最快速的电脑而言,大概要花上数十亿年的时间,才能求出一个四百位的数字的所有质因数,而量子电脑可能只需要一小时甚至几分钟的时间。

  除了进行平行计算外,量子电脑的另一重要用途是模拟量子系统。虽然现在的电脑已被广泛用来解各种複杂的量子力学问题,但正如费曼先生生前指出,用传统电脑模拟真实的量子演化过程是不切实际的,因为用一般电脑模拟量子系统所需的时间随系统的大小呈指数增长。另一方面,传统电脑中的随机变数都是虚假的,而量子态是一种真正的随机分布,量子电脑内的运算过程本身就是量子态的一个变换过程,因此只有量子电脑能瞬间模拟量子系统的演化。

  不管是量子平行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用量子纠缠态特有的相干性,但在实际系统中,量子纠缠态很难维持。在量子电脑中,由于量子位元是由原子或其它微粒子系统所构成,很容易受外部环境杂讯影响,导致量子相干性的消失,称为消相干,从而使运算容易产生错误结果。

  要使量子计算成为现实,最重要的问题就是克服这种消相干。其最有效的方法是在发生消相干前完成运算,或用误差修正的方法消去因消相干引起的错误。前者依赖纠缠态的寿命,一般说来,一个量子资讯由产生到消失的时间只有十亿分之一秒。而后者是同时做几种相同的运算,并不断对相应状态做比较,发生偏差时及时修正,但这样的方法会降低运算效率。如何保持纠缠态不衰减,或当纠缠态发生偏差时及时修正,是目前量子资讯研究中最基本且亟待解决的问题。

  至今,世界上还没有建构成有实用价值的量子电脑。但是,科技发达的国家都已投入大量的经费寻求实现这个梦想。自一九九五年以来,已提出各种方桉,主要包括利用冷束缚离子阱、原子和光腔相互作用、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导约瑟芬森结等量子系统,并且在过去几年中,已成功地在实验室中实现二量子位元、三量子位元、四量子位元的纠缠态。二○○○年美国国际商业机器公司(IBM)阿曼顿实验室和美国哈佛大学及德国慕尼黑技术大学的科学家分别建构出五个量子位元的离子阱量子电脑和核磁共振量子电脑。二 ○○一年,美国国际商业机器公司又建构了七位元的量子电脑。到能建构十五至十六位元的量子电脑时,就可以超过目前传统电脑的功能了。 
 楼主| 发表于 2008-12-5 04:27:26 | 显示全部楼层

你抓得到我吗?非0非1的量子资讯

  你抓得到我吗──非0非1的量子资讯   作者:张为民 / 成功大学物理系   

  美国国际商业机器公司的科学家在二○○○年建构的五位元 215 赫兹量子处理器。二○○一年,他们又建构了七位元的量子电脑。到能建构十五至十六位元的量子电脑时,就可以超过目前传统电脑的功能了。

  在e世代的今天,几乎每个人都已身不由己地被捲入资讯的漩涡中。网际网路成了我们了解世界、认识世界最有效的窗口,行动电话、电子邮件也已成为人们沟通最便利的桥樑。

  资讯科学的快速发展,在提高人类生活质量和推动社会文明进步方面,发挥了令人惊叹的作用,但人类对资讯的需求似乎是无止境的──商业网路化、生活网路化、社会网路化、家庭网路化、……。随着对资讯需求的日益增加,人们必须不断地推动资讯科技的进一步发展,但现有的资讯处理系统功能已接近极限。

  在过去五十年中,几乎每隔两年,电脑的速度就加快了一倍,而每个晶片上集成的电晶体数目,在过去三十年中也随时间呈指数增长。这个称为摩尔定律的经验法则预示,到二○一○年,一个晶片上的电晶体数目将超过十亿个。十多年以后,电脑存储单元将是单个原子。在这样微小的世界裡,将无可避免地造成电路间的相互干扰,系统温度的急速升高及能量损耗的大量增加,这是现有资讯处理系统必须面对的危机。但正如我们常说的,危机即是转机,当电脑越做越小,速度越来越快,量子力学的效应就不能不列入考虑,电子技术面临的危机正是导致量子技术兴起的转机。

  量子力学是二十世纪初发展起来与相对论力学并列的两大近代物理理论之一。量子力学描述原子世界的物理特性,而相对论力学则描述高速(接近光速)粒子的物理现象,二十世纪物理科学完全建立在这两大理论上。它们为人类认识自然界──从小至构成物质最基本的夸克到大至整个宇宙的产生及演变──奠定了基础,而量子力学对过去半个世纪的工业技术发展也发挥了不可忽视的作用。从半导体技术的发展,各种新材料的发现到最近奈米技术的产生,无一不是以量子力学为其基石。

  如果说二十世纪是电子技术的全盛时期,则二十一世纪将会是量子技术创造成果的世纪。然而,当前支配高科技发展的资讯处理及电脑运算仍以古典物理法则为基础。毫无疑问,资讯科学的进一步发展必须借助于量子力学的原理和方法,而量子力学究竟会对资讯处理和电脑运算速度产生什麽样的影响呢?

  直观地想像,电脑和各种数位影音设备能展现如此複杂的影像世界和动听的音乐,其内部资讯处理一定非常複杂。但事实上,在电脑及数位器材内构成各种资讯的基本单位─位元,却极为简单,是用二进位制中的0和1表示。所有的信号都是由0与1来组成、储存、运算及传递。物理上,位元是用一个实际物理系统来实现。以开关为例,「关」代表0,「开」代表1;也可以用光纤中的光脉冲,磁带中的磁化性质等来实现。在传统的电脑裡,0与1是由电位的高低来表示,这种用传统位元存储和处理资讯的手法称为古典资讯。如果我们用量子力学中光子的两个极化状态,或电子、核子自旋的两个自旋状态,或原子的基态和激发态来实现资讯中0与1的两个状态(记为│0> 和│1>),这样的位元称为量子位元,用量子位元来存储和处理资讯,则称为量子资讯。

  量子资讯与古典资讯最大的不同在于︰古典资讯中,位元只能处在一个状态,非0即1;而在量子资讯中,量子位元(量子系统)可以同时处在状态│0> 和状态│1>中。量子位元的这一特性来自量子力学的状态叠加原理,即如果状态│0> 和│1> 是两个互相独立的量子态,它们的任意线性叠加│Ψ> = α│0>+ β│1> 也是某一时刻的一个量子态,而係数 α 和 β 的绝对值的平方则描述系统分别处在│0> 和│1>的机率。这使得每个量子位元的组态比古典位元多得多,量子位元能利用不同的量子叠加态记录不同的资讯,在同一位置上可拥有不同的资讯。因此,同样由二个状态组成的物理装置,量子位元的功能比古典位元强得多。然而量子态是非常不稳定的,并且根据量子力学的测量理论,任何观测都会立刻改变系统的状态,因此量子资讯的实际可行性一直受到怀疑。但令人惊讶的是,这正是保证量子资讯的绝对安全性,因为任何窃听(测量)者都会被发现。

  由于量子力学具有这些特性,量子资讯在增大资讯容量、提高运算速度、确保资讯安全等方面将突破现有传统资讯系统的极限,一门新的科学分支─量子资讯科学也就应运而生。它是将量子力学与资讯学相结合,以量子力学的状态叠加原理为基础,研究资讯处理的一门新兴科学。量子资讯科学包括量子计算(量子电脑)和量子资讯(量子通讯和量子密码)两大方面,近年来在理论和实验上都取得重大的突破。可以预见,一旦量子资讯实用化,将再一次改变我们今天的产业结构和生活方式。
 楼主| 发表于 2008-12-5 04:27:52 | 显示全部楼层
  量子通讯

  电脑或量子电脑本身是处理资讯的工具,而资讯本身更吸引人的产业市场是资讯的传输,即通讯。随着网路和数位时代的来临,人类生活将越来越依赖资讯的传输,如电话、电视、电子邮件、电子媒体、电子交易等。而确保资讯传递的安全性和隐密性是通讯技术的另一大学问,称为密码学。一九九○年代开始研究的量子通讯和量子密码学,可能为资讯传输提供一套更有效且更安全的保密方法。

  量子通讯系统是由量子态产生器、量子通道和量子接收装置而成。它可以说是光纤通讯技术的一种,只不过其量子通道係利用光的量子特性,让一个个光子传输0和1的资讯。量子通讯技术按其所传输的信息是古典还是量子而分为两类,前者主要用于量子解码钥匙的传输,开发无法破译的密码;后者则是量子隐形传送,一种令人难以置信但在量子世界裡确实可行的瞬间远距「实物」传输技术。因此,资讯量子化不仅为我们建构新一代的电脑提供了基础,更为现代通讯技术开闢一条新的途径。

  量子密码学是量子通讯技术裡研究得最久且也是目前最为成熟的领域,它是密码学与量子力学结合的产物。密码的关键在于解码钥匙(密钥),早期是暗密钥,即传送者和接收者要事先知道密钥才能阅读对方的资讯,例如,银行提款用的密码。其缺点是在传输过程中,密码可能被第三者不留痕迹地窃看而破解。而现今常採行的加密装置,像网路的安全密码,通常用一较大的质数做公用密钥,它没有被窃取的可能,其破解的关键在于求一个很大整数的质因数。正如前面已指出,以一个四百位数的超大整数来说,想要求得其质因数,最快的超级电脑大概要花上数十亿年的时间。因此,这样的安全机制几乎被视为是无法破解的。然而,利用量子电脑能够在短时间内找出超大整数的质因数。这样,一旦研发出量子电脑,对现代的金融甚至国防安全体系就会带来很大的威胁。

  如何使资讯传输快速、方便而又安全,是通讯科学的主要课题。早在一九七○年,美国科学家威斯纳(S. Wiesner)就提出如何将量子特性用于密码术,利用单量子态製造不可伪造的「电子钞票」。这个构想因量子态的寿命极短而无法实现,但却让美国国际商业机器公司的贝内特(C. Bennett)博士和加拿大学者布拉萨德(G. Brassard)想到可将单量子态用于传送资讯。量子密码术并不用于传输密文,而是用于建立、传送解码本。根据量子力学的测量理论,任何观测都会立刻改变系统的状态,因此,任何窃听者的存在都会被发现,从而保证解码本的绝对安全,也就保证了加密资讯的绝对安全性。

  最初的量子密码通讯利用的是光子的极化特性,目前主要的实验方桉则用光子的相位(纠缠态)特性进行编码。简单地说,如果传送者(春娇)先传送一组随机位元序列给接收者(志明),此随机位元序列是以偏极光子或纠缠态光子来表示,随后春娇再与志明沟通,以便确立解码本。在后来的沟通过程中,即使被窃听者阿呆听到,阿呆亦无法知道光子的状态。如果阿呆试图去拦截光子,由于他不知道光子之状态,会得到错误讯息。更甚者,光子之状态会因为阿呆的观测而改变,这时,春娇与志明便会察觉阿呆之存在。解码本确立之后,便可依照解码本来加密资料并传送。

  量子密码的优点是可查知解码本是否被盗用,当然,环境杂讯也有可能破坏解码本中的位元而留下痕迹,因此量子密码必须以所有机器正常运作为前提,如何在光源有杂讯的环境下也能正常运作,是量子密码实用化所面临的最大难题。

  目前,西欧和美国在量子密码术实验研究上进展最快。英国于一九九三年首先在光纤传输长度为 10 公里中实现相位编码量子解码本的分发,到一九九五年,已能在 30 公里长的光纤传输中成功地实现量子解码本的分发。同年,瑞士在日内瓦湖底铺设的 23 公里长民用光通讯光缆中进行实地表演。美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室创造了光纤量子密码通讯距离的新纪录,成功地在长达 48 公里的地下光缆中传送量子密码本。一九九九年,瑞典和日本合作,在光纤中成功地进行了 40 公里的量子密码通讯实验。二○○○年,中国大陆在 850 奈米的单模光纤中也完成了量子密码通讯的示范性实验。现在,人们已开始计划在人造卫星与地球间建立量子密码通讯实验。

  量子隐形传输

  量子资讯在通讯领域最奇妙的应用应该是量子隐形传输,即脱离实物的一种实物资讯传送,就像在星际大战故事裡所看到的,将太空人通过「时空隧道」,从一个星球传送到另一个星球的科幻技术,其基本想法是:先提取原物所有的资讯,类似扫描一样,在这过程中同时将原物毁掉,然后将这些资讯传送到接收地点,接收者依据这些资讯製造出完全相同(具相同微观结构)的三维空间原物。其效果就像邮局快递一样,但不同于现在用的传真,后者只是近似的平面複製品。但是,根据量子力学的测不准原理,越精确的测量或扫描,越容易在扫描过程中改变原物微观粒子的量子状态,这样在提取原物的全部资讯前,原物可能已面目全非了。因此,长期以来,量子隐形传送不过是一种幻想而已。

  直到一九九○年代初,包括贝内特博士在内的六位科学家提出了利用经典与量子相结合的方法来实现量子隐形传输:将原物的资讯分成古典资讯和量子资讯两部分,古典资讯是发送者对原物进行某种测量(扫描)而提取原物的一部分资讯,量子资讯是发送者在扫描中留下未测量的资讯;古典资讯和量子资讯分别经古典通道和量子通道传送,接收者在获得这两种资讯后,就可以备製出原物量子态的完美複製品。该方桉中最关键的地方是量子资讯部分的传送,发送者甚至对这部分量子资讯一无所知。因此,量子资讯部分的传送,是接收者利用一对纠缠光子态,透过将其中的一个光子备製到原物的量子态上,而提取原物的资讯,并非由发送者传送给接收者,从而保证资讯的完整性。

  利用一对纠缠态光子实现隐形传输的物理基础在于量子力学(纠缠态)的非定域特性,这一在量子力学发展过程中曾令多少物理学家困惑已久的量子性质,没想到今天却成为开发隐形传输的科学基石。量子力学的非定域性指一旦两量子系统的状态(比如是两光子的极化态)构成纠缠态(例如│00>+│11>),则不管后来这两个量子系统间的距离被分隔多远,并且它们之间可能不再有力学上的交互作用,只要仍保持在纠缠态,它们之间超强的量子关联性不会改变。

  早在二十世纪三十年代,伟大的科学家爱因斯坦对量子态的这种远距关联性就提出了质疑,即着名的爱因斯坦-波渡斯基-罗逊(Einstein-Podolsky-Rosen, EPR)谬论,他认为自然界不可能存在这种非定域的现象,一定是量子力学在某个地方出错了。直到三十年后,贝尔(J.S. Bell)证明爱因斯坦的定域性观念与量子力学是不相容的(贝尔定理),七十年代许多实验进一步证实了量子态的非定域性。但即使量子态的这种非定域性确实存在,人们认为这种超距离的量子关联特性并不具真正的实用意义,因为这种非定域关联并不直接传送资讯。直到量子隐形传输实现后,人们对量子力学的非定域性所展现出来的神奇效应才有了更深入的认识。

  量子隐形传输不仅对人们认识量子力学的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态做为资讯载体,透过量子态完成大容量资讯的瞬间传输,并具有原则上无法破解的量子保密通讯功能。

  一九九七年,奥地利学者塞林革(A. Zeilinger)和合作者在国际上首次完成了未知量子态的远距传输,成功地将一个量子态从甲地的极化光子传送到乙地的极化光子上。实验中传送的只是表达量子资讯的「状态」,做为资讯载体的光子本身并不被传送。随后,美国加州理工学院的肯保(H.J. Kimble)教授和合作者用光的压缩态,成功地将一束光从一个房间转移到另一个房间。为了进行远距离的量子态隐形传输,必须让相距遥远的传送和接收两系统一直保持在纠缠状态。但由于各种不可避免的环境杂讯,使量子纠缠态的纠缠性,随传输距离的增加而变得越来越差。因此,如何保持量子纠缠态的纯度是目前量子通讯研究中的难题。近年来,国际上许多研究小组都对此进行研究,相信在不远的将来,科幻般的量子隐形传输将给人类带来真正「隔空取物」的新通讯技术。

  总而言之,量子资讯技术在运算速度、通讯安全、资讯容量等方面,可远远突破传统资讯系统的极限。量子电脑具有超强的平行计算能力,能够解决传统电脑难以解决的许多重要问题。量子资讯为未来资讯科学的工业发展,特别是量子元件及奈米技术的开发提供了可靠的物理基础和应用前景。

  虽然当前量子资讯无论在理论上,或是实验上,都不断地获得重要的突破。但是想要有效地备製和操作宏观或介观尺度上的实用量子资讯系统,还是相当困难。欧美、日本和大陆的学者们目前都致力于这方面的研究,估计在二○一五年左右,量子通讯和量子电脑技术将会达到实用阶段。我们也应积极致力于量子资讯技术的开发,才能让科学研究和技术的发展不落人后。

  资料来源:《科学发展》2002年3月,351期,58 ~ 61页

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