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1、未来的信息技术郭光灿郭光灿中国科学技术大学中国科学技术大学量子信息重点实验室量子信息重点实验室灿郭印光目 录一、引言一、引言 后莫尔时代的新技术后莫尔时代的新技术二、量子密码二、量子密码三、量子因特网三、量子因特网四、量子计算四、量子计算五、量子信息基础理论五、量子信息基础理论六、结论六、结论一、引言 我国现代技术明显落后的状况与我国全面建设我国现代技术明显落后的状况与我国全面建设小康社会和实现中华民族复兴的宏伟目标极不小康社会和实现中华民族复兴的宏伟目标极不相称。相称。现代技术的世界格局基本确立，即便我们跟现代技术的世界格局基本确立，即便我们跟着现代技术的潮流向前发展，也难于在整体上着现代技
2、术的潮流向前发展，也难于在整体上超越国际先进水平，与西方强国水平上的差距超越国际先进水平，与西方强国水平上的差距甚至有可能越来越大。甚至有可能越来越大。一、引言“新型工业化新型工业化”必须以高技术为基石，但必须以高技术为基石，但我国目前落后的科学技术现状明显地制约着我国目前落后的科学技术现状明显地制约着新工业化的进程新工业化的进程。当前摆在我们面前的一个紧迫任务是，如当前摆在我们面前的一个紧迫任务是，如何闯出一条新的发展道路，开拓新一代技何闯出一条新的发展道路，开拓新一代技术，彻底摆脱长期被动的局面，实现真正术，彻底摆脱长期被动的局面，实现真正的跨跃式发展。的跨跃式发展。一、引言 莫尔时代的终
3、结为开拓新技术创造了难莫尔时代的终结为开拓新技术创造了难得的机遇得的机遇 按莫尔定律发展的微电子造就了按莫尔定律发展的微电子造就了IT产业几产业几 十年的辉煌。然而，由于量子效应和热耗十年的辉煌。然而，由于量子效应和热耗 散的影响，人们却会完全失去按传统方式控制电散的影响，人们却会完全失去按传统方式控制电子的能力。这表明，莫尔时代必将告终。子的能力。这表明，莫尔时代必将告终。一、引言 什么是后莫尔时代的新技术呢？它将如何超越以微电子什么是后莫尔时代的新技术呢？它将如何超越以微电子 和激光为代表的现代技术？已成为全世界战略竞争的新和激光为代表的现代技术？已成为全世界战略竞争的新焦点，也为我国科技
4、复兴提供一次难得的战略机遇。在现代焦点，也为我国科技复兴提供一次难得的战略机遇。在现代技术发展的历史上，我们曾丧失掉若干极重要的发展机遇，技术发展的历史上，我们曾丧失掉若干极重要的发展机遇，导致在其后的战略竞争中始终处于下风。这次我们必须从探导致在其后的战略竞争中始终处于下风。这次我们必须从探索研究阶段开始就牢牢地把握住机遇，争取先机，控制制高索研究阶段开始就牢牢地把握住机遇，争取先机，控制制高点，开拓出新一代技术，为中华民族自立于世界之林做出贡点，开拓出新一代技术，为中华民族自立于世界之林做出贡献。献。一、引言 量子调控孕育着新一代技术量子调控孕育着新一代技术 现代技术建立在量子力学基础之上
5、，构成现代技术建立在量子力学基础之上，构成2020 世纪高科技的重要基石的微电子和激光都是世纪高科技的重要基石的微电子和激光都是直接应用到量子力学原理而发现的。直接应用到量子力学原理而发现的。现代技术的发展仅仅是量子力学简单应用而现代技术的发展仅仅是量子力学简单应用而已，其本质上仍属经典调控技术。已，其本质上仍属经典调控技术。一、引言经典光束经典光束受激辐射受激辐射激光激光电势调控电子流电势调控电子流能带理论能带理论微电子微电子应用应用原理原理例如例如0,1布尔代数布尔代数量子器件量子器件信息信息 现代技术是一种经典调控技术，它仅运用到现代技术是一种经典调控技术，它仅运用到基本的量子现象。基本
6、的量子现象。0,1布尔代数布尔代数量子器件量子器件信息信息一、引言 这些初等量子效应已经为人类社会造就了半个世纪的这些初等量子效应已经为人类社会造就了半个世纪的 前所未有的昌盛和繁荣。前所未有的昌盛和繁荣。更深刻的量子现象和效应将构成这种基于经典调控的现更深刻的量子现象和效应将构成这种基于经典调控的现代技术难于逾越的障碍，换句话讲，现代技术正在迅速地达代技术难于逾越的障碍，换句话讲，现代技术正在迅速地达到其物理极限，人类文明社会的持续发展必然要依仗着更高到其物理极限，人类文明社会的持续发展必然要依仗着更高层次的新一代技术的出现。层次的新一代技术的出现。量子调控应用到更深奥更奇妙的量子效应，它孕
7、育着新量子调控应用到更深奥更奇妙的量子效应，它孕育着新一代技术，将在未来世纪中发挥出难于估量的影响。一代技术，将在未来世纪中发挥出难于估量的影响。一、引言 量子调控的特征量子调控的特征 量子力学中奇妙的量子态，具有本质特征的相量子力学中奇妙的量子态，具有本质特征的相位和蕴藏着极其丰富量子效应的强耦合多粒子体位和蕴藏着极其丰富量子效应的强耦合多粒子体系等更深刻的量子特征将孕育出面貌全新的技术。系等更深刻的量子特征将孕育出面貌全新的技术。例如，例如，相位伴随着量子干涉，而这种干涉可通过改变光、相位伴随着量子干涉，而这种干涉可通过改变光、电、磁、机械和几何等参数来改变其载流子的相位，以调电、磁、机械
8、和几何等参数来改变其载流子的相位，以调控干涉行为，达到技术上可使用的量子调控性。控干涉行为，达到技术上可使用的量子调控性。一、引言 在现代技术中仅运用到电子的电荷属性，传统上利在现代技术中仅运用到电子的电荷属性，传统上利 用电场来控制电流，但电子同时具有自旋的量子属用电场来控制电流，但电子同时具有自旋的量子属性，通过对电子自旋的量子调控和操纵，将导致新一代自性，通过对电子自旋的量子调控和操纵，将导致新一代自旋电子学的诞生，开发出集存储、逻辑和显示等功能于一旋电子学的诞生，开发出集存储、逻辑和显示等功能于一身的新一代自旋电子器件；身的新一代自旋电子器件；运用量子态作为信息单元将使信息科学发生根本
9、性运用量子态作为信息单元将使信息科学发生根本性 变革，量子存储器的数据存储能力呈指数增长，运变革，量子存储器的数据存储能力呈指数增长，运用适合算法，量子计算机可攻破现有的密钥体系，而量子用适合算法，量子计算机可攻破现有的密钥体系，而量子密码则可提供绝对安全保密通信。密码则可提供绝对安全保密通信。一、引言 当现代光子技术中光的衍射极限构成光当现代光子技术中光的衍射极限构成光子器件性能提高的根本性障碍，诸如光存子器件性能提高的根本性障碍，诸如光存储能力、通信容量等受到了最终的限制，储能力、通信容量等受到了最终的限制，纳米尺度光子器件和近场光学可突破这种纳米尺度光子器件和近场光学可突破这种衍射极限的
10、限制，极大地提高光子器件的衍射极限的限制，极大地提高光子器件的性能。性能。一、引言 调控对象，调控对象，从对简单体系的初级调控发展到对基从对简单体系的初级调控发展到对基于电子、光子、声子、自旋、量子态等量子概念的于电子、光子、声子、自旋、量子态等量子概念的复杂体系的高级调控；复杂体系的高级调控；调控方法，调控方法，从目前广泛使用的简单低层次的经典从目前广泛使用的简单低层次的经典调控方法发展到对电、磁、光等全面的深层次的高调控方法发展到对电、磁、光等全面的深层次的高级量子调控方法。级量子调控方法。最终将开创出基于量子调控的新一代技术，预期最终将开创出基于量子调控的新一代技术，预期这种技术将具有相
11、干性好、可集成控制、快速操作、这种技术将具有相干性好、可集成控制、快速操作、功能集成和低功耗等现代技术所无法具备的特征。功能集成和低功耗等现代技术所无法具备的特征。一、引言 20世纪世纪60年代，日本正是抓住从电子管转型年代，日本正是抓住从电子管转型到晶体管的机遇，及时地提出到晶体管的机遇，及时地提出“半导体立国半导体立国”的的发展战略，一跃成为工业大国。发展战略，一跃成为工业大国。21世纪我国应及时地把握住现代技术转型的重世纪我国应及时地把握住现代技术转型的重要时机，将要时机，将“量子调控技术量子调控技术”作为国家发展战略作为国家发展战略任务给予有力扶持，必将在我国新型工业化发展任务给予有力
12、扶持，必将在我国新型工业化发展中发挥至关重要作用。中发挥至关重要作用。一、引言 现代技术本质上是应用了量子力学基本现代技术本质上是应用了量子力学基本原理的经典调控技术，而未来的新一代技术则原理的经典调控技术，而未来的新一代技术则是应用到诸如量子态、相位、强关联等深层次是应用到诸如量子态、相位、强关联等深层次量子特性的量子调控技术。如图量子特性的量子调控技术。如图1 1所示。所示。一、引言 现代技术现代技术(经典调控经典调控)微电子技术微电子技术光子技术光子技术经典信息经典信息极限：极限：集成度集成度限制：限制：运算速度运算速度极限：极限：衍射斑衍射斑限制：限制：通信容量等通信容量等极限：极限：
13、0.10.1布尔代数布尔代数限制：限制：串行运算串行运算一、引言 后莫尔时代的新技术后莫尔时代的新技术（量子调控）（量子调控）分子分子/纳米电子纳米电子 纳米光子学纳米光子学量子信息学量子信息学特点：自组装特点：自组装性能：性能：突破集成度极限突破集成度极限特点：特点：近场光学近场光学性能：性能：突破衍射极限突破衍射极限特点：特点：量子态作信息单元量子态作信息单元性能：性能：并行运算并行运算现代技术和新一代技术现代技术和新一代技术一、引言 量子信息将成为后莫尔时代的新技术，它是量子量子信息将成为后莫尔时代的新技术，它是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科。量子信息以物理与信息科学相融合的新兴
14、交叉学科。量子信息以量子态作为信息单元，信息从产生、传输、处理和检量子态作为信息单元，信息从产生、传输、处理和检测等均服从量子力学的规律。基于量子力学的特性，测等均服从量子力学的规律。基于量子力学的特性，诸如叠加性、非局域性、纠缠性、不可克隆性等，量诸如叠加性、非局域性、纠缠性、不可克隆性等，量子信息可以实现经典信息所无法做到的新的信息功能，子信息可以实现经典信息所无法做到的新的信息功能，突破现有信息技术的物理极限。突破现有信息技术的物理极限。一、引言 量子计算可以加快某些函数的运算速度；量子计算可以加快某些函数的运算速度；量子因特网具有安全性，并集信息处理和传输于量子因特网具有安全性，并集信
15、息处理和传输于一体，可实现多端分布计算，降低通信复杂度；一体，可实现多端分布计算，降低通信复杂度；量子密码可以确保量子密钥分配的安全性，与一量子密码可以确保量子密钥分配的安全性，与一次一密算法的不可破译性相结合，可提供不可窃听、次一密算法的不可破译性相结合，可提供不可窃听、不可破译的安全保密通信。不可破译的安全保密通信。一、引言 量子信息的诞生促使信息科学从量子信息的诞生促使信息科学从“经典经典”跨越跨越到到“量子量子”时代，为信息科学的持续发展提供新的原时代，为信息科学的持续发展提供新的原理和方法，将在本世纪中发挥出难以估量的影响，最理和方法，将在本世纪中发挥出难以估量的影响，最终形成新终形
16、成新QIT产业。产业。一、引言 以以比特比特(0或或1)作为信息单元作为信息单元,称为称为经典信息经典信息。01011101001011101100001101111000001100 以以量子比特量子比特作为信息单元作为信息单元,称为称为量子信息量子信息。量子比特：量子比特：量子信息是经典信息的扩展和完善，正如复数量子信息是经典信息的扩展和完善，正如复数z=x+iy是实数的完善和扩展。是实数的完善和扩展。何为“量子信息”以单光子作为信息物理载体为例以单光子作为信息物理载体为例:经典信息：经典信息：有光子代表有光子代表“1”，无光子代表，无光子代表“0”1000111一、引言“量子比特量子比特
17、”与与“比特比特”有有何区别？何区别？一、引言量子信息：量子信息：以光子的量子态表征信息以光子的量子态表征信息如约定光子偏振态，圆偏振代表如约定光子偏振态，圆偏振代表“1”，线偏振代表，线偏振代表“0”（每个脉冲均有一个光子）。（每个脉冲均有一个光子）。0101010偏振态偏振态经典比特经典比特 一、引言单光子干涉单光子干涉D1D2单光子单光子分束器分束器光电探测器光电探测器上上下下 量子态有何特殊性质？量子态有何特殊性质？一、引言一则漫画一则漫画一、引言 量子信息过程遵从量子力学原理，于是可实量子信息过程遵从量子力学原理，于是可实现经典信息无法做到的新信息功能。现经典信息无法做到的新信息功能
18、。如如:量子密码量子密码量子通信网络量子通信网络量子计算量子计算等等等等。一、引言 量子不可克隆定理：量子不可克隆定理：不存在物理过程可精确地复制不存在物理过程可精确地复制任意量子态。任意量子态。量子克隆机ABAB量子密码安全性的基础量子密码安全性的基础量子信息提取不可逾越的障碍量子信息提取不可逾越的障碍一、引言薛定谔猫薛定谔猫一、引言AEPR粒子对粒子对B非局域性：非局域性：对对A（或（或B）的任意测量必然会影响）的任意测量必然会影响B（或（或A）的量子态，不管）的量子态，不管A和和B分离多远。分离多远。量子纠缠态量子纠缠态AB构成构成“量子通道量子通道”。EPR效应效应一、引言 量子信息技
19、术量子信息技术量子密码量子密码量子因特网量子因特网量子计算量子计算目 录一、引言一、引言 后莫尔时代的新技术后莫尔时代的新技术二、量子密码二、量子密码三、量子因特网三、量子因特网四、量子计算四、量子计算五、量子信息基础理论五、量子信息基础理论六、结论六、结论二、量子密码军事指挥系统的保密通信 量子网络路由器量子网络路由器网络主会场网络主会场网络分会场网络分会场A网络分会场网络分会场B二、量子密码网络政务 二、量子密码 远程授权与网络合同经典密钥分配基于私钥的保密通信二、量子密码基于公钥的保密通信二、量子密码经典密钥分配二、量子密码量子密钥分配二、量子密码量子密钥分配二、量子密码1.量子密钥分配
20、的安全保证A.以单光子(量子)携带信息,不怕敌人分取信息;B.量子不可克隆定律保证敌人不可能拷贝信息。物理层面的安全性2.量子密钥分配的几种方案A.BB84（B92）方案；B.EPR方案C.正交态方案；D.信道加密方案 二、量子密码偏振态编码 10AliceBob 二、量子密码光子相位量子态单光子干涉单光子探测器D1D2单光子分束器上下 二、量子密码相位编码方案(BB84协议）D1D2相位调制器相位调制器Alice安全区Bob安全区 二、量子密码光子偏振态代表0,1两组基共四个不同的偏振态例如：线偏振基（水平、垂直）圆偏振基（左旋、右旋）Alice 随机选送四个态中的任意一个,Bob随机选任意
21、一组基测量BB84方案偏振编码 二、量子密码1.Alice随机选择一个偏振态光子传出2.Bob 随机选择一组偏振基同步测量3.Bob实际测得的偏振光子（只Bob知道）4.Bob通知Alice测量到光子用的偏振基（不是态）5.Alice告诉Bob那些选择是正确的6.双方按约定转换成0、1 BB84方案偏振编码二、量子密码以M-Z干涉仪分配密码 第一组基：0，；第二组基：/2，3/2（水平、垂直偏振）（左，右圆偏振）优点：不受途中外界干扰影响1.可能的传输距离远；2.长期稳定性好；3.抗干扰力强。BB84方案相位编码 二、量子密码 室内：英国人122公里；日本人（测试）150公里双不等臂M-Z干涉
22、仪方案二、量子密码英国（122公里，2004年4月）；日本（150公里，测试）实验室内结果二、量子密码 0公里50公里25公里75公里双不等臂M-Z的不稳定性二、量子密码 日本人100公里（室内）；瑞士人67公里（通讯线路）法拉第反射镜往返式方案法拉第反射镜往返式方案法拉第反射镜往返式方案法拉第反射镜往返式方案二、量子密码（1）瑞士（日内瓦湖底67公里，实际通讯线路）二、量子密码（2）日本（100公里，公里，NEC 2003，实验室内）二、量子密码 世界上第一台商用量子密码机世界上第一台商用量子密码机NAVAJO二、量子密码光纤量子密钥分配实用化研究遇到的关键性问光纤量子密钥分配实用化研究遇到
23、的关键性问题：题：往返式往返式M-Z干涉仪，稳定但不安全干涉仪，稳定但不安全(可用木马光可用木马光子窃听而不被发现子窃听而不被发现)单向式单向式M-Z干涉仪，安全但不稳定。干涉仪，安全但不稳定。我们设计了一种新型方案，既安全我们设计了一种新型方案，既安全(单向单向)，又，又稳定。稳定。(申请发明专利申请发明专利)二、量子密码稳定性稳定性（测试距离175公里）条纹长期稳定相位缓慢漂移二、量子密码极限传输距离极限传输距离 二、量子密码三代核心装置三代核心装置200220032004 二、量子密码光缆线路图光缆线路图 二、量子密码二、量子密码 二、量子密码二、量子密码 天津发射端系统图1550激光器
24、1530激光器100M光端机CWDM波分复用器计算机可调衰减器光学调制器光缆干线至北京(量子信道)光缆干线至北京(经典信道)光环行器二、量子密码北京接收端系统图同步信号探测器100M光端机CWDM波分复用器计算机单光子探测器光学调制器至天津光缆干线(量子信道)至天津光缆干线(经典信道)光环行器二、量子密码1、解决了相位编码量子密钥分配系统在实际通信线路中的长期高稳定度运行问题；2、使用较少（一对光纤线路）的光缆线路资源实现了量子密钥分配与加密图像信号的传输；3、本实验的结果证明：125公里范围内的实际光缆线路量子保密通信的关键性技术障碍已经全部克服！目 录一、引言一、引言 后莫尔时代的新技术后
25、莫尔时代的新技术二、量子密码二、量子密码三、量子因特网三、量子因特网四、量子计算四、量子计算五、量子信息基础理论五、量子信息基础理论六、结论六、结论三、量子因特网量子通信按量子通信按量子通道量子通道可分为两类：可分为两类：（1）恒等变换通道恒等变换通道如光纤，在理想场合，量子比特在传送过程不如光纤，在理想场合，量子比特在传送过程不发生变化，即保真度为发生变化，即保真度为1。（2）量子纠缠通道量子纠缠通道通信双方或多方共享处于纠缠态的粒子，并同通信双方或多方共享处于纠缠态的粒子，并同时使用经典通信和局域操作来实现信息传送。时使用经典通信和局域操作来实现信息传送。三、量子因特网量子通信网络量子通信
26、网络比起现有网络有显著优越性：比起现有网络有显著优越性：保密性强，集信息处理与传送为一体，通信复杂度保密性强，集信息处理与传送为一体，通信复杂度降低等。降低等。量子处理器量子处理器量子信息源量子信息源 量子通信网络量子通信网络 三、量子因特网量子隐形传态量子隐形传态(Quantum Teleportation)传送单个量子比特的技术传送单个量子比特的技术Teleported stateinitial stateEPR-ourceBSMClassical informationAliceBobEntangled pairU三、量子因特网CBSPDO偏振器偏振器A1A2AliceBobCarol实
27、验验证实验验证奥地利小组的奥地利小组的实验原理图实验原理图 三、量子因特网 量子通信采用量子技术来传送量子信息，量子通信采用量子技术来传送量子信息，它比起现有因特网有一系列优点，美国拟在它比起现有因特网有一系列优点，美国拟在10年左右实现全球量子因特网。年左右实现全球量子因特网。如图如图2所示，量子因特网的功能是在网中所示，量子因特网的功能是在网中任何两个通信节点之间实现量子信息的交换，任何两个通信节点之间实现量子信息的交换，或者多个节点协同进行分布计算，其核心技或者多个节点协同进行分布计算，其核心技术包括：量子态工程、量子通道、纠缠操控、术包括：量子态工程、量子通道、纠缠操控、量子信息处理器
28、、量子测量技术等。量子信息处理器、量子测量技术等。三、量子因特网 信源信源编码信息传输解码与探测量子态工程量子态工程单光子源单光子源度度 量量压压 缩缩编编 码码直接通道直接通道纠缠通道纠缠通道信道容量信道容量探测器探测器BellBell基测量基测量广义量子测量广义量子测量QNDQND量子通信基本过程量子通信基本过程三、量子因特网1 1、量子态工程、量子态工程 研究如何制备、操纵和存储作为信息载体研究如何制备、操纵和存储作为信息载体的量子态等问题，包括：的量子态等问题，包括：（1）可控单光子源：目前实用单光子是种将可控单光子源：目前实用单光子是种将激光脉冲衰减到平均每个脉冲只有激光脉冲衰减到平
29、均每个脉冲只有0.10.1个光个光子的准单光子源，理想的单光子源应是每个子的准单光子源，理想的单光子源应是每个脉冲有且仅有一个光子，其发射时间、发射脉冲有且仅有一个光子，其发射时间、发射方向和光子频率可以人为精确控制。人们正方向和光子频率可以人为精确控制。人们正致力研制这种光子源，但尚未完成实现。致力研制这种光子源，但尚未完成实现。三、量子因特网 （2）量子态操纵：量子态的制备、识别、）量子态操纵：量子态的制备、识别、克隆、变换以及层析照像等。克隆、变换以及层析照像等。（3）量子存储器：它应必须能有效地存储）量子存储器：它应必须能有效地存储量子信息，以备进一步操作或传送之用，主量子信息，以备进
30、一步操作或传送之用，主要研究内容是寻找能够长时间保存量子态的要研究内容是寻找能够长时间保存量子态的物理系统，并且要能克服环境的干扰即消相物理系统，并且要能克服环境的干扰即消相干问题。干问题。（4）高亮度、高纠缠度的纠缠光子源的制）高亮度、高纠缠度的纠缠光子源的制备，其参数可控且其波长损耗最小。备，其参数可控且其波长损耗最小。三、量子因特网2、信源编码理论信源编码理论 研究如何在保持不失真的前提下有效压缩研究如何在保持不失真的前提下有效压缩量子信源的冗余度，以增大传输效率，涉及量子信源的冗余度，以增大传输效率，涉及到量子信息度量问题，如保真度、距离熵、到量子信息度量问题，如保真度、距离熵、Hol
31、evo信息和可获取信息，以及信源编码问信息和可获取信息，以及信源编码问题，如编码基的选取、对混合态和有限序列题，如编码基的选取、对混合态和有限序列进行压缩编码等。进行压缩编码等。三、量子因特网3、量子信道、量子信道 研究如何建立远距离的纠缠通道和在有噪声研究如何建立远距离的纠缠通道和在有噪声通道中如何有效地传送量子信息使其保真度通道中如何有效地传送量子信息使其保真度达到所预期的值。包括：达到所预期的值。包括：信道消相干及其克服办法：消相干过程，信道消相干及其克服办法：消相干过程，量子纠错编码，量子纠错编码，DFS编码和编码和QND测量压制损测量压制损耗等。耗等。纠缠通道的建立，关键性问题是远距
32、离纠缠纠缠通道的建立，关键性问题是远距离纠缠通道的建立和局域量子操作的实现。通道的建立和局域量子操作的实现。三、量子因特网 量子中继原理和技术，解决所传送的量子量子中继原理和技术，解决所传送的量子信息保真度随距离指数衰减的难题，量子中信息保真度随距离指数衰减的难题，量子中继通过纠缠交换将能有效制备和自动进行纠继通过纠缠交换将能有效制备和自动进行纠缠纯化的短距离量子通道扩展为更远距离，缠纯化的短距离量子通道扩展为更远距离，其结构复杂度是距离的多项式函数。其结构复杂度是距离的多项式函数。信道容量，研究纠缠通道在各种辅助条件信道容量，研究纠缠通道在各种辅助条件（如（如LQCC）的通信能力。的通信能力
33、。三、量子因特网 基于量子纠缠的量子通信基于量子纠缠的量子通信目的：在相距甚远的用户之间传送量子态目的：在相距甚远的用户之间传送量子态。节点节点纠缠量子通道纠缠量子通道关键问题：关键问题：纠缠度随通道长度指数衰减纠缠度随通道长度指数衰减量子信息保真度指数衰减量子信息保真度指数衰减三、量子因特网 解决办法：解决办法：纠缠纯化纠缠纯化，即由若干被即由若干被破坏的纠缠通道纯化成最大纠缠通道。破坏的纠缠通道纯化成最大纠缠通道。存在问题：存在问题：所需的部分纠缠通道数随所需的部分纠缠通道数随距离增大指数增长。距离增大指数增长。三、量子因特网 量子中继器量子中继器：原则上可以解决保真度指数衰：原则上可以解
34、决保真度指数衰 减的困难减的困难 其基本思想：将通信信道按衰减长度量级分其基本思想：将通信信道按衰减长度量级分 成若干段成若干段 （1 1）每段产生纠缠和纯化）每段产生纠缠和纯化 （2 2）经由纠缠交换将相邻段落间接起来）经由纠缠交换将相邻段落间接起来 （3 3）因纠缠交换使纠缠度降低，需要再纯化，如此反）因纠缠交换使纠缠度降低，需要再纯化，如此反复进行复进行 三、量子因特网 关键的硬件是关键的硬件是“量子存储器量子存储器”n纯化是概率性的，纯化是概率性的，纯化成功后存储且保持纯化成功后存储且保持该段量子态，只需对失败段再纯化。这是确该段量子态，只需对失败段再纯化。这是确保通信效率多项式扩展的
35、核心。若无存储器，保通信效率多项式扩展的核心。若无存储器，则要求所有段的纯化要同时成功，这样的事则要求所有段的纯化要同时成功，这样的事件的概率随距离指数降低！件的概率随距离指数降低！n原子量子存储器：将量子信息存储于原子态原子量子存储器：将量子信息存储于原子态中，而不是光子态，这要求光腔中，而不是光子态，这要求光腔Q Q值很高以值很高以使光子与原子有强耦合，可用于原子纠缠的使光子与原子有强耦合，可用于原子纠缠的产生，纯化产生，纯化三、量子因特网Duan等等人提出人提出热原子热原子系综方系综方案，可案，可以解决以解决上述问上述问 题题三、量子因特网纠缠的产生纠缠的产生三、量子因特网 采用线性光学
36、通过交换实现纠缠连接采用线性光学通过交换实现纠缠连接三、量子因特网 如类似于Ekert方案的量子密钥分配最终的最终的EME态可直接用于通信态可直接用于通信三、量子因特网 Non-classical photon pairs generated from a room-temperature atomic ensemble Abstract:We report experimental generation of non-classically correlated photon pairs from collective emission in a room-temperature atomi
37、c vapor cell.The non-classical feature of the emission is demonstrated by observing a violation of the Cauchy-Schwarz inequality.Each pair of correlated photons are separated by a controllable time delay up to 2 microseconds.This experiment demonstrates an important step towards the realization of t
38、he Duan-Lukin-Cirac-Zoller scheme for scalable long-distance quantum communication.（Phys.Rev.A 2004年发表）三、量子因特网 在上述方案中在上述方案中,首要的一步是演示在所发射的首要的一步是演示在所发射的光子与长寿命集体原子激发之间的量子关联。光子与长寿命集体原子激发之间的量子关联。在这个实验中，我们在室温在这个实验中，我们在室温Rb原子气体中观原子气体中观察这个非经典关联。察这个非经典关联。在实验中，原子集体激发不断地被转换成光在实验中，原子集体激发不断地被转换成光子，由此，我们便可观察两个相继发
39、射光子子，由此，我们便可观察两个相继发射光子之间的关联。之间的关联。三、量子因特网三、量子因特网S1Gate1S2Gate2A full duty cycle(a)(b)(c)writereadStokes photonAnti-Stokes photonSM fiberRead beamCMagnetic shieldWrite beamSM fiberSM fiberSM fiber三、量子因特网 由测得数据来检验是否违背由测得数据来检验是否违背Cauchy-Schwarz 不等式不等式:实验结果实验结果三、量子因特网WeiWei JiangJiang,ChaoChao Han,Han,P
40、engPeng XueXue,Lu-Ming,Lu-Ming DuanDuan,Guang-Can Guo,Guang-Can Guo,Preprint quant-ph/0309175Preprint quant-ph/0309175三、量子因特网 同同Kimble，Lukin两个小组的实验相比，两个小组的实验相比，我们我们的实验有以下优点：的实验有以下优点：1、采用室温、采用室温Rb原子气体，比原子气体，比Kimble组的组的MOT束束缚冷原子简单，便宜。缚冷原子简单，便宜。2、Kimble组的延迟时间为组的延迟时间为400ns，我们的为，我们的为2 s。3、Lukin 小组采用热原子系综
41、，但不处于单光子小组采用热原子系综，但不处于单光子范畴。范畴。量子态的探测量子态的探测 研究如何有效地提取信息，涉及到单光子探测技术，研究如何有效地提取信息，涉及到单光子探测技术，Bell态测量和广义量子测量、态测量和广义量子测量、QND测量等。测量等。目前，国际学术界正致力于上述关键性科学和技术问题目前，国际学术界正致力于上述关键性科学和技术问题的研究，一旦取得突破就可实现量子因特网，它可与量子计的研究，一旦取得突破就可实现量子因特网，它可与量子计算相结合，实现量子信息的远程操作，远程量子态制备和远算相结合，实现量子信息的远程操作，远程量子态制备和远程量子态克隆，还可以实现高精度的量子刻蚀和
42、时钟同步，程量子态克隆，还可以实现高精度的量子刻蚀和时钟同步，在分布计算中有效地降低通信复杂度等。在分布计算中有效地降低通信复杂度等。三、量子因特网 目 录一、引言一、引言 后莫尔时代的新技术后莫尔时代的新技术二、量子密码二、量子密码三、量子因特网三、量子因特网四、量子计算四、量子计算五、量子信息基础理论五、量子信息基础理论六、结论六、结论四、量子计算经典经典量子量子可存储0或1（一个数）可同时存储0和1（两个数）一个存储器一个存储器两个存储器两个存储器经典典量子可存储可存储00,01,10或或11(一个数一个数)可同时存储00,01,10,11(四个数)量子计算机的并行计算能力量子计算机的并
43、行计算能力四、量子计算N个存储器个存储器经典：可存储一个数经典：可存储一个数（2N 个可能的数之个可能的数之 中的一个数）中的一个数）量子：可同时存储 2N 个数 因此，量子存储器的存储数据能力是因此，量子存储器的存储数据能力是经典的经典的 2N 倍，且随倍，且随N指数增长。指数增长。例如，N=250,量子存储器可同时存储比宇宙中原子数目还要多的数据。四、量子计算计算是对数据的变换计算是对数据的变换经典计算机对N个存储器运算一次，只 变 换 一 个 数 据。量子计算机对对N个个存存储储器器运运算算一一次次，同同 时时 变变 换换 2N个个 数数 据据。四、量子计算可见：对可见：对N个量子存储器
44、实行一次操作，个量子存储器实行一次操作，其其 效相当于对经典存储器进行效相当于对经典存储器进行 2N 次操作次操作,这就是量子计算机的巨大并行运算能力。这就是量子计算机的巨大并行运算能力。采用合适的量子算法，采用合适的量子算法，这个能力可以大大地提高计这个能力可以大大地提高计算机的运算速度。算机的运算速度。四、量子计算Shor 量子并行算法量子并行算法 1994年，量子信息领域的里程碑工作，获年，量子信息领域的里程碑工作，获1998年世界数学家大会最高奖。年世界数学家大会最高奖。这个算法可以求解这个算法可以求解“大数因子分解大数因子分解”难题难题 这类大数因子分解是个难解的数学问题这类大数因子
45、分解是个难解的数学问题其安全性依赖于其安全性依赖于“单向单向”函数函数127129？很容易计算很容易计算？29083 很难计算很难计算 四、量子计算 分解分解N 运算步骤（时间）随输入长度运算步骤（时间）随输入长度logN 指数指数增长，用经典计算是难以计算的。增长，用经典计算是难以计算的。例 若若 N=250，要用要用8105年年 N=1000，要用，要用1025年年(比宇宙年龄还长比宇宙年龄还长)N=129位，位，1994年年1600台工作站花了台工作站花了8个月分解成功。个月分解成功。四、量子计算Shor算法证明算法证明:采用量子计算机并行计算，分解采用量子计算机并行计算，分解N的时间随
46、的时间随logN 的的多项式增长多项式增长(即可解问题即可解问题)。所以，所以，一旦量子计算机研制成功，现有一旦量子计算机研制成功，现有的的RSA密钥将无密可保。密钥将无密可保。四、量子计算Grover 量子搜寻算法量子搜寻算法问题：从问题：从N个未分类的客体中寻找出某个特定客体。个未分类的客体中寻找出某个特定客体。例如例如:从按姓序排列的从按姓序排列的106个电话号码中找出某个特个电话号码中找出某个特 定的号码。定的号码。经典计算机一个个查询，直到找到所要的号码。平一个个查询，直到找到所要的号码。平均讲，要查均讲，要查 次，找到的几率为次，找到的几率为 。量子计算机采用并行处理，只需采用并行
47、处理，只需 次，找到的几率次，找到的几率接近接近100(Grover算法算法)。四、量子计算这个算法应用广泛：这个算法应用广泛：寻找最大值，最小值，平均值，下棋，寻找最大值，最小值，平均值，下棋，例例:可以有效地攻破可以有效地攻破DES(the data encryption standard)密码体系密码体系(问题的本质是从问题的本质是从 256=71016 可可能的密钥中寻找一个正确的密钥能的密钥中寻找一个正确的密钥)。若以每秒若以每秒106次的运算速率，经典计算机要花次的运算速率，经典计算机要花1000年，年，而量子计算机采用而量子计算机采用Grove算法，则低于算法，则低于4分钟。分钟
48、。Grove算法：算法：可以在稻草堆里发现一根针！可以在稻草堆里发现一根针！四、量子计算 量子计算技术有可能成为二十一世纪上半叶人类最伟大量子计算技术有可能成为二十一世纪上半叶人类最伟大的技术突破之一。该技术一旦成为现实，基于量子力学的算的技术突破之一。该技术一旦成为现实，基于量子力学的算法将远优于经典算法，从而使现有的密码系统产生根本性的法将远优于经典算法，从而使现有的密码系统产生根本性的变革，直接影响到各国的国防部门乃至整个经济社会；基于变革，直接影响到各国的国防部门乃至整个经济社会；基于量子计算的量子模拟技术，将有助于人们清楚地认识介观体量子计算的量子模拟技术，将有助于人们清楚地认识介观
49、体系的物性。进而可能成为新的技术发明和发现的基本研究手系的物性。进而可能成为新的技术发明和发现的基本研究手段；未来量子计算机的成品，极可能是基于纳米技术和微观段；未来量子计算机的成品，极可能是基于纳米技术和微观操控技术，从而量子计算机的研究将为这些目前新兴的技术操控技术，从而量子计算机的研究将为这些目前新兴的技术领域提供技术革新的动力。领域提供技术革新的动力。四、量子计算 量子计算机的实现已不存在原则性的障碍。今量子计算机的实现已不存在原则性的障碍。今年日本和美国联合的研究小组已经在实验上实现了年日本和美国联合的研究小组已经在实验上实现了两个超导电荷量子比特的相干振荡。美国在两个超导电荷量子比
50、特的相干振荡。美国在20022002年年年底制定的十年发展规划中，已明确地将目标定位年底制定的十年发展规划中，已明确地将目标定位于：于：“到到20122012年发展一套可行的带有足够复杂度的年发展一套可行的带有足够复杂度的量子计算技术，以其充当量子计算检测平台的功能，量子计算技术，以其充当量子计算检测平台的功能，在这个平台之上去探索量子计算机的构建及算法等在这个平台之上去探索量子计算机的构建及算法等问题问题”。四、量子计算 量子计算机的技术实现问题已不是一个遥远的梦量子计算机的技术实现问题已不是一个遥远的梦想，它已经到了基本的实验实现阶段，在我国开展想，它已经到了基本的实验实现阶段，在我国开展