量子信息导论-量子计算部分详解

中国科学技术大学陈凯量子信息物理学PH35202量子信息导论00220201中国科学技术大学微尺度国家实验室/近代物理系陈凯2013.9.10中国科学技术大学陈凯联系方式E-mail:[e-mail].63607951Office:东区理化大楼东附2013室主页:~kaichen助教甄一政[e-mail]中国科学技术大学陈凯参考书目QuantumcomputationandquantuminformationbyM.A.NielsenandI.L.Chuang尹浩等编著，《量子通信原理与技术》，电子工业出版社，2013.《量子信息物理原理》张永德,科学出版社中国科学技术大学陈凯绪论量子信息概念、历史和展望中国科学技术大学陈凯经典计算机和信息处理冯·诺依曼第一代计算机苹果手机Roadrunner超级计算机高速互联通信网AndroidKitKat中国科学技术大学陈凯经典计算机和信息处理“Thenumberoftransistorsperchipdoubleswithintwoyears”(Apr19,1965)GordonE.Moore,Co-founderofIntel中国科学技术大学陈凯中国科学技术大学陈凯中国科学技术大学陈凯经典计算机发展状况中国科学技术大学陈凯“Informationisphysical.”1960sbyRolfLandauerfromIBMResearchWhatisquantuminformation?fromNewScientistQuantuminformationisthatkindofinformationwhichiscarriedbyquantumsystemsfromthepreparationdevicetothemeasuringapparatusinaquantummechanicalexperiment.byR.F.Werner中国科学技术大学陈凯GettinginsidethemindofGodfromNewScientist中国科学技术大学陈凯fromNewScientist中国科学技术大学陈凯SpookyactionatadistancefromNewScientistWave-ParticleDuality中国科学技术大学陈凯“Thereisplentyofroomatthebottom.”(Dec29,1959)“Itseemsthatthelawsofphysicspresentnobarriertoreducingthesizeofcomputersuntilbitsarethesizeofatoms,andquantumbehaviorholdsdominantsway.”－－RichardP.Feynman(1985)Nobelprize1965fromNewScientist中国科学技术大学陈凯量子世界(MaxPlanck)(AlbertEinstein)(LouisdeBroglie)lcEh=2mcE=mch=l互补性和不确定原理(NeilsBohr)(WernerHeisenberg)量子测量塌缩中国科学技术大学陈凯经典和量子比特经典和量子信息处理中的本质不同在于存贮和处理信息的方式在经典信息处理中，信息是由宏观的比特来表示通常取值为二进制的值0或者1在量子信息处理中，信息是由微观的量子比特来表征，通常取值不可数的多值形式α|0〉+β|1〉其中α,β其中为满足下式的任意两个复数|α|2+|β|2=1.中国科学技术大学陈凯Information(Classical)QuantumInformationInformationTechnology中国科学技术大学陈凯量子信息处理的概念和内涵量子信息处理是指以量子力学基本原理为基础、利用量子态的相干特性来编码、传输和操控信息，进而实现量子计算、量子通信、量子精密测量、量子模拟等功能的全新信息处理方式。由于携带量子信息的载体可以工作在原子分子层次上，从而只需要损耗更少的能量来进行处理、存储和传输。是经典信息处理的大幅拓展，探索和发展更有效地进行计算、通信、测量等的方式中国科学技术大学陈凯It’sa“mystery”.THEmystery.Wedon’tunderstandit,butwecantellyouhowitworks.(Feynman)量子信息处理中国科学技术大学陈凯PeterShor算法(1994)SethLloyd量子信息发展史LovGrover算法(1997)中国科学技术大学陈凯Deutsch普适量子计算Deutsch－Jozsa算法Ekert(E91协议)Cirac，Zoller量子信息理论Steane纠错码中国科学技术大学陈凯量子信息发展史(RichardFeynman)(PaulBenioff)(C.Bennett)“There’splentyofroomatthebottom”QuantumTuringmachine(G.Brassard)QuantumkeydistributionBB84(DavidDeutsch)UniversalQC中国科学技术大学陈凯量子是构成物质的最基本单元是能量的最基本携带者不可分割光子原子分子量子纠缠量子比特叠加态经典比特01|〉|〉＋|〉|〉|〉|〉＋遥远地点之间的惊人关联！量子叠加光子极化量子比特与量子纠缠中国科学技术大学陈凯纠缠态方案Ekert,PRL67,661(1991)无条件安全的密钥生成()()1212121212121|||||21|||||2±±Φ〉=↔〉↔〉±〉〉Ψ〉=↔〉〉±〉↔〉bbbb量子通信技术:量子加密术一次一密，完全随机无条件安全量子不可分割量子不可克隆定理单粒子方案Bennett&Brassard(1984)中国科学技术大学陈凯量子通信技术:量子隐形传态初态纠缠源纠缠对经典通信初态纠缠对Bennettetal.,PRL73,3801(1993)中国科学技术大学陈凯ã计算步数ã利用经典THz计算机分解300位的大数，需1024步，150000年。ã利用Shor算法THz计算机，只需1010步，1秒！ãRSA将不再安全！量子并行性使得量子计算机可以同时对个数进行数学运算，其效果相当于经典计算机重复实施次操作。0或100，01，10或11000，001，010……...0+100+01+10+11000+001+010+……...经典比特量子比特Shor算法P.W.ShorGrover搜寻算法ã如何在草堆中找到一根针？ã经典搜寻：N步ã量子搜寻：N1/2步ã可破译DES密码：L.K.Grover1000年4分钟量子并行性量子计算与量子通信个数中搜寻密钥中国科学技术大学陈凯•1kmM.Aspelmeyeretal.,Science301,621(2003)•13kmC.-Z.Pengetal.,PRL94,150501(2005)远程量子通信：自由空间纠缠光子分发中国科学技术大学陈凯TheDARPAQuantumNetwork中国科学技术大学陈凯NISTQuantumCommunicationTestbed1Mbit/sover4km(2006年)中国科学技术大学陈凯SECOQCQKD网络拓扑和分布中国科学技术大学陈凯SECOQCQKD节点组成成码率：0.6～10kbps(2008年)中国科学技术大学陈凯TokyoQKDnetwork(2010年)中国科学技术大学陈凯合作单位中国科学技术大学陈凯TokyoQKDnetwork网络架构基于JGN2plus（Japan'sGigabitNetwork）星形结构中国科学技术大学陈凯TokyoQKDNetwork视频会议演示中国科学技术大学陈凯商用QKD产品中国科学技术大学陈凯idQuantique产品idQuantique(IDQ)在2001年建于Geneva公司产品nCentaurisLayer2Encryptors:Highspeedmulti-protocolencryptorsnCerberis:Afastandsecuresolutionofhighspeedencryptioncombinedwithquantumkeydistribution。典型的基于AES应用nClavis2:QKDforR&DApplicationsn探测器，随机数发生器，短脉冲激光源等CerberisCentaurisClavis2中国科学技术大学陈凯2010FIFA世界杯Durban,SouthAfrica–Thefirstuseofultrasecurequantumencryptionataworldpublicevent，基于AES256中国科学技术大学陈凯MagiQ1999建立于美国，目前设有Boston总部和纽约Office。大致从2008年起建立了MagiQResearchLabs，与USArmy,DARPA,NASA以及与包括世界500强的多个公司进行联合研究。中国科学技术大学陈凯任意两节点间的量子电话任意节点对于另外两个节点的加密广播T.-Y.Chenetal.,OpticsExpressVol.17,Iss.8,pp.6540–6549(2009).PhysicsWorld的报道Science的报道3节点光量子电话网络中国科学技术大学陈凯5节点星型量子密钥分配网络系统全通型量子通信网络Chenetal.,OpticsExpress18,27217(2010)中国科学技术大学陈凯系统集成中国科学技术大学陈凯实用化城域量子通信网络合肥全通型城域量子通信网络Chenetal.,Opt.Express17,6540(2009)Chenetal.,Opt.Express18,27217(2010)合肥城域量子通信试验示范网(46个节点,2012年)新华社新闻大厦新华社金融信息交易所20km金融信息量子通信验证网(2012)中国科学技术大学陈凯美国量子信息国家战略－－以LANL为例鼓励交叉研究理论与实验相结合中国科学技术大学陈凯•Liquid-stateNMR•NMRspinlattices•Linearion-trapspectroscopy•Neutral-atomopticallattices•CavityQED+atoms•Linearopticswithsinglephotons•Nitrogenvacanciesindiamond•ElectronsonliquidHe•SmallJosephsonjunctions–“charge”qubits–“flux”qubits•Spinspectroscopies,impuritiesinsemiconductors•Coupledquantumdots–Qubits:spin,charge,excitons–Exchangecoupled,cavitycoupled量子信息处理的物理实现中国科学技术大学陈凯SpintronicsCavityQEDAtomChipRF-SQUIDCooperPairBox中国科学技术大学陈凯•Aarhus•Berkeley•Caltech•Cambridge•CollegePark•Delft•DERA(U.K.)•Écolenormalesupérieure•Geneva•HPLabs(PaloAltoandBristol)•Hitachi•idQuantique•IBMResearch(YorktownHeightsandPaloAlto)•Innsbruck•LosAlamosNationalLabs•McMaster•MagiQ•MaxPlanckInstitute-Munich•Melbourne•MIT•NEC•NewSouthWales•NIST•NRC•Orsay•Oxford•Paris•Queensland•SantaBarbara•Stanford•Toro