量子物理与信息技术(郭光灿)

量子物理与信息技术郭光灿中科院量子信息重点实验室目录一、引言二、量子密码三、量子计算的基本原理四、量子计算的物理实现五、我们近期的研究进展六、结束语一、引言以比特(0或1)作为信息单元,称为经典信息。01011101001011101100001101111000001100……以量子比特作为信息单元,称为量子信息。量子比特：.1,10222121CCCC何为“量子信息”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。N4321一、引言“量子比特”与“比特”有何区别？以单光子作为信息物理载体为例:经典信息：有光子代表“1”，无光子代表“0”1000111一、引言量子信息：以光子的量子态表征信息如约定光子偏振态，圆偏振代表“1”，线偏振代表“0”（每个脉冲均有一个光子）。0101010偏振态经典比特一、引言量子态有何特殊性质？D1D2单光子分束器光电探测器上下下＋上21一、引言一则漫画一、引言量子信息过程遵从量子力学原理，于是可实现经典信息无法做到的新信息功能。如:量子密码量子通信网络量子计算等等。一、引言量子不可克隆定理：不存在物理过程可精确地复制任意量子态。量子克隆机ABAB量Z子密码安全性的基础量子信息提取不可逾越的障碍一、引言薛定谔猫一、引言EPR效应AEPR粒子对B非局域性：对A（或B）的任意测量必然会影响B（或A）的量子态，不管A和B分离多远。量子纠缠态21ABA－B构成“量子通道”。一、引言量子信息技术量子信息技术量子密码量子因特网量子计算二、量子密码军事指挥系统的保密通信量子网络路由器网络主会场网络分会场A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下＋上21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、1BB84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、量子密码窄带激光光衰减器普通dB分束器偏振无关相调制器普通dB分束器普通dB分束器普通dB分束器偏振无关相调制器单光子探测器1单光子探测器2干线光缆室内：英国人122公里；日本人（测试）150公里双不等臂M-Z干涉仪方案二、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、量子密码单光子探测器1单光子探测器2衰减器1550nm激光器环行器dB分束器相位调制器偏振分束器干线光缆相位调制器分束器Pin二极管衰减器光子存储线法拉第反射镜日本人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，NEC2003，实验室内）二、量子密码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题：往返式M-Z干涉仪，稳定但不安全(可用木马光子窃听而不被发现)单向式M-Z干涉仪，安全但不稳定。我们设计了一种新型方案，既安全(单向)，又稳定。(申请发明专利)二、量子密码稳定性（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二、量子密码三代核心装置200220032004二、量子密码光缆线路图二、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！三、量子计算的基本原理经典量子可存储0或1（一个数）可同时存储0和1（两个数）一个存储器两个存储器经典量子可存储00,01,10或11(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三、量子计算的基本原理N个存储器经典：可存储一个数（2N个可能的数之中的一个数）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经典的2N倍，且随N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。三、量子计算的基本原理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N个存储器运算一次，同时变换2N个数据。三、量子计算的基本原理可见：对N个量子存储器实行一次操作，其效相当于对经典存储器进行2N次操作,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，这个能力可以大大地提高计算机的运算速度。三、量子计算的基本原理Shor量子并行算法——1994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。这个算法可以求解“大数因子分解”难题这类大数因子分解是个难解的数学问题其安全性依赖于“单向”函数127×129＝？很容易计算？×？＝29083很难计算三、量子计算的基本原理分解N运算步骤（时间）随输入长度logN指数增长，用经典计算是难以计算的。例若N=250，要用8×105年N=1000，要用1025年(比宇宙年龄还长)N=129位，1994年1600台工作站花了8个月分解成功。三、量子计算的基本原理Shor算法证明:采用量子计算机并行计算，分解N的时间随logN的多项式增长(即可解问题)。所以，一旦量子计算机研制成功，现有的RSA密钥将无密可保。三、量子计算的基本原理Grover量子搜寻算法问题：从N个未分类的客体中寻找出某个特定客体。例如:从按姓序排列的106个电话号码中找出某个特定的号码。经典计算机一个个查询，直到找到所要的号码。平均讲，要查次，找到的几率为。量子计算机采用并行处理，只需次，找到的几率接近100％(Grover算法)。三、量子计算的基本原理这个算法应用广泛：寻找最大值，最小值，平均值，下棋，……例:可以有效地攻破DES(thedataencryptionstandard)密码体系(问题的本质是从256=7×1016可能的密钥中寻找一个正确的密钥)。若以每秒106次的运算速率，经典计算机要花1000年，而量子计算机采用Grove算法，则低于4分钟。Grove算法：可以在稻草堆里发现一根针！三、量子计算的基本原理计算机科学的开端：1936年AlanTuring提出图灵机模型三、量子计算的基本原理电子计算机模型输入输出欲计算的函数三、量子计算的基本原理量子计算机模型器初态制备机输入机器末态相干测量输出三、量子计算的基本原理量子计算的四个基本要求量子比特具有长的相干时间完备的普适幺正操作初态制备能力测量输出结果三、量子计算的基本原理量子比特环境影响→消相干T1纵向弛豫时间T2横向弛豫时间N个量子比特叠加态三、量子计算的基本原理量子操作(幺正变换)的性质量子计算机作为封闭的量子系统按照哈密顿量做幺正演化。为执行量子计算，必须要能够控制哈密顿量，以完成普适完备幺正操作中的任一幺正变换。例单个量子比特可按哈密顿量演化。其中是用经典方式控制的参数。三、量子计算的基本原理△普适量子操作(1)单个比特的任意旋转操作(2)两个比特的受控操作量子计算的任何量子线路都是这两个基本操作门的组合。即量子计算的幺正操作可分解成一系列普适门操作的连续作用：这要求能够正确寻址单个量子比特，然后精确地应用这些门去作用在单个比特或比特对上。三、量子计算的基本原理△表征量子操作的两个重要参数(1)可以达到的最小保真度(2)完成单比特旋转或受控非门的基本运算的最大时间操作速度操作质量三、量子计算的基本原理要能够可重复地以高保真度产生一个特定地量子态要能够制备初始状态,两个重要表征参数(1)初态制备为给定状态的最小保真度(2)的熵。理想的输入态使纯态，熵为0。初态的制备三、量子计算的基本原理测量是指将一个以上量子比特和经典系统耦合起来，使得经一段时间，量子比特的状态被经典系统的状态所指示的过程。重要指标是：一个好的量子算法的指示，在测量时有很高的概率得到问题的正确答案(如Shor量子并行算法给出的函数的周期)。量子比特系统经典测量系统耦合波包塌缩输出结果的测量三、量子计算的基本原理量子算法量子算法应用巨大的量子存储数据能力来加快函数运算速度。Shor量子并行算法Grover量子搜寻算法三、量子计算的基本原理量子编码量子计算机的实际应用的重要障碍是宏观环境不可避免地破坏量子相干性(即所谓消相干问题)，使量子计算机演变成经典计算机。若不能有效地克服消相干，即是量子硬件做成了，量子计算机也无法实际应用。克服消相干的有效方法－－量子编码它引入冗余度，将有用的量子信息分配到更多量子比特之间纠缠之中。三、量子计算的基本原理现有量子编码有三种不同类型原理：其中量子避错码原理是我们在国际上最早提出的(发表在PhysicalReviewLetters,1997)。总之，量子计算机的实现原则上已不存在不可逾越的困难，但量子硬件的突破尚有待时日。量子纠错码量子避错码量子防错码出了错后纠正(经典纠错码的对应)避免出错(应用量子相干保持态)采用多次测量防止出错(应用量子Zero效应)四、量子计算的物理实现一台量子计算机最基本要求：(1)能长期保持相干性—与外界很好隔离的封闭量子系统(2)外界能够精确地控制其演化并读出结果—与外界有良好的耦合这两个要求互相矛盾。因此选择什么样的物理体系来制作量子计算机要兼顾两者的要求。四、量子计算的物理实现系统相干时间操作时间最大运算次数核自旋10-2－10810-3－10-6105－1014电子自旋10-310-7104离子阱10-110-141013电子－Au10-810-14106电子－GaAs10-1010-13103量子点10-610-9103光学腔10-510-14109微波共振腔10010-4104某些物理系统四、量子计算的物理实现Ui操作Ujk操作量子计算机由许多量子处理器(量子比特)构成，每个量子处理器是两态的量子系统。因此适用于研制量子计算机的物理体系应当具有物理可扩展性。即可集成成千上万个量子处理器，且可对任一个或任两个处理器实施精确操控。四、量子计算的物理实现目前主要研究途径固态量子计算超导系统超导流量子比特的相干量子动力学Sci