量子物理与信息技术

1量子物理与信息技术郭光灿中科院量子信息重点实验室国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班2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、结束语国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班3一、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=++=CCCCψ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。…………Nψψψψψ4321国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班4一、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国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班5一、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偏振态经典比特国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班6一、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=ψ国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班7一、引言一则漫画国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班8一、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。国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班9一、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ABABψ∑ψψ~量Z子密码安全性的基础~量子信息提取不可逾越的障碍国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班10一、引言薛定谔猫国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班11一、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()↓↑−↑↓=21ABψA－B构成“量子通道”。国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班12一、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国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班13二、量子密码军事指挥系统的保密通信国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班14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、量子密码网络政务国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班15二、量子密码远程授权与网络合同国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班16经典密钥分配基于私钥的保密通信二、量子密码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班17基于公钥的保密通信二、量子密码经典密钥分配国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班18二、量子密码量子密钥分配国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班19二、量子密码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班20量子密钥分配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、量子密码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班21二、量子密码偏振态编码10AliceBob国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班22二、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=ψ国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班23二、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安全区国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班24二、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~偏振编码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班25二、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~偏振编码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班26二、量子密码以M-Z干涉仪分配密码第一组基：0，π；第二组基：π/2，3π/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~相位编码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班27二、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公里双不等臂双不等臂MM--ZZ干涉仪方案干涉仪方案国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班28二、量子密码英国（122公里，2004年4月）；日本（150公里，测试）实验室内结果国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班29二、量子密码040801201602002402800.20.30.40.50.60.70.80.91.0VisibilityTime(hour)0204060801001200.20.30.40.50.60.70.80.91.0VisibilityTime(hour)0204060801001200.20.30.40.50.60.70.80.91.0CBAVisibilityTime(hour)-200204060801001201400.20.30.40.50.60.70.80.91.0DVisibilityTime(hour)0公里50公里25公里75公里双不等臂M-Z的不稳定性国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班30二、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法拉第反射镜往返式方案国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班31二、量子密码（1）瑞士（日内瓦湖底67公里，实际通讯线路）国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班32二、量子密码（2）日本（100公里，NEC2003，实验室内）国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班33二、量子密码世界上第一台商用量子密码机NAVAJO国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班34二、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)国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班35二、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国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班36二、量子密码极限传输距离国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班37二、量子密码三代核心装置200220032004国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班38二、量子密码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班39光缆线路图二、量子密码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班40二、量子密码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班41二、量子密码国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班42二、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)光环行器国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班43二、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)光环行器国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班44二、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！国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班45三、量子计算的基本原理经典量子可存储可存储00或或11（一个数）（一个数）可同时存储可同时存储00和和11（两个数）（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量子可存储可存储00,01,1000,01,10或或11(11(一个数一个数))可同时存储可同时存储00,01,10,11(00,01,10,11(四个数四个数))量子计算机的并行计算能力量子计算机的并行计算能力国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班46三、量子计算的基本原理N个存储器经典：可存储一个数经典：可存储一个数（（22NN个可能的数之中的一个数）个可能的数之中的一个数）量子：可同时存储量子：可同时存储22NN个数个数因此，量子存储器的存储数据能力是经典的因此，量子存储器的存储数据能力是经典的22NN倍，且随倍，且随NN指数增长。指数增长。例如，例如，NN=250,=250,量子存储器可同时存储比宇宙中量子存储器可同时存储比宇宙中原子数目还要多的数据。原子数目还要多的数据。国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班47三、量子计算的基本原理计算是对数据的变换经典计算机对对NN个存储器运算一个存储器运算一次，只变换一个数据。次，只变换一个数据。量子计算机量子计算机对N个存储器运算一次，同时变换2N个数据。国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班48三、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。国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班49三、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很难计算国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班50三、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N=129位，1994年1600台工作站花了8个月分解成功。若N=250，要用8×105年N=1000，要用1025年(比宇宙年龄还长)国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班51三、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。国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班52三、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)。国家自然科学基金委员会数理学部实验物理讲习班53三、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×