量子存储与量子网络

量子存储与量子网络中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室2019年9月李传锋Contents一、奇异的量子力学二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠三、简单的量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码2）量子隐形传态四、量子存储与量子网络Contents一、奇异的量子力学二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠三、简单的量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码2）量子隐形传态四、量子存储与量子网络人类探索宇宙规律的知识结构图一、神学（内修体验，难于验证）古埃及、古希腊、古罗马、玛雅、犹太、印度、中国。二千多年前达到顶峰，逐步没落。比较成体系的是一些宗教经典：《金刚经》《道德经》《圣经》《薄伽梵歌》《周易》二、哲学（逐步偏向外部世界）希腊三杰：苏格拉底、柏拉图、亚里士多德三、实证科学（外部世界的规律、实证性、可重复）一、奇异的量子力学社会科学（研究人类活动）自然科学（研究自然界）物理化学生物……光学原子物理热学力学……一、奇异的量子力学什么是量子（特性）？不能再分成“半个”的微观粒子，具有量子特性。只能一个个的数。分子；原子；电子；质子；光子等等都是量子的，遵循量子力学。一个苹果和半个苹果四分之三个细胞一个水分子，可以拆解成H+和OH-，但没有半个水分子。一、奇异的量子力学2）在量子态层面操控可能带来新技术：量子通信，量子计算机，量子模拟，量子精密测量……激光节能灯太阳能电池半导体芯片1）根据量子力学原理，在原子层面解决问题。对信息和能源等方方面面带来革命性的影响。（第一次量子革命）2018年诺贝尔物理奖：激光光镊和啁啾脉冲放大技术量子改变世界量子信息是第二次量子革命一、奇异的量子力学任何一门学科，首先有第一性原理，然后回答：1）组成物？2）怎么相互作用？3）怎么运动？如几何光学：第一性原理：直线传播、独立传播、费马原理1）组成物：光、界面2）相互作用：反射、折射3）怎么运动：直线传播、成像一、奇异的量子力学量子力学？N条假定（第一性原理），然后回答：1）组成物？波函数（线性叠加）2）怎么相互作用？哈密顿量3）怎么运动？薛定谔方程、量子测量ψψHti=∂∂如原子物理：原子的物理图象和量子力学描述ψψHti=∂∂Schrodinger方程一、奇异的量子力学量子力学与其他物理学分支的关系类似操作系统和软件的关系Nielsen,Chuang,QuantumcomputationandQuantumInformationContents一、奇异的量子力学二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠三、简单的量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码2）量子隐形传态四、量子存储与量子网络在经典世界里，系统的态和演化都是确定的。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠经典的物质特性：每时刻的位置、速度完全确定，有确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠经典的波特性：每个时刻波的形状，速度是确定的。波充满整个空间，遵从经典波动理论。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠在量子世界里，系统的态和演化是不确定的。态由波函数描述，可以处于叠加状态。对于复合系统，根据量子力学叠加原理，存在量子纠缠态。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠无论两个子系统相距多远，量子纠缠都依然存在。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠当探测其中一个粒子的时候，量子纠缠就会展现出最奇异的特性。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠即便不测量，我们也可以推测出另一个粒子的状态。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠看起来测量其中一个粒子，会影响另一个粒子的状态（这种影响甚至超过光速，但不会传递信息）二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠关于纠缠的这一特性，爱因斯坦和玻尔进行了长时间的争论。爱因斯坦称之为“spookyactionatadistance”（幽灵般的超距作用）。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠在A处沿着和基矢测则能确定知道B处于或在A处沿着和基矢测则能确定知道B处于或()()()()1021,102121011021−=−+=++−−−+=−=Ψ−with010++−−EPR佯谬[Einstein,Podolsky,Rosen,1935](Bohmversion)AB处于01+−1EPR问：B到底处于什么状态？物理实在呢？Bohr：测了才能知道。（Einstein:我们不看它，月亮就不存在吗？量子力学不完备，存在隐变量。）1960年代，Bell提出一个不等式判断爱因斯坦和量子力学孰是孰非。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠对隐变量取平均量子力学结果实验验证：Aspect,PRL,1982二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠Bell不等式[Bell,1964]（CHSHversion）四个两输出测量算符（光子偏振，电子自旋）Bell()BABAAB↑↓+↓↑=21ψ2010Wolfprize,J.Clauser,A.Aspect,A.ZeilingerfortheircontributionstoquantumphysicsincludinganincreasinglysophisticatedseriesoftestsofBell'sinequalitiesorextensionsthereofusingentangledquantumstates二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠Nature526,682–686(2015)无漏洞的违背Bell不等式实验2015年，荷兰学者二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠•关于EPR佯谬的争论基本结束，结论：局域实在论是错误的；非局域性是量子世界最基本的特性。二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠量子纠缠()BABAAB↑↓+↓↑=21ψ(更一般:)BAABρρρ⊗≠量子通信网络量子模拟与量子计算Fromiontrap.umd.eduFromneatorama.com量子纠缠是量子信息领域的重要资源量子随机性的起源问题Contents一、奇异的量子力学二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠三、简单的量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码2）量子隐形传态四、量子存储与量子网络何为“量子信息”以量子比特作为信息单元,称为量子信息。量子比特：量子信息：.1,10222121=++=CCCCψ…………Nψψψψψ4321量子信息是经典信息的扩展与完善，正如复数z=x+iy是实数的扩展与完善。CHBennettandDPDiVincenzo,Nature404,247(2000)三、量子信息现在的观点：量子信息是非局域的量子力学，开启了第二次量子革命。三、量子信息经典bit只有0,1两种状态,例如对应着晶体管的电流大和小两种状态量子bit可以有0,1的叠加状态,例如对应着电子自旋状态01αβ+从经典信息到量子信息量子信息的研究方向包括:量子密码量子通信量子计算量子传感......涉及多种物理体系：光子、冷原子、量子点等三、量子信息量子模拟量子纠缠网络Contents一、奇异的量子力学二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠三、简单的量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码2）量子隐形传态四、量子存储与量子网络三、量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码不可克隆定理10βα+Initialunknownstate111000→→，110010βαβα+→+Wooters,Zurek,Nature1982.IfwehaveaclonerInputtheinitialstate不可克隆定理10βα+Initialunknownstate111000→→，110010βαβα+→+IfwehaveaclonerInputtheinitialstate()()101010βαβαβα++→+Unknownquantumstatecannotbecloned三、量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码Wooters,Zurek,Nature1982.目前广泛采用的密码体系（如RSA）基于难解的单向数学问题（如大数因式分解）。不是物理原理上安全的。Shor算法（Shor,1995）：利用量子计算机可有效进行大数分解。三、量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码理论上一次一密且密码本足够长则加密传输是安全的。例如：A和B的密码本是相同的二进制随机数；加密和解密过程都是取模2加。A明文密文公开传输B明文模2加模2加1001011…1001011…A密码本B密码本量子密码：量子密钥传输，安全地生成密码本。QKD(QuantumKeyDistribution)三、量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码BB84码（2018年Wolf奖）Bennett,Brassard,19840101Non-cloning三、量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码三、量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码BB84码：1.随机选基，发送&探测光子，对基Bob:Alice:三、量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码BB84码：2.基矢相同的再随机选一半探测窃听者Bob:Eve?!Alice:如果信道安全，则剩余的为Key；如果信道不安全，则放弃；量子密码安全但不高效，也不抗干扰量子密码进展状况：逐步走向实用化目前关注的焦点是实际QKD系统的攻防演练。三、量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码Contents一、奇异的量子力学二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠三、简单的量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码2）量子隐形传态四、量子存储与量子网络InStarTrek（星际迷航）,transportpeopleorthingsfromoneplacetoanotherwithoutcrossingthespace,thatisteleportation.三、量子信息过程2）量子隐形传态Bennett,etal.PRL70,1895(1993)FourBellStates(EPRpair):()()()()011021011021110021110021−=Ψ+=Ψ−=Φ+=Φ−+−+三、量子信息过程2）量子隐形传态需要传输两比特经典信息，所以teleportation不能超光速。传输过程安全！Bouwmeester,etal.Nature390,575(1997)实验实现量子隐形传态三、量子信息过程2）量子隐形传态目前地面上已实现超过100公里量子隐形传态，利用量子卫星则超过1000公里J.Yin,etal.Nature488,185(2012)X.-S.Ma,etal.Nature489,269(2012)三、量子信息过程2）量子隐形传态量子卫星Contents一、奇异的量子力学二、EPR佯谬、Bell不等式、量子纠缠三、简单的量子信息过程1）不可克隆定理与量子密码2）量子隐形传态四、量子存储与量子网络量子纠缠网络量子节点：完成量子信息的产生、存储和操作等。各量子节点通过量子信道共享多光子纠缠！量子纠缠网络可以实现：安全的量子通信和高效的分布式量子计算等核心问题：节点的性能提升，不同节点间的光学连接。量子纠缠网络是经典网络的扩展与完善，其构成要素：量子节点、量子信道量子节点量子信道量子纠缠网络量子纠缠网络概念由Wolf奖获得者CZ等人首次提出量子纠缠网络量子纠缠网络概念逐步被广泛接受量子纠缠网络量子界面或连接（Quantuminterface）成为关键技术构建量子纠缠网络的任务分解量子纠缠网络1.构建单个节点：量子操作节点、存储节点2.连接多个节点：量子界面（QuantumInterface）3.构建长程网络：长程纠缠分发4.量子编码网络5.分布式量子计算网络*现有光纤可以传输量子信息量子纠缠网络1.构建单个节点：量子操作节点以及NV色心等系统原子系统离子系统光子系统超导系统量子纠缠网络1.构建单个节点：量子存储节点稀土掺杂晶体冷原子Z.Q.Zhou,W.B.Lin,M.Yang