量子计算机六课件.ppt

1、一、引一、引 言言二、量子信息的特性二、量子信息的特性三、量子密码三、量子密码四、量子通讯四、量子通讯五、量子计算机五、量子计算机六、结束语六、结束语量量 子子 通通 信信信息科学面临挑战信息科学面临挑战 信息科学在改善人类生活质信息科学在改善人类生活质量和推进社会文明发展中发挥着量和推进社会文明发展中发挥着无可比拟和令人惊叹的作用，但无可比拟和令人惊叹的作用，但在信息化的进程中人类也面临越在信息化的进程中人类也面临越来越严重的问题，如当今信息系来越严重的问题，如当今信息系统的处理能力已接近极限值的程统的处理能力已接近极限值的程度。度。 量子通信又称量子隐形传送，量子通信又称量子隐形传送，“t

2、eleportation”一一词是指一种无影无踪的传送过程。量子通信是由量子词是指一种无影无踪的传送过程。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用态携带信息的通信方式，它利用光子光子等基本粒子的等基本粒子的量量子纠缠子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信是一种全新原理实现保密通信过程。量子通信是一种全新通信通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。按照常理，信息的传播需要载体，而量子通信是按照常理，信息的传播需要载体，而量子通信是不需要载体的信息传递。从不需要载体

3、的信息传递。从物理学物理学角度，可以这样来角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如：原子），选取与构成原物完全相同的基本单元（如：原子），制造出原物完美的复制品。制造出原物完美的复制品。 密钥的安全性是核心问题。密钥的安全性是核心问题。 所谓所谓“绝对安全绝对安全”是指能经受物理定律所允许的攻击是指能经受物理定律所允许的攻击而不被破译。而不被破译。明文明文明文明文加密加密变换变换脱密脱密变换变换密钥密

4、钥K密钥密钥K密文密文密文密文公开信道公开信道KK1 公开密钥公开密钥RSARSA体系基于体系基于“大数因子分解大数因子分解”这类这类难以计算的数学问题，并不是严格意义上的绝对安全。难以计算的数学问题，并不是严格意义上的绝对安全。 一直在国际上广泛应用的两大密码算一直在国际上广泛应用的两大密码算法法MD5MD5、SHASHA1 1，近期宣布被王小云教授，近期宣布被王小云教授破解。破解。 20042004年年8 8月，王小云在国际密码大月，王小云在国际密码大会上首次宣布了对会上首次宣布了对MD5MD5、HAVALHAVAL128128、MD4MD4和和RIPEMDRIPEMD等四个著名密码算法的

5、破译等四个著名密码算法的破译结果。结果。v 20052005年年2 2月月7 7日，美国国家标准技术研究日，美国国家标准技术研究院发表申明，院发表申明，SHASHA1 1没有被攻破，并且没有没有被攻破，并且没有足够的理由怀疑它会很快被攻破，开发人员足够的理由怀疑它会很快被攻破，开发人员在在20102010年前应该转向更为安全的年前应该转向更为安全的SHASHA256256和和SHASHA512512算法。而仅仅在一周之后，王小云算法。而仅仅在一周之后，王小云就宣布了破译就宣布了破译SHASHA1 1的消息。的消息。v 诸如此类问题对现有信息技术提出严峻的诸如此类问题对现有信息技术提出严峻的挑战

6、。未来信息技术的持续发展要求开拓新挑战。未来信息技术的持续发展要求开拓新的原理和方法。的原理和方法。 量子力学是量子力学是2020世纪初才诞生的，世纪初才诞生的，是近代物理学两大支柱之一。是近代物理学两大支柱之一。经典力学：宏观物质的运动规律。经典力学：宏观物质的运动规律。量子力学：微观粒子的运动规律量子力学：微观粒子的运动规律自然界的运动规律。自然界的运动规律。量子粒子则可以同时处于各种可能的物量子粒子则可以同时处于各种可能的物 理状态上（叠加态）。理状态上（叠加态）。 量子特性应用到信息领域中可以发挥量子特性应用到信息领域中可以发挥出独特的功能，在提高运算速度、确保信出独特的功能，在提高运

7、算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面可以突破现息安全、增大信息容量等方面可以突破现有的经典信息系统的极限，于是诞生了一有的经典信息系统的极限，于是诞生了一门新兴的交叉学科：门新兴的交叉学科：它是量子物理与信息科学相结合的产物。它是量子物理与信息科学相结合的产物。量量子子密密码码量量子子通通讯讯量量子子计计算算 人们坚信，信息技术的发展人们坚信，信息技术的发展将从将从经典经典跨越到跨越到量子量子的时代。的时代。 近年来，量子信息在理论近年来，量子信息在理论和试验研究上取得重要突破，和试验研究上取得重要突破，引起各国引起各国政府、科学界、信息产业界政府、科学界、信息产业界的高度重视。的高度重视

8、。自然界有三要素：物质、能量和信息。自然界有三要素：物质、能量和信息。相应有三个学科：材料科学、能量科学和信息科学。相应有三个学科：材料科学、能量科学和信息科学。何谓何谓“信息信息”？信息就是我们在适应外部世界和控制外信息就是我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容和名称。容和名称。“信息就是信息，既不是物质，也不是能信息就是信息，既不是物质，也不是能量量”。为全人类带来更丰富的高科为全人类带来更丰富的高科技成果。技成果。 2020世纪人类把量子力学应用于物世纪人类把量子力学应用于物质科学和能源科学，导致了构成当代质科学和能源科学

9、，导致了构成当代文明社会的高科技成果，如核能、半文明社会的高科技成果，如核能、半导体、激光等。导体、激光等。 2121世纪人类将量子力学世纪人类将量子力学应用应用于信于信息科学，导致量子信息的诞生，这将息科学，导致量子信息的诞生，这将经典信息经典信息 二进制二进制0或或1组成的数字串，其信息组成的数字串，其信息单元称为单元称为“比特比特”，为，为0或者或者1。 用量子的语言可描述为态用量子的语言可描述为态 和和 。经典粒子只能处在经典粒子只能处在 或或 之中的一个态之中的一个态上。上。0101量子信息量子信息 微观粒子允许同时处在微观粒子允许同时处在 和和 两个两个态上，这是其波粒二象性的结果

10、。态上，这是其波粒二象性的结果。 01121201 , ,CCC C为任意复数。12221 CC（叠加态）（叠加态） 量子信息是经典信息的完善和扩充，正如复数量子信息是经典信息的完善和扩充，正如复数z=x+iyz=x+iy是实数是实数x x，y y的完善和扩充。的完善和扩充。量子信息的单元量子信息的单元 称为量子比特。称为量子比特。 量子比特（即量子态）的物理载体：光子，电子，原量子比特（即量子态）的物理载体：光子，电子，原子，核自旋，子，核自旋， 以量子态作为信息单元，以量子态作为信息单元，“信息信息”就量子就量子化。化。 以以“比特比特”作为信息单元的是经典信息，作为信息单元的是经典信息，

11、以以“量子比特量子比特”作为单元的是量子信息。作为单元的是量子信息。信息传输：信息传输：量子态在量子通道中传送量子态在量子通道中传送信息处理信息处理( (计算计算) )：量子态幺正演化量子态幺正演化信息提取：信息提取：量子测量量子测量 如，经典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的如，经典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的（量子不可克隆定理）。（量子不可克隆定理）。 两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠缠态（缠态（EPR粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关联，对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的

12、联，对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的状态。状态。 采用量子态采用量子态(量子比特量子比特)作为信息载体，经由量子作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥(经典随经典随机数机数)，这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。，这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。 其安全性由量子力学原理所保证：其安全性由量子力学原理所保证：窃听者若企图通过对量子态的测量来窃窃听者若企图通过对量子态的测量来窃取信息，则必然会干扰这个量子态本身，取信息，则必然会干扰这个量子态本身，从而会留下痕迹而被合法用户发现。从而会留下痕迹而被合法用户发现。窃听者若

13、企图通过复制传送密钥的量子窃听者若企图通过复制传送密钥的量子态来获得信息，此时量子不可克隆定理态来获得信息，此时量子不可克隆定理确保这种复制不可能成功。确保这种复制不可能成功。量子安全体系量子安全体系量子量子身份身份认证认证量子量子比特比特承诺承诺量子量子对策对策论论 量子密码通信量子密码通信是目前唯一被证明是目前唯一被证明绝对安全的保密通绝对安全的保密通信方法信方法, ,美国美国商业商业周刊周刊把它列在了把它列在了改变人们未来生活改变人们未来生活的十大发明的第三的十大发明的第三位。位。 四、量子通讯四、量子通讯 长期以来，这种隐形传物无长期以来，这种隐形传物无论用经典方法或量子方法都认为论用

14、经典方法或量子方法都认为是不可能的，只是是不可能的，只是“科学幻想科学幻想”或或“神话神话”而已。而已。地地球球木木星星 1993年美国年美国IBM的著名科学家的著名科学家Bennet等等四个国家的六位科学家联名在四个国家的六位科学家联名在PhysicalReview Letters上发表了一篇开创性论文：上发表了一篇开创性论文：“经由经典和经由经典和EPR通道传送未知量子态通道传送未知量子态”，提，提出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态(未未知量子比特知量子比特)传送给远处的另一个传送给远处的另一个粒子，使该粒子处在这个未知量子粒子，使该粒子处在这个未

15、知量子态上，而原先的粒子不被传送，这态上，而原先的粒子不被传送，这就是所谓就是所谓“量子隐形传态量子隐形传态”。EPR-sourceinitial stateBSMUClassical informationALICEBOBTeleported stateEntangled pair为实现传送某个物体的未知量子态，可将原为实现传送某个物体的未知量子态，可将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，物的信息分成经典信息和量子信息两部分，基本思想基本思想它们分别经由经典通道和量子通道传送给接受者。它们分别经由经典通道和量子通道传送给接受者。量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息量子信息是发送者在测

16、量中未提取的其余信息经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的部分信息经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的部分信息接受者在获得这两种信息之后，就可以接受者在获得这两种信息之后，就可以制造出原物量子态的精确复制品。制造出原物量子态的精确复制品。传输过程中传输过程中原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，而且，发送者对这个量子态始终一无所知；态，而且，发送者对这个量子态始终一无所知；接受者是将别的物质单元接受者是将别的物质单元(如粒子如粒子)制备成为与原物完全制备成为与原物完全相同的量子态，他对这个量子态也始终一无所知；相同的量子态，他

17、对这个量子态也始终一无所知；原物的量子态在测量时已被破坏掉原物的量子态在测量时已被破坏掉不违背不违背“量子量子不可克隆定理不可克隆定理”；未知量子态未知量子态(量子比特量子比特)的这种传送，需要经的这种传送，需要经典信道传送经典信息典信道传送经典信息(即发送者的测量结果即发送者的测量结果)，传送速度不可能超过光速传送速度不可能超过光速不违背相对论不违背相对论的原理。的原理。 19971997年，奥地利学者年，奥地利学者( (其第二作者为中国其第二作者为中国科技大学学生科技大学学生) )在在NatureNature上报道了第一个上报道了第一个实现光子偏振态隐形传送的试验。该论文轰实现光子偏振态隐

18、形传送的试验。该论文轰动了学术界和新闻界，后被动了学术界和新闻界，后被NatureNature评为评为2020世纪最有影响的世纪最有影响的2121篇经典论文之一；篇经典论文之一；19981998年，意大利学者在年，意大利学者在Physical Review Physical Review LettersLetters上发表了另一个光子隐形传态的论文上发表了另一个光子隐形传态的论文；19981998年底，美国学者分别在年底，美国学者分别在ScienceScience和和NatureNature上报道新的试验上报道新的试验。2 2、量子密集编码、量子密集编码 量子密集编码可以实现发送单个光子束传输

19、量子密集编码可以实现发送单个光子束传输两个比特的信息。两个比特的信息。量子密集编码原理图量子密集编码原理图特点：特点：(1) (1) 保密性高；保密性高；(2) (2) 增大信息传送速率，适用于紧急场合。增大信息传送速率，适用于紧急场合。ACBD量子存量子存储器储器存储量子信息，处存储量子信息，处理理(运算运算)量子信息。量子信息。量子存储器量子存储器量子通道量子通道传送量子信息。传送量子信息。用途：开拓新的通信原理和方法。用途：开拓新的通信原理和方法。例：例：(1)(1)网络量子密码网络量子密码;(2);(2)分布量子计算。分布量子计算。 2004 2004 年年6 6 月月3 3 日日,

20、,世界上第一个世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。主持这套网络剑桥城正式投入运行。主持这套网络建设的是美国建设的是美国BBN BBN 技术公司。这个量技术公司。这个量子密码通信网络已成功地实现了该公子密码通信网络已成功地实现了该公司与哈佛大学之间的连接司与哈佛大学之间的连接, ,且很快就且很快就延伸至波士顿大学。新的量子密码通延伸至波士顿大学。新的量子密码通信网络与现有因特网技术完全兼容信网络与现有因特网技术完全兼容, ,网络传输距离约为网络传输距离约为10 10 千米。千米。经典经典量子量子可存储可存储0 0或或1 1（一个数）（一

21、个数）可同时存储可同时存储0 0和和1 1（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经量量典典子子可存储可存储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) )经典：可存储一个数（经典：可存储一个数（2 2N N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2 2N N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2 2N N倍，且倍，且随随N N指数增长。指数增长。 例如，例如，N=250,N=250

22、,量子存储器可同时存储量子存储器可同时存储比宇宙中原子数目还要多的数据。比宇宙中原子数目还要多的数据。经典计算机经典计算机对对N个存储器运算一次，只变换一个数据。个存储器运算一次，只变换一个数据。 量子计算机量子计算机对对N个存储器运算一次，同时变换个存储器运算一次，同时变换2 2N N个数据。个数据。 可见：对可见：对N N个量子存储器实行一次操作，个量子存储器实行一次操作，其效果相当于对经典存储器进行其效果相当于对经典存储器进行2 2N N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，这个能力可以大采用合适的量子算法，这个能

23、力可以大大地提高计算机的运算速度。大地提高计算机的运算速度。 现在广泛使用的现在广泛使用的RSA公开密钥：加密密钥、加密变换、公开密钥：加密密钥、加密变换、解密变换均是公开的，但解密密钥是保密的。解密变换均是公开的，但解密密钥是保密的。1994年，量子信息领域的里程碑工作，年，量子信息领域的里程碑工作，获获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分解是个难解的数学问题(NP问题问题)。其安全性依赖于其安全性依赖于“单向单向”函数函数127229？ 很容易计算很

24、容易计算？29083 很难计算很难计算 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 指数增长，用经典计算是难以计算的。指数增长，用经典计算是难以计算的。例例若若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) ) Shor算法证明，采用量子计算算法证明，采用量子计算机并行计算，分解机并行计算，分解N N的时间随的时间随logN 的多项式增长的多项式增长(即可解问题即可解问题)。 一旦量子计算机研制成功，现一旦量子计算机研制成功，现有的有的RSARSA密钥将无密可保。密钥将无密可保。 目前在实验上，一个推广

25、了的目前在实验上，一个推广了的ShorShor算法已经在核磁共振中得到实现。算法已经在核磁共振中得到实现。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，从按姓序排列的例如，从按姓序排列的106个电话号码中找出某个特定个电话号码中找出某个特定的号码。的号码。经典计算机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，找到的几率为为。次，找到的几率为为。N2121量子计算机量子计算机采用并行处理，只需采用并行处理，只需 次，次，找到的几率接近找到的几率接近100(Grover算法算法)。N寻找最

26、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可能的可能的密钥中寻找一个正确的密钥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，而量子计算机采用年，而量子计算机采用Grove算法，则低于算法，则低于4分钟。分钟。 GroveGrove算法：算法：“可以在稻可以在稻草堆里发现一根针！草堆里发现一根针！” 目前，目前，GroveGrove算法已经

27、在核磁共算法已经在核磁共振和光学系统中实现。振和光学系统中实现。诺贝尔奖获得者费曼曾提出诺贝尔奖获得者费曼曾提出这样的问题：这样的问题：经典计算机能否精确地模拟量子体系的演化？经典计算机能否精确地模拟量子体系的演化？回答是：回答是：NO! 量子计算机可以精确地模拟这种演化，提供量子计算机可以精确地模拟这种演化，提供了研究许多重要量子体系的有效工具，成为科学了研究许多重要量子体系的有效工具，成为科学研究的重要方法。研究的重要方法。 用途：用途：高温高密度等离子体高温高密度等离子体高温超导高温超导晶体固态理论晶体固态理论格点规范理论格点规范理论 在核磁共振中，量子模拟的初步实验在核磁共振中，量子模

28、拟的初步实验业已展开。目前已经模拟了量子谐振子和业已展开。目前已经模拟了量子谐振子和反谐振子的动力学行为以及三体碰撞哈密反谐振子的动力学行为以及三体碰撞哈密顿量的演化。顿量的演化。量子编码量子编码消相干消相干(decoherence)是量子计算机实际应用的主是量子计算机实际应用的主要障碍，因为环境会不可避免地破坏量子相干性，要障碍，因为环境会不可避免地破坏量子相干性，使量子计算机演变成经典计算机。使量子计算机演变成经典计算机。 量子编码是克服消相干的主要途径。量子编码是克服消相干的主要途径。量子编码原理量子编码原理量子纠错码量子纠错码量子避错码量子避错码量子防错码量子防错码目前在腔目前在腔QE

29、D、离子阱、核磁共振、超导系统已演、离子阱、核磁共振、超导系统已演量子计算机实现的关键在于寻找适合制备量子网络量子计算机实现的关键在于寻找适合制备量子网络的物理体系。的物理体系。示简单的量子网络。示简单的量子网络。 量子计算机的实现原则上量子计算机的实现原则上已不存在不可逾越的障碍，但已不存在不可逾越的障碍，但技术上的实现却遇到严重的困技术上的实现却遇到严重的困难。如何研制多个量子比特的难。如何研制多个量子比特的量子逻辑网络成为当今国际学量子逻辑网络成为当今国际学术界关注的焦点。术界关注的焦点。六六.结结束束语语 量子信息作为新兴交叉的学科而诞生，无疑是量量子信息作为新兴交叉的学科而诞生，无疑

30、是量子力学的又一个辉煌成果，反过来也丰富了量子力学子力学的又一个辉煌成果，反过来也丰富了量子力学的研究内容，有力地推动量子论的发展。的研究内容，有力地推动量子论的发展。 信息时代的发展促使人类把微观世界的信息时代的发展促使人类把微观世界的量子理论运用到信息技术这一高科技领域，量子理论运用到信息技术这一高科技领域，由于其速度快、功耗低、存储能力大、计算由于其速度快、功耗低、存储能力大、计算能力强、保密性好以及其他奇特的性能，量能力强、保密性好以及其他奇特的性能，量子信息很有可能成为信息时代新的主宰，已子信息很有可能成为信息时代新的主宰，已经引起了各国政府、军事部门、金融银行业经引起了各国政府、军

31、事部门、金融银行业以及企业的广泛重视。中科院先后支持两项以及企业的广泛重视。中科院先后支持两项知识创新工程方向性项目知识创新工程方向性项目:“:“量子物理与信量子物理与信息息”和和“量子通信技术的研究量子通信技术的研究”，科技部也，科技部也把把“量子通信与量子信息技术量子通信与量子信息技术”划入划入“973”973”项目。项目。 目前，国内正在从事量子信息研究的单目前，国内正在从事量子信息研究的单位主要有：中国科学技术大学、中科院武汉位主要有：中国科学技术大学、中科院武汉物理与数学所、半导体所、理论物理所、物物理与数学所、半导体所、理论物理所、物理所、华中师大、华南师大、清华大学、山理所、华中师大、华南师大、清华大学、山西大学、国防科技大学、福建师大等。西大学、国防科技大学、福建师大等。