量子通讯是如何进行的和量子计算机是怎么一回事
量子通讯是如何进行的和量子计算机是怎么一回事
量子通讯是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。
量子离物传态(又称量子隐形传态）是这种新型的通讯方式的原理演示。由于量子纠缠代表的关联依赖于对两个纠缠的粒子之一测量什么，直接通过量子纠缠不能传递物体的全部信息。但是，我们却可以设想这样的量子通讯过程：将某物体待传递量子态的信息分成经典和量子两个部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而提取的，量子信息是发送者在测量中未提取的大量信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原来量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是该物体的量子态，而不是该物体本身。发送者甚至可以对这个待传量子态一无所知，而接收者则能将他持有的粒子处于原物体的量子态上。
利用这种量子纠缠特性，Bennet和其他5位来自不同国家的科学家等在1993年提出了演示这种量子通讯的量子离物传态（Teleportation）方案：通过在经典信道中送2个比特的信息破坏空间某点的量子态，可以在空间不同点制备出一个相同的量子态. 要指出的是，通常的离物传态（Teleportation）描述了这样一种奇妙的、有点象科幻小说的场景：某人突然消失掉，而在远处莫明其妙地显现出来。 Bennet等人的量子离物传态方案具体描述如下：
设想Bob要将他持有的粒子B的未知量子态|u>=a|0>+b|1> 传给远方的持有粒子A 的Alice. 他可以操控他持有的粒子B和由BBO型量子纠缠源分发给来的粒子S。由于量子纠缠源产生了粒子A和粒子S的量子纠缠态|ERP>, Bob对粒子B和粒子S的联合测量结果（依赖于对A和S的4个Bell基的区分），会导致Alice持有的粒子A塌缩到一个与|u>相联系的状态|u’>=W|u> 上, 其中幺正变换W 完全由Bob对粒子A和粒子S的联合测量结果的2个比特经典信息决定，而与待传的未知量子态无关。 Bob将即己测到的结果，通过经典通道（打电话、发传真或 e-mail等）告诉Alice。远方的Alice 就知道粒子A已经塌缩到|u’>上.选取合适的么正变换W+ , Alice便可以将粒子A制备在|u>上了。
量子计算机
从原理上讲, 经典计算可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换(逻辑门操作)的物理过程。基于经典比特的非0即1的确定特征，经典算法是通过经典计算机(或经典图灵机)的内部逻辑电路加以实现的.而量子计算，则是基于量子比特的既 |0> 又 |1>相干叠加特征，对可由量子叠加态描述的输入信号,根据量子的算法要求，进行叫做“量子逻辑门操作”的幺正变换. 这是一个被人为控制的、以输入态为初态的量子物理演化过程。对末态— 输出态进行量子测量，给出量子计算的结果. 顾名思义，所谓的量子计算机(quantum computer) 就是实现这种量子计算过程的机器。
量子计算机的概念最早源于二十世纪六、七十年代对克服能耗问题的可逆计算机的研究.计算机芯片的发热，影响芯片的集成度，从而大大限制了计算机的运行速度. Landauer 关于“能耗产生于计算过程中的不可逆操作”的发现表明，虽然物理原理并没有限制能耗的下限，但必须将不可逆操作改造为可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。直观地说，当电路集成密度很大时，Δx很小时，Δp就会很大，电子不再被束缚，就会出现量子物理所描述的量子干涉效应，从而破坏传统计算机芯片的功能。对于现有的传统计算机技术，量子力学的限制似乎是一个不可逾越的障碍。只有量子力学中的幺正变换，才能真正地实现可逆操作。从理论观念的角度讲，量子计算的想法与美国著名物理学家R. Feynman “不可能用传统计算机全面模拟量子力学过程”的看法直接相关。在此基础上，1985年，英国牛津大学的D. Deutsch初步阐述了量子图灵机的概念，并且指出了量子图灵机可能比经典图灵机具有更强大的功能。1995年，Shor提出了大数因子化量子算法,并有其他人演示了量子计算在冷却离子系统中实现的可能性，量子计算机的研究才变成物理学家、计算机专家和数学家共同关心的交叉领域研究课题。
量子并行性是量子计算的关键所在。显而易见，描述有2个比特的量子计算机,需要4个系数数字；描述n个量子比特的量子计算机就需要2n个系数数字。例如，如果n等于50，那就需要大约1015个数来描述量子计算机的所有可能状态。虽然n增大时所有可能状态的数目将迅速变成一个很大的集合，但由于态叠加原理，量子计算机操作—幺正变换能够对处于叠加态的所有分量同时进行。这就是所谓的量子并行性。由于这一奇妙的内禀并行性，一台量子计算机仅仅靠一个处理器就能够很自然地同时进行非常多的运算。典型的量子计算有Shor的大数因子化和Grover的数据库量子搜索。
量子计算机技术概念
计算机技术发展的一个新方向—量子计算机
计算机技术把我们带入了一个崭新的“信息时代”，给我们的工作和生活带来了巨大变化。发明计算机的先辈们没有料到计算机能成为人们生活中不可或缺的工具；他们也难以想象计算机诞生以来发生的惊人变化。计算机芯片的集成度以大约每十八个月就提高一倍的速度指数增长（摩尔定律），计算机芯片的集成度在不久的将来就有望达到原子分子量级(~10-10 m)。但是量子力学告诉我们，在这样的微观领域内，量子效应会影响甚至完全破坏芯片功能。
量子力学是本世纪自然科学的最重要的成就之一。量子力学的观念同我们日常生活的经验有很大的不同。根据量子力学的原理，一个量子微观体系的状态是由一个波函数描写，而不再是由粒子的位置和动量描述。这个波函数决定了粒子出现在空间某一点或者具有某一动量的几率。对一个体系进行某一力学量的测量时，不再象经典粒子那样具有确定的值，而只能取某些特定的值。在经典力学中，对体系的测量不会改变体系的状态，至少在理论上可以构造理想测量实验，使得体系的状态在测量前后不发生变化。而在量子力学中，测量一般要改变体系的波函数，即体系的状态。经典体系的状态随时间的变化遵从牛顿定律，而量子体系的状态随时间的变化遵从Schroedinger方程。根据量子力学中的海森堡测不准原理，当位置定的很准时，粒子的动量就不会定准。D x.D p@ h/2p ，h是PLANCK常数，其数值为6.6260755(40)´ 10-34 J.s。将海森堡测不准原理应用于计算机的芯片问题中，当密度很大时，D x很小时，D p就会很大，电子就不再被束缚，就会有量子干涉效应。这种量子干涉效应会完全破坏芯片的功能。 是不是说量子力学就一定是计算机技术的大敌呢？对于现有计算机技术，量子力学的限制确实是一个障碍。但是应用量子力学的原理直接进行计算，不但可以越过量子力学的障碍，而且可以开辟新的方向。
量子计算机就是以量子力学原理直接进行计算的计算机。1982年美国的R. Feynman提出了把量子力学和计算机结合起来的可能性。1985年英国牛津大学的D. Deutsch进一步阐述了量子计算机的概念，并且证明了量子计算机比经典图灵计算机具有更强大的功能。Shor证明了量子计算机会对现有的社会和国民经济以及国防产生潜在的威胁。目前大量的网络保密是使用“RSA公开码”的密码技术。想要破译这种密码，就要对大数分解质因子。分解一个大数的质因子是极其困难的。按照现有的理论计算，分解一个400位数的质因子，用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。然而量子计算机概念的出世，严重动摇了RSA公共码的安全性。1994年，美国的P.W.Shor利用量子计算机理论证明，一个N位大数的质因子分解只需用N的多项式的时间而不是以前所认为的N的指数次的时间。利用量子计算机分解一个400位大数仅仅需要不到一年的时间！Shor的工作引起了科学家们巨大的热情和兴趣。1995年，美国Grover证明在搜索问题上量子计算机比经典计算机优越。从没有排序的含N个数据的数据库中搜索一个确定的数据，用经典计算机平均需用N/2次运算，利用量子平行计算方法，只需次运算。科学家还证明了BPPÍ BQPÍ ，即任何在经典计算机上多项式可解的问题在量子计算机上也必定只需多项式次操作就可以完成。也就是说量子计算机解决任何问题上都至少不比经典计算机差。
什么使得量子计算机会有如此优越的性质呢？量子计算机和经典计算机有什么区别呢？量子计算机也由存储器和逻辑门网络组成。但是量子计算机的存储内容和逻辑门与经典计算机却有所不同。对经典图灵计算机来说，信息或者数据由二进制数据位存储，每一个二进制数据位由0或1表示。在量子力学中，我们可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位。与经典计算机相区别，我们称之为量子位(qubit)。在经典计算机中，每一个数据位要么是0，要么是1，二者必取其一。与经典计算机数据位不同的是，量子位可以是0或者1，也可以同时是0和1。也就是说，在量子计算机中，数据位的存储内容可以是0和1的迭加态：。现代物理学发展表明，量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制。如果体系的波函数不能写成构成该体系的粒子的的波函数的乘积，则该体系的状态就出处在一个纠缠态，即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。如果两个粒子处在纠缠态上，不管它们离开有多么遥远，对其中一个粒子进行测量（作用），必然会同时影响到另外一个粒子。正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应，使得量子计算机可以实现量子平行算法，从而在许多问题上可以比经典计算机大大减少操作次数。从另一个角度讲，在经典计算机里，一个二进制位(bit)只能存储一个数据，n个二进制位只能存储n个一位二进制数或者1个n位二进制数，而在量子计算机里，一个量子位可以存储两个数据，n个量子位可以同时存储2n个数据，从而大大提高了存储能力。
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