量子信息简要介绍


众所周知,量子力学是到目前为止描述自然运行规律最为成功的理论之一。 20 世纪初发展出来的量子力学包含了很多与人们日常经验直觉违背的现象,其中最让人惊奇的就是 1935 年爱因斯坦、Podolsky 和 Rosen 提出的 EPR 佯谬,这一佯谬凸显出了量子力学的非定域性。经过多年的争议,在 1964 年 Bell 建议用实验来验证这个佯谬后十多年,Aspect 用纠缠光子对完成了对 Bell 不等式的实验验证,支持量子非定域性。
正是受到这些理论与实验的启发,从 1980 年代开始,人们开始研究基于量子物理规律运行的量子信息科学。量子信息科学是信息科学与量子物理学的交叉学科,它是利用量子物理特有的量子相干特性,以及量子纠缠等特有的量子关联特性,以崭新的方式实现信息的处理、存储和传输。比方说,量子 Shor 算法用于解决质因数分解问题的速度比起任何已知的经典算法的速度都有指数级的提高,揭示出了量子力学强大的计算能力。量子保密通讯方案能够在相距遥远的两个节点之间实现对任何攻击的无条件的安全通讯,揭示出了量子力学对于保密通讯的重大应用前景。
由于量子信息科学所具有的广泛的应用前景,它吸引了许多学科的研究人员参与研究。在过去的近二十年中,已经取得了很多重大的进展:比如 1995 年实现了首个基于离子阱的量子逻辑门;1997 年人们首次实现了基于光子的量子隐形传态;2001年段路明等人提出了实验可行的、容错的量子中继器方案。2005 年以后,随着量子诱骗态编码的出现,大大提高了量子保密通讯的安全距离和成码率,量子保密通讯已经渐渐走向实用化。
随着研究的深入,同时也凸显了量子信息科学在实际应用中的困难。2000 年,DiVincenzo 提出,如果要在物理上实现大规模量子计算和量子通讯,需要同时满足以下七个条件:
1 一个能表征量子比特并可扩展的物理系统,一般来说,任何二能级体系都符合这个条件;
2 能够把量子比特初始化为一个标准态,这相当于要求量子计算的输入态应当是已知的;
3 退相干相对于量子门操作时间要足够长,这保证在系统退相干之前能够完成整个量子计算;
4 构造一系列普适的量子门完成量子计算;
5 具备对量子计算的末态进行测量的能力;
6 在静止量子比特和飞行量子比特之间实现量子信息的转换;
7 具有在节点间实现量子比特传输的能力。
其中判据 1 到 5 都是单个量子信息处理节点所必须的,第 6 和第 7 条是实现量子通讯以及量子网络所必须的。这其中最大的困难在于寻找合适的物理系统来抵御退相干效应,同时这个系统还应该很容易扩展。一直以来孤立原子都是人们用来实现量子信息处理最感兴趣的物理系统。比如单个原子可以与光频和微波段的腔耦合,囚禁离子系统也被用来操控单个以及多个原子离子,实现简单的量子信息处理操作。相关的实验成果已经获得了 2012 年诺贝尔物理学奖。但是利用真空中的单原子系统实现量子信息处理需要非常复杂的操控系统来实现对单个原子的操控,这极大的限制了其实际应用。

Advertisements

One Comment

  1. “这其中最大的困难在于寻找合适的物理系统来抵御退相干效应,同时这个系统还应该很容易扩展。一直以来孤立原子都是人们用来实现量子信息处理最感兴趣的物理系统。比如单个原子可以与光频和微波段的腔耦合,囚禁离子系统也被用来操控单个以及多个原子离子,实现简单的量子信息处理操作。相关的实验成果已经获得了 2012 年诺贝尔物理学奖。但是利用真空中的单原子系统实现量子信息处理需要非常复杂的操控系统来实现对单个原子的操控,这极大的限制了其实际应用”

    1. 寻找合适的物理系统来抵御退相干效应=退相干相对于量子门操作时间要足够长,这保证在系统退相干之前能够完成整个量子计算

    2. 同时这个系统还应该很容易扩展=be able to handle environment/heatbath as both 噪聲源 and 信息源

    3. 单原子系统 and its wave function are often “ideal model”, in terms of 实验, we mostly see 原子 coupled together, even long before 量子计算 game comes out;

    obviously, DNA is mutilple 原子系统 with strong non-linear coupling/interaction among 原子 of zillions. we don’t even have a wave function for a 原子系统 if number of atoms> few hundreds?

    回复

发表评论

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / 更改 )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / 更改 )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / 更改 )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / 更改 )

Connecting to %s