量子通信演講課件

2022/12/21量子通信2022/12/19量子通信2022/12/21一張傳說(shuō)中集中了地球上三分之一智慧的照片2022/12/19一張傳說(shuō)中集中了地球上三分之一智慧的照片2022/12/21幾乎可以肯定，世界上沒(méi)有第二張照片，能像這張一樣，在一幅畫(huà)面內(nèi)集中了如此之多的、水平如此之高的人類(lèi)精英~~這是1927年在布魯塞爾舉行的第五屆索爾維會(huì)議上的照片。在這次會(huì)議上，愛(ài)因斯坦和玻爾這兩個(gè)當(dāng)時(shí)世界上最頂尖的物理學(xué)家，進(jìn)行了科學(xué)史上著名的學(xué)術(shù)辯論。在這次辯論中，玻爾所代表的新生量子論學(xué)派獲得了更廣泛的支持，而維護(hù)經(jīng)典理論的愛(ài)因斯坦則被認(rèn)為不合時(shí)宜，站到了對(duì)立面。2022/12/19幾乎可以肯定，世界上沒(méi)有第二張照片，能像2022/12/21玻爾和愛(ài)因斯坦的爭(zhēng)論經(jīng)典理論：條件定，結(jié)果唯一量子理論：條件定，結(jié)果不唯一愛(ài)因斯坦：上帝不擲骰子！愛(ài)因斯坦在紀(jì)念牛頓逝世200周年時(shí)說(shuō)過(guò)：“牛頓理論的精髓可能會(huì)給我們提供力量，去恢復(fù)物理現(xiàn)實(shí)與牛頓教誨中最深?yuàn)W的特點(diǎn)——嚴(yán)格的因果律——之間的和諧。”（不滿(mǎn)非決定論基礎(chǔ)）最后一位經(jīng)典物理學(xué)家后來(lái)，霍金針對(duì)愛(ài)因斯坦“上帝不擲骰子”的名言說(shuō)：“上帝不只是擲骰子，還把骰子擲到我們看不到的地方!”

2022/12/19玻爾和愛(ài)因斯坦的爭(zhēng)論2022/12/21令“科學(xué)如此性感”的量子力學(xué)量子力學(xué)是20世紀(jì)初才誕生的，是近代物理學(xué)兩大支柱之一。經(jīng)典力學(xué)：宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律量子力學(xué)：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律——自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。量子力學(xué)的基本規(guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而經(jīng)典物理的基本規(guī)律是決定論、嚴(yán)格的因果律。玻爾的名言：“誰(shuí)要是第一次聽(tīng)到量子理論時(shí)沒(méi)有感到困惑，那他一定沒(méi)聽(tīng)懂。”

2022/12/19令“科學(xué)如此性感”的量子力學(xué)量子力學(xué)是22022/12/21特性：每時(shí)刻的位置、速度完全確定，有確定的運(yùn)行軌跡，遵從牛頓力學(xué)。經(jīng)典粒子2022/12/19特性：每時(shí)刻的位置、速度完全確定，有確定2022/12/21微觀粒子特點(diǎn)：同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性。(不確定)設(shè)想空間中有一個(gè)微觀粒子，任何時(shí)刻有可能在空間中任何點(diǎn)探測(cè)到粒子（類(lèi)似經(jīng)典波的特性），但一旦探測(cè)到只能在其中一個(gè)探測(cè)器處發(fā)現(xiàn)該粒子（類(lèi)似經(jīng)典粒子的特性）。CABA,B,C,…為探測(cè)器2022/12/19微觀粒子特點(diǎn)：同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性。(2022/12/21經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處于確定的物理狀態(tài)上，經(jīng)典比特：0、1；量子粒子則可以同時(shí)處于各種可能的物理狀態(tài)上（疊加態(tài)）（dirac）|0＞，|1＞。因此由于，量子粒子擁有不確定性，在量子力學(xué)中微觀粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述。2022/12/19經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處于確定的物理狀態(tài)2022/12/21

薛定諤貓—宏觀量子疊加態(tài)（解決愛(ài)因斯坦祖母悖論）薛定諤于1935年設(shè)計(jì)了“殺貓實(shí)驗(yàn)”。這個(gè)貓十分可憐，她（假設(shè)這是一只雌性的貓，以引起更多憐憫）被封在一個(gè)密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開(kāi)關(guān)控制，電子開(kāi)關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，雌貓必死無(wú)疑。這個(gè)殘忍的裝置由薛定諤所設(shè)計(jì)，所以雌貓便叫做薛定諤貓。薛定諤的貓是死是活？體系的總體波函數(shù)代表貓既活又死的混合狀態(tài)。這以常識(shí)而論是荒謬的，貓似當(dāng)非死即活。2022/12/19薛定諤貓—宏觀2022/12/21對(duì)于這只貓的多世界解釋這只貓即是死的又是活的。只是分別在不同的世界中，在觀測(cè)者打開(kāi)盒子的那一剎那，整個(gè)世界分裂成兩個(gè)，在一個(gè)世界里觀測(cè)者看到的那只貓活了下來(lái)，在另一個(gè)世界里，觀測(cè)者看到的那只貓不幸死去。除此之外的世界完全一樣。解釋?zhuān)簺](méi)有測(cè)量之前，一個(gè)粒子的狀態(tài)模糊不清，處于各種可能性的混合疊加狀態(tài)。電影《SourceCode》2022/12/19對(duì)于這只貓的多世界解釋這只貓即是死的又是2022/12/21量子力學(xué)對(duì)我們生活的啟示在最宏大的視野里，宇宙中運(yùn)行著的星球的角落里所發(fā)生的細(xì)微的量子過(guò)程，將宇宙一次次的分裂。因而，地球連同我們被一次次的復(fù)制，數(shù)目巨大到難以想象的宇宙的不同版本在同時(shí)上演。在我們每一次的選擇中，宇宙被分裂成幾個(gè)世界，因而你的不同版本的生命形態(tài)在同時(shí)上演，可見(jiàn)我們每個(gè)人的生命都是豐富多彩的~~可見(jiàn)，現(xiàn)在我們?cè)谧拿總€(gè)人能坐在這里并結(jié)下深厚的友誼是經(jīng)過(guò)多少次的宇宙分裂得來(lái)的，所以大家要珍惜現(xiàn)在生活，感恩生命的偉大！2022/12/19量子力學(xué)對(duì)我們生活的啟示在最宏大的視野里2022/12/21由量子力學(xué)到量子信息

量子特性應(yīng)用到信息領(lǐng)域中可以發(fā)揮出獨(dú)特的功能，在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面可以突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，于是誕生了一門(mén)新興的交叉學(xué)科：2022/12/19由量子力學(xué)到量子信息2022/12/21量子信息科學(xué)

——它是量子物理與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。量子通信量子密碼2022/12/19量子信息科學(xué) ——它是量子物理與信息科學(xué)2022/12/21什么是量子通信？我們可以通過(guò)類(lèi)比來(lái)了解它的意義：電子通信：通過(guò)電信號(hào)的參數(shù)傳送信息量子通信：由量子態(tài)攜帶信息量子通信系統(tǒng)的基本部件量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測(cè)量裝置。2022/12/19什么是量子通信？我們可以通過(guò)類(lèi)比來(lái)了解它2022/12/21量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別經(jīng)典信息

二進(jìn)制0或1組成的數(shù)字串，其信息單元稱(chēng)為“比特”，為0或者1。

用量子的語(yǔ)言可描述為態(tài)和。經(jīng)典粒子只能處在或之中的一個(gè)態(tài)上。量子信息

微觀粒子允許同時(shí)處在和兩個(gè)態(tài)上，這是其波粒二象性的結(jié)果。

注：ψpsipsai普西2022/12/19量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別經(jīng)典信息2022/12/21

信息一旦量子化,量子力學(xué)的特性便成為量子信息的物理基礎(chǔ),這主要有量子糾纏、量子不可克隆、量子疊加性和相干性。因?yàn)榱孔恿W(xué)的線性特性禁止對(duì)任意量子態(tài)實(shí)行精確的復(fù)制,量子不可克隆定理和Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理構(gòu)成了量子密碼學(xué)的物理基礎(chǔ)。一點(diǎn)說(shuō)明2022/12/19信息一旦量子化,量子力學(xué)的特性便2022/12/21量子不可克隆定理

Wootters和Zurek曾于1982年在《自然》雜志上撰文提出了如下問(wèn)題:是否存在一種物理過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)未知量子態(tài)的精確復(fù)制,使得每個(gè)復(fù)制態(tài)與初始量子態(tài)完全相同呢？Wootters和Zurek證明,量子力學(xué)的線性特性禁止這樣的復(fù)制,這就是量子不可復(fù)制定理的最初表述。2022/12/19量子不可克隆定理Wootters2022/12/21Heisenberg的測(cè)不準(zhǔn)原理

由測(cè)不準(zhǔn)原理可知,對(duì)任何一個(gè)物理量的測(cè)量都不可避免地對(duì)另一物理量產(chǎn)生干擾。這就使得通信雙方能夠檢測(cè)到信息是否被竊聽(tīng),這一性質(zhì)使通信雙方無(wú)須事先交換密鑰即可進(jìn)行絕密通信。量子加密學(xué)為人們提供了一種無(wú)條件安全的希望，并且不象一次一密的密鑰,任何竊聽(tīng)量子密鑰交換和拷貝密鑰的人不可能不被檢測(cè)到。2022/12/19Heisenberg的測(cè)不準(zhǔn)原理2022/12/21信息傳輸：量子態(tài)在量子通道中傳送信息處理(計(jì)算)：量子態(tài)幺正演化信息提?。毫孔訙y(cè)量

如，經(jīng)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）。

兩經(jīng)典粒子分離后就不關(guān)聯(lián)，而兩量子粒子處于糾纏態(tài)（EPR粒子）時(shí)不論空間分離多開(kāi)仍然存在量子關(guān)聯(lián)，對(duì)其中一個(gè)粒子施行作用必然會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。理解：微觀世界的物質(zhì)具有波粒二象性，于時(shí)刻t在全空間找到粒子的總幾率等于1幺正性：微觀粒子散射過(guò)程和反應(yīng)過(guò)程中幾率守恒的一種數(shù)學(xué)表述。（即全空間中找到粒子的幾率為1）量子通信2022/12/19信息傳輸：量子態(tài)在量子通道中傳送信息處理2022/12/21糾纏現(xiàn)在有兩個(gè)光子，A光子可以有兩種狀態(tài)，一個(gè)極化方向向上，一個(gè)極化方向向下。同樣B光子也有向上和向下的極化方向。在數(shù)學(xué)上，A的向上乘上B的向下，減掉A的向下，乘上B的向上，除以根號(hào)2。這個(gè)狀態(tài)一般叫做兩個(gè)光子糾纏不清的狀態(tài)。糾纏態(tài)2022/12/19糾纏現(xiàn)在有兩個(gè)光子，A光子可以有兩種狀態(tài)2022/12/21假如我知道A光子的偏振方向是向上的，所以A光子向下的狀態(tài)一定是等于0的，則B光子的偏振方向一定是向下的。反過(guò)來(lái)也是一樣。而這種糾纏關(guān)系，A光子跟B光子可以離的很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。舉一個(gè)例子，把A光子放在地球上，B光子放在人造衛(wèi)星上，A光子極化是向上的，不用跑到人造衛(wèi)星上，一定知道B光子是向下的。2022/12/19假如我知道A光子的偏振方向是向上的，所以2022/12/21“隱形傳送”定義所謂隱形傳送指的是脫離實(shí)物的一種“完全”的信息傳送。從物理學(xué)角度，人們可以這樣地想象量子隱形傳送的過(guò)程：先提取原物的所有信息（量子態(tài)），然后將這個(gè)信息（量子態(tài)）傳送到接收地點(diǎn)，接收者依據(jù)這些信息（量子態(tài)），選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元（如原子），制造出原物完美的復(fù)制品。2022/12/19“隱形傳送”定義所謂隱形傳送指的是脫離實(shí)2022/12/21“隱形傳送”原理其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息。接收者在獲得這兩種信息之后，就可制造出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。這個(gè)過(guò)程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對(duì)這個(gè)量子態(tài)一無(wú)所知，而接收者是將別的粒子（甚至可以是與原物不相同的粒子）處于原物的量子態(tài)上。2022/12/19“隱形傳送”原理其基本思想是：將原物的信2022/12/21CantheHotTubTimeMachinework？

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TheBigBangTheory’sseason12022/12/19CantheHotTubTime2022/12/21量子傳輸

（QuantumTeleportation）1993年美國(guó)IBM的著名科學(xué)家Bennet等四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家聯(lián)名在《PhysicalReviewLetters》上發(fā)表了一篇開(kāi)創(chuàng)性論文：“經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知量子態(tài)”，提出了“量子態(tài)隱形傳輸”的方案,即位將原粒子物理特性的信息發(fā)向遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子，該粒子在接收到這些信息后，會(huì)成為原粒子的復(fù)制品。而在此過(guò)程中，傳輸?shù)氖窃Ｗ拥牧孔討B(tài)，而不是原粒子本身。傳輸結(jié)束后，原粒子已經(jīng)不具備原來(lái)的量子態(tài)，而有了新的量子態(tài)。2022/12/19量子傳輸（QuantumTelepo2022/12/21量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)就是指將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)在乙地的另一粒子上構(gòu)建出來(lái).由于量子力學(xué)的不確定性原理,我們不能精確地將原量子態(tài)的所有信息全部提取出來(lái),只能將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分,它們分別由經(jīng)典通道和量子通道傳送到乙地,根據(jù)這些信息,在乙地就能夠利用相應(yīng)的幺正變換構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌.2022/12/19量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)就是指將甲地的某2022/12/21TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1AliceAlice擁有一個(gè)粒子1處于未知態(tài)，其可以表示為粒子2和粒子3構(gòu)成EPR對(duì),Alice擁有粒子2,Bob擁有粒子3.2022/12/19Teleportationpublic2022/12/21TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1Alice粒子2和粒子3構(gòu)成EPR對(duì),Alice擁有粒子2,Bob擁有粒子3.這個(gè)EPR對(duì)與粒子1構(gòu)成的量子體系的復(fù)合波函數(shù)可以表示成兩個(gè)態(tài)的直積形式(和是粒子1和粒子2所在的四維希爾伯特空間中的Bell基)2022/12/19Teleportationpublic2022/12/21TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1AliceAlice對(duì)粒子1和粒子2施行一個(gè)Bell基測(cè)量,粒子3的態(tài)將會(huì)坍塌為下面4個(gè)態(tài)中的其中一個(gè),而且分別與Alice測(cè)量結(jié)果相對(duì)應(yīng).

此時(shí),粒子1的相關(guān)信息存儲(chǔ)到粒子3上了.2022/12/19Teleportationpublic2022/12/21InformationEncodingandDecoding..................0110........................RRRxRx0110...............AliceBobEPR1:EPR2:Information:為了使量子隱形傳態(tài)成功完成,Alice通過(guò)經(jīng)典通道把測(cè)量結(jié)果告訴給Bob.最后Bob根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)粒子3做適當(dāng)?shù)溺壅儞Q，此時(shí)Alice擁有的粒子1所處的未知態(tài)在Bob擁有的粒子3上完美的重現(xiàn)出來(lái)了,即量子隱形傳態(tài)圓滿(mǎn)成功了.將得到最終的態(tài)2022/12/19InformationEncoding2022/12/21回顧一下粒子1：粒子2，3：EPR對(duì)與粒子1構(gòu)成的量子體系的復(fù)合波函數(shù)：一個(gè)Bell基測(cè)量后：粒子3做適當(dāng)?shù)溺壅儞Q：2022/12/19回顧一下粒子1：一個(gè)Bell基測(cè)量后：粒2022/12/21幾點(diǎn)說(shuō)明(1)從粒子1到粒子3量子信息的傳遞可以發(fā)生在任意的時(shí)空之間,因?yàn)榱孔蛹m纏具有非局域性.(2)聯(lián)合測(cè)量后接收方的粒子的量子態(tài)仍然處于混合態(tài),也就是說(shuō),聯(lián)合測(cè)量本身對(duì)Bob來(lái)說(shuō),并不給出任何關(guān)于原粒子態(tài)的信息.原粒子態(tài)的重建應(yīng)該歸功于EPR態(tài)的糾纏非局域關(guān)聯(lián),經(jīng)典通訊和局域的幺正變換.(3)量子隱形傳態(tài)不存在超光速通訊問(wèn)題.因?yàn)闆](méi)有通過(guò)經(jīng)典通道傳送的經(jīng)典信息,隱形傳態(tài)將不可能成功.而經(jīng)典通道的通訊速度必然要受到相對(duì)性原理的限制,即傳送速度不可能超過(guò)光速.2022/12/19幾點(diǎn)說(shuō)明(1)從粒子1到粒子3量子信息的2022/12/21(4)量子隱形傳態(tài)不違背符合量子力學(xué)的不可克隆定理.因?yàn)锳lice進(jìn)行Bell基測(cè)量后,|φ〉1已被破壞掉了,一次量子隱形傳態(tài)只能夠使原粒子的量子態(tài)在另外的一個(gè)粒子上重新構(gòu)建出來(lái).(5)發(fā)送者和接收者在整個(gè)傳輸過(guò)程中都不需要知道他們所傳輸?shù)幕蛘呓邮盏牧孔討B(tài)的任何信息,因而量子隱形傳態(tài)提供了操控量子態(tài)而不破壞量子態(tài)的可能性.2022/12/19(4)量子隱形傳態(tài)不違背符合量子力學(xué)的不2022/12/21

小結(jié)量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識(shí)與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過(guò)量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。2022/12/19小結(jié)量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ?022/12/21現(xiàn)有的密碼體系是絕對(duì)安全的嗎？

密鑰的安全性是核心問(wèn)題。所謂“絕對(duì)安全”是指能經(jīng)受物理定律所允許的攻擊而不被破譯。明文明文加密變換解密變換密鑰K密鑰K密文密文公開(kāi)信道KK－1量子密碼2022/12/19現(xiàn)有的密碼體系是絕對(duì)安全的嗎？2022/12/21

量子密碼通信是目前唯一被證明絕對(duì)安全的保密通信方法,美國(guó)《商業(yè)周刊》把它列在了改變?nèi)藗兾磥?lái)生活的十大發(fā)明的第三位。2022/12/19量子密碼通信是目前唯一被證明絕對(duì)2022/12/21量子密碼在普朗克提出的量子理論中，量子的不可復(fù)制性是一項(xiàng)基本定律。如果一枚旋轉(zhuǎn)著的硬幣是量子世界中一個(gè)物體，一旦你要復(fù)制它，勢(shì)必要對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，這種外來(lái)的行為就會(huì)改變它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。也就是說(shuō)，任意量子的狀態(tài)，在受到復(fù)制或測(cè)量時(shí)，都會(huì)發(fā)生變化。換個(gè)角度說(shuō)，量子一旦被測(cè)量過(guò)，就不再是原來(lái)的那個(gè)量子了。所以，利用量子的這一特性制作的密碼，從理論上講是一種最為安全的密碼。

2022/12/19量子密碼在普朗克提出的量子理論中，量子的2022/12/21量子密碼學(xué)

采用量子態(tài)(量子比特)作為信息載體，經(jīng)由量子通道傳送，在合法用戶(hù)之間建立共享的密鑰(經(jīng)典隨機(jī)數(shù))，這個(gè)密鑰是安全的，任何竊聽(tīng)都會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

其安全性由量子力學(xué)原理所保證：竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)對(duì)量子態(tài)的測(cè)量來(lái)竊取信息，則必然會(huì)干擾這個(gè)量子態(tài)本身，從而會(huì)留下痕跡而被合法用戶(hù)發(fā)現(xiàn)。竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)復(fù)制傳送密鑰的量子態(tài)來(lái)獲得信息，此時(shí)量子不可克隆定理確保這種復(fù)制不可能成功。2022/12/19量子密碼學(xué)采用量子態(tài)(量量子密鑰分配與經(jīng)典密鑰分配最本質(zhì)的區(qū)別在于前者是運(yùn)用量子態(tài)來(lái)表征隨機(jī)數(shù)0,1(經(jīng)典比特),而現(xiàn)有密鑰分配是運(yùn)用物理量來(lái)表征比特0,1的,如有無(wú)電荷等.若采用光脈沖來(lái)傳送比特,在經(jīng)典信息中,光脈沖有光子代表1,無(wú)光子代表0,但在量子信息中則是采用單個(gè)光子的量子態(tài),如偏振態(tài)來(lái)表征比特的,如圓偏光代表1,線偏光代表0,亦即每個(gè)光脈沖最多只能有一個(gè)光子,這個(gè)光子所處的不同量子態(tài)表明它攜帶不同比特信息.區(qū)別量子密鑰分配與經(jīng)典密鑰分配最本質(zhì)的區(qū)別在2022/12/21

結(jié)語(yǔ)量子通信與量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)綜合學(xué)科，它已大大超出了電子學(xué)與經(jīng)典信息論的范疇，需要物理學(xué)、量子力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的研究合作，才能推動(dòng)它的不斷成熟。量子通信、量子計(jì)算機(jī)必然走向成熟，到那時(shí)，電子信息技術(shù)又將進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代量子信息的實(shí)現(xiàn)已不存在不可逾越的障礙，但在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)卻面臨嚴(yán)重困難，原因是人類(lèi)迄今尚未掌握制備、保持和操控宏觀尺度的量子客體的有效辦法，這顯然是對(duì)人類(lèi)智慧和能力的又一次挑戰(zhàn)，正是這種挑戰(zhàn)刺激著科學(xué)家巨大的研究熱情。2022/12/19結(jié)語(yǔ)量子通信與量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)綜合學(xué)謝謝謝謝2022/12/21量子通信2022/12/19量子通信2022/12/21一張傳說(shuō)中集中了地球上三分之一智慧的照片2022/12/19一張傳說(shuō)中集中了地球上三分之一智慧的照片2022/12/21幾乎可以肯定，世界上沒(méi)有第二張照片，能像這張一樣，在一幅畫(huà)面內(nèi)集中了如此之多的、水平如此之高的人類(lèi)精英~~這是1927年在布魯塞爾舉行的第五屆索爾維會(huì)議上的照片。在這次會(huì)議上，愛(ài)因斯坦和玻爾這兩個(gè)當(dāng)時(shí)世界上最頂尖的物理學(xué)家，進(jìn)行了科學(xué)史上著名的學(xué)術(shù)辯論。在這次辯論中，玻爾所代表的新生量子論學(xué)派獲得了更廣泛的支持，而維護(hù)經(jīng)典理論的愛(ài)因斯坦則被認(rèn)為不合時(shí)宜，站到了對(duì)立面。2022/12/19幾乎可以肯定，世界上沒(méi)有第二張照片，能像2022/12/21玻爾和愛(ài)因斯坦的爭(zhēng)論經(jīng)典理論：條件定，結(jié)果唯一量子理論：條件定，結(jié)果不唯一愛(ài)因斯坦：上帝不擲骰子！愛(ài)因斯坦在紀(jì)念牛頓逝世200周年時(shí)說(shuō)過(guò)：“牛頓理論的精髓可能會(huì)給我們提供力量，去恢復(fù)物理現(xiàn)實(shí)與牛頓教誨中最深?yuàn)W的特點(diǎn)——嚴(yán)格的因果律——之間的和諧。”（不滿(mǎn)非決定論基礎(chǔ)）最后一位經(jīng)典物理學(xué)家后來(lái)，霍金針對(duì)愛(ài)因斯坦“上帝不擲骰子”的名言說(shuō)：“上帝不只是擲骰子，還把骰子擲到我們看不到的地方!”

2022/12/19玻爾和愛(ài)因斯坦的爭(zhēng)論2022/12/21令“科學(xué)如此性感”的量子力學(xué)量子力學(xué)是20世紀(jì)初才誕生的，是近代物理學(xué)兩大支柱之一。經(jīng)典力學(xué)：宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律量子力學(xué)：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律——自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。量子力學(xué)的基本規(guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而經(jīng)典物理的基本規(guī)律是決定論、嚴(yán)格的因果律。玻爾的名言：“誰(shuí)要是第一次聽(tīng)到量子理論時(shí)沒(méi)有感到困惑，那他一定沒(méi)聽(tīng)懂。”

2022/12/19令“科學(xué)如此性感”的量子力學(xué)量子力學(xué)是22022/12/21特性：每時(shí)刻的位置、速度完全確定，有確定的運(yùn)行軌跡，遵從牛頓力學(xué)。經(jīng)典粒子2022/12/19特性：每時(shí)刻的位置、速度完全確定，有確定2022/12/21微觀粒子特點(diǎn)：同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性。(不確定)設(shè)想空間中有一個(gè)微觀粒子，任何時(shí)刻有可能在空間中任何點(diǎn)探測(cè)到粒子（類(lèi)似經(jīng)典波的特性），但一旦探測(cè)到只能在其中一個(gè)探測(cè)器處發(fā)現(xiàn)該粒子（類(lèi)似經(jīng)典粒子的特性）。CABA,B,C,…為探測(cè)器2022/12/19微觀粒子特點(diǎn)：同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性。(2022/12/21經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處于確定的物理狀態(tài)上，經(jīng)典比特：0、1；量子粒子則可以同時(shí)處于各種可能的物理狀態(tài)上（疊加態(tài)）（dirac）|0＞，|1＞。因此由于，量子粒子擁有不確定性，在量子力學(xué)中微觀粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述。2022/12/19經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處于確定的物理狀態(tài)2022/12/21

薛定諤貓—宏觀量子疊加態(tài)（解決愛(ài)因斯坦祖母悖論）薛定諤于1935年設(shè)計(jì)了“殺貓實(shí)驗(yàn)”。這個(gè)貓十分可憐，她（假設(shè)這是一只雌性的貓，以引起更多憐憫）被封在一個(gè)密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開(kāi)關(guān)控制，電子開(kāi)關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，雌貓必死無(wú)疑。這個(gè)殘忍的裝置由薛定諤所設(shè)計(jì)，所以雌貓便叫做薛定諤貓。薛定諤的貓是死是活？體系的總體波函數(shù)代表貓既活又死的混合狀態(tài)。這以常識(shí)而論是荒謬的，貓似當(dāng)非死即活。2022/12/19薛定諤貓—宏觀2022/12/21對(duì)于這只貓的多世界解釋這只貓即是死的又是活的。只是分別在不同的世界中，在觀測(cè)者打開(kāi)盒子的那一剎那，整個(gè)世界分裂成兩個(gè)，在一個(gè)世界里觀測(cè)者看到的那只貓活了下來(lái)，在另一個(gè)世界里，觀測(cè)者看到的那只貓不幸死去。除此之外的世界完全一樣。解釋?zhuān)簺](méi)有測(cè)量之前，一個(gè)粒子的狀態(tài)模糊不清，處于各種可能性的混合疊加狀態(tài)。電影《SourceCode》2022/12/19對(duì)于這只貓的多世界解釋這只貓即是死的又是2022/12/21量子力學(xué)對(duì)我們生活的啟示在最宏大的視野里，宇宙中運(yùn)行著的星球的角落里所發(fā)生的細(xì)微的量子過(guò)程，將宇宙一次次的分裂。因而，地球連同我們被一次次的復(fù)制，數(shù)目巨大到難以想象的宇宙的不同版本在同時(shí)上演。在我們每一次的選擇中，宇宙被分裂成幾個(gè)世界，因而你的不同版本的生命形態(tài)在同時(shí)上演，可見(jiàn)我們每個(gè)人的生命都是豐富多彩的~~可見(jiàn)，現(xiàn)在我們?cè)谧拿總€(gè)人能坐在這里并結(jié)下深厚的友誼是經(jīng)過(guò)多少次的宇宙分裂得來(lái)的，所以大家要珍惜現(xiàn)在生活，感恩生命的偉大！2022/12/19量子力學(xué)對(duì)我們生活的啟示在最宏大的視野里2022/12/21由量子力學(xué)到量子信息

量子特性應(yīng)用到信息領(lǐng)域中可以發(fā)揮出獨(dú)特的功能，在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面可以突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，于是誕生了一門(mén)新興的交叉學(xué)科：2022/12/19由量子力學(xué)到量子信息2022/12/21量子信息科學(xué)

——它是量子物理與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。量子通信量子密碼2022/12/19量子信息科學(xué) ——它是量子物理與信息科學(xué)2022/12/21什么是量子通信？我們可以通過(guò)類(lèi)比來(lái)了解它的意義：電子通信：通過(guò)電信號(hào)的參數(shù)傳送信息量子通信：由量子態(tài)攜帶信息量子通信系統(tǒng)的基本部件量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測(cè)量裝置。2022/12/19什么是量子通信？我們可以通過(guò)類(lèi)比來(lái)了解它2022/12/21量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別經(jīng)典信息

二進(jìn)制0或1組成的數(shù)字串，其信息單元稱(chēng)為“比特”，為0或者1。

用量子的語(yǔ)言可描述為態(tài)和。經(jīng)典粒子只能處在或之中的一個(gè)態(tài)上。量子信息

微觀粒子允許同時(shí)處在和兩個(gè)態(tài)上，這是其波粒二象性的結(jié)果。

注：ψpsipsai普西2022/12/19量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別經(jīng)典信息2022/12/21

信息一旦量子化,量子力學(xué)的特性便成為量子信息的物理基礎(chǔ),這主要有量子糾纏、量子不可克隆、量子疊加性和相干性。因?yàn)榱孔恿W(xué)的線性特性禁止對(duì)任意量子態(tài)實(shí)行精確的復(fù)制,量子不可克隆定理和Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理構(gòu)成了量子密碼學(xué)的物理基礎(chǔ)。一點(diǎn)說(shuō)明2022/12/19信息一旦量子化,量子力學(xué)的特性便2022/12/21量子不可克隆定理

Wootters和Zurek曾于1982年在《自然》雜志上撰文提出了如下問(wèn)題:是否存在一種物理過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)未知量子態(tài)的精確復(fù)制,使得每個(gè)復(fù)制態(tài)與初始量子態(tài)完全相同呢？Wootters和Zurek證明,量子力學(xué)的線性特性禁止這樣的復(fù)制,這就是量子不可復(fù)制定理的最初表述。2022/12/19量子不可克隆定理Wootters2022/12/21Heisenberg的測(cè)不準(zhǔn)原理

由測(cè)不準(zhǔn)原理可知,對(duì)任何一個(gè)物理量的測(cè)量都不可避免地對(duì)另一物理量產(chǎn)生干擾。這就使得通信雙方能夠檢測(cè)到信息是否被竊聽(tīng),這一性質(zhì)使通信雙方無(wú)須事先交換密鑰即可進(jìn)行絕密通信。量子加密學(xué)為人們提供了一種無(wú)條件安全的希望，并且不象一次一密的密鑰,任何竊聽(tīng)量子密鑰交換和拷貝密鑰的人不可能不被檢測(cè)到。2022/12/19Heisenberg的測(cè)不準(zhǔn)原理2022/12/21信息傳輸：量子態(tài)在量子通道中傳送信息處理(計(jì)算)：量子態(tài)幺正演化信息提?。毫孔訙y(cè)量

如，經(jīng)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）。

兩經(jīng)典粒子分離后就不關(guān)聯(lián)，而兩量子粒子處于糾纏態(tài)（EPR粒子）時(shí)不論空間分離多開(kāi)仍然存在量子關(guān)聯(lián)，對(duì)其中一個(gè)粒子施行作用必然會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。理解：微觀世界的物質(zhì)具有波粒二象性，于時(shí)刻t在全空間找到粒子的總幾率等于1幺正性：微觀粒子散射過(guò)程和反應(yīng)過(guò)程中幾率守恒的一種數(shù)學(xué)表述。（即全空間中找到粒子的幾率為1）量子通信2022/12/19信息傳輸：量子態(tài)在量子通道中傳送信息處理2022/12/21糾纏現(xiàn)在有兩個(gè)光子，A光子可以有兩種狀態(tài)，一個(gè)極化方向向上，一個(gè)極化方向向下。同樣B光子也有向上和向下的極化方向。在數(shù)學(xué)上，A的向上乘上B的向下，減掉A的向下，乘上B的向上，除以根號(hào)2。這個(gè)狀態(tài)一般叫做兩個(gè)光子糾纏不清的狀態(tài)。糾纏態(tài)2022/12/19糾纏現(xiàn)在有兩個(gè)光子，A光子可以有兩種狀態(tài)2022/12/21假如我知道A光子的偏振方向是向上的，所以A光子向下的狀態(tài)一定是等于0的，則B光子的偏振方向一定是向下的。反過(guò)來(lái)也是一樣。而這種糾纏關(guān)系，A光子跟B光子可以離的很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。舉一個(gè)例子，把A光子放在地球上，B光子放在人造衛(wèi)星上，A光子極化是向上的，不用跑到人造衛(wèi)星上，一定知道B光子是向下的。2022/12/19假如我知道A光子的偏振方向是向上的，所以2022/12/21“隱形傳送”定義所謂隱形傳送指的是脫離實(shí)物的一種“完全”的信息傳送。從物理學(xué)角度，人們可以這樣地想象量子隱形傳送的過(guò)程：先提取原物的所有信息（量子態(tài)），然后將這個(gè)信息（量子態(tài)）傳送到接收地點(diǎn)，接收者依據(jù)這些信息（量子態(tài)），選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元（如原子），制造出原物完美的復(fù)制品。2022/12/19“隱形傳送”定義所謂隱形傳送指的是脫離實(shí)2022/12/21“隱形傳送”原理其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息。接收者在獲得這兩種信息之后，就可制造出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。這個(gè)過(guò)程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對(duì)這個(gè)量子態(tài)一無(wú)所知，而接收者是將別的粒子（甚至可以是與原物不相同的粒子）處于原物的量子態(tài)上。2022/12/19“隱形傳送”原理其基本思想是：將原物的信2022/12/21CantheHotTubTimeMachinework？

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TheBigBangTheory’sseason12022/12/19CantheHotTubTime2022/12/21量子傳輸

（QuantumTeleportation）1993年美國(guó)IBM的著名科學(xué)家Bennet等四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家聯(lián)名在《PhysicalReviewLetters》上發(fā)表了一篇開(kāi)創(chuàng)性論文：“經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知量子態(tài)”，提出了“量子態(tài)隱形傳輸”的方案,即位將原粒子物理特性的信息發(fā)向遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子，該粒子在接收到這些信息后，會(huì)成為原粒子的復(fù)制品。而在此過(guò)程中，傳輸?shù)氖窃Ｗ拥牧孔討B(tài)，而不是原粒子本身。傳輸結(jié)束后，原粒子已經(jīng)不具備原來(lái)的量子態(tài)，而有了新的量子態(tài)。2022/12/19量子傳輸（QuantumTelepo2022/12/21量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)就是指將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)在乙地的另一粒子上構(gòu)建出來(lái).由于量子力學(xué)的不確定性原理,我們不能精確地將原量子態(tài)的所有信息全部提取出來(lái),只能將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分,它們分別由經(jīng)典通道和量子通道傳送到乙地,根據(jù)這些信息,在乙地就能夠利用相應(yīng)的幺正變換構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌.2022/12/19量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)就是指將甲地的某2022/12/21TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1AliceAlice擁有一個(gè)粒子1處于未知態(tài)，其可以表示為粒子2和粒子3構(gòu)成EPR對(duì),Alice擁有粒子2,Bob擁有粒子3.2022/12/19Teleportationpublic2022/12/21TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1Alice粒子2和粒子3構(gòu)成EPR對(duì),Alice擁有粒子2,Bob擁有粒子3.這個(gè)EPR對(duì)與粒子1構(gòu)成的量子體系的復(fù)合波函數(shù)可以表示成兩個(gè)態(tài)的直積形式(和是粒子1和粒子2所在的四維希爾伯特空間中的Bell基)2022/12/19Teleportationpublic2022/12/21TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1AliceAlice對(duì)粒子1和粒子2施行一個(gè)Bell基測(cè)量,粒子3的態(tài)將會(huì)坍塌為下面4個(gè)態(tài)中的其中一個(gè),而且分別與Alice測(cè)量結(jié)果相對(duì)應(yīng).

此時(shí),粒子1的相關(guān)信息存儲(chǔ)到粒子3上了.2022/12/19Teleportationpublic2022/12/21InformationEncodingandDecoding..................0110........................RRRxRx0110...............AliceBobEPR1:EPR2:Information:為了使量子隱形傳態(tài)成功完成,Alice通過(guò)經(jīng)典通道把測(cè)量結(jié)果告訴給Bob.最后Bob根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)粒子3做適當(dāng)?shù)溺壅儞Q，此時(shí)Alice擁有的粒子1所處的未知態(tài)在Bob擁有的粒子3上完美的重現(xiàn)出來(lái)了,即量子隱形傳態(tài)圓滿(mǎn)成功了.將得到最終的態(tài)2022/12/19InformationEncoding2022/12/21回顧一下粒子1：粒子2，3：EPR對(duì)與粒子1構(gòu)成的量子體系的復(fù)合波函數(shù)：一個(gè)Bell基測(cè)量后：粒子3做適當(dāng)?shù)溺壅儞Q：2022/12/19回顧一下粒子1：一個(gè)Bell基測(cè)量后：粒2022/12/21幾點(diǎn)說(shuō)明(1)從粒子1到粒子3量子信息的傳遞可以發(fā)生在任意的時(shí)空之間,因?yàn)榱孔蛹m纏具有非局域性.(2)聯(lián)合測(cè)量后接收方的粒子的量子態(tài)仍然處于混合態(tài),也就是說(shuō),聯(lián)合測(cè)量本身對(duì)Bob來(lái)說(shuō),并不給出任何關(guān)于原粒子態(tài)的信息.原粒子態(tài)的重建應(yīng)該歸功于EPR態(tài)的糾纏非局域關(guān)聯(lián),經(jīng)典通訊和局域的幺正變換.(3)量子隱形傳態(tài)不存在超光速通訊問(wèn)題.因?yàn)闆](méi)有通過(guò)經(jīng)典通道傳送的經(jīng)典信息,隱形傳態(tài)將不可能成功.而經(jīng)典通道的通訊速度必然要受到相對(duì)性原理的限制,即傳送速度不可能超過(guò)光速.2022/12/19幾點(diǎn)說(shuō)明(1)從粒子1到粒子3量子信息的2022/12/21(4)量子隱形傳態(tài)