量子信息技術(shù)概覽

量子信息技術(shù)概覽量子信息技術(shù)概覽孫其峰慶柯欣夫量子信息技術(shù)是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合的戰(zhàn)略性前沿科技，主要包括量子計算、量子通信、量子雷達(dá)、量子探測等專業(yè)領(lǐng)域。量子信息技術(shù)學(xué)迅速發(fā)展成為一門新興交叉學(xué)科，主要是以量子力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，利用量子系統(tǒng)的各種相干特性進(jìn)行編碼、計算和信息傅輸?shù)男畔⒖茖W(xué)。近年來，量子信息技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，巨大潛力日益顯現(xiàn)，其各個細(xì)分領(lǐng)域均取得若干重大突破，各國在此領(lǐng)域的競爭也進(jìn)入白熱化。美國、英國、歐盟各國、日本等分別將量子信息技術(shù)提升至國家戰(zhàn)略高度。在新時期，全球涌現(xiàn)“量子科技”潮，量子技術(shù)正從實驗室走出來，在傳感、通信、信息處理和安全等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)前所未有的跨越式發(fā)展。量子技術(shù)正成為近期科技創(chuàng)新的聚焦點(diǎn)，人類社會正在進(jìn)入“量子信息技術(shù)”時代。量子計算技術(shù)量子計算理論是對微觀世界一種運(yùn)行機(jī)制的描述，是理解和預(yù)測物理宇宙性質(zhì)的最為精確的理論。量子理論主要遵循以下基本原理。一是波粒二元性，一個量子物體同時具有類波性質(zhì)和類粒子性質(zhì)，當(dāng)系統(tǒng)遵循波動方程時，任何可測量的系統(tǒng)都能夠返回一個與其一致的粒子。二是疊加性，一個量子系統(tǒng)能夠同時存在兩種或更多種狀態(tài)，被稱之為“疊加”或“疊加狀態(tài)”。三是相干性，當(dāng)一個量子系統(tǒng)的狀態(tài)能夠被一組復(fù)雜的數(shù)據(jù)所描述時，那么系統(tǒng)的每一種狀態(tài)都是相干的。對于諸如量子干涉、量子疊加、量子糾纏等量子現(xiàn)象，相干都是必需的。四是糾纏性，糾纏是一些多粒子疊加狀態(tài)（并非全部）的一種特殊性質(zhì)，測量一個粒子狀態(tài)時能夠影響到另一個粒子，即使這些粒子相隔很遠(yuǎn)且無明顯的相互作用。五是可測量性，量子系統(tǒng)從根本上改變了測量工作，在其處于一個確定的狀態(tài)下時，系統(tǒng)處于與所測值相對應(yīng)的狀態(tài)。量子計算機(jī)的運(yùn)算速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機(jī)，主要是因為它們的基本原理不同。傳統(tǒng)計算機(jī)采用的是二進(jìn)制，它的基本單元是“比特”（bit），用“0”和“1”來表示，例如硬幣的正和反兩個面或者開關(guān)的開和關(guān)兩個狀態(tài)。而量子計算機(jī)的基本單元卻是“量子比特”（qubit）。它不是一個“開關(guān)”，而是一個可連續(xù)調(diào)節(jié)的“旋鈕”，你可以把它轉(zhuǎn)到任何一個角度。一個量子比特可以用布洛赫球（在量子力學(xué)中，布洛赫球面是二能級量子力學(xué)系統(tǒng)純態(tài)空間的一種幾何表示方法）來表示。相比于經(jīng)典比特（信息量的最小度量單位）只有0和1兩個點(diǎn)，量子比特的取值則分布在整個球面上，即球面上任意一點(diǎn)都可以是某個量子比特的值。這就不難理解量子計算機(jī)為什么能運(yùn)算這么快了。目前我們常用的經(jīng)典計算機(jī)，在提取某個需要解決的問題時，需要把所有可能性列舉并驗證一遍，才能找到正確的信息，這相當(dāng)于一個擁有雙手的人，一個時間段只能做一件事情。而量子并行計算能夠直接計算并提取出相應(yīng)信息，相當(dāng)于一個“千手觀音”，可以同時做2的N次方雙手可以做的事情。量子計算主要有兩種方法。一種方法是通過初始化量子系統(tǒng)狀態(tài)，再運(yùn)用漢密爾頓的直接控制方式來推進(jìn)量子態(tài)演化，由此得到一個高概率的問題答案，進(jìn)而得到預(yù)期結(jié)果。因為漢密爾頓通常是平滑形的，因此量子計算實質(zhì)上是真正的模擬計算，且不能完全糾正誤差。另一種方法叫做“基于門的計算”，類似于當(dāng)今的經(jīng)典計算方法，主要是將問題分解為一系列基本的“原始運(yùn)算”或“門”，對于特定的輸入狀態(tài)會得到一個明確的數(shù)據(jù)測量結(jié)果，這種數(shù)據(jù)特性意味著這些設(shè)計類型能夠以系統(tǒng)級的糾錯來達(dá)成容錯目的。當(dāng)前，主要的量子計算機(jī)有模擬量子計算機(jī)、基于噪音的中等規(guī)模量子計算機(jī)、基于門的量子計算機(jī)，以及基于門的全糾錯量子計算機(jī)。量子化學(xué)、優(yōu)化（包括機(jī)器學(xué)習(xí)）和破解密碼是量子計算具有的最被認(rèn)可的潛在應(yīng)用價值，這些領(lǐng)域目前仍處于初始階段。現(xiàn)有算法可能會以尚未預(yù)測的方式被改進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)，而新的算法也可能會隨著研究不斷深入而出現(xiàn)。因此，除了密碼學(xué)之外，難以預(yù)測量子計算將會帶來怎樣的影響。量子計算的最好應(yīng)用領(lǐng)域就是密碼領(lǐng)域，也就是破解密碼，這是一個基于數(shù)學(xué)的應(yīng)用。對于密碼學(xué)來說，未來運(yùn)用Shor算法的量子計算機(jī)將對其產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。量子模擬被認(rèn)為是一種具有巨大潛力的具體應(yīng)用，特別是在量子化學(xué)領(lǐng)域。雖然經(jīng)典的計算方法在許多情況下都是非常有效的，但往往不能預(yù)測化學(xué)反應(yīng)過程或區(qū)分反應(yīng)階段的相關(guān)物質(zhì)，而量子計算機(jī)能夠在經(jīng)典計算方法難以解決的情況下，有效解決這些問題。事實上，比起經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)計算法，早期的一種量子計算方法在速度上已經(jīng)提高了好幾個指數(shù)量級。量子計算與其他算法能夠為人們打開一扇大門，讓人們對物質(zhì)的各種反應(yīng)和狀態(tài)有更深的洞察力，這些成果在能量存儲、顯示器件、工業(yè)催化劑以及藥物開發(fā)等方面具有廣闊的商業(yè)價值。近幾年，全球范圍內(nèi)在量子計算物理驗證方面取得的進(jìn)展是有目共睹的，并且也吸引了越來越高的市場興趣和投資活動，但是在解決實際問題方面，國際公認(rèn)短期內(nèi)無法實現(xiàn)通用量子計算機(jī)的使用。根據(jù)賽迪智庫電子信息研究所發(fā)布的《量子計算發(fā)展白皮書（20XX）》，量子計算發(fā)展預(yù)計分為近期、中期與遠(yuǎn)期3個階段。近期的“量子霸權(quán)”僅為技術(shù)研發(fā)初期的一種特有概念形式，距離真正的量子計算機(jī)仍有很大距離；中期將利用可控的人造量子系統(tǒng)，實現(xiàn)對復(fù)雜物理過程的高效量子模擬;后期研發(fā)的通用量子計算機(jī)將對大數(shù)據(jù)、人工智能、密碼破譯等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，并且量子計算機(jī)與經(jīng)典計算機(jī)將實現(xiàn)功能互補(bǔ)。BCG預(yù)測量子計算在25年內(nèi)將經(jīng)歷3個發(fā)展階段，最終走向成熟。其中，第一個階段是20XX年一20XX年，工程師們將研發(fā)出可用于低復(fù)雜程度的量子模擬問題的非通用量子計算機(jī);第二個階段是20XX年一20XX年，譴輯量子比特數(shù)量將擴(kuò)展到50多個，并實現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)”，更快速地執(zhí)行特定算法的應(yīng)用程序，主要包括分析模擬、研發(fā)和軟件開發(fā)等，創(chuàng)造巨大的市場潛力；第三階段為20XX年一20XX年，量子計算機(jī)將在高級模擬、搜索和優(yōu)化的商業(yè)應(yīng)用方面取得比經(jīng)典方法更有顯著優(yōu)勢的規(guī)模。由于摩爾定律的擴(kuò)展，以及量子計算在某些應(yīng)用中超過二進(jìn)制計算的閾值，第二階段和第三階段量子計算機(jī)之間有相當(dāng)大的重疊。作為一個總體軌跡，BGC預(yù)測量子計算將在20XX年左右出現(xiàn)快速增長。量子通信技術(shù)量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是21世紀(jì)發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有如下主要特點(diǎn)和優(yōu)勢。一是時效性高。量子通信的線路時延近乎為零，量子信道的信息效率相對于經(jīng)典信道的信息效率高幾十倍，傳輸速度快。二是抗干擾性能強(qiáng)。量子通信中的信息傳輸不通過傳統(tǒng)信道，與通信雙方之間的傳播媒介無關(guān)，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能。三是保密性能好。根據(jù)量子不可克隆定理，量子信息一經(jīng)檢測就會產(chǎn)生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發(fā)現(xiàn)。四是隱蔽性能好。量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進(jìn)行無線監(jiān)聽或探測。五是應(yīng)用廣泛。量子通信與傳播媒介無關(guān)，傳輸不會被任何障礙阻隔，量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層。因此，量子通信應(yīng)用廣泛，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質(zhì)中通信。光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)的方式實現(xiàn)信息傳遞。根據(jù)實驗驗證，具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化。利用這個特性實現(xiàn)光量子通信的過程如下：事先構(gòu)建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進(jìn)行聯(lián)合測量，則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌，坍塌為某種狀態(tài)，這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌后的狀態(tài)是對稱的，然后將聯(lián)合測量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對坍塌的粒子進(jìn)行幺正變換（相當(dāng)于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。量子通信技術(shù)是融合了現(xiàn)代物理學(xué)和光通信技術(shù)研究的成果，由物理學(xué)基本原理來保證密鑰分配過程的無條件安全性。量子密鑰分發(fā)根據(jù)所利用量子狀態(tài)特性的不同，可以分為基于測量和基于糾纏態(tài)兩種?；诩m纏態(tài)的量子通信在傳遞信息的時候利用了量子糾纏效應(yīng)，即兩個經(jīng)過耦合的微觀粒子，在一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個會立刻發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，量子通信可將某信息的量子態(tài)安全傳遞到另外一個地方從而實現(xiàn)信息傳遞（量子隱形傳態(tài)），或利用“不可分割、不可復(fù)制”的量子作為密鑰實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)安全通信（量子密鑰分發(fā)），為經(jīng)典通信增加一把量子密碼鎖，保障信息安全傳遞。量子通信是面向未來的全新通信技術(shù)，在安全性、高效性上具有經(jīng)典通信無法比擬的優(yōu)勢。如今，發(fā)展量子通信技術(shù)已經(jīng)成為事關(guān)提升國家信息技術(shù)水平、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)空間安全保障能力的戰(zhàn)略事項。在相關(guān)產(chǎn)業(yè)背景下，量子保密通信，尤其是量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)及其融合應(yīng)用部署，已成為國際行業(yè)競爭的戰(zhàn)略技術(shù)熱點(diǎn)。量子通信所具有的無條件安全性，可以運(yùn)用在軍事領(lǐng)域中，用來傳遞各個區(qū)域或者各個國家之間的信息，保證通信安全。根據(jù)量子通信具有的突出優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)現(xiàn)狀，基于光纖信道的量子通信技術(shù)已趨于成熟，可應(yīng)用在構(gòu)建通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)等方面。量子通信距普及應(yīng)用時日久遠(yuǎn)，主要是如果要進(jìn)行量子通信，需要雙方都要有一臺復(fù)雜的發(fā)送/接收設(shè)備，并且只能進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信。另外，還需要防止量子保密通信被恐怖分子和間諜所利用，因為由此造成的損失是無法估量的。所以，即使量子通信設(shè)備像今天的寬帶上網(wǎng)設(shè)備一樣便宜好用了，量子通信也會被限制使用。量子雷達(dá)技術(shù)量子雷達(dá)是量子度量學(xué)的一個重要研究方向，其本質(zhì)是將光量子作為光頻電磁波微觀粒子對目標(biāo)進(jìn)行探測，利用它不同于常規(guī)雷達(dá)電磁波的物理特性，提升對目標(biāo)的探測性能，同時提高雷達(dá)的抗干擾和抗欺騙能力。量子雷達(dá)將量子信息技術(shù)引入經(jīng)典雷達(dá)探測領(lǐng)域，解決了經(jīng)典雷達(dá)在探測、測量和成像等方面的技術(shù)瓶頸，增強(qiáng)了雷達(dá)對目標(biāo)的檢測性能，提高了測距、測角分辨率及成像分辨率。量子雷達(dá)具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、反隱身能力強(qiáng)、不易被敵方電子偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)和易于成像等優(yōu)點(diǎn)，未來可進(jìn)一步應(yīng)用于導(dǎo)彈防御和空間探測，具有極其廣闊的應(yīng)用前景和重大現(xiàn)實價值。量子雷達(dá)是利用量子現(xiàn)象感知目標(biāo)狀態(tài)并獲取信息的一種特種傳感設(shè)備。它將量子信息調(diào)制成雷達(dá)信號，通過發(fā)送和接收量子信號來探測目標(biāo)。從廣義上講，任何利用電磁波的量子效應(yīng)探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)的雷達(dá)都可以被視為量子雷達(dá)。量子雷達(dá)的概念是量子信息理論在遙感探測領(lǐng)域的具體應(yīng)用，通過對量子不同物理特性的觀測和測量，可以構(gòu)成不同原理和形式的量子雷達(dá)。根據(jù)系統(tǒng)采用的量子效應(yīng)的不同，可以把量子雷達(dá)分成3種基本類型，即發(fā)射非糾纏態(tài)光子的量子雷達(dá)、發(fā)射量子態(tài)光并與接收機(jī)中的光量子糾纏的量子雷達(dá)、發(fā)射經(jīng)典態(tài)光但使用量子光探測提升性能的量子雷達(dá)。量子雷達(dá)可以探測、識別隱身武器，被認(rèn)為是未來最強(qiáng)大的反隱身手段之一。同時，由于對電磁波的依賴大為減少，量子雷達(dá)可有效避開反輻射導(dǎo)彈的攻擊，進(jìn)一步改變現(xiàn)有導(dǎo)彈的作戰(zhàn)機(jī)理和作戰(zhàn)模式，促使戰(zhàn)場作戰(zhàn)形態(tài)向“量子化”轉(zhuǎn)變。?；完懟孔永走_(dá)可有效監(jiān)測敵方動向和保護(hù)雷達(dá)基地免受攻擊，及時發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)，削弱敵隱身飛機(jī)威脅?？栈孔永走_(dá)可以提前預(yù)警、提前攻擊，從而極大的提高戰(zhàn)機(jī)的機(jī)動性和生存率。量子雷達(dá)技術(shù)將成為未來戰(zhàn)爭的顛覆者，其可用于探測和識別傳統(tǒng)的射頻隱身平臺和武器系統(tǒng)，將在戰(zhàn)場人工智能、軍事大數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場氣象預(yù)報和智能作戰(zhàn)裝備學(xué)習(xí)中發(fā)揮重要作用。目前，量子雷達(dá)仍處于研究和探索階段。美國國防高級研究計劃局先后提出開展“量子傳感器計劃”和“量子輔助傳感和讀出”等項目，對量子雷達(dá)技術(shù)持續(xù)進(jìn)行探索。同時，美國海軍研究實驗室、空軍研究實驗室等機(jī)構(gòu)也相繼開展量子雷達(dá)研究工作。隨著量子雷達(dá)技術(shù)不斷成熟，未來部署到地面和水面作戰(zhàn)艦艇的量子雷達(dá)，可對幾乎所有空中目標(biāo)進(jìn)行探測，并能持續(xù)跟蹤目標(biāo)行蹤。可以想見，基于量子雷達(dá)技術(shù)的各種雷達(dá)將在戰(zhàn)略預(yù)警、區(qū)域防空和空中偵察以及精確打擊方面得到廣泛應(yīng)用，成為未來戰(zhàn)場上反隱身作戰(zhàn)的“先行者”。其它量子信息技術(shù)量子測量基于微觀粒子量子態(tài)精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測試精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢，其在科學(xué)研究、國防建設(shè)等諸多領(lǐng)域有著重大意義。量子測量涵蓋電磁場、重力應(yīng)力、方向旋轉(zhuǎn)等物理量，應(yīng)用范圍涉及基礎(chǔ)科研、空間探測、材料分析、慣性制導(dǎo)、地質(zhì)勘測、災(zāi)害預(yù)防等諸多領(lǐng)域。量子測量技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合將產(chǎn)生全新技術(shù)變革，部分重點(diǎn)領(lǐng)域有望率先推廣應(yīng)用。以量子目標(biāo)識別、量子重力測量、量子時間基準(zhǔn)和量子磁場測量等為代表的一批新型量子測量技術(shù)，在國防建設(shè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域極具戰(zhàn)略價值，受到世界各國政府和研究機(jī)構(gòu)的重視，在解決工程化和實用化等問題后，有望在關(guān)系國家安全和國計民生的重點(diǎn)領(lǐng)域率先應(yīng)用。量子導(dǎo)航是基于各種量子效應(yīng)和微加工技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。英國帝國理工學(xué)院的科學(xué)家研發(fā)了一種新的量子導(dǎo)航設(shè)備，無須GPS，僅靠測量冷原子的量子特性，就可得到精確的設(shè)備位置信息。研究人員利用激光將原子冷卻到極低溫度，制造了所謂的量子加速度計或者原子干涉儀，通過測量過冷原子的運(yùn)動，從而持續(xù)不斷地獲得整個設(shè)備的位置信息，不再依賴外部的GPS信號。目前，這種導(dǎo)航設(shè)備由于體積太大，只能安裝在船上，用于海上航行時的導(dǎo)航。小型化量子導(dǎo)航設(shè)備的定位、定姿、定時等導(dǎo)航信息可廣泛應(yīng)用于預(yù)警機(jī)、無人機(jī)、