信息的傳輸與通信技術(shù) 課件 第五章未來通信

現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries信息的傳輸與通信技術(shù)信息的傳輸與通信技術(shù)簡(jiǎn)介

《現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書》共分為四本，其內(nèi)容按照信號(hào)傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調(diào)制與解調(diào)

信息的傳輸與通信技術(shù)

智能控制技術(shù)的應(yīng)用

本書系統(tǒng)地對(duì)信息傳輸與現(xiàn)代通信技術(shù)的密切關(guān)系、通信技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史，現(xiàn)代通信技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹；

簡(jiǎn)述了世界通用的有線通信的載波技術(shù)、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、不足及適用領(lǐng)域。信息的傳輸與通信技術(shù)簡(jiǎn)介

本書還對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)的“高速公路”，即光導(dǎo)纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍(lán)牙和可見光通信技術(shù)進(jìn)行原理、功能及應(yīng)用的闡述。

對(duì)未來的通信技術(shù)，即量子通信技術(shù)的概況進(jìn)行介紹，并預(yù)測(cè)量子通信技術(shù)將在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等方面應(yīng)用的可期待前景。

本書可作為大專院?；蚋叩仍盒Ｖ悄芸刂祁愊嚓P(guān)專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用領(lǐng)域工作的工程技術(shù)人員作為參考資料。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

自動(dòng)控制、智能控制、智慧控制是相對(duì)ＡＩ控制技術(shù)的普遍話題。在當(dāng)今的生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要的作用。

在控制技術(shù)中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（遙測(cè)）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)（遙調(diào)）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量。

而信號(hào)則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號(hào)是物理性的，并且隨時(shí)間而變化，這是信號(hào)的本質(zhì)所在。

在無線電通信中，電磁波信號(hào)承載著各種各樣的信息。所以信號(hào)是有能量的物質(zhì)，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學(xué)上，信號(hào)可以表示為關(guān)于一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，也可以表示隨時(shí)間或空間變化的圖形。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

實(shí)際的信號(hào)中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關(guān)心的有用信息，有些是我們不關(guān)心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測(cè)信息轉(zhuǎn)化為可觀察的信號(hào)，提取所研究對(duì)象的有關(guān)信息，將原始信息轉(zhuǎn)換成信號(hào)。將有效信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)男盘?hào)，或?qū)⑿盘?hào)放大，或?qū)⑤^低頻率的原始信息“調(diào)制”到較高頻率的信號(hào)；滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊螅驅(qū)⒃寄M信息處理為數(shù)字信號(hào)等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責(zé)”———信息的收集與調(diào)制。然后，將調(diào)制后的信號(hào)置于所選取的傳輸通道上進(jìn)行傳輸，使調(diào)制后的信號(hào)傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經(jīng)傳輸線路傳送來的信號(hào)后，然后進(jìn)行調(diào)制器的反向操作“解調(diào)”。即將高頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)還原成原始信息。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

原始信息通過揚(yáng)聲器器（還原的音Ⅳ頻信號(hào)）、顯示器（還原的圖像或視頻信號(hào)）、打（還原的計(jì)算結(jié)果）或進(jìn)行力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等轉(zhuǎn)換，對(duì)原始信息控制目的物進(jìn)行作用，從而達(dá)到智能控制的目的。本套叢書就是對(duì)智能控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的一些關(guān)鍵技術(shù)的原理、特性、基本計(jì)算公式和方法、基本結(jié)構(gòu)的組成、各個(gè)部分參數(shù)的選取，以及主要應(yīng)用場(chǎng)合及其優(yōu)勢(shì)和不足等問題進(jìn)行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調(diào)制”、“調(diào)制信號(hào)的傳輸“、“調(diào)制信號(hào)的解調(diào)”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應(yīng)用”這一線索展開，對(duì)比較典型的智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計(jì)計(jì)算及控制的邏輯關(guān)系進(jìn)行舉例論述。本套叢書雖然經(jīng)歷了十多年的知識(shí)積累，但仍然覺得時(shí)間倉促，加之水平有限，錯(cuò)誤與疏漏之處在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編撰者

蘇遵惠

信息的傳輸與通信技術(shù)

叢書序

前言第一章簡(jiǎn)說通信技術(shù)與信息傳輸?shù)谌?jié)現(xiàn)代通信技術(shù)特點(diǎn)第五節(jié)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展第二章世界通用的通信技術(shù)

第二節(jié)有線通信的載波通信技術(shù)

第三節(jié)微波接力通信和衛(wèi)星微波

通信第三章通信技術(shù)的“高速公路”第一節(jié)通信技術(shù)的“高速公路”

概述

第二節(jié)無線通信的第五代移動(dòng)通信技術(shù)——５Ｇ第三節(jié)近距離小容量無線通信技術(shù)——無線保真通信、藍(lán)牙通信、可見光通信第四節(jié)有線通信的光導(dǎo)纖維通信技術(shù)

第四章通信技術(shù)的綜合應(yīng)用———脈沖碼編調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)第五章未來的量子通信技術(shù)

第一節(jié)量子通信技術(shù)

第二節(jié)量子計(jì)算機(jī)的工作原理附錄附錄Ａ名詞術(shù)語及解釋附錄Ｂ相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)重點(diǎn)目錄

信息的傳輸與通信技術(shù)正文

第五章未來的通信技術(shù)

第一節(jié)量子通信概述

第二節(jié)量子計(jì)算機(jī)的工作原理

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

（一）量子（quantum）

定義：一個(gè)物理量如果有最小的單元而不可連續(xù)地分割，則稱這個(gè)物理量是量子化的，并把最小的單元稱為量子。

（二）量子通信（Quantumcommunication）

定義：利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。

基于量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理，提供了無法被竊聽和計(jì)算破解的絕對(duì)安全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

（三）量子計(jì)算機(jī)（QuantumComputer）

定義：一種基于量子理論的計(jì)算機(jī)，遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。

（四）量子信息學(xué)的構(gòu)成及包涵的內(nèi)容見右圖所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

量子通信原理框圖見下圖所示?？梢娋哂辛孔与[形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)，無法被竊聽和計(jì)算破解的絕對(duì)安全性保證

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信1、量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)狀況

量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的是量子比特，可以同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)。

2017年5月3日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)宣布，利用量子點(diǎn)單光子源，構(gòu)建了世界首臺(tái)單光子量子計(jì)算機(jī)。

2017年12月，德國(guó)康斯坦茨大學(xué)與美國(guó)普林斯頓大學(xué)及馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家合作，開發(fā)出了基于硅雙量子位系統(tǒng)的穩(wěn)定的量子門。2018年12月6日，由中國(guó)合肥的本源量子開發(fā)了首款量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)“原Q量子系統(tǒng)”（OriginQQuantum，AIO）。

2019年1月10日，IBM宣布推出世界上第一臺(tái)商用的集成量子計(jì)算系統(tǒng)（IBMQSystemOne）。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信2、量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的理論之一

1）相對(duì)論（Theoryofrelativity）

2）量子論（Quantumtheory）量子論給我們提供了新的關(guān)于自然界的表述方法和思考方法。揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射等已發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信3、量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展

19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)理論已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，幾個(gè)主要部門——力學(xué)，熱力學(xué)和分子運(yùn)動(dòng)論，電磁學(xué)以及光學(xué)，已經(jīng)建立了完整的理論體系，在應(yīng)用上也取得了巨大成果，其主要標(biāo)志是：

機(jī)械運(yùn)動(dòng)當(dāng)速度遠(yuǎn)小于光速的情況下，嚴(yán)格遵守牛頓力學(xué)的規(guī)律；

電磁現(xiàn)象總結(jié)為麥克斯韋方程組；

光現(xiàn)象有光的波動(dòng)理論，最后也歸結(jié)為麥克斯韋方程組；

熱現(xiàn)象有熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理的理論。

但是，從實(shí)驗(yàn)上出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)，如固體比熱、黑體輻射、光電效應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)……給物理學(xué)帶來了一場(chǎng)深刻的革命。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信4、物理學(xué)的重大實(shí)驗(yàn)與發(fā)現(xiàn)

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信（四）舊量子論的建立

突出的是以下三個(gè)問題：

1、黑體輻射問題;1893年維恩（德）(WinhelmWein,1864-1928)提出黑體輻射能量分布定律，即維恩公式。直接導(dǎo)致了量子論的誕生。1900年普朗克（德）(MaxPlanck,1858-1947)提出了:電磁振蕩只能以"量子"的形式發(fā)生，量子的能量E和頻率u之間有一確定的關(guān)系：

[E=hu]，其中h為普朗克常量：h=6.6260755×10-34J?S

注：普朗克公式見書本P167圖5-2所示；

維恩曲線／瑞利－金斯曲線／普朗克曲線圖見書本P168圖5-3所示；

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（四）舊量子論的建立——普朗克、愛因斯坦、玻爾同為奠基者

2、光電效應(yīng)問題：1905年愛因斯坦發(fā)表了著名論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》。他總結(jié)了光學(xué)發(fā)展中微粒說和波動(dòng)說的歷史，在普朗克能量子假說的基礎(chǔ)上，提出了光量子假說和光電方程：

Ｅｋ＝ｈｕ－Ｗ０（Ｗ和材料有關(guān)）

3、波爾理論：普朗克和愛因斯坦的工作在物理學(xué)史上有其重要的地位，但使量子理論產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的是玻爾。

1913年玻爾寫出了他著名的《原子與分子結(jié)構(gòu)》Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的三篇論文。在這三篇論文中，玻爾提出了與經(jīng)典理論相悖的兩個(gè)重要的假設(shè)：定態(tài)假設(shè)和躍遷假設(shè)。提出了量子化條件，即電子的角動(dòng)量J只能是h的整數(shù)倍。這里他運(yùn)用了對(duì)應(yīng)原理。較好地了解決原子的穩(wěn)定性問題

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（四）舊量子論的建立——普朗克、愛因斯坦、玻爾同為奠基者

4、德布羅意物質(zhì)波：

1922年，德布羅意發(fā)表關(guān)于黑體輻射的論文為標(biāo)志，他用光量子假設(shè)和熱力學(xué)分子運(yùn)動(dòng)論推導(dǎo)出維恩輻射定律，而從光子氣的假設(shè)，得出普朗克定律，他在1924年的博士論文《量子論的研究》論述了“任何物體伴隨以波，而且不可能將物體的運(yùn)動(dòng)和波的傳播分開”。這就是說，波粒二象性并不只是光才具有的特性，而是一切粒子共有的屬性。

把微觀粒子的粒子性質(zhì)（能量E和動(dòng)量p）與波動(dòng)性質(zhì)（頻率ν和波長(zhǎng)λ）用德布羅意關(guān)系聯(lián)系起來：

即E=hν，p=hν/c=h/λ=?kp=?k，k=2π/λ

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動(dòng)力學(xué)——現(xiàn)代量子論的建立

舊量子理論出現(xiàn)于1900—1925年，是量子理論的早期階段，其包括：１）普朗克量子假說（1900年）：輻射量子假說，普朗克常數(shù)。２）愛因斯坦光量子理論（1905年）：解釋了光子能量、動(dòng)量與輻射頻率及波長(zhǎng)的關(guān)系，解決了光電效應(yīng)、低溫固體比熱的問題。３）波爾的原子量子理論（1913年）：原子中的電子只在分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，原子具有確定的能量，其能量態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)吸收或輻射能量。4）德布羅意的波粒二相假設(shè)，并為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

舊量子理論主要是對(duì)經(jīng)典物理理論加以修正或附加某些條件，用以解釋微觀世界，并不能從根本上創(chuàng)立全新的對(duì)微觀世界的研究的理論。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動(dòng)力學(xué)——現(xiàn)代量子論的建立

完成現(xiàn)代量子論是薛定諤（奧），他于1925年在德布羅意波理論的基礎(chǔ)上，以波動(dòng)方程的形式建立了新的量子理論——波動(dòng)力學(xué)。

推導(dǎo)出一個(gè)光子的能量就可表示為：

計(jì)算出許多物理量可以量子化，普朗克就定義了五個(gè)最基本的度量宇宙單位。見表5-2所示。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動(dòng)力學(xué)——現(xiàn)代量子論的建立

表5-2普朗克五個(gè)最基本的度量宇宙單位信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（一）量子計(jì)算技術(shù)

１、定義基于量子力學(xué)原理，借助微觀粒子量子態(tài)的疊加、糾纏和不確定性，以全新的方式進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)和計(jì)算的技術(shù)。２、特征

能夠?qū)崿F(xiàn)量子并行計(jì)算，核心特征是具有超強(qiáng)計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力。1）運(yùn)用量子計(jì)算超強(qiáng)運(yùn)算能力，可快速破譯現(xiàn)有密碼體系;2）可以對(duì)海量情報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，大幅度提升評(píng)估與決策能力。

3）可以有效解決高性能、大數(shù)據(jù)計(jì)算問題，縮短建模仿真時(shí)間，提升研發(fā)效率。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（二）量子通信技術(shù)

（１）定義利用量子力學(xué)原理和微觀粒子的量子特性進(jìn)行信息傳

輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。

（２）內(nèi)容主要包括量子密鑰傳輸和量子隱形傳態(tài)兩種。

１）量子密鑰傳輸

２）量子隱形傳態(tài)３）量子糾纏４）量子通信的優(yōu)勢(shì)：①超大信息容量；②超高通信速率；③超遠(yuǎn)距離傳輸；④工作機(jī)制為“一次一密”。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（二）量子通信技術(shù)

５）量子通信的應(yīng)用①在軍事應(yīng)用方面，利用量子密鑰傳輸進(jìn)行保密通信；

②利用量子隱形傳態(tài)，可大幅度提高通信質(zhì)量與效率，例如水下通信（見右圖所示）為深海遠(yuǎn)洋通信提供新的技術(shù)途徑；③有助于構(gòu)建安全、實(shí)時(shí)、高效的遠(yuǎn)距離軍事信息網(wǎng)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（三）量子探測(cè)技術(shù)

量子探測(cè)技術(shù)是利用量子糾纏和相干疊加特性，對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量或成像的技術(shù)，主要包括量子成像技術(shù)、量子雷達(dá)技術(shù)和量子傳感技術(shù)等。

１）量子成像技術(shù)是利用量子光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像；

２）量子雷達(dá)技術(shù)是基于量子糾纏理論，將量子信息調(diào)制到雷達(dá)信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)；

３）量子傳感技術(shù)是利用量子信號(hào)對(duì)環(huán)境變化的敏感度來提高測(cè)量精度。量子探測(cè)技術(shù)具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值，將實(shí)現(xiàn)全天候、反隱身、抗干擾作戰(zhàn)。未來，量子信息技術(shù)將逐步走向成熟，在指揮控制、情報(bào)偵察、軍事通信等軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

一、量子計(jì)算機(jī)

以函數(shù)ｙ＝ｆ（ｘ），ｘ∈Ａ為例：

普通的數(shù)字計(jì)算機(jī)

在“0”和“1”的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，稱為比特（bit）。

其輸入?yún)?shù)是ｘ，得到輸出值ｙ，要多次計(jì)算才能得到值域Ｂ，即ｙ＝ｆ（x）,ｘ∈Ａ,ｙ∈Ｂ

量子計(jì)算機(jī)

在量子比特上運(yùn)算，可以計(jì)算“0”和“1”之間的數(shù)值。

其輸入?yún)?shù)是定義域Ａ，一步到位得到輸出值域Ｂ，即Ｂ＝ｆ（A）量子計(jì)算機(jī)有一待解決的問題，即輸出值域B只能隨機(jī)取出一個(gè)有效值y。使輸出集B中的元素遠(yuǎn)少于輸入集A中的元素，當(dāng)需要取出全部有效輸出值時(shí)仍需要多次計(jì)算。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

1、量子理論量子論的一些基本論點(diǎn)并不顯得“玄乎”，但它的推論顯得很“玄”。

按照量子論假設(shè)一個(gè)量子距離，即最小距離的兩個(gè)端點(diǎn)Ａ和Ｂ，物體從Ａ不經(jīng)過Ａ和Ｂ中的任何一個(gè)點(diǎn)，就能直接到達(dá)Ｂ。即物體在Ａ點(diǎn)突然消失，與此同時(shí)在Ｂ點(diǎn)出現(xiàn)。而在宏觀世界無法找到這樣的例子，量子論把人們?cè)诤暧^世界里建立起來的許多常識(shí)和直覺推翻了。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

2、模擬系統(tǒng)在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單位是量子比特，運(yùn)算對(duì)象是量子比特序列。而量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)不僅提供了量子并行計(jì)算的可能，還帶來許多奇妙的性質(zhì)。如可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測(cè)量得出計(jì)算結(jié)果；在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計(jì)算可看作是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量進(jìn)行變換，所有這些變換同時(shí)完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱作量子并行計(jì)算。另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項(xiàng)工作是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法勝任的。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

量子態(tài)就是量子狀態(tài)，即微觀粒子所可能具有的狀態(tài)——能量狀態(tài)。

原子中的電子具有能級(jí)狀態(tài)，即這些電子的能量是量子化的，電子只可能具有某條能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量。

晶體的電子具有能帶狀態(tài)，即這些電子的能量也是量子化的，但電子只可能具有某個(gè)能帶中的某條能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量。

理解：好比在一個(gè)教室中有許多座位，某個(gè)學(xué)生可以去占據(jù)某個(gè)座位，某個(gè)座位也可以空著。這里的座位就相當(dāng)于量子態(tài)，學(xué)生就相當(dāng)于微觀粒子。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

（二）算法理論1、量子計(jì)算概念

量子計(jì)算機(jī)控制原子或小分子的狀態(tài)，記錄和運(yùn)算信息。

1994年貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾（PeterShor）證明量子計(jì)算機(jī)能做出離散對(duì)數(shù)運(yùn)算，速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。因?yàn)榱孔涌梢酝瑫r(shí)表示多種狀態(tài)。一次運(yùn)算可以處理多種不同狀況，因此，一個(gè)40比特的量子計(jì)算機(jī)，就能在很短時(shí)間內(nèi)解開1024位計(jì)算機(jī)花上數(shù)十年解決的問題。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計(jì)算

量子計(jì)算機(jī)是使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備。其用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，使用量子算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。量子信息學(xué)中，量子信息的基本單位是量子比特(qubit，復(fù)數(shù)qubits)，稱為量子位。一個(gè)qubit是一個(gè)雙態(tài)量子系統(tǒng)，是一個(gè)二維希爾伯特空間，是描述態(tài)矢的抽象空間，由于光子的偏振態(tài)以及電子的自旋態(tài)都只有兩個(gè)正交取向，即相當(dāng)于相互垂直的兩個(gè)坐標(biāo)軸，所以是二維。量子位數(shù)就是雙態(tài)量子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)。如果采用光子的偏振態(tài)，那么有幾個(gè)光子，就有幾個(gè)量子位數(shù)，如果采用電子同理。

2012年10月物理學(xué)家組織基于硅材料內(nèi)的單個(gè)原子制成了首個(gè)可工作的量子位。為研發(fā)超強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)鋪平了道路。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計(jì)算要說清楚量子計(jì)算，首先看經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為：對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。（1）其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號(hào)，用量子力學(xué)的語言來描述即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。

例如輸入二進(jìn)制序列0110110，用量子記號(hào)，即|0110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。而經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加態(tài)：

C1|0110110>+C2|1001001>。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計(jì)算（2）經(jīng)典計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步變換都演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個(gè)性質(zhì)，其輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)（如二能級(jí)系統(tǒng)）的量子系統(tǒng)來描述，量子計(jì)算機(jī)的變換（即量子計(jì)算）包括所有可能的幺正變換。（3）量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；（4）量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計(jì)算機(jī)對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量，給出計(jì)算結(jié)果。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

3、承載16個(gè)量子位的硅芯片

量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子計(jì)算。其最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換（計(jì)算）相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，這就是量子的并行計(jì)算特征。

D-Wave系統(tǒng)為基于硅芯片實(shí)現(xiàn)了16個(gè)量子位，如圖所示。并計(jì)劃在未來增加量子位的數(shù)量，如達(dá)到32個(gè)，直至1024個(gè)。隨著量子位數(shù)量的增加，計(jì)算能力預(yù)計(jì)將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（一）研究的歷程

最早發(fā)表“基于量子力學(xué)的信息處理”的文章是亞歷山大.豪勒夫（1973）、帕帕拉維斯基（1975）、羅馬.印戈登（1976）和尤里.馬尼（1980）年。

1969年史蒂芬·威斯納最早提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”。即國(guó)際上首款量子計(jì)算機(jī)誕生。

1982年理查德.費(fèi)曼在一個(gè)演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算。

1985年大衛(wèi).杜斯提出了量子圖靈機(jī)模型。

1994年彼得.秀爾證明量子計(jì)算機(jī)完成對(duì)數(shù)運(yùn)算。

2018年12月6日首款國(guó)產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)OriginQQuantumAIO在合肥誕生，該系統(tǒng)由本源量子開發(fā)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況1、研發(fā)趨勢(shì)

正如貝奈特（Bennett）教授所說，“現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)只是一個(gè)玩具，真正做到有實(shí)用價(jià)值的也許是5年，10年，甚至是50年以后”；

我國(guó)科技大學(xué)的郭光燦教授則宣稱，他領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室將在5年之內(nèi)研制出實(shí)用化的量子密碼！

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程充滿了偶然和未知，就是物理學(xué)泰斗愛因斯坦也沒想到，為了批判量子力學(xué)而假想出來的EPR態(tài)，在六十多年后不僅被證明是存在的，而且還被用來做量子計(jì)算機(jī)。

在量子的狀態(tài)下不需要任何計(jì)算過程，計(jì)算時(shí)間，量子進(jìn)行空間跳躍?？梢哉f量子芯片，是終極的芯片。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況2、國(guó)外研究狀況1920年，奧地利人埃爾溫·薛定諤、愛因斯坦、德國(guó)人海森伯格和狄拉克，共同創(chuàng)建了一個(gè)前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。美國(guó)的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學(xué)院、IBM、和斯坦福大學(xué)、武漢物理教學(xué)所、清華大學(xué)四個(gè)研究組已實(shí)現(xiàn)7個(gè)量子比特量子算法演示。2001年，科學(xué)家在具有15個(gè)量子位的核磁共振量子計(jì)算機(jī)上成功利用秀爾算法對(duì)15進(jìn)行因式分解。2005年，美國(guó)密歇根大學(xué)的科學(xué)家使用半導(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn)離子囚籠（iontrap）。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。2009年，耶魯大學(xué)的科學(xué)家制造了首個(gè)固態(tài)量子處理器。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況2、國(guó)外研究狀況2009年11月15日，世界首臺(tái)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)正式在美國(guó)誕生。同年，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的科學(xué)家研制出基于量子光學(xué)的量子計(jì)算機(jī)芯片，可運(yùn)行秀爾算法。2010年3月31日，德國(guó)于利希研究中心發(fā)表公報(bào)：德國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)成功模擬42位量子計(jì)算機(jī)。

2011年4月，來自澳大利亞和日本的科研團(tuán)隊(duì)在量子通信方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了量子信息的完整傳輸。

2011年5月11日，加拿大的D-WaveSystemInc.發(fā)布了一款號(hào)稱“全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)”的計(jì)算設(shè)備“D-WaveOne”，還沒有得到學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)同。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況2、國(guó)外研究狀況2012年2月，IBM聲稱在超導(dǎo)集成電路實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算方面取得數(shù)項(xiàng)突破性進(jìn)展。

2013年5月D-WaveSystemInc宣稱NASA和Google共同預(yù)定了一臺(tái)采用512量子位的D-WaveTwo量子計(jì)算機(jī)。2017年12月，德國(guó)康斯坦茨大學(xué)與美國(guó)普林斯頓大學(xué)及馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家合作，開發(fā)出了一種基于硅雙量子位系統(tǒng)的穩(wěn)定的量子門。量子門作為量子計(jì)算機(jī)的基本元素，能夠執(zhí)行量子計(jì)算機(jī)所有必要的基本操作。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況3、我國(guó)突破性成果

2013年6月8日，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的量子光學(xué)和量子信息團(tuán)隊(duì)首次成功實(shí)現(xiàn)了用量子計(jì)算機(jī)求解線性方程組的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)成果發(fā)表在2013年6月出版的《物理評(píng)論快報(bào)》上。實(shí)驗(yàn)的成功標(biāo)志著我國(guó)在光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。

2017年5月3日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授宣布，研究團(tuán)隊(duì)在2016年首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)。

2018年12月6日，首款國(guó)產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)OriginQQuantumAIO在合肥誕生，該系統(tǒng)由本源量子開發(fā)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況3、我國(guó)突破性成果

2004年中國(guó)科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信。

2005年在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏"拆分"、發(fā)送的世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。

2007年開始中國(guó)科大--清華大學(xué)聯(lián)合研究小組在北京架設(shè)了16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（三）研究意義

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。但是許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。

如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算？方案不少，問題很難！問題是在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難了。

已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點(diǎn)方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（三）研究意義

將來也許會(huì)脫穎而出一種全新的設(shè)計(jì)，而這種新設(shè)計(jì)又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導(dǎo)體材料對(duì)于電子計(jì)算機(jī)一樣。

研究量子計(jì)算機(jī)的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)。關(guān)鍵是其概念煥然一新，這是量子計(jì)算機(jī)與其他如光計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)等的不同之處。量子計(jì)算機(jī)的作用遠(yuǎn)不止是解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。未來計(jì)算機(jī)類型除了量子計(jì)算機(jī)外，還包括：激光計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)等。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

四、應(yīng)用領(lǐng)域

1、可能的應(yīng)用領(lǐng)域

量子計(jì)算主要應(yīng)用于復(fù)雜的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理與計(jì)算難題；基于量子加密的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)；基于在計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)，在金融、醫(yī)藥、人工智能等領(lǐng)域量子計(jì)算都有著廣闊的市場(chǎng)。2、商用量子計(jì)算機(jī)的問世

2007年加拿大計(jì)算機(jī)公司D-Wave展示了全球首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)“Orion（獵戶座）”，它利用了量子退火效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。2011年推出有128個(gè)量子位的D-WaveOne型量子計(jì)算機(jī)，2013年宣稱NASA與谷歌公司共同預(yù)定了一臺(tái)具有512個(gè)量子位的D-WaveTwo量子計(jì)算機(jī)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

四、應(yīng)用領(lǐng)域

3、NSA的加密破解計(jì)劃

2014年1月3日美國(guó)國(guó)家安全局（NSA）投入4.8億研發(fā)一款用于破解加密技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)，希望破解幾乎所有類型的加密技術(shù)。

4、編程通用量子計(jì)算機(jī)的誕生

2009年11月15日世界首臺(tái)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)正式在美國(guó)誕生。根據(jù)測(cè)試程序顯示，該計(jì)算機(jī)還存在部分難題需要解決和改善?？茖W(xué)家們認(rèn)為，可編程量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)際應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。5、單原子量子信息存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)

2013年5月德國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的科研小組，首次成功地實(shí)現(xiàn)了用單原子存儲(chǔ)量子信息——將單個(gè)光子的量子狀態(tài)寫入一個(gè)銣原子中，經(jīng)過180微秒后將其讀出。此突破有望助力設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，并讓其遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡(luò)”。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

四、應(yīng)用領(lǐng)域

6、線性方程組量子算法的實(shí)現(xiàn)

2013年6月8日由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的量子光學(xué)和量子信息團(tuán)隊(duì)的陸朝陽、劉乃樂研究小組，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了用量子計(jì)算機(jī)求解線性方程組的實(shí)驗(yàn)。7、金剛石建成首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)

2015年12月中國(guó)科技大學(xué)研究小組建立了一個(gè)可以使用相應(yīng)的方式退出體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠進(jìn)行更為大量的計(jì)算。這一新模型卻能夠在普通的房屋內(nèi)也能夠安全存放。其量子計(jì)算能夠在普通室溫的條件下工作，是借助于金剛石中少量的氮來完成的。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

五、深度探究——量子態(tài)與量子計(jì)算機(jī)

電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量。這種穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為量子態(tài)（quantumstate）。量子態(tài)是由一組量子數(shù)表征的，這組量子數(shù)的數(shù)目等于粒子的自由度數(shù)。1、量子傳輸

2010年6月1日世界頂級(jí)科學(xué)刊物《自然》雜志的子刊《自然-光子學(xué)》以封面論文的形式刊登了這項(xiàng)成果：一個(gè)量子態(tài)在八達(dá)嶺消失后，在并沒有經(jīng)過任何載體的情況下，瞬間出現(xiàn)在了16Km以外。實(shí)驗(yàn)的名稱叫作自由空間量子隱形傳態(tài)，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組共同完成。這一成果代表著量子通信應(yīng)用的巨大飛躍。美國(guó)國(guó)際科技信息網(wǎng)站盛贊!其主要應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)在思考有以下幾個(gè)方向。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

五、深度探究——量子態(tài)與量子計(jì)算機(jī)

2、量子通信

量子存在一種奇妙的"糾纏"運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。中科大教授彭承志將一對(duì)糾纏狀態(tài)下的光子比作有"心電感應(yīng)"的兩個(gè)粒子。

再用個(gè)更貼切的比喻，糾纏光子就好像一對(duì)"心有靈犀"的骰子，甲乙兩人身處兩地，分別各拿其中一個(gè)骰子，甲隨意擲一下骰子是5點(diǎn)，與此同時(shí)，乙手中的骰子會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到5點(diǎn)。這聽起來就像一場(chǎng)魔術(shù)表演。只是，甲和乙之間傳送的只是類似"轉(zhuǎn)成5點(diǎn)"之類的信息，而不是實(shí)物。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

五、深度探究——量子態(tài)與量子計(jì)算機(jī)

3、隱性傳輸距離

這段16公里的旅程創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這是目前這個(gè)星球中量子態(tài)在自由空間中所能隱形傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。

在量子態(tài)隱形傳輸旅程中，每一點(diǎn)距離的進(jìn)步都可以被視為一座里程碑。

1997年年底位于奧地利的蔡林格研究小組首次在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上幾米的距離內(nèi)成功地進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)。美國(guó)《科學(xué)》雜志卻將其列為該年度全球十大科技進(jìn)展。1999年奧地利蔡林格研究小組的論文又與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論等重大研究成果一起，