量子信息是以量子力學基本原理為基礎,把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊,進行計算、編碼和信息傳輸的全新信息方式[1]

量子資訊最常見的單位是為量子位元(qubit)——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。然而不同於古典數位狀態(其為離散),一個二狀態量子系統實際上可以在任何時間為兩個狀態的疊加態,這兩狀態也可以是本徵態

基礎

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重大發現

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1927年,海森堡發現在測量粒子動量和位置的時候會導致h/4π的誤差(兩者誤差相乘)。測量時位置的誤差越小,動量的誤差就會變得相當大。而h/4π就是這個誤差的下限(也就是說兩者誤差的乘積大於等於h/4π)。這一結論最終被稱作不確定性原理

1935年,阿爾伯特·愛因斯坦鮑里斯·波多爾斯基納森·羅森提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論,客觀上揭示了量子糾纏現象。

1984年,查爾斯·貝內特(Charles Bennett)與吉勒·布拉薩(Gilles Brassard)提出一種量子密碼分發協議,後被稱為BB84協議[2]

1994年,數學家彼得·秀爾發現針對整數分解秀爾演算法Shor算法)。2001年,IBM使用NMR實做的量子計算機以及7個量子位元展示了秀爾演算法的實例,將15分解成3×5[3]

相干特性

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EPR實驗假設一個零自旋中性π介子衰變成一個電子與一個正電子,這兩個衰變產物各自朝著相反方向移動,雖然彼此之間相隔一段距離,它們仍舊會發生量子糾纏現象。

由於量子相干性量子比特在測量過程中會表現出與經典情況完全不同的行為[4]。測量儀器與被測系統的相互作用會引起所謂的波包塌縮。這時相干性將被徹底破壞,即發生了所謂的量子退相干[5]量子糾纏是多比特系統特有的量子性質。兩個比特的量子系統不僅有經典系統中的4種不同的狀態,並且可以處在非平凡的雙粒子相干疊加態(量子糾纏態)上,這構成了量子通訊的物理基礎[1]

領域

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量子通信

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美國在2005年建成了DARPA量子網絡[6][7],連接美國BBN公司哈佛大學波士頓大學3個節點。中國在2008年研製了20km級的3方量子電話網絡[8][9][10]。2009年構建了一個4節點全通型量子通信網絡[11],大大提高了安全通信的距離和密鑰產生速率,同時保證了絕對安全性[12][13][14][15]。同年,「金融信息量子通信驗證網」在北京正式開通,是世界上首次將量子通信技術應用於金融信息安全傳輸。2014年中國遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至200公里,刷新世界紀錄[16]。2016年8月16日,中國發射一顆量子科學實驗衛星「墨子號」,連接地面光纖量子通信網絡[17][18],並力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通信網

量子計算

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量子計算機由包含有導線和基本量子門的量子線路構成,導線用於傳遞量子信息,量子門用於操作量子信息[19]

2015年5月,IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破,開發出四量子位原型電路(Four Quantum Bit Circuit),成為未來10年量子電腦基礎。另外一項是,可以同時發現兩項量子的錯誤型態,分別為Bit-Flip(位元翻轉)與Phase-Flip(相位翻轉),不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態,使量子電腦運作更為穩定。[20]2016年8月,美國馬里蘭大學學院市分校發明世界上第一台由5量子位元組成的可編程量子計算機[21][22]

量子雷達

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量子雷達屬於一種新概念雷達,是將量子信息技術引入經典雷達探測領域,提升雷達的綜合性能[23]。量子雷達具有探測距離遠、可識別和分辨隱身平台及武器系統等突出特點,未來可進一步應用於導彈防禦和空間探測,具有極其廣闊的應用前景[24]。根據利用量子現象和光子發射機制的不同,量子雷達主要可以分為三個類別:一是量子雷達發射非糾纏的量子態電磁波;二是量子雷達發射糾纏的量子態電磁波;三是雷達發射經典態的電磁波[25]。2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2013年義大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測,證明其有實戰價值的可能性[26]。中國首部基於單光子檢測的量子雷達系統由中國電科14所研製,中國科學技術大學、 中國電科27所以及南京大學協作完成[27]。不過專家表示,量子雷達想要實現工程化可能還有比較漫長的路要走[28]

量子博弈

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量子博弈英語Quantum game theory是Eisert等人在1999年提出的,遊戲者可以利用量子規律擺脫所謂的囚徒困境[1],防止某一玩家因背叛而獲利[29]

參考來源

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參考文獻

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延伸閱讀

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參見

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外部連接

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