【新知】量子技術初探

時間 2019-12-07

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「目前咱們已經進入了一個能看到量子計算機將要作出來的時間段——即最後一里路。這「最後一里路」，不只過程很是艱難，並且耗時也會很長。」算法

——中國科學院院士、量子計算泰斗姚期智教授安全

乍寒乍暖的上海，魚缸裏有一撮設計師老是想搞點小事情，他們不知足於設計領域的一畝三分地，更進一步想要了解不一樣行業和領域最新的知識和資訊。本次他們選擇的是科技領域目前很是火的「量子技術」。做爲一個外行人，想要經過學習梳理清量子技術總體的知識輪廓。帶着對新技術的好奇，這些設計師們開始了爲期一個月主題爲「量子技術初探」的新知學習。本篇文章也能夠看做編者的讀書筆記。架構

學習過程當中他們圍繞如下幾個問題尋找答案：函數

1.什麼是量子？學習

2.什麼是量子技術？測試

3.什麼是量子計算機？編碼

4.量子技術的發展處於什麼階段？將來有哪些可能的應用前景？加密

1.什麼是量子？

量子到量子通訊的發展簡介設計

量子（quantum）是現代物理的重要概念。最先是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。自從普朗克提出量子這一律念以來，經愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世紀的前半期，初步創建了完整的量子力學理論。絕大多數物理學家將量子力學視爲理解和描述天然的基本理論[1]。blog

在1981年時，諾貝爾獎得到者理查德·費曼（Richard Feynman）首次提出量子計算機的概念[2]。1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位來自不一樣國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案[3]。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證實量子計算機能完成對數運算，並且速度遠勝傳統計算機，這也是在量子計算理論提出十多年後的第一次實驗[2]。隨着科學社會的不斷進步與發展，量子技術的研究與應用開發現已成爲了世界各國科技領域的熱門話題。

什麼是量子？

目前科學對量子的定義是，將一個物質或者物理量分割至不可再分割的狀態，就把這個對應狀態的最小微粒子稱爲量子[5]，這種不可再分割的狀態是日常所說的量子態。

在進行理論描述的時候咱們常常會用到兩個概念：

第一個概念是：量子自己是一種物理量是一個單位，不是一種粒子。舉例來講不能說一「個」量子，而要說一「量子份」。

第二個概念是：在多數狀況下「量子」是一個形容詞而不是名詞，它是指一種尺度，在這種尺度下量子力學理論生效。這套理論是人類現有認識範圍內物質世界的「基本法」[4]。在這個概念下，爲方便理解，全部基本粒子（質子電子中子奈子）都被稱做「量子」。由於在這個尺度下這些微觀粒子的能量特性已經不可被忽略，所以量子物理學家爲了與經典物理學中的「粒子」這一樸素觀念加以區分，提出了量子這個概念[6]。

量子有哪些特性？

要理解量子計算和量子通訊，首先要了解量子的特性。由於量子計算和量子通訊的發展都是創建在量子特性的基礎上的。量子的特性描述的是量子與量子之間的關係，實際上也是指的量子力學的特性。

量子疊加

若是把經典物理學看做一枚硬幣，那麼這枚硬幣不是反面就是正面。同理，在量子物理學中，這枚硬幣能夠同時表示「正」、「反」兩種狀態[7]。即一個量子位同時表明兩個狀態，兩個量子位結合起來就能夠同時表明四個狀態。量子被觀測或者被查看以後的狀態只能有固定的狀態，這個過程被稱爲疊加塌陷。

從微觀物質上對量子疊加進行解釋：波粒二象性（光電子同時具備波動性與粒子性）

下面來了解一下電子雙縫干涉試驗。首先關於干涉的概念：若是有一個波，通過了兩個狹縫，出來就變成兩個子波了，這兩個子波在隨後傳播過程當中就會出現干涉。干涉的意識即指這兩個子波在每一個點上都相互做用着，最後觀察到的波是一些干涉波紋。若是看到干涉條紋，便可知觀察到的是個波，並且這個波是在兩個狹縫同時出現的。

當每次只發射一個電子的時候，這個電子經過雙狹縫打到電子屏上，激發出一個小亮點，這是電子的粒子性。可是事先也不知道電子會出如今屏幕上的什麼地方，結果屢次重複，通過大量的觀察發現，這些電子有時出如今這裏，有時出如今那裏，在某些地方出現的頻率高一些，在另外一些地方則小一些；出現頻率高的地方，剛好是波動規律所預言的干涉條紋的亮處，而出現頻率低的地方，對應於干涉條紋的暗處。因此，大量的實驗證實：電子儘管是粒子，可是其運動體現了波的性質，並且每一個電子必須同時出如今兩個小孔中，才能進行干涉[8]。

所以由電子的干涉條紋的出現能夠反推到電子是同時出如今兩個孔中的，這體現了量子疊加特性，即一個量子位同時存在兩個狀態，既在A孔，也在B孔。電子在沒有被觀測的時候，沒有肯定的狀態。若是咱們觀察它，好比在兩個狹縫處設置探測器，電子一被觀測，就只出如今一個狹縫上了，干涉條紋馬上消失（干涉條紋經觀測馬上消失，是既有理論波函數坍縮的結論）。也就是說你一觀察，電子就在一個肯定的地方出現了，這就是所謂量子的疊加坍塌。

電子波粒二象性示意

從宏觀哲學上解釋薛定諤的貓

把一隻貓放進一個封閉的盒子裏，而後把這個盒子鏈接到一個裝置，其中包含一個原子核和毒氣設施。設想這個原子核有50%的可能性發生衰變。衰變時發射出一個粒子，這個粒子將會觸發毒氣設施，從而殺死這隻貓。根據量子力學的原理，未進行觀察時，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態，所以，那隻可憐的貓就應該相應地處於‘死’和‘活’的疊加態。非死非活，又死又活，狀態不肯定，直到有人打開盒子觀測它[10]。

貓在未被觀察到時候可能存在的兩種狀態即所謂的疊加態。而經觀察後呈現的結果能夠看做量子的疊加坍塌。

量子糾纏

量子糾纏與「薛定諤的貓」是相似的，只不過「薛定諤的貓」講的是同一個東西處於不一樣的狀態的迭加，量子糾纏講的是若是有兩個以上的量子位它們都處於不一樣的狀態的迭加，它們彼此之間不管多遠也可以相互關聯。

科學實驗發現，二個沒有任何關係的量子，會在不一樣位置出現徹底相關的相同表現。如相隔很遠（不是量子級的遠，是千米、光年甚至更遠）的二個量子，之間並無任何常規聯繫，一個出現狀態變化，另外一個幾乎在相同的時間出現狀態變化，並且是與前一個狀態變化相關的，不是巧合。這就是量子糾纏[8]。好比說，兩對情侶相隔無窮遠，一個頭上長了草，另外一個頭上也會長草。

也就說，只要發現了兩個相互糾纏的量子的規律，改變其中一個量子的狀態就能夠控制另一個量子。這就是量子點糾纏。

量子糾纏示意

量子態的脆弱性

量子態很是脆弱。測量、觀察、接觸或擾亂任何這些狀態，它們就會坍塌成經典狀態[7]。實際上就是前文所講的量子的疊加坍塌所致使的脆弱性。

量子坍塌示意

量子態的不可克隆性

脆弱性的一個推論是「不可克隆定理」。在經典物理中，若是兩個比特位由下面的硬幣來表示，人們能夠複製或竊聽和從新建立該信息[7]。相比之下，人沒法對一個不知道狀態的量子進行克隆。因此，要克隆，則須要干擾纔可以得到量子傳遞信息的狀態。這個概念是量子通訊的基礎。

2.量子技術是什麼？

做爲一個非專業人士咱們更關心量子理論相關的技術。那麼相關量子技術是什麼？

首先，如同討論經典計算技術不能不說經典計算機同樣，介紹量子技術不得不提到量子計算機，這個量子技術的載體。簡單的講量子計算機就是運行量子算法的計算機。他的核心原理是原子原子尺度上的，必須用量子力學解釋的物質性質。

在量子領域內研究前沿的技術有：量子通訊，量子計算，量子仿真和量子傳感等；根據專家訪談獲知在量子通訊和量子計算方面是現階段集中的研究領域。

量子通訊

量子通訊是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。量子通訊主要涉及：量子密碼通訊、量子遠程傳態、量子密集編碼等，進來這門學科已逐步從理論走向實驗，並向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們關注。量子通訊是基於量子力學的「糾纏+不可克隆」的特色進行信息傳遞，所以成爲國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

那麼量子通訊的安全性體如今哪裏呢？

首先，對於傳統通訊來講，想要保證安全性，須要將明文加密發送出去，到接收方再把密文解碼。在這個過程當中，咱們假定設置了一個三位的數字密碼，若是第三方（暫時稱其爲「竊聽者」）想要破解密碼，則最多可能測試10的3次方來破解。再進一步咱們假定密碼很是複雜，則這個破解的次數也是很是大，可是老是一個肯定的數字。在密碼破解領域有另一個假定就是「竊聽者」的計算能力是無限大的，那麼這個密碼老是可以被破解，只是時間快慢的問題。

而對於量子通訊來講，因爲量子的不可克隆性，因此在發送端和接收端可以保證信息傳遞過程當中一旦被「竊聽」雙方可以迅速意識到，這樣安全性更加獲得保證。

下面密鑰分發的經典案例BB48密鑰分發方式來介紹量子通訊過程：

在接收端（ bob ）選擇，水平和垂直做爲測量基，45度和135度做爲測量基。

在發送端（alice) ，也是有四個發送基．發送端隨機選擇發送基進行發送

在接收端， bob 隨機選取兩個測量基進行一個測量，這樣正確的機率就是2/4也就是1/2 。

整個過程能夠看做alice要打電話給 bob，alice有四個編號爲ABCD手機隨選擇一個使用，bob有一樣四個編號ABCD手機只能隨機選擇兩個接聽（這個過程叫作測量），只有bob恰好接起了alice打的那個手機纔是準確的。

alice會把要說的話分紅屢次（好比十次）電話裏說出去。bob 接完全部的alice打的電話以後，開始告訴 alice本身每一次接聽的手機編號（好比第一次是A+B手機），而後alice會根據bob的反饋告訴他第幾回是正確的，第幾回是錯誤的（好比第一次alice是用的C手機，那麼此次測量就是錯的，信息要捨棄），這個過程就是協商。

這個協商過程在通訊後纔開始進行。能夠徹底保證雙方的隨機性以此保證總體的安全。

量子計算

量子計算是一種基於量子力學的特性進行計算的新型計算模式。

爲了方便介紹量子計算咱們能夠拿傳統計算模式進行對比。傳統計算中信息存儲的基本單位是bit，比特使用二進制，一個比特表明「0」（非激活態）或者「1」（激活態）兩個狀態中的一個。而量子計算中一個量子信息處理的基本單位被稱爲來拿量子比特，他的原理就是利用單電子自旋的原理。對於一個最小單元處於激活態被稱爲「1」處於非激活態被稱爲「0」，方向向上被稱爲另一個維度的「1」方向向下被稱爲「0」。

qubit vs bit

量子計算是利用量子的「疊加和糾纏」的特性。「疊加」使量子比特可以存儲多個信息狀態；「糾纏」保證當多個相互糾纏的量子比特其中一個的狀態改變的時候其他量子比特的狀態會瞬時進行改變。也就是說，處理一個量子比特的儲存信息的時候，其餘量子比特的存儲信息會同時被計算出來，從而產生超快的計算速率。

量子疊加&量子糾纏示意圖

量子計算相對於經典計算有什麼優點和缺陷呢？

優點就是在特定領域量子計算的速度遠大於經典計算模式。舉個例子，目前世界最強的超級計算機是神威·太湖之光，運算速度是每秒9.3億次；而一臺50量子比特的運算速度達到每秒1125億次，瞬間秒殺世界最強超級計算機。

劣勢是現階段的量子計算很是不穩定，並且精度差錯誤率高。緣由是量子比特的疊加和糾纏狀態是很是脆弱的，不能收到一點干擾，現有量子計算機幾乎所有須要在低溫條件下工做，這比如拿一根很細的針頂起一個雞蛋，稍有干擾，結果就會變得一片狼藉。