量子信息理论范文

量子信息理论范文（精选9篇）

量子信息理论 第1篇

一经典信息与量子信息

为了在信息论语境下讨论量子力学, 我们首先应该从信息的最原始概念入手。事实上, 信息是一个高度抽象的概念, 很难找到一个统一的定义。意大利学者弗洛里迪认为“信息常常与通信现象联系在一起来使用, 用来指客观的 (在独立或外在于心智的以及独立于接受者的意义上) 语义内容。这些语义内容具有不同的大小和价值, 它们可以用一连串的代码和格式来加以表述, 并被嵌入到不同类型的物理操作之中。它们能够以各种形式被产生、处理、交流以及获取。”[4]可以看出, 这是一种非常广义的信息概念, 而从狭义上来讲, 信息就是数据或消息中所包含的确定性意义, 它能够减少消息中所描述事件的不确定性。在经典通信理论中, 我们日常接触的经典信息以比特 (bit) 作为信息内容的基本单元, 比特具有“0”或“1”两个状态, 一比特信息就是一个双态系统的取值被确定为两个状态中的某一个时, 系统所包含的信息量。这里需要指出的是, 比特并不是物理系统:它只是与两个可选物理状态相对应的信息的抽象单位;我们可以随意使用比特的概念, 而不用考虑信息是以何种物理状态表征的。

经典信息理论最初是为了解决电子信号通信中的数据压缩和传输等问题才建立起来的。1948年, 申农用熵来度量了随机变量的不确定程度, 这也就是我们现在所熟知的申农熵。即如果随机变量X的概率密度函数为p (x) , 那么X的申农熵的定义为:

申农熵的量纲为比特, 这意味着一条随机信息的熵的值就正好等于表征该信息所需要的比特数。

我们至少可以从两种视角来理解申农熵的意义。一方面, 我们可以将-log2p (x) 这个关于p (x) 的减函数看做是对信息的量度, 这种信息可用来确定由一个信息源产生的符号有关。这样H (X) 就表示为平均信息增益, 或者信息增益的期望值, 由它可确定随机变量X的值。从另一个角度看, “我们可以将熵视为在确定X的值之前对其总的不确定性的量度。一个可以产生两个可区分符号 (且出现概率相同) 其中之一的源, 如抛一次硬币, 就具有1比特的申农熵:确定产生了哪个符号, 或者消除了关于产生哪个符号的不确定性, 与这1比特的信息总量相关。如果我们已经知道哪个符号将被产生 (因此概率为1或0) , 那么熵则为0:没有不确定性, 就没有信息增益。”[5]558

类似于经典信息中的比特, 在有关量子信息与量子计算的理论中, 量子比特 (qubit) 是信息的基本单元。从物理学的角度看, 信息由物理系统的状态来表示。经典信息可表示为经典物理系统的状态, 如电路中无电流脉冲表示状态0, 有电流脉冲则表示状态1。量子信息则由量子系统的态表示, 如用电子的自旋向上和向下就可以表示一量子比特所包含的信息。两个相互独立的基本量子态 (即量子比特) 可以用狄拉克符号|0〉和|1〉来标记。当然。经典信息也可以用狄拉克符号来表示, 不过经典态只能处在|0〉或|1〉之中的一个态上, 而量子态则可以同时既处于|0〉态又处于|1〉态上。可以说, 量子信息和经典信息的本质区别在于量子态和经典态的可辨识性不同。所有不同经典态组成的集都是完全可辨识的, 而只有相互正交的量子态组成的集才是是完全可辨识的。这是由于经典系统的状态总是可以相互区分的, 而量子态则有可能是可区分的 (如正交态) , 也可能是不可区分的 (如非正交态) 。事实上, 经典态的集是由相空间中正交的单元素子集表示的, 从某种意义上来说, 它可被看做是希尔伯特空间中的正交子空间构成的子集。这就意味着经典信息事实上是量子信息的一个子类。

量子信息理论的一个预设目标就是将经典信源扩展为与量子态相关的一个量子信源, 并使申农熵的概念得以一般化, 以适用于任意的量子混合态。这样就定义了一个量子混合态ρ的冯诺依曼熵 (经典信息申农熵的推广) 为

只有当信源产生的量子态相互正交时, 冯诺依曼熵才等于申农熵, 在非正交情况下, 冯诺依曼熵都是严格小于申农熵的。与申农熵被看做是对平均信息量的测量不同的是, “冯诺依曼熵一般来说不能表征通过标识一个可表征为混合态的随机源产生的量子态来获得的信息量, 因为一个混合态中的非正交量子态是不能被确定地识别的。”[5]577

事实上, 从上面的讨论可以看出, 从信息的视角看, 量子态和经典态的区别只是在于它们可承载的信息量是不同的, 但它们的相同之处在于二者都能被看做是抽象的信息的载体。既然我们可以通过信息理论来重构经典理论如经典热力学, 那么是否也能够在信息理论的语境下重构量子力学呢?

二信息理论语境下的量子力学原理

关于量子信息理论与量子力学的关系问题, 国外已经有不少的学者对此进行过深入的讨论, 而得到的结论也并不一致, 甚至是相互对立的。例如“福斯等认为, 纯粹的量子信息理论可以重构量子力学的概念基础, 而哈格 (Hagar) 认为, 量子信息理论不能重构量子力学概念基础, 更不能解释量子力学的测量问题。”[6]不过, 本文并不是讨论如何具体地利用量子信息理论来建构量子力学, 而是在信息理论语境下, 考查一条更具有哲学意义的量子力学基本原理。

当前, 在物理学家和科学哲学家就量子力学的理论基础进行的讨论中, 最受关注的莫过于对量子测量问题的研究以及由此产生的各种各样的量子力学解释。事实上, 一些解释是相互矛盾的, 甚至在某些解释中还存在许多相互矛盾的概念。我们有如此多的哲学背景完全不同的量子力学解释, 这个事实本身就意味着关于量子力学还存在一个重要的问题, 那就是:目前我们还尚未确定一个公认的量子力学的基本原理。这里所说的基本原理, 并不是那种形式化的量子力学数学基础, 而是一种基本的概念性原理。例如, 狭义相对论中的相对性原理:物理定律在任何惯性参考系中都具有相同的形式, 这与惯性参考系自身的相对运动状态无关。

从科学解释的目的看, 至少存在两类不同层次的理论解释。第一类解释是科学理论范围内的解释, 它们是为了说明如何来证实理论给出的预言。这类解释通常与具体的操作规则和实验概念相关, 以说明由形式符号构成的理论是如何与实际观测相联系起来的。在量子力学中, 最明显的一个例子就是对概率或者说对概率幅的绝对值平方的解释。第二类解释通常更具有哲学内涵, 它们是为了分析理论中蕴涵着什么样的普遍性观点, 这些观点如何能改变我们对世界是认识。这是对更深层的理论意义的探讨。

就量子力学来说, 在第一类解释方面, 基本上当前所有的量子力学解释都是一致的。它们都相信量子理论会给出相同的实验预测, 而这些结果反过来又证实了量子力学的正确性。在第二类解释方面, 当我们涉及理论的深层内涵时, 情况就复杂多了。众多的量子力学解释, 如最初的哥本哈根解释、多世界解释、玻姆解释、退相干解释以及范弗拉森的模态解释等, 都分别描述了不同是世界图景。当量子理论不能帮助我们在这些解释中作出选择时, 或许我们应该做的不是比较和分析这些解释, 而是要思考我们上面所述的那些重要的问题, 即是否我们能确立一个类似于相对性原理那样的一个 (或一些) 能被广泛认可且清晰易懂的量子力学基本原理?而一般性的信息概念在这方面恰好能帮助我们。

菲林格尔于1999年就在信息理论语境提出了这样一条量子力学基本原理:对非纠缠量子系统来说, “每个基本系统都承载1比特的信息”[1]635, 对纠缠量子系统来说, “N个基本系统承载N比特的信息”[1]637。菲林格尔在这里需要区分纠缠量子系统与非纠缠量子系统的原因在于, 纠缠量子系统不能完全分解为单个基本系统的组合。菲林格尔提出这样的基本原理是基于两方面的哲学假设:

一是基于现象主义的观点, 他认为我们理解的物理对象是我们对真实客体进行主观建构而得到的模型, 不过这种模型由于受到了观察的检验, 因而是具有主体间性的。在这种意义下, 菲林格尔指出:“我们对物理世界的描述是由命题表征的。对任一客体的完整描述都可表述为一组命题。”[1]633这样, 我们可以把物理客体看做一个系统, 并且能够将组成系统的这组命题进行分解, 这也就意味着将系统进行了分解。显而易见的是, 这种分解的极限就是最后得到一个只表征单一命题真值的系统, 这样的系统, 就被称之为一个基本系统。在信息理论的语境下, 我们知道一个命题的真值可以表示为一个比特的信息, 即“命题为真”由比特值“1”表征, “为假”则由比特值“0”表征。因此, 我们就得到了上述基本原理:每个基本系统都承载1比特的信息。

二是针对物理理论的工具主义认识。在这种认识下, 菲林格尔利用上述基本原理说明了量子力学的动力学演化的确定性与测量结果的随机性是不矛盾的。他认为“我们总是希望使用以前获得的信息, 来对未来作出预测。这里的预测可阐释为对未来的系统或客体的属性的预测, 也就是关于未来的具体观察的命题。因此, 物理的一个 (虽然也许不是唯一的) 重要作用, 就是将过去的观察与未来的观察关联起来:或者, 更确切地说, 使观察更加具体化物理定律的重要作用就是要表达这种关联的规律性和一般性。”[1]633以这种观点来看量子力学的话, 薛定谔方程的作用正在于此。对一个基本量子系统来说, 时刻ti的初始态ψ (ti) 表示我们由前期 (经典) 观察得到的一个命题, 这个命题包含着我们所具有的关于客体的信息。遵从薛定谔方程进行时间演化后, 在时刻tf我们就得到系统的终态ψ (tf) 。这里终态ψ (tf) 就表征了所有未来可能出现的观察 (即测量) 结果, 它包含的信息就是这些可能结果以概率方式共同存在的。当测量发生后, 我们得到的具体结果是随机的, 这种随机性出现的原因正是由于我们的量子系统所对应的那个命题并没有承载测量会得到一个确定结果这样的信息。

考虑一个沿z轴方向自旋的粒子, 其量子态为 |+z〉表示沿z轴方向自旋向上, |-z〉表示沿z轴方向自旋向下。这个基本量子系统包含了1比特的信息, 即我们通过测量将会以1/2的概率得到粒子自旋向上的可能结果和以1/2的概率得到粒子自旋向下的可能结果。事实上, 实验观察的确会以这种概率随机的方式给出一个结果。量子力学不能以任何方式告诉我们在一次特定的实验中我们观察到哪个特定的结果, 正是因为这个基本系统中仅仅承载了1比特的信息, 而它并不是关于测量会得到|+z〉这个具体结果或得到|-z〉这个具体结果的。因此, 测量后得到的新系统所包含的新信息是测量自身所创建的。

菲林格尔还扩展了该基本原理使之适用于纠缠量子系统。考虑N个基本系统, 假设最初这些系统是完全分离的。这里完全分离意味着这些基本系统之间不存在相互作用, 因为并没有额外的信息说明系统是如何相关联的。那么, 我们就可以将上述关于信息量的基本原理扩展为:N个基本系统承载N比特的信息。然后, 我们令最初完全分离的基本系统互相作用。假设这种相互作用仅仅发生在这N个基本系统之间, 它们与环境之间并不存在相互作用, 即没有与环境进行信息交换, 那么由上述N个基本系统共同表征的信息就是守恒的。也就是说, 相互作用可以既不增加也不减少总系统表征的信息量。需要注意的是, 这里我们并不讨论N比特的信息是如何在N个系统中具体分布的。它们既可能还是独立地分布在N个基本系统中, 也可能以一种联合的方式由N个系统共同表征。而后一种情况正是对应于纠缠量子系统的。通过这种方式, 扩展后的基本原理就也可适用于纠缠系统了。

三信息理论语境下的量子力学表征

与菲林格尔只是提出一条基于信息的量子力学原理相比, 克里夫顿、巴布和哈维森似乎走得更远, 他们在信息理论语境下建构了一套量子力学表征体系, 并将其称为CBH表征定理。他们认为对物理系统的量子理论描述可以建立在三条基本的信息论约束条件之上, 即:

“ (1) 通过对两个物理系统中的一个实施测量, 不可能使它们之间存在超光速的信息转移;

(2) 包含在未知物理态中的信息不可能得到完美的传播;

(3) 无条件安全的比特承诺是不可能的。”[3]1562

这三个约束条件事实上是非相对论量子力学的三条结论, 克里夫顿等人将其看做是信息理论语境下的三条基本的自然定律, 并认为量子力学可以完全还原为这三个约束条件。

CBH表征定理是通过应用C*代数这个一般性的数学框架, 将信息理论语境下的约束条件进行形式化的。在当代数学研究中, C*-代数是局部紧群的酉表示理论中的重要方法, 并且作为对一个物理理论进行数学抽象描述的工具, 它可以广泛地应用于包括有关波和粒子在内的所有经典理论, 也可被用为量子力学的代数架构。这里我们并不讨论C*代数的一般形式和定义, 而仅说明CBH表征定理是如何应用C*代数来重新表征量子力学的。

我们可以考虑一个复合量子系统AB, 它由两个子系统A和B构成。我们可以不失一般性地假设这两个系统是不可分辨的, 也就是说它们的C*代数A和B是同构的。子系统A和B的可观察量可以各自表示为A和B的自伴元素。用A∨B表示由A和B生成的C*代数。

信息理论语境下的第一个约束条件“通过对两个物理系统中的一个实施测量, 不可能使它们之间存在超光速的信息转移”意味着:当我们分别在A系统或B系统进行定域性测量时, A系统上的测量对于B系统测量结果的统计性没有任何影响, 反之亦然。也就是说, 仅仅对一个系统执行一次定域性测量, 不能输送任何信息给另一个在空间上相分离的系统, 以至于对于后者来说, 在测量结果的期望值方面, 无论是在前者上的测量完成前还是结束后, 都应该是相同的。CBH表明这条约束是有效的:如果A和B从前述意义上看在物理上是相分离的, 也就是说, A的每个元素和B的每个元素都两两对易的, 那么它们在运动学上就是独立的系统。

第二个约束条件“包含在未知物理态中的信息不可能得到完美的传播”说明了单个系统中的C*代数A和B是不对易的。对于纯态来说, 传播可等价为克隆, 在量子力学中, 一般而言量子信息的克隆和传播都是不可能的。量子力学中的干涉现象是量子可观察量不对易的物理表现。因此, 一个未知量子态中的信息不可能完美地传播, 或者说一个纯态中的信息不可能被克隆, 是干涉现象在信息理论中的体现。如果单个系统中的C*代数A和B的元素是不对易的, 但A的每个元素和B的每个元素却是相互对易的, 那么由它们生成的C*代数A∨B中就存在非定域纠缠态。因此, 约束条件一和二联合起来, 实际上就限定了我们所讨论的物理理论的类型, 在这类理论中物理系统会表现出干涉和纠缠的性质。不过, 它们并不能保证处于纠缠态的两个系统在空间上分离之后仍然能够无限期地保持纠缠性。

第三个约束条件“无条件安全的比特承诺是不可能的”就是为了保证远距离纠缠的持续性, 即保证非定域纠缠态在一定程度上始终存在因此它提供的是非定域性。在量子力学的信息理论表征中, 复合系统的纠缠态能够被具体的例证说明, 而且是在非定域性的前提下, 这就使得随着子系统在空间中分离, 复合系统的纠缠却仍能保持下去。

可以说, CBH表征定理就是通过信息理论约束, 将量子力学限定为这样的一个物理理论, 在其中:

“属于不同物理系统的可观察量的代数形式相互对易;

任何单个系统中可观察量的代数形式都是非对易的;

物理世界是非定域的, 两个类空孤立系统之间可以存在纠缠态, 即使它们保持相互分离。”[5]663

四结束语:建构性理论与原理性理论

从前面的论述可以看出, 无论是菲林格尔提出的关于量子力学的基本原理, 还是克里夫顿等人建构的CBH表征定理, 亦或本文未作探讨的福斯关于“大部分量子力学的内容都会涉及量子信息”[7]的观点, 都有两个共同的特点:一是他们都试图从信息理论的语境重新理解量子力学, 二是他们都希望将量子力学建立在一个或一些具有较强的哲学意义的原理之上, 即将量子力学重建为一个原理性理论。

这里我们所说的原理性理论是基于爱因斯坦针对“原理性”理论与“建构性”理论所作的区分而言的。爱因斯坦在发表于伦敦时代杂志1919年11月28日上关于狭义和广义相对论意义的文章中曾指出这二者之间的区别:“我们可以针对物理学中的各种各样的定义进行一下区分。它们中的大多数的建构性的。它们试图通过一些相对简单的形式结构来建构一幅关于更加复杂现象的图景与这类非常重要的理论相并存的是另一类理论, 我称之为“原理性理论”组成其基础和出发点的不是假设性的建构元素, 而是经验性的客观发现, 自然过程的一般特性, 以及可表述为数学公理化标准的原理”[8]

这类原理性理论通常可以还原为一些可直观理解的原理, 它们给定了物理过程或物理事件的约束条件, 比如热力学三定律, 以及爱因斯坦相对论中“物理规律对所有参考系都等效”的原理。菲林格尔的“N个基本系统承载N比特的信息”可以被理解为这类原理, 而CBH表征定理则表明量子力学能够被看做是爱因斯坦意义上的原理性理论, 它的原理就是上面给出的那三个信息理论约束条件。

到目前为止, 学者们提出的各类量子力学解释事实上一直都想回答这样一个问题:“世界为什么会像量子理论描述的那样呢”?这是由于我们将量子力学看做是一个建构性理论而导致的, 对此的适当回答就是提出一些关于理论的建构性修补, 或者重建一个新的没有问题的建构性理论。当我们将量子力学看做一个原理性理论, 从现象层面的可操作性约束出发“由上至下”地发展量子理论时, 这个问题变为:“世界为什么必须像量子理论描述的那样?”或许这才表明我们真正在主观上接受了这个理论。

参考文献

[1]Zeilinger A.A Foundational Principle for Quantum Mechan-ics[J].Foundations of Physics, 1999 (4) .

[2]Fuchs C.Quantum Foundations in the Light of Quantum In-formation[C]//Decoherence and its Implications in Quan-tum Computation and Information Transfer, Amsterdam:IOSPress, 2001:38.

[3]Clifton R, Bub J, Halvorson H.Characterizing Quantum The-ory in terms of Information-Theoretic Constraints[J].Foundations of Physics, 2003 (11) .

[4][意]弗洛里迪.计算与信息哲学导论[M].刘刚, 译.北京:商务印书馆, 2010:128.

[5]Bub J.Quantum Information and Computation[C]//Philoso-phy of Physics, Amsterdam:Elsevier Press, 2007.

[6]转引自吴国林.量子信息哲学正在兴起[J].哲学动态, 2006 (10) :61.

[7]Fuchs C.Quantum Mechanics as Quantum Information, Mostly[J].Journal of Modern Optics, 2003 (50) :987-1023.

《量子理论》读后感 第2篇

量子力学诞生的时代是物理学一个伟大的时代，但就本书而言我个人感觉还无法高度概括那个时代。此书与《上帝掷骰子吗相比，可读性要相差很多，也可能是翻译问题。这本书更关注的是每个物理学家本身，而《上帝掷骰子吗?》则是由光的粒子论和波动论之间的冲突为引导来介绍量子力学的。不过这本书的优点在于引用资料的完善，学术性要稍微强一些，我尤其喜欢本书结尾的“词汇表”和“注释”，体现了译者的专业和责任感。

我曾经在人人网上发表过一个状态：“波尔和爱因斯坦的争论，开启了一个新纪元”，作为一个远远落后于他们的旁观者而言，我更欣赏波尔教授，因为围绕他而形成的哥本哈根军团为物理界贡献了无数令人赞叹的理论和实验，波尔教授不光是一个人在战斗，他能利用自己的人格魅力让更多的天才围绕在量子力学的周围，这样一个伟人，理应得到他应有的历史地位。

建议高中学子们多读读和想想高三物理课本近代物理的部分，让你明白其实物理不是仅仅只有牛顿的力和麦克斯韦的电磁，还有波尔的哥本哈根解释和爱因斯坦的相对论。

量子通信理论和应用 第3篇

关键词：量子通信；BB84协议量子密码

中图分类号：O413；TN918 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）18-0084-02

在信息时代，网络安全是一个严峻的问题。信息安全已经得到了各国政府的高度重视，一方面要保护自己的安全，另一方面要攻击对方，信息保护的升级刻不容缓。

1 现代密码学

现代密码学的基本思想是发送方使用加密算法和密钥，将要保密的信息变成数字发送给接收方。密钥是随机数0、1，将其与要传送的数字明文放在一起，用加密算法把它们变成密文，密文就是传送的信息。接收方使用事先定好的相应的解密算法，反变换将明文提取出。

密码体制分为两类：一类叫对称密钥（非公开密钥），它的加密密钥和解密密钥相同，通信双方需要事先共享相同的密钥，关键在于如何安全地传递密钥。其中有一种一次一密（one time pad）的密码，用与明文等长的二进制密钥与明文异或得密文，并且每个密钥使用一次就销毁，根据香农的证明一次一密是无法破译的。

另一类叫非对称密钥（公开密钥），加密密钥和解密密钥不相同，加密密钥公开，发送者发送密钥与明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密钥解出密文。从公开的加密密钥推导出解密密钥需要耗费极巨大的资源，虽然原则上可破解，但实际做不到，所以，在当今社会受到广泛使用。

一旦量子计算机研制成功，它可以更快速的破解数学难题，公开密钥就面临了严峻挑战。

2 量子密码

无论采用哪种方法，都无法避免“截取-重发”的威胁。为了应对强大的量子计算机，需要无条件安全的一次一密的加密方案；但必须解决密钥分配的安全性，可以借助于量子信息作为密钥传输的工具。一次一密不可破译加上密钥传输不可以窃听，从理论上就可以做一个“绝对安全”的量子保密通信。

量子密码是利用信息载体（例如光子等粒子）的量子特性，以量子态作为符号描述的密码，它的安全性是由量子力学的物理原理保障的。

①测量塌缩理论：除非该量子态本身即为测量算符的本征态，否则对量子态进行测量会导致“波包塌缩”，即测量将会改变最初的量子态。②不确定原理：不能同时精准测量两个非对易物理量。③不可克隆原理：无法对一个未知的量子态进行精确的复制。④单个光子不可再分：不存在半个光子。

3 量子通信

量子通信，广义是指量子态从一个地方传送到另一个地方，内容包括量子隐形传态、量子纠缠交换、量子密钥分配；狭义上是指量子密钥分配或基于量子密钥分配的密码通信。本文讲述的是狭义的量子通信。

3.1 单光子的偏振态

本文介绍采用BB84协议实现的量子通信，在发送者和接收者之间用单光子的偏振态作为信息的载体。有两种模式：一个是直线模式，光子偏振态的偏振方向是垂直或者水平，如图1所示；一个是斜线（对角）模式，光子偏振态的偏振方向与垂直线称45 ？觷角，如图2所示。

3.2 基于BB84协议下的“制备-测量”

依照惯例，密码学家称发送者为Alice，接收者为Bob。Alice随机用直线模式或对角模式发出光子，并记录下不同的指向。Bob也随机决定用两种模式之一测量接收到的光子，同时记下采用检偏器的模式和测量结果值。传送结束后，Alice与Bob联络，Bob告诉Alice他分别采用哪种模式测量，然后Alice会告诉Bob哪些模式是错误的，这一过程无须保密。之后他们会删除使用错误模式测量的光子，而正确模式测量出的光子按照统一规定变成0、1码后，就成为量子密钥。

3.3 发生窃听

根据“海森堡测不准原理”，任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此，窃听者想要复制一个完全相同的光子是根本不可能的事情。同时，任何截获或测量量子密钥的操作都会改变量子状态，窃听者只得到无意义的信息，而信息合法接受者也可以从量子态的改变，知道存在窃听者。

密码学家通常称窃听者为Eve，同Bob一样只能随机选择一种测量模式，当她采用错误的测量方式对某一光子测量时，由于波包塌缩，光子的偏振态会改变。比如，Eve使用对角模式测量直线模式下的光子态，光子态会塌缩为对角模式。之后即使Bob选择了正确的测量模式测量该光子，Bob可能会得到不符合编码信息的测量结果，这就产生了误差，具体通信过程如图3所示。

Eve窃听一个光子采用错误测量模式的概率是50%；采用错误模式时，信息可能变成0，也可能变成1，他有25%的概率被发现。但密钥并非一个光子组成，光子数越多被发现的概率就会越高。当误码率低于阈值，就可以称这个密码是安全的；当误码率超过阈值，就称密码被窃听，重新再制备新的密钥，一直检查到密钥在建立过程中没有窃听者存在，接下来进行一次一密的传送。通过这种方式能保证密钥本身安全，并且加密密文不可破译，这就是量子通信的安全性所在。

3.4 量子信道与经典信道

发送方通过量子信道传送量子态光子，接收方用两种不同类型的检偏器测量，检测出0、1组成的量子密钥，还需要一个经典信道。因为是采用一次一密方式，所以经典信道需要定时传送同步信号。

4 量子通信现状

由于量子通信技术的各种优势，国际上的一些国家，特别是美国、日本、欧盟都投入了大量的人力物力，进行量子通信的理论与实验研究。2002年美国BBN公司，哈佛大学和波士顿大学开始联合建造DARPA网络。2010年日本在三个政府机构之间使用量子密钥分配技术，并与2010年10月在东京演示了一个城域量子保密通信网。2010年西班牙马德里建成欧盟第一个城域QKD网络。我国也在量子通信技术的道路上不断发展。2012年“金融信息量子通信验证网”是世界首次利用量子通信网络实现金融信息的传输。2012年党的“十八大”期间在部分核心部位部署量子通信系统。2013年量子保密通信“京沪干线”正式立项，打造广域量子通信网络。

5 结 语

量子通信还有一些技术难题未攻破，例如信道的干扰，设备的非理想特性，身份验证、密钥存储等技术需要进一步改良等等。虽然理想情况量子密码不可破，但在实际中还有一些漏洞需要考虑。在未来几年，相信我国在中央、地方政府及相关部门大力支持下，通过相关科研团队的努力，量子通信技术会不断完善，量子通信产业也必将取得飞速发展。

参考文献：

[1] 宗禾.量子通信为何能保密[N].科技金融时报，2013-07-12.

[2] 徐启建，金鑫，徐晓帆.量子通信技术发展现状及应用前景分析[J].中国电子科技研究院学报，2009，（5）.

[3] 李林洋，卢晓波，潘岳.量子通信的发展概况[J].工业设计，2011，（4）.

[4] 苏晓琴，郭光灿.量子通信与量子计算[J].量子电子学报，2004，（6）.

量子信息理论 第4篇

玛格丽特阿特伍德, 加拿大著名女诗人, 小说家, 加拿大著名的女权主义者和加拿大民族主义者。《幸福结局》是阿特伍德以童话故事结尾“happy ending”为标题创作的短篇小说, 由AF六个小故事构成, 目的在于体现“写故事与猜谜语和开玩笑[一样], 三者都需要制造悬念, 意外转折, 以及无可挑剔的时间安排”。

史蒂芬多宾斯是美国多产作家, 他的作品包括诗歌、小说、短篇小说和评论。与《幸福结局》存在多个故事多个结局一样, 多宾斯的《堪萨斯》的情节十分多元化, 如:癌症结束了一个故事, 一场车祸结束了另一个故事, 或者说一场完全错误的绑架案又产生了一个新的故事, 而这些故事的主人公都是同一个人。正如评论家Roger Boylan所说:“多宾斯在《堪萨斯》中通过对于人物命运的描述揭露了生活的不可预测性。”

二、阿特伍德《幸福结局》与多宾斯《堪萨斯》之比较研究

1.《幸福结局》故事AF简评。

《幸福结局》故事开头极其简单“约翰与玛丽相识。后面的故事如何?如果你想要幸福结局, 那么请看故事A”。阿特伍德在这里使用了“如果你想”暗指读者的一厢情愿, 即“王子”约翰和“公主”玛丽从相遇相知到结为夫妇, 然后快乐地生活在一起, “故事到此结束”。评论家Erica Davis认为:“故事A的情节没有任何内在冲突, 这是读者或者观众希望或者相信看到的, 阿特伍德必须用这样版本的故事开局, 以便于在后文将这个幸福结局彻底粉碎, 展现出现实生活中残忍和不幸福的一面。”

故事B从喜剧直接改写成了彻头彻尾的悲剧, 以玛丽服安眠药自杀结局。故事B的尾声其实是对传统骑士精神的反叛, Erica Davis认为:“骑士精神已死最适合形容故事B这样的场景。”一种角度我们可以看到偶然与无序对于事件发展的影响, 男主角最后没有发现即将自杀的玛丽仅仅是各种可能性的一种而已。

故事C与前两个故事的不同在于故事C将故事的中心放在了女主角的身上, 她的行为主宰着故事情节的发展, 这样的安排一定程度上体现了阿特伍德的女权主义思想。值得注意的是打破幸福结局的突发事件是老约翰发现了玛丽和年轻詹姆士的恋爱关系, 一时冲动购买了来复枪。这里我们可以看到一个偶然事件的触发对于整个故事的发展起着至关重要甚至决定性的影响。

故事D可以看做是故事C的续集。即使生活如意, 婚姻, 感情, 生活还是时刻会遭受到不可抗力, 如自然灾害的威胁。值得注意的是这里作者并不是强调自然主义观点, 而是想表明现实生活中产生“悲惨结局”事件的概率远远超过“幸福结局”, 即使躲过了人祸, 也难逃天灾。

从时间上来看, 故事E可是说是故事D的续篇。如果说故事D的冲突来自于外在环境的话, 那么故事E的冲突来源于人本身, 人自身的缺陷, 以及健康和生命的不可持续性。故事B和C都表现了人和人之间情感生活中的冲突, 而故事D和E则分别表现了人和自然, 人自身的问题和冲突。

关于故事F。如果读者或者观众认为以上故事太“小资”, 阿特伍德认为作家可以改变故事发生的时代背景, 比如把故事的背景换成革命时期, 男主角是个“革命者”, 女主角则是个“特工”, 看看他们之间会发生怎样荡气回肠的爱情故事。

2. 从传统批评理论看《堪萨斯》与《幸福结局》的不同。

同样是多个故事多个结局的短篇小说, 多宾斯的《堪萨斯》与阿特伍德《幸福结局》有很多不同之处:

一是故事背景不同。《幸福结局》的5个故事发生在现代都市, 第6个故事作者又指出这样的故事可以推广到任何时代, 任何文化背景, 以至于改变人物身份和地位都不是问题。《堪萨斯》所有故事全部定位在一个背景, 即美国大萧条期间, 干旱的堪萨斯州。

二是人物设定, 情节不同。《幸福结局》其实是讲述了现实感情和婚姻生活的方方面面, 所有人物的设定和安排都围绕这个主题产生。《堪萨斯》的人物设定很简单, 一个小男孩儿搭上了一个因妻子被判而丧失理智的男人的汽车, 随后由于种种偶然事件的发生而产生了不同版本结局, 人物的命运也随着这些偶然事件的发生而改变。

三是时间顺序不同。《幸福结局》的前5个故事并不是独立存在, 相互之间存在事件发生先后的逻辑关系, 而《堪萨斯》则是完全独立的六个故事, 前后没有任何时间顺序上的关系。

四是政治思想不同。阿特伍德是女性主义作家, 尽管她本人对这一称谓并不满意, 《幸福结局》中的女性扮演着十分重要的角色, 尤其是在故事C中, 女性掌握着恋爱和婚姻关系的主动权。但是, 《堪萨斯》完全是两个男人的故事, 女性在其中不过是个影子, 是背叛和通奸的代言人, 是最终悲剧的导火索。通过比较可见, 两部作品对于女性形象的塑造存在巨大差异。

3. 从量子理论的测不准原理看《幸福结局》和《堪萨斯》的相同点。

量子理论的测不准原理, 现也通常被称作不确定关系, 无论是在《幸福结局》还是在《堪萨斯》中, 这种不确定关系, 不可预测性都得到了很好的体现。例如故事B中, 男主角最后能不能发现玛丽留下的便笺纸决定着玛丽的生死, 这完全是一个不确定因素, 直到玛丽死了, 我们才有结论;故事C中, 地下恋情的曝光也是一个偶然因素, 决定着三个人的生死。诸如此类的例子还有故事D中的海啸, 故事E中的心脏病, 以及故事F中人物身份和时代背景的选择, 等等。在《堪萨斯》中, 类似不可预测的突发事件也是比比皆是。这些事件就好比“薛定谔的猫” (量子理论的著名实验) , 猫的生死是打开盒子前的“客观存在”, 又决定于打开盒子后的“观察”, 这种观察不是发现, 而是决定。

4. 从信息处理的多进程和蝴蝶效应角度看《幸福结局》和《堪萨斯》的不同点。

从多个小故事的情节编排来看, 无论是《幸福结局》还是《堪萨斯》都是多进程并行发展的结构, 所不同的是《幸福结局》所描述的多个事件相互之间存在联系。各个故事之间有消息传递 (在上文对于《幸福结局》的分析研究中有详细说明) , 而《堪萨斯》则是多个毫无关联事件的并发, 其中任何一个事件都可以独立成篇。通过人物性格分析, 我们不难发现, 虽然故事的主人公只有两人, 且身份相同, 但是在不同故事中, 他们的性格是有差异的, 正是这些细微的性格差异决定了故事的结局, 这样的六个故事有在相同时间, 不同地点上同时发生的可能性。而《幸福结局》则不是这样, 虽然逻辑上不严密, 但六个故事是有一定的先后顺序的, 采用的坐标轴是时间。

蝴蝶效应是气象学家洛伦兹于1963年提出的, 内容是一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶, 偶尔扇动几下翅膀, 可能在两周后引起美国德克萨斯州一场龙卷风。通过对比研究发现, 《幸福结局》专注于叙述事件, 对于人物和事件发生的背景没有详尽的描写, 而《堪萨斯》比《幸福结局》更注重细节描写, 包括人物外貌, 动作, 对话, 甚至心理活动都有十分详细的描述。可见, 同样是短篇小说, 两个作者所要传达的生活哲理完全不同, 如果说《幸福结局》是展现了现实生活不可预测性的话, 那么《堪萨斯》在说明这种不可预测性的同时, 更是展现了蝴蝶效应对于情节和事件发展所起的决定性作用。

三、结语

阿特伍德的《幸福结局》和多宾斯的《堪萨斯》的情节充分体现了量子文学中的不可预测性和现代文学创作的多进程事件的并发处理机制, 同时多宾斯的《堪萨斯》的细节描写又是蝴蝶效应的完美演绎。以热门美剧《越狱》、《24小时》为代表的当代影视剧本创作中, 这三种特性体现得尤为明显。不预测性给观众悬念, 多进程并发的设计让故事情节紧凑﹑扣人心弦, 而蝴蝶效应则支撑起整个剧情的发展框架。当前流行美剧的创作大都具有以上三种特性。源于和现实生活的背离, 传统的单线发展的连续剧会越来越少, 至于当这三种特性都发挥到极致的时候, 未来美剧制作又何去何从, 我们拭目以待。

摘要：加拿大作家玛格丽特·阿特伍德的《幸福结局》破灭了好莱坞式的童话梦幻结局, 揭开了掩盖在华丽外表下面赤裸裸的无序与多元化的现实生活, 让感性重新回归理性。在故事情节的编排上, 史蒂芬·多宾斯的《堪萨斯》与玛格丽特阿特伍德的《幸福结局》有很多相似点, 本文就这两篇短篇小说情节展开讨论, 结合20世纪以来物理学发展, 如量子理论, 信息革命, 计算机技术对人类社会的影响, 由点及面, 深入挖掘文学作品隐含的蝴蝶效应, 以及这种蝴蝶效应对于当前热门影视, 例如《越狱》、《24小时》创作的影响, 并对未来热门剧集发展趋势做出预测。

关键词：阿特伍德,《幸福结局》,多宾斯,《堪萨斯》,比较研究

参考文献

[1]Anonymous.“Kansas”[EB/OL].http://wps.prenhall.com/hss_master_lit_1/0733083-00.html, 2014-06-13.

[2]Anonymous.Introduction&Overview of Happy Endings by Margaret Atwood[EB/OL].http://www.bookrags.com/studyguidehappyendings/char.html.

[3]戴维斯, 布朗.原子中的幽灵.长沙:湖南科学技术出版社, 1996.

[4]Davis, E.Atwood’s Unhappy Endings.[EB/OL].http://www.suite10 1.com/article.cfm/learn_from_classics/95247/1, 2014-6-20.

[5]Kirszener, L.&Mandell, S.Literature:Reading, Reacting, Writing (Fiction) (Fifth Edition) .Beijing:Peking University Press, 2006.

[6]黄孝阳.我对天空的感觉——量子文学.[EB/OL].http://cn.qikan.c om/Article/dstg/dstg200860/dstg20086040003801.html, 2014-7-24.

石墨烯量子电容的理论研究 第5篇

自从2004年石墨烯被发现以后, 由于它奇特的物理化学性质, 出现了很多关于它的制备和性质的研究。对于一个单原子层的材料, 石墨烯被预言用作化学储能设备。例如:可用作二次Li电池阳极以及石墨烯超级电容器的电极。理论上它表面积较大 (2630m2/g) 并具有良好的导电性, 石墨烯被看作是一种理想的电化学双层电容的电极 (EDLCs) 。

EDLC是一种高功率密度的超级电容, 它与低功率密度的电池相比拥有相当的寿命和相似的充电电路。实际使用中以石墨烯为基的材料其体积和表面积已经达到最小, 电解液和电极的接触已经达到极限, 而超级电容的潜能还未被足够的利用。因此, 寻找适当的电极材料是超级电容实现高电容的关键, 一些报告证实了掺杂或功能化的石墨烯能够一定程度的提升电容。报告中建议通过促进电解液对电极的润湿性来增强导电性和赝电容。

首先通过态密度计算来检验碳掺杂、浓度、空位浓度、过渡金属原子对石墨烯量子电容和电子结构的影响。计划通过适当掺杂物与缺陷来提高量子电容的效率。基于研究结果, 讨论缺陷和掺杂剂是如何提高石墨烯超级电容的整体性能。

D (E) 和f (E) 是态密度和费米狄拉克函数分布, 分别的E是关于费米能级EF的相对能量。对于石墨烯而言, 如果忽略温度的影响。量子电容能被表示为。

gs (=2) 和gv (=2) , 是普朗克常数。VF (~108 cm/s) 是载流子的费米速率接近狄拉克点。对于其他的二维材料。通过ΔQ的解析式, 量子电容能被表示为:

FT (E) 是热量扩展函数, 表示为:FT (E) = (4kBT) -1Sech2 (E/2kBT)

kB是玻尔兹曼常数。在量子电容的计算中, 空间温度是 (300K) 选择温度参数T。D (E) 在DFT中用改良后的高精度的线性插值法进行计算。

结论:

我们用密度泛函理论的第一原理系统的研究了半导体掺杂和缺陷在石墨烯的电子结构和对量子电容的影响。我们的结果清晰的证明了石墨烯量子电容氮掺杂、空位缺陷和过渡金属原子的吸附可以明显的提高石墨烯量子电容。发现这些电子方法可以通过引入接近狄拉克点的局域态和移动费米能级来修改能带结构。局域态接近费米能级导致了自旋极化也增加了缺陷密度, 比如氮参杂和单一空位使量子电容单调的提高了。比较铜吸附在原始的石墨烯和单一空位的石墨烯可得空位对改变量子电容起到了关键的作用。这些发现将影响石墨烯类电极在超级电容的发展。

摘要：石墨烯的量子电容可通过N掺杂、空位缺陷和吸附过渡金属原子的方法提升, 量子电容的增加与局限态接近狄拉克点或缺陷和掺杂造成的费米能级移动有关。

关键词：石墨烯,量子电容,狄拉克点

参考文献

[1]韩超群.石墨烯在不平整表面上吸附的分子动力学研究[D].华东师范大学, 2011.

[2]索南昂毛.小分子与石墨烯间堆垛作用的理论研究[D].吉林大学, 2013.

[3]杜在凯.石墨烯及其复合结构的等离子体技术制备、机理及激光拉曼表征的研究[D].南昌大学, 2013.

[4]韦勇.拉力调控下石墨烯电子性质的理论研究[D].浙江师范大学, 2009.

[5]闫晓密.石墨烯弯曲形变的电子结构和特性的研究[D].江南大学, 2011.

[6]董云亮.热解碳化硅外延生长石墨烯[D].广西师范大学, 2012.

[7]杜声玖.石墨烯吸附结构和性质的第一性原理研究[D].重庆大学, 2012.

量子加密技术的物理基础和理论体系 第6篇

2013年,美国前中情局职员斯诺登对美国国家安全局的“棱镜计划”进行曝光,成为震惊世界的“棱镜门”事件,我们印象中固若金汤的世界各大网络巨头和政府要害的保密设施仿佛都形同虚设。保密安全由此引起世界各国的高度重视。

加密技术是设计密码的游戏 , 现代加密技术是依赖计算机的复杂算法和难以求解性保证信息的安全。而量子计算机的研制有可能在短时间内破解巨大的因式分解,使得当代加密技术受到巨大威胁。现行加密技术中只有美国数学家吉尔伯特.维纳母发明的一次性密码具有绝对的安全性,它要求密码是随机数,长度不得小于被加密信息的长度,如此苛刻的要求和实际条件的缺陷使得这一理论实用性很低。量子加密技术正是对现代加密技术展开的一场技术革命。

1 量子加密的物理基础

1.1 光的偏振现象

每个光子都有偏振方向,该偏振方向即为电场震荡方向。而光子的圆偏振方向和线偏振方向不可同时测量,这两个方向是非正交的。两个不同的偏振方向在同一种偏振态下则可以完全区分 , 如在线偏振态中的垂直方向和和水平方向可以各自分立,进而可以同时测量。

1.2 海森堡测不准原理

量子力学中,任意两个可观测的物理量,若他们没有共同的本征态或者说不对弈,则满足海森堡测不准关系,即两个物理量不可能同时具有确定值,对于一组物理量的测量必定导致另一组物理量的改变。这使得通信双方能够观察到信息是否被盗取,不必交换秘钥即可进行无条件安全的保密通信。

1.3 量子不可克隆定理

该定理是海森堡测不准原理的推论,即无法精确地复制出一个未知的量子态。由于不对弈算符的本征态可以决定未知的量子态,因此由确定算符测量子系统,可能会得不到全部的量子态,导致测量的不完备。量子密码具有无条件安全性和对盗取密码的可检测性,量子不可克隆定理正是保证密码无条件安全的基础。

2 量子加密的理论体系

2.1 量子秘钥分发

量子秘钥分发是量子密码的主要研究课题。它是量子加密技术中开发最早,较为成熟的领域。它利用量子力学原理在各消息接受端建立共享秘钥协议,因为遵从量子不可克隆定理和测不准原理,已经在理论上证实具有无条件安全性。它包含两个主要领域 :一方面是高性能,高速率的QKD理论,另一方面是连续变量QKD的研究。在实验操作和可行性上来看,连续变量比分离变量更容易实现。基于连续变量的量子计算使得信息的处理和编码过程更加简单有效。非线性光学元件也使得这一操作变得更加精确和高效。

2.2 量子加密算法

量子密码对数据的保护同经典密码算法一样是通过变换来实现的。不过,根据量子力学的特性,这种变化只能是幺正变换。因为幺正变换一般都是线性变换,这给设计密码算法带来了巨大的困难。根据加密处理方式的不同,量子加密算法可以分为非对称密码算法和对称密码算法。2011年,D W lenug提出了量子Vernam算法,一种典型的对称密码算法,它与经典的Vernam算法相比,解决了秘钥管理问题,可以方便的使用量子秘钥分配协议来获取共享密码。

2.3 量子秘密共享

量子秘密共享是一种特殊用途协议,它的目的是让秘密的多个分发者或共享者共同管理秘钥,并降低窃取秘钥的风险。1979年,由Blakley和Shamir分别提出秘密共享的概念。各自分别基于摄影几何理论和拉格朗日内插多项式,由于后者的方案更简单可行进而得到了大量的研究。1999年,Hillery,Buzek和Berthiaume仿照经典的秘密共享概念提出了量子秘密共享方案,它是基于GHZ三光子纠缠态的量子关联性而设计的。它突破了传统秘密共享的安全弊端。2001年,Tittel,Zbinden和Gisin进行了量 子秘密共享的演示实验。目前,已经有十几种理论方案,是量子加密技术中研究成果较多的领域。QSS是仿照经典密码共享的量子化技术,它可以同时共享经典信息和量子信息,在量子加密技术中充当重要的角色,如共享难以构建的辅助量子态、分布式量子计算的安全操作以及量子货币的联合共享等。

2.4 量子认证

在量子秘钥分发中,非正交的量子态不能同时精确测量,因此抗干扰信道很难实现,也就无法预防通信双方的假冒行为,进行双方身份认证是必不可少的。量子身份认证分为共享纠缠态类型和共享信息类型。前者是通信双方共享一串纠缠量子对,通过对纠缠态中的粒子进行测量和控制而进行身份验证。后者则是通信双方共享一串比特串,由此来验证身份的合法性。2005年,基于量子纠缠交换和量子远程通信提出了跨中心的量子身份远程认证。量子身份认证突破了基于数学复杂性的传统身份认证,可以同时保护经典信息和量子信息,在经典通信系统和量子通信系统中都占有重要地位。此外,量子认证还包括量子信道认证、量子认证码和量子信息签名等组成部分,在信息安全系统发挥着至关重要的作用。

3 量子加密技术的展望

量子信息理论 第7篇

近十几年来, 量子通信的距离和速率都有了飞跃式的提升, 一些小规模的量子通信试验网已经建成, 验证了量子通信技术网络化的可行性。欧盟已提出欧洲量子通信未来发展目标, 将重点发展量子中继和卫星量子通信, 实现千公里量级的量子密钥分发;日本国立信息通信研究院计划到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络;美国洛斯阿拉莫斯国家实验室过去几年中则一直在悄悄创建一套辐射状的量子互联网。

我国尽管属于后来者, 但起点高, 进展快, 在应用研究的多个方面已经达到世界先进水平, 2012年初, 潘建伟小组在合肥市建成世界上规模最大的46节点量子通信试验网, 标志着大容量的量子通信网络技术已取得关键突破;与此同时, 金融信息量子通信验证网在北京开通, 在世界上首次实现利用量子通信网络对金融信息的安全传输。另外还牵头组织了中科院战略先导专项“量子科学实验卫星”, 计划在2016年左右发射, 在此基础上将实现高速星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络, 初步构建我国广域量子通信体系。在城域量子通信关键技术方面已达到产业化要求, 产业化预备与欧美处于同等水平。

潘建伟认为, 目前, 我国量子保密通信技术在城域网上的使用基本成熟, 已经可以推广;城际量子通信网络方面, 连接北京和上海的千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”已正式立项, 有望在两三年内投入使用。但要实现广域的量子保密通信, 还需要借助卫星。

可以预想, 随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现, 在不久的将来, 作为保障未来信息社会通信安全的关键技术, 量子保密通信将有望走向大规模应用, 成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器, 为当今信息化社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。

二、量子信息应用的主要领域

在量子信息中, 用一定量子体系的量子态对信息进行编码, 即以量子态作为信息的载体, 按照量子力学的叠加原理等规律对量子态进行传送或逻辑操作, 从而达到量子信息处理的目的。量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科, 主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

2.1量子密码

保密通信不仅在军事、国防等领域发挥独特作用, 而且对当今的社会发展也日渐重要。量子密码是量子信息领域最有可能获得实际应用的技术。传统的保密通信可以分为“加密”、“接收”、“解密”三个过程, 发送者将发送内容通过某种加密规则 (密钥) 转化为密文, 接收者在接到密文后采用与加密密钥匹配的解密密钥对密文进行解密, 得到传输内容。量子保密通信的过程也相同, 只不过作为加密和解密的密钥不再是传统的密码, 而是改用微观粒子携带的量子态信息。这一看似微小的变化, 使密钥的安全性产生了彻底变化。

量子密码术以量子物理基本规律为依据, 利用量子态的非局域纠缠性, 使任何窃取信息的过程都不可能不留下痕迹, 而量子不可克隆原理, 又使非法者不可能采用任何技术通过克隆窃取信息, 这就从根本上保证了量子通信的保密性和可靠性。目前采用量子光学原理, 已成功在光纤中实现了30km的密钥传递, 为量子密码术的发展展现了美好前景。中科院开展了利用光纠缠态进行量子保密通讯的实验研究, 目前在量子通信技术的网络化研究方面, 中国科大潘建伟小组于2008年建成光量子电话网, 实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话。

量子密码传送的实验分两类:一类是光子在通常用的光纤中传播;另一类是在自由空间中传播。自由空间中的量子密钥分配通常利用偏振态来编码, 主要困难是大气环境、背景光等复杂因素的影响严重, 因此通常只能在天气良好无月光的深夜开展实验。相比较于自由空间传输而言, 光纤量子密钥分配更易实现和实用, 当然由于光纤存在损耗, 因此光纤量子密码的传输距离只能在几百公里的范围内;除了距离, 更需要解决的问题是如何满足多用户需求。所以光纤量子密码实用化的关键性问题是发明新型的光学干涉环, 解决相位编码光纤QKD系统的稳定性问题, 另外是发明量子路由器, 解决实现光纤量子通信网络的关键性困难。这两项现在百公里和小范围的光纤网络中得以应用量子密码, 建设量子密码网络并非易事, 还涉及网络工程和现代光通信等领域, 需要物理学家和网络工程师、通信工程师、软件工作者的通力合作。

2.2量子计算机

目前的计算机运转都是基于经典物理规律, 称之为经典计算机。近些年来, 人们已经认识到经典计算机有着某些不可克服的局限性。比如, 不可能产生真正的随机数序列, 无法模拟一个常规的量子力学系统或者说在有限的时间内模拟一个常规的量子力学系统等;此外, 从经典计算机发展来看, 计算机的速度进一步提高, 也意味着芯片更高的集成与微型化。当二氧化硅表面的电路线度小到电子大小的尺度时, 电子在电路中的行为不再服从经典力学规律, 取而代之的将是量子力学规律。这些都将制约着现代信息科学或者说经典信息科学的发展, 量子力学的发展为信息科学的发展提供了可靠的物理基础。数年前, 在几平方毫米的芯片上可以集成上百个微激光器, 现在, 在5”的衬底上可以集成108个微激光器。这种高密度的管子集成, 为光通信、光计算等高科技的进一步开拓和发展开辟了美好的前景。

我国现在为实现固体量子计算机, 主要开展3个方面的工作:一是基于新材料的半导体量子芯片;二是基于微纳米光腔的量子仿真;三是基于表面等离子体金属纳米结构的量子输运。在量子计算机中, 一串处于叠加态的量子比特, 可以被纠缠在一起, 完成大量信息的同时编码与平行运算, 这样便使得运算速度获得突破性提高, 完成经典计算机不可能完成的运算。然而, 量子计算机在基于半导体的芯片可持续发展将不可避免的依赖新一代的基于量子力学的计算芯片的出现, 但真正研发出有意义的量子芯片的实现任重而道远, 甚至还具有很大的不确定性。

三、总结

我国的量子通信技术发展迅速, 位居世界前列。在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态, 这一距离是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离, 也是目前国际上没有窃听漏洞的量子密钥分发的最大距离。中国科学家在自由空间量子通信方向上的一系列工作引起了国际学术界的广泛关注。下一步科学家们正在计划通过自由空间实现几百公里的量子通信, 超越光纤传输的极限。量子通信比较传统通信技术具有明显优势:抗干扰能力强, 不需要借助传统信道;量子密码几乎不可能被破译, 保密性强;线路时延几乎为零, 传输速度快。

目前量子通信技术已经引起很多国家政府和军方的高度关注。一方面量子通信保密性强, 在军事上几乎难以被敌方破译, 能够保证己方军事行动不被敌方所侦析。另一方面量子通信技术能够抵御未来量子计算机技术带来的威胁。众所周知, 运用现有的高速计算机来破解复杂的加密算法可能需要几万年, 在现实中是难以接受的。然而量子计算机却只需大约几分钟。如果量子计算机投入使用, 就意味着任何传统的数学密码体制都不再安全。

参考文献

[1]光纤量子密码网络, 温浩郭光灿现代物理知识2007年第4期

[2]量子信息技术郭光灿重庆邮电大学学报2010年10月

[3]量子通信技术的发展动态及应用詹源源科协论坛2011年第2期

[4]量子密码研究进展马瑶瑶福建电脑2011年第7期

[5]量子光学与量子信息彭堃墀中国基础科学科学前沿2000年4月

量子信息理论 第8篇

本文力图从物理角度阐明分数量子霍耳效应的主要物理意义和理论机制。

一、分数量子霍耳效应的发现

量子霍耳效应的发现是新兴的低微凝聚态物理发展中的一件大事。量子霍耳效应的一个重要的进展是崔琦和Horst L.Stormer发现了分数量子霍耳效应, 这一发现使得崔琦和Horst L.Stormer以及后来对这一现象做出解释的Robert B.Laughlin获得了1998年的诺贝尔物理奖。1982年, 崔琦在新泽西的默里山的贝尔实验室用半导体Ga As, 另一面是Ga Al As, 这样电子被限制在两种材料的接触面上。下一步, 研究人员将电子阱的温度降至绝对温度的0.1度, 磁场加到几乎30T, 使他们惊奇的是, 崔琦和Horst L.Stormer发现霍耳电阻下一级台阶是von Klitzing的最高记录的3倍。后来, 崔琦和Horst L.Stormer又发现了更多的台阶, 即量子霍耳效应平台不仅在f为整数时观察到, 而且也出现在f为一些具有奇分母的分数的情况下, 如f=31、2/5等等, 因此称为分数量子霍耳效应 (FQHE) 。

二、分数量子霍耳效应

1、填充因子ν=1m时的Laughlin波函数

填充因子ν=1m (m为奇数) 是最早观察到的, 也是最强的分数量子霍耳效应态, 下面将ν=13的FQHE为例, 猜写出Laughlin多体基态波函数。为了要使Ne个相互作用电子体系的能量最低, 电子必须分的足够开。另一方面由于还存在着等量的正电荷, 整个电子体系还必须与背景正电荷保持尽可能近的距离。在上述要求下1983年, Laughlin猜写出下述形式的多体波函数ϕ。

第一个连乘积项保证了没有二个电子可能占据空间上同一位置, 它们彼此间必须相隔一段距离。第二个乘积项保证了所有的电子受正背景电荷的吸引都不能离原点太远。不难看出第一项是单粒子波函数的乘积, 为保证电子体系波函数的反对称性, 也即任何交换二个电子位置时ϕm反号, 则m必须为奇数。多体波函数ϕm的总角动量M=Νe (Νe-1) m 2。

进一步考察多体波函数的模平方ϕm2, 发现ϕm2=exp (-βν) , 1β=m, 称之为虚温度, 其中ν (Ζ1, Ζ2, L, ΖN) 等于

不难看出exp (-βν) 具有经典几率分布的形式, 故可把ν (Ζ1, Ζ2, L, ΖN) 看成经典的势能, 经典势能的第一项就是电荷为m的带电粒子之间的库仑排斥势能之和, 这里应注意在严格二维体系内库仑势能取对数形式。第二项代表密度为均匀正电荷对电荷为m的粒子的引吸势。这样, V完全等同于经典二维一分量等粒子体 (2DOCP) 的势能, 也就是说T=0K时Laughlin态完全等效于有限温度1β=m下的经典2DOCP.上述等同性十分有助于人们理解Laughlin波函数的性质。等效等粒子体的电子密度为 (因为荷电量为m) 。将ρ除以朗道能级的简并度, 刚好得到ν=1m填充因子。这暗示着在ν=1m时多电子体系可按ϕm方式构成最稳定的基态。

2、分数荷电的准粒子

当填充因子稍稍偏离ν=13, 并不会立刻破坏上述关联的液体态, 只不过会在其中形成若干缺陷。例如从13态移走一个电子时就会留下一个带正电e的附有3个ϕ0的旋涡。由于失去了-e电子, 原来缚在一起的3个磁通量量子将分解成3个独立的ϕ0, 一个大旋涡分解成3个小旋涡, 这样每个旋涡带+e/3分数电荷, 称准空穴。同时, 如果1/3态缺一个大旋涡, 就是出现荷-e/3准电子缺陷。显而易见, 由于准粒子的出现, 干扰了量子液体中载流子的关联运动, 就会使体系的能量抬高一个数值。所以分数荷电的准粒子与基态之间存在着一定的激发能隙, 出现+e/m准空穴后的波函数具有

(以作长度单位) 的形式。与ϕm

相比, 它在Ζ0=Ζj出现了单重零点, 代表了在Ζ0处有+e/m准空穴的存在。带有+e/m准电子的波函数则为它描述了在*Ζ0存在有一准电子-e/m的状态。

结束语

鉴于量子霍耳效应涉及深奥的物理内涵。本文只是力图从物理角度粗浅地介绍它的基本性质, 特别是目前对FQHE态的研究仍在不段深入, 所涉及的内容十分基础, 不可能反映这方面研究的广度和深度。只希望通过这篇论文能使读者对分数量子霍耳效应有一概括的了解。

参考文献

量子信息理论 第9篇

谈到武华文教授对量子信息技术的推动, 他还曾在北京主持过七届量子信息研讨会;他所提出的“量子信息对应效应”、“第三种波粒二重性”等理论也是从上千次试验中总结出来, 在国内首次提出并公开报道的。如今, 他所开创的量子农业技术正在全国推广。

据了解, 量子农业是利用量子力学、量子生物学、量子信息学等理论研发的产品应用于大农业生产活动, 其特点是以波动形式传递能量和信息, 其效果是高效、生态、健康、持续。例如:

1.增硒技术。2008年4月22日, 由中国科技部主办的科技日报对武华文研发的量子发射仪给油桃增硒技术进行了报道, 受到广泛关注。众所周知, 硒是矿物质中的抗癌之王, 而中国是缺硒国家, 食品中硒含量也很少。如果能补上充足的硒, 就能消除体内自由基, 减少疾病的发生。为此, 武华文教授研发了量子仪器波给油桃增硒技术, 为解决国内食品硒含量少提供了一个新方法。

此外, 武华文教授还应用这种量子技术对辽宁省盘锦、黑龙江五常普通大米进行加硒照射, 结果证明都具有良好的增硒效果。

2.肥料技术。2009年, 武华文开始对农业肥料进行研究, 结果发现用量子发射仪对液体肥料、固体肥料进行照射, 可以做底肥、可拌种、喷施、灌根等, 肥效大幅度提高。赤壁天元量子肥料有限公司生产的3十1多抗菌肥与氨基酸水溶肥组成套装肥料, 市场价是每亩60元, 经过量子技术照射后, 可以减少化肥50%、增加收入30%, 在全国范围已有30家公司在推广使用, 农作物普遍增产10%至30%, 目前在国内已完成种植面积3千万亩。

武华文教授

3.防治病虫害功能。抑制棉铃虫、红蜘蛛、稻瘟病、黄枯萎病, 农作物施用具抗旱、抗寒、抗倒状、抗逆的作用, 特别对涝害、缺素症等作物具有回复生机之功效。

湖北日报农村版2016年9月8日报道:记者来到赤壁市赤壁镇东柳村, “多亏量子肥, 才让我今年的辣椒没有减产。”该村村民张丙成高兴地说道。今年7月, 赤壁市大面积受灾, 张丙成家的20多亩地被淹了, 许多农作物都绝收, 但是他家的辣椒不但没有减产, 反而增产, 肉质更厚, 口感更好。销路也不愁, 这让张丙成乐开了花。

2016年5月, 武华文教授发明的《量子波发射仪》通过了湖北省科技局成果鉴定, 确认具有处理肥料增效的作用。