通信科技趋势之量子计算

1、专科实习报告（论文）题 目： 学 院： 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2017年 月 日通信科技趋势之量子计算摘要：量子计算 (quantum computation) 的概念最早由IBM的科学家R. Landauer及C. Bennett于70年代提出。他们主要探讨的是计算过程中诸如自由能(free energy)、信息(informations)与可逆性(reversibility)之间的关系。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等;量子计算主要研究量子计算机和适

2、合于量子计算机的量子算法。科学社会学的奠基人贝尔纳曾说:"科学与战争一直是极其密切地联系着的。"今天，倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机"ENIAC"诞生所开启的电子信息科技革命。然而，这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循"摩尔定律"飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显:电子计算机的极限运算速度是否存在?越来越一体化的电子信息网络如何应对"网电空间战"等等。对此，近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门，势必在未来重新涂抹战神

3、的面孔。关键字：量子计算 量子通信 科技 电子信息目录一.量子技术的发展 4二.量子计算简介 52.1.量子密码 62.2.量子通信 7三.量子通信卫星 83.1.信息简介 83.2.通讯优势 83.3.量子通讯 83.4.首发应用 93.5.中国发展 9四.量子叠加 10一.量子技术的发展1994年，贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出 3，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段:有别于传统计算法则的量子算法(quantum algorithm)确实有其实用性，绝非科学家口袋中的戏法。自此之后，新的量子算法

4、陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振(photon polarization)、空腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,CQED)、离子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等等。以目前的技术来看，这其中以离子阱与核磁共振最具可行性。事实上，核磁共振已经在这场竞赛中先驰得点:以I. Chuang为首的IBM研究团队在2002年的春天，成功地在一个人工合成的分子

5、中(内含7个量子位)利用NMR完成N =15的因子分解(factorization)折叠发展前景量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在的一个问题是，提高所需量子装置的准确性有困难。量子信息编码基本概念量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和

6、信息科学的研究热点。2016年8月16日凌晨1时40分，我国科学家在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，目前已成功入轨运行。这使得我国成为世界上首个实现太空和地面之间量子通信的国家，同时也建成了我国天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。“墨子号”是世界上首颗量子科学实验卫星。量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟表示，之所以给它起名“墨子”，是因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播，而且他也提出了某种意义上的“粒子论”。命名缘由于墨子在墨经中提出的“光学八条”，墨家逻辑是全球三大古老逻辑体系之一，而逻辑体系是科学的基础，墨子在两千多年前

7、就发现了光线沿直线传播，并设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。二.量子计算曾创作出侏罗纪公园和失去的世界等作品的著名科幻作家迈克尔·克莱顿，在科幻小说时间线中曾尝试用文学的笔调来想象量子计算的神奇。其中，一家名为国际技术公司的经理们如此推销其眼中的高新科技:"普通的计算机用电子的两种状态计算，这两种状态被定为0和1。但在20年前，理查德·费曼就提出，有可能利用电子所有的32个量子态来进行快速计算。现在有诸多实验室正在试图制造这样的计算机。它们的优点是难以想象的、强大的并行计算能力。作为科幻作品，克莱顿的小说中充斥着"量子多宇宙"&

8、quot;量子泡沫虫洞""量子运输""量子纠缠态"等令人既感新奇又感陌生的词汇，书中之"电子的32个量子态"说法也并不科学。然而，克莱顿预言的量子"并行计算"的强大潜力和美好前景，如今却正在现实世界一步步得到印证。具体而言，1965年，英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔针对电子计算机技术的发展提出了"每18个月计算能力翻倍"的摩尔定律。然而，由于传统技术的物理局限性，这一能力或将在未来1020年之内达到极限。据保守估计，2018年芯片制造业就将步入16纳米的工艺流程，业内专家则

9、认为，16纳米制程已经是普通硅芯片的尽头。事实上，当芯片的制程小于20纳米之后，量子效应就将严重影响芯片的设计和生产，单纯通过减小制程将无法继续遵循摩尔定律，而突破的希望恰在于量子计算。从理论上讲，一个250量子比特(由250个原子构成)的存储器，可能存储的数达2的250次方，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。无论在基础理论还是在具体算法上，量子计算都是超越性的。因此，对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制已成为世界科学领域最闪亮的"明珠"之一。比如，美国国防部对此就给予了高度重视，国防高级研究计划署(DARPA)专门制定了名为"量子信息科学和技术发展规划

10、"的研究计划，其对外公开宣称的目标是，若干年内要在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算、离子阱量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。科学社会学的奠基人贝尔纳曾说:"科学与战争一直是极其密切地联系着的。"今天，倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机"ENIAC"诞生所开启的电子信息科技革命。然而，这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循"摩尔定律"飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显:电子计算机的极限运算速度是否存

11、在?越来越一体化的电子信息网络如何应对"网电空间战"?等等。对此，近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门，势必在未来重新涂抹战神的面孔。2.1量子密码构筑"数字城堡"的铜墙铁壁近年来，谍战剧热播我国荧屏，围绕着夺取情报、破译密码，一个个斗智斗勇的故事，吸引了无数观众的眼球。然而很多人并不知道，随着量子信息技术的发展，密码通讯正在迎来划时代的变化，一种永远无法破译的密码或将在不远的未来登上军事斗争舞台。具体来说，目前的密码大都采用单项数学函数的方式，应用了因数分解或其它复杂的数学原理。例如，在目前互联网上比较常用的RSA密码算法，就是应用因数分解

12、的原理。因为要计算两个大质数的乘积很容易，但要将乘积分解回质数却极为困难，这就使得密码很难被破解。然而，美国科学家皮特·休尔却提出了"量子算法"，它利用量子计算的并行性，可以快速分解出大数的质因子，这意味着以大数因式分解算法为根基的密码体系在量子计算机面前不堪一击。差不多同时，另一个著名的量子算法-"量子搜寻算法"也被提出，用该方法攻击现有密码体系，经典计算需要1000年的运算量，量子计算机只需小于4分钟的时间，从而使传统密码领域遭遇前所未有的挑战，以致有科学家宣称:"其意义不亚于核武器一旦有些国家拥有了量子计算机，而另一些国家却没有

13、，当战争爆发的时候，这就犹如一个瞎子和一个睁眼的人在打架一样，对方可以把你的东西看得清清楚楚，而你却什么都看不到。"当然，量子计算机的出现虽然会对传统密码产生颠覆，但是量子信息同时也提供了一个守护神，即一种理论上无法破解的密码-量子密码。由于采用量子态作为密钥，具有不可复制性，因而无破译的可能，量子密码的出现也因此被视为"绝对安全"的回归。世界各国纷纷将其纳入国防科技发展战略之中。如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室就在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码。此外，英国国防部及欧盟各国也启动了类似的量子密码研究计划。2.2量子通信"超光速"联通一体

14、化战场神经网络这个世界上真的存在"超时空隧道"吗?对此，科学家给出的答案是，伴随着量子信息科技的持续发展，未来这一幻想不是没有实现的可能。当然，这一说法今天看来依然不无夸张，但其所谓的与"量子纠缠"密切关联的"量子态隐形传输"则正在变为现实。通俗而言，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，好像有一根无形的线绳牵着他们，这种神奇现象可谓"心灵感应"。与此类似，所谓量子纠缠，是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变

15、化。量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。此种通信技术若能得以实现，其影响将是划时代的。在时空方面，由于量子通信属于超光速通信，不仅是"最快的通信"，而且有穿越大气层的可能，从而为基于卫星量子中继的全球化通信网奠定了可靠基础。日前，德国物理学家就正在利用量子纠缠效应打造量子互联网，其研究人员称:"我们已经实现了第一个量子网络原型，在节点之间完成了量子信息的可逆交换。此外，还可以在两个节点之间产生远程纠缠，并保持约100微秒未来人们通过它不仅可以进行远距离的量子信息沟通，而且还将使大型量子互联网完全实现成为可能。"显然，这一量子通信技

16、术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景，量子隐形通信系统将建立在各类作战指挥控制体系之间和各种侦察预警系统、主要作战平台以及量子微空间武器系统之中，构建出 量子信息化战场的通信网络，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未来的信息化战争中扮演无可替代的角色。亦正因此，近年来，美国国防高级研究计划署启动了多项量子通信方面的相关研究计划。英国、德国、日本等国也都将量子通信技术纳入议程，对其开展了广泛的探索。三.量子通讯卫星3.1信息简介量子信号从地面上发射并穿透大气层卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。量子卫星是中国

17、科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。3.2通讯优势由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。此次发射的量子科学实验卫星完全由我国自主研发，突破了卫星平台、有效载荷、地面光学收发站等一系列关键技术，将在轨开展量子密钥分发、广域量子密钥网

18、络、量子纠缠分发、量子隐形传态、星地高速相干激光通信等科学实验。3.3量子通讯经过研究人员的种种努力，在如此远距离的传送中，虽有许多纠缠光子衰减，但仍有相当比例的“夫妻对”能存活下来并有旺盛的生命力，经单光子探测器检测，分居东西两地的光子“夫妻对”即使相距遥远仍能保持相互纠缠状态，携带信息的数量和质量能完全满足基于卫星的全球化量子通信要求。在此基础上，研究小组进一步利用分发的纠缠光源进行绝对安全的量子保密通信。13公里不仅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量子密钥分发的最大距离。2012年8月11日我国科学家潘建伟等人近期在国际上首次成功实现百公里量级的自由

19、空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。国际权威学术期刊自然杂志8月9 日重点介绍了该成果。3.4首发应用中科院“量子科学实验卫星”2016年8月16日发射，这既是中国首个、也是世界首个量子卫星。该卫星的发射将使中国在国际上率先实现高速星地量子通信，连接地面光纤量子通信网络，初步构建量子通信网络。 “京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计于今年下半年交付。这一工程将构建千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。3.5中国发展2016年8月16日凌晨1时40分，我国科学家在酒泉卫星发射

20、中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，目前已成功入轨运行。这使得我国成为世界上首个实现太空和地面之间量子通信的国家，同时也建成了我国天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。“墨子号”是世界上首颗量子科学实验卫星。量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟表示，之所以给它起名“墨子”，是因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播，而且他也提出了某种意义上的“粒子论”。命名缘由于墨子在墨经中提出的“光学八条”，墨家逻辑是全球三大古老逻辑体系之一，而逻辑体系是科学的基础，墨子在两千多年前就发现了光线沿直线传播，并设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。量子

21、卫星工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责。中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制；中国科学院上海微小卫星创新研究院（上海微小卫星工程中心）抓总研制卫星系统，中国科学院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷分系统；中国科学院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行，对地观测与数字地球科学中心等单位参加。1四.量子叠加科技日报北京4月7日电 （记者刘霞）量子计算机胜过传统计算机的“秘密武器”是量子叠加，但量子叠加很脆弱，延长其寿命是研制大型通用量子计算机面临的主要“拦路虎”之一。在7日出版的自然杂志上，美国科学家称，他们在由合成钻石制造的量子设备内使用一种量子反馈技术，将量子叠加的时长提高了1000多倍，向最终研制出可靠的量子计算机迈出了重要一步。上海交通大学物理与天文系金贤敏教授对科技日报记者解释