量子物理和通信的最新发展PPT通用课件

1、量子物理和通信的最新发展 二十世纪的一百年是人类历史上科学技术发展最迅猛的时期，日新月异的科学发现和技术发明改变了人类的生产和生活方式。 二十世纪科技界公认的三项最伟大的成就：第一项：爱因斯坦1905年提出的狭义相对论和1916年提出的广义相对论。第二项：由普朗克，德布罗意，玻尔，薛定谔，海森堡，玻恩，狄拉克等共同创造的量子论和量子力学。第三项：美国的沃特森和英国的克里克提出的DNA分子双螺旋结构模型。 这三项科学成就为二十一世纪科学技术的发展尊定了基础。 我们生活的时代是计算机时代，太空时代和原子能时代。通讯和计算机十分发达，这个时代的到来与物理学有密切的关系。 历史上三次技术革命都与物理学

2、有关：第一次：十八世纪六十年代，提高蒸汽机效率，热力学发展，显示物理学与技术的相互依赖性。第二次：十九世纪七十年代，法拉第和麦克斯韦发展了电磁场理论。电力技术的应用，通讯得到迅速发展。第三次：二十世纪五十年代，量子力学和相对论，原子能，计算机和空间技术的发展。以计算机为核心的高新技术群，掀起了一场技术革命的浪潮，称为第三次浪潮。这次意义比前两次更为重大。起源量子力学和相对论。 1947年，贝尔实验室巴丁，布拉顿，肖克莱发明第一只晶体管。晶体管集成电路大规模超大规模 物理学发展刭现在是否已到头了呢? 是否可能在二十一世纪出现第四次技术革命? 量子力学所提供的理论观点和数学方法给我们的世界带来了巨

3、大的变化，也使我们对这个世界有了新的了解。它的理论观点和数学方法为现代粒子物理，原子分子物理，凝聚态物理提供了一个新的基础，也为光化学，结构化学提供了物理基础，也理所当然成为现代分子生物学，生物化学，微电子学，光电子技术，新材料，新能源，生物技术的基础。近几年来，又为现代信息理论提供了新的基础。介观物理和纳米科学技术： 物理学所研究的系统通常有微观和宏观之分，微观系统的尺度为原子数量级，即10的负8次方厘米数量级，包含个数不多的粒子。宏观系统的尺度远大于原子尺度，包含大量的微观粒子，约为阿伏枷德罗常数数量级。宏观系统和微观系统的最重要的区别在于它们所服从的物理规律十分不同，在微观系统中宏观规律

4、 (经典力学规律)不再适用，需要服从量子力学规律。波函数的相位起着重要作用。 近几年来，发现了尺度介于两者之间的介观系统。介观系统的尺度是微观尺度的10100倍，包含约10的8次方至10的11次方个微观粒子。介观系统基本上属于宏观范围，其物理量仍然是大量微观粒子统计平均的结果，但粒子波函数的相位的相干迭加并没有统计平均掉，量子力学规律起着支配作用。介观系统的量子微观特征在宏观测量时仍能观察到，这不仅有助于对量子力学和统计物理的一些基本原理进行实验上的检验，而且有助于设计新一代的微电子器件，因此具有重要的应用前景。 介观系统的物理现象之所以引起物理学家的兴趣，一个重要的原因是由于现代工艺技术的发

5、展。目前，制作长度在微米，线度为几十个纳米的样品己不是太困难的事情。一些线状或环状的小尺寸样品的实验结果呈现出与宏观极不相同的现象，观察到强烈的量子干涉效应。这是电子的波动性在充分地发挥作用。介观系统中最能体现电子波动性的是AB效应，它是介观物理发展的基础。 近十年来，介观物理得到了迅猛的发展，人们对磁场电阻的周期振荡，金属环中的持续永久电流、电导起伏的普通性、磁指纹、非定域效应等介观尺度上的物理现象进行了大量的研究，已得到了许多新的研究成果。 纳米科学技术是在介观物理、量子力学等现代科学与计算机、微电子和扫描隧道显微镜等先进工程技术基础上发展起来的一种研究和应用原子、分子现象的全新的科学技术

6、。纳米科学技术的诞生源于扫描隧道显微镜的发明。扫描隧道显微镜是基于量子力学中的隧道效应制成的新型原子级这一空前高分辨率的电子显微镜，是继第一代光学显微镜和第二代电子显微镜之后出现的第三代显微镜。扫描隧道显微镜不仅可以获得固体表面原子的图象，而且可以在自然条件下对生物大分子进行高分辨率的直接观察。 纳米电子学主要研究结构尺寸为纳米量级的电子器件和电子设备。这是一个正处在重大突破前期的领域。众所周知，制造大规模和超大规模集成电路是发展高级电子计算机和电子技术的基础。因此，进一步缩小器件结构尺寸始终是当今世界高科技领域中的一个追求目标。随着集成工艺技术的不断发展。计算机的速度几乎每两年翻一番，其元件

7、尺寸则每两年缩小一倍，如今计算机芯片的线度 (元件联线的最小尺寸)只有035微米。而目前关于半导体的p-n结的理论至亚微米级以下就失效了。现有的电子器件尺寸缩小到纳米尺度，与电子的德布罗意波长接近时，电子的波动性将起主导作用。 因此，纳米电子学必须采用量子力学来研究。由于微电子原件尺寸减小受到材料的电子性能和器件加工方法的限制，也受到组装成本的限制，解决这些问题的出路是在于发展量子器件，即原子、分子器件，以至于实现量子计算机。 近几年来，纳米电子学的研究己取得了重要的突破。美国IBM公司制成了用两个原子构成的隧道二极管，其中一个原子在扫描隧道显微镜的探针顶尖，另一个原子在硅片表面。这表明制作原

8、子器件是完全有可能实现的。量子光学 光的量子学说最初是由Einstein于1905年在研究光电效应现象时提出来的 ，这是量子光学发展史上的第一个重大转折性历史事件，同时也是量子光学发展史上的第一个诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦在其光量子学说中所提出的有关光量子这一概念，几经发展形成了当今的光子这一概念，最终导致光子学理论的建立，并由此带动了光子技术、光子工程和光子产业的迅猛发展。爱因斯坦也是当之无愧的激光之父和激光理论的先驱 。 HBT 实验新型的光学干涉实验(1956年)，被公认为量子光学发展的奠基性实验。 从1906年到1956年的这50年时间内，有关光的量子理论的研究工作虽然也曾取得过许多重

9、要成就，但就其总体发展而言，进展仍然是比较缓慢的。其最明显特征就是光的量子理论尚未形成完整的理论体系。 1960年国际上第一台红宝石激光器研制成功，这为量子光学的快速发展提供了重要的实验技术保障，激光器的发明者们也因此获得了诺贝尔物理学奖。 1975年，德国物理学家汉斯提出可以用激光降低原子的动能，从而给原子制冷，汉斯也因提出并开发飞秒光梳来进行频率测量的技术而获得2005年诺贝尔物理学奖。 1985年，朱棣文小组在贝尔实验室用6束激光使原子减速，他们通过激光束操控真空中的一束钠原子，把它引进6束激光的交汇处。在此小区域里，聚集了大量冷原子的发光气团。在上述实验中，原子只是被冷却，并没有被捕捉

10、到，重力会使它们从激光束交汇处落下来。1987年，朱棣文小组利用一种“磁光陷阱”产生一个比重力大的力，从而把原子控制在陷阱里。此时原子虽然没有真正被捉住，却被激光和磁场约束在一个很小的范围里，从而可以在实验中加以研究和利用。 由此朱棣文, C.C.Tannoudji和W.D.Phillips因研究原子的激光冷却与捕获而分获1997年度诺贝尔物理学奖，从而将量子光学领域的研究工作推向了高潮。 1995年6月美国科学家康奈尔和威曼用激光冷却和磁阱中蒸发冷却将约2000个稀薄的气态铷原子的温度降低到170nK 低温下首次观察到玻色-爱因斯坦凝聚。 1995年10月美国科学家凯特勒用钠原子气体获得了玻

11、色-爱因斯坦凝聚 ，并观察到两个不同凝聚之间的量子干涉现象，康奈尔、威曼和凯特勒共享了2001年度的诺贝尔物理学奖。 2005年，瑞典皇家科学院再次决定将2005年度的诺贝尔物理学奖授予对光学相干态和光谱学研究。其中，发现光学相干态、并在此基础上进一步建立起光场相干性的全量子理论的美国科学家Glouber一个人获得了本年度诺贝尔物理学奖金的50%，而另外的两位科学家则共享本年度诺贝尔物理学奖金的另外的50%。 不同类型的光场，其根本区别在于量子统计特性的不同。现有的光源按其量子统计特性可分为三类，即热光源，激光和非经典光场。量子光学感兴趣的是非经典光场，非经典光场具有经典体系不允许存在的统计性

12、质，称为非经典效应。已为实验证实的非经典效应有压缩效应，反聚束效应和亚泊松分布。 量子光学是研究光场的相干性和量子统计特性以及光与物质相互作用的量子特征的学科。 量子光学的重要目标之一就是制备各种各样的宏观量子态，称为量子态工程。即能按照人的意愿来设计和制备具有特定的量子统计特性的量子态。 非经典光场的产生有以下几个途径：无源法(被动法)：将相干态光场经有某种非线性相互作用过程导致非经典光场的产生。有源法(主动法)：在产生相干态光场的装置中引进某种新的机制，以抑制各种可能的噪声，从而直接生成在某个力学量上具有比量子极限还低噪声的光场。 还可利用量子测量过程对待测系统的反作用来促使该系统向特定宏

13、观量子态演化。目前，人们正致力于寻找各种产生非经典光场的新的途径，特别是产生高度压缩或光子数完全确定的光场。原子微腔QED-原子与光场相互作用系统超导电路QED (Circuit QED)人工腔QED系统的实验证据Stark效应真空Rabi劈裂量子信息论 量子信息论是经典信息论和量子力学相结合的新兴交叉学科。现有的经典信息论以比特作为信息单元，而量子信息科学则采用量子态作为信息单元(称为量子比特)，一旦用量子态来表示信息，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演化遵从薛定谔方程，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理(计算)是量子态的么正变换，信息提取是对量子系统实行量

14、子测量。量子信息的基础理论主要有量子纠缠，量子不可克隆，量子叠加性和量子相干性等。 科学代表着一个时代最为大胆的思想，她纯粹是人为的，但我们相信，通过追寻梦想发现解释梦想的不断循环，我们可以开拓一个个新领域，世界最终会变得越来越清晰，我们会最终了解宇宙的奥秘，所有的奥妙都是彼此联系和有意义的。Edward O. Wilson量子纠缠：量子纠缠是存在于多子系量子系统中的一种奇妙现象，即对一个子系统的测量结果无法独立于对其它子系的测量参数。 “纠缠”这一名词的出现可以追溯到量子力学诞生之初，1935年爱因斯坦等人提出的EPR佯谬 中便已提出了纠缠态的想法 ，其目的意在说明在承认局域性和实在性的前提

15、下，量子力学的描述是不完备的。玻尔在这个争论中也看到了，在考虑多粒子时量子理论会导致纯粹的量子效应。然而 ，无论是玻尔还是爱因斯坦，都没有洞悉他们所对讨论的纠缠态的全部含义，在经过数十年的努力之后，这些含义才逐渐地被发掘出来。 Does there exist a spooky force?The quantum mechanics is incomplete and self-consistent?Entanglement隐变量理论Bell不等式CHSH型Bell不等式 法国Aspect小组在1982年作出了第一个公认的具有说服力的检验Bell不等式的实验。局域性漏洞1998年奥地利Zeil

16、inger小组在实验验证Bell理论时，实现了类空间隔事件的观察，从而弥补了局域性漏洞。1999年，Aspect在Nature上发表文章高度评价了这一成果。探测效率漏洞2001年美国Rowe小组也在Nature上发表了利用离子阱中制造的一对Be离子的纠缠态来检验Bell不等式的文章，从而克服了探测效率漏洞。 现在，量子纠缠态巳被应用到量子信息的各个领域。对量子纠缠的深入研究无论是对于量子信息的基本理论还是对未来潜在的实际应用都将产生深远的影响 。Dense codingQuantum cryptography量子不可克隆：量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制。量子不可克隆定理和不确

17、定性原理构成量子密码术的物理基础。 1982年Wootters和Zurek在Nature上发表的一篇短文中提出这样一个问题：是否存在一种物理过程，实现对一个末知量子态的精确复制。使得每个复制态与初始量子态完全相同？该文证明，量子力学的线性特性禁止这样的复制，这就是量子不可克隆定理的最初表述。 量子态不可克隆是量子力学的固有特性，它设置了一个不可逾越的界限。量子不可克隆定理是量子信息科学的重要理论基础之一。 量子信息是以量子态为信息载体(信息单元)。量子态不可精确复制是量子密码术的重要前提，它确保了量子密码的安全性，使得窃听者不可能采取克隆技术来获得合法用户的信息，鉴于这个定理的重要性，近年来人

18、们对它作了迸一步的研究，揭示出更丰富的物理内涵。 最子不可克隆定理断言，非正交态不可以克隆，但它并没有排除非精确克隆，即复制量子态的可能性。目前主要有两种克隆机：普适克隆机和概率克隆机。目前，这方面的研究工作与量子秘码的窃听，量子态的测量，重建，确认以及量子计算机中的编程有密切的关系。 量子相干性：量子比特可以处在两个本征态的叠加态，在对量子比特的操作过程中，两态的叠加振幅可以相互干涉，这就是所谓的量子相干性。 已经发现，在量子信息论的各个领域，量子相干性都起着本质性的作用，可以说，量子信息论的所有优越性均出自于量子相干性，但由于环境的影响，量子相干性将不可避免地随时间指数衰减，这就是困扰整个

19、量子信息论的消相干问题。消相干引起量子错误，防止这些量子错误的方法之一就是量子编码。虽然量子编码和经典编码的基木想法类似，即要以合适的方式引进信息冗余，以提高信息的抗干扰能力，但量子码不是经典码的简单推广。量子纠错码：Shor的第一个纠错方案为量子重复码，它利用9比待编码1比特信息，可以纠正1位错，Shor的方案简单，而且与经典重复码有较直接的类比，但它的效率不高。事实上，Steane的编码方案对后来的量子纠错码影响更大，在该方案中，他提出了互补基的概念，给出了量子纠错的一般性的描述，并具体构造了一个利用7比待来编码l比特纠1位错的量子码。纠1位错的最佳(效率最高)量子码也由他们两个小组独立地

20、发现，该方案利用5比特来编码l比特。纠多位错的量子码情况更复杂，迄今为止，只发现一些简单的纠多位错的量子码。 量子纠错码适用于独立消相干，其优点为适用范围广，缺点为效率不高。 量子防错码：量子防错码利用了量子Zeno效应。量子Zeno效应指出：如果以很高的频率对一个系统进行测量，则系统不会发生演化。那么，如果以很高的频率来观察一个量子系统是否发生消相干，根据Zeno效应，系统将总是不发生消相干。量子防错码的效率高，但其缺点是测量的频率要求很高，而且噪声的增长不能太快。量子避错码：量子避错码基于消相干中的集体效应。郭光灿和Palma小组先后考察了量子比特消相干过程中的集体效应，发现集体消相干和独

21、立消相干具有本质的不同，最突出的一点是，对于集体消相干，存在相干保持态。 相干保持态是指一类能在噪声环境下保持稳定的态。量子避错码即是将一个任意输入态编码为一个较高维空间的相干保持态。对于实际中很重要的一类量子噪声，郭光灿小组设计了一个用二比特编码一比特信息的量子避错码方案。意大利的信息小组将该方案推广到更普遍的噪声模型，但相应地要求用四比特来编码一比特量子信息。量子避错码的优点为效率很高，而且不需要进行测量和纠错操作，其缺点为只能适用于克服集体消相干。2000年，美国洛斯阿拉莫斯的实验小组在实验上验证了偏振纠缠光子的相干保持态。量子通信：在经典信息论中，只讨论一种信息，即由经典比特所表示的信

22、息，信息传递的基本方式仅表现为经典比特的传送。而量子信息论包含两类信息经典信息和纠缠。信息传送的方式有三种，即传送经典比特，传送量子比特和分享EPR对。 量子通信是量子信息中研究较早的领城，比较典型的通信方式有：量子隐形传态，用经典辅助的办法传送量子态。 量子密集编码，即用量子信道传送经典比特。量子通信中还有一个很重要的分支是量子密码通信，即信息的保密传送。 量子隐形传态：借助于EPR粒子对的量子通道和经典通信，可以将某个粒子的未知量子态(即量子信息)传送到远处，使另一个粒子处于这个量子态上，而无需传送原始粒子本身。 1997年年底，奥地利Zeilinger小组在Nature上报道了世界上第一

23、个利用偏振纠缠光子的EPR对实现量子隐形传态的实验结果，轰动了学术界和新闻界。 1998年初，意大利Rome小组也在PRL上报道了未知光子态的隐形传送的实验结果。 1993年，Bennett等在PRL上发表了题为“经由经典和EPR通道传送未知量子态”的开创性文章中，提出了一种量子隐形传态的方案。量子密集编码：借助于EPR粒子对的量子通道，通过传送一个量子比特来实现二个经典比特信息的传送。 量子密集编码保密性强。1996年，奥地利Zeilinger 小组在实验上采用偏振纠缠光子的EPR对传送一个量子比特的信息，从而实现了量子密集编码。由于Bell基识别的困难，他们只实现了四种操作中的三种，即传送

24、了1.58比特。 1998年底，美国CIT的实验小组实现了连续量子自由度(相干态)的隐形传送。而美国洛斯阿拉莫斯的实验小组则实现了核自旋量子态的隐形传送。量子密码通信：现代保密通信采用密钥K将明文经过某种加密规则变换成密文，然后经由公开的经典信息通道传送，后者采用密钥K通过适当的解密规则将密文变换成为明文。这个过程如果能够有效地防止任何非法用户的窃听，那就是安全的保密通信。 按照密钥K和K是否相同，密钥系统可分为对称密码(KK)和非对称密钥(KK)。数学上证明存在有不可破译的对称密钥，即Vernam密码或一次性便笺式密码，它要求密码应与明文一样长，而且仅能使用一次，这种体系需要用户双方拥有庞大

25、的相同密码，因此密钥的传送、保管等都极不安全，不易广泛使用。 目前广泛用于网络、金融行业的是非对称密码，它是一种公开密钥，加密和解密法则，加密的密钥K均是公开的，只是解密的密钥K不公开，只有接收者本人知道，这种密钥的安全性基于大数因子分解这样一类不易计算的单向性函数。数学上虽没能严格证明这种密钥不可破译，但现有经典计算机几乎无法完成这种计算。 现在计算机运算速度越来越快，过去要几千年机时才能破译的密码，现在很快就能破译。例如，1977年美国出了个解密题，其解密需要将一个129位数分解成为一个64位和一个65位素数的乘积，估计用当时的计算机需要用4乘10的16次方年才能得出结果。然而到1994年

26、，只需8个月就可求出结果。 Shor量子算法证明，采用量子计算机可以轻而易举地破译这种公开密钥体系。这就对现有保密通信提出了严峻挑战。解决这个问题的有效途径是量子密码术。它采用量子态作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共亨的密钥。 量子密码的安全性由量子力学原理所保证。量子密码术原则上可以挺供不可破译、不可窃听的保密通信体系。 首先想到将量子力学用于密码术的是美国的Wiesner,他在1970年提出用共轭编码制造不可伪造的“银行支票”等。因为他的想法太新奇，论文被拒绝刊登，直到1983年才得以在会议录上发表。 在同他的讨论中，Bennett和Brassard受到启发，于1984年

27、提出了第一个用单光子偏振态编码的量子密码术方案，称为BB84协议，迎来了量子密码术新时期。目前，量子密码的方案主要有四种：(1)基于两种共扼基的四态方案，其代表为BB84协议。(2)基于两个非正交态的两态方案，如B92协议。(3)基于EPR佯谬的EPR对方案，由Ekert于l991年提出，称为EPR协议或E91协议。(4)基于正交态的密钥分配方案，其基础为正交态的不可克降定理。 量子密钥分配的第一个演示性实验在1989年由Bennett等人完成。目前的实验方向有二，即光纤中的量子密钥分配和自由空间的量子密钥分配。光纤中的量子密钥分配实验己经逐渐走向成熟。瑞士报道在日内瓦湖底用通信光缆传送67公里的量子密钥。日本NEC报道已在100公里光纤中传送量子密钥。德英联合在3000米山上经自由空间传送23.4公里的量子密钥。中国科大已实现160公里的量子保密通信，自由空间传送量子密钥12米。量子因特网：量子因特网开辟了新型通信系统，可实现网络中量子信息的保密发送，多方分布计算，也可以降低通信复杂度。 量子因恃网的主要部分是量子存储器(用于存储和处理信息)和量