由於量子特性在資訊領域中有著獨特的功能，在提高運算速度、確保資訊安全、增大資訊容量和提高檢測精度等方面可能突破現有的經典資訊系統的極限，因而量子力學便首先在資訊科學中得到應用，一門新的學科分支——量子資訊學也應運而生。該學科是量子力學與資訊科學相結合的産物，是以量子力學的態疊加原理為基礎，研究資訊處理的一門新興前沿科學。量子資訊學包括量子密碼術、量子通信、量子電腦等幾個方面，近年來在理論和實驗上都取得了重大的突破。

    量子電腦

    量子電腦是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子資訊的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子資訊，運作的是量子演算法時，它就是量子電腦。量子電腦的概念源於對可逆電腦的研究。研究可逆電腦的目的是為了解決電腦中的能耗問題。

    20世紀60年代至70年代，人們發現能耗會導致電腦中的晶片發熱，極大地影響了晶片的整合度，從而限制了電腦的運作速度。研究發現，能耗來源於計算過程中的不可逆操作。那麼，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經典電腦都可以找到一種對應的可逆電腦，而且不影響運算能力。既然電腦中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那麼在量子力學中，它就可以用一個幺正變換來表示。早期量子電腦，實際上是用量子力學語言描述的經典電腦，並沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相干性。在經典電腦中，基本資訊單位為比特，運算對像是各種比特序列。與此類似，在量子電腦中，基本資訊單位是量子比特，運算對像是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上，而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態，不僅提供了量子並行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典電腦不同，量子電腦可以做任意的幺正變換，在得到輸出態後，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經典計算作了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子電腦對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，並按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外，量子電腦的另一重要用途是模擬量子系統，這項工作是經典電腦無法勝任的。

    無論是量子並行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實際系統中量子相干性很難保持。在量子電腦中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用範圍廣，缺點是效率不高。

    迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子電腦。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算，方案並不少，問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。目前已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。現在還很難説哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合整合化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最後脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對於電子電腦一樣。研究量子電腦的目的不是要用它來取代現有的電腦。量子電腦使計算的概念煥然一新，這是量子電腦與其他電腦如光電腦和生物電腦等的不同之處。量子電腦的作用遠不止是解決一些經典電腦無法解決的問題。

    量子通信

    量子通信系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置。按其所傳輸的資訊是經典還是量子而分為兩類。前者主要用於量子密鑰的傳輸，後者則可用於量子隱形傳態和量子糾纏的分發。所謂隱形傳送指的是脫離實物的一種“完全”的資訊傳送。從物理學角度，可以這樣來想像隱形傳送的過程：先提取原物的所有資訊，然後將這些資訊傳送到接收地點，接收者依據這些資訊，選取與構成原物完全相同的基本單元，製造出原物完美的複製品。但是，量子力學的不確定性原理不允許精確地提取原物的全部資訊，這個複製品不可能是完美的。因此長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。

    1993年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳態的方案：將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子製備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處。其基本思想是：將原物的資訊分成經典資訊和量子資訊兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典資訊是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子資訊是發送者在測量中未提取的其餘資訊；接收者在獲得這兩種資訊後，就可以製備出原物量子態的完全複製品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處於原物的量子態上。在這個方案中，糾纏態的非定域性起著至關重要的作用。量子力學是非定域的理論，這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實，因此，量子力學展現出許多反直觀的效應。在量子力學中能夠以這樣的方式製備兩個粒子態，在它們之間的關聯不能被經典地解釋，這樣的態稱為糾纏態，量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間的非定域非經典的關聯。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為資訊載體，通過量子態的傳送完成大容量資訊的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠端傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子資訊的“狀態”，作為資訊載體的光子本身並不被傳輸。最近，潘建偉及其合作者在如何提純高品質的量子糾纏態的研究中又取得了新突破。為了進行遠距離的量子態隱形傳輸，往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有最大量子糾纏態。但是，由於存在各種不可避免的環境噪聲，量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是目前量子通信研究中的重要課題。近年，國際上許多研究小組都在對這一課題進行研究，並提出了一系列量子糾纏態純化的理論方案，但是沒有一個是能用現有技術實現的。最近潘建偉等人發現了利用現有技術在實驗上是可行的量子糾纏態純化的理論方案，原則上解決了目前在遠距離量子通信中的根本問題。這項研究成果受到國際科學界的高度評價，被稱為“遠距離量子通信研究的一個飛躍”。

    量子密碼術

    量子密碼術是密碼術與量子力學結合的産物，它利用了系統所具有的量子性質。首先想到將量子物理用於密碼術的是美國科學家威斯納。威斯納于1970年提出，可利用單量子態製造不可偽造的“電子鈔票”。但這個設想的實現需要長時間保存單量子態，不太現實。貝內特和布拉薩德在研究中發現，單量子態雖然不好保存但可用於傳輸資訊。1984年，貝內特和布拉薩德提出了第一個量子密碼術方案，稱為BB84方案，由此迎來了量子密碼術的新時期。

    1992年，貝內特又提出一種更簡單，但效率減半的方案，即B92方案。量子密碼術並不用於傳輸密文，而是用於建立、傳輸密碼本。根據量子力學的不確定性原理以及量子不可克隆定理，任何竊聽者的存在都會被發現，從而保證密碼本的絕對安全，也就保證了加密資訊的絕對安全。最初的量子密碼通信利用的都是光子的偏振特性，目前主流的實驗方案則用光子的相位特性進行編碼。目前，在量子密碼術實驗研究上進展最快的國家為英國、瑞士和美國。英國國防研究部于1993年首先在光纖中實現了基於BB84方案的相位編碼量子密鑰分發，光纖傳輸長度為10公里。這項研究後來轉到英國通訊實驗室進行，到1995年，經多方改進，在30公里長的光纖傳輸中成功實現了量子密鑰分發。與偏振編碼相比，相位編碼的好處是對光的偏振態要求不那麼苛刻。在長距離的光纖傳輸中，光的偏振性會退化，造成誤碼率的增加。然而，瑞士日內瓦大學1993年基於BB84方案的偏振編碼方案，在1．1公里長的光纖中傳輸1．3微米波長的光子，誤碼率僅為0．54％，並於1995年在日內瓦湖底鋪設的23公里長民用光通信光纜中進行了實地表演，誤碼率為3．4％。1997年，他們利用法拉第鏡消除了光纖中的雙折射等影響因素，使得系統的穩定性和使用的方便性大大提高，被稱為“即插即用”的量子密碼方案。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，創造了目前光纖中量子密碼通信距離的新紀錄。他們採用類似英國的實驗裝置，通過先進的電子手段，以B92方案成功地在長達48公里的地下光纜中傳送量子密鑰，同時他們在自由空間裏也獲得了成功。1999年，瑞典和日本合作，在光纖中成功地進行了40公里的量子密碼通信實驗。在中國，量子密碼通信的研究剛剛起步，中科院物理所于1995年以BB84方案在國內首次做了演示性實驗，華東師範大學用B92方案做了實驗，但也是在距離較短的自由空間裏進行的。2000年，中科院物理所與研究生院合作，在850奈米的單模光纖中完成了1．1公里的量子密碼通信演示性實驗。總的來説，比起國外目前的水準，我國還有較大差距。量子力學的研究進展導致了新興交叉學科——量子資訊學的誕生，為資訊科學展示了美好的前景。另一方面，量子資訊學的深入發展，遇到了許多新課題，反過來又有力地促進量子力學自身的發展。當前量子資訊學無論在理論上，還是在實驗上都在不斷取得重要突破，從而激發了研究人員更大的研究熱情。但是，實用的量子資訊系統是宏觀尺度上的量子體系，人們要想做到有效地製備和操作這種量子體系的量子態目前還是十分困難的。

    人類在20世紀能夠精確地操控太空梭和搬動單個原子，但卻未能掌握操控量子態的有效方法。在21世紀，人類應積極致力於量子技術的開發，推動科學和技術更迅速地發展。（張惠群 陳穎健）

    《科技日報》