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1、精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 1 / 19量子信息科学在中国科学技术大学的兴起和发展 摘 要文章介绍了科学技术大学的量子信息科学研究是如何兴起和发展的；着重介绍了在量子信息的基础理论、量子密码、量子纠缠、量子隐形传态、量子处理器和量子信息的应用等方面所取得的研究成果. 关键词量子信息，量子纠缠，量子通信，量子计算 1 引 言 上世纪 80 年代，正当电子计算机按每 18 个月运行速度翻一番的摩尔定律而蓬勃发展之际，物理学家就杞人忧天地问：摩尔定律是否会终结？他们的研究结论是：摩尔定律必然会失效，而量子计算机可望成为后摩尔时代的新型计算工具.当时信息领域
2、的科学家们对此并不予理会和关注，因为其时摩尔定律正处于辉煌的顶盛时期.然而，物理学家们仍然孜孜不倦地努力，终于诞生了量子信息这门新兴交叉学科. 1994 年,Shor 提出量子并行算法1 ，并证明可用来实现大数因子分解，从而轻易地攻破目前广泛使用的 RSA公开密码体系，这门新兴学科的巨大威力震惊了整个国际学术界，并引起政界、军界和商界的极大关注，从此量子精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 2 / 19信息科学便迎来迅猛发展的新时期，迄今方兴未艾！ 我们在上世纪 90 年代量子信息刚刚在国际上悄然兴起之际就投入到这个新兴领域的研究行列之中，并于 1997 年和
3、 1998 年先后在Phys.Rev.Lett.上提出“量子避错编码原理”和“量子概率克隆原理” ，引起国际学术界的高度重视.1999 年，科学院开始在我校创建国内第一个从事量子信息研究的量子信息重点实验室，这个极富有前瞻性的战略部署开辟了我校量子信息研究的新局面.在此之前，自我回国归来所组建的研究小组只有一台电脑，我们坐着冷板凳，默默耕耘了 15 年之久.2001 年作为首席科学家单位，我校承担了科技部“国家重点基础研究发展计划”项目（“973”项目）：“量子通信与量子信息技术” ，这个由国内 17 个单位 50 多位学术骨干组成的研究团队不仅取得一系列重要成果，而且培养出许多杰出的年青学术
4、骨干，在其后国家重点基础研究计划“量子调控”的实施中由此研究团队衍生出 5 位首席科学家. 本世纪初，我校以科学院百人计划从奥地利引进杰出的年青学术带头人潘建伟博士，他随后在“合肥微尺度国家实验室”建立“量子物理与信息”研究组，并在多光子纠缠方面不断地做出国际领先水平的成果.该研究组与科学院量子信息重点实验室共同推进了我国量子信息学科的发展，也成为我校物理学科中特色鲜明成果丰硕的新成长点.精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 3 / 19本文将简要介绍我校在量子信息领域中已取得的主要研究成果. 2 首个量子信息领域的国家奖 21 提出能有效抑制环境噪声的量子避
5、错编码原理2 量子相干性在环境作用下会不可避免地消失，这种消相干效应是量子计算机和量子信息系统实际应用的主要障碍.量子编码是有效克服消相干的有效途径.国际学术界提出基于独立消相干的量子纠错编码.我们发现在集体消相干过程中存在有不会发生消相干的“相干保持态” （又称“无消相干子空间” ，DFS） ，并基于此发现提出量子避错编码原理，成为迄今三种不同原理的量子编码之一.美国著名的Los Alamos 和 NIST 实验室的三个研究组分别在光子、离子和原子核体系中证实了这个编码的正确性，三个实验均发表在Science上3 ，我们的论文作为原始性工作被引用. 22 提出能有效提取量子信息的概率克隆原理
6、4 量子不可克隆定理为量子信息提取设置了不可逾越的精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 4 / 19障碍，于是学术界提出不精确克隆的量子普适克隆原理，其克隆效率为 1，但保真度总是小于 1.我们提出概率量子克隆原理，可以某种概率精确克隆量子信息，即克隆效率总小于 1，但保真度为 1.国际学术界称之为“段郭量子克隆机” ，最大克隆效率称为“段郭界限”.我们还在实验上研制成功这两类量子克隆机，验证了理论预言的正确性5 ，被国际学术界誉为“本领域最激动人心的最新进展之一” 6. 23 提出能有效抑制腔损耗影响的腔量子电动力学（QED）量子处理器新方案7 腔 QED
7、是种理想的量子处理器，但腔的损耗引起量子信息的泄漏阻碍其实际运行，为此要求腔的 Q 值要很高，现有的技术难以达到.我们提出一种能抑制腔损耗影响的新方案，并证明现有技术可以实现.法国巴黎高师的著名学者、法兰西院士 Haroche 研究组很快在实验上证实这个方案的正确性8.我们的论文成为该研究方向后续工作必引用原始的论文，迄今已被 SCI 他引 260 余次. 2003 年上述成果以“量子信息技术的基础研究”为题目荣获了国家自然科学二等奖. 3 量子密码 精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 5 / 1931 实现从北京到天津 125km 商用光纤的量子密钥分配9
8、 量子密码是量子信息领域中最可能得到实际应用的技术.美国人将“量子加密”称为“改变人类未来”的新技术.量子密码原理已在实验室内演示成功.目前国际学术界正在研究走向实用进程中的关键科学和技术问题.光纤量子密钥分配研究中最关键的问题是：现在广泛研制的不等臂 MZ 干涉仪虽然安全但稳定性很差，无法在商用光纤上运行，而改进后的返回式光学系统虽然解决了稳定性问题，但其安全性却出现了漏洞.我们解决了这个稳定性和安全性统一的难题.在实验上研究了光纤系统不稳定性的物理根源，在理论上给出稳定性条件，进而设计出满足稳定性条件的迈克逊法拉第干涉仪，在实验室内实现 150km 的量子密钥分配，在北京与天津之间的 12
9、5km 商用光纤上实现了量子密钥分配和加密图像传送.这是迄今国际上报道的最远距离实用光纤量子密钥分配. 32 局域量子保密通信在北京测试成功 我们利用自己发明的量子络路由器和单向传输、抗干扰的 FM 量子密钥分配系统，于 2007 年 3 月份在北京完成了国际上第一个多（4 个）节点、无中转、可同时、任意互通的量子保密通信的测试性运行，取得了很好的通信效果.精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 6 / 19这次测试是在通公司的商用通信光纤线路上实现的，节点间距离分别为 43，32，40，32km，对应的误码率码率分别为 7.7%,4.1%,6.6%,2.4%.
10、测试显示，系统在没有人为干预的条件下，可以长期稳定运行. 33 无共享参考系的量子通信的实验实现10 在 1km 的光纤中,利用偏振和时间两个模式均有纠缠的光子对实验，实现了 BB84 量子密钥传输的一种更抗干扰的改良方案.该量子密码不受光纤扭曲、旋转或者光纤本身缺陷的影响，通信双方也不需要精确的同步时间，从而大大降低了通信的复杂度.无论外部环境如何变化，光纤通信双方总有办法取得需要的密码.此外，我们还给出了量子通信方案的绝对安全的理论论证，避免了现有光纤量子通信的安全性隐患.Phys. Rev. Lett.审稿人认为，该成果是“非常出色的” ， “具有特殊的价值”. 4 量子纠缠源的制备和操
11、控 量子纠缠是量子信息领域中最重要的.当两个或多个粒子处于纠缠态时，对其中的一个粒子进行操作，其他的纠缠粒子不管位于何处，其量子态会立即发生相应的变化.因此，彼此纠缠的粒子之间便由这种基于量子非局域性的内禀通道构成一个量子络，它可以实现量子通信（即传送量精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 7 / 19子信息） ，也可以实施分布式的量子计算.自从量子信息作为新兴学科诞生以来，量子纠缠便成为国际学术界研究的焦点.我校研制成功高亮度的光子纠缠源：连续纠缠光子源，每秒 12.8 对，对比度为 95%；脉冲纠缠光子源，每秒 1.4万对,对比度 87%,在国际上处于领先
12、水平. 41 量子信息传输的奇特现象 两个纠缠的光子构成一条量子通道，通过对各个光子的操作，可实现许多新奇的信息传输功能.1997 年，在实验上实现了所谓“量子隐形传态” ，即将未知量子信息传送到远处的纠缠光子上而原先携带该量子信息的物理载体却留在原处不被传送.我们进一步研究了量子信息传输的许多有趣现象：（1）在实验上实现了单光子量子态的远程操纵，即局域地操作其中一个纠缠光子，可将远处的另一个纠缠光子制备在任意态上11 ；（2）局域地对一个纠缠光子实施任意相位旋转操作，可将这个操作传送到远处，旋加在另一个光子态上12 ；（3）在实验上演示了当纠缠通道被损坏时，可通过单光子局域操作来实现纠缠纯化
13、，而不必通过非局域的操作13. 42 多光子物理学的研究进展14 多光子量子态具有许多重要性质，例如 N 个光子态的精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 8 / 19干涉所呈现的德布罗意波长减少到 1/N，这可使相位测量达到海森伯极限的精度，用于光学刻蚀，其精度可提高到 1/N.光子数越来越多的量子态，蕴含着越丰富的量子现象，但制备也更为困难.我们在理论上提出一种所谓“NOON 态投影测量方法” ，可用来制备和识别多光子量子态，在实验上演示了四光子和六光子德布罗意波长，并将著名的两光子洪区曼德尔（HongQuMandel）干涉推广到多光子场合，在实验上证实了这
14、种方法是多光子物理中重要而有效的实验方法. 43 五光子纠缠态的实验实现15 首次在实验上实现了五光子纠缠态，并演示利用这个纠缠态可实现终端开放的量子隐形传态，即未知量子态被隐形传到终端的三个光子纠缠态上，然而按照三个粒子的合作可被制备在其中任一个粒子上.利用这个五光子纠缠态，在实验上还演示了量子纠缠浓缩和纠缠交换，为量子中继的实现研究迈开重要一步. 44 六光子图态纠缠的实验实现16 该工作通过对多光子操纵技术的进一步发展，从实验上实现了基于光子比特“焊接”技术的量子计算机测试平台，成功地制备出国际上纠缠光子数量多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态.该项成果以封面标题形式发精品文档2016 全新精品资料-全新公文范文 -全程指导写作 独家原创 9 / 19表在 2007 年 2 月 1 日出版的英国Nature杂志子刊Nature Physics上，审稿人评价其是“光学量子计算领域至今最先进实验工作”和“一个出色的成就，为量子计算、量子纠错和量子力学基本问题的研究铺平了道路”.欧洲物理学会称赞该工作“为量子计算机的物理实现迈进了重要一步”. 5
