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1、*量子通信*一张传说中集中了地球上三分之一智慧的照片*几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像 这张一样，在一幅画面内集中了如此之多的、 水平如此之高的人类精英这是1927年在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会 议上的照片。在这次会议上，爱因斯坦和玻尔 这两个当时世界上最顶尖的物理学家，进行了 科学史上著名的学术辩论。在这次辩论中，玻 尔所代表的新生量子论学派获得了更广泛的支 持，而维护经典理论的爱因斯坦则被认为不合 时宜，站到了对立面。* 玻尔和爱因斯坦的争论 经典理论：条件定，结果唯一 量子理论：条件定，结果不唯一 爱因斯坦：上帝不掷骰子！爱因斯坦在 纪念牛顿逝世200周年时说过：“牛顿理论的
2、精髓可能会给我们提供力量，去恢复物理现实 与牛顿教诲中最深奥的特点严格的因果律 之间的和谐。”（不满非决定论基础）最 后一位经典物理学家 后来，霍金针对爱因斯坦“上帝不掷骰 子”的名言说：“上帝不只是掷骰子，还 把骰子掷到我们看不到的地方!” *令“科学如此性感”的量子力学 量子力学是20世纪初才诞生的，是近代物理学两 大支柱之一。= 经典力学：宏观物质的运动规律 = 量子力学：微观粒子的运动规律自然界的运动规律。 = 量子力学的基本规律是统计规律，而经典物理的基本 规律是决定论、严格的因果律。玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困 惑，那他一定没听懂。” * 特性：每时刻的位置、
3、速度完全确定，有 确定的运行轨迹，遵从牛顿力学。经典粒子*微观粒子 特点：同时具有粒子性和波动性。(不确定) 设想空间中有一个微观粒子，任何时 刻有可能在空间中任何点探测到粒子（类 似经典波的特性），但一旦探测到只能在 其中一个探测器处发现该粒子（类似经典 粒子的特性）。 C ABA,B,C,为探测器*经典粒子在某个时刻只能处于确定的物理状 态上，经典比特：0、1； 量子粒子则可以同时处于各种可能的物理状 态上（叠加态）（dirac） |0，|1 。 因此由于，量子粒子拥有不确定性，在量子 力学中微观粒子的状态用波函数描述。*薛定谔猫宏观量子叠加态（解决爱因 斯坦祖母悖论） 薛定谔于1935年
4、设计了“杀猫实验”。这个猫十分可 怜，她（假设这是一只雌性的猫，以引起更多怜悯） 被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤 子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。 如果原子核衰变，则放出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落 下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，雌猫必死无疑。 这个残忍的装置由薛定谔所设计，所以雌猫便叫做薛定谔猫。 薛定谔的猫是死是活？ 体系的总体波函数代表体系的总体波函数代表 猫既活又死的混合状态猫既活又死的混合状态 。这以常识而论是荒谬。这以常识而论是荒谬 的，猫似当的，猫似当非死即活非死即活。*对于这只猫的多世界解释 这只猫即是死的又是活的。只
5、是分别在不同的世界中，在 观测者打开盒子的那一刹那，整个世界分裂成两个，在一 个世界里观测者看到的那只猫活了下来，在另一个世界里 ，观测者看到的那只猫不幸死去。除此之外的世界完全一 样。 解释：没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各 种可能性的混合叠加状态。 电影 Source Code *量子力学对我们生活的启示 在最宏大的视野里，宇宙中运行着的星球的角落 里所发生的细微的量子过程，将宇宙一次次的分 裂。因而，地球连同我们被一次次的复制，数目 巨大到难以想象的宇宙的不同版本在同时上演。 在我们每一次的选择中，宇宙被分裂成几个世界 ，因而你的不同版本的生命形态在同时上演，可 见我们每个人
6、的生命都是丰富多彩的 可见，现在我们在座的每个人能坐在这里并结下 深厚的友谊是经过多少次的宇宙分裂得来的，所 以大家要珍惜现在生活，感恩生命的伟大！*由量子力学到量子信息量子特性应用到信息领域中可以发挥 出独特的功能，在提高运算速度、确保信 息安全、增大信息容量等方面可以突破现 有的经典信息系统的极限，于是诞生了一 门新兴的交叉学科：*量子信息科学它是量子物理与信息科学相结合的产物 。量 子 通 信量 子 密 码*什么是量子通信？我们可以通过类比来了解它的意义： 电子通信：通过电信号的参数传送信息 量子通信：由量子态携带信息 量子通信系统的基本部件 量子态发生器、量子通道和量子测量装置。*量子
7、信息与经典信息的根本区别经典信息二进制0或1组成的数字串，其信息 单元称为“比特”，为0或者1。用量子的语言可描述为态 和 。 经典粒子只能处在 或 之中的一个态 上。量子信息 微观粒子允许同时处在 和 两个 态上，这是其波粒二象性的结果。注： psi psai 普西 *信息一旦量子化, 量子力学的特性便成为量 子信息的物理基础, 这主要有量子纠缠、量子不可克隆、量子叠加性和相干性。因为量 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Heisenberg 测不准原理构成了量子密码学的物理基础。一点说明*量子不可克隆定理 Wootters 和 Zurek 曾于1982
8、年在自然杂志 上撰文提出了如下问题: 是否存在一种物理过程, 实现对一个未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呢？Wootters 和 Zurek 证明, 量子力学的线性特性禁止这样的复制, 这就是量子不可复制定理的最初表述。*Heisenberg 的测不准原理由测不准原理可知, 对任何一个物理量的测量都不可避免地对另一物理量产生干扰。 这 就使得通信双方能够检测到信息是否被窃听, 这一性质使通信双方无须事先交换密钥即可 进行绝密通信。 量子加密学为人们提供了一 种无条件安全的希望，并且不象一次一密的 密钥, 任何窃听量子密钥交换和拷贝密钥的人不可能不被检测到。 *信息传
9、输：量子态在量子通道中传送信息处理(计算)：量子态幺正演化信息提取：量子测量如，经典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的 （量子不可克隆定理）。两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠 缠态（EPR粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关 联，对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的 状态。理解：微观世界的物质具有波粒二象性，于时刻t在全空间找到粒子的总几率等于1幺正性：微观粒子散射过程和反应过程中几率守恒的一种数学表述。 （即全空间中找到粒子的几率为1） 量子通信*纠缠 现在有两个光子，A光子可以有两种状态，一 个极化方向向上，一个极化方向向下。同样B 光子也有向上和向下的极化方向。在
10、数学上 ，A的向上乘上B的向下，减掉A的向下，乘 上B的向上，除以根号2。这个状态一般叫做 两个光子纠缠不清的状态。纠缠态*假如我知道A光子的偏振方向是向上的，所以A 光子向下的状态一定是等于0的，则B光子的偏 振方向一定是向下的。反过来也是一样。而这种纠缠关系，A光子跟B光子可以离的很远 很远。举一个例子，把A光子放在地球上，B光 子放在人造卫星上，A光子极化是向上的，不 用跑到人造卫星上，一定知道B光子是向下的 。*“隐形传送”定义 所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全” 的信息传送。从物理学角度，人们可以这 样地想象量子隐形传送的过程：先提取原 物的所有信息（量子态），然后将这个信 息
11、（量子态）传送到接收地点，接收者依 据这些信息（量子态），选取与构成原物 完全相同的基本单元（如原子），制造出 原物完美的复制品。*“隐形传送”原理 其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量 子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通 道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行 某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中 未提取的其余信息。接收者在获得这两种信息之 后，就可制造出原物量子态的完全复制品。这个 过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物 本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知， 而接收者是将别的粒子（甚至可以是与原物不相 同的粒子）处于原物的量子态上。*Can the Hot
12、 Tub Time Machine work？ From The Big Bang Theorys season 1*量子传输 （Quantum Teleportation）1993年美国IBM的著名科学家Bennet等四个国家的六位科学家联名在 Physical Review Letters上发表了一篇开创性论文：“经由经典和EPR通道 传送未知量子态”，提出了“量子态隐形传输”的方案,即位将原粒子物理特性的信 息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制 品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传输结束 后，原粒子已经不具备原来的量子态，而有了新
13、的量子态。 *量子隐形传态 量子隐形传态就是指将甲地的某一粒子的 未知量子态在乙地的另一粒子上构建出来. 由于量子力学的不确定性原理,我们不能精 确地将原量子态的所有信息全部提取出来, 只能将原量子态的所有信息分为经典信息 和量子信息两部分,它们分别由经典通道和 量子通道传送到乙地,根据这些信息,在乙地 就能够利用相应的幺正变换构造出原量子 态的全貌.*Teleportation public communicationEPR Source粒子2粒子3secure channelBob粒子1AliceAlice拥有一个粒子1处于未知态，其可以表示为粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子
14、2,Bob拥有粒子3.*Teleportation public communicationEPR Source粒子2粒子3secure channelBob粒子1Alice粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3. 这个EPR对与粒子1构成的量子体系的复合波函数可以表示成 两个态的直积形式( 和 是粒子1和粒子2所在的四维 希尔伯特空间中的Bell基)*Teleportation public communicationEPR Source粒子2粒子3secure channelBob粒子1AliceAlice对粒子1和粒子2施行一个Bell基测量,粒子3的态将会坍
15、塌 为下面4个态中的其中一个,而且分别与Alice测量结果相对应. 此时,粒子1的相关信息存储到粒子3上了.*Information Encoding and Decoding . .0 1 1 0.RRRx Rx0 1 1 0.AliceBob EPR1:EPR2:Information:为了使量子隐形传态成功完成,Alice通过经典通道把测量结果 告诉给Bob.最后Bob根据测量结果对粒子3做适当的幺正变换 ，此时Alice拥有的粒子1所处的未知态在Bob拥有的粒子3 上完美的重现出来了,即量子隐形传态圆满成功了.将得到最终的态*回顾一下 粒子1： 粒子2，3： EPR对与粒子1构成的量子体系的复合波函数：一个Bell基测量后：粒子3做适当的幺正变换：*几点说明 (1)从粒子1到粒子3量子信息的传递可以发生在任 意的时空之间,因为量子纠缠具有非局域性. (2)联合测量后接收方的粒子的量子态仍然处于混 合态,也就是说,联合测量本身对Bob来说,并不给出 任何关于原粒子态的信息.原粒子态的重建应该归 功于EPR态的纠缠非局域关联,经典通讯和局域的 幺正变换. (3)量子隐形传态不存在超光速通讯问题.因为没有 通过经典通道传送的经典信息,隐形传态将不可能 成功.而经典通道的通讯速度必然要受到相对性原 理的限制,即传送速度不可能超过光速.*
