量子通讯是如何进行的和量子计算机是怎么一回事

量子通讯是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。 量子离物传态(又称量子隐形传态）是这种新型的通讯方式的原理演示。由于量子纠缠代表的关联依赖于对两个纠缠的粒子之一测量什么，直接通过量子纠缠不能传递物体的全部信息。但是，我们却可以设想这样的量子通讯过程：将某物体待传递量子态的信息分成经典和量子两个部分，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提取的，量子信息是发送者在测量中未提取的大量信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原来量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是该物体的量子态，而不是该物体本身。发送者甚至可以对这个待传量子态一无所知，而接收者则能将他持有的粒子处于原物体的量子态上。 利用这种量子纠缠特性，Bennet和其他5位来自不同国家的科学家等在1993年提出了演示这种量子通讯的量子离物传态（Teleportation）方案：通过在经典信道中送2个比特的信息破坏空间某点的量子态，可以在空间不同点制备出一个相同的量子态. 要指出的是，通常的离物传态（Teleportation）描述了这样一种奇妙的、有点象科幻小说的场景：某人突然消失掉，而在远处莫明其妙地显现出来。 Bennet等人的量子离物传态方案具体描述如下： 设想Bob要将他持有的粒子B的未知量子态u>=a0>+b1> 传给远方的持有粒子A 的Alice. 他可以操控他持有的粒子B和由BBO型量子纠缠源分发给来的粒子S。由于量子纠缠源产生了粒子A和粒子S的量子纠缠态ERP>, Bob对粒子B和粒子S的联合测量结果（依赖于对A和S的4个Bell基的区分），会导致Alice持有的粒子A塌缩到一个与u>相联系的状态u’>=Wu> 上, 其中幺正变换W 完全由Bob对粒子A和粒子S的联合测量结果的2个比特经典信息决定，而与待传的未知量子态无关。 Bob将即己测到的结果，通过经典通道（打电话、发传真或 e-mail等）告诉Alice。远方的Alice 就知道粒子A已经塌缩到u’>上.选取合适的么正变换W+ , Alice便可以将粒子A制备在u>上了。 量子计算机 从原理上讲, 经典计算可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换(逻辑门操作)的物理过程。基于经典比特的非0即1的确定特征，经典算法是通过经典计算机(或经典图灵机)的内部逻辑电路加以实现的.而量子计算，则是基于量子比特的既 0> 又 1>相干叠加特征，对可由量子叠加态描述的输入信号,根据量子的算法要求，进行叫做“量子逻辑门操作”的幺正变换. 这是一个被人为控制的、以输入态为初态的量子物理演化过程。对末态— 输出态进行量子测量，给出量子计算的结果. 顾名思义，所谓的量子计算机(quantum computer) 就是实现这种量子计算过程的机器。 量子计算机的概念最早源于二十世纪六、七十年代对克服能耗问题的可逆计算机的研究.计算机芯片的发热，影响芯片的集成度，从而大大限制了计算机的运行速度. Landauer 关于“能耗产生于计算过程中的不可逆操作”的发现表明，虽然物理原理并没有限制能耗的下限，但必须将不可逆操作改造为可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。直观地说，当电路集成密度很大时，Δx很小时，Δp就会很大，电子不再被束缚，就会出现量子物理所描述的量子干涉效应，从而破坏传统计算机芯片的功能。对于现有的传统计算机技术，量子力学的限制似乎是一个不可逾越的障碍。只有量子力学中的幺正变换，才能真正地实现可逆操作。从理论观念的角度讲，量子计算的想法与美国著名物理学家R. Feynman “不可能用传统计算机全面模拟量子力学过程”的看法直接相关。在此基础上，1985年，英国牛津大学的D. Deutsch初步阐述了量子图灵机的概念，并且指出了量子图灵机可能比经典图灵机具有更强大的功能。1995年，Shor提出了大数因子化量子算法,并有其他人演示了量子计算在冷却离子系统中实现的可能性，量子计算机的研究才变成物理学家、计算机专家和数学家共同关心的交叉领域研究课题。 量子并行性是量子计算的关键所在。显而易见，描述有2个比特的量子计算机,需要4个系数数字；描述n个量子比特的量子计算机就需要2n个系数数字。例如，如果n等于50，那就需要大约1015个数来描述量子计算机的所有可能状态。虽然n增大时所有可能状态的数目将迅速变成一个很大的集合，但由于态叠加原理，量子计算机操作—幺正变换能够对处于叠加态的所有分量同时进行。这就是所谓的量子并行性。由于这一奇妙的内禀并行性，一台量子计算机仅仅靠一个处理器就能够很自然地同时进行非常多的运算。典型的量子计算有Shor的大数因子化和Grover的数据库量子搜索。