量子信息技術及其網信應用

彭設強曾清華

1.中國人民解放軍國防信息學院；2.武漢中原電子集團有限公司

量子信息技術及其網信應用

彭設強1曾清華2

1.中國人民解放軍國防信息學院；2.武漢中原電子集團有限公司

量子信息技術是量子力學與信息技術相結合發展起來的新興技術，已呈現出具體實際的應用價值，本文從基本概念、技術原理出發，分析闡述了量子通信技術和量子計算技術在網信中的應用。

近年來，量子信息技術在理論研究、實踐應用等方面都取得了較大突破。量子通信在一定程度上已具備商業應用推廣前景，如我國正在推進北京城域量子通信設施建設、計劃2016年8月發射全球首顆量子衛星、2016年底前開通量子保密通信“京滬干線”國家項目，讓更多人享受到量子保密通信技術服務；量子計算機從原理上具有目前計算機無與倫比的計算能力，基于量子光學和固態體系的量子處理器的研究也在不斷深入推進。

量子信息技術基本概念

量子（Quantum）一詞最早是M?普朗克在1900年提出來的，來源于拉丁語quantus（意思為“有多少”，代表“相當數量的某物質”），在微觀物理世界常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。例如，“能量子”（量子）是能量的最小單位，“光的量子”（光子）是光的最小單位。也就是說，一個物理量如果存在最少的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱之為量子。“量子化”是指其物理量數值變化的最小份額只能是量子，而不是連續變化的任意值。

量子態是指一種穩恒的微觀粒子運動狀態，也就是說，電子做穩恒的運動，具有完全確定的能量，這種穩恒的運動狀態，我們就稱之為量子態。量子信息技術是以電子、原子、光子等量子系統作為信息載體，根據量子物理原理，用量子態表示信息，利用量子物理規律進行信息存儲、傳輸和處理的技術。隨著集成電路技術按照摩爾定律發展暫入困境，集成度越來越高的芯片晶體管大小和線寬降到原子、電子大小量級，也就是達到量子級，從而進入量子世界。這里，一切將按照量子規律運行，微電子技術、IC技術將過渡到量子技術。量子信息技術包括量子編碼、量子通信、量子計算、遠程傳態等，為下一代通信和計算機技術的發展開辟道路。

量子信息技術的基本原理

量子特性在網絡安全和信息化領域有著獨特的應用基礎，在確保信息安全、提高運算速度、增大信息容量和提升檢測精度等方面，可以突破目前經典信息系統的理論極限。量子信息技術的基本原理主要建立在量子糾纏原理、量子不可克隆定理、量子測不準原理基礎之上。

量子糾纏是指兩個微觀粒子A和B，雖然在空間中處在兩個不同的位置，無論相距多遠，但由于這兩個微觀粒子之間的量子關聯，使得微觀粒子A和B之間的糾纏態表現為一種混合狀態。同時，沒有一種測量裝置或方法，能夠測量其中一個微觀粒子的確定狀態而不破壞該混合狀態，也就是說，如果對微觀粒子A進行了一次測量，獲得了微觀粒子A的狀態，但由于非定域性量子關聯，使得相互糾纏的微觀粒子B的狀態即刻發生改變，坍縮到另一個量子態。量子不可克隆定理，是量子通信安全的理論基礎，Wooters和Zurek兩人曾發表論文指出，量子系統不可能對未知量子態進行復制（即克隆）的主要原因是基于疊加態的原理以及量子系統幺正變換的基本原理。在具體的量子通信系統中，別有用心的人不可能通過復制（即克隆）的方式，來準確獲得量子通信系統中所傳輸的信息，從而為量子通信系統提供了很好的安全性和可靠性。量子測不準原理，又稱之為量子不確定性原理，是量子力學的一項基本性質，它表明在測量量子的動量和位置時，無法同時精確測量。也就是說，要測定一個量子的精確位置時，需要用波長盡量短的波，而這樣會對這個量子產生越大的擾動，使得對它速度的測量就越不準確。

量子計算的基本原理主要建立在量子的重疊與牽連原理基礎之上，目前電子計算機中的一個兩位寄存器，在某一時刻只能存儲兩個二進制位，其中某1位要么是0、要么是1，不可能既存儲0又存儲1，而每一個量子比特是一個疊加態，可以是兩個狀態的疊加，也就是可同時表示0和1兩個值，對于量子計算機中的兩位量子寄存器，則可同時存儲00、01、10、11這四個二進制數。如果有更多量子比特的話，其存儲能力和計算能力就呈指數級提升。

量子信息技術在網信領域中的應用

量子信息技術是量子力學與現代信息技術相結合發展起來的新興技術，主要包括兩個領域：量子通信技術和量子計算技術。量子信息技術在網信中的應用也主要體現在量子通信和量子計算兩個領域。

量子通信是指利用量子糾纏、量子不可克隆等相關特性來傳遞信息。在量子通信系統中，信息的收發雙方共享糾纏在一起的兩個成對量子A和B，當發送方將信息賦予一個量子A時，接收方的糾纏量子B幾乎同時發生相應變化，從而實現不需要添加任何外部因素的信息傳輸。量子通信系統通常包括量子信源、編碼、解碼、調制、解調、傳輸信道、輔助信道、測量裝置和信宿等部分，其中：量子信源是量子信息產生器，其表現形式是量子態；量子信宿是接收量子信息的裝置；量子編碼是將待發送的信息轉換成量子比特；量子解碼是將接收到的量子比特轉換成相應信息；信道則分為量子傳輸信道與輔助信道兩部分，量子傳輸信道傳輸量子比特流，輔助信道是指經典的信息傳輸信道，是除量子傳輸信道和測量信道之外的附加信道；量子通信系統中同樣存在量子噪聲，是指通信環境對量子比特流信號產生影響的等效描述。在目前量子通信系統的實際應用中，通信雙方主要采用量子信道與輔助經典信道相結合的方式，實現量子密鑰分發和量子密碼通信。量子通信系統區別于傳統通信系統有兩大顯著特點：一是無障礙的傳輸能力，這是相互糾纏的量子態實現的，這為網信領域的信息傳輸提供了可靠的保障；二是無條件的安全性，這是由量子不可克隆定理與測不準原理所決定的，在物理學范疇而非數學方法解決了安全方面的問題。量子通信將在網信領域的軍事保密通信、信息對抗等方面發揮非常重要的作用。

量子計算是指利用量子并行、糾纏等相干特性進行數據編碼、存儲和運算，也是一種全新的基于量子特性和量子力學基礎的計算模式。例如，利用量子相干性、非局域性、糾纏性和不可克隆性等，造就可能突破現有計算設備計算能力的全新計算方式，實現現有計算設備無法做到的新計算功能。量子計算的實體設備就是量子計算機。量子計算機基本原理是運用量子力學原理，將電子計算機微晶體管壓縮到原子大小，然后在極小面積上放置數十億量子微晶體管，進而利用量子態疊加性和相干性進行信息存儲、運算和傳遞。與傳統電子計算機不同，量子計算機運算對象不再是傳統的比特序列，而是量子比特序列，其n個量子比特的存儲容量是目前電子計算機的2n倍，具有n個量子位的量子計算機，可以在每一步完成2n次運算，其存儲容量和運算速度都得到了指數級提升。網絡安全和信息化建設需要超高速率、極大容量的信息處理和按需信息共享能力，量子計算的信息處理、信息存儲能力是經典計算無法企及的，正好能滿足網信領域的特殊要求，必將引領網信領域特別是軍事指揮控制及決策的高速發展。