漫談量子信息學

在奧地利維也納大學從事合作研究的（de）中國科技大學教授潘建偉博士及其同事最近在量子信息領域取得（dé）重大突破（pò），英國《自然》雜誌5月22日以封麵文章的形式作了報道。那麽，什麽是量子信息呢？

　　建立（lì）在20世紀物理學（xué）支柱之一的（de）量子力學基礎之上的量子信息學，是一門利用微觀粒子（zǐ）的量子力學原理來解決經典信息學（xué）和經典計（jì）算機所不能解決的問題的學科，因此量子信息學是量子力學和信（xìn）息學的交叉科學。量子信息學最重要的兩個應用方向是量子通信（xìn）和量子計算。由於其潛在的應用價值和重大的科（kē）學意義，量子（zǐ）信息學作（zuò）為（wéi）最近十幾年來迅速發展起來的新（xīn）興學科（kē），正在引起各方麵越來越多的（de）關注。

　　也許（xǔ）有人會問：量子力學的原理在很久（jiǔ）以前就被物理（lǐ）學家們廣泛接受並成為（wéi）物理學的基礎，那為什麽信息（xī）理論和計算理論的（de）這個新發展卻沒有早些（xiē）到來呢？這或許是因為（wéi）信息理論和計算理論的奠基（jī）者們，比如香（xiāng）農、圖靈和馮·諾伊曼（màn），過於習慣於把信息（xī）處理考慮成宏觀過程，而在他們（men）之前也沒有出現不斷變小的微電子器件等這樣有力的例證表（biǎo）明信息的處理（lǐ）可以是微觀的過程。

　　大家知道，經典信（xìn）息處（chù）理的最基（jī）本單元是比（bǐ）特(Bit，即二進製數0或1)。一個按照一定數學規則給出的隨機二（èr）進製數據串就（jiù）構成一個密鑰，經（jīng）典通信中最難解決的問題是密鑰分配問題（tí）。由於密鑰分配不是絕對（duì）保（bǎo）密的，經典密（mì）碼也就不可能絕對保密（mì）。然而，基於（yú）量子力學線性疊加原理和不（bú）可克隆定理（lǐ）的量子密鑰分配卻可以解決（jué）這個問題（tí）。另外，經典計算中存在（zài）著一大類NP問題(難解的非指數問題)，即問題的複雜度隨著比特位數的增長（zhǎng）而指數（shù）上升。這類問題在經典計算機上是不能計算的，但是量子計算可以把其中的一（yī）部分NP問題變成（chéng）P問題(容易求解的指數問題)，即（jí）問題的複雜度隨著比特位數（shù）的增長以多項式上升。這類問題原則上是可以計算的。一（yī）個具體的例子（zǐ）就是大數分解定（dìng）理，按經（jīng）典計算（suàn）複雜性理論，這個問題不（bú）存在有（yǒu）效算法，所以（yǐ）被利用來進（jìn）行經典密鑰分配。但是如果用量子計算機，使用（yòng）Shor量子算法，這個（gè）問（wèn）題就變成（chéng）了P問題。例（lì）如，為了對一個400位的阿拉伯數字進行（háng）因子分（fèn）解（jiě），目前最（zuì）快的超級計算機將耗時上百億年，這幾乎等於宇宙的（de）整個壽命；而具有相同（tóng）時鍾脈衝速度（dù）的量子計算機隻需要大約一分鍾。因此，對於目前的密（mì）碼係統，即使人們幾乎無法利用經典算法對其（qí）進行（háng）破解（jiě），但一旦人們擁有了一台量子計算機，那（nà）麽目前的密碼係統將（jiāng）毫無保密性可言！這一後果是對目前的密碼係（xì）統的巨大挑戰，因而對基於經典保密（mì）係統的行業(如軍事、國家安全（quán）、金融等)的信息安全構成根本的威脅。因此，為了保證這些領域的信息安（ān）全，也為了拓寬（kuān）人類對微觀世界的認識，發展量子信息學刻不容緩：一方麵，開發由量子力學基本原理保證其保（bǎo）密（mì）性的（de）量子密碼係統，另一方麵，研製按照量子力學基本原理運行（háng）的量子計算機。為此，世界（jiè）很多國家都投入了巨（jù）大的人力和（hé）財力積極地進行相關研究。

　　如上所述，量子信息學確實有著很重大（dà）的應用價值，如果實現，將是人類生產力（lì）的又一次飛躍，迄今為（wéi）止，科學家還隻能實現由少數幾個計算單元的量子計算機；基於單光子（zǐ）的量子密碼實驗已經可以達到100公裏的量級。但是要進行實用的、長（zhǎng）程的（de）量子通（tōng）訊還需要更多的努力。在這方麵，潘建偉博士及其合作者分別在奧（ào）地利和中國科技大學進行的實驗研（yán）究為未來的量子遠（yuǎn）程（chéng）通信提供了重要的基礎。