量子物理学

量子物理学（共8篇）

量子物理学 篇1

真是太棒了，从泡利不相容原理开始，薛定鄂方程、测不准原理，这些名字原来在脑子里始终都是一个模糊的存在。一直以来，我都对这些名词充满着敬畏。波粒二象性是高中物理就接触的，只是彼时我只是强行记下概念，反正考试不考你如何理解波粒二象性，呵呵，话说回来，真的要考，不知要死多少人……而普通的大学物理，记忆中是不涉及量子力学的。我知道这些个名词纯粹出于好奇，从一些科普读物上看到的。不过，显然没有读懂，嗯嗯，这应该是那些书写得不够好，一定是的！嗯，现在我开始企盼这家伙写个相对论简史了。从刚刚接触物理开始，我便认定这门自然科学与哲学有着神秘的联系。当然那时候是不懂这么说的，只是模糊的觉得这世界所有的事物，一定服从某种最高律的安排，简单而又完美，且具有说服力。让你觉得：啊，这件事情原来是这样子的啊，真是棒极了！所以在日后的每一次物理学习中，我都试图寻求公式背后的实际意义并获得成功，直到波粒二象性为止。

所以今晚的感觉很兴奋，或许和多年前的那次深夜看文得知不败的魔术师并没有随着腐朽的同盟一起死去时的感觉一样好。以至于要写下这种感觉。

这本书对于那些对物理有兴趣人来说，是一本不错的书。当然，也只能说是一本不错的书了。首先它能够把一部量子物理学史从头至尾缓缓道来而不让人产生把书撕烂抛诸脑后的想法（很多人对于高中物理学和大学物理学教材都有这样的仇恨），并且是凭借自己的兴趣接触一门确实不太容易弄懂的科学。对于历史的叙述确实有助于阅读，更加出彩的是那些集中讨论的和主线无关的小专题，这些足以让这本书成为一本好书。但是，不得不提的是作者的感情有时候放出的过于波涛澎湃以致于让人觉得一向流畅的行文突然被莫名其妙的情感流拦腰截断然后得耐着性子等这一股洪水哗啦哗啦哗啦哗啦过去了之后才能继续使用理性思维。这是全书最大的败笔。有时候，在一本旨在让人得到更多科学和理论知识的书中加入泛滥的情绪化词语，确实不是一个传播知识的作者所应该采用的技法，即使他是为了文章看起来更加通俗。至少我觉得，科学的传播还是带有神圣光环的，无论何时何地。当然，在很多地方的适当的抒情确实能够引起读者的共鸣，让人汹涌澎湃就要跳将起来飞身奔出门外开始无尽的呼喊，这是得到了知识和伟大的思想而产生的巨大满足和愉悦啊。说实话，确实值得一看，至少你会知道量子物理这个神奇的词语究竟大概代表什么意思了。

量子物理学 篇2

坐在清华大学万人食堂的咖啡厅里, 张金松和来这里学习交谈的学生们看似差别不大, 瘦小的他, 一身休闲装扮, 学生气的金丝眼镜搭配略显羞涩, “学术牛人”就掩盖在这样低调的外在之下, 这样的他一不留神就会淹没在校园无数个求学的身影当中。张金松坦言, 他险些就成了碌碌人群中的一员, 左右命运的, 除了那么一点点机遇之外, 还有他一直坚守着的一句话——“坚持是一种精神, 挑战是一种信仰。”

当张金松以第一作者的身份在美国《科学》杂志上发表了量子反常霍尔效应的实验成果, 被杨振宁称赞为“中国实验室里发表的第一次诺贝尔奖级的物理学论文”、被评为清华大学“学术新秀”、荣获第八届中国青少年科技创新奖时, 他刚满28岁。

这一次, 张金松终于让杨振宁认识了当初茫茫众生中, 那个闷头听他讲《普通物理》课的小伙子。

“小直觉”结缘物理学

“动手”是张金松的强项, 也许是来自于木工父亲的遗传, 小时候的他像很多男孩子一样爱“搞破坏”。家里的小物件他都会拆开来, 好奇地看看里面到底是什么。他的手很巧, 拿张纸, 不一会儿就能折出小汽车和小飞机, 有时候他也会买些零件, 沉浸在自己组装的快乐当中, 这样的优势一直伴随他进入到了后来的学习中, 本科时期他的学科成绩虽然不是班中的佼佼者, 但做起物理实验却得心应手, 他把这称为对物理的一点“小直觉”。

为什么选择学物理, 张金松似乎从未像现在这样需要如此频繁地思考和面对这个问题, 但是实际情况就是, 2004年考大学报志愿时, 小学未毕业的父母并不能给他任何意见, 张金松独自一人坐在家中, 拿着清华大学的招生简章逐行读给自己听, 最后选择了这个自己擅长的学科, 懵懂中, 他踏入了物理学科的高级殿堂。

9年前的张金松作为一名物理系大一新生, 坐在清华六教教室里听杨振宁先生讲《普通物理》时, 还在问同学:“杨振宁是谁?”

虽然高考时选择专业有点“稀里糊涂”, 但在高手如云的清华大学, 他却丝毫不敢松懈。大学四年, 所有的周末时间都是在自习室里度过的他, 恐怕要让很多的大学生惊叹了。

“你不谈恋爱吗?不打游戏吗?没有业余爱好吗?”面对记者的疑问, 他的回答很简单:“比起这些, 我更喜欢学习。”带着农村孩子对家庭的责任感和一丝高中时期优等生的小骄傲, 张金松不能接受大一第一学期结束时, 班级排名第20的现实。四年, 近乎苛刻地自我要求, 使他在毕业时在班级排名前进到了第6名。

也许成功者从来都是孤独的, 本科四年的自习生涯, 他从来都是来去一人, “坚持”如同一种信仰始终伴随着他。

“不服气”走上科研路

“这个专业并不教授专门的职业技能, 将来要么转学其他方向, 要么在科学研究上一直走下去。而与多数基础科学专业一样, 物理专业毕业后很难让他找到一份报酬丰厚的工作。”有这种想法时, 张金松刚上大学二年级, 看着周围其他专业陆续出现到大公司拿高薪的师哥师姐和生活拮据的爹妈, 他动摇了。

大三的暑假小学期, 有意在读研时换专业的张金松报名参加了自动化专业的一个实习项目。自动化是清华的王牌专业, 就业一直强劲。然而在实习临近结束时, 张金松发现, 指导老师连自己的名字都没记住。

失落感让张金松意识到, 物理才是自己的专长和感情所在。大学三年下来, 张金松成绩一直名列前茅, 顺利获得直博资格。就这么换专业?张金松第一次有了不服气的念头:“物理学了那么多年, 就那么放弃, 对得起自己吗?”

当他的心向物理学靠近时, 幸运之神也选择了这个不服输的少年, 王亚愚老师回国了, 并准备在清华物理系组建新的实验室。在美国期间, 王亚愚由于在高温超导领域的杰出工作, 被授予凝聚态物理青年物理学家的最高奖项。

这一次, 张金松没有犹豫, 拜在了王亚愚门下。

直博二年级时, 张金松到美国布鲁克海文国家实验室进行了为期一年的交流学习。然而, 美国导师对张金松并不重视, 只是安排他做一些打杂之事。长时间的“悠闲”, 让一心想搞科研的张金松憋得发慌, 美国导师的轻视, 又一次激发了他心中的不服气:“回国之后, 一定要在科研上搞点名堂出来!”

2010年秋, 急于回国参加科研项目的张金松, 提前7天回国。回国之后, 薛其坤院士领衔的研究团队已经投入量子反常霍尔效应的实验研究, 王亚愚教授在其中担任重要的输运测量工作。张金松没有休整, 立刻加入团队, 终于开始了自己的科研之路。

“沉下心”享受美妙处

随着量子物理的发展, 在实验中观测到量子反常霍尔效应成为全世界科学家梦寐以求的目标, 这一次, 张金松和团队成员一起, 发起总攻。为了寻找和验证这一效应, 他和团队整整花了4年时间, 测量了1000多个样品, 按照分工, 张金松承担了对实验材料的输运性质进行精密测量的工作。对张金松来说, 这可谓正中下怀。动手能力强, 是他在童年时就展现出来的特点。

张金松对物理的那点“小直觉”很快在实验中得以发挥。按照流程, 在测量之前, 样品要先进行复杂的电极镀膜, 为了省钱, 项目组总要攒够7、8个样品再去镀膜, 而每个样品的平均测量周期都要2天左右。两个月后, 张金松受不了了:“这也太慢了!”

张金松借鉴了别人用金属铟做电极的方法。为此, 他把一整块铟像切土豆一样, 先切条再切块, 最后切成只有圆珠笔的圆珠大小的微粒。一番捣鼓之后, 终于成功。实验室的测量效率为之大幅提高, 从以前的每周发送一次测量数据变为了每天都能发送一次测量数据。张金松说:“我是一个非常务实的人, 觉得用样品加工得再漂亮, 不够快也是不好的。如果按照以前的效率, 我们肯定不会这么快的得出最后的成果。”

“有时候就是这样, 为了一个突破, 要花很长的时间。”他说, 在这种枯燥的研究中, 张金松也在享受着物理带给他的美妙。“你能不能想象在一个特殊的材料里, 里面的电子就像高速公路的汽车一样沿着特定车道行驶, 而不是像普通材料里的电子那样杂乱无章。这样如果应用到电脑或者手机里, 那运行应该会更快, 产热也会非常少。”

测量中, 同伴们经常能看到这样一幕, 张金松经常贴在显微镜前, 用牙签把6粒铟粒准确嵌到只有几平方毫米大小的材料上。每每这时, 张金松就屏住呼吸小心翼翼, “呼吸动作一大, 气流就把材料吹跑了。”

在团队成员的共同努力下, 历经4年, 2012年10月15日, 量子反常霍尔效应的表现数据终于出现在仪器上。2013年3月15日, 相关论文在美国《科学》杂志在线发表, 张金松为4名共同第一作者之一, 杨振宁评价:“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。”

“迎挑战”不做跟随者

“她最为美妙的地方主要有两点, 第一, 处于量子反常霍尔效应的电子与普通材料中的电子相比, 就好像是在高速公路上行驶的汽车一样, 互不干扰, 高速运行;第二, 量子反常霍尔效应的材料本身就是一个铁磁体, 因此不需要任何外加强磁场, 就可以让电子在高速公路上行驶, 为这个应用带来了广阔的前景。这意味着, 量子反常霍尔效应如果能够在我们的日常生活中得到应用, 将很有可能开启新一轮的科技革命。”谈到量子反常霍尔效应, 他就像在谈论自己的爱人一样语调温柔。

然而, 他与量子反常霍尔效应的这一段“感情路”却坎坷遍布, 包括物理在内的基础科学研究, 往往无法预期能获得科研成果。“那时的迷茫, 主要来自对未来的不确定。你并不知道花费那么多时间, 最后能不能得到想要的结果。”张金松说。实验中, 曾有长达7个月的时间, 大家每天制作材料、进行测量, 一天之内就完成一个循环。然而, 材料一个个淘汰, 实验却没有取得任何进展。

所有能想到的问题都已想到, 所有能尝试的方法都已尝试, 几乎所有的学生都觉得不可能再干下去了。张金松说, 那时大家甚至开始怀疑, 量子反常霍尔效应是否真的可以被实验发现?

关键时刻, 团队带头人薛其坤说:“我们现在从事的实验工作是非常重要的, 你们有可能发现从没有人看到过的东西。要是看到了, 这一辈子都值了;要是看不到, 你们也能从中历练、成长很多。”

随后不久, 同学的一次偶然对比试验, 发现样品表面在不覆盖任何保护层时, 量子反常霍尔效应变得更加明显。从此, 实验取得重大突破。8月22日, 站在中国青少年科技创新奖的发言台上, 张金松发表获奖感言:“做科学研究必须持之以恒, 学会面对失败, 不轻言放弃!”

“刚开始做科研的时候, 导师让我干什么, 我就干什么。现在, 我们更倾向于主动提出想法, 主动开拓思路, 共同解决科研问题。”从被动科研转变成主动科研, 是张金松人生中的重要一步。

即将博士毕业的张金松, 已经联系好了下一站——斯坦福大学。张金松说:“在量子反常霍尔效应这个实验上, 我做的工作不是不可取代的, 我的导师可以, 师弟师妹也可以。”渴望独立创新工作的他希望通过更多的项目来证实自己, “在一个项目上取得成绩, 可能会有些运气因素。但如果在很多的项目上都取得成绩, 那就真正说明了你的能力。”

《中国科技信息》杂志社官方微信平台

鼓励学习, 支持原创!

关注微信, 立得50元稿费

量子物理学 篇3

潘建伟等解决量子黑客隐患的研究成果发表在2013年9月出版的国际权威物理学期刊《物理评论快报》上，得到了包括美国《科学》杂志和英国《经济学人》在内的多家欧美科技新闻媒体的专题报道。

《物理》杂志以“量子胜利的一年——但还没有量子计算机”为题报道了中国科学家成功解决量子黑客隐患这一重要成果，并称：“尽管量子计算机仍然是遥远的未来，但是2013年科学家们却取得了一系列量子信息和量子通信领域的成果。在量子密码方面，两个独立的研究组报道了一种新的加密手段，可以提供绝对的安全性，以解决量子黑客隐患。”

这是潘建伟及其同事在量子通信和量子计算领域的研究成果第十次入选欧洲物理学会或美国物理学会国际物理学“年度重大进展”，标志着我国在量子通信研究方向上保持着国际领先地位。

量子物理学 篇4

讲道理，我现在已经发现书不能瞎读。啥叫会润物细无声的提升我的文字功底和艺术情操啊。其实这就是屁话。读书的目的还是在于知识的获取和知识的变现。也就是说，读一本杂物，只能起到消磨时间的作用，因为你也不会去记住其中的情节、文字技巧之类的。

书中写了量子物理的发展史，通过诙谐的风格，把本身距离我们很遥远的天才物理学家们，写出了其骨肉，让人感觉他们从书本中走了出来，成为了一个立体的人，而不是中学物理书中的照片，那个给学生们制造无数作业的照片。

整体知识用并不繁杂的解释介绍了其意义和影响力，相对来说比较通俗易懂，但实际对除了物理学家的普通人来说，都是读过就忘的公式体系和意义。相反，其获得的诺贝尔奖和带来的社会变革，倒是让人对其有了新的认知。相比来说，量子物理学还是更加适用于对宇宙的探索。但是宇宙真的太大了，也不知道出了地球后，会不会所有现在人类拥有的知识体系都会被推翻。

对于人物生平的描写是非常生动的。立体展现了科学家也是会暴怒、也是会痛苦、也是会色情等等。人嘛，总是逃不出这些东西。所以像我这样的普通人，活了28年后已经明白，在不伤害别人的情况下去取悦自己，怎么样都是不过分的。

从我开始学习理财开始，见识了太多金融方向伟大的发明和创造。PE、PB、ROE、四分卫、分位点....感觉天才为了自己方便而创造的工具真的太神奇了！

小时候总想征服世界，把世界踩在脚下之类的，真的是电视剧看太多了。直到现在认知的越多越感觉和天才之间的差距。

但我也不会因此有任何自卑感了。认清自己我很重要。

天才负责创造，我去学习天才的创造并融会贯通一部分，就足够我打败身边的人了！

就像一群人遇到熊，你不需要跑的比熊快，只需要比别人快就行了。

只需如此，我就可以一直生活在“狂欢”之中了！

量子物理学 篇5

——浅谈量子力学与量子思维

理学院物理系 林功伟

量子力学自诞生以来，极大地推动了现代科学和技术的发展，已经深刻地改变了我们的生活方式。从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，处处它都在大显身手，它已经把人类社会带入量子时代。但量子理论究竟带给了我们什么？这个问题，至今带给我们的仍只是无尽的想象。近年来，校长钱旭红院士，从改变思维的角度出发，在多种场合呼吁全社会要重视量子思维方式并加以运用，不久前又在 “文汇科技沙龙”上，提议让“量子思维”尽早走入中小学课堂。那么，量子力学究竟是什么？

量子力学的诞生是一段波澜壮阔的传奇。它的发展史是物理学乃至整个科学史上最为动人心魄的篇章之一。不平凡的诞生预示了不平凡的神奇。在量子世界中，处事原则处处与我们熟悉的牛顿力学主宰的世界截然不同。在我们熟悉的世界，要么是波，要么是粒子。在量子世界，既是波也是粒子，既不是波也不是粒子，兼具波和粒子的特质，即波粒二象性。从而引申出量子叠加、测量塌缩、量子纠缠等种种神奇的现象。

量子叠加：鱼和熊掌亦可得兼

在经典的牛顿力学体系中，把粒子的运动都归结为确定轨道的机械运动。知道粒子某个时刻的运动状态与力的作用，就可以推断粒子的过去，也可以预知粒子的未来。就像一个算命先生，你告诉他生辰八字，他掐指一算就知道你的前世来生。在这种机械观下，仿佛一切都是注定的、唯一确定的。然而，在量子世界，一切都变得不一样。比如，有一天要从上海去北京，异想天开的你既想乘坐京沪高铁体验沿途的风光，又想搭乘飞机享受鸟瞰大地的感觉。我们习惯的方式是同一时间我们只能选择其一，必须割爱其一。但在量子世界中你可以在火车上和飞机里共存量子叠加态上，鱼和熊掌亦可得兼。

这种量子叠加状态非常奇特。同一时刻，你既体验着高铁沿途的风光，也享受着飞机上鸟瞰大地的感觉，如果说同一时刻有两件事，但分别要求在火车上和在飞机里完成，量子叠加态的你完全可以神奇地一一照做。就像《西游记》中的孙悟空有分身术，同时一个上天一个入地。现在科学家们正利用这一原理来研制未来的量子计算机。量子计算机中的量子比特可以在无数的空间中量子叠加。它们并行地操作完成复杂的计算。已有研究表明这种量子并行计算确实可以在某些特定的复杂计算问题上大大提高效率。例如：一个400位的阿拉伯数字进行质数因子分解，目前即使最快的超级计算机也要耗时上百亿年，这几乎等于宇宙的整个寿命；而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机可能只需要几分钟。还有利用量子快速搜索算法，可能很快从一个大森林里找到一片叶子，或者在一个沙滩上找到一颗沙子。在量子世界，“大海捞针”已不再是没有可能的事，简直“易如反掌”。

量子叠加不仅可以是同一个物质在它不同状态的叠加，还允许不同物质的叠加，哪怕这两个物质是迥然不同类的。比如光和原子，前者是宇宙中最快的，一眨眼可以绕地球好几周；后者可以慢悠悠地停留在某处。如果让它们量子叠加一起会怎么样呢？有种叫电磁诱导透明的技术就可以让光和原子相干叠加。叠加后我们称之为暗态极子，它是半光半原子的混合体，就像希腊神话中半人半神的帕尔修斯，既具备人的情感，也具备神的能力。人们发现这种半光半原子混合体的速度是介于之间的，它既不像光速那么快，也不像原子慢悠悠停留在某处，它的速度取决于光在其中叠加的比重。人们通过调节这个比重就可以让光乖乖地慢下来，需要的时候还可以让光再飞奔起来。在运用上，光子相互作用很小，而原子之间容易产生大的相互作用。有趣的是：最近，我们研究小组通过合理设计可以利用原子的优点来弥补光子的缺点，设计出强的单光子相互作用。如果把这个过程提升到量子思维的话，不就是我们生活中的“取长补短” “协同合作”吗？而这个思维能力正是当代社会所迫切需要的。

量子测量：“上帝”开始玩骰子了

如果说到这里，也许给人的印象是：在量子世界，不论多少事情原则上只要有孙悟空的量子分身术，一下子变出千千万万个孙悟空，都可以轻而易举地同时把它们都搞定。事实上不是这么简单的！前面提到的量子计算机可以提高计算效率是有条件的，要对应于某些问题进行巧妙设计才行。到目前为止，人们找到的可以提高计算效率的例子也还局限于一些典型的问题。为什么会这样？这个问题关乎于量子力学的一个神秘特质：量子测量塌缩。

在经典力学，物体的状态可以被精确测量，而且这个状态测与不测一个样，你测和我测也一样。这个意境就像一首诗《见与不见》中描绘的那样：“你见，或者不见我，我就在那里，不悲不喜”。量子测量则完全不同于经典力学中的测量：有测不准原理限制精确的测量，物体的状态会因测量和观察而改变，测量结果还依赖于测量的角度和方式。量子测量中，“上帝”开始玩骰子了！以至于爱因斯坦作为量子理论的奠基人之一却至死也不认同量子测量。然而直至今天，科学实验一次又一次地表明：“上帝”真玩骰子了！

还用刚开始的例子：在火车上和在飞机里的量子叠加态。测量之前你既在火车上也在飞机里，但如果对你测量（比如有人对你GPS定位），你可能忽然掉到火车上也可能忽然掉到飞机里，但最终你是掉到火车上还是在飞机里是无法预知的（唯一知道的是你掉到火车上或飞机里的概率）。量子测量结果还强烈地依赖观察测量的角度和方式。处于相同状态的量子系统，最后的结果跟观察的角度和方式有巨大的差别。如果观察的角度不同，对于相同状态，无论你观察得多仔细，得到的结果永远不同。这里绝对是“仁者见仁，智者见智”。在量子信息学里，人们就充分利用这一点，选择合适的角度测量得到自己想要的结果，如果方式不对，你看到的永远是另一面。由此可见，换个角度看问题是何其重要！量子力学中，两个共轭的物理量一起测量就必然有内在的不确定度，即使用再精准的实验仪器也无法消除，这是量子力学测不准原理决定的。通俗地讲，我们不可能对一个事物的方方面面都全面了解。量子力学告诉你，对其中的一方面知道得越全面，就意味着对另一个方面必然会了解得越模糊，这不是靠你观察能力的提高所能避免的，这是量子力学原理决定的。

现在我们回到前面的问题：基于量子分身术为何不能解决所有事情？虽然量子叠加允许在无穷多的空间中并行操作所有的事情，但当要把办好的事情拿去交差时，就需要你提取结果，即要观察测量。这时量子态就可能塌缩到一个空间去，这就意味着，只有你在塌缩后的空间中办的事还留着，其余空间经历的事就像你梦中的事情一样，醒来时已经无影无踪，徒留一些伤感。所以对特定的问题需要人们巧妙地设计，并选择合适的测量方式方可得到想要的结果。不然可能由于叠加相消，事倍功半。这似乎说很多人一起做事情，需要合理的分工和合作，否则效果反而比一个人还要差。

量子纠缠：“爱情”的力量让一切都变得可能

量子纠缠又是量子力学一个神奇的表现。处于纠缠的两个物体，它们之间的距离无论多么的遥远，它们都是一个整体。哪怕一个留在地球上，一个远在太阳系之外，当其中一个遭遇什么事情（例如量子测量），太阳系之外的另一方也会马上随之感应。处于量子纠缠的两个物体，就像电影里一对深深相爱的恋人，彼此心灵相通，他们远在天边却时时思念并无形地连着彼此。这种神秘的关联使得量子纠缠成为宝贵的资源。利用它可以完成你很多意想不到的事情，比如量子信息中的量子隐形传态，它有一个生动形象的英文名字“Quantum teleportation”，“Quantum”指量子，“teleportation”在英语字典就是“心灵运输”的意思。在量子隐形传态中，借助量子纠缠可以把量子态从一个地方传到另一个地方，即使发送的人对自己要传的东西一无所知。量子纠缠还可以用来发送安全的量子密码，这种密码就像恋人间的悄悄话，只有他们心领神会，别人却听不懂。还有量子纠缠还能实现超密编码，原本你只能拿起一百斤东西，爱情力量却让你拿起两百斤东西。还有量子纠缠可以实现测量式的量子计算……

总之，个人体会：从物理过程分析，量子力学看似诡异，因它与我们习惯的方式格格不入；但从它的结果发现似乎又更加优化、更加合理。最近著名杂志《科学》报道，科学家发现了室温下光合作用中的量子机制，并证明这一机制帮助光合作用获得高效的转化效率。也许正是这种大自然巧夺天工的优化和合理才是我们学习量子力学时所要吸取的营养。这里只是个人学习得到的一点粗浅体会。最后，欢迎大家关注我们即将推出的公选课——《来自量子世界的新技术》，我们可以一起探讨和遨游神奇的量子世界。

量子信息论文 篇6

现如今，量子信息已成为科学领域发展必不可少的要素之一，其实，在20世纪初量子就已经被发现并被人类所利用。在19世纪后期，在科学界出现了许多难题——很多物理现象无法用经典理论解释，包括在当时科学界讨论很激烈的黑体辐射问题（由于物体辐射的电磁波在各个波段是不同的，并且受物体自身特性和温度的影响，为了研究这种规律，科学家定义了黑体来作为热辐射研究的标准物体）。1900年，当普朗克研究黑体辐射时，提出了普朗克辐射定律，量子这一概念就此诞生。量子假设的提出终结了经典物理学的垄断地位，使物理学进入了微观时代，也就是现代物理学的诞生。而经过一个多世纪的发展，量子领域的一些假设仍然不是非常严密，还需在日后的研究中逐步完善，但这并不能否认量子在目前科学领域的领导地位。

量子，即某物质或物理量特性的最小单元，它以qubit为单位，而从中衍生的量子力学，量子力学中的量子通信已经成为当今科技发展的主要领域。

先讨论一下量子力学，上文提到过量子力学是描述微观物质的理论，与相对论紧密结合，成为现代物理学的支柱。它强调微观世界的不确定性以及客观规律，而其中最著名的预测便是量子纠缠态，即使两个粒子在空间上也许会相距很远，但是其中一个粒子会时刻随着另外一个粒子的改变而改变，因此，爱因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”，这种粒子的互相影响现象听起来似乎十分玄学，但是它的确是科学家在实际试验中获得的现象。例如，我国量子卫星“墨子号”成功实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，在全世界取得领先的地位。值得一提的是，21世纪兴起的量子计算机中的原理正源自于量子之间的纠缠，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。相对于传统计算机，量子计算机拥有其特殊的优越性，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，还做到了传统计算机几乎无法完成的工作。但迫于对微观量子态的操纵难度，量子计算机还没有真正意义上的创造出来，在未来几年的发展中量子计算机绝对是一个主要的研究趋向。在量子力学中，泡利不相容原理是一个拥有极大实际意义的原理，由于费米子（反对称状态粒子）的自旋数为半数，因此两个费米子无法占据同一状态，该原理又延伸到原子，电子领域——一个原子轨道上最多可容纳两个电子，而这两个电子的自旋方向必须相反，为元素周期表的解释奠定了坚实的基础。

再来看量子通信领域，量子通信作为一种新型的通信方式，也是基于量子的纠缠态理论，由于这种特殊的原理，使得这种通信方式变得高效、安全。在传统的信息传输过程中，也许会被某些不法分子在中途截获，不仅造成了信息的泄露，被截获后信息的准确度也会大大降低。于20世纪末，量子通信的雏形形成了，当时传送的仅仅是量子的状态，而信息本体并没有被传输。随着量子通信的不断发展，它拥有一套极难被破译的密码系统，这套密码系统抛弃了传统以数学为主体的方案，转而使用物理方式对其加密，而所谓的物理方式就是量子力学，该方案杜绝了信息在传输过程中被随意截取或更改的漏洞。而基于量子力学的密码所具有的随机性更是为信息的安全添加了一层保护伞，即使被截获，也因无法正确读取该密码而无法盗取信息。另外，由于两个粒子纠缠的特性，导致一个粒子被改变时另一粒子也随之改变。量子密码系统一般分为两种：非公开密钥（对称密钥）以及非对称密钥，非公开密钥就是加密密钥和解密密钥相同，例如一次一密，即用一次就作废。后者为公开的加密密钥和保密的解密密钥不同，从而使从公开密钥破解非公开密钥花费大量资源，理论上可以完成但实际上无法做出具有如此强大功能的计算机进行破密，因此实现了其安全性。

尽管量子力学已经对人类做出了杰出的贡献，但是量子力学的潜力远远没有挖掘出来，量子力学还有很多非常深刻的现象，能够超过我们现有技术的的性能。例如，正在从经典调控过渡的量子调控，虽然人类在经典调控方面已经做到非常高的精度，但是在量子世界中的量子调控还不是十分成熟。量子调控为根据量子力学原理，在量子态的层面对所研究的体系进行控制与改变。当我们控制电子时，可以控制它的电荷态，自旋态或是轨道状态，当两种状态耦合时，便会产生许多新的、未发现过的物质特性。当进行量子调控时，必须要明白量子态的三种特性——可叠加性，不可复制性，非局域性，这三种特性会给量子调控带来新的特性。而量子调控的对象，除了上文提到的电子，还有基于光子、声子等复杂体系的高级调控。对于量子调控的方法，就是广泛，综合的对各个领域同时调控，特别是对量子系统环境的调控技术。这些系统环境，包括马尔科夫和非马尔科夫环境，分别对粒子起着不同的作用。马尔科夫环境是指系统信息单向流入环境，而环境无法对其作出反馈，相反，非马尔科夫环境是指信息流到环境里去，在经历一系列的过程后，还可以恢复。因此对环境的调控就是要克服马尔科夫环境的负面影响，使其变成非马尔科夫环境，将该环境作为一个储存空间，将信息放入里面进行储存，之后需要的时候还可以取出。实际上，对于两种环境之间的调控，是控制它们的频谱，前者频谱较宽，后者较窄，当改变其频谱时，也就相当于改变了它们的性质。总的来说，量子调控也是非常重要的一个领域，在量子的发展中不可忽视。

量子纠缠技术与量子通信 篇7

量子技术于上个世纪八十年代诞生并在二十世纪末在国际学术界引起了巨大兴趣和高度重视。以量子纠缠为原理的量子信息技术突破了现有信息技术的物理极限, 在通信科学领域中提供新的原理和方法。二十一世纪信息科学将从“经典”时代跨越到“量子”时代, 其发展将对国民经济军事、国防安全等都有着直接而重大的影响, 各国都将量子技术作为重大战略点投入并发展。

2、量子纠缠技术

量子纠缠是一种存在于多种量子系统中的一种子系统。从测量学的角度分析, 量子纠缠的结果无法独立于单独的系统且必定联系其他系统的参数。通常, 一个量子是无法产生纠缠态的, 至少要有两个量子位。假设由C和D构成一个复合系统, 如果其量子态不能表示为该系统的纠缠态, 则此复合系统的波函数不能表示为该子系统的直积:

常见的纠缠态有:两个粒子构成的贝尔基, 它两两相交且具有最大的纠缠态;三个粒子构成的GHZ纠缠态等。

量子纠缠的实质是一种微观的多系统之间的一种非定域的关联, 它是传递量子信息的通道, 这也是用于实现量子通信的基础。

3、量子通信技术

量子通信是以量子纠缠技术作为基础, 通过量子纠缠所产生的连锁效应来实现信息传递的一种新型的通信方式。量子通信结合了量子论和信息论, 主要应用于量子密码通信, 远程传态等。

量子通信的信息单位称为量子比特 (qubit) , 它是两种逻辑态的叠加。在量子通信中, 我们用量子态来表示信息, 信息传递和信息处理中遇到的问题都采用量子理论来处理, 其中, 信息的传输是利用量子态在量子通道中的传送, 信息的处理和计算是利用量子态的幺正变换, 信息的提取是对量子系统进行测量。

我们看到, 信息一旦量子化, 则量子力学便成为了实现量子通信的物理基础, 量子具有如下特性:

(1) 量子的纠缠性。

(2) 量子的不可克隆性。

(3) 量子的叠加性和相干性。

在量子通信系统中, 两个共享信息的人必须共享两个几乎一致的成对的量子 (如光子) , 当其中一个量子携带了信息, 则此信息会消失或者重现在另一个光子上, 以此实现“不加外力”方式传输信息。所谓的“不加外力”传输是指信息在一个地方消失, 又能在另一个地方重现的过程。由于报文是一种“不加外力”方式传输信息, 因此, 量子通信中的发信者与收信者利用报文方式传输所共享的量子的数量取决于发送报文本身的长度。由于量子只能成对产生且只能在一对发送者和接受者之间进行传输, 所以量子通信网络也只能是一个链路一个链路地建立。

量子通信的特点在于量子通信中的信息传递可以不通过通信双方之间的空间, 从而使得通信不会受到空间环境的制约与影响;量子通信的传输线路时延可以为0, 是最快的通信方式;量子通信中, 第三方是无法进行干扰和窃听。信息的载体—量子, 是完全只保存在通信双方处;量子通信不存在任何电磁辐射污染, 属于环保型新技术。

4、量子通信前沿

量子通信的实现方式通常有两种:

(1) 利用量子耦合技术, 制造出多粒子的量子耦合态。

(2) 利用生物技术, 建立意识生物的意识器官之间的某种量子耦合。

今年五月, 中国科学院成功实现了远距离量子通信隐态传输。量子的运动不遵循中学学过的牛顿定律和麦克斯韦电磁定律, 也不遵循描述宏观物体运动规律的相对论。量子通信最突出的是不能同时满足实在性和定域性。由于量子处于所有可能状态的叠加态, 当你以不同方式观测它时, 它才明确呈现出特定的状态, 呈现何种状态与观测者和观测方式有关。其实现量子通信隐态传输原理如下:第一, 把相干的两个量子A和B分别传送到信息的发端和收端;第二, 另取一个量子C (这个C就是要被传输的东西) , 在发端对A和C做某种联合测量;第三, 通过经典信道 (比如打电话、发邮件等) 把联合测量A与C的结果告知B;第四, 收端在得知A与C联合测量的结果之后, 做某种运算 (或测量) , 运算之后B的状态与C在测量之前的状态就一致了 (在发端对A和C进行测量的瞬间, 由于A和B是相干的, B的状态也受到了某种程度的影响, 这种影响, 是C的初始状态可以在B上还原的根本原因) 。到此为止, 量子C在发端消失了 (对量子的测量会导致量子状态的变化, 从这个意义上讲, 测量之后的C已经不是原来的C了) , 它又出现在收端 (收端量子B的状态与原来C的状态相同, 从这个意义上讲, C在收端重现了) 。具体到物体从某地消失, 瞬间又出现在另外的地方, 从上面的解释可以知道, 单从物理原理上说是可能的。更严格的说法是物体在某地被销毁, 然后在另一地用相同的原料被重构。

与现在的通信方式相比, 量子通信最大的特点是信道资源不再是瓶颈, 甚至不再是有限的, 量子信道的容量无限大, 量子态传输的速度无限快, 而且量子态的传输无法拦截, 因而是绝对安全的。

摘要：本文首先简要描述量子纠缠技术, 其次论述量子通信原理.最后提及量子通信发展的最新情况。

关键词：量子通信,量子纠缠,隔空传物

参考文献

[1]张镇九等.量子计算与通信加密[M].华中师范大学出版社, 2003.

量子计算机与量子互联网 篇8

计算机由电子管计算机发展到晶体管计算机，再由晶体管计算机走向更高层次的量子计算机；互联网由电联网发展到光联网，再由光联网走向更高层次的量子联网。文章通过量子力学原理和量子“缠结”理论描述了量子计算机与量子互联网的概念，并介绍了量子计算机与量子互联网的研究情况。

关键词：

量子；缠结；计算机；互联网

ABSTRACT:

The computer has been developed at a tremendous pace from the vacuum tube computer to the transistor computer, and the more advanced Quantum Computer is expected to be invented in the near future. Developed from electronic networking, the optical networking is pacing towards the high-level quantum networking. Based on the principle of quantum mechanics and the tangle theory of quantum, the paper describes the concepts of quantum computer and quantum Internet, and also presents their research advances.

KEY WORDS:

Quantum; Tangle; Computer; Internet

人类技术进步总是在科学的幻想中发展，现在科学家们幻想着研制一种新型计算机，并建立一种新奇的网络。新型计算机采用量子作为工作的基础，计算速度超过当前任何的理论计算速度，这种计算机称为量子计算机；新奇的网络能够传输宇宙间最奇特的物质，其传输速度如同“心灵感应”，这种网络叫量子互联网，传输的奇特物质称为“缠结”信息。

量子计算机、量子通信技术是近十几年来发展起来的新技术，当前正处于从实验室走向实用的阶段。

1、量子计算机

计算机面世50多年来，性能提高了约10亿倍。在取得这一巨大成就的同时，也意味着按老的方式提升计算机性能的方法已快走到了尽头。人们寄希望于新的技术突破，量子力学和计算机理论相结合的产物——量子计算机由此应运而生。

1.1 量子与量子力学

1.1.1 量子

微观世界的某些物理量不能连续变化而只能取某些分立值，相邻两分立值之差称为该物理量的一个量子。普朗克在1900年研究黑体辐射时，首先发现了自然现象中的这种不连续的量子性质，并认为物质吸收或发射辐射能量时能量分化为量子的现象只是普遍自然规律中的一种。同某种场联系在一起的基本粒子可称为这一场的量子，其大小为hv(其中h为普朗克常数，v为辐射的频率)，例如电磁场的量子就是光子。每一种量子的数值都很小，所以在较大物体的运动中量子化效应不发生显著影响，各量犹如连续变化一样。但是，对电子、原子等微观运动来说，这种量子化效应就不能忽略，牛顿力学对它们已不适用，必须代之以量子概念发展起来的量子力学。

1.1.2 量子力学

自1897年发现电子是原子的组成粒子以后，物理学的中心问题之一就是探索原子内部的奥秘。人们逐渐弄清了原子的结构及其运动变化的规律，认识了微观粒子的波-粒二象性，建立了描述分子、原子等微观系统运动规律的理论体系——量子力学。量子力学已成为当代物理学理论中的一大支柱，有力地推动了一些学科和技术的发展。由于量子力学的理论和实验相当复杂，这里只将与本文相关的概念加以简介。

(1)普朗克量子假说

1900年普朗克发表能量子假说。普朗克假设：辐射物质中具有带电的线性谐振子(如分子、原子的振动可视作线性谐振子)，由于带电的关系，线性谐振子能够和周围的电磁场交换能量，这些谐振子与古典物理学中所说的不同，只可能处于某些特殊状态，在这些状态中，相应的能量是某一最小能量的整数倍。在能量观念上，普朗克的量子假说与物理学经典理论有着本质上的区别。在经典的热力学理论和电磁场理论中，能量是连续的，物体所发射或吸收的能量可以是任意的量值。按着普朗克的量子假说，能量是不连续的，存在着能量的最小单元(hv)，物体发射或吸收的能量必须是这个最小单元的整数倍，而且是一份一份地按不连续方式进行的。

(2)爱因斯坦光子假说

1905年，爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，进一步提出关于光的本性的光子假说。爱因斯坦认为：光不仅像普朗克已指出过的，在发射和吸收时，具有粒子性，而且光在空间传播时，也具有粒子性，即光是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这些光粒子称为光量子，也称为光子，每一个光子的能量是e=hv(h是普朗克恒量，v是频率)，不同频率的光子具有不同的能量。光的能流密度S(即单位时间内通过单位面积的光能)决定于单位时间内通过单位面积的光子数n，频率为v的单色光的能流密度为S=nhv。

(3)光子的波-粒二象性

a. 光子的能量、质量和动量

每个光子的能量是e=hv，按照相对论的质量-能量关系式，每个光子的质量：

m=e/C2 =hv/C2

又因光子具有一定的运动质量和速度C，相应的光子也有动量：

mC=hv/C=h/λ

式中λ为波长。

b. 光子的波-粒二象性

由爱因斯坦光子假说可知，光不仅具有波动性，而且具有粒子性，关于光的波动性和粒子性相互并存的性质，称为波-粒二象性，光子的运动既可以用动量、能量来描述，也可用波长、频率来描述。在有些情况下，其粒子性表现突出些；在另一些情况下，又是波动性表现的突出些。

1.2 量子计算机

1.2.1 量子计算机的概念

在人类即将跨入21世纪之际，信息科学面临到新的挑战。计算机是否存在极限的运算速度？能否实现不可破译、不可窃听的保密通信？诸如此类的问题一直是数学家和电子技术专家们关注的重要课题。近年来，物理学家加入到这个研究行列中，他们成功地将量子理论和信息科学结合起来，提出许多令人耳目一新的概念、原理和方法，于是“量子信息”作为新兴的学科分支便应运而生。当前量子计算机、量子通信和量子密码术的研究已经成为热点，并取得重要进展，其中较为成熟的量子密码技术估计在5～10年内可实际应用。量子力学和计算机理论，这两个看起来互不相关领域的结合产生了一门新的学科：量子计算机。

支持现有计算机的半导体技术把电子视为粒子，作为其工作的基础。然而电子和光子一样具有波*9鄄粒二象性。当其活动空间较大时，的确可以把它当作粒子对待而忽略其波动性。一旦活动空间减小，例如，当集成电路线宽小于0.1 μm(目前已达到0.13 μm，3～5年后便可达到0.1 μm)时，其波动性质便不可忽略。当10年后，集成电路线宽降到0.07 μm甚至0.05 μm，即50 nm时，器件工艺将达到纳米数量级，现在的半导体器件原理就不再适用。纳米范围内的新器件，如单电子晶体管、量子器件、分子器件等，统称为纳电子器件。21世纪上半叶，纳电子器件将会逐步占领市场，其集成度和性能将成千上万倍地提高，届时，信息技术将从微电子时代发展到纳电子时代，所以说21世纪将是纳电子时代。由此引发的工作原理建立在量子力学基础上的计算机便是量子计算机，量子计算机将是纳电子时代的重要产品。

现有的电子计算机是以晶体管的“开”和“关”状态来表示二进制的0和1。以原子或分子为基本结构的量子计算机存储信息则基于量子位。也就是说，利用粒子的向上和向下自旋来分别代表0和1。

量子计算机的独特之处在于，处于量子状态的粒子能够进入“超态”，即同时沿上、下两个方向自旋。这一状态可代表1、0以及中间的所有可能数值。因此，量子计算机可以不像常规计算机那样按顺序把数值相加，而是能够同时完成所有数值的加法。这一特点使得量子计算机具有强大的功能。使用数百个串接原子组成的量子计算机可以同时进行几十亿次运算。

量子计算机突出的优点有两个。一是能够实现量子并行计算，加快解题速度。例如：现在计算机领域广泛使用的远地面告警等公开钥密系统，就是以巨大数的质因子分解极为困难作为前提而设计出来的。一个400位长的数字要对其进行因子分解，即使使用世界上最快的巨型机也要用10亿年时间，而人类的历史才仅仅300多万年。但若用量子计算机求解，有1年左右的时间便可完成。二是n个量子位可存储2n个数据，大大提高了存储能力。在现有计算机上，数据用二进制位存储，每位只能存储一个数据，非0即1。而在量子计算机中采用量子位存储，由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。这就是说量子位存储的内容可以是0和1的叠加。由于一个二进制位只能存储一个数据，所以几个二进制位就只能存储几个数据。而一个量子位可以存储2个数据，所以n个量子位就可以存储2n个数据。这样，便大大提高了存储能力。量子计算机的弱点一是受环境影响大，二是纠错不容易。

科学家们指出，量子计算将始于“摩尔定律”终结处。按照著名的“摩尔定律”来推算，随着电路板蚀刻精度越来越高，中央处理器芯片上集成的晶体管器件越来越密，现有芯片制造方法将在未来10多年内达到极限，无法突破到分子以下的尺度。这一极限大约出现在2020年。为此，世界各国的研究人员正在加紧开发新型计算机。除量子计算机外，生物计算机和光计算机等也代表着未来计算机的发展方向。

科学家预言量子计算机将在5年内问世。量子计算机能利用粒子自旋的特殊性质，快速处理大量的信息，运算速度将大大超过现有电脑，并将采用新的运算方式解决传统计算机不能解决的一些问题，目前复杂的数学难题在量子计算机面前有可能迎刃而解。

1.2.2 量子计算机研究的进展情况

根据目前正在开发中的量子计算机看，量子计算机有3种类型：核磁共振(NMR)量子计算机、硅基半导体量子计算机、离子阱量子计算机。

(1)核磁共振量子计算机

在核磁共振量子计算机方面，美国麻省理工学院和英国牛津大学都开发出了自己的样机，前者叫“堆积式”量子计算机，后者叫“咖啡杯”计算机。

(2)硅基半导体量子计算机

硅基半导体量子计算机也取得了进展，已成功制成由两个称为量子箱的微细半导体微粒放在一起从而实现使两个原子共享电子的类似于分子键的人工分子，它作为今后实现量子计算机的一种基础技术，正受到人们的注意。因为它和现有计算机一样，都是建立在硅半导体技术基础上的，所以能够借鉴以往更多的成熟经验，因此也更具有吸引力。

(3)离子阱量子计算机

离子阱量子计算机则是把一系列自旋(基本粒子和原子核的属性之一，相当于它们固有的动量矩)为1／2的冷离子禁锢在线性量子势阱里，组成一个相对稳定的绝热系统。同核磁共振计算机不同，这种量子计算机由激光来实现自旋翻转的“控制非”操作。由于在这种系统中很容易在任意离子间实现n位量子门，所以具有光明的前景。

目前，美国国际商用机器公司(IBM)、斯坦福大学和卡尔加里大学科学家联合研制出了世界上最先进的量子计算机，并首次证明这类装置有明显快于常规计算机的运算潜力。领导该研究的IBM科学家伊萨克·张 2000年8月15日在宣布该成果时说，这种量子计算机使用了5个原子作为处理器和内存。研究人员对该量子计算机实验机型进行了测试，用它来确定一个函数的周期。测试结果发现，量子计算机能够只需一步就解决任何一个例题，而常规计算机完成相同的工作却需要多次循环运算。伊萨克·张认为，量子计算机有望应用于广泛的领域。用它来进行数据库检索，将会大大提高网上搜索速度。量子计算机也可被用来设置或破译密码，提高天气预报准确性，模拟化学反应以加快新药的研制等。他预测说，在今后两年中将诞生7～10个原子的量子计算机。

日本将在未来10年内投资400亿日元实施“量子通信技术”计划。研究课题包括无法破译的密码技术、量子通信所需要的超高速计算机和量子传输技术。计划在2020年—2030年前后使保密通信网络和量子通信网络技术达到实用化水平。

2、量子互联网

2.1 量子互联网的概念

建立一个产生、储存和传输“缠结”信息的网络，是向开发一种科学幻想家虚构的远距离传输系统迈出的第一步。利用这种“缠结”信息还能制造超快速量子计算机，并把它们连接成量子互联网，为互联网发展开辟新途径。

2.1.1 “缠结”信息

所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间类似“心灵感应”的神奇连接，即使粒子分别位于宇宙空间遥远的两边，这种连接都能以极快的速度使其连接。“缠结”信息已经用于量子密码翻译、极小规模的量子计算和远距离传输等方面。

2.1.2 量子互联网

根据“缠结”的原理，可以将量子计算机连接起来，构成功能强大的量子互联网。如果“缠结”的信息能够通过量子互联网被瞬间传输到全球各个角落，那量子互联网将引发计算、通信和人类认识宇宙的新革命。

2.2 量子互联网的理论与研究进展

2.2.1 量子互联网的理论

实现量子互联网需要香浓理论的突破，所谓香浓理论是指贝尔实验室的香浓在1940年奠定的经典信息论的基础。香浓理论解决了任何通信信道的理论容量，即沿着通信信道能够可靠传输最大数量信息的问题，并阐述了有效传输信息的压缩技术。但是，香浓理论只应用于经典信息论，量子“缠结”信息的出现，使香浓理论面临新的问题，要求香浓理论有所突破，为量子互联网的发展开辟道路。目前需要解决量子信息奇特的脆弱性和量子“缠结”信息古怪特性的问题。

(1)量子信息的脆弱性

建立量子互联网面临的一个问题是量子粒子的脆弱性(容易丢失信息)，也就是说，只要能看到量子粒子，它就有了被破坏的可能性。这个问题不仅涉及能够存储的信息数量，而且还涉及能够检索的信息数量。解决这个问题的办法是测量量子，通过测量，掌握量子的变化特性。

(2)量子“缠结”信息的特性

经典信息论是“0”和“1”组成的序列，通过改变导线上的电压可以实现这种序列编码。在一定的电压电平之上是“1”，反之则是“0”。

量子粒子(如光子)中的部分信息的编码则具有完全不同的特点。光子在同一时间有两种或多种存在状态。例如：能够将光子的电场加以滤波，这样它就在一个特定的平面产生极化振荡。当振荡平面变成垂直极化时，此平面称为“0”，当振荡平面变成水平极化时，此平面称为“1”。然而，由于“量子叠加”，光子可能同时垂直和水平极化，可能同时为“0”和“1”。“缠结”粒子的奇妙之处在于测量一对粒子中的一个，便能确定另一个的测量结果，而不管这两个粒子相距多远。这种在时间和空间内魔术般地连接的两点，充分说明了“缠结”信息的含意，意味着“缠结”将会给未来的网络通信带来巨大的变化。

2.2.2 量子互联网的研究进展

1992年IBM公司和TelAviv大学的研究人员研究认为，“缠结”对量子信道的容量有极大的影响，目前发现至少可将信道容量提高一倍。这是因为在量子信道中传输的每个光子都可能有水平和垂直两种状态，所以把一对光子连接在一起，就可能变成4种状态。利用“缠结”技术，一个光子可以发送2位信息，从而使信道容量提高一倍。这种现象称为量子超密集编码。现在，应用“缠结”技术又有新进展，研究人员开始研究粒子3重“缠结”和4重“缠结”，能使粒子实现更多的组合状态，可以使量子信息以极快的速度通过互联网络。

但只有传输速度没有传输质量也不行。这种极快的信息传输速度要建立在纠正可能出现的错误之上。由于量子“缠结”状态是脆弱的，任何外力都可能产生破坏作用，以致许多物理学家误认为不可能可靠地传输量子信息。但是在最近，IBM和微软的两位研究人员对量子“缠结”状态的脆弱性问题提出了完善的解决方案，其解决方案是利用执行量子计算的软件来保护量子信息，使量子信息不会产生错误。

2.3 量子互联网的发展计划

1997年奥地利的因斯布鲁克大学的研究人员提出了第一个量子互联网计划。2000年3月美国麻省理工学院和马萨诸塞州林肯空军研究室的研究人员提出了更加接近实现量子互联网的设想。他们的设想是生成一对光子，并沿着2条光纤传输，即一个光子传输给甲地的研究人员，另一个传输给乙地的研究人员。甲乙两地的研究人员都拥有包含超冷却原子的激光俘获器，而原子能吸收光子。研究人员可以确定原子何时吸收光子而不会干扰它，并在原子吸收“缠结”的一对光子时检查甲乙两地研究人员能够同时发现吸收的光子。当确定原子确实吸收光子时，原子本身也就变成了“缠结”的粒子。当原子没有电荷时，它们不受电场和磁场的影响，这样就容易保护“缠结”的粒子不受外力的影响。美国陆军已向麻省理工学院的一项研究计划投资数百万美元，以加速量子互联网的研究开发。麻省理工学院发布了建立量子互联网的详细计划，并宣布现在建立量子互联网的技术已具备，该计划打算在3年内建成量子互联网，并首先在麻省理工学院建立3个节点。因此，业界人士分析，全球量子互联网的实现将指日可待。□

(收稿日期：2002-03-08)

作者简介

何淑贞，毕业于东北大学自动控制系，信息产业部第4研究所高级工程师。参加了960路、1 800路大型微波通信设备的研制工作(该项目获得国家科技二等奖)，还参加了有关CATV、MMDS、SDH等的项目研发工作，近年来致力于通信热门课题的探索。已在报刊及杂志上发表论文近百篇，著有《CATV与多媒体通信》一书。