2022-2023学年高二物理竞赛课件：量子信息科学

量子信息科学 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 密 码 量 子 通 讯 量 子 计 算 2 D1 D2 单个光子 分束器 光电探测器 单个光子究竟沿哪条路径传送？ 3 “薛定谔猫”——宏观量子叠加态 4 A EPR粒子对 B EPR佯谬 EPR效应：非局域性是量子力学的基 本性质。 纠缠态 5 量子信息应运而生 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： 6 人们坚信，信息技术的发展将从经典跨越到量子的时代。 近年来，量子信息在理论和试验研究上取得重要突破， 引起各国政府、科学界、信息产业界的高度重视。 7 　　二十一世纪人类将量子力学应用于信息科学，导致量子信息的诞生，这将为全人类带来更丰富的高科技成果。 二十世纪人类把量子力学应用于物质科学和能源科学，导致了构成当代文明社会的高科技成果，如核能、半导体、激光等。 8  量子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。 （叠加态） 9 量子信息是经典信息的完善和扩充，正如复数z=x+iy是实数x，y的完善和扩充。 量子信息的单元 称为量子比特。 量子比特（即量子态）的物理载体：光子，电子，原子，核自旋，…… 以量子态作为信息单元，“信息”就量子化。 以“比特”作为信息单元的是经典信息，以“量子比特”作为单元的是量子信息。 因此，量子信息遵从量子力学规律。 10 信息传输：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。 于是，奇特的量子性质就可以产生新的信息功能。 11 　　采用量子态（量子比特）作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥（经典随机数），这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。 　　其安全性由量子力学原理所保证： 窃听者若企图通过对量子态的测量来窃 取信息，则必然会干扰这个量子态本身， 从而会留下痕迹而被合法用户发现。 窃听者若企图通过复制传送密钥的量子 态来获得信息，此时量子不可克隆定理 确保这种复制不可能成功。 12 $