2022-2023学年高二物理竞赛课件：量子信息的特性

量子信息的特性 量子信息的特性 自然界有三要素：物质、能量和信息。 相应有三个学科：材料科学、能量科学和信息科学。 何谓“信息”？ 　　——信息就是我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容和名称。 “信息就是信息，既不是物质，也不是能量”。 2 　　因此，量子密码术原则上可提供不可破译、不可窃听的保密通信体系。目前中科大已在光纤中成功实现125公里量子密钥传输，在自由空间中实现13公里传送。 量子安全体系 量子 身份 认证 量子 比特 承诺 量子 对策 论 … … … … 3 量子密码通信是目前唯一被证明绝对安全的保密通信方法。 　　美国《商业周刊》把它列在了改变人们未来生活的十大发明的第三位。 4 四、量子通讯 1、量子隐形传态 （Quantum Teleportation） 　　长期以来，这种隐形传物无论用经典或量子方法都认为不可能的，仅“科学幻想”或“神话”而已。 地球 木星 5 　　1993年，美国IBM的著名科学家Bennet等四国的科学家联名在权威杂志物理评论快报（Physical Review Letters）上发表一篇开创性论文：“经由经典和EPR通道传送未知量子态”，提出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态（未知量子比特）传送给远处的另一个粒子，使该粒子处在这个未知量子态上，而原先的粒子不被传送，这就是所谓“量子隐形传态”。 6 为实现传送某个物体的未知量子态，可将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分， 基本思想 它们分别经由经典通道和量子通道传送给接受者。 量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息 经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的部分信息 接受者在获得这两种信息之后，就可以制造出原物量子态的精确复制品。 7 在这个过程中， 原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，而且，发送者对这个量子态始终一无所知； 接受者是将别的物质单元（如粒子）制备成为与原物完全相同的量子态，他对这个量子态也始终一无所知； 原物的量子态在测量时已被破坏掉——不违背“量子不可克隆定理”； 未知量子态（量子比特）的这种传送，需要经典信道传送经典信息（即发送者的测量结果），传送速度不可能超过光速——不违背相对论的原理。 8 　　1997年，奥地利学者在Nature上报道了第一个实现光子偏振态隐形传送的试验。该论文轰动了学术界和新闻界，后被Nature评为二十世纪最有影响的21篇经典论文之一； 　　1998年，意大利学者在Physical Review Letters上发表了另一个光子隐形传态的论文；1998年底，美国学者分别在Science和Nature上报道新的试验。 9 2、量子密集编码 量子密集编码可以实现发送单个光子束传输两个比特的信息。 量子密集编码原理图 特点： (1) 保密性高； (2) 增大信息传送速率，适用于紧急场合。 10 3、 量子通信网络 A C B D 量子存储器 量子通道 存储量子信息，处理（运算）量子信息。 量子存储器 量子通道 传送量子信息。 用途：开拓新的通信原理和方法。 例：（1）网络量子密码；（2）分布量子计算。 11 　　2004年6月3日，世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。主持这套网络建设的是美国BBN技术公司。这个量子密码通信网络已成功实现该公司与哈佛大学之间的连接，且很快就延伸至波士顿大学。新的量子密码通信网络与现有因特网技术完全兼容，网络传输距离约为10千米。 12 $