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量子信息

量子信息是以量子力學基本原理為基礎，把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊，進行計算、編碼和信息傳輸的全新信息方式[1]。

量子資訊最常見的單位是為量子位元（qubit）——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。然而不同於古典數位狀態（其為離散），一個二狀態量子系統實際上可以在任何時間為兩個狀態的疊加態，這兩狀態也可以是本徵態。

基礎

參見：量子力學和量子力學入門

重大發現

主條目：量子資訊科學

1927年，海森堡發現在測量粒子動量和位置的時候會導致h/4π的誤差（兩者誤差相乘）。測量時位置的誤差越小，動量的誤差就會變得相當大。而h/4π就是這個誤差的下限（也就是說兩者誤差的乘積大於等於h/4π）。這一結論最終被稱作不確定性原理。

1935年，阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論，客觀上揭示了量子糾纏現象。

1984年，查爾斯·貝內特（Charles Bennett）與吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）提出一種量子密碼分發協議，後被稱為BB84協議[2]。

1994年，數學家彼得·秀爾發現針對整數分解的秀爾演算法（Shor算法）。2001年，IBM使用NMR實做的量子計算機以及7個量子位元展示了秀爾演算法的實例，將15分解成3×5[3]。

相干特性

主條目：量子相干性和量子糾纏
 
EPR實驗假設一個零自旋中性π介子衰變成一個電子與一個正電子，這兩個衰變產物各自朝著相反方向移動，雖然彼此之間相隔一段距離，它們仍舊會發生量子糾纏現象。

由於量子相干性，量子比特在測量過程中會表現出與經典情況完全不同的行為[4]。測量儀器與被測系統的相互作用會引起所謂的波包塌縮。這時相干性將被徹底破壞，即發生了所謂的量子退相干[5]。量子糾纏是多比特系統特有的量子性質。兩個比特的量子系統不僅有經典系統中的4種不同的狀態，並且可以處在非平凡的雙粒子相干疊加態（量子糾纏態）上，這構成了量子通訊的物理基礎[1]。

領域

量子通信

主條目：量子密碼學和量子隱形傳態

美國在2005年建成了DARPA量子網絡[6][7]，連接美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學3個節點。中國在2008年研製了20km級的3方量子電話網絡[8][9][10]。2009年構建了一個4節點全通型量子通信網絡[11]，大大提高了安全通信的距離和密鑰產生速率，同時保證了絕對安全性[12][13][14][15]。同年，「金融信息量子通信驗證網」在北京正式開通，是世界上首次將量子通信技術應用於金融信息安全傳輸。2014年中國遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至200公里，刷新世界紀錄[16]。2016年8月16日，中國發射一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，連接地面光纖量子通信網絡[17][18]，並力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通信網。

量子計算

主條目：量子計算

量子計算機由包含有導線和基本量子門的量子線路構成，導線用於傳遞量子信息，量子門用於操作量子信息[19]。

2015年5月，IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破，開發出四量子位原型電路（Four Quantum Bit Circuit），成為未來10年量子電腦基礎。另外一項是，可以同時發現兩項量子的錯誤型態，分別為Bit-Flip（位元翻轉）與Phase-Flip（相位翻轉），不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態，使量子電腦運作更為穩定。[20]2016年8月，美國馬里蘭大學學院市分校發明世界上第一台由5量子位元組成的可編程量子計算機[21][22]。

量子雷達

主條目：量子雷達

量子雷達屬於一種新概念雷達，是將量子信息技術引入經典雷達探測領域，提升雷達的綜合性能[23]。量子雷達具有探測距離遠、可識別和分辨隱身平台及武器系統等突出特點，未來可進一步應用於導彈防禦和空間探測，具有極其廣闊的應用前景[24]。根據利用量子現象和光子發射機制的不同，量子雷達主要可以分為三個類別：一是量子雷達發射非糾纏的量子態電磁波；二是量子雷達發射糾纏的量子態電磁波；三是雷達發射經典態的電磁波[25]。2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2013年義大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測，證明其有實戰價值的可能性[26]。中國首部基於單光子檢測的量子雷達系統由中國電科14所研製，中國科學技術大學、 中國電科27所以及南京大學協作完成[27]。不過專家表示，量子雷達想要實現工程化可能還有比較漫長的路要走[28]。

量子博弈

量子博弈（英語：Quantum game theory）是Eisert等人在1999年提出的，遊戲者可以利用量子規律擺脫所謂的囚徒困境[1]，防止某一玩家因背叛而獲利[29]。

參考來源

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 量子信息简介 (PDF). 中國科學院物理研究所. [2016-09-27]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-10-01）. 
  2. ^ C. H. Bennett and G. Brassard. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing (PDF). In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, (紐約). 1984, 175: 8 [2016-08-22]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04）. 
  3. ^ Vandersypen, Lieven M. K.; Steffen, Matthias; Breyta, Gregory; Yannoni, Costantino S.; Sherwood, Mark H. & Chuang, Isaac L., Experimental realization of Shor's量子factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, Nature, 2001, 414 (6866): 883–887, doi:10.1038/414883a .
  4. ^ O'Connell, A. D.; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D. & Wang, H. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature. 2010, 464 (7289): 697–703. Bibcode:2010Natur.464..697O. PMID 20237473. doi:10.1038/nature08967. 
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  6. ^ （英文）C. Elliott, 「Building the quantum network」, New J. Phys. 4, 46 (2002).
  7. ^ （英文）C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J.Schlafer, and H. Yeh, Current status of the DARPA Quantum Network, Quantum Information and Computation III, E. J. Donkor, A. R. Pirich, and H. E. Brandt, eds., Proc. SPIE 5815, 138--149 (2005).
  8. ^ T.-Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, W.-Q. Cai, L. Ju, W.-Y. Liu, J. Wang, H. Yin, K. Chen, Z.-B. Chen, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, 「Field test of a practical secure communication network with decoy-state quantum cryptography」, Opt. Exp. 17, 6540-6549 (2009). [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 於2010年4月1日查閱
  9. ^ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
  10. ^ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
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  26. ^ 鳳凰衛視-神秘量子雷達. [2016-09-27]. （原始內容存檔於2019-05-02）. 
  27. ^ 賈婧. 中国研制成功首部量子雷达. 科學網. 科技日報. 2016-09-14 [2016-09-27]. （原始內容存檔於2020-12-01）. 
  28. ^ 专家：量子雷达还不成熟 对付F35要靠现有装备. 鳳凰軍事. 環球時報. 2016年9月25日 [2016-09-27]. （原始內容存檔於2020-04-02）. 
  29. ^ Simon C. Benjamin and Patrick M. Hayden, Multiplayer quantum games, Physical Review A, 13 August 2001, 64 (3): 030301, Bibcode:2001PhRvA..64c0301B, arXiv:quant-ph/0007038  , doi:10.1103/PhysRevA.64.030301 , arXiv:quant-ph/0007038 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

參考文獻

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  • Dagmar Bruss, Gerd Leuchs: Lectures on quantum information. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-40527-5
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延伸閱讀

參見

外部連接

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