综述：漫谈量子信息学
张永德 (作者为中国科技大学近代物理系教授)
在奥地利维也纳大学从事合作研究的中国科技大学教授潘建伟博士及其同事最近在量子信息领域取得重大突破，英国《自然》杂志5月22日以封面文章的形式作了报道。那么，什么是量子信息呢？
建立在20世纪物理学支柱之一的量子力学基础之上的量子信息学，是一门利用微观粒子的量子力学原理来解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题的学科，因此量子信息学是量子力学和信息学的交叉科学。量子信息学最重要的两个应用方向是量子通信和量子计算。由于其潜在的应用价值和重大的科学意义，量子信息学作为最近十几年来迅速发展起来的新兴学科，正在引起各方面越来越多的关注。
也许有人会问：量子力学的原理在很久以前就被物理学家们广泛接受并成为物理学的基础，那为什么信息理论和计算理论的这个新发展却没有早些到来呢？这或许是因为信息理论和计算理论的奠基者们，比如香农、图灵和冯·诺伊曼，过于习惯于把信息处理考虑成宏观过程，而在他们之前也没有出现不断变小的微电子器件等这样有力的例证表明信息的处理可以是微观的过程。
大家知道，经典信息处理的最基本单元是比特(Bit，即二进制数0或1)。一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串就构成一个密钥，经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题。由于密钥分配不是绝对保密的，经典密码也就不可能绝对保密。然而，基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配却可以解决这个问题。另外，经典计算中存在着一大类NP问题(难解的非指数问题)，即问题的复杂度随着比特位数的增长而指数上升。这类问题在经典计算机上是不能计算的，但是量子计算可以把其中的一部分NP问题变成P问题(容易求解的指数问题)，即问题的复杂度随着比特位数的增长以多项式上升。这类问题原则上是可以计算的。一个具体的例子就是大数分解定理，按经典计算复杂性理论，这个问题不存在有效算法，所以被利用来进行经典密钥分配。但是如果用量子计算机，使用Shor量子算法，这个问题就变成了P问题。例如，为了对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，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只需要大约一分钟。因此，对于目前的密码系统，即使人们几乎无法利用经典算法对其进行破解，但一旦人们拥有了一台量子计算机，那么目前的密码系统将毫无保密性可言!这一后果是对目前的密码系统的巨大挑战，因而对基于经典保密系统的行业(如军事、国家安全、金融等)的信息安全构成根本的威胁。因此，为了保证这些领域的信息安全，也为了拓宽人类对微观世界的认识，发展量子信息学刻不容缓：一方面，开发由量子力学基本原理保证其保密性的量子密码系统，另一方面，研制按照量子力学基本原理运行的量子计算机。为此，世界很多国家都投入了巨大的人力和财力积极地进行相关研究。
如上所述，量子信息学确实有着很重大的应用价值，如果实现，将是人类生产力的又一次飞跃，迄今为止，科学家还只能实现由少数几个计算单元的量子计算机；基于单光子的量子密码实验已经可以达到100公里的量级。但是要进行实用的、长程的量子通讯还需要更多的努力。在这方面，潘建伟博士及其合作者分别在奥地利和中国科技大学进行的实验研究为未来的量子远程通信提供了重要的基础。
在量子远程通信方面，因为光子具有速度快和环境耦合小，并且光纤传输技术比较成熟等优势，所以实现量子密钥分配和量子通信一般使用的载体是光子。使用光子做密钥分配一般有两种方法，第一种是利用单光子极化编码，把随机信息赋予单光子的极化，根据量子不可克隆定理，使用经典通信的方法可以保证绝对的防止窃听。但在实际应用中，因为噪声的存在和环境对光子的吸收，导致光子数呈指数衰减，所以远程通信势必要求高亮度的单光子源，在现有的技术条件下是不现实的。另外一种是利用纠缠源来做密钥分配，根据量子纠缠的特性，窃听者利用局域操作无法得到任何信息，并且，产生密钥的双方可以通过测量贝尔(Bell)不等式的方法来判断是否存在窃听。在理论上，这种方法也是绝对安全的。而且这种利用纠缠对的量子密钥分配方法在远程通信过程中可以设立很多中继站，利用纠缠交换的方法，可以让光子衰减变成线性衰减，这样就可以克服单光子密钥分配的缺点，纠缠交换操作已由潘建伟及其合作者于1998年在实验上实现。但是这种利用纠缠的方法也有很重要的缺陷，就是纠缠对在传播的过程中与环境相互作用，会有量子消相干效应，导致纠缠度和纯度的下降，使远程通信不能实用。解决消相干效应最有效的方式是量子纠缠纯化，即从几对纠缠度和纯度都很低的量子纠缠对中提取一对纠缠度和纯度都符合量子密钥分配要求的纠缠对。把纠缠纯化和纠缠交换结合起来，我们就得到了量子中继站。有了中继站，基于纠缠对的量子远程通信才能最终实现。
由此可见，量子纠缠是量子信息处理的一种基本的“资源”，通过消耗这种资源，人们可以完成经典信息处理无法完成的任务(如绝对保密的通信)。量子信息处理的基本任务之一就是获得高品质的量子纠缠资源，其办法就是量子纠缠纯化。
量子纠缠纯化的思想和第一个实验方案是美国科学家贝内特及其合作者于1996年提出的。在这之后，出现了一系列关于纠缠纯化的方案，但是基本上所有的方案中都需要可控非门(Controlled-NOT)操作或者其他类似性质的量子逻辑操作。而现有的实验技术实现的可控非门操作都无法满足量子通信和量子计算的要求。近来，在由美国、日本以及我国科学家完成的一些实验中，人们使用纠缠浓缩和定域过滤的手段克服了一些特殊的消相干过程，纠缠浓缩由潘建伟及其中国科大的同事与日本科学家几乎同时独立实现。但是，贝内特等人1996年提出的能对任意一般未知混态进行纯化的方案却一直无法实现，因此量子纠缠纯化中最基本的问题仍然没有得到解决。
2001年，潘建伟与其在奥地利维也纳大学的合作者发现了使用线性光学器件和参量下转换产生的纠缠对可以实现贝内特等人1996年的原始思想，即对任意一般的未知混态进行纯化。并且因为线性光学器件本身具有出错率小和条件成熟的特色，这种纯化方案是可行和高效的，一经提出，就受到了量子信息界的重视，该理论文章于2001年4月发表在英国的《自然》杂志上。经过两年的艰苦努力，潘建伟及其同事终于在最近首次实现了对于一般未知量子混态的纠缠纯化。该实验工作得到了科学界的广泛重视，今年5月22日，《自然》杂志以封面文章的形式报道了这项研究成果。
除了任意一般态的纠缠纯化外，本实验还有其他一些意义。首先，在纠缠纯化过程中，相当于实现了一个成功概率为25%的可控非门，这就为线性光学量子计算提供了一种逻辑门的实现方式。其次，在实验中发展的路径极化纠缠技术也可以用在实现两体高维纠缠态、量子非定域性检验等方面。最后，特别值得一提的是，潘建伟与其在中国科技大学的同事们利用相同的技术已经于最近成功地在实验上实现了量子中继器。有理由相信，量子中继器的实现将为远距离量子通信的最终实现打下坚实的基础。
目前，美国、欧洲、日本等发达国家在量子信息研究方面处于领先地位。值得自豪的是，近年来，我国科学家不断地在量子信息领域取得重要进展，使我国这一重要新兴科学领域在世界上占有了一席之地。
[ 2003年7月4日 ] 信息来源：http://www.cas.cn/html/Dir/2003/07/04/6689.htm