量子信息處理技術

前言

　　量子信息處理技術從信息處理角度表現(xiàn)量子信息學科的發(fā)展。它是物理科學與信息科學交叉融合產生的新興學科，主要研究量子信息和量子計算。有關量子信息和量子計算的研究可以追溯到幾十年前，但真正引起廣泛關注的是20世紀90年代中期。這期間Shor提出了基于量子并行計算的大數質因子分解算法，Grovez提出了快速的量子搜索算法，這兩類算法展示了量子計算從根本上超越經典計算機計算能力和在信息處理方面的巨大潛力。大數質因子的快速分解意味著廣泛應用于密碼通信中的公鑰體制RSA算法即將失去意義；Grover量子快速搜索算法能夠快速地尋找到DES（DataEncryptionStandard）加密算法的密鑰，使得I）ES算法不再具有計算安全?；诹孔游锢砘咎匦缘牧孔用艽a理論從根本上建立一種嶄新的、對于竊聽具有可檢測能力的安全通信體系；與此同時，量子糾纏給出一種新型信息存儲、處理的理論和方法。隨著量子信息處理技術的發(fā)展，近年來，量子信息處理技術已逐漸從理論走向實驗，并向實用化方向發(fā)展。　　利用微觀粒子的狀態(tài)表示的信息稱為量子信息。信息一旦量子化，描述“原子水平上的物質結構及其屬性”的量子力學特性便成為描述信息行為的物理基礎，在此基礎上研究信息的存儲、傳輸和處理的一般規(guī)律的學科稱為“量子信息學”，包括量子計算和量子信息兩個方面。微觀系統(tǒng)的量子特性為信息學帶來許多令人耳目一新的現(xiàn)象，在信息的表示、加工、處理和傳輸上生長出一些新的概念、原理和方法，量子計算與量子信息將在未來的信息與通信研究領域具有獨特的不可替代的作用?！　×孔有畔⑻幚硎抢昧孔游锢淼脑泶鎯吞幚硇畔?。量子物理最基本、最顯著的原理是線性疊加原理，即任一量子系統(tǒng)都可表示為描述量子系統(tǒng)的不同狀態(tài)的線性組合，表現(xiàn)為若輸入是多個可能輸入狀態(tài)的線性組合時，則輸出態(tài)也將是所有輸入態(tài)對應輸出態(tài)的線性組合，這是量子并行計算的核心。量子力學的另一特性是糾纏，這在現(xiàn)實（或稱經典）世界中沒有相對應的概念和描述。線性疊加和糾纏這兩個基本特性將給出量子信息和量子計算中的所有性能和方法。

內容概要

量子信息處理技術是量子力學和信息論相結合的一門前沿的新興交叉學科，研究內容涉及信息、通信、數學、物理、計算機等眾多領域，近來已逐漸從理論走向實驗，并向實用化方向發(fā)展。本書從量子信息的基本理論出發(fā)，介紹量子信息處理技術的基本原理和方法．分析量子信息處理技術在現(xiàn)代通信(包括密碼、糾錯、計算、圖像識別等)中的應用。    本書在介紹基本概念的同時，融入了相關內容的一些研究工作。全書共分7章，分別介紹了量子信息的數學和物理基礎、量子信息理論、量子計算和量子算法、量子糾錯編碼、量子加密，以及量子信息在其他領域的應用研究。    本書由淺入深、深入淺出，具有系統(tǒng)性、交叉性、前沿性等特點。本書可以作為電子、信息和通信類專業(yè)開設量子信息相關課程的參考教材，也可供對量子通信感興趣的各類人員參考。

書籍目錄

第1章　緒論  1.1　量子信息處理技術的發(fā)展動力  1.2　量子信息處理技術的基本內容  參考文獻第2章　量子信息基礎知識  2.1　數學基礎    2.1.1  向量    2.1.2  內積    2.1.3　線性算子與矩陣    2.1.4　外積    2.1.5　特征向量與特征值    2.1.6　伴隨矩陣與Hermite算子    2.1.7　張量積    2.1.8　算子函數    2.1.9　對易式與反對易式    2.1.10　極式分解和奇異值分解  2.2　物理基礎    2.2.1　量子力學的基本概念    2.2.2　量子力學的基本假設    2.2.3　密度算子    2.2.4　量子比特    2.2.5　糾纏態(tài)  參考文獻第3　章量子信息理論　3.1　量子信源編碼　  3.1.1　離散信源及其香農熵　  3.1.2　量子信源和馮諾依曼熵  3.2　數據壓縮　  3.2.1　香農無噪聲信道編碼定理　  3.2.2　量子信息保真度　  3.2.3　Schumacher量子無噪聲信道編碼定理　  3.2.4　Holevo信息　3.3　量子信道編碼理論    3.3.1　量子信道    3.3.2　信道容量    3.3.3　量子信道編碼定理　3.4　量子多址信道及信道容量　  3.4.1　經典多址信道　  3.4.2　經典多址信道容量  　3.4.3　量子多址噪聲信道　  3.4.4　量乎多址信道容量  參考文獻第4章　量子計算和量子算法　4.1　量子計算基礎概念　4.2　量子邏輯門　4.3　量子離散傅里葉變換　4.4　相位估計　4.5  Shor算法    4.5.1 ShOr算法的數論基礎    4.5.2　求隨機數階的量子算法    4.5.3 Shor算法仿真實現(xiàn)及算法分析　4.6 Grover搜索算法    4.6.1 Detltsch問題    4.6.2　未加整理的數據庫搜索問題    4.6.3 Grover算法    4.6.4 Grover算法應用舉例    4.6.5　一般情況    4.6.6 Grover算法的仿真　參考文獻第5章　量子糾錯編碼第6章　量子密碼技術第7章　量子信息的其他應用研究

章節(jié)摘錄

　　量子信息科學（quantum information）是物理科學與信息科學交叉融合產生的新興學科領域，其研究涉及物理、計算機、通信、數學等多個學科。以量子力學的基本原理為基礎的量子信息學將為未來信息科學革命性變革提供基本原動力，為信息科學在未來的發(fā)展提供新的原理和方法。量子信息處理技術在運算速度、信息安全、信息容量等方面能夠突破傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的極限。具有巨大并行計算能力的量子計算有望解決經典計算機中難以解決的一些重要問題；基于量子態(tài)物理特性的量子密碼理論能夠建立一種嶄新的、不可竊聽的、不可破譯的安全通信體系。量子信息處理技術重大的科學意義和潛在的應用價值，引起了人們越來越多的關注，成為當前信息處理技術研究的熱點之一。　　利用微觀粒子的狀態(tài)表示的信息就稱為量子信息。信息一旦量子化，描述“原子水平上的物質結構及其屬性”的量子力學特性便成為描述信息行為的物理基礎，在此基礎上研究信息的存儲、傳輸和處理的一般規(guī)律的學科稱為“量子信息學”。量子信息學是量子力學與經典信息學結合的新興學科，微觀系統(tǒng)的量子特性為信息學帶來許多令人耳目一新的現(xiàn)象，在信息的表示、加工、處理和傳輸上生長出一些新的概念、原理和方法。量子信息與量子通信將在未來的信息與通信領域具有獨特的、不可替代的功能，將發(fā)揮重要的作用?！　∈澜绺鲊蓟ň拶Y進行相關的實驗和嘗試。利用量子態(tài)糾纏特性（entanglement），1997年中國青年學者潘建偉與荷蘭學者Bouwmeester等人合作，首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)的隱形傳態(tài)（teleporltation）。在該實驗中，傳輸的只是表達量子信息的“狀態(tài)”，而作為信息載體的光子本身并不被傳輸，從而觀察到經典信息處理技術中“不可思議”的現(xiàn)象。由于多粒子糾纏態(tài)的制備與操縱在量子計算和網絡化的量子通信中具有重要的應用，潘建偉于2004年7月再次嘗試并實現(xiàn)了五粒子糾纏態(tài)以及終端開放的量子態(tài)隱形傳態(tài)的實驗。利用量子態(tài)不可克隆原理（no-cloning theorem），英國國防研究部于1993年首先在光纖中實現(xiàn)了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分配，光纖傳輸長度達10km。后經多方改進，又在30 km長的光纖傳輸中成功實現(xiàn)了量子密鑰分配。通常，與偏振編碼相比，相位編碼的好處是對光的偏振態(tài)要求不那么苛刻。這是由于在長距離的光纖傳輸中，光的偏振性將會退化，造成誤碼率的增加。然而，瑞士日內瓦大學于1993年提出基于BB84方案的偏振編碼方案。

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