量子信息處理技術(shù)

前言

　　量子信息處理技術(shù)從信息處理角度表現(xiàn)量子信息學(xué)科的發(fā)展。它是物理科學(xué)與信息科學(xué)交叉融合產(chǎn)生的新興學(xué)科，主要研究量子信息和量子計(jì)算。有關(guān)量子信息和量子計(jì)算的研究可以追溯到幾十年前，但真正引起廣泛關(guān)注的是20世紀(jì)90年代中期。這期間Shor提出了基于量子并行計(jì)算的大數(shù)質(zhì)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(jì)算從根本上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和在信息處理方面的巨大潛力。大數(shù)質(zhì)因子的快速分解意味著廣泛應(yīng)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(jì)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(shí)，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(shù)的發(fā)展，近年來，量子信息處理技術(shù)已逐漸從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没较虬l(fā)展?！　±梦⒂^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(zhì)結(jié)構(gòu)及其屬性”的量子力學(xué)特性便成為描述信息行為的物理基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上研究信息的存儲、傳輸和處理的一般規(guī)律的學(xué)科稱為“量子信息學(xué)”，包括量子計(jì)算和量子信息兩個(gè)方面。微觀系統(tǒng)的量子特性為信息學(xué)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(jì)算與量子信息將在未來的信息與通信研究領(lǐng)域具有獨(dú)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(gè)可能輸入狀態(tài)的線性組合時(shí)，則輸出態(tài)也將是所有輸入態(tài)對應(yīng)輸出態(tài)的線性組合，這是量子并行計(jì)算的核心。量子力學(xué)的另一特性是糾纏，這在現(xiàn)實(shí)（或稱經(jīng)典）世界中沒有相對應(yīng)的概念和描述。線性疊加和糾纏這兩個(gè)基本特性將給出量子信息和量子計(jì)算中的所有性能和方法。

內(nèi)容概要

量子信息處理技術(shù)是量子力學(xué)和信息論相結(jié)合的一門前沿的新興交叉學(xué)科，研究內(nèi)容涉及信息、通信、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域，近來已逐漸從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没较虬l(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(shù)的基本原理和方法．分析量子信息處理技術(shù)在現(xiàn)代通信(包括密碼、糾錯(cuò)、計(jì)算、圖像識別等)中的應(yīng)用。    本書在介紹基本概念的同時(shí)，融入了相關(guān)內(nèi)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(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)、量子信息理論、量子計(jì)算和量子算法、量子糾錯(cuò)編碼、量子加密，以及量子信息在其他領(lǐng)域的應(yīng)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(diǎn)。本書可以作為電子、信息和通信類專業(yè)開設(shè)量子信息相關(guān)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(shù)的發(fā)展動(dòng)力  1.2　量子信息處理技術(shù)的基本內(nèi)容  參考文獻(xiàn)第2章　量子信息基礎(chǔ)知識  2.1　數(shù)學(xué)基礎(chǔ)    2.1.1  向量    2.1.2  內(nèi)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(shù)    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(chǔ)    2.2.1　量子力學(xué)的基本概念    2.2.2　量子力學(xué)的基本假設(shè)    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(xiàn)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(nóng)熵　  3.1.2　量子信源和馮諾依曼熵  3.2　數(shù)據(jù)壓縮　  3.2.1　香農(nóng)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(jīng)典多址信道　  3.4.2　經(jīng)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(xiàn)第4章　量子計(jì)算和量子算法　4.1　量子計(jì)算基礎(chǔ)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(jì)　4.5  Shor算法    4.5.1 ShOr算法的數(shù)論基礎(chǔ)    4.5.2　求隨機(jī)數(shù)階的量子算法    4.5.3 Shor算法仿真實(shí)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(shù)據(jù)庫搜索問題    4.6.3 Grover算法    4.6.4 Grover算法應(yīng)用舉例    4.6.5　一般情況    4.6.6 Grover算法的仿真　參考文獻(xiàn)第5章　量子糾錯(cuò)編碼第6章　量子密碼技術(shù)第7章　量子信息的其他應(yīng)用研究

章節(jié)摘錄

　　量子信息科學(xué)（quantum information）是物理科學(xué)與信息科學(xué)交叉融合產(chǎn)生的新興學(xué)科領(lǐng)域，其研究涉及物理、計(jì)算機(jī)、通信、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。以量子力學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)的量子信息學(xué)將為未來信息科學(xué)革命性變革提供基本原動(dòng)力，為信息科學(xué)在未來的發(fā)展提供新的原理和方法。量子信息處理技術(shù)在運(yùn)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(jì)算能力的量子計(jì)算有望解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(shù)重大的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值，引起了人們越來越多的關(guān)注，成為當(dāng)前信息處理技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一?！　±梦⒂^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(zhì)結(jié)構(gòu)及其屬性”的量子力學(xué)特性便成為描述信息行為的物理基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上研究信息的存儲、傳輸和處理的一般規(guī)律的學(xué)科稱為“量子信息學(xué)”。量子信息學(xué)是量子力學(xué)與經(jīng)典信息學(xué)結(jié)合的新興學(xué)科，微觀系統(tǒng)的量子特性為信息學(xué)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(lǐng)域具有獨(dú)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(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和嘗試。利用量子態(tài)糾纏特性（entanglement），1997年中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者Bouwmeester等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的隱形傳態(tài)（teleporltation）。在該實(shí)驗(yàn)中，傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)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(jīng)典信息處理技術(shù)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(jì)算和網(wǎng)絡(luò)化的量子通信中具有重要的應(yīng)用，潘建偉于2004年7月再次嘗試并實(shí)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(shí)驗(yàn)。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(shí)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(dá)10km。后經(jīng)多方改進(jìn)，又在30 km長的光纖傳輸中成功實(shí)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(nèi)瓦大學(xué)于1993年提出基于BB84方案的偏振編碼方案。

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