量子信息技术

量子物理与信息技术相结合的新学科

量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

技术介绍

科学社会学的奠基人贝尔纳曾说：“科学与战争一直是极其密切地联系着的。”倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而，这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？越来越一体化的电子信息网络如何应对“网电空间战”？等等。对此，近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门，势必在未来重新涂抹战神的面孔。

量子计算

曾创作出《侏罗纪公园》和《失去的世界》等作品的著名科幻作家迈克尔·克莱顿，在科幻小说《时间线》中曾尝试用文学的笔调来想象量子计算的神奇。其中，一家名为国际技术公司的经理们如此推销其眼中的高新科技：“普通的计算机用电子的两种状态计算，这两种状态被定为0和1。但在20年前，理查德·费曼就提出，有可能利用电子所有的32个量子态来进行快速计算。有诸多实验室正在试图制造这样的计算机。它们的优点是难以想象的、强大的并行计算能力。”

作为科幻作品，克莱顿的小说中充斥着“量子多宇宙”“量子泡沫虫洞”“量子运输”“量子纠缠态”等令人既感新奇又感陌生的词汇，书中之“电子的32个量子态”说法也并不科学。然而，克莱顿预言的量子“并行计算”的强大潜力和美好前景，如今却正在现实世界一步步得到印证。

具体而言，1965年，英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔针对电子计算机技术的发展提出了“每18个月计算能力翻倍”的摩尔定律。然而，由于传统技术的物理局限性，这一能力或将在未来10～20年之内达到极限。据保守估计，2018年芯片制造业就将步入16纳米的工艺流程，业内专家则认为，16纳米制程已经是普通硅芯片的尽头。事实上，当芯片的制程小于20纳米之后，量子效应就将严重影响芯片的设计和生产，单纯通过减小制程将无法继续遵循摩尔定律，而突破的希望恰在于量子计算。

从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储的数达2的250次方，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。无论在基础理论还是在具体算法上，量子计算都是超越性的。因此，对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制已成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。比如，美国国防部对此就给予了高度重视，国防高级研究计划署（DARPA）专门制定了名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划，其对外公开宣称的目标是，若干年内要在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算、离子阱量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。科学社会学的奠基人贝尔纳曾说：“科学与战争一直是极其密切地联系着的。”倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而，这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？越来越一体化的电子信息网络如何应对“网电空间战”？等等。对此，近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门，势必在未来重新涂抹战神的面孔。

量子密码

构筑“数字城堡”的铜墙铁壁

近年来，谍战剧热播我国荧屏，围绕着夺取情报、破译密码，一个个斗智斗勇的故事，吸引了无数观众的眼球。然而很多人并不知道，随着量子信息技术的发展，密码通讯正在迎来划时代的变化，一种永远无法破译的密码或将在不远的未来登上军事斗争舞台。

具体来说，密码大都采用单项数学函数的方式，应用了因数分解或其它复杂的数学原理。例如，在互联网上比较常用的RSA 密码算法，就是应用因数分解的原理。因为要计算两个大质数的乘积很容易，但要将乘积分解回质数却极为困难，这就使得密码很难被破解。然而，美国科学家皮特·休尔却提出了“量子算法”，它利用量子计算的并行性，可以快速分解出大数的质因子，这意味着以大数因式分解算法为根基的密码体系在量子计算机面前不堪一击。

差不多同时，另一个著名的量子算法——“量子搜寻算法”也被提出，用该方法攻击现有密码体系，经典计算需要1000年的运算量，量子计算机只需小于4分钟的时间，从而使传统密码领域遭遇前所未有的挑战，以致有科学家宣称：“其意义不亚于核武器……一旦有些国家拥有了量子计算机，而另一些国家却没有，当战争爆发的时候，这就犹如一个瞎子和一个睁眼的人在打架一样，对方可以把你的东西看得清清楚楚，而你却什么都看不到。”

当然，量子计算机的出现虽然会对传统密码产生颠覆，但是量子信息同时也提供了一个守护神，即一种理论上无法破解的密码——量子密码。由于采用量子态作为密钥，具有不可复制性，因而无破译的可能，量子密码的出现也因此被视为“绝对安全”的回归。2003年世界第一套商用量子密码机NAVAJO在美国诞生，世界各国纷纷将量子通信纳入国防科技发展战略之中。如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室就在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码。此外，英国国防部及欧盟各国也启动了类似的量子密码研究计划。

量子通信：“超光速”联通一体化战场神经网络

这个世界上真的存在“超时空隧道”吗？对此，科学家给出的答案是，伴随着量子信息科技的持续发展，未来这一幻想不是没有实现的可能。当然，这一说法今天看来依然不无夸张，但其所谓的与“量子纠缠”密切关联的“量子态隐形传输”则正在变为现实。

通俗而言，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，好像有一根无形的线绳牵着他们，这种神奇现象可谓“心灵感应”。与此类似，所谓量子纠缠，是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。此种通信技术若能得以实现，其影响将是划时代的。

在时空方面，由于量子通信属于超光速通信，不仅是“最快的通信”，而且有穿越大气层的可能，从而为基于卫星量子中继的全球化通信网奠定了可靠基础。日前，德国物理学家就正在利用量子纠缠效应打造量子互联网，其研究人员称：“我们已经实现了第一个量子网络原型，在节点之间完成了量子信息的可逆交换。此外，还可以在两个节点之间产生远程纠缠，并保持约100微秒……未来人们通过它不仅可以进行远距离的量子信息沟通，而且还将使大型量子互联网完全实现成为可能。”

显然，这一量子通信技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景，量子隐形通信系统将建立在各类作战指挥控制体系之间和各种侦察预警系统、主要作战平台以及量子微空间武器系统之中，构建出

量子信息化战场的通信网络，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未来的信息化战争中扮演无可替代的角色。亦正因此，近年来，美国国防高级研究计划署启动了多项量子通信方面的相关研究计划。英国、德国、日本等国也都将量子通信技术纳入议程，对其开展了广泛的探索。

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