漫（màn）談量子信息學

在奧地利維（wéi）也納大學從事合作研究的中國科技大學教授潘建偉（wěi）博士及其同事最近在量子信息領域取得重大突破，英國（guó）《自然》雜誌5月22日以封麵文章的形式作了報道。那麽，什麽是量子信息呢？

　　建立在（zài）20世紀物理學支柱之一的量子力學基礎之上的量子信息學，是（shì）一門利用微觀粒子的量（liàng）子力學原理來解決經典信息學和經典計算機所不能解決（jué）的問題（tí）的學科，因此量子信息學（xué）是量子力學和信息學的交叉科學。量子信息學最（zuì）重要的兩個應用方向是量子通（tōng）信（xìn）和量子計算。由於其（qí）潛在的應用價值和重大的科學意義，量子信息學作（zuò）為最近十幾年來迅速發展起來的新（xīn）興學科，正在引起各方麵越來越多的關注。

　　也（yě）許有人會問：量子力學的原理在很久以（yǐ）前就被物理學家們廣泛接（jiē）受並成為物理學的基礎，那為什麽信息理（lǐ）論和計算理論的這個新發展（zhǎn）卻沒（méi）有早些到來呢（ne）？這或許是因為信息理論和計算理論的奠基者們（men），比如香農、圖靈和（hé）馮·諾伊曼，過於習慣於（yú）把信息處理考慮成宏觀過程，而在他（tā）們之前也沒有出現（xiàn）不斷變小的微電子（zǐ）器件等這樣有力的例證表明信息（xī）的（de）處理可以是微觀的過程。

　　大家知道，經典（diǎn）信息處理的最基本單（dān）元是比特(Bit，即二進製數0或1)。一個按照一定數學規則給出的隨機二進製數據串就（jiù）構成一個密鑰，經典通信中最難解決的問題是密鑰分配問題。由於密鑰分配（pèi）不是絕對保密（mì）的，經典密碼也就不可能絕對保密。然而，基於量子力學線性疊加原理和（hé）不可克隆定理的量子密鑰分配卻可以解決這個問題。另外（wài），經典計算中存在著一大類NP問題(難（nán）解的非指數問題)，即問題（tí）的複雜度隨著比特位數的增長而指數上升。這類問題在經典計算機上是不能計算的，但是量子（zǐ）計算可以把其中（zhōng）的一部分（fèn）NP問題（tí）變成P問題（tí）(容易求解的指數問題)，即（jí）問題的複雜（zá）度隨著比特（tè）位數的增長以多項式上升。這類問題原則上是可以計算（suàn）的。一個具體的例子就是大數分解（jiě）定理（lǐ），按經典計算複雜性理論（lùn），這個問題不存在有效算法，所以被利用來進行經（jīng）典密鑰分配。但是（shì）如果（guǒ）用（yòng）量子計算機，使用Shor量子算法，這個問（wèn）題就（jiù）變成了P問題。例如，為了對一個（gè）400位的阿拉伯數字（zì）進行因子分解，目前（qián）最快（kuài）的超（chāo）級計算（suàn）機將耗時上百億年（nián），這幾乎等於宇宙的（de）整個（gè）壽命；而（ér）具有相同時（shí）鍾脈衝（chōng）速度的量子計算機隻需要大約一分鍾。因此，對於目前的（de）密碼係統，即使人們幾乎無法利用經典算法對其進行破解，但一旦人們擁有了一台量子計算機，那麽目前的密碼（mǎ）係統將毫無保密性可言！這一後果是對目前的密碼係統的巨大挑戰，因而對基於經典保密係統的行業(如軍事、國家安全、金融等)的（de）信息（xī）安全構成根本的威脅。因此（cǐ），為了保證這些領域的信息安全，也為了拓寬人類對（duì）微觀世界的認識，發展量子信息學刻不容（róng）緩：一方麵，開發由量子力學基本原理保證其保密性的量（liàng）子密碼係統，另一方麵，研製按照量子力學基（jī）本原理運行的量子（zǐ）計算機。為此，世界（jiè）很多國家都投入了巨大（dà）的人（rén）力和財力積極地進行相關研究。

　　如上所述，量子（zǐ）信息學確實有著很重大（dà）的應用價值（zhí），如果實現，將是人類生產力的又一次飛躍，迄今為止，科學家還隻能實（shí）現由少數幾個計算單（dān）元的量子計算機；基（jī）於（yú）單（dān）光子（zǐ）的量子密碼實驗已（yǐ）經可（kě）以達到100公裏的量級。但是要進（jìn）行實用的、長程的量（liàng）子通訊還需要更多的努力。在這方麵，潘建偉（wěi）博士及其合作者分別在奧地利和中國科技大學進行的（de）實驗研究為未（wèi）來的量子遠程通信提供了重要的（de）基礎。