淺議量子計(jì)算機(jī)在信息傳輸上的應(yīng)用

張津星　王海賓　張?zhí)煊睢÷犯膹?qiáng)

[摘 要]人類的實(shí)踐活動(dòng)產(chǎn)生需求，并在具備了一定的技術(shù)條件后，就有新的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生。雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了非常巨大的進(jìn)步，但隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全等對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)也在不斷提出新的要求。在信息技術(shù)革命的新紀(jì)元中，在這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，量子計(jì)算機(jī)無(wú)疑是這場(chǎng)革命的主要力量。

[關(guān)鍵詞]高效 復(fù)雜 絕對(duì)安全

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）10-0295-01

人類的實(shí)踐活動(dòng)產(chǎn)生需求，并在具備了一定的技術(shù)條件后，就有新的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生。雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了非常巨大的進(jìn)步，但隨著人類實(shí)踐活動(dòng)的不斷拓展，對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)也在不斷提出新的需求。現(xiàn)在得到廣泛應(yīng)用的電子計(jì)算機(jī)提高性能的一個(gè)重要途徑，就是不斷提高集成電路芯片的集成度。但是，受到芯片散熱，器件工藝技術(shù)及制造成本等因素的制約，芯片集成度的持續(xù)提高將會(huì)遇到很大的困難，進(jìn)而影響到計(jì)算機(jī)速度新的突破。因此量子計(jì)算機(jī)的研究和探索成為了當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

基于量子理論的量子計(jì)算機(jī)，遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的量子比特，可以同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)。Qubit，是通過(guò)囚禁原子技術(shù)，降低原子溫度讓原子保持量子形態(tài)。量子的最大特點(diǎn)是其包羅萬(wàn)象，可以根據(jù)用戶所提取信息而定。這種設(shè)置從根本上提升了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。量子計(jì)算機(jī)可同時(shí)處理0及1以上，只需3個(gè)Byte（字節(jié)）便可處理1600萬(wàn)項(xiàng)任務(wù)，理論上，現(xiàn)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要花10億年處理那極端復(fù)雜的排程運(yùn)算，量子計(jì)算機(jī)只1分鐘即可完成。

原子的旋轉(zhuǎn)可能向上也可能向下，但不可能同時(shí)都進(jìn)行。對(duì)量子來(lái)說(shuō)，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，一個(gè)向上轉(zhuǎn)的原子和一個(gè)向下轉(zhuǎn)的原子的總和。每一種物體都被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來(lái)描述。一串原子排列在一個(gè)磁場(chǎng)中，以相同的方式旋轉(zhuǎn)。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會(huì)躍下這組原子，迅速翻轉(zhuǎn)一些原子的旋轉(zhuǎn)軸。通過(guò)測(cè)量進(jìn)入的和離開(kāi)的激光束的差異，我們完成了一次復(fù)雜的量子“計(jì)算”，涉及了許多自旋的快速移動(dòng)。從數(shù)學(xué)抽象上看，量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行以集合為基本運(yùn)算單元的計(jì)算。

一、關(guān)于量子計(jì)算機(jī)在信息傳輸安全的問(wèn)題

量子計(jì)算機(jī)對(duì)信息傳輸?shù)膸椭??！熬褪墙^對(duì)的安全?！庇昧孔蛹用芡ㄐ啪湍鼙ＷC絕對(duì)的安全！在光纜傳輸信息的時(shí)候，由單個(gè)光子作為信息的載體，攜帶所需的信息。因此從光子角度看。

嘗試竊聽(tīng)信息

竊聽(tīng)信息首先就意味著光子被截獲，接收方將無(wú)法獲得信息。按照目前的科技水平，光子的捕獲是可行的，但并不能達(dá)到竊聽(tīng)信息的目的。

2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主阿羅什已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種超高Q值的腔體，能夠?qū)⒐庾哟鎯?chǔ)在鏡子之間，時(shí)間超過(guò)0.1秒。這就意味著人們對(duì)信息的截獲，而且并不影響接收端的接受，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)信息的傳輸本身就存在延遲的問(wèn)題，而且0.1秒人們的感官一般是感覺(jué)不到這種細(xì)微的差別的。同時(shí)這個(gè)代價(jià)是巨大的，只有著名的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)才可能擁有這套設(shè)備，并且在上萬(wàn)次的實(shí)驗(yàn)中才有可能成功一次。而且將光量子儲(chǔ)存在腔體之后，就可以無(wú)破壞地對(duì)相同的場(chǎng)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，將場(chǎng)投影到具有確定光子數(shù)數(shù)目的狀態(tài)上（即Fock態(tài)），同時(shí)可以觀察腔體獲得或丟失單個(gè)光子時(shí)引發(fā)的光量子躍遷。因此這種信息的捕獲和解讀并不會(huì)影響下文中所提到的光子狀態(tài)的改變.但是這里又會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問(wèn)題，一個(gè)光子所攜帶的信息是有限的，若想同時(shí)捕獲兩個(gè)光子的概率為10^（-34），而且捕獲一個(gè)光子所需的時(shí)間為10^（-11）秒。因此，若想捕獲由量子計(jì)算機(jī)傳輸?shù)娜啃畔ⅲ瑢?duì)于現(xiàn)在的人類來(lái)說(shuō)是完全不可能的，正如潘建偉院士所說(shuō)，這就是完全的加密。

二、嘗試克隆信息

嘗試克隆信息則意味著單個(gè)光子的狀態(tài)改變，接收方一樣會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。根據(jù)海森堡不確定性原理，量子的不可分割和量子的不可克隆，決定了在絕大多數(shù)情況下竊聽(tīng)必然被發(fā)現(xiàn)（除了上文中提到的特殊情況）。在此基礎(chǔ)上，量子密鑰分發(fā)“一次一密，完全隨機(jī)”，就保證了加密內(nèi)容不可破譯，也就是理論上的絕對(duì)安全。但是還有另一種極為特殊的情況，“除非改變熵增不可減這一宇宙法則被改變，這種逆過(guò)程在目前人類所處的三維空間世界里還無(wú)法想象，畢竟，多維平行世界目前還無(wú)法體驗(yàn)。就如牛頓經(jīng)典力學(xué)適用于低速宏觀世界，在高速微觀世界就得用愛(ài)因斯坦相對(duì)論和量子理論一樣。至少在目前人類已經(jīng)感知的世界中，絕對(duì)的安全就出現(xiàn)了。

關(guān)于量子隱形傳態(tài)和量子計(jì)算。

利用量子糾纏技術(shù)，借助衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等信道，傳輸量子態(tài)攜帶的量子信息。量子態(tài)就可以在一個(gè)地方消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間出現(xiàn)。這就可以極大的加快現(xiàn)在的信息傳輸速度。根據(jù)海森堡的不確定性關(guān)系，量子本身是可以同時(shí)存在于兩個(gè)地方的。一般情況來(lái)說(shuō)量子波是可以瞬間展開(kāi)充滿宇宙的。

數(shù)據(jù)是不會(huì)丟失的。如果用光子作為信息的載體，就很有可能面臨信息的丟失。但是這一點(diǎn)目前可以結(jié)合倫納德·歐拉的最小作用量原理，粒子的運(yùn)行軌跡是使得此路線上的任何兩點(diǎn)之間的作用總是盡可能小。同時(shí)加上海森堡的不確定性原理，ΔPΔX～h當(dāng)量子想要躍遷到更遠(yuǎn)的地方時(shí)，由于量子干涉的規(guī)模也會(huì)變大，所以量子本身只會(huì)運(yùn)動(dòng)很小的距離（這是在極大概率下發(fā)生的） 。例如，在一個(gè)0.0009m2的空間中，讓1微克的物體完全移動(dòng)出去大概需要10^21秒。這個(gè)數(shù)值是宇宙年齡的1000倍，因此數(shù)據(jù)的丟失是幾乎不會(huì)發(fā)生的，光子可以幾乎按照人們預(yù)先設(shè)計(jì)好的路線，完成信息的傳輸，因此量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)信息的傳輸是絕對(duì)安全的。

關(guān)于量子通信的實(shí)際應(yīng)用

在量子通信的實(shí)際應(yīng)用中，我們則需要保證終端的安全，身份的安全，傳輸途徑的安全，以及相關(guān)軟件和云應(yīng)用環(huán)境的安全，因此理論上的絕對(duì)安全在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到這樣那樣的條件限制。

2015年12月11日，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室宣布量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展：在兩次測(cè)試中D-Wave2X的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行速度快1億倍。

這項(xiàng)突破性的成果打破了業(yè)內(nèi)對(duì)于量子計(jì)算機(jī)真?zhèn)蔚拇嬉伞＿@次，谷歌和NASA一同證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的可操作性。

由于量子形態(tài)的不穩(wěn)定，量子計(jì)算機(jī)只是在理論層面可行，加上能夠用運(yùn)用量子計(jì)算的算法有限相對(duì)編程也較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難度更大，因此并不具備可行性。這次的2X系統(tǒng)，采用了1152Qubit的架構(gòu)，對(duì)比之前的系統(tǒng)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)從提升量子的運(yùn)行速度轉(zhuǎn)移到保持量子穩(wěn)定性以提升性能上。

即便克服了量子穩(wěn)定性的問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際落地推廣方面會(huì)遇到一些實(shí)質(zhì)問(wèn)題，如何在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱。已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。很難說(shuō)哪一種方案更有前景，只是量子點(diǎn)方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。也許我們需要一種全新的設(shè)計(jì)，而這種新設(shè)計(jì)又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導(dǎo)體材料對(duì)于電子計(jì)算機(jī)一樣。但摩爾定律的失效，對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展無(wú)疑又產(chǎn)生了一個(gè)更大的障礙。研究量子計(jì)算機(jī)的目的絕不是要用它來(lái)取代現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，而是為了在某些方面滿足人類對(duì)實(shí)踐活動(dòng)的需要。隨著科技的發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)將變成可能。

參考文獻(xiàn)

[1] 【英】Brian Cox、Jeff Forshaw.The Quantum of universe.重慶出版集團(tuán)，重慶出版社.2013年6月.41-42.45-46.49-50.60.

[2] 【英】Stephen Hawking.The theory of everything：The origin and fate of the universe.譯林出版社.2012年12月.