量子计算机技术研究与应用

华中科技大学

硕士学位论文

量子通信中的量子隐形传态技术研究

姓名：叶俊

申请学位级别：硕士

专业：通信与信息系统

指导教师：刘玉

20070606

I摘 要

量子通信将量子力学定律引入传统通信中，其安全性由量子力学的基本原理所保

证，如未知量子位不可克隆、非正交量子态不可识别、量子态测量无法不扰动系统状

态等，可以实现绝对安全的通信。

量子隐形传态被认为是量子信息论研究中最显著的进展之一，也是量子通信领域

中最引人注目的方向之一，在量子计算和量子通信领域发挥着重要的作用。

本文在全面了解量子隐形传态的研究现状、研究已有各种量子隐形传态方案的基

础上，综合借鉴目前的多粒子态量子隐形传态方案和受控量子隐形传态方案，提出了

一种简单的、更具概括性的任意M方控制的任意N粒子态的隐形传态方案：只需利用

（N－1）个EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）对和一个（M+2）粒子GHZ

（Greenberge-Horme-Zeilinger）态，通过一定的Bell基联合测量和单粒子么正操作，

就可以实现任意M方控制的任意N粒子未知态的隐形传态。

接着，在研究已有的各种量子安全直接通信方案的基础上，根据任意M方控制的

任意N粒子态的隐形传态设计方案和稠密编码原理，提出了一种量子安全直接通信方

案，并利用量子计算语言对该方案进行了仿真和分析，验证了它的正确、安全和高效。

此方案能够在量子通信网络中使用，可根据量子通信网络的情况来决定采用多少个控

制方，方便组网扩展，而且若每个控制方进行量子中继，则可延长纠缠态的分发距离，

使得通信距离增加，从而实现更远距离的量子通信。

最后，针对目前大多数量子通信方案都无法防止“假冒身份攻击”和“中间人攻

击”的问题，在研究现有量子身份认证方案的基础上，基于纠缠交换的思想，提出了

一个完整的量子网络中的量子身份认证方案，并利用量子计算语言对方案进行了仿真

和分析。此方案的最大优点是：它不同于一般的点对点的量子身份认证方案，可以用

应用

Technology ApplicationDIGITCW技术

192DIGITCW2019.061 引言2016年，世界第一个量子卫星“墨子号”成功地发射升空，更使得处在科技飞速发展时代的人们越发开始关注量子科技。20世纪，电子计算机的出现改变了世界科技发展的进程，在物理学史册中留下了浓墨重彩的一笔。而量子力学的诞生更是颠覆了人们对传统物理的思考。上世纪80年代，人们开始思考是否可以在经典计算机上实现量子算法，于是量子计算这样一个交叉融合了多个学科的新学科就应运而生。在学科不断发展、前进的过程中，量子计算机应运而生，成为世界科技瞩目的尖端技术手段。在研究电子计算机芯片时人们发现，能耗问题导致了计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片集成度，进一步限制了计算机的运行速度。而能耗的根源即是电子计算中的不可逆操作。摩尔定律告诉我们，以现在科技发展的速度，每隔大约两年，集成电路可以容纳的元件数就会增加一倍。半导体技术的发展日新月异，计算机芯片正在渐渐地迈向物理的极限。人们认识到电子计算机的发展正渐渐受到例如量子效应，元件热效应，集成电路密度等物理极限的束缚：而一些输入规模较大的问题利用现有算法很难在可接受的时间内解出。这被认为是量子计算机的一个研究动机。当电路粗细跨过某个临界值时，电子元件工作时将会出现新的物理现象，这是过去令其工作的理论基础不再奏效，这被称为量子效应。量子计算机正是在这理论基础下诞生了。2 量子计算机工作原理以KONRADZUSE创造的第一台电子计算机为开端的传统意义上的计算机遵循的是经典物理规律，通过操纵代表一位信息（“0”或“1”）的每个晶体管执行计算。而量子计算机主要是基于量子干涉等量子力学规律来快速地运行庞大的数学和逻辑计算、存储并处理信息。量子计算采用量子位，一个量子叠加态运行1个量子比特可同时储存两个传统意义上的信息。量子位可以用二本征态的量子系统来实现。量子位处于叠加态时所有组成态的信息以概率分布，将算符作用在这种叠加态上，就相当于同时对其所有组态进行操作，从而实现量子算法。几百个量子位可以储存大量数字，并且量子计算机能对这些数字同时进行运算，按一定的概率振幅叠加起来，得到计算机的输出结果。2.1 量子计算的步骤量子计算的步骤可概括为“入”、“算”、“出”三个步骤。即：初化、演化、测量。（1）初化。将经典信息转化为量子信息。这是信息进入量子计算的过程，此时经典信息通过编码转化成相应的量子态。（2）演化。量子态依据量子力学原理进行幺正变换。通过第一步得到的信息依照量子算法得出计算结果。（3）测量。第二步骤幺正变换结束后的计算结果在这一过程中转化为经典信息。2.2 量子计算机的优点（1）信息表示与储存经典计算中信息数据都是以二进制的形式表示并存储的。而量子态的叠加性使得任意量子态可储存为“0”和“1”的线性叠加。这样，量子数据和量子信息可以以量子态的形式被储存和表示。这种存储和表示相比较经典的存储形式有着显著的优势——量子位的线性增长会令其存储空间和表示空间进行指数规模的拓展，这是因为量子计算机在运行中，量子信息是以单量子态为储存单位的量子位为度量单位的。（2）并行计算量子计算机相比较于经典计算机，一个凸出的优点便是采用量子并行计算。经典计算机多为线性算法，而量子计算机却大多使用量子多项式算法。1994年，SHOR证明量子计算机并行算法能够有效而快速地地进行大数因子分解。经典计算机工作时是一条线工作，也就是说经典算法是通过多次计算或者是通过多个处理器并行工作完成的。但是量子计算机只需要一次运算（幺正变换）就可以完成对所有叠加态的计算。（3）量子纠缠态如果量子系统中的量子位处于纠缠态，那么它们就不能被表示成子状态的张量积的形式。量子纠缠是量子力学中重要概念，这种现象的独特性在于这种关联跨越了时空，它使得两个处于纠缠态的量子态具有瞬时相关性，也就是说无论二者的物理距离多么的遥远，只要改变其中一个的状态，就会使得另一量子态发生瞬时的变化。很多计算难度系数高的问题，不能够被经典计算机有效计算，而量子纠缠态使得量子计算机相比于经典计算机有了更明显的优势。《自然》杂志发表的一篇文章显示，利用量子纠缠态，可以将物质的未知量子态精确地传送到遥远地点，而物体本身却不需要移动。截止目前，基于量子纠缠的隐形传态通信实验已经获得成功。量子纠缠也在量子通信、量子密匙分配和量子超密编码等方面起着关键的作用。（4）可逆运算早在20世纪70年代人们就发现，能耗问题在很大程度上影响着芯片的集成度，而能耗的根源在于自由度的减小。自由度的减小意味着减小一部分动能，根据能量守恒定律，减小的动能便会转化成势能和热能。这一切原因都来自经典计算机的不可逆操作。而量子计算机保留一个无用比特，将不可逆操作变成可逆操作，用一个幺正变换可代表一次量子计算机计算。3 量子计算机的应用量子计算机一个最有优势的应用便是加密解密。前文提到的量子计算机可以有效地进行大数因式分解，而这也意味着电子银行、网络等领域的密码体系会得到致命冲击。而科学家也已经证明密级最高的1024位公钥密码体制，使用“1024量子比特”的量子计算机，破解只需要5天的时间，可见量子计算机对世界密匙系统将会带来前所未有的挑战。许多国家现在已经开始进行相关领域的研究，2016年4月，美国国家标准与技术研究所开始了一项持续4到6年的公开评估过程，同时也很有可能会使用量子纠缠的单向排列来开发量子加密方法。与此同时，量子计算机还将在粒子物理学、金融模型、人工智能、分子模型等方面起到举足轻重的作用。4 结束语量子计算机目前，还有一些问题亟待解决。执行运算的量子比特会与外界环境发生作用。其作用会导致结果相（下转第186页）浅析量子计算机的原理与应用乔佳韵（山东省青岛第二中学，青岛 266100）摘要：量子计算机是通过模拟量子系统，利用量子算法实现计算的一类机器。它是以量子力学为基础，可以进行逻辑运算，信息存储，并可以实现高速数学运算的物理装置。本文阐述了量子计算机研究动因、工作原理、计算步骤、优点等。文章结合量子计算机目前发展历程，对其应用与发展进行了解释与设想。关键词：量子计算机：量子计算：量子纠缠doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.06.155中图分类号：TP38 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）06-0192-02应用

超导量子计算技术的研究和应用

量子计算是一种利用量子力学规律进行计算的新型计算方式，具有解决某些经典计算难题的潜力。而超导量子计算技术是其中的一个有希望实现大规模量子计算的方向。该技术已经得到广泛关注和研究。本文将从超导量子计算技术的原理、进展和应用等方面进行介绍。

一、超导量子计算技术的原理

超导量子计算的基本单元是量子比特，通常称为qubit。qubit与经典计算的基本单元（比特）类似，但是它比比特更复杂，因为它符合量子力学基本规律的物理系统。qubit可以在0和1之间进行连续变化，表示量子状态的叠加。如果我们对qubit的状态进行测量，它给出的结果将是0或1，但如果我们不进行测量，qubit将保持其叠加状态的超级位置。

超导量子计算机的实现方式是利用超导电路中电流的量子振荡特性从而实现qubit。具体而言，超导材料的电子形成了一种特殊的激发态，称为库仑谷（Cooper pair）。当Cooper pair通过超导线圈时，它们会在两点之间形成一个超导量子比特，对这个超导量子比特施加微波信号后，它就会发生振荡。

二、超导量子计算技术的进展

超导量子计算技术自发现以来就得到了广泛的研究。目前，国外的IBM和Google等公司投入了巨额资金用于研究和开发量子计算技术。IBM已经推出了一款基于超导量子计算技术的量子计算机；Google则在2019年提出，他们的量子计算机已经实现了量子优势，能够在几分钟内完成一项耗费传统计算机超过1万年的计算任务。

超导量子计算技术的发展也受到了一些问题的制约。其中最主要的问题是误差和量子比特之间的相互影响。基于此，研究人员正在努力解决这个问题。有关机构和研究团队正在开发和测试各种纠错技术和量子比特的实现方式，以提高量子计算机的准确性。

三、超导量子计算技术的应用

超导量子计算技术具有广泛应用前景。其应用领域涉及物理学、化学、计算机、通信和金融等众多领域。

在物理学和化学领域，超导量子计算可以帮助研究物质的基本粒子行为、分子结构和化学反应。在金融领域，超导量子计算也可以对金融市场进行更全面的分析，准确预测价格趋势、个股表现和风险特征等。

量子计算机的原理和应用

1. 什么是量子计算机？

量子计算机是基于量子力学原理构建的计算机器，使用量子比特（qubit）而不是经典计算机中的经典比特（bit）来进行计算。量子计算机的工作原理与经典计算机完全不同，利用了量子叠加态、量子纠缠态等量子力学现象，可以在某些特定的应用场景中实现远远超过经典计算机的计算能力。

2. 量子计算机的基本原理

量子计算机的基本原理可以概括为以下几点：

• 量子叠加态：与经典比特只能表示0或1的状态不同，量子比特具有量子叠加态的特性，可以同时处于0和1的状态。这种叠加态的存在，使得量子计算机能够处理大量并行计算，大大提高了计算效率。

• 量子纠缠态：量子纠缠是量子力学中一种奇特的现象，多个量子比特之间可以形成纠缠态，相互间的状态会密切关联。量子计算机利用量子纠缠可以实现远距离之间的数据传输和量子操作，这在经典计算机中是无法实现的。

• 量子门操作：量子计算机中的量子门操作类似于经典计算机中的逻辑门操作，可以改变量子比特的叠加态或纠缠态。通过适当的量子门操作，量子计算机可以进行复杂的计算任务，并最终得到计算结果。

• 量子测量：量子计算机在计算完成之后需要进行量子测量，得到最终的计算结果。在量子测量的过程中，量子比特的状态会塌缩为经典比特的0或1，得到一个确定的计算结果。

3. 量子计算机的应用领域

量子计算机的超高计算能力使其在许多领域有着重要的应用前景。以下是几个目前已经有所突破或有望有突破的应用领域：

• 密码学：量子计算机的破解能力极大地威胁着当前的加密算法，但同时也为密码学提供了新的契机。量子密码学作为一种新型的密码学方法，可以抵抗量子计算机的攻击。量子通信也可以通过量子纠缠实现绝对安全的通信。

• 模拟物理系统：量子计算机可以模拟和研究各种复杂的物理系统，如量子材料、量子化学反应等。这种能力对于材料设计、药物研发等领域具有重要意义，可以加速新材料和新药物的发现过程。 • 优化问题：许多实际问题可以转化为优化问题，如交通调度、供应链管理等。量子计算机在解决这类问题方面具有巨大的潜力，可以快速找到最优解，提高效率和降低成本。