来自量子世界的新技术--概念篇

绪论

量子：熟悉而陌生的词，熟悉的是在各大媒体期刊上见过，陌生的是搞不清究竟为何物。于是通过知乎这个平台，去搜索并开始接触量子。在知乎众多回答当中，介绍了郭光灿院士的精品课程《来自量子世界的新技术》，最后拨开云雾，开启了量子的门。

各大媒体期刊报告都会告诉你量子技术的重要性，甚至已经上升到国家战略层面——这些崭新的科学和技术领域却是当今信息时代世界争夺的科技制高点，决定着未来战争的胜败。作为旁观者，我也不知道对错，我更在乎是这个领域的三位大师：郭光灿，潘建伟，陆朝阳。他们及他们的团队的成果大大推进的中国在量子领域的地位。有兴趣可以看一下，耕耘一生的博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_7180319b0102wfw2.html

要学习量子这个领域，首先要有物理基础，量子力学基础，之后它对应的新技术量子密码，量子计算机，还要学习相关的密码学，计算机科学，算法等等。但是都需要对概念有一定的了解。

第一讲--------带着问题来学习

什么是量子

通俗地说，量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元，可以是：光子，电子，质子。其满足特性是波粒二象性：既有水波一样的属性，也有颗粒一样的属性

什么是量子世界，什么是经典世界

经典世界就是我们所看到的世界，物体都具有确定性的。例如：一本书有长宽高，且其长度是确定的，也就是宏观世界。与之想对应的是量子世界，可以说是微观世界，最重要的特点就是具备概率性，处在0,1 的叠加态，经典世界中的一只猫不是死的就是活，这是非常确定的，但从量子世界中去解读这个问题，就是处在既是死又是生，是生是死没有人知道。

什么是量子理论，带给我们什么

量子理论属于物理学的范畴，比较难懂，其中为大家所熟悉的就是能带理论，该理论研究微观电子是怎么运动的，最后出现晶体管，创造了芯片，对我们的生活带来翻天覆地的改变。还有一点是研究光子与物质的相互作用，有了受激辐射，产生了激光。

什么是量子力学

研究微观物体运动的物理学的一门学科，

量子新技术包括哪些，这些都基于量子的哪些物理特性

我们熟悉的新技术包括了：量子通信，量子计算，量子密码。而后将会一一分析这三个重要的新技术。量子最大的特性：

第一：叠加态（位置或者运动轨迹具有不确定，可以说是概率性）

薛定谔的猫，熟悉吧，这个听过却没有去思考的著名实验，这里更应该好好总结一下。薛定谔的猫是量子力学微观世界的宏观体现。

先简单介绍一下实验流程吧。在一个封闭的盒子里，里面装有一只猫以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫。装置有50%的概率开启，如果开启的话，装置内的毒气会杀死盒子里的猫。

这里50%的概率，不是简简单单的投一枚硬币，这50%是随机的，不可预测的。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说，它处于一种活与死的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间，（注意这里是指一瞬间）才能确切地知道猫是死是活，这就是量子领域所说的测量。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，猫既活又死违背了逻辑思维。

这样也许不好理解，但是聪明的广大人民群众想出了既形象有好理解的例子——薛定谔的滚。即当一个妹子叫你滚时，你永远不知道她是在叫你滚还是在叫你过来抱紧。此时你应该处于一种又抱又滚的量子状态…… 如图来自网络

第二个特性是：不可克隆定理

这一特性确定了量子在密码学上的应用，也保证了量子通信无法被监听。

这个怎么实现的呢，相对比较复杂，但花点时间去读懂还是会觉的蛮有价值的。这里就简单的转述郭光灿院士的视频课程。我们假设光子有4种偏振态，两种检测方式我们可以用+和*来表示如图。四个态都是随机的，一旦通制备完了，状态就确定了。Alice传到bob，bob采用检偏器测量，采用的检偏器和起偏器一样，则测量正确。BB84就是利用这种量子态做秘钥。BB84协议是bennnett和brassard联合提出的世界上第一个量子密码协议。假设所用起偏器序列为+*+***++，发送量子经过起偏器后的比特序列是 1 0 1 0 00 1 1，

接收方在两种测量仪器中随机挑选一个测量，检偏器序列为 + ***++++，得出测量结果序列为10101011，有部分正确。这里bob将检偏器序列为 + ***++++发送给Alice，Alice知道后并核对，告诉你bob哪些该留下，哪些该去掉。

但我读到这些时候，心中还是有疑惑，这样并不能保证安全性。打个比方说：如果监听者eva监听到bob 发给Alice的序列，以及alice发给bob的舍弃序列，那么也就是说eva是知道整个序列的，不就知道了秘钥了吗？

于是去接触一下bb84

接下来看具体分析，

在BB84协议中，量子通信实际上是由两个阶段完成的，第一和阶段是通过量子信道进行秘钥的通信；第二个阶段是通过经典信道进行秘钥的协商，并探测是否存在监听者，然后确定秘钥，体系图如下：

那么有攻击者的情况下，bob有多大的概率误判呢？这里 p= 0.25

考虑到原始密码的确定

Bob和Alice通过在经典信道上通信，分析bob的错误率以及探测是否有攻击者，从而确定最终秘钥。

假设没有信道噪声，Alice和bob协商后，从原始秘钥中随机抽取m（m小于原始秘钥的长度）在经典信道上比对后，这个时候，如果和这m为不一致，则证明监听者一定存在，这里计算错误的概率是：P = (1/4)^m,如果p非常非常小（当然存在一个度量值，这里不讨论），则表示信道是足够安全（理论上p = 0才是安全的，但考虑到噪声的存在），剩下的原始秘钥中作为最终的秘钥。否则这次信道存在监听者，秘钥作废。

读到最后我恍然大悟，原来第一次的匹配偏振序列后，就算eva知道偏振的类型，他也罢不知道在那个情况下量子所表现是 0态还是1态，第二，双方统一偏振后；所对应的就是原始秘钥。不是说双方统一后，Alice再发送序列，bob收的是秘钥。所以这里面对厉害的在于，是那一部分序列比如1 0 0 1，出来比对，如果不一致，存在监听者，秘钥作废。当然这里的不一致可能会是噪声引起的。

什么是量子密码通信：

将单个光子作为信息载体，将1 0 编码到光子上，在空间或者光纤中进行传送，对方利用单光子探测器探测后获取0 1 信息

什么是量子信息

以量子作为信息的载体，其中涉及到量子比特。这里介绍狄拉克符号 |A>；

|A> = a|0>+b|1>；满足条件a²+b² = 1

什么是量子纠缠

是一种量子力学现象，简单的说是，一对或者多个粒子对虽然在空间上是分开，但他们之间具有千丝万缕的联系，叫做纠缠。由于量子是的状态是不确定，将两颗满足条件的。粒子分隔万里，但其中一个粒子的状态确定时，会影响遥远粒子的状态。当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

第二讲-------量子计算从算法到实验

摩尔定律：半导体芯片上可集成的元器件的数目每12-18个月便会增加一倍，也就是说单位面积内，可容纳的器件增加一倍，那么电子计算机的运算速度不断提高，摩尔从经验上总结的结论。

摩尔定律的原理，集成度提供是靠集成电路的工艺提高，晶体管越来越小，容纳电子数越来越少，并且相互间的距离越来越小。按照这样下去，到2020年，每一个晶体管最后会变成一个电子，也就是所说的量子，那么就不在遵守经典力学。

量子计算机所要解决的问题：

之所以要提倡用量子计算机，第一：是运行速度，量子是并行处理的。一个量子可以同时处理 0 和1 ，也就是2¹，那么经典计算机是只能处理0或者1.。那么量子计算机相对经典计算机的速度是2ⁿ/n。当n足够大是，运算速度是相当快的。

当然对于量子计算机还面临了许多挑战，

第一：量子计算机有三个大的部分组成：量子芯片（硬件），量子编码，算法

算法目前我所了解到的是 shor 和grove，这两个算法非常的了不起。Shor 算法解决的大数因式分解问题，一旦成功，对就是rsa密码破译是指日可待。Grove是搜寻算法，可以在大海中寻找一根针。当然这两个算法都是专用算法，这两个算法也是比较成熟。量子编码：主要有量子纠错码，避错码，防错码。最难的在于硬件，因为产生光子或者其他源，条件都比较苛刻，真空呀，单光源呀，没有干扰之类的。

主流的量子计算机是加拿大的D-wave，尽管业内认为 D-Wave One 系统不是通用量子计算机，专用量子计算机。

参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_7180319b0102wlks.html

http://peterhs.blog.51cto.com/6318839/1104560

郭光灿教授-《来自量子世界的新技术》

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