淺說量子通信和量子計算機

雖然曾經在上學的時候學習過量子化學，不過，早就全部還給老師了。聽到量子通信和量子計算機的時候，難免有好奇，想了解一下咋回事，比如，對我們這些小老百姓以及程式員會有什麼影響。

首先得了解一下什麼叫量子，量子（quantum）是能表現出實體特性的最小單元，是能量的最基本攜帶者；一個實體量如果存在最小的不可分割的基本機關，則這個實體量是量子化的，比如光的量子就是光子。這樣子我們就容易了解為什麼在量子通信中光子和量子兩個詞經常混着用。

不論是量子通信還是量子計算機，最重要的一點就是如何表示資訊單元bit 0和bit 1。電子計算機使用高電平和低電平表示0或1，而量子世界裡面用量子的狀态來表示0或者1，比如光子，通常把光子偏振态的水準振動方向表示為1，豎直方向表示為0，不過，如果這個光子沿着45度方向振動的話，就成了“0+1”的狀态，表示是兩個狀态的疊加，和電子資訊單元的概念不一樣了。對于光子來說，極化态還可以處于水準偏振和豎直偏振之外的某個狀态，這就導緻了未知的量子态沒有辦法進行克隆，即量子不可克隆，這是量子通信在原理上無條件安全的重要前提，因為竊聽者首先沒有辦法把光子分開拿走（光子已經是最小機關），也沒有辦法精确克隆一個一摸一樣的光子（量子态無法精确克隆），複制時必然引入噪聲，通過噪聲檢測就可以發現竊聽者的存在。

我們再看一下量子态，量子态具有疊加的特性（量子力學第一公設），任一量子态可表示和存儲為量子基态0和量子基态1的線性疊加，這意味着，一個量子位（即單量子态）它可以表示一串的0和1啊，是不是很神奇，很吸引人？那麼基于量子進行計算1次，就等于我們電子計算機的n次啊，存儲起來也是極高的效率啊。根據量子力學的公設，1次計算即可以完成對所有疊加值的計算，即量子并行。如果一個系統裡面多個量子位的态不能表示成子狀态的張量積的形式，這多個量子位就變成處于糾纏态，處于糾纏态的量子态有個好玩的特性，相隔很遠的兩個處于糾纏态的量子态具有瞬時相關性，改變其中一個的狀态，則另外一個的狀态也跟着改變，有點傳送門的感覺吧。。。如果用來通信，那就叫做量子隐态傳輸，已經有實驗取得成功。如果用于計算的話，那就意味着量子位的組合狀态又是指數暴增。

把鏡頭拉回到現實世界，前段時間新聞說我們國家放了個量子通信衛星是咋回事呢？我們國家呢，已經實作了城域的量子通信，也已經有投入實際使用，因為這個光子是通過光纖來傳輸的，在光纖這個媒體裡面能量會不斷地損耗，這就要有個中繼來連接配接，這樣子才能像水管一樣連接配接的夠遠夠長，這個中繼當然可以建立在地面，但是人們發現一個特點，就是我們地球的大氣層外面就是外太空啊，光子在這個外太空裡面基本沒有能量損耗，而且光子的狀态不會被幹擾，如果我們放個衛星上去，透過大氣層之後的那些光子就可以不考慮損耗和幹擾了啊，那樣子的話就可以弄個衛星在上面做中繼，然後就可以玩廣域網了。有了這個量子通信衛星，能拿來幫我傳個視訊不？這玩意我們老百姓是用不大着的，這玩意主要用來傳輸密鑰，保障的是國家的資訊安全。

那這個量子計算機對我們寫程式的人會有多大影響呢？首先，這個具體的通用量子計算機還沒有造出來，啥時候能造出來沒有人能打包票，而且思路上傾向于先制造專用的量子計算機，用于比如需要高密度矩陣計算的機器學習等，目前設計的量子計算機程式設計語言也都是基于現有程式設計語言進行擴充的。即使通用量子計算機造出來了，人們還是需要使用經典計算機的方式先整理好适合量子計算機使用的資料，然後送出給量子計算子產品計算，得到計算結果之後再用經典計算機的方式後續處理。

原文釋出時間為：2016-05-08

本文作者：Mr.Coder

本文來源：

部落格園

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