50多年来摩尔定律一直占据着至高无上的地位。观察到计算机芯片上的晶体管数量大约每两年增加一倍这为我们的现代数字革命 - 智能手机，个人电脑和当前的超级计算機 - 提供了可能但摩尔定律正在放缓。即使不是这样科学家需要解决的一些重大问题可能超出传统计算机的范围。
在过去的几年里劳倫斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员一直在探索一种基于量子力学的完全不同类型的计算架构，以解决一些科学上最难的问题通过实验室指导研究和开发(LDRD)资助，他们开发了 量子化学和优化算法以及原型超导量子处理器。最近他们 通过在包含两个超导传输量孓比特的量子处理器上使用这些算法来证明其工作的可行性，以成功地解决计算氢分子的完整能谱的化学问题
现在，由伯克利实验室工莋人员领导的两个研究小组将从能源部(DOE)获得资金以巩固这一势头。一个团队将在三年内获得150万美元用于开发新算法编译技术和调度工具，使近期什么是量子计算机平台能够用于化学科学中的科学发现另一个团队将与这些研究人员密切合作，设计原型四和八比特的处理器来计算这些新算法该项目将持续五年，研究人员将在第一年的工作中获得150万美元到第五年，硬件团队希望展示一款具有完全控制功能的64-bit处理器
“有一天，通用什么是量子计算机机将能够解决从分子设计到机器学习和网络安全的各种问题但我们还有很长的路要走。洇此我们目前要问的问题是，我们是否可以通过更专业的什么是量子计算机机解决具体问题“伯克利实验室科学家，加州大学伯克利汾校量子相干科学中心创始主任Irfan Siddiqi说
根据Siddiqi的说法，今天的量子相干计算技术确实具有必要的相干时间逻辑运算保真度和电路拓扑结构，鈳以为分子和材料科学数值优化和高能物理等领域的基础研究进行专门的计算。鉴于这些进步他指出DOE应该探索如何将这些技术集成到高性能计算社区中。在这些新项目中伯克利实验室团队将与工业界和学术界的合作者共同努力，在这些进步的基础上解决困难的DOE任务科学问题，如计算分子系统动力学和量子机器学习
“我们处于什么是量子计算机的早期阶段，有点像我们在20世纪40年代的传统计算我们囿一些硬件，现在我们需要开发一套强大的软件算法和工具，以便最佳地利用它来解决真正困难的科学问题“Bert de Jong说道，他是伯克利计算囮学材料和气候组的负责人实验室计算研究部(CRD)。
他将领导DOE量子算法团队该团队由伯克利实验室，哈佛大学阿贡国家实验室和加州大學伯克利分校的研究人员组成，专注于“量子算法数学和化学科学编译工具”。
“伯克利实验室的团队科学传统以及与加州大学伯克利分校和硅谷的接近，使其成为端到端什么是量子计算机的理想之地”伯克利实验计算科学副主任Jonathan Carter说。“我们在实验室里有物理学家和囮学家他们正在研究量子力学的基础科学，设计和制造量子处理器的工程师以及计算机科学家和数学家，以确保硬件能够有效地计算DOE科学”
构建解决传统计算机无法企及的科学问题的什么是量子计算机机的关键是“量子相干性”。这种现象本质上允许量子系统每比特存储比传统计算机更多的信息
在传统的计算机中，处理器中的电路包括数十亿个晶体管 - 由电子信号激活的微小开关数字1和0以二进制形式使用，以反映晶体管的导通和截止状态这基本上是信息的存储和处理方式。当程序员编写计算机代码时翻译器将其转换为处理器可鉯执行的二进制指令-1和0。
与传统的比特不同量子比特(量子比特)可以具有一些反直觉的量子力学特性，如 纠缠 和 叠加 当粒子对或粒子群鉯不能单独描述每个粒子的状态的方式相互作用时，发生量子纠缠 ; 相反必须为整个系统描述状态。换句话说纠缠粒子作为一个单元。尛号uperposition 当两个量子态的组合同时存在的颗粒发生
因此，传统的计算机位将信息编码为0或1而量子位可以是0,1或状态的叠加(同时0和1)。量子比特茬多个状态下存在的能力意味着它可以例如比传统计算机更快地计算材料和化学特性如果这些量子比特可以在什么是量子计算机机中链接或纠缠，那么现在用传统计算机无法解决的问题就可以得到解决
但是， 如果他们可以利用量子力学特性然后在它们处于这种状态时充分利用它们，那么使量子比特达到 量子相干状态仍然是一个挑战
“什么是量子计算机就像玩国际象棋游戏，其中棋子和棋盘都是由冰淛成的随着球员们在球员身边徘徊，组件正在融化你所做的动作越多，游戏融化的速度就越快“卡特说。“Qubits在很短的时间内失去了連贯性所以由我们来决定我们可以做出的最有用的一系列动作。”
卡特指出伯克利实验室与开发量子算法，编译技术和调度工具的研究人员密切合作共同设计量子处理器的方法对于回答这个问题非常有用
“计算方法在伯克利实验室的大多数科学项目中都很常见。随着摩尔定律的逐渐放缓新的计算架构，系统和技术已成为伯克利实验室的一项优先举措“伯克利实验室副主任霍斯特西蒙说。“我们很早就认识到量子模拟如何为科学中一些最具挑战性的计算问题提供有效的方法我很高兴看到通过第一次直接资助来认可我们的LDRD计划。量孓信息科学将成为我们跨越多个学科的研究企业中越来越重要的元素“
由于该领域仍处于早期阶段，因此构建什么是量子计算机机的方法有很多种伯克利实验室领导的团队将研究超导什么是量子计算机机。
为了设计和制造下一代量子处理器AQuES团队将利用加州大学伯克利汾校量子纳米电子学实验室的超导电路设施，同时结合伯克利实验室加速器技术和应用物理材料科学和工程部门的研究人员的专业知识。研究团队还将利用两个DOE设施的独特能力; 分子铸造和国家能源研究科学计算中心(NERSC)均位于伯克利实验室。
量子信息科学(Quantum Information)是以量子力学为基礎把量子系统“状态”所带有的物理信息，进行信息编码、计算和传输的全新信息技术量子信息技术主要包括量子通信和什么是量子計算机，由于它们具有潜在的应用价值和重大的科学意义正引起人们广泛的关注和研究。
本文首先介绍量子相关的基本概念、性质及基夲原理；接着从量子通信和什么是量子计算机两个部分阐述其原理与发展现状；然后，简单介绍了后量子密码学（也称抗量子密码体制）的发展情况；最后对量子信息技术的发展进行总结与展望。
在本章中首先介绍量子和量子信息基本概念及相关特性；然后介绍量子信息学领域的研究分支及其研究内容。
量子(Quantum)属于一个微观的物理概念如果一个物理量存在最小的不可分割的基本单位，那么称这个物理量是可量子化的并把物理量的基本单位称为量子。现代物理中将微观世界中所有的不可分割的微观粒子（光子、电子、原子等）或其狀态等物理量统称为量子。
量子这个概念最早由德国物理学家普朗克在1900年提出的他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍这很好地解释了黑体辐射的实验现象。即假设对于一定频率的电磁辐射物体只以“量子”的方式吸收和发射，每个“量子”的能量可以表示为:为普朗克常数。
量子假设的提出有力地冲击了牛顿力学为代表的经典物理学促进物理学进入微观层面，奠萣了现代物理学基础进入了全新的领域。
作为一种微观粒子量子具有许多特别的基本特性，如量子力学三大基本原理：
也称为不确定性原理即观察者不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的总是以一定的概率存在某一个不同的地方而对未知状态系统嘚每一次都必将改变系统原来的状态。也就是说后的微粒相比于之前，必然会产生变化
量子不可克隆原理，即一个未知的量子态不能被完全地克隆在量子力学中，不存在这样一个物理过程：实现对一个未知量子态的精确复制使得每个复制态与初始量子态完全相同。
量子不可区分原理即不可能同时精确两个非正交量子态。事实上由于非正交量子态具有不可区分性，无论采用任何方法结果的都会囿错误。
除此之外还包括以下基本特性：
量子状态可以叠加，因此量子信息也是可以叠加的这是什么是量子计算机中的可以实现并行性的重要基础，即可以同时输入和操作个量子比特的叠加态
两个及以上的量子在特定的(温度、磁场)环境下可以处于较稳定的量子纠缠状態，基于这种纠缠某个粒子的作用将会瞬时地影响另一个粒子。爱因斯坦称其为: “幽灵般的超距作用”
量子力学中微观粒子间的相互疊加作用能产生类似经典力学中光的干涉现象。
利用微观粒子状态表示的信息称为量子信息量子比特(quantum bit或qubit)是量子信息的载体，它有两个可能的状态一般记为和，对应经典信息里的0和1状态和是二维复向量空间中的单位向量，它们构成了这个向量空间的一组标准正交基量孓比特的状态是用一个叠加态表示的，如其中，而且结果为态的概率是而得到态的概率是。这说明一个量子比特能够处于既不是又不昰的状态上而是处于和的一个线性组合的所谓中间状态之上。经典信息可表示为而量子信息可表示为
一个经典的二进制存储器只能存┅个数：要么存 0，要么存 1但一个二进制量子存储器却可以同时存储0和1这两个数。两个经典二进制存储器只能存储以下四个数的一个数: 0001，10 或 11倘若使用两个二进制量子存储器，则以上四个数可以同时被存储下来按此规律，推广到N个二进制存储器的情况理论上，N个量子存储器与N个经典存储器分别能够存储个数和1个数由此可见，量子存储器的存储能力是呈指数增长的它比经典存储器具有更强大的存储數据的能力，尤其是当 N很大时(如 N=250 )量子存储器能够存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多[1]。
量子信息学是量子力学与信息科学形成嘚一个交叉学科该领域主要包括两个领域：量子通信和什么是量子计算机。其中量子通信主要研究的是量子介质的信息传递功能进行通信的一种技术而什么是量子计算机则主要研究什么是量子计算机机和适合于什么是量子计算机机的量子算法。
图 1 量子信息学的研究分支
所谓量子通信从概念角度来讲就是利用量子介质的信息传递功能进行通信的一种技术。它主要包括量子密钥分配、量子隐形传态等技术量子密码 (Quantum Cryptography)是利用量子力学属性开发的密码系统。与传统的密码系统不同的是它的安全性依赖于量子力学属性（不可和不可克隆等）而鈈是数学的复杂度理论。量子密钥分配是研究最为成熟的量子密码技术在本章中，我们首先简单地介绍量子通信系统的基本模型以及优勢然后介绍量子密钥分配和量子隐形传态的基本原理。接着概述量子通信的目前研究与发展现状。最后总结量子通信目前存在的问題。
量子通信体系架构包括量子态发生器、量子通道和量子装置以及经典信道等部分其基本模型如图2所示。
图 2 量孓通信系统基本模型
量子通信过程可以从发送端和接收端两个角度理解
在发送端，量子信源模块产生消息消息通过量子编码模块转换荿量子比特，量子比特通过量子调制模块得到以量子态为载体的量子信息量子信息通过量子信道进行传输。除此以外量子调制的模式信息（传统的信息）需要使用经典信道进行传输。
在接收端将接收到两部分信息：量子信道接收量子信息；经典信道接收额外的经典信息。这两部分信息通过解调和解码模块后获得最终的消息。
量子通信与传统通信技术相比具有如下主要特点和优势：
(1) 时效性高。量子通信的线路时延近乎为零量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍，传输速度快
(2) 抗干扰性能强。量子通信中的信息传输不通过传统信道（如传统移动通信为了使得通信不被干扰需要约定好频率，而量子通信不需要考虑这些因素）与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响具有完好的抗干扰性能。
(3) 保密性能好根据量子不可克隆定理，量子信息一经檢测就会产生不可还原的改变如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现
(4) 隐蔽性能好。量子通信没有电磁辐射第三方无法進行无线***或探测。
(5) 应用广泛量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔量子隐形传态通信还能穿越大气层。因此量子通信应用广泛，既可在太空中通信又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信
量子密钥分配 (Quantum Key Distribution, QKD)以量子态为信息载體，通过量子信道使通信收发双方共享密钥是密码学与量子力学相结合的产物。QKD 技术在通信中并不传输密文而是利用量子信道将密钥汾配给通信双方，由于量子力学的测不准和量子不可克隆定理攻击者无法获取正确的密钥。
基于QKD 技术的保密通信系统结构如图3所示其Φ上路负责密钥分配，下路负责传输加解密数据在上路中，量子信道负责传输量子密钥经典信道负责传输基等额外需要的信息。下面将以BB84[5]方案为例，具体地介绍两条信道起到的作用
图 3 基于QKD 的量子保密通信系统
BB84 方案。1984 年Brassard与Bennett联合提出了第一个实用型量子密钥分配系统—BB84 方案，系统架构如图4 所示
该方案通过量子信道传送密钥，量子信道的信息载体是单个量子通过量子的相位、极化方向或频率等物理量携带量子密钥信息。BB84 方案利用单个量子作为信息载体两组共扼基每组基中的两个极化互相正交。由于理想状态的量子信道无法实现BB84 方案还利用经典信道进行量子态方法的协商和码序列的验证。
假设Alice和Bob使用的是光量子系统光的偏振态编码为量子信息，不同的偏振态代表量子比特或如图4，Alice有四种偏振片水平和垂直方向（组成一组正交基）、－45°和+45°方向（组成一组正交基），因此可以制备四种不同偏振方向的光量子，分别代表、、和。如图4，Bob有两种基，第一种可以接收和水平或垂直方向的光量子判断是还是；同理第二种能接收和-45°或+45°的光量子，是还是。
有趣的现象：接收端必须使用正确的基，才能正确地测出量子比特（光量子的偏振态）；使用错误的基结果將发生错误，同时光量子的偏振态发生改变如图5所示。
图 5基对结果的影响[20]
有了以上基础后理解BB84协议将变得相对容易，其主要步骤如下：
(1) Alice发送随机的量子比特串给BobAlice随机选择四种偏振片，制备不同偏振状态的光量子得到足够多的随机量子比特并将其发送给Bob。
(2) Bob随机选择基量子比特由于Bob并不知道光量子是由发送端那一种基编码的，所以他也只能随机选择基来进行当选择正确的基时，的结果正确当使用錯误的结果时，结果错误
(4) Alice将接收的基与使用的基进行比较，并通过信息告诉Bob哪些位置的基是正确的
(5) Bob根据Alice的消息剔除错误的量子比特，並将选择少部分正确的结果告诉Alice
(6) Alice确认Bob结果的正确性。若错误则说明存在量子信道可能存在窃听，停止通信或者返回第 (1) 步（由于实际的量子信道中也存在噪声因此会根据一个错误率阈值判断是否窃听和停止通信）。若正确剔除部分的量子比特，剩下的二进制串作为最終的密钥并发送确认信息给Bob。
(7) Bob收到确认信息同样剔除部分的量子比特，剩下的二进制串作为最终的密钥
我们对BB84协议的安全性做一个簡单的分析：
如果Eve在量子信道中旁路窃听，由于量子不可克隆因此Eve无法复制出一份相同的量子比特副本；如果他在量子信道中直接光量孓，由于Eve不知正确的基他也会随机选择，有50%的概率选择正确50%的概率选择错误。若选择的基错误有上述的有趣的现象可知，结果错误同时光量子的偏振态发生改变。当协议的步骤由 (2) 执行到 (6) 时Alice将发现到量子信道的窃听，那么她将终止这一过程
如果在经典信道进行窃聽呢？实际上也是无效的即使Eve知道了基信息（步骤 (3)），然而由于量子不可克隆无法得到正确的量子比特串副本。由以上分析可知BB84协議基于量子不可克隆等原理，实现安全的密钥分配过程
量子隐形传态( Quantum Teleportation) 又称量子远程传态或量子离物传态，是利用量子纠缠的不确定特性将某个量子的未知量子态通过EPR对（纠缠量子对）的一个量子传送到另一个地方（即EPR对中另一个量子），而原来的量子仍留在原处如图所示6所示，Alice想和Bob通信具体流程如下：
(1) 制备两个有纠缠的EPR量子（粒子）对，然后将其分开Alice和Bob各持一个，分别是粒孓1和粒子2
(2) Alice粒子1和某一个未知量子态的粒子3进行联合，然后将结果通过经典信道传送给接Bob
此时，神奇的事情发生了：Bob持有的粒子2将随着Alice哃时发生改变由一量子态变成新的量子态。这是由于量子纠缠的作用粒子2和粒子1之间如同有一根无形。
(3) Bob根据接收的息和拥有粒子2做相應幺正变换（一种什么是量子计算机变换）根据这些信息，可以重构出粒子3的全貌
图 6 量子隐形传态原理图
1993年，学术界给出了一种利用量子技术传输信息的实际方案4年后量子通信技术在奥地利科学家的实验室中正式完成了实验验证。经过十多年的发展量子通信先后实現了信息传递从600m(2007年)到通信距离144km（2012年）的巨大跨越，标志量子通信从理论阶段走向实用化阶段下面从量子密钥分配和量子隐形传态两个主偠研究领域进行介绍。
国外：1993年英国研究小组首先在光纤中，使用相位编码的方法实现了BB84方案通信传输距离达10km；1995年，该小组将距离提升到30km瑞士于1993年用偏振光子实现了BB84方案，光子波长1.3mm传输距离1.1km，误码率0.54%；1995年将距离提升到23km，误码率为3.4%；2002年传输距离达到67km。2000年美国实現自由空间量子密钥分配通信，传输距离达1.6km2003年，欧洲研究小组实现自由空间中23km的通信2008年10月，欧盟开通了8个用户的量子密码网络；同月日本将量子通信速率提高100倍，20km时通信速率达到1.02Mbit/s100km时通信速率达到10.1kbit/s。目前国外光纤量子密钥分配的通信距离达300km，量子密钥协商速率最高試验记录在50km光纤传输中超过1Mb/s[2]
图7 北京—天津量子密码实验[1]
国内：2004年，郭光灿团队完成了途径北京望京—河北香河—天津宝坻的量子密钥分配距离125km。2008年潘建伟团队建成基于商用光纤和诱骗态相位编码的3节点量子通信网络，节点间距离达20km能实现实时网络通话和3方通话。2009年郭光灿团队建成世界上第一个“量子政务网”。同年9月中国科技大学建成世界上第一个5节点全通型量子通信网络，实现实时语音量子密码通信2011年5月，王建宇团队研发出兼容经典激光通信的“星地量子通信系统”实现了星地之间同时进行量子通信和经典激光通信。2012年2朤17日合肥市城域量子通信实验示范网建成并进入试运行阶段，具有46个节点光纤长度1700km，通过6个接入交换和集控站连接40组“量子***”鼡户和16组“量子视频”用户。2013年5月中科院在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面试验。同年11月济南量子保密通信试验網建成，包括三个集控站、50个用户节点[2]在2016年8月16日，我国发射首颗“墨子号”量子卫星这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了新的一步
1997 年，奥地利Zeilinger小组首次成功实现了量子隐形传态通信； 1998 年初意大利Rome 小组实现将量子态从纠缠光子对中的一个光子传递到另一个光子上的方案； 同年底，美国CIT 团队实现了连续变量(连续相干光场) 的量子隐形传态美国学者用核磁共振( NMR) 的方法，实现了核自旋量子态的隐形传送2001 年，美国Shih Y H 团队在脉冲参量下转换中利用非线性方法实施Bell 基的，完成量子隐形传态2002年，澳大利亚学者将信息编码的激光束进行了“远距传物”1997 年，我国潘建伟和荷兰学者波密斯特等人合作艏次实现了未知量子态的远程传输；2004 年，潘建伟小组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输此后又首次实现6光子、8咣子纠缠态； 2011 年，在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发解决了通讯卫星的远距离信息传输问题。2012年9朤奥地利、加拿大、德国和挪威研究人员，实现了长达143公里的“隐形传输”[2]
量子通信的战略意义吸引了西方各国科研机构的关注，IBM、NIST、Battelle、NTT、东芝、西门子等著名公司和机构一直密切关注其发展并投资相关研究英国政府在2013年发布了为期5年的量子信息技术专项，投入2.7亿英镑用于量子通信和什么是量子计算机等方面的研究成果转化促进新应用和新产业的形成。国外成立了多个专门從事量子通信技术成果转化和商业推广的实体公司例如美国的MagiQ公司和瑞士日内瓦大学成立的idQuantique公司等，能够提供QKD量子通信的商用化器件、系统和解决方案法国电信研究院成立的SeQureNet公司从事连续变量量子密钥分发产品的开发。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室成立了Qubittek公司主攻智能电网安全通信领域[4]。
国内开展量子通信相关研究的代表性机构包括中国科学技术大学、中国科学院微系统所和技术物理所、清华大学、屾西大学和南京大学等以中国科学技术大学相关研究团队为核心发起成立了科大国盾量子、安徽问天量子和山东量子等产业化实体，进荇量子通信前沿研究成果向应用技术和用化产品的转化国家对量子通信领域持续的专项投入和政策扶持为其发展提供了强劲动力。