【正文】 未來的信息技術(shù) 郭光燦 中國科學技術(shù)大學 量子信息重點實驗室 燦郭 印光 目 錄 一、引言－ 后莫爾時代的新技術(shù) 二、量子密碼 三、量子因特網(wǎng) 四、量子計算 五、量子信息基礎(chǔ)理論 六、結(jié)論 一、引言 我國現(xiàn)代技術(shù)明顯落后的狀況與我國全面建設小康社會和實現(xiàn)中華民族復興的宏偉目標極不相稱。 現(xiàn)代技術(shù)的世界格局基本確立，即便我們跟著現(xiàn)代技術(shù)的潮流向前發(fā)展，也難于在整體上超越國際先進水平，與西方強國水平上的差距甚至有可能越來越大。 一、引言 “新型工業(yè)化 ” 必須以高技術(shù)為基石，但我國目前落后的科學技術(shù)現(xiàn)狀明顯地制約著新工業(yè)化的進程 。 當前擺在我們面前的一個緊迫任務是，如何闖出一條新的發(fā)展道路，開拓新一代技術(shù)，徹底擺脫長期被動的局面，實現(xiàn)真正的跨躍式發(fā)展。 一、引言 莫爾時代的終結(jié)為開拓新技術(shù)創(chuàng)造了難得的機遇 按莫爾定律發(fā)展的微電子造就了 IT產(chǎn)業(yè)幾 十年的輝煌。然而，由于量子效應和熱耗 散的影響，人們卻會完全失去按傳統(tǒng)方式控制電 子的能力。這表明，莫爾時代必將告終。 一、引言 什么是后莫爾時代的新技術(shù)呢？它將如何超越以微電子 和激光為代表的現(xiàn)代技術(shù)？已成為全世界戰(zhàn)略競爭的新焦點，也為我國科技復興提供一次難得的戰(zhàn)略機遇。在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的歷史上，我們曾喪失掉若干極重要的發(fā)展機遇，導致在其后的戰(zhàn)略競爭中始終處于下風。這次我們必須從探索研究階段開始就牢牢地把握住機遇，爭取先機，控制制高點，開拓出新一代技術(shù)，為中華民族自立于世界之林做出貢獻。 一、引言 量子調(diào)控孕育著新一代技術(shù) 現(xiàn)代技術(shù)建立在量子力學基礎(chǔ)之上，構(gòu)成 20 世紀高科技的重要基石的微電子和激光都是直接應用到量子力學原理而發(fā)現(xiàn)的。 現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展僅僅是量子力學簡單應用而已，其本質(zhì)上仍屬經(jīng)典調(diào)控技術(shù)。 一、引言 經(jīng)典光束 受激輻射 激光 電勢調(diào)控電子流 能帶理論 微電子 應用 原理 例如 0,1布爾代數(shù) 量子器件 信息 現(xiàn)代技術(shù)是一種經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，它僅運用到基本的量子現(xiàn)象。 量子器件一、引言 這些初等量子效應已經(jīng)為人類社會造就了半個世紀的 前所未有的昌盛和繁榮。 更深刻的量子現(xiàn)象和效應將構(gòu)成這種基于經(jīng)典調(diào)控的現(xiàn)代技術(shù)難于逾越的障礙，換句話講，現(xiàn)代技術(shù)正在迅速地達到其物理極限，人類文明社會的持續(xù)發(fā)展必然要依仗著更高層次的新一代技術(shù)的出現(xiàn)。 量子調(diào)控應用到更深奧更奇妙的量子效應，它孕育著新一代技術(shù)，將在未來世紀中發(fā)揮出難于估量的影響。 一、引言 量子調(diào)控的特征 量子力學中奇妙的量子態(tài)，具有本質(zhì)特征的相位和蘊藏著極其豐富量子效應的強耦合多粒子體系等更深刻的量子特征將孕育出面貌全新的技術(shù)。例如， 相位伴隨著量子干涉，而這種干涉可通過改變光、電、磁、機械和幾何等參數(shù)來改變其載流子的相位，以調(diào)控干涉行為，達到技術(shù)上可使用的量子調(diào)控性。 一、引言 在現(xiàn)代技術(shù)中僅運用到電子的電荷屬性，傳統(tǒng)上利 用電場來控制電流，但電子同時具有自旋的量子屬性，通過對電子自旋的量子調(diào)控和操縱，將導致新一代自旋電子學的誕生，開發(fā)出集存儲、邏輯和顯示等功能于一身的新一代自旋電子器件； 運用量子態(tài)作為信息單元將使信息科學發(fā)生根本性 變革，量子存儲器的數(shù)據(jù)存儲能力呈指數(shù)增長，運用適合算法，量子計算機可攻破現(xiàn)有的密鑰體系，而量子密碼則可提供絕對安全保密通信。 一、引言 當現(xiàn)代光子技術(shù)中光的衍射極限構(gòu)成光子器件性能提高的根本性障礙，諸如光存儲能力、通信容量等受到了最終的限制，納米尺度光子器件和近場光學可突破這種衍射極限的限制，極大地提高光子器件的性能。 一、引言 調(diào)控對象， 從對簡單體系的初級調(diào)控發(fā)展到對基于電子、光子、聲子、自旋、量子態(tài)等量子概念的復雜體系的高級調(diào)控； 調(diào)控方法， 從目前廣泛使用的簡單低層次的經(jīng)典調(diào)控方法發(fā)展到對電、磁、光等全面的深層次的高級量子調(diào)控方法。 最終將開創(chuàng)出基于量子調(diào)控的新一代技術(shù)，預期這種技術(shù)將具有相干性好、可集成控制、快速操作、功能集成和低功耗等現(xiàn)代技術(shù)所無法具備的特征。 一、引言 20世紀 60年代，日本正是抓住從電子管轉(zhuǎn)型到晶體管的機遇，及時地提出“半導體立國”的發(fā)展戰(zhàn)略，一躍成為工業(yè)大國。 21世紀我國應及時地把握住現(xiàn)代技術(shù)轉(zhuǎn)型的重要時機，將“量子調(diào)控技術(shù)”作為國家發(fā)展戰(zhàn)略任務給予有力扶持，必將在我國新型工業(yè)化發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要作用。 一、引言 現(xiàn)代技術(shù)本質(zhì)上是應用了量子力學基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，而未來的新一代技術(shù)則是應用到諸如量子態(tài)、相位、強關(guān)聯(lián)等深層次量子特性的量子調(diào)控技術(shù)。如圖 1所示。 一、引言 現(xiàn)代技術(shù) (經(jīng)典調(diào)控 ) 微電子技術(shù) 光子技術(shù) 經(jīng)典信息 極限： 集成度 限制： 運算速度 極限： 衍射斑 限制： 通信容量等 極限： 限制： 串行運算 一、引言 后莫爾時代的新技術(shù) （量子調(diào)控） 分子 /納米電子 納米光子學 量子信息學 特點：自組裝 性能： 突破集成度極限 特點： 近場光學 性能： 突破衍射極限 特點： 量子態(tài)作信息單元 性能： 并行運算 現(xiàn)代技術(shù)和新一代技術(shù) 一、引言 量子信息將成為后莫爾時代的新技術(shù)，它是量子物理與信息科學相融合的新興交叉學科。量子信息以量子態(tài)作為信息單元，信息從產(chǎn)生、傳輸、處理和檢測等均服從量子力學的規(guī)律?；诹孔恿W的特性，諸如疊加性、非局域性、糾纏性、不可克隆性等，量子信息可以實現(xiàn)經(jīng)典信息所無法做到的新的信息功能，突破現(xiàn)有信息技術(shù)的物理極限。 一、引言 量子計算可以加快某些函數(shù)的運算速度； 量子因特網(wǎng)具有安全性，并集信息處理和傳輸于一體，可實現(xiàn)多端分布計算，降低通信復雜度； 量子密碼可以確保量子密鑰分配的安全性，與一次一密算法的不可破譯性相結(jié)合，可提供不可竊聽、不可破譯的安全保密通信。 一、引言 量子信息的誕生促使信息科學從 “ 經(jīng)典 ” 跨越到 “ 量子 ” 時代，為信息科學的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法，將在本世紀中發(fā)揮出難以估量的影響，最終形成新 QIT產(chǎn)業(yè)。 一、引言 以 比特 (0或 1)作為信息單元 , 稱為 經(jīng)典信息 。 01011101001011101100001101111000001100…… 以 量子比特 作為信息單元 , 稱為 量子信息 。 量子比特： .1,10 222121 ???? CCCC????? N????? 4321量子信息是經(jīng)典信息的擴展和完善，正如復數(shù) z=x+iy是實數(shù)的完善和擴展。 何為 “ 量子信息 ” 以單光子作為信息物理載體為例 : 經(jīng)典信息： 有光子代表“ 1”，無光子代表“ 0” 1 0 0 0 1 1 1 一、引言 “量子比