【正文】 未來(lái)的信息技術(shù) 郭光燦 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 燦郭 印光 目 錄 一、引言－ 后莫爾時(shí)代的新技術(shù) 二、量子密碼 三、量子因特網(wǎng) 四、量子計(jì)算 五、量子信息基礎(chǔ)理論 六、結(jié)論 一、引言 我國(guó)現(xiàn)代技術(shù)明顯落后的狀況與我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)和實(shí)現(xiàn)中華民族復(fù)興的宏偉目標(biāo)極不相稱(chēng)。 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(guó)際先進(jìn)水平，與西方強(qiáng)國(guó)水平上的差距甚至有可能越來(lái)越大。 一、引言 “新型工業(yè)化 ” 必須以高技術(shù)為基石，但我國(guó)目前落后的科學(xué)技術(shù)現(xiàn)狀明顯地制約著新工業(yè)化的進(jìn)程 。 當(dāng)前擺在我們面前的一個(gè)緊迫任務(wù)是，如何闖出一條新的發(fā)展道路，開(kāi)拓新一代技術(shù)，徹底擺脫長(zhǎng)期被動(dòng)的局面，實(shí)現(xiàn)真正的跨躍式發(fā)展。 一、引言 莫爾時(shí)代的終結(jié)為開(kāi)拓新技術(shù)創(chuàng)造了難得的機(jī)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(yīng)和熱耗 散的影響，人們卻會(huì)完全失去按傳統(tǒng)方式控制電 子的能力。這表明，莫爾時(shí)代必將告終。 一、引言 什么是后莫爾時(shí)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(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)，也為我國(guó)科技復(fù)興提供一次難得的戰(zhàn)略機(jī)遇。在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的歷史上，我們?cè)鴨适У羧舾蓸O重要的發(fā)展機(jī)遇，導(dǎo)致在其后的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)中始終處于下風(fēng)。這次我們必須從探索研究階段開(kāi)始就牢牢地把握住機(jī)遇，爭(zhēng)取先機(jī)，控制制高點(diǎn)，開(kāi)拓出新一代技術(shù)，為中華民族自立于世界之林做出貢獻(xiàn)。 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(xué)基礎(chǔ)之上，構(gòu)成 20 世紀(jì)高科技的重要基石的微電子和激光都是直接應(yīng)用到量子力學(xué)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(xué)簡(jiǎn)單應(yīng)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(shì)調(diào)控電子流 能帶理論 微電子 應(yīng)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(yùn)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(yīng)已經(jīng)為人類(lèi)社會(huì)造就了半個(gè)世紀(jì)的 前所未有的昌盛和繁榮。 更深刻的量子現(xiàn)象和效應(yīng)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(huà)講，現(xiàn)代技術(shù)正在迅速地達(dá)到其物理極限，人類(lèi)文明社會(huì)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(yīng)用到更深?yuàn)W更奇妙的量子效應(yīng)，它孕育著新一代技術(shù)，將在未來(lái)世紀(jì)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(xué)中奇妙的量子態(tài)，具有本質(zhì)特征的相位和蘊(yùn)藏著極其豐富量子效應(yīng)的強(qiáng)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(guò)改變光、電、磁、機(jī)械和幾何等參數(shù)來(lái)改變其載流子的相位，以調(diào)控干涉行為，達(dá)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(yùn)用到電子的電荷屬性，傳統(tǒng)上利 用電場(chǎng)來(lái)控制電流，但電子同時(shí)具有自旋的量子屬性，通過(guò)對(duì)電子自旋的量子調(diào)控和操縱，將導(dǎo)致新一代自旋電子學(xué)的誕生，開(kāi)發(fā)出集存儲(chǔ)、邏輯和顯示等功能于一身的新一代自旋電子器件； 運(yùn)用量子態(tài)作為信息單元將使信息科學(xué)發(fā)生根本性 變革，量子存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力呈指數(shù)增長(zhǎng)，運(yùn)用適合算法，量子計(jì)算機(jī)可攻破現(xiàn)有的密鑰體系，而量子密碼則可提供絕對(duì)安全保密通信。 一、引言 當(dāng)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(chǔ)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(chǎng)光學(xué)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(duì)象， 從對(duì)簡(jiǎn)單體系的初級(jí)調(diào)控發(fā)展到對(duì)基于電子、光子、聲子、自旋、量子態(tài)等量子概念的復(fù)雜體系的高級(jí)調(diào)控； 調(diào)控方法， 從目前廣泛使用的簡(jiǎn)單低層次的經(jīng)典調(diào)控方法發(fā)展到對(duì)電、磁、光等全面的深層次的高級(jí)量子調(diào)控方法。 最終將開(kāi)創(chuàng)出基于量子調(diào)控的新一代技術(shù)，預(yù)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(wú)法具備的特征。 一、引言 20世紀(jì) 60年代，日本正是抓住從電子管轉(zhuǎn)型到晶體管的機(jī)遇，及時(shí)地提出“半導(dǎo)體立國(guó)”的發(fā)展戰(zhàn)略，一躍成為工業(yè)大國(guó)。 21世紀(jì)我國(guó)應(yīng)及時(shí)地把握住現(xiàn)代技術(shù)轉(zhuǎn)型的重要時(shí)機(jī)，將“量子調(diào)控技術(shù)”作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)給予有力扶持，必將在我國(guó)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(yīng)用了量子力學(xué)基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，而未來(lái)的新一代技術(shù)則是應(yīng)用到諸如量子態(tài)、相位、強(qiáng)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(yùn)算速度 極限： 衍射斑 限制： 通信容量等 極限： 限制： 串行運(yùn)算 一、引言 后莫爾時(shí)代的新技術(shù) （量子調(diào)控） 分子 /納米電子 納米光子學(xué) 量子信息學(xué) 特點(diǎn)：自組裝 性能： 突破集成度極限 特點(diǎn)： 近場(chǎng)光學(xué) 性能： 突破衍射極限 特點(diǎn)： 量子態(tài)作信息單元 性能： 并行運(yùn)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(shí)代的新技術(shù)，它是量子物理與信息科學(xué)相融合的新興交叉學(xué)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(cè)等均服從量子力學(xué)的規(guī)律?；诹孔恿W(xué)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(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息所無(wú)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(jì)算可以加快某些函數(shù)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)多端分布計(jì)算，降低通信復(fù)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(tīng)、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(xué)從 “ 經(jīng)典 ” 跨越到 “ 量子 ” 時(shí)代，為信息科學(xué)的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法，將在本世紀(jì)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(chēng)為 經(jīng)典信息 。 01011101001011101100001101111000001100…… 以 量子比特 作為信息單元 , 稱(chēng)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(kuò)展和完善，正如復(fù)數(shù) z=x+iy是實(shí)數(shù)的完善和擴(kuò)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(wú)光子代表“ 0” 1 0 0 0 1 1 1 一、引言 “量子比