量子力学前沿（三）.docVIP

第三章 量子信息论基础 3.1 经典信息科学与技术的局限性 量子力学自创立以来已取得了巨大的成功。量子力学不仅成功地解释了原子、原子核的结构，固体结构、元素周期表和化学键，超导电性和半导体的性质等，而且促成了现代微电子技术的创立，促成了激光技术、新能源、新材料等新兴科学技术的出现。历史上，没有一种理论成就如此深刻地改变了人类的观念，人类社会的生产和生活。 但是，量子力学从它诞生到现在，它的一些概念，原理，特别是象量子态的纠缠这种违背经典物理常识的特性困惑了几代人。就像我们在第二章所介绍那样，围绕着量子力学的基本问题，两位科学巨人Einstein和Bohr曾进行了长期的争论。Einstein, Schr?dinger等人始终坚持物理世界的局域决定论，怀疑量子力学理论不完备。而Bohr, Heisenberg等一批人则主张量子力学的几率特性和非局域性，坚持量子力学的基本原理是完备的和无可置疑的。争论的焦点就是真实的物理世界是遵从Einstein的局域实在论还是Bohr主张的非局域性。如今，经几代人的努力，量子力学的完备性越来越清楚地被人们所理解，量子力学的奇妙特性已成为新的宝贵的物理资源，开始被人类利用。特别是，近30年来的量子力学的新进展开辟了其广阔的应用领域。在诸多的应用领域中首当其冲的是信息科学。量子力学的新进展为信息科学提供了崭新的原理和方法，提供了突破经典信息科学与技术极限的途径。也许在二十一世纪，人类从经典信息时代跨越到量子信息时代。 本章在已介绍的量子力学的新进展的基础上，进一步介绍量子理论和信息科学的新兴交叉学科——量子信息论（quantum information theory）的基本思想和内容。 经典信息科学技术的极限 信息科学研究信息的产生、编码、存储、传输、获取以及信道对信息传输的有效性，可靠性等。信息的加工、存储与处理等各个环节的核心器件是芯片（chip），不断地提高芯片的集成度是计算机乃至整个信息科学的核心问题。 1965年，Gordon Moore提出人们称之为Moore定律的关于芯片发展趋势的有名的定律。Moore指出：“为了处理一个比特（bit）信息所需要的原子数目将每两年减少一半。”换句话说，芯片的集成度将每两年提高一倍。40多年的实践证明了Moore定律的正确性，目前，芯片的集成度每十八个月提高一倍。 根据Moore定律，1998年William等人估算，大约到2020年，一个比特信息的存储单元将是单个原子。如果芯片的集成单元达到原子量级，将会导致什么样的结果？ （1）集成单元的空间范围达到原子量级，将不可避免地出现量子效应（对电子器件来说是一种噪声）。由此带来的量子噪声可达到电子设备热噪声的100倍左右，严重影响信噪比的提高。 （2）芯片的信息处理是靠逻辑电路中的电子的运动来完成。电子在电路中的运动必然导致热量的产生。因此，芯片的逻辑运算过程是一个热力学不可逆过程。芯片的集成单元达到原子量级时，难以驱散逻辑运算过程中产生的大量热量，散热问题将成为继续提高芯片集成度的极大障碍。 总之，到2020年左右，信息科学的进一步发展将面临危机，但目前的信息科学远远不能满足信息产业的需求。比如说，金融界的必威体育官网网址系统是建立在大数的素数分解上（如目前广泛使用的RSA密码系统），大数的分解要靠计算机。迄今，在实验上被分解的最大数为129位数。1994年，人们曾同时使用全球最好的1600个工作站，花了8个月的时间才完成了这个数的计算机分解，而金融界的必威体育官网网址系统需要分解更大的数，因而需要更长的时间。可见，目前的电子计算机的功能离信息产业对计算机功能的要求还很远很远，但就像前面所提到那样，提高计算机的关键部件－芯片的集成度又有它的极限，因此，以电子器件为基础的电子计算机就无法满足信息产业的需求。因此，人类必须要研究开发能够突破经典信息科学极限的新原理、新方法、新途径。 2．突破经典信息科学技术极限的途径 为了突破经典信息科学的极限，人们曾提出了各种新型计算机的设想。下面介绍其中一些主要的设想。 超导计算机 由于目前电子计算机电子器件中信息流的载体是电子，在信息的处理与传输过程中不断产生热量、导致热噪声。这是电子计算机提高其性能的主要障碍之一。因为所设想的超导计算机在超导状态下工作，可以集成大规模电路而几乎无需考虑散热问题，因此能够大大提高计算机的集成度和运算速度。超导计算机的关键器件是所谓的Josephson器件，它是由超导体—绝缘体—超导体组成的器件，利用Josephson器件的超导隧道效应提高计算机的功能。利用Josephson器件的超导计算机的耗电量是传统半导体计算机耗电量的几千分之一，而计算速度却要快上100倍以上。目前，美国计划研制千万