量子信息

量子信息是以量子力學基本原理為基礎，把量子系統「狀態」所帶有的物理資訊，進行計算、編碼和信息傳輸的全新信息方式。
量子資訊最常見的單位是為量子位元（qubit）——也就是一個只有兩個狀態的量子系統。然而不同於古典數位狀態（其為離散），一個二狀態量子系統實際上可以在任何時間為兩個狀態的疊加態，這兩狀態也可以是本徵態。

**基礎**

**重大發現**
1927年，海森堡發現在測量粒子動量和位置的時候會導致h/4π的誤差（兩者誤差相乘）。測量時位置的誤差越小，動量的誤差就會變得相當大。而h/4π就是這個誤差的下限（也就是說兩者誤差的乘積大於等於h/4π）。這一結論最終被稱作不確定性原理。
1935年，阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論，客觀上揭示了量子糾纏現象。
1984年，查爾斯·貝內特（Charles Bennett）與吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）提出一種量子密碼分發協議，後被稱為BB84協議。
1994年，數學家彼得·秀爾發現針對整數分解的秀爾演算法（Shor算法）。2001年，IBM使用NMR實做的量子計算機以及7個量子位元展示了秀爾演算法的實例，將15分解成3×5。

**相干特性**
EPR實驗假設一個零自旋中性π介子衰變成一個電子與一個正電子，這兩個衰變產物各自朝著相反方向移動，雖然彼此之間相隔一段距離，它們仍舊會發生量子糾纏現象。
由於量子相干性，量子比特在測量過程中會表現出與經典情況完全不同的行為。測量儀器與被測系統的相互作用會引起所謂的波包塌縮。這時相干性將被徹底破壞，即發生了所謂的量子退相干。量子糾纏是多比特系統特有的量子性質。兩個比特的量子系統不僅有經典系統中的4種不同的狀態，並且可以處在非平凡的雙粒子相干疊加態（量子糾纏態）上，這構成了量子通訊的物理基礎。

**領域**

**量子通信**
美國在2005年建成了DARPA量子網絡，連接美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學3個節點。中國在2008年研製了20km級的3方量子電話網絡。2009年構建了一個4節點全通型量子通信網絡，大大提高了安全通信的距離和密鑰產生速率，同時保證了絕對安全性。同年，“金融信息量子通信驗證網”在北京正式開通，是世界上首次將量子通信技術應用於金融信息安全傳輸。2014年中國遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至200公里，刷新世界紀錄。2016年8月16日，中國發射一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，連接地面光纖量子通信網絡，併力爭在2030年建成20顆衛星規模的全通型量子通信網。

**量子計算**
量子計算機由包含有導線和基本量子門的量子線路構成，導線用於傳遞量子信息，量子門用於操作量子信息。
2015年5月，IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破，開發出四量子位原型電路（Four Quantum Bit Circuit），成為未來10年量子電腦基礎。另外一項是，可以同時發現兩項量子的錯誤型態，分別為Bit-Flip（位元翻轉）與Phase-Flip（相位翻轉），不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態，使量子電腦運作更為穩定。2016年8月，美國馬里蘭大學學院市分校發明世界上第一臺由5量子位元組成的可編程量子計算機。

**量子雷達**
量子雷達屬於一種新概念雷達，是將量子信息技術引入經典雷達探測領域，提升雷達的綜合性能。量子雷達具有探測距離遠、可識別和分辨隱身平臺及武器系統等突出特點，未來可進一步應用於導彈防禦和空間探測，具有極其廣闊的應用前景。根據利用量子現象和光子發射機制的不同，量子雷達主要可以分為三個類別：一是量子雷達發射非糾纏的量子態電磁波；二是量子雷達發射糾纏的量子態電磁波；三是雷達發射經典態的電磁波。2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2013年義大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測，證明其有實戰價值的可能性。中國首部基於單光子檢測的量子雷達系統由中國電科14所研製，中國科學技術大學、 中國電科27所以及南京大學協作完成。不過專家表示，量子雷達想要實現工程化可能還有比較漫長的路要走。

**量子博弈**
是Eisert等人在1999年提出的，遊戲者可以利用量子規律擺脫所謂的囚徒困境，防止某一玩家因背叛而獲利。

**參考來源**

**參考文獻**
 Vlatko Vedral: Introduction to quantum information science. Oxford Univ. Pr., Oxford 2006, ISBN 0-19-921570-7- Dirk Bouwmeester: The physics of quantum information – quantum cryptography, quantum teleportation, quantum computation. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-66778-4- Dieter Heiss: Fundamentals of quantum information – quantum computation, communication, decoherence and all that. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43367-8- Dagmar Bruss, Gerd Leuchs: Lectures on quantum information. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-40527-5- Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с. - Белокуров В. В., Тимофеевская О. Д., Хрусталев О. А. Квантовая телепортация — обыкновенное чудо. Ижевск: РХД, 2000. 172 с. - Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М.: Мир, 2006. 824 с. - Прескилл Дж. РХД, 2008. 464 с. ISBN 978-5-93972-651-1 - Холево А. С. Введение в квантовую теорию информации. М.: МЦНМО, 2002. 128 с. ISBN 5-94057-017-8 - Хренников А. Ю. Введение в квантовую теорию информации. М.: Физматлит, 2008. 284 с. ISBN 978-5-9221-0951-2 - Квантовая криптография: идеи и практика / под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. — Мн., 2008. — 392 с. - Kilin S. Ya. Quanta and information / Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90. - Килин С. Я. Квантовая информация / Успехи Физических Наук. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527.  date=20180720014645  

**延伸閱讀**
 Charles H. Bennett and Peter W. Shor, "Quantum Information Theory," IEEE Transactions on Information Theory, Vol 44, pp 2724–2742, Oct 1998-  Gregg Jaeger's book on Quantum Information(published by Springer, New York, 2007, 0-387-35725-4)-  Lectures at the Institut Henri Poincaré (slides and videos)- International Journal of Quantum Information date=20050204175104  World Scientific- Quantum Information Processing date=20110127121339  Springer- Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang,  "Quantum Computation and Quantum Information" date=20190103004941 - J. Watrous, The Theory of Quantum Information (Cambridge Univ. Press, 2018). Freely available at  date=20210413094757 - John Preskill, Course Information for Physics 219/Computer Science 219 Quantum Computation, Caltech  date=20190206230543 - Masahito Hayashi,  "Quantum Information: An Introduction" date=20210121093525 - Masahito Hayashi,  "Quantum Information Theory: Mathematical Foundation" date=20210121094122 - Charles H. Bennett, Peter W. Shor, "Quantum Information Theory"  date=20180108062605  10.1.1.89.1572- doi=10.1017/9781316809976.001- Vlatko Vedral,  "Introduction to Quantum Information Science" date=20200722062404 - bibcode=2012RvMP...84..621W

**參見**
信息論
*量子力學詮釋
*量子計算機
*量子引力
*量子信息科學

**外部連接**
 Валиев К. А.  Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография date=20160305224541  Вестник РАН. Том 70. N.8. (2000) с.688-695.