第三十八章 量子入门（1 / 1）

五一节假结束后，林重回归了校园生活。

吴勇也送来了神游科技四月份的月报，得益于玄在四月初根据玩家的反馈更新了个补丁，手游收入再创新高，达到35亿的收入，五款steam游戏的收入累计4亿的收入，其中两款四月份上线的steam游戏收入32亿，其他是以前三款游戏的收入；总体来说，实验室的投入和量子计算机的投入，早在二月份就已经回本了，三月份加上四月份的收入已经累计超过十亿了，这么一大笔钱闲置在那里有些浪费，过段时间直接投入到深海探险项目算了。

五月九日这天，林重所在的班级接到了一个校园实践任务，协助学校实验室量子组网通讯试验。这让班上的同学都非常激动，据说这个实验是国家级项目，本科生能参与这种项目也是很值得炫耀的事情，即使只是个校园实践任务。为了在实验中不拖后腿，大家都在恶补量子通讯的知识，林重自然不会落于人后，何况之前买量子计算机还了解了一下量子计算，量子计算机的算法还没有重新编译，正好趁这个机会恶补一下。要想系统学习，只能从最基础的知识开始。

量子（quantum是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。

量子计算机是一种可以实现量子计算的机器，它通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息。它以量子态为记忆单元和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算；量子计算机的原理就是基于量子力学的量子叠加，量子干涉，量子测量。

传统计算机是信息的基本单元是比特，是一种有两个状态的物理系统，通过集成电路中电路的通断来实现、1之间的区分；量子计算机也有着自己的基本单位——昆比特（qubit，昆比特又称量子比特，用两个量子态│>和│1>代替经典比特状态和1，量子比特相较于比特有一个特殊的堆叠态，是两个状态是和1的相应量子态叠加。

量子系统中，两个粒子是互相纠缠的，一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态，当两粒子中的一个粒子状态发生变化，另一个粒子的状态也会相应的随之改变，这就是量子纠缠

普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（、1、1、11中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2的n次方可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机更快的处理速度。

现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理，如准备n个量子比特，2的n次方可以表示一个状态的叠加，通过增加量子比特的数量，叠加态的数量呈指数增长；这就是量子计算机拥有强大并行计算能力。量子计算机还利用量子比特的波特性，通过量子比特之间的相位干涉效应，从大规模并行计算的结果中找出所需的答案解；这也就实现了模糊运算。

量子计算机的发展，就是量子比特的扩充过程，通过增加量子比特，实现量子计算机远超传统计算机的超高速并行计算能力。如今，人类已经实现1量子比特的量子计算机了，从最初的2量子比特到如今的1量子比特，发展速度越来越快，量子计算机的计算能力也在飞速提升着。

了解了量子计算机，继续了解量子通讯。

量子通信是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式，基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供了无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证，主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。

光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输的方式实现信息传递。光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量，则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化，坍塌（变化为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换，即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

与经典通信相比，光量子通信安全性和高效性远超前者。

安全性-量子通信绝不会“泄密”，其一体现在量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；其二，通信双方手中各自拥有具有纠缠态的两个粒子中的其中一个，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量子态就会随之立刻变化，并且根据量子理论，宏观的任何观察和干扰，都会立刻改变量子态，引起其坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏，并非原有信息。

高效性，被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，即同时代表多个状态，例如一个量子态可以同时表示和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：~127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式速率的128倍。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的。

量子通信最大的优势就是绝对安全和高效率性，传统通信方式在安全性方面就有很多缺陷，量子通信会将信息进行加密传输，在这个过程中密钥充满随机性，即使被他人截获，也不容易获取真实信息，即使通过复杂的手段破解了，也错过了信息的有效时间；另外量子通信还有较强的抗干扰能力、很好的隐蔽性能、较低的噪音比需要以及广泛应用的可能性。就是一个自带“保险柜”的加密通信过程。

随着了解的加深，林重对量子计算机和量子通讯多了几分兴趣，特别是对量子计算机，林重的求知欲空前高涨。随着校园实习的开始，林重对量子计算机和量子通讯的了解也不再仅限于书本，通过实验中的实习参与，也获益匪浅。