量子信息的簡要發展

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眾所周知，量子力學是到目前為止描述自然運行規律最為成功的理論之一。 20 世紀初發展出來的量子力學包含了很多與人們日常經驗直覺違背的現象，其中最讓人驚奇的就是 1935 年愛因斯坦、Podolsky 和 Rosen 提出的 EPR 佯謬，這一佯謬凸顯出了量子力學的非定域性。經過多年的爭議，在 1964 年 Bell 建議用實驗來驗證這個佯謬後十多年，Aspect 用糾纏光子對完成了對 Bell 不等式的實驗驗證，支持量子非定域性。

正是受到這些理論與實驗的啟發，從 1980 年代開始，人們開始研究基於量子物理規律運行的量子信息科學。量子信息科學是信息科學與量子物理學的交叉學科，它是利用量子物理特有的量子相干特性，以及量子糾纏等特有的量子關聯特性，以嶄新的方式實現信息的處理、存儲和傳輸。比方說，量子 Shor 演算法用於解決質因數分解問題的速度比起任何已知的經典演算法的速度都有指數級的提高，揭示出了量子力學強大的計算能力。量子保密通訊方案能夠在相距遙遠的兩個節點之間實現對任何攻擊的無條件的安全通訊，揭示出了量子力學對於保密通訊的重大應用前景。

由於量子信息科學所具有的廣泛的應用前景，它吸引了許多學科的研究人員參與研究。在過去的近二十年中，已經取得了很多重大的進展：比如 1995 年實現了首個基於離子阱的量子邏輯門；1997 年人們首次實現了基於光子的量子隱形傳態；2001年段路明等人提出了實驗可行的、容錯的量子中繼器方案。2005 年以後，隨著量子誘騙態編碼的出現，大大提高了量子保密通訊的安全距離和成碼率，量子保密通訊已經漸漸走向實用化。

隨著研究的深入，同時也凸顯了量子信息科學在實際應用中的困難。2000 年，DiVincenzo 提出，如果要在物理上實現大規模量子計算和量子通訊，需要同時滿足以下七個條件：

一個能表徵量子比特並可擴展的物理系統，一般來說，任何二能級體系都符合這個條件；
能夠把量子比特初始化為一個標準態，這相當於要求量子計算的輸入態應當是已知的；
退相干相對於量子門操作時間要足夠長，這保證在系統退相干之前能夠完成整個量子計算；
構造一系列普適的量子門完成量子計算；
具備對量子計算的末態進行測量的能力；
在靜止量子比特和飛行量子比特之間實現量子信息的轉換；
具有在節點間實現量子比特傳輸的能力。

其中判據 1 到 5 都是單個量子信息處理節點所必須的，第 6 和第 7 條是實現量子通訊以及量子網路所必須的。這其中最大的困難在於尋找合適的物理系統來抵禦退相干效應，同時這個系統還應該很容易擴展。一直以來孤立原子都是人們用來實現量子信息處理最感興趣的物理系統。比如單個原子可以與光頻和微波段的腔耦合，囚禁離子系統也被用來操控單個以及多個原子離子，實現簡單的量子信息處理操作。相關的實驗成果已經獲得了 2012 年諾貝爾物理學獎。但是利用真空中的單原子系統實現量子信息處理需要非常複雜的操控系統來實現對單個原子的操控，這極大的限制了其實際應用。