量子信息科學：量子計算機、隱形傳物與人腦量子運算

自然界有三個要素：物質、能量和信息：相應的有三類學科：物質科學、能源科學和信息科學。量子力學的誕生從根本觀念上改變了人類對自然的認識，20世紀人們將量子理論應用於物質科學和能源科學，開拓出諸如半導體、激光、核技術等重要高新技術，造就了人類文明社會半個世紀的繁榮昌盛。

21世紀，一門新興的交叉學科——量子信息科學應運而生，它是量子力學與信息科學相互融合的結果。它以量子理論特有的量子態作為信息單元（稱為量子比特），信息的產生、處理、傳輸和檢測均遵從量子力學的規律，於是量子力學固有的特性，如疊加性、糾纏性、非局域性、不可克隆性等，開發出經典信息所無法做到的新功能，在加快運算速度、確保信息安全和增大信息容量等方面突破經典信息科學的物理極限。因此，量子信息科學的誕生使信息科學的發展從「經典」躍進到「量子」時代。量子信息在人類文明社會的發展歷程中將會帶來難以估計的影響。

目前，量子密碼己接近於實際應用：量子通信網路的研製處於關鍵科學和技術問題有待突破的階段：量子計算仍處於基礎研究階段，發展的「瓶頸」在於如何研製出可擴展量子比特的物理體系，人們堅信，量子計算機的實現不存在不可逾越的原則困難，量子計算機的誕生只是遲早的事。量子信息科學的誕生，一方面可望形成量子信息技術（QIT）新產業，另一方面也引發人們對某些更深層問題的思考，這些問題的研究反過來將深化人類對自然界及人類自身的認識。

一、量子計算機究竟是什麼樣？它的功能有多大？

量子計算機基於量子圖靈原理，其結構類似於現有的經典計算機，然而量子計算有其獨有的特性。例如，量子計算機用來運算某函數，數據編碼在量子計算機的初始量子態上，函數的運算體現在量子計算機施加於初始量子態上的幺正操作上，運算的結果通過對量子計算機終態實施量子測量而獲得。在運算過程中，若對物理體系量子態進行測量會導致量子態的明縮、干擾甚至破壞量子運算過程。因此，適應於這個特性的量子計算網路應選取什麼樣的結構才能優化量子計算機的性能，便是新的研究課題。

量子操作可分解為基本通用量子門的某種組合，單個量子比特的旋轉門和兩個量子比特的受控非門便屬於這類基本量子門，其中量子受控非門是非局域門，它依靠兩個物理量子比特之間的相互作用來實現，顯然，在量子晶元相距較遠的兩個量子比特之間要直接實現這種非局域操作難度較大，這就增大了量子計算機結構的複雜度。人們想方設法來降低這種複雜度，例如，通過量子隱形傳態這類「量子軟體」將量子晶元結構的複雜度轉化成量子態製備和傳送的複雜度上。最優結構的量子計算機是否就是量子硬體和量子軟體某種最優的配置昵？

量子計算實際應用的最主要障礙是環境不可避免的消相干過程，它破壞量子體系的量子相干性，導致量子計算機自動地演變為經典計算機，於是量子計算機便喪失掉其並行計算的能力。克服消相干的有效辦法是量子編碼，原則上採用量子編碼可以實現容錯的量子計算，其代價是引進信息冗餘度，即用若干量子比特來編碼一個量子比特的信息，這樣便會大大地增加量子計算機結構的複雜度。

總之，鑒於量子計算的固有特性，未來實用的量子計算機應是個什麼樣？仍然有待探索。

另一方面，量子計算的強大運算能力源於量子疊加性，因而可實施量子信息的並行處理，應用合適的量子演算法便可加快某些函數的運算速度。如Shor量子並行演算法能以指數效率加快與離散傅里葉變換相關的某些面數的運算，Grover量子搜尋演算法能以開根號效率加速從資料庫中尋找某個數據的速度，人們期待著多的有效量子演算法的實現，以更充分地發掘量子計算的運用潛力。那麼，量子計算的潛力究竟有多大？是否在電子計算機上難以運算的問題藉助量子計算機都可以求解？量子信息科學的誕生動搖了現有計算複雜度的理論基礎，人們是否能建立新的更深刻的計算複雜度理論？它將對計算機的發展產生什麼樣的影響？

二、信息戰中保密和破密的攻防之爭是否真的終結了？

在人類歷史的舞台上，信息戰中保密和破密的攻防之爭曾上演過一幕幕驚心動魄的場面。業已證明，量子計算機可以攻破RSA和ECC的公鑰體系，也可以攻破DES的私鑰體系。因此，一旦量子計算機研製成功，現有密鑰體系將被攻破，幸好人們又證明，量子密碼體系可以抵擋住量子計算機的攻擊，它提供不可破譯、不可竊聽的絕對安全的保密通信系統。2003年美國《時代周刊》把「量子加密」列為「改變人類未來的十大新技術之一」。似乎，量子密碼的誕生就可終結信息戰中這場攻防之爭。果真如此嗎？

量子信息技術確實把信息戰從「電子對抗」帶進到「量子對抗」的新階段。然而，有「矛」必有「盾」，在量子時代，這場爭鬥將會延續下去。量子計算機可以攻破現有的公鑰體系，這些體系的安全性是建立在諸如大數因子分解這類在電子計算機上難解的問題之上的，鑒於量子計算將這類難解問題變成了易解問題，從而導致這類公鑰體系失去其安全性的基礎。然而人們會問，倘若量子計算機無法有效地求解所有電子計算機難解的問題，那麼就存在這樣的可能性，即可以應用量子計算機無法求解的函數，來建立新的公鑰體系，確保通信的安全性。這並非絕對不可能！

另一方面，量子密碼技術是將量子密鑰分配的不可竊昕性和一次一密的不可破譯性相結合，確保了量子通信的安全性。理論上，量子密鑰分配可以發現任何物理定律所允許的竊聽行為，然而，實際的量子密碼系統絕不可能是理想的，系統的不穩定性、雜訊、探測器的暗計數、不理想的探測效率等都無法確保絕對安全性。竊聽者是否能藉助於環境曝聲作隱蔽成功地竊取信息？為減少雜訊的影響，有種方案是將單個光子一次傳輸改變成返回傳輸，結果確實顯著地提高了系統的穩定性，但人們發現，這個方案會由此產生新的不安全隱患，人們可採用特洛伊木馬光子竊取密鑰而不被發現。量子密鑰分配的速率遠遠低於傳遞文本所需的比特速率，因此，就不易實時地做到「一次一密」，於是人們在諸如加密演算法等方面做了改進，這樣一來，能否確保「絕對安全」便成為新的研究課題。

總之，量子密碼學確實為密碼學帶來根本上的變革，然而這並不意味著信息戰的長期爭鬥從此終結，而是另一輪新的爭戰重新開始罷了。

三、隱形傳物果真能實現嗎？

在科幻電影或神化小說中，常常有這樣的場面：某人突然在某地消失，其後卻在別的地方莫名其妙地顯現出來，「隱形傳物」（teleportation）一詞就來源於此，這是指一種無影無蹤的傳送過程。從物理學角度，人們可以這樣地想像隱形傳送的過程：先提取原物所有的信息，然後將這個信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元（如原子），製造出原物完美的複製品。遺憾的是，量子力學的不確定性原理不允許精確地提取原物的全部信息，這個複製品不可能是完美的。因此，長期以來，隱形傳物只不過是一種幻想而己。

1993年，Bennet等在PRL上發表一篇開創性的論文，提出量子隱形傳態的方案：將某個粒子的未知量子態|φ>傳送到另一個地方，把另一個粒子製備到態|φ>上，而原來的粒子仍留在原處，其基本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者，經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其餘信息。接收者在獲得這兩種信息之後，就可以製造出原物量子態的完全複製品，這個過程中傳送的僅僅是屬物的量子態，而不是原物本身，發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子（甚至可以是與原物不相同的粒子）處於原物的量子態上，原物的量子態在此過程中己遭破壞。

目前，實驗土己實現了單個粒子量子態的隱形傳送，隨著Bell基測量技術的發展，人們相信，光子、原子、離子等單個粒子的粒子隱形傳態不存在原則上的障礙。於是，人們不禁要問：人類是否最終能實現隱形傳物？就像「封神榜」上「土行孫」那樣，在某處突然消失掉，隨後出現在宇宙的任何想去的地方，古老的神話最終會變成現實！

原則上講，物體是由某些基本成分（如原子）構成，兩個由完全相同種類、相同數量的基本成分以完全相同的方式構造而成的物體看起來是一模一樣的。按照量子理論，世界是量子的，每個物體原則上可用相應的量子態來描述，兩個外觀相同的物體只有當他們處於相同的量子態時，在物理上才可視為不可區分的相同物體。假定某個欲被傳送的物體處在某量子態|φ>，運用量子隱形傳態的方法，原則上可將態|φ>傳到遠處，使其原先的量子態被破壞而變成另一個態，從信息學角度看，原物消失了，而在遠處重新出來這個物體。因此，原理上講，量子隱形傳物是可行的，當然要實際做出來卻困難重重。

即使我們具備有實現隱形傳物的能力，要實現隱形傳送人或其他生物也是難以想像的。量子隱形傳態必須將經典信息傳送同量子信息傳送相結合才可能實現。迄今人們仍不能確定，生命過程和生物體如何用量子力學來描述，有人甚至認為這根本是不可能做到的事。因此，隱形傳人能否實現就涉及更多的未知數，起碼按照、目前人們所採用的量子隱形傳態的原理和方法是如此！那麼，究竟是目前人類的智力所不能及，但總有一天能做到呢？還是這根本上就是一個神話而已？

四、量子計算機可以模擬宇宙的演化嗎？

量子計算機具有巨大存儲數據的能力，存儲量隨量子比特數N指數增加。一台由300個量子存儲單元構成的小型量子計算機可以存儲的數據比宇宙中原子數目還要多。設想，我們將來製造一台超級量子計算機，其存儲數據的能力當然是難以想像的，那麼，我們可否用這台量子計算機來模擬宇宙的演化呢？宇宙是量子的，用量子計算機模擬其演化，計算複雜度是多項式函數，因而是個可解問題。宇宙誕生於「大爆炸」，初始狀態是真空態，因此，如若我們能正確地研究出驅動宇宙演化的哈密頓量，並用之來操控量子計算機的運行，原則上講，

我們就能正確地模擬宇宙的演化過程，從誕生起如何演化到現在，然後從現在又將如何演化到未來。這個命題十分有趣，但不難想像也是相當困難的，也許是幼稚可笑的。當我們談到「宇宙」，自然包括宇宙中的一切，所有的星體、黑洞、暗物質等，以及所有生物，甚至包括用來模擬宇宙演化的那台超級量子計算機本身，這似乎陷入不可解的循環之中！計算機能否模擬計算機自身的演化？

當然，若我們將研究對象界定在宇宙中某個「子集」內，那麼這台超級量子計算機是可以模擬其演化的，只要研究清楚「子集」的初始狀態，支配其演化的哈密頓量，包括"子集"外部對它的作用。至於這個能被模擬的「子集」的範圍有多大，取決於人類的智力發達水平和這台超級量子計算機的能力。

五、人腦是台量子計算機嗎？

「人腦」十分奇特，其功能是任何先進儀器所無法比擬的。隨著人類對「腦功能」認識的深入，便不斷地開發出模擬腦功能的更精密的儀器。但人腦究竟是如何運作的呢？人的敏感性和分辨能力顯然與其處理信息的能力緊密相關。人眼觀看物體時是採用掃描式的串型處理外來的信息呢？還是高度平行處理這些信息？有人說，人腦是台量子計算機，它具有量子計算的超強信息處理能力。然雨，無論是神經元或其他作為信息處理的基元，其消相干過程非常之快，以至於「大腦」的系統的量子相干性會迅速地消失掉！單從這點看，大腦不可能實現量子計算。

當然，人們己證明，量子編碼可以有效地抑制消相干，它以引入信息冗餘度為代價來實現容錯的量子計算。也許大腦具有自動量子編碼的能力？一旦外界有信息輸入，大腦便自動地啟動相應的程序運作：根據外部信息來製備腦信息處理單元的量子態，施行並行信息處理過程並自動啟用量子編碼程序，迅速提取最終的處理結果，傳送到大腦相關的區域。當然這只是個純屬主觀想像的圖像。

總之，要證明人腦確實是如同量子計算機那樣運作，目前還缺乏可靠的科學依據。必須具有在量子力學的框架下研究腦功能過程的能力和條件，才可以給出正確的答案。

當然，倘若人們已研製出超級量子計算機，用它來模擬人腦的信息處理過程，這倒可能是個好的研究課題。

郭光燦，中國科學院院士，教授，光學和量子信息專家。1942年12月9日出生於福建患安，1965年畢業於中國科學技術大學無線電電子學系。現任中國科學院中國科學技術大學量子信息重點實驗室主任，中國物理學會量子光學專業委員會主任，國家科技部「973」項目「量子通信與量子信息技術」首席科學家。已在Phys.Rew.Lett、Phys.Rew.A發表主要論文220多篇，被SCI他引600餘次。曾榮獲國家自然科學二等獎、何梁何利獎和中國科學院自然科學二等獎。主要研究興趣在於量子光學、量子密碼、量子通信和量子計算的理論和實驗研究。曾提出概率量子克隆原理，並推導出最大克隆效率公式「段-郭概率克隆機」、「段-郭界限」；在實驗上研製成功概率量子克隆機和普適量子克隆機；發現不會消相干的「相干保持態」，並提出量子進錯編碼原理；提出一種新型的量子處理器，可有效地降低腔消相干的影響，並實現多種信息功能；在實驗上驗證了可否定與環境無關隱參量理論的K-S理論；發現奇偶相干態的奇異特性；在實驗上研製成功遠距離的量子密碼保密通信系統，理論上提出「千言道加密」的新方案等。