復旦大學教授：量子通信與量子計算不可行嗎？

知識 08-25

編者按：

2016年8月16日，中國首顆量子科學實驗衛星成功發射。隨後，上海大學數學系一位副教授對量子通信和量子計算提出了一系列質疑，被諸多媒體引用、報道。多家媒體也就上海大學這位老師對量子通信和量子計算的看法徵求復旦大學物理學系施郁教授的意見。施郁教授目前主要研究領域為量子糾纏及其在凝聚態物理和粒子物理中的運用。施郁教授未參與到量子科學實驗衛星的工作，與量子科學實驗衛星的研究無利益相關。

以下為施郁教授對量子通信和量子計算的解讀以及對上海大學副教授觀點的評論。

撰文 | 施郁（復旦大學物理學系教授）

責編 | 陳曉雪

量子通信與量子計算簡介

量子通信和量子計算是國際上的研究熱點，都屬於量子信息科學。傳統的信息服從的規律與量子力學無關，雖然很多信息處理的微觀物理過程用到量子力學。這稱作經典信息，其基本單元，即比特，可以表示成0和1這兩個2進位數。微觀粒子是量子系統，由量子態描述，可直接用來代表信息，這就是量子信息，服從量子力學規律。

量子信息由量子比特組成。量子比特就是以兩個量子態為「基本單位」的量子系統。這個「基本單位」的術語是「基矢態」。一個量子比特的任意量子態可以是這兩個基矢態的任意線性疊加，就好比平面上的任意一點由兩個坐標確定。兩個或以上的量子比特（或者一般的量子系統）可能會處於所謂的量子糾纏態。這是指它們的量子態不相互獨立。

利用量子糾纏可以進行一些量子通信過程，比如量子隱形傳態，也可以用於量子密碼術，比如E91方案（英國牛津大學的Artur Ekert於1991年提出的一種基於糾纏態的量子密鑰分發方案）。但是量子密碼術的另一個方案BB84（美國IBM研究實驗室的Charles Bennett和加拿大蒙特利爾大學的Gilles Brassard於1984年發明的一種量子密鑰分發方案）不需要量子糾纏。量子密碼術是用量子方法生成一串經典比特，作為文件加密所需要的密鑰。

量子通信指在不同地方之間傳送量子信息，是個比較廣泛的概念，可以有各種各樣的方案和目的，量子密碼術和量子隱形傳態是其中兩個。2016年8月16日，中國發射了一顆量子科學實驗衛星，可用於星地之間的量子通信以及向相距很遠的兩地分發相互之間具有量子糾纏的光子，等等。

而量子計算是在一個由很多量子比特組成的機器上根據某個演算法完成一系列以量子力學規律為基礎的操作，最後再進行量子測量，從而解決數學問題。量子計算受到重視很大程度上是因為Shor演算法的提出。Shor演算法用於將一個正整數有效地分解成兩個素數的乘積。這裡「有效」是指計算時間是這個正整數的2進位位數的多項式函數（即這個2進位位數的有限個各種乘方，乘以係數再相加）。這在目前人們已知的經典演算法中是不可能的。這個不可能正是現實生活中的很多保密方案的基礎。所以如果量子計算得以實現，很多經典保密方案就失效了。而量子演算法對經典演算法的超越往往與量子糾纏有關。