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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[1]。
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。
世界第一
中國一些研究人員利用中國發射的首顆量子通信衛星墨子號成功傳輸信息，打破傳輸信息的最遠紀錄，在量子通信領域拿下兩個世界第一。
中國憑藉2017年8月9日在《自然》周刊上發表的兩項成果確保了在量子通信這一未來通信技術領域的至上地位。該技術主要可以提升通信過程中的安全性。中國從「墨子號」的投資中獲得了回報。這枚科研衛星於2016年8月16日發射，在距離地球500公里至1200公里處的低軌運行。再加上《科學》周刊2017年6月16日發表的成果，中國科學技術大學潘建偉帶領的團隊完成了三大實驗：量子隱形傳態、量子糾纏分發和量子密鑰分發。此前這些實驗僅在地面的光導纖維中完成過。
據法國《世界報》8月15日報道，加拿大研究人員1984年提出了一份保障安全分發密鑰的協議，不僅是為了禁止竊聽，也是為了確保如果出現竊聽當事人能夠獲悉。中國人將這份協議應用於衛星與地球之間，最短距離(600公里)實現每秒發送數千比特的信息量。巴黎電信技術學院科研教師羅曼·阿洛姆稱讚道：「他們解決了大量技術難題。這是工程學的一個大項目。」中國團隊面臨的挑戰包括複雜光電器件的小型化及其對太空環境的適應保證，而且尤其是十分精確的衛星定位和追蹤技術的發展。潘建偉指出：「這就像在300米之外追蹤一根移動的頭髮一樣。」
報道稱，這些進步的技術意義超過了科學意義，因為這些成就此前都在地球上實現過。20世紀80年代初，法國科學家阿蘭·阿斯佩完成了「量子糾纏」實驗。1989年，加拿大完成首次量子密鑰分發。此後很多企業將這種系統商業化。1997年，奧地利安東·蔡林格團隊率先完成量子隱形傳態實驗，當時年輕的潘建偉也是團隊成員之一。
歐洲最大量子信息實驗室之一量子技術研究中心主任羅納德·漢松認為：「真是了不起的進展。中國的實驗開啟了一個新時代。他們完成了首批地空基礎量子任務。將遙遠的系統通過量子連接起來已經成為現實。」
報道稱，長距離傳輸必須通過太空，因為光導纖維中信號受損導致糾纏與隱形傳態被限制在100多公里的距離內才能完成。而且與常規世界相反，在量子物理學中不可能增強或者重複一個信號。因此人們關注宇宙真空環境，即便考慮到大氣層的厚度，這裡的損耗也要小得多。但成本這麼高的網絡又有什麼用呢？更加安全的密鑰當然是個動機，但當前「經典」技術還在發揮作用，而且帶有非保密密鑰協議。
巴黎第六大學國家科學研究中心研究負責人埃萊妮·迪亞曼蒂明確指出：「當前的量子計算工作讓這些系統面臨危險，量子密鑰是一種解決方案。」研究人員還希望建設有新性能的「量子網絡」，能夠將計算分發到多個網絡節點上完成，而無需節點接觸數據。
報道稱，中國並不是唯一一個了解這些關乎國家防禦和主權的重大挑戰。韓國、日本、新加坡和加拿大也有陸地和太空計劃，或者是從無人機、熱氣球和飛機實施的空中計劃。在歐洲、研究人員爭取人們對發展這些太空技術的關注，卻是徒勞。埃萊妮·迪亞曼蒂希望：「這些結果或將刺激歐洲的科研活動。」
報道稱，潘建偉現在希望提高密鑰系統的效率，把衛星作為兩個地面站的中繼站來實現安全加密。中國研究者們還提到與歐洲合作完成兩大洲之間密鑰分發的可能性。
研究成果
1984年，美國IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利爾大學的BrAssard共同提出了第一個量子密碼通信方案，即著名的BB84方案，標誌着量子通信領域的誕生。當他們的論文第一次發表在一個會議上時，並沒有引起廣泛的關注。1992年，Bennett提出了簡化的BB84方案（稱為B92方案），並第一次在實驗上原理性演示了量子密鑰分發。此後，量子密碼分配開始得到各方的重視。
從1993年到2005年這個階段，實驗技術發展迅猛。1995年，中國科學院物理研究所吳令安小組在實驗室內完成了我國最早的量子密鑰分發實驗演示。2000年，該小組又與中國科學院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發演示實驗。2002年至2003年間，瑞士日內瓦大學Gisin小組和中國華東師範大學曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發。2004年，英國劍橋Shields小組和日本NEC公司分別實現了122公里和150公里的光纖量子密鑰分發演示性實驗。2005年，中國科學技術大學郭光燦小組在北京和天津之間也實現了125公里光纖的量子密鑰分發演示性實驗。
到2005年時，國際上已經有三個實驗小組聲稱可以將通信距離達到100公里以上。但隨着理論研究上的進一步深入，卻表明由於當時普遍使用弱相干光源模擬理論方案中的單光子源，當時所有的量子通信實驗實際仍存在安全隱患，使得當時的安全通信距離只有10公里量級，不具有實用價值。
2005年，華人科學家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等共同提出了基於誘騙態的量子密鑰分發實驗方案，從理論上把安全通信距離大幅度提高到100公里以上。
2006年，中國科學技術大學潘建偉團隊在世界上首次利用誘騙態方案實現了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發實驗。同時，美國Los Alamos國家實驗室－美國國家標準局聯合實驗組和奧地利的Zeilinger教授領導的歐洲聯合實驗室也使用誘騙態方案實現了安全距離超過100公里量子密鑰分發。這三個實驗同時發表在國際著名物理學期刊《物理評論快報》上，真正打開了量子通信技術應用的大門。至此，量子通信得以從實驗室演示開始走向實用化和產業化。
2015年，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的「多自由度量子隱形傳態」名列2015年度國際物理學領域的十項重大突破榜首。英國物理學會（Institute of Physics）新聞網站《物理世界》（Physics World）將其評為「年度突破」。在量子密鑰分配方面，中國也取得260—300公里最大通信距離的好成績。[2]
2016年，美國國家航空航天局相關研究人員使用城市光纜實現了遠距離量子傳輸，其通過「暗光纜」在加拿大卡爾加里市將激光光子傳送了3.7英里。這次實驗使用的傳輸媒介是研究人員稱之為「暗光纜」光纖。這是研究人員脫離實驗室環境在真實環境中進行的量子傳輸實驗，其超過3.7英里的傳輸距離是新的實驗記錄，標誌着人類向建成量子互聯網邁出了重要一步。這項研究的相應成果發表在《自然光子學》（Nature Photonics）雜誌上，是美國國家航空航天局噴氣推進實驗室、加拿大卡爾加里大學以及美國科羅拉多州博爾德國家標準與技術研究所的合作項目。研究人員採用未經使用過的「暗光纜」進行量子傳輸，同時通過特別設計的光子傳感器對傳輸光子進行檢測。據悉，這是首次在現有的城市光纜中實驗量子傳輸，也是首次在實際基礎設施中實現長達3.7公里的光子傳送。此前研究人員僅僅能夠在實驗室環境下實現這一距離的量子傳送。
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[3]。
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[4]。
相干特性
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[5]。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[6]。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[1]。
領域
量子通信
美國在2005年建成了DARPA量子網絡[7][8]，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[9][10][11]。2009年構建了一個4節點全通型量子通信網絡[12]，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[13][14][15][16]。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[17]。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[18][19]，並力爭在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[20]。
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。[21]2016年8月，美國馬里蘭大學學院市分校發明世界上第一台由5量子位元組成的可編程量子計算機[22][23]。
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[24]。量子雷達具有探測距離遠、可識別和分辨隱身平台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[25]。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[26]。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[27]。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[28]。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[29]。
量子博弈
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[1]，防止某一玩家因背叛而獲利[30]。
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參考來源
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- ↑ 六大賣方加班急推的量子通信究竟是什麼鬼？, 新浪, 2015-12-13
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