量子信息科學

量子信息科學是量子力學與信息學交叉形成的一門邊緣學科。近年來，量子信息學給經典信息科學帶來了新的機遇和挑戰，量子的相干性和糾纏性給計算科學帶來迷人的前景。量子信息科學的誕生和發展，反過來又極大豐富了量子理論本身的內容，深化了量子力學基本原理的內涵，並進一步驗證了量子論的科學性。

基本介紹

• 中文名：量子信息科學
• 簡稱：量子信息學
• 屬性：一門邊緣學科
• 作用：並進一步驗證了量子論的科學

發展動態

量子信息科學(簡稱量子信息學)，主要是由物理科學與信息科學等多個學科交叉融合在一起所形成的一門新興的科學技術領域。它以量子光學、量子電動力學、量子資訊理論、量子電子學、以及量子生物學和數學等學科作為直接的理論基礎，以計算機科學與技術、通信科學與技術、雷射科學與技術、光電子科學與技術、空間科學與技術(如人造通信衛星)、原子光學與原子製版技術、生物光子學與生物光子技術、以及固體物理學和半導體物理學作為主要的技術基礎，以光子(場量子)和電子(實物粒子)作為信息和能量的載體，來研究量子信息(指光量子信息和量子電子信息)的產生、傳送、傳遞、接收、提取、識別、處理、控制及其在各相關科學技術領域中的最佳套用等。量子信息科學主要包括以下3個方面：量子電子信息科學(簡稱量子電子信息學)、光量子信息科學(簡稱光量子信息學)和生物光子信息科學(簡稱生物光子信息學)。其中，光量子信息科學是量子信息科學的核心和關鍵；而在光量子信息科學中，研究並製備各種單模、雙模和多模光場壓縮態以及利用各種雙光子乃至多光子糾纏態來實現量子隱形傳態等等，則是光量子信息科學與技術的核心和關鍵；同時，這也是實現和開通所謂的“信息高速公路”的起點和開端。因此，研究並製備各種光場壓縮態和實現量子隱形傳態是光量子信息科學與技術的重中之重。

量子信息科學的主要任務就在於：①開展基礎量子信息科學領域的研究工作，其中包括：量子信息科學的物理基礎、量子編碼、量子算法、量子資訊理論等；②開展量子光通信領域的研究工作，其中包括：量子密碼術、量子隱形傳態、“量子隱形傳物”和量子機率克隆等；③開展全光量子計算機的開發與研製工作；④以光子作為信息和能量的載體，以全光量子計算機作為傳送與接收終端，以光纜作為光量子信息的主要通道，同時藉助於人造通信衛星等空間技術，首先在國內建立區域網路量子保密通信體系，並將其率先用於國防科技領域以便提高國家的安全防衛能力。即在國內初步開通區域網路“信息高速公路”；⑤根據全球一體化進程，並選擇適當的時機，將國內的區域網路“信息高速公路”併入國際網路體系之中，最終實現全球一體化的真正科學意義上的“信息高速公路”。⑥為保障在“信息高速公路”開通之後國家的信息安全不受任何威協，那么，就必須在“信息高速公路”開通之前加大力度，重點研究和建設好國家區域網路新型量子安全體系。

當前，量子信息科學領域的研究工作在國際上剛剛起步，我國在這一領域的研究工作與國際同步，並且在許多方面居於國際領先地位。以郭光燦教授為首的中國科技大學的研究集體，在單、雙模量子信息學的理論研究方面取得了大量的開創性的研究成果，從而為我國量子信息科學的高速發展，奠定了十分重要的理論基礎。以彭堃墀教授為首的山西大學的研究群體，則在單、雙模壓縮態光場等量子信息學的實驗技術研究方面取得了一系列重大的開拓性和開創性的研究成果；特別是，原子的雷射冷卻與捕獲，以及量子隱形傳態在實驗上的實現等等，為我國量子信息科學的飛速發展奠定了堅實的實驗基礎。

但是，上述的研究工作主要集中在單、雙模量子信息科學領域，而對於多模(指光場的多縱模)量子信息科學則幾乎沒有涉及。

發展趨勢方向

當前及21世紀人們應將主要研究目標集中在以下兩個方面：

第一，繼續發展和完善單、雙模量子信息科學，其中包括：①繼續開展單、雙模光場壓縮態領域的研究工作，力爭在較短的時間內使各種單、雙模光壓縮器件全固化、小型化和集成化；②利用雙光子及多光子糾纏態深入開展各種光子體系的量子隱形傳態，力爭使其研究成果器件化、產品化和產業化，並由此向“量子隱形傳物”的方向逼近；③繼續在單、雙模光場領域開展全光量子計算機的硬體實現問題的研究工作，力爭在較短的時間內研製出我國第一台全光量子計算機，並在此基礎上進一步率先開通國內的區域網路“信息高速公路”，以便使我國在這一學科領域的研究上再度走在國際前列。

第二，建立、發展和完善多(縱)模量子信息科學。其中包括：①深入開展多模光場壓縮態領域的理論與實驗技術研究工作，力爭研製成功我國第一台多模光壓縮器件，促使多模光壓縮器件產品化和產業化，並在此基礎上進一步實現全固化、小型化和集成化等等；②在多(縱)模光場領域開展各種量子隱形傳態等領域的研究工作併力爭使其器件化、產品化和產業化；③開展以多(縱)模光場壓縮態為基礎的全光量子計算機領域的理論與技術探索工作，力爭研製成功首台適用於多(縱)模非經典光場的全光量子計算機，以便為“信息高速公路”的全面貫通打好物質基礎；④建立、發展和完善多縱模量子信息理論；⑤建立、發展和完善多縱模量子光通信理論等等。從而在以上研究的基礎上，全面建立多縱模量子信息科學與技術的完整體系，最終使我國與世界其它國家拉大差距並遠遠走在國際前列。

未來發展

量子科學和技術其實已經在方方面面影響著我們的日常生活。我們目前正在廣為使用的計算機、手機、網際網路、時間標準和導航，包括醫院裡的磁共振成像等等，無一不得益於量子科學和技術。

用發展的眼光看，隨著微納加工、超冷原子量子調控等技術的不斷進步，人類將能夠製備出越來越複雜、功能越來越強大的各種人造量子系統。例如包括量子計算機晶片在內的各種量子電路，其功能和信息處理能力將遠遠超過我們目前正在使用的經典晶片，並且更加節能；再如可望製備出達到量子極限的能量收集和轉換器件，將引發能源變革；也有望大幅提升對時間、位置、重力等物理量超高精度的測量，不僅實現超高精度的潛艇定位、醫學檢測等，也將加深對物理學基本原理的認識。

總之，量子科學和技術的廣泛套用最終將把人類社會帶入到量子時代，實現更高的工作效率、更安全的數據通信，以及更方便和更綠色的生活方式。