量子纠缠是量子物理的基本性质，他描述的是：当几个粒子相互作用后，无法单独描述各个粒子的性质，只能整体描述，本文主要介绍两个量子比特之间的纠缠。

量子比特（Qubit）

量子比特是量子计算的基本单位，就像经典比特是经典计算的基本单位一样。

是狄拉克符号，目前就把它当作是0、1就好。

叠加态是一种存在，但是不能观测的态。在你没有观测的时候，粒子可能是 \(| 0\rangle\) 也可能是 \(| 1\rangle\) ，但是当你观测了，他就会以 \(\alpha_0\) 的平方概率确定自己在 \(| 0\rangle\) ，或者以 \(\alpha_1\) 的平方概率确定自己在 \(| 1\rangle\) ，无论结果是什么，他会确定一个状态，再次测量也不会变。

经典比特，我们用高电平表示1，低电平表示0，那么量子比特呢？

显然，并没有一种电平可以一定概率低，一定概率高，但是粒子可以，粒子可以以一定概率处于低能级又一定概率处于高能级。

以氢原子举例，当电子在基态的时候，我们用 \(| 0\rangle\) 来描述，当电子在激发态的时候，我们用 \(| 1\rangle\) 来描述。

当然粒子除了氢原子还有其他，那么能级也就可能不仅仅是基态、激发态，将会有第一激发态、第二激发态等，这就是k-level system，我们的表示也就是 \(| 0\rangle\) 、 \(| 1\rangle\) 、 \(| 2\rangle\) 了，不过一般，我们都选择两个能级的，只用

除了粒子，光的偏振也能用来表示量子比特，我们将横着的光用 \(| 0\rangle\) 来描述，纵着的用 \(| 1\rangle\) 来描述。如果将一个横着的偏振片放在一束斜着45°角的光前，那么每一个光波将以 \(cos^2 \frac{\pi}{4}\) 的概率决定自己是横着，然后通过光栅，或者以 \(cos^2 \frac{\pi}{4}\) 的概率决定自己纵着，然后被光栅拦下。从宏观上看，就是我这束光的能量通过偏振片后只有原来的 \(cos^2 \frac{\pi}{4}\) 了，因为其他的被拦住了，通过的光，是纯粹的横着的光，如果在这之后再加上纵着的偏振片，光会全部被拦下，这也就是我们前面说的测量后结果不会再变。

我们将完全处于 \(| 0\rangle\) 或 \(| 1\rangle\) 的态成为纯态，他们没有体现量子叠加的性质，和普通的经典比特没有什么区别。

我们可以这么理解这个向量，因为量子态只可能是 \(| 0\rangle\) 或 \(| 1\rangle\) 两种情况，所以这是一个二维的空间，然后 \(| 0\rangle\) 和 \(| 1\rangle\) 是这个空间的正交基，那么一个量子态就是这个空间的一个单位向量。

一个空间不止一组正交基。

(第一个粒子为一的可能就消除了，下面的分母是为了保证概率的归一性)

的乘积来描述两个比特的系统呢？

不是每一个两量子比特系统都可以分解成两个单量子比特系统的乘积形式。

对于这样的系统，你没有办法将他分成两个单独的系统来描述，我们称这样的态为纠缠态。

\rho_{k}^{B}\) ， \(p_k\) 加起来和为一，如果可以，则说明这个态时可分态，否则就是纠缠态。

同理，测量B，A的结果也随之确定。

证明很简单，将他们拆开就可以推出来了。

既然这里有大佬爱因斯坦，他老爷子肯定觉得自己的相对论是对的，即，消息的传播速度不能超过光速。

第二点，当时的人普遍赞同的定域性理论，即，一个物体只能被周围的力量影响。如果某一点的行动，要影响到另一点，在中间的空间，例如场，会成为运动的中介。

将这两点结合来看，如果我有一对粒子，他们相距很远，在宇宙的两端，那么我对第一个粒子的作用，一定会隔一段时间才会影响到我的第二个粒子。

这里我们先提一下量子里的不确定性原理，他指的是：粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。

对于不同的案例，他有不同的内涵，在这里，对于一个量子比特来说，当我们确定了，他在 \(| 0\rangle\) 和 \(| 1\rangle\) 这组基下测量有了具体的值，就不可能同时在 $|+\rangle $ 和 $|-\rangle $ 这组基下有确定的值。

一个量子比特可以用以下两种方式来描述描述是：

如果我们有一对bell态的量子比特，则他们处于：

如果我们将这对量子放得很远，那么我在对第一个粒子测量他在standard basis的值时，对第二个粒子测量他在sign basis的值，我是不是就可以同时得到standard basis和sign basis的值了呢？

因为他们放的很远，所以他们的测量也不会立即影响另一个的结果，影响需要时间来传播，而在传播时间内，我就可以测量得到我要的值了。

这也就是爱因斯坦大佬觉得量子力学不完备的原因，当然，后面证明爱因斯坦大佬错了，因为他推到结果的一个前提有问题，就是当时大多数人赞同的定域性原理，量子具有非局域性原理，一对粒子隔得再远，他们的相互影响也可以瞬间完成，我们将这种超距作用成为量子纠缠。

量子纠缠打破了爱因斯坦相对论中信息不能超光速传播吗？

一对相距很远的量子比特A、B，虽然无论我测量A的结果是什么，B都可以马上知道，但是我能拿这个传递信息吗？不能，因为我也不知道我测量A的结果是什么。

 ”九章“量子计算机三大厉害之处

据中国科学技术大学12月4日消息，该校潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。

什么是”九章“量子计算机？

《九章算术》是中国古代张苍、耿寿昌所撰写的一部数学专著。是《算经十书》中最重要的一部，著成于公元一世纪左右。

《九章算术》内容十分丰富，本书总结了战国、秦、汉时期的数学成就。《九章算术》在数学上拥有极为独到的成就，不仅最早提到分数问题，也首先记录了盈不足等问题。《方程》章还在世界数学史上首次阐述了负数及其加减运算法则。因此，它是一本综合性的历史著作，是当时世界上最简练有效的应用数学，它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系。

《九章算术》是世界上最早系统叙述了分数运算的著作;其中盈不足的算法更是一项令人惊奇的创造;"方程"章还在世界数学史上首次阐述了负数及其加减运算法则。在代数方面，《九章算术》在世界数学史上最早提出负数概念及正负数加减法法则。

关于”九章“量子计算机，潘建伟介绍，将实现量子计算优越性的这台量子原型机命名为“九章”，是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。可见，所谓”九章“，就是纪念《九章算数》的量子计算机。

厉害之处之一：“九章”创造了全球最快的取样速度。这个量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前全球最快的超级计算机快一百万亿倍！惊人之处在于“九章”量子计算机在一分钟内计算（相当于工作量），超级计算机则需要工作一亿年。

基于此，”九章”比世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。

假如和谷歌的53个超导比特量子计算原型机相比，九章比它快一百亿倍。因此，九章的是一个重要的科技成果，是我国量子计算研究的首个里程碑。

所谓”富岳“是日本的超级计算机。据日本共同社报道，日本理化学研究所曾经称，日本计算机科学研究中心的超级计算机“富岳”在性能排名4个单元中继2020年6月夺冠后再夺世界第一。超级计算机连续两次夺得“4项冠军”尚属首次。

富岳的计算速度达到每秒44.201亿亿次，曾经是排名第二的美国“顶点”（达到14.86亿亿次）的3倍。

量子计算优越性，也被称为“量子霸权”。量子计算机的工作原理具有超快的并行计算能力，它往往通过特定算法，在一些具有重大社会和经济价值的问题方面起到非常重要作用，比如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等，因此，相比经典计算机而言，它能够实现指数级别的加速。如果经典计算机是普通的跑者，那么九章量子计算机相当于跑中之王，世界纪录创作者。

量子计算机的研制，成为全球科技尖端技术的最大挑战之一，更成为世界各国及欧美发达国家角逐的目标。

厉害之处之二： “九章”存储容量突破“世界纪录”。“九章”克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。值得一提的是，“九章”输出量子态空间规模竟然达到了1030！相比“悬铃木”，其输出量子态空间规模是1016，而全球目前的存储容量则是1022。

因此，这一个重大成果让中国世界量子计算研究中，牢牢处于的第一集团地位。还有，依赖于“九章号”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，是未来重要发展目标。

厉害之处之三：逼近了“量子计算优越性”。中国在光量子信息处理方面一直处于全球领先水平。1）2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机(ENIAC)的光量子计算原型机。2）2019年，团队再研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，并实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。

量子计算机的研究公认的三个重要的标志性阶段：

第一阶段：高效求解。发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

第二阶段：研制量子模拟机。通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题(如量子化学、新材料设计、优化算法等)。

三、研制可编程量子原型机。通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值(>99.9%)，大幅度提高可集成的量子比特数目(百万量级)，实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

中国的量子之父—潘建伟及团队

潘建伟，浙江省东阳市人。中国科学技术大学教授、博士生导师，中国科学院院士。九三学社第十二届中央委员会委员。

现任中国科学技术大学常务副校长，为第五届中国青年科技工作者协会会长。中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家。中国科学技术大学量子隐形传态研究项目组主持人。

2017年获得2016年感动中国人物称号。2017年9月9日获得第二届未来科学大奖获“物质科学奖”。2017年12月19日，潘建伟入选《自然》2017十大科学人物、获称“量子之父”

值得一提的是，在第四届世界互联网大会上，在世界互联网领先科技成果发布活动上，中国科大潘建伟团队构建的光量子计算机原型机成功入选18项世界互联网领先科技成果。

会议发布称，光量子计算机原型机在“玻色取样”速度方面比国际同行加快至少24000倍，和经典算法比较，也比人类第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍，是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机。

量子计算机具有极为重要的应用，它可以用来解决密码破译、大数据分析等问题。实现超越经典计算能力的量子计算被国际学术界称为“量子称霸”。

当时由44名海内外知名专家组成的推荐委员会投票选出18项成果。除光量子计算机原型机外，其余17项成果包括华为3GPP 5G预商用系统、ARM安全架构、微软人工智能小冰、北斗卫星导航系统、高通5G芯片组实现的全球首个5G数据链接、还有基于“神威·太湖之光”超级计算机系统的重大应用成果：

比如特斯拉垂直整合能源解决方案、滴滴基于大数据的新一代移动出行平台、摩拜无桩智能共享单车、阿里巴巴ET大脑、百度DuerOS、亚马逊AWS GreenGrass、苹果AR、腾讯人工智能开放平台、Watson健康助力“健康中国”、下一代互联网关键技术IPV6、机器触觉。

潘建伟是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，他是该领域有重要国际影响力的科学家，并取得了一系列有重要意义的研究成果。

比如首次实验实现量子隐形传态及纠缠交换、终端开放的量子隐形传态、复合系统量子隐形传态、16公里自由空间量子隐形传态。

再比如首次实现三、四、五、六、八光子纠缠。首次实验验证GHZ定理。

1）提出利用现有技术可实现的量子纠缠纯化方案，并完成实验实现。实现突破大气等效厚度的量子纠缠和量子密钥分发。先后实现绝对安全距离超过100公里和200公里的量子密钥分发及全通型量子通信网络。

2）提出基于冷原子量子存储的高效量子中继器方案，并完成实验实现。利用冷原子系统实现高品质的单光子和纠缠光子的量子存储。利用多光子纠缠实现重要的量子算法和突破经典极限的高精度测量。实现任意子分数统计的量子模拟。

潘建伟的有关实现量子隐形传态的研究成果入选《科学》杂志"年度十大科技进展"，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为"百年物理学21篇经典论文"。

潘建伟的研究成果曾6次入选两院院士评选的"中国年度十大科技进展新闻" 、3次入选教育部评选的"年度中国高校十大科技进展"、3次入选科技部评选的"年度中国基础研究十大新闻"、5次入选欧洲物理学会评选的"年度物理学重大进展"、4次入选美国物理学会评选的"年度物理学重大事件"。

由于潘建伟及其同事在量子信息实验领域的系统性工作，他被重要综述杂志Phys. Rep.和Rev. Mod. Phys.邀请撰写有关量子通信和多光子纠缠操纵的实验综述论文，后者是中国大陆科学家在该刊发表的第一篇实验综述论文。

他曾获求是杰出科学家奖、中国青年科学家奖、中国科学院杰出科技成就奖、奥地利科学院Erich Schmid奖、欧洲物理学会菲涅尔奖等奖励，2013年何梁何利最高奖"科学与技术成就奖"。

九三学社： 潘建伟在量子通信、量子计算以及多光子纠缠操纵等量子信息实验领域中做出的杰出贡献。

英国《新科学家》评价：英国著名的科学新闻杂志《新科学家》以封面标题的形式，对潘建伟科大团队进行这样的评价：“中国科大-因而也是整个中国-已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地。

欧洲量子通信泰斗、日内瓦大学教授、瑞士IDQuantique公司创始人尼古拉斯·吉森对第一财经记者表示：“中国在量子通信方面的技术非常领先，但是在量子计算机和量子芯片等领域还有进一步提升的空间。”

英特尔量子硬件部门总监Jim Clarke曾经表示：“量子可能是未来100年最重要的计算机技术，就好像宇宙空间科学一样，它的研究可能要通过一代人的努力才能进步一点点。”

中国科学技术大学教授陆朝阳说：”九章“采取了由76个光子输出，然后在100×100的这样一个目前世界上最大尺度的这样一个干涉仪里面进行干涉，那么干涉的过程其实也是我们计完成计算的这样一个过程。

九章量子计算机是利用量子力学的原理，量子力学它可以允许一个物体同时处于多种状态，那么比如说0和1同时存在，它可以做一个原理上叫做并行计算，就是很多个任务可以一起完成，因此它就有了这样一种超越经典计算机的计算能力。

中国科学院院士潘建伟说：在我们的量子计算里面，第一个里程碑性的目标就是要来展示量子计算的优越性。我们在高斯波色采样实验当中构建了一个量子计算的原型机，可以比目前最快的超算能够快10的14次方倍，就相当于我这里算一分钟的东西，用“富岳号”拿来算的话，要算一亿年它才能把这个事情给算完，这就是叫做量子优越性。

就是我总算可以演示某个功能比传统的超级计算机算得好了，这样的话我们就可以进一步地去寻找各种各样的应用。

美国麻省理工学院教授德克英格伦评价说：我认为这是一个了不起的成就，这是开发这些中型量子计算机的一个里程碑。

奥地利科学院院长及美国科学院院士安东蔡林格评价说：这项工作成果很重要，证明了基于光子的量子计算机也可能实现量子计算优越性。我相信有朝一日量子计算机会被广泛使用，甚至每个人都可以使用。

作者：盘古论市  来源：今日头条（版权归原作者所有 侵删）

来源：科普中国 原标题：什么叫做量子通信？

　　所谓量子，是构成物质的最基本单元，是能量，动量等物理量最小单位，不可分割。像电子、光子等构成物质的基本粒子，统称为量子。

　　除了不可分割性，量子还具有不可克隆（复制）性。因为克隆一个东西首先要测量这个东西的状态，但是量子通常处于极其脆弱的“叠加态”，一旦被测量就会马上改变状态，不再是原来那个量子了。

　　量子的不可克隆性是量子通信安全性的根本来源。因为窃听信息等于先复制了这个信息，量子的不可克隆性保证了量子信息本身（或者由它生成的量子密码）不会被复制，因此断绝了一切窃听的可能性。

　　量子纠缠是两个量子形成的叠加态。一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。

　　量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距相互作用”。量子纠缠会违反著名的“贝尔不等式”，因此检验贝尔不等式成为验证量子力学是否正确的主要标志之一。

　　什么叫做量子通信？

　　量子通信主要有两种方式，一种是利用量子的不可克隆性质生成量子密码，他是二进制形式的，可以给经典的二进制信息加密，这种通信方式称为“量子密钥分发”。

　　第二种是利用量子纠缠用来传输量子信息的最基本单位——量子比特。两个处于纠缠态的粒子A和B，不论它们分开多远，我们把其中一个粒子（A）和携带想要传输的量子比特的粒子（C）一起测量一下，C的量子比特马上消失，但是B就马上携带上了C之前携带的量子比特，我们把这个过程叫做“量子隐形传态”。

　　根据量子力学“不确定性原理”，处于纠缠态的两个粒子，在被观测前，其状态是不确定的，如果对其中一粒子进行观测，在确定其状态的同时（比如为上旋），另一粒子的状态瞬间也会被确定（下旋）。

　　“棱镜门”一出，从各国元首到普通民众深感危机，隐私安全与信息安全再次被广泛讨论。基于电子方式的通信，基于数学方法的密码，已经无法保证不被破解。

　　量子密钥分发可为我们现在的通信建立牢不可破的量子密码，从根本上保障我们的通信安全。量子密钥分发以一个个单独的光子作为载体，通过收发双方通过随机测量这些光子，选取共同测量方式的那些测量结果，就会形成一组量子密钥。如果中间有人窃听，收发双方的测量错误会瞬间上升，马上就会察觉有窃听的存在。所以一组成功生成的量子密钥一定是排除了一切窃听的绝对安全的密钥，用它加密的信息也是不可破译的。

　　全球首颗量子科学实验卫星

　　由中国科学技术大学和中科院上海技物所共同研制的这颗卫星质量约640千克，将由火箭发射至高度为500千米的预定轨道。可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。该卫星将实现世界首个卫星和地面之间的量子密钥分发，量子纠缠分发和量子隐形传态。

　　通过这颗卫星中国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，并结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个广域量子通信体系。

文章原载于科普中国 什么叫做量子通信？ 

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