在奧地利維也納大學(xué)從事合作研究的中國(guó)科技大學(xué)教授潘建偉博士及其同事最近在量子信息領(lǐng)域取得重大突破，英國(guó)《自然》雜志5月22日以封面文章的形式作了報(bào)道。那么，什么是量子信息呢？

　　建立在20世紀(jì)物理學(xué)支柱之一的量子力學(xué)基礎(chǔ)之上的量子信息學(xué)，是一門利用微觀粒子的量子力學(xué)原理來解決經(jīng)典信息學(xué)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能解決的問題的學(xué)科，因此量子信息學(xué)是量子力學(xué)和信息學(xué)的交叉科學(xué)。量子信息學(xué)最重要的兩個(gè)應(yīng)用方向是量子通信和量子計(jì)算。由于其潛在的應(yīng)用價(jià)值和重大的科學(xué)意義，量子信息學(xué)作為最近十幾年來迅速發(fā)展起來的新興學(xué)科，正在引起各方面越來越多的關(guān)注。

　　也許有人會(huì)問：量子力學(xué)的原理在很久以前就被物理學(xué)家們廣泛接受并成為物理學(xué)的基礎(chǔ)，那為什么信息理論和計(jì)算理論的這個(gè)新發(fā)展卻沒有早些到來呢？這或許是因?yàn)樾畔⒗碚摵陀?jì)算理論的奠基者們，比如香農(nóng)、圖靈和馮·諾伊曼，過于習(xí)慣于把信息處理考慮成宏觀過程，而在他們之前也沒有出現(xiàn)不斷變小的微電子器件等這樣有力的例證表明信息的處理可以是微觀的過程。

　　大家知道，經(jīng)典信息處理的最基本單元是比特(Bit，即二進(jìn)制數(shù)0或1)。一個(gè)按照一定數(shù)學(xué)規(guī)則給出的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)串就構(gòu)成一個(gè)密鑰，經(jīng)典通信中最難解決的問題是密鑰分配問題。由于密鑰分配不是絕對(duì)保密的，經(jīng)典密碼也就不可能絕對(duì)保密。然而，基于量子力學(xué)線性疊加原理和不可克隆定理的量子密鑰分配卻可以解決這個(gè)問題。另外，經(jīng)典計(jì)算中存在著一大類NP問題(難解的非指數(shù)問題)，即問題的復(fù)雜度隨著比特位數(shù)的增長(zhǎng)而指數(shù)上升。這類問題在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上是不能計(jì)算的，但是量子計(jì)算可以把其中的一部分NP問題變成P問題(容易求解的指數(shù)問題)，即問題的復(fù)雜度隨著比特位數(shù)的增長(zhǎng)以多項(xiàng)式上升。這類問題原則上是可以計(jì)算的。一個(gè)具體的例子就是大數(shù)分解定理，按經(jīng)典計(jì)算復(fù)雜性理論，這個(gè)問題不存在有效算法，所以被利用來進(jìn)行經(jīng)典密鑰分配。但是如果用量子計(jì)算機(jī)，使用Shor量子算法，這個(gè)問題就變成了P問題。例如，為了對(duì)一個(gè)400位的阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行因子分解，目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)將耗時(shí)上百億年，這幾乎等于宇宙的整個(gè)壽命；而具有相同時(shí)鐘脈沖速度的量子計(jì)算機(jī)只需要大約一分鐘。因此，對(duì)于目前的密碼系統(tǒng)，即使人們幾乎無法利用經(jīng)典算法對(duì)其進(jìn)行破解，但一旦人們擁有了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，那么目前的密碼系統(tǒng)將毫無保密性可言！這一后果是對(duì)目前的密碼系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)，因而對(duì)基于經(jīng)典保密系統(tǒng)的行業(yè)(如軍事、國(guó)家安全、金融等)的信息安全構(gòu)成根本的威脅。因此，為了保證這些領(lǐng)域的信息安全，也為了拓寬人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，發(fā)展量子信息學(xué)刻不容緩：一方面，開發(fā)由量子力學(xué)基本原理保證其保密性的量子密碼系統(tǒng)，另一方面，研制按照量子力學(xué)基本原理運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)。為此，世界很多國(guó)家都投入了巨大的人力和財(cái)力積極地進(jìn)行相關(guān)研究。

　　如上所述，量子信息學(xué)確實(shí)有著很重大的應(yīng)用價(jià)值，如果實(shí)現(xiàn)，將是人類生產(chǎn)力的又一次飛躍，迄今為止，科學(xué)家還只能實(shí)現(xiàn)由少數(shù)幾個(gè)計(jì)算單元的量子計(jì)算機(jī)；基于單光子的量子密碼實(shí)驗(yàn)已經(jīng)可以達(dá)到100公里的量級(jí)。但是要進(jìn)行實(shí)用的、長(zhǎng)程的量子通訊還需要更多的努力。在這方面，潘建偉博士及其合作者分別在奧地利和中國(guó)科技大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究為未來的量子遠(yuǎn)程通信提供了重要的基礎(chǔ)。