张永德
在奥地利维也纳大学从事合作研究的中国科技大学教授潘建伟博士及其同事最近在量子信息领域取得重大突破，英国《自然》杂志5月22日以封面文章的形式作了报道。那么，什么是量子信息呢？
建立在20世纪物理学支柱之一的量子力学基础之上的量子信息学，是一门利用微观粒子的量子力学原理来解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题的学科，因此量子信息学是量子力学和信息学的交叉科学。量子信息学最重要的两个应用方向是量子通信和量子计算。由于其潜在的应用价值和重大的科学意义，量子信息学作为最近十几年来迅速发展起来的新兴学科，正在引起各方面越来越多的关注。
也许有人会问：量子力学的原理在很久以前就被物理学家们广泛接受并成为物理学的基础，那为什么信息理论和计算理论的这个新发展却没有早些到来呢？这或许是因为信息理论和计算理论的奠基者们，比如香农、图灵和冯·诺伊曼，过于习惯于把信息处理考虑成宏观过程，而在他们之前也没有出现不断变小的微电子器件等这样有力的例证表明信息的处理可以是微观的过程。
大家知道，经典信息处理的最基本单元是比特（Bit，即二进制数0或1）。一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串就构成一个密钥，经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题。由于密钥分配不是绝对保密的，经典密码也就不可能绝对保密。然而，基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配却可以解决这个问题。另外，经典计算中存在着一大类NP问题（难解的非指数问题），即问题的复杂度随着比特位数的增长而指数上升。这类问题在经典计算机上是不能计算的，但是量子计算可以把其中的一部分NP问题变成P问题（容易求解的指数问题），即问题的复杂度随着比特位数的增长以多项式上升。这类问题原则上是可以计算的。一个具体的例子就是大数分解定理，按经典计算复杂性理论，这个问题不存在有效算法，所以被利用来进行经典密钥分配。但是如果用量子计算机，使用Shor量子算法，这个问题就变成了P问题。例如，为了对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，这几乎等于宇宙的整个寿命；而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机只需要大约一分钟。因此，对于目前的密码系统，即使人们几乎无法利用经典算法对其进行破解，但一旦人们拥有了一台量子计算机，那么目前的密码系统将毫无保密性可言！这一后果是对目前的密码系统的巨大挑战，因而对基于经典保密系统的行业（如军事、国家安全、金融等）的信息安全构成根本的威胁。因此，为了保证这些领域的信息安全，也为了拓宽人类对微观世界的认识，发展量子信息学刻不容缓：一方面，开发由量子力学基本原理保证其保密性的量子密码系统，另一方面，研制按照量子力学基本原理运行的量子计算机。为此，世界很多国家都投入了巨大的人力和财力积极地进行相关研究。
如上所述，量子信息学确实有着很重大的应用价值，如果实现，将是人类生产力的又一次飞跃，迄今为止，科学家还只能实现由少数几个计算单元的量子计算机；基于单光子的量子密码实验已经可以达到100公里的量级。但是要进行实用的、长程的量子通讯还需要更多的努力。在这方面，潘建伟博士及其合作者分别在奥地利和中国科技大学进行的实验研究为未来的量子远程通信提供了重要的基础。（上）
