《量子通道的实验模拟》文献综述
摘要：本篇毕业论文的题目为《量子通道的实验模拟》。如今，量子通讯是我国“十三五规划”中的有关我国中长期科技发展规划的七大项目之一，而实现量子通讯的一个最为现实可行的物理系统就是线性光学系统。这是由于光子有着寿命长，相干性好的优点，因此很适合作为信息载体。目前利用光子实现量子通讯已经进入实际应用阶段，但是在进行长距离量子通讯时，退相干产生的噪声会对通讯质量造成严重影响。因此研究退相干过程对于量子信息的实现有着重要意义。通常情况下，由于噪声环境的复杂性使得实际的退相干是一个复杂的过程。因此，在复杂环境中，传统的计算机模拟结果不一定能够反映最真实的物理结果，而利用线性光学实验平台进行的量子模拟则更能够反映物理实际，因而非常具有研究价值。
关键词：量子信息处理；量子通讯；量子计算；量子模拟；量子通道；光子系统
一、文献综述
现在的社会正在处于信息时代，可以说过去的一个世纪人类社会的飞速发展与人们获得信息的能力逐渐增强是分不开的，而人们获得信息的能力与对大自然神秘之处的认识密切相关，所以在信息化高速发展的今天，人们对于计算机的运算速度的要求也越来越高，就例如，在过去的几十年里计算机芯片的制作工艺也从最早的微米数量级发展到了现在的纳米数量级，计算机的性能相对于以前有了很大的提高。然而经典计算机发展到现在不是没有极限的，一方面在技术上高密集的芯片越来越难以实现，另一方面，在理论上当芯片集成电路中晶体管尺寸小于10纳米时，量子效应就会凸显出来阻碍计算机的运算。因此，在经典计算机发展遇到瓶颈的状况下，量子物理学的发展就为人们认识大自然打开了新的大门，量子计算机也就应运而生。量子物理学诞生以来，尽管一直存在着争议，但是由于量子物理带给人们很多经典物理不允许的现象和能力，量子物理学引起了人们的极大兴趣，已经开始慢慢地影响到人类的生活，在现实生活中已经有了很多的应用。Rolf Landauer指出，信息是属于物理范畴的，信息与物理是不可分开的，信息的存储、处理以及传输等都离不开具体的物理系统，基于经典物理的信息称为经典信息，而编码于量子系统的信息就称为量子信息。量子信息处理学研究的是如何利用对量子信息的操控来完成各种经典信息学中无法实现的任务。量子信息处理的范围很广，有代表性的两类是量子通信和量子计算。
量子计算的概念最早是由Feynman等人在上个世纪80年代提出的，它是一种按照量子力学原理运用的计算方式，不同于经典计算，即突破了模拟需要的经典比特数目随着要模拟的量子系统的增大指数的增大的问题，相应之量子计算将阻碍经典计算发展的量子效应完全利用起来，因此它也具备了突破经典计算机极限的可能。1985年，Deutsch首先提出了量子计算的可能，他指出利用量子系统和量子操作构建的计算线路比经典计算要快得多，这之后量子计算引起了人们越来越多的关注。1994年，Shor提出了大数质因子分解的量子算法，而大数质因子分解与传统的加密原理有着紧密的关系，因而Short算法极大地推动了量子计算的发展，Grover提出的搜索算法又进一步展示了量子计算的优势。同时，对于量子计算的物理实现，人们已经尝试在核磁共振、离子阱、量子微腔、超导约瑟夫森结等物理体系中来实现量子比特操作。综上总结为人们认识到量子计算机相对于经典计算的优势，很多利用经典计算机不可能解决的问题利用量子计算机是可以解决的。
量子通信主要是研究利用量子手段传递和处理信息，相比于经典通信，量子通信有很多优势，比如可以绝对安全地传输信息、更高效地通信以及实现经典通信无法实现的通信方式，比如量子隐形传态（quantum teleportation）等。其中一个有名的也是最接近实际应用的例子是量子密码，自从1984年第一个量子密码方案提出后，量子密码术引起人们越来越大的兴趣，与经典密码术的安全性依赖于计算复杂度不同，量子密码是绝对安全的，是由量子力学基本定律决定的。补充一点，C.H.Bennett、G.Brassard、C.Crepeau等六人首次利用经典通道和量子通道提出了未知量子态的传输的理论方案，随后该方案在D.Bouwmeester，J-W.pan等人的合作下载实验上得以实现。
而作为量子信息学的一个重要分支，量子模拟有着很多经典计算模拟无法比拟的优势。例如在很多微观量子系统里，对于连续变量的量子系统的模拟，经典的计算的模拟需要耗费大量的内存和计算时间才能得到结果，若是换成量子模拟只需极短的时间和极少的资源就能轻松完成，并且在最后的结果上，量子模拟也有着极高的精确度。
量子信息处理理论的发展激起了人们对于实验上实现量子信息处理，尤其是实现量子计算机的广泛研究。量子信息的基本单元是量子比特（qubit），即一个二维的量子系统，由于这样的量子系统有很多，因此存在很多实现量子信息处理的可能。
而量子信息模拟的众多尝试中光子系统是一个被认为很有发展前景的系统，因为光子系统有很多的优点，这里给出以下几点：第一，光子的消相干时间很长，即光子态不容易受外界环境的影响。这一点相比其他很多系统有很大优势，因为很多量子系统中的量子态与外界环境的耦合很强，很容易发生消相干。第二，光子是“飞行量子比特”的天然选择，这一点目前还没有哪一个量子系统可以替代，使得光子系统在量子密码以及远距离量子信息处理中发挥着不可替代的作用，而且较成熟的经典光通信中的很多实验技术手段都可以用于量子信息处理。第三，对于常用的量子比特编码，光子的偏振模式或路径模式，可以很容易、快速且高保真度地利用线性光学元件实现单量子比特操作。第四，光子态的制备较为容易实现，较为成熟的非线性光学技术和激光技术为光子偏振态的制备提供了坚实基础。
