【深度】量子态和量子测量态的特性与应用
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今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家栾添、张雪松、张先超、南京电子技术研究所专家夏凌昊、冯志军、西南通信研究所专家徐兵杰、黄伟、中国电科32所周明、江文兵、中国电科38所专家王晓飞、葛鹏。本篇节选自论文《量子态和量子测量态的特性与应用》，发表于《中国电子科学研究院学报》第15卷第2期。
摘 要：量子信息技术是基础性创新，是信息技术发展的颠覆性前沿。面向量子信息技术应用，研究工作阐述了量子态的离散性、随机性、叠加性、纠缠性等四个关键特性，提出了量子测量态的离散性、概率性、多样性、关联性等四个对应特征，描述了这些特性在当前以及未来量子信息系统中的应用场景和目标，并按照这些特性的应用程度给出了量子信息系统代际划分。研究工作通过分析量子态和量子测量态的特性，在量子信息科学与量子信息工程应用之间架起了一座桥梁，对量子信息技术在信息感知、信息存储、信息处理、信息传递、信息应用等信息过程中的创新应用具有重要意义。
关键词: 量子调控；标准量子极限；量子态；量子测量态；量子信息系统
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论文全文摘编如下
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引 言
量子信息技术是基础性创新，是信息技术发展的颠覆性前沿。2016年，欧盟启动量子技术旗舰项目“量子宣言”。2018年，美国通过“国家量子计划法案”。量子信息科技革命是我国从电子信息技术的跟踪者、模仿者转变为未来信息技术的引领者、开创者的历史机遇。顶层设计的技术途径之一是：聚焦信息技术形态量子化，探索信息系统形态量子化，从量子通信、量子计算、量子精密测量、量子元器件等方面开展基础研究工作，构建量子信息系统。可以用过程“是否进行了量子调控？”，以及结果“是否突破了标准量子极限？或是否不可克隆？或是否不消耗能量？”来区分经典信息系统和量子信息系统。因此，调控的量子态和量子态的测量结果（量子测量态），也就成为量子信息技术应用研究的基础问题。
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量子态及其特性
1 量子态
建立“量子态”概念，是量子信息技术应用的基础。量子态是微观量子系统的状态，在数学模型上可以用波函数描述。量子态主要有四个特性：离散性、随机性、叠加性和纠缠性。这个四个特性颠覆了经典物理的某些根深蒂固的观念，建立了新的科学世界观。这些特性已经得到了物理实验支持，如杨氏双缝电子干涉实验、惠勒延迟选择实验、普朗克“黑体辐射”实验、爱因斯坦“光电效应”实验、大BELL实验等等。这些特性也得到了充分的思考争辩，如爱因斯坦、玻尔等量子物理开拓者关于EPR佯谬的争论。如图1所示，在微观量子世界里，能量不再是连续的，粒子不再只具有粒子特性同时还具有波动性，由于量子关联，两个纠缠对还具有超距相互作用。这些违背经典物理常识的特性，只因为“能量子”这一假设。
图1 量子态及其特性
2 量子态的特性
量子态具有离散性、随机性、叠加性和纠缠性等特性。这些微观世界的特性不符合人们从宏观世界获得的常识，如：物理实在、能量连续、确定规律、因果关系等。
（1）离散性
正如普朗克公式的描述，离散性是指能量子是一份一份的离散形式，而不是连续的形式。
E = hv（公式一）
其中，E是能量，h是普朗克常数，v是频率。离散性颠覆了人们“能量连续”的常规认知，其实验证明主要有“黑体辐射”和“光电效应”。
（2）随机性
随机性是指如果一个量子态由若干个基态叠加而成，那么在不操控的条件下，对量子态的测量结果是真随机的，即各基态出现的概率相同。随机性颠覆了人们“确定规律”的常规认知。
（3）叠加性
叠加性是指某些量子态共存于同一时空。叠加性颠覆了人们“物理实在”的常规认知，“薛定谔既死又活的猫”和“费曼树旁同过的滑雪者”在宏观世界是不可思议的。叠加性同时还是量子计算模拟的理论基础，单量子叠加态，即量子比特（Qubit）。叠加性可以通过电子的杨氏双缝干涉实验和惠勒延迟选择实验证明。
（4）纠缠性
量子态的纠缠性是指：当两个量子态处于纠缠状态时，如果对其中一个量子态进行测量（得到这个量子态的基态），那么另一个量子态会坍缩到相应的量子态基态上，且实验过程中没有发现两个量子态之间的已知力的相互作用。纠缠性颠覆了人们对“因果关系”的常规认知，建立了更为普遍的“关联关系”。
量子测量态及其特性
1 量子测量态
量子测量态是对物质的量子态进行测量得到的物理结果。量子测量态是可以“眼见为实”的物理量，明晰量子测量态的概念要把握三点特征：
量子测量态是对能量子（量子）的测量；
量子测量态是量子的可测量的物理状态；
量子测量态是依据测量结果总结的规律。
量子测量态的物理量是经典的物理量，例如：光子偏振、光子相位；原子能级、离子能级、量子点能级；动量、位置等。相应的操控手段有线性光学元器件、电磁波（激光/微波）等等。用电磁场微波等手段操控的其实是原子外层的量子电子。
2 量子测量态的特性
量子测量态作为量子态的测量结果同样具有四个特性，如图2所示，并且同量子态的四个特性是一一对应的关系，可以认为量子测量态是量子态测量后在特定坐标轴上的投影，而通过多次测量，量子测量态也可以重构为量子态。
图2 量子测量态及其特性
（1）离散性
测量实验表明，微观世界中的能量是一份一份的、不连续的，或者频率是固定的，这称为测量结果的离散性。测量前后，普朗克公式：E=hv没变，其中的频率v的值是离散的整数，能量E的取值也是分立的。离散性在量子态和“量子测量态”中所对应的含义是一致的。无论是测量前还是测量后，微观世界中最小的能量单元仍然是“量子”。
（2）概率性
概率性的物理表现为对同一量子系统进行多次测量，每次得到的测量结果是概率的。例如：45度的偏振光子，用竖直或水平偏振片测量，接收到光子的概率和没有接收到光子的概率是相同的，换而言之，有没有光子透过偏振片这一事件是概率性的。
（3）多样性
多样性是指对同一量子系统进行多次测量，可以得到多个特征状态（本征态）。例如：对处在叠加态上的氢原子核外层的单个电子进行测量，对其进行激发然后测量其跃迁产生的光子的频率谱线。由于电子的量子态由N个本征态组成，因此测量得到的光子频率也有N种可能性，表现了量子物理态的叠加性。
（4）相关性
相关性在指测量某些纠缠量子体系时，测量其中一个量子系统得到的物理态a、测量另一个量子系统得到的物理态b，物理态a和物理态b之间具有某种相关关系，如：正相关和反相关，或复杂关联关系。
量子信息技术应用
1 从利用到调控
第一次量子革命始于二十世纪初，量子理论为人类打开了探索微观世界的大门。应用量子力学方法，研究固体内部电子运动的能带理论，直接促进了微电子技术的发展，发明了电子管、三极管、场效应管，改进后直接造就了电子计算机，强大的信息处理能力极大地推动了经典信息技术的革命。第一次量子革命，利用量子理论，规避量子效应，载体传递的是经典信息。
第二次量子革命直到二十世纪末才开始，基于物质的量子特性本身来开发量子元器件，以量子态为基本单元直接操控量子。典型的应用如基于量子态叠加特性开发的可以进行并行计算的量子计算机，基于量子态纠缠特性开发的量子雷达，基于量子态概率特性开发的量子保密通信等等。第二次量子革命，利用量子理论，在信息的过程中直接对量子态进行调控，所得到的处理结果可以突破标准量子极限。
2 离散性的应用
（1）单光子增强接收雷达
单光子增强接收雷达，是一种基于单光子检测的激光测距雷达。发射采用激光脉冲，接收采用超导纳米线，最好的外场实验数据是青海湖的132公里测距和青岛的40公里测距。单光子增强接收雷达的检测精度可以达到标准量子极限，优点包括量子效率高、暗计数少、探测死时间短等，同时存在所需工作温度低、动态范围小等问题。
（2）单光子阵列成像系统
单光子阵列成像系统，一般发射调制激光作为光源，接收采用高量子效率单光子探测器，如InGaAs盖革雪崩焦平面探测单光子，按照时间关联单光子计数获取三维距离信息。单光子阵列成像利用光量子的分立特性提高灵敏度，只需要少量的脉冲照射，就可以实现三维成像，通过DMD扫描，还能够提升三维成像质量，缺点是易受干扰、成像时间长。
（3）单光子偏振量子密钥分发
2016年全线贯通的“京沪干线”光纤量子保密通信骨干网，主要采用单光子偏振分发量子密钥技术。单光子密钥协议，也是目前最主流QKD协议（以BB84、诱骗态协议为代表）具有传输距离长的优点，但与经典信号兼容性相对较差、成本高，适用于城际、星地远距离量子通信。连续变量协议（以GG02协议为代表）传输距离稍短，但实现难度较小、成本低、与现有光纤网络融合性好，适用于城域中短距离量子通信。量子密钥分发的工程应用应综合应用这两种技术。
3 叠加性的应用
（1）量子计算模拟
随着半导体CMOS集成电路技术不断接近摩尔定律极限，作为一种具有更高运算速度和更低能耗的新一代量子计算机正得到越来越多国家和研究机构的关注。量子计算机利用叠加性和纠缠性，进行大规模并行计算，计算能力随量子比特位数的增加呈指数增长，理论上拥有50个有效量子比特的量子计算机性能可以超过目前世界上最先进的超级计算机，实现量子霸权。量子计算的物理实现途径众多，发展迅速且具有产业化潜力的方案主要有：超导量子计算、核磁共振、囚禁离子阱、光学方案、拓扑量子、半导体量子点等。
（2）量子照明雷达
在室温条件下，可以采用Nd:YAP，KNbO3等非线性光学晶体，利用二阶非线性效应，通过光参量放大/振荡（OPO/OPA）过程产生压缩真空场，调控发射光量子携带的信息；接收采用超导边缘检测TES（需要mK级制冷机）。量子照明雷达有可能获得超越标准量子极限的检测精度。
4 随机性的应用
（1）随机数发生器
量子随机数发生器是一种原理可证的真随机数生成器，利用量子的随机性，实时产生随机数的速率>5.4 G bits/s，离线产生速率大于117G bits/s，随机性能通过国军标、商密标、NIST-STS、Diehard等标准检验。近期量子随机数发生器的研发目标是，小型化低功耗，速率≥10Gbps。
（2）单光子偏振阵列成像
单光子偏振阵列成像，采用准单光子源，经PBS晶体线性调制偏振，形成4种偏振量子态随机出现的发射光源；接收使用PBS晶体和单光子探测器，其中PBS用于概率测量偏振态，单光子探测器用于测量光子数，按照量子密钥分配协议安全成像，其代价是成像效率降低。
5 纠缠性的应用
（1）光量子同步授时系统
光量子同步授时系统，利用量子纠缠特性，同等条件下同步精度可比传统同步精度提高2-3个数量级，还能更好地保证系统安全性。
（2）偏振纠缠量子成像系统
偏振纠缠量子成像系统，发射光源采用参量下转换器制备偏振纠缠态光源；接收先经参量上转换器，从而提高量子探测效率，再经量子优化探测，降低错误检测概率，最终通过符合探测器测量纠缠性。偏振纠缠量子成像系统在安全性、精度和灵敏度等方面就有优势，缺点是易受干扰且成像时间长。
6 量子信息系统划代
从量子信息技术的应用案例可见，经典信息系统与量子信息系统有一个显著的区分标识：是否进行了量子调控？量子调控是指在认识量子现象和规律的基础上，通过开发新材料、构筑新结构、发现新物质态以及改变外场条件等手段对量子现象进行调控和开发利用，突破经典调控的极限，建立全新的量子调控技术和量子器件。因此，根据调控手段的应用情况，将量子信息系统发展划分为两个阶段，如表1所示。
表1 量子信息系统的代际
量子信息系统 | 离散性 | 概率性 | 叠加性 | 纠缠性 |
第一代 | 量子调控 | 量子调控 | —— | —— |
第二代 | 量子调控 | 量子调控 | 量子调控 | 量子调控 |
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结 语
量子信息技术的核心是量子调控，为了更好地应用量子信息技术，本文总结提炼了量子态的离散性、叠加性、随机性、纠缠性等四个关键特性，阐述了这四个特性在典型量子信息系统中的应用情况，创新性地提出了基于这四个特性的量子信息系统代际划分。着眼于未来量子信息技术应用，在把握这些基础之外，还需要关注我国在量子调控手段和量子材料方面的差距，重视量子信息技术标准与计量工作。
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