量子信息处理
2025年诺贝尔物理学奖颁给了三位在量子领域做出突出贡献的物理学家. 量子信息是量子力学与信息技术相结合的新兴交叉学科, 涉及物理学、计算机科学与技术、电子信息科学与技术等领域. 量子信息包含量子计算、量子通信、量子精密测量三大研究方向. 量子计算聚焦量子计算机研发及适配算法设计, 旨在通过量子力学基本原理实现算力突破. 量子通信具有感知窃听的能力, 理论上具有无条件安全性, 可为通信提供高级别的安全性保护. 量子精密测量通过操控量子态可突破经典测量精度极限, 实现高精度测量. 量子科技是国际前沿, 世界各国高度重视量子科技的发展.
受《物理学报》编辑部委托, 我们邀请了国内若干活跃在该领域前沿的专家撰稿, 组织了以短篇综述为主的“量子信息处理”专题, 从不同视角为读者呈现量子信息科技领域的前沿进展, 旨在促进学术交流并激发新的研究思路. 本专题内容涵盖多个重要议题, 较为全面和深入地介绍了多种量子信息技术的最新进展及应用. 研究内容可分为两大类: 一是从理论和实验两方面介绍量子通信的最新研究进展, 包括光子集成的量子密钥分发和量子随机数生成器近期研究进展, 量子秘密共享现状与展望, 量子身份认证研究进展, 以及量子无噪声线性放大研究现状与展望; 二是对量子资源特性和量子态的高效制备进行综述报道, 包括三味中微子振荡的量子资源特性相关研究和量子多模下的非局域量子纠缠制备等.
本专题介绍了量子信息技术近年来在理论和实验方面的突破, 也突显了量子信息对未来科技、军事、经济等领域的深远影响, 可为相关领域的研究者提供有价值的参考, 也希望吸引更多的学者加入到量子信息的研究中来, 为我国在该领域的蓬勃发展注入新鲜活力.
2025, 74 (21): 210302.
doi: 10.7498/aps.74.20250920
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量子通信具有感知窃听的功能, 这是其区别于经典通信而独有的优势, 能够为信息安全提供新的保障. 在实际应用中, 量子通信具有绝对安全性的前提是所有通信方均是合法通信方, 然而, 这在实际通信环境中难以保证, 为量子保密通信带来安全性隐患. 因此, 在通信之前对通信方进行身份认证具有重要意义. 量子身份认证利用量子力学基本原理在通信方之间实现单向或双向身份认证, 并能确保身份认证码的绝对安全, 在量子通信领域具有重要的研究价值. 本文系统地梳理了量子身份认证协议的研究历程, 根据所需的不同量子资源对基于单光子、纠缠态、连续变量、混合型变量的量子身份认证协议进行介绍, 又根据身份认证过程中使用的量子协议类型, 介绍了基于量子密钥分发、量子安全直接通信、量子隐形传态以及乒乓协议框架的量子身份认证协议, 并分析各类协议在效率、安全性及实用化方面的优缺点. 最后, 详细地介绍了最新的量子身份认证协议——基于GHZ态的多方同步身份认证协议以及具有身份认证功能的极化-空间超编码的三方量子安全直接通信协议, 并对量子身份认证的未来发展方向以及在量子通信领域的应用潜力进行展望. 本综述可为未来量子身份认证的实用化发展提供理论支持.
2025, 74 (19): 190302.
doi: 10.7498/aps.74.20250865
摘要 +
量子通信基于量子力学基本原理实现信息的安全传输. 光子是量子通信中重要的信息载体. 基于光子的量子通信协议需要在通信双方传输光子, 但传输过程中由于环境噪声的存在不可避免地会发生光子传输损耗. 光子传输损耗极大地降低了长距离量子通信的通信效率, 甚至威胁通信安全, 成为实现长距离量子通信的主要障碍. 量子无噪声线性放大(noiseless linear amplification, NLA)是抵御光子传输损耗的重要方法, 它通过局域操作和后选择, 可有效地提高输出态中目标态的保真度或平均光子数, 且完美保留目标态的编码信息. 因此, 在量子通信中使用NLA技术可有效克服光子传输损耗, 延长通信距离, 对于实现远距离量子通信具有重要意义. 近年来, 研究人员提出了许多NLA方案, 并完成了部分方案的实验演示, 证明了NLA的可行性. 本文重点介绍在离散变量和连续变量量子系统中针对不同量子态的NLA方案, 并总结了几个具有代表性的NLA实验, 最后, 对NLA技术进行总结和展望. 本综述可为未来长距离量子通信网络的实用化发展提供理论支持.
2025, 74 (16): 160304.
doi: 10.7498/aps.74.20250791
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量子密钥分发凭借其信息理论层面上的无条件安全性及窃听可探测性等独特优势, 在金融、政务、国防等安全敏感领域展现出广阔的应用前景. 集成光子学技术通过将传统量子密钥分发系统的核心器件高密度集成于单一芯片, 显著提升了系统的小型化程度、成本效益与长期稳定性, 是实现量子密钥分发规模化工程应用的核心技术路径. 本文系统综述了近期基于不同材料平台与架构的光子集成量子密钥分发实验进展, 以及用于生成真随机数的集成量子随机数生成器的最新研究动态. 该综述旨在为未来芯片化量子保密通信技术的发展提供技术路线指引.
2025, 74 (16): 160302.
doi: 10.7498/aps.74.20250589
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非局域量子纠缠是未来量子网络的一种核心资源. 局域产生的量子纠缠在通过量子信道传输时呈现指数衰减的分发效率, 大幅降低了量子网络节点之间生成非局域量子纠缠的效率. 该问题在涉及多对非局域量子纠缠的实际量子技术中将进一步加剧. 空间多模、时间多模以及频率多模等经典多模技术在一定程度上加快了非局域量子纠缠的生成速率, 但并未提升单次信道传输效率. 量子多模技术基于单光子的高维编码, 能够在一次量子信道传输中, 在量子网络节点间同时生成多对非局域量子纠缠. 因此, 量子多模有望提升涉及多对非局域量子纠缠的实际量子技术的性能. 本文介绍了基于量子多模的非局域量子纠缠生成机制, 讨论基于高维单光子传输和高维双光子纠缠分发的量子多模技术在实现非局域量子纠缠中的特点, 分析量子多模在加速非局域量子逻辑纠缠生成中的应用, 并展望其在构建大规模量子网络中的潜在优势.
2025, 74 (16): 160301.
doi: 10.7498/aps.74.20250586
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随着量子通信和量子计算的快速发展, 人们对数据隐私保护和分布式量子信息处理的需求不断增高. 量子秘密共享作为经典秘密共享的量子延伸, 借助量子力学的基本原理可以在多方之间安全地共享信息, 提供了信息安全的新范式. 作为多方安全量子通信和分布式量子计算的重要基础, 量子秘密共享一经提出便受到广泛关注. 当前, 量子秘密共享研究已经包含经典和量子的场景, 在理论与实验上不断取得新的进展. 但在实际应用中仍然面临着量子信道噪声、设备不完美及量子资源受限等诸多困难和挑战, 实用性和安全性仍然难以兼顾. 本文将简要介绍不同技术路线下量子秘密共享的研究现状, 总结近年来量子秘密共享的发展趋势, 并对其未来的发展方向进行讨论和展望.
2025, 74 (7): 070301.
doi: 10.7498/aps.74.20250029
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中微子振荡是一个有趣的物理现象, 其量子性能够在宏观距离的振荡上得以保持并被检测到. 中微子振荡的量子资源特性是一个值得探索的主题, 这种在粒子物理学和量子信息学之间建立起的联系, 对于研究基本粒子的基本性质以及探索将中微子作为一种资源应用于量子信息处理的可能性而言, 都有着重要意义. 因此, 中微子物理学与量子信息理论的交叉研究受到了越来越多的关注. 这篇综述主要介绍利用量子资源理论来表征三味中微子振荡的量子资源特性, 包括量子纠缠、量子相干、量子非局域性和熵不确定度等. 除此之外, 还介绍了三味中微子振荡中的量子资源理论的权衡关系, 主要基于单配性关系和完全互补性关系, 这些权衡关系可以帮助我们有效理解量子资源如何在中微子振荡中转化和分配. 中微子振荡的量子信息理论研究仍处于不断发展中, 期望本综述能为该领域的发展带来启示.
