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量子物理学基本原理在现代信息技术中的基础地位 摘 要 量子物理是现代物理学中重要的基础理论，也是现代信息技术诞生与发展的源泉，现代信息技术是量子物理理论的技术应用。随着现代科学技术的飞速发展，量子物理学的先导和基础作用将更加显著和重要。 关键词 量子物理；现代信息技术；关系；原理应用 中图分类号：O41 文献标识码：A 文章编号：1673-75101（2022）15-0001-02 量子物理是人们相识微观世界结构和运动规律的科学，它的建立带来了一系列重大的技术应用，使社会生产和生活发生了巨大的变革。量子世界的奇异特性在提高运算速度、确保信息平安、增大信息容量等方面发挥重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技术已成为当前各国探讨与发展的重要科学技术领域。 随着世界电子信息技术的迅猛发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，同时信息平安、隐私问题等越来越突出。2022年5月美国“棱镜门”事务的爆发，引发了对爱护信息平安的高度重视，将成为推动量子物理科学与现代信息技术的交融和相互促进发展的契机。因此，充分相识量子物理学的基本原理在现代信息技术中发展的基础地位与作用，是促进现代信息技术发展的前提，也是丰富和发展量子物理学的须要。 1 量子物理基本原理 1）海森堡测不准原理。在量子力学中，任何两组不行同时测量的物理量是共扼的，满意互补性。在进行测量时，对其中一组量的精确测量必定导致另一组量的完全不确定，只能精确测定两者之一。 2）量子不行克隆定理。在量子力学中，不能实现对各未知量子态的精确复制，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必定变更量子的状态，无法获得与初始量子态完全相同的复制态。 3）态叠加原理。若量子力学系统可能处于和描述的态中，那么态中的线性叠加态也是系统的一个可能态。假如一个量子事务能够用两个或更多可分别的方式来实现，那么系统的态就是每一可能方式的同时迭加。 4）量子纠缠原理。是指微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生改变，另一个粒子状态随即发生相应改变。换言之，存在纠缠关系的粒子无论何时何地，都能“感应”对方状态的改变。 2 量子物理与现代信息技术的关系 2.1 量子物理是现代信息技术的基础与先导 物理学始终是整个科学技术领域中的带头学科并成为整个自然科学的基础，成为推动整个科学技术发展的最主要的动力和源泉。量子力学是20世纪初期为了解决物理上的一些疑难问题而建立起来的一种理论，它不仅说明了微观世界里的很多现象、阅历事实，而且还开拓了一系列新的技术领域，干脆导致了原子能、半导体、超导、激光、计算机、光通讯等一系列高新技术产业的产生和发展。可以说，从电话的独创到互联网络的实时通信，从晶体管的独创到高速计算机技术的成熟，量子物理开拓了一种全新的信息技术，使人类进人信息化的新时代，因此，量子物理学是现代信息技术发展的主要源泉，而且随着现代科学技术的飞速发展，量子物理学的先导和基础作用将更加显著和重要。 2.2 量子物理为现代信息技术的持续发展供应新的原理和方法 现代信息技术本质上是应用了量子力学基本原理的经典调控技术，随着世界科学技术的迅猛发展，以经典物理学为基础的信息技术即将达到物理极限。因此，现代信息技术的突破，实现可持续发展必需借助于新的原理和新的方法。量子力学作为原子层次的动力学理论，经过飞速发展，已向其他自然科学的各学科领域以及高新技术全面地延长，量子信息技术就是量子物理学与信息科学相结合产生的新兴学科，它为信息科学技术的持续发展供应了新的原理和方法，使信息技术获得了活力与新特性，量子信息技术也成为当今世界各国探讨发展的热点领域。因此，将来的信息技术将是应用到诸如量子态、相位、强关联等深层次量子特性的量子调控技术，充分利用量子物理的新性质开发新的信息功能，突破现代信息技术的物理极限。 2.3 现代信息技术对量子物理学发展的影响 量子信息技术应用量子力学原理和方法来探讨信息科学，从而开发出现经典信息无法做到的新信息功能，反过来，现代信息技术的发展大大地丰富了量子物理学的探讨内容，也将不断地影响量子物理学的探讨方法，有力地将量子理论推向更深层次的发展阶段，使人类对自然界的相识更深刻、更本质。近年来，随着量子信息技术领域探讨的不断深化，量子信息技术的发展也使量子物理学探讨取得了不少成果，如量子关联、基于熵的不确定关系、量子开放系统环境的限制等问题探讨取得了巨大进展。 3 基于量子物理学原理的量子信息技术 基于量子物理原理和方法的量子信息技术成为21世纪信息技术发展的方向，也是引领将来科技发展的重要领域。当前量子物理学的基本原理已经在量子密码术、量子通信、量子计算机等方面得到充分的理论论证和肯定的实践应用。 3.1 量子计算机量子叠加原理 经典计算机建立在经典物理学基础上，遵循一般物理学电学原理的逻辑计算方式，即用电位凹凸表示0和1以进行运算，因此，经典计算机只能靠以缩小芯片布线间距，加大其单位面积上的数据处理量来提高运算速度。而量子计算遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息。计算方式是建立在微观量子物理学关于量子具有波粒两重性和双位双旋特性的基础上，量子算法的中心思想是利用量子态的叠加态与纠缠态。在量子效应的作用下，量子比特可以同时处于0和1两种相反的状态（量子叠加），这使量子计算机可以同时进行大量运算，因此，量子计算的并行处理，使量子计算机实现了最快的计算速度。将来，基于量子物理原理的量子计算机，不仅运算速度快，存储量大、功耗低，而且体积会大大缩小。 3.2 量子通信量子纠缠原理 量子通信是一种利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。从信息学上理解，量子通信是利用量子力学的量子态隐形传输或者其他基本原理，以量子系统特有属性及量子测量方法，完成两地之间的信息传递；从物理学上讲，量子通信是采纳量子通道来传送量子信息，利用量子效应实现的高性能通信方式，突破现代通信物理极限。量子力学中的纠缠性与非定域性可以保障量子通信中的肯定平安的量子通信，保证量子信息的隐形传态，实现远距离信息转输。所以，与现代通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点，量子通信创建了新的通信原理和方法。 3.3 量子密码不行克隆定理 经典密码是以数学为基础，通过经典信号实现，在密钥传送过程中有可能被窃听且不被觉察，故经典密码的密钥担心全。量子密码是一种以现代密码学和量子力学为基础，利用量子物理学方法实现密码思想和操作的新型密码体制，通过量子信号实现。量子密码主要基于量子物理中的测不准原理、量子不行克隆定理等，通信双方在进行保密通信之前，首先运用量子光源，依照量子密钥安排协议在通信双方之间建立对称密钥，再运用建立起来的密钥对明文进行加密，通过公开的量子信道，完成平安密钥分发。因此量子密码技术能够保证： 1）肯定的平安性。对输运光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系，通讯会被中断，且合法的通信双方可觉察潜在的窃听者并实行相应的措施。 2）不行检测性。无论破译者有多么强大的计算实力，都会在对量子的测量过程中变更量子的状态而使得破译者只能得到一些毫无意义的数据。因此，量子不行克隆定理既是量子密码平安性的依靠，也给量子信息的提取设置了不行逾越的界限，即无条件平安性和对窃听者的可检测性成为量子密码的两个基本特征。 4 结论 量子物理是现代信息技术诞生的基础，是现代信息技术突破物理极限，实现持续发展的动力与源泉。基于量子物理学的原理、特性，如量子叠加原理、量子纠缠原理、海森堡测不准原理和不行克隆定理等，使得量子计算机具有巨大的并行计算实力，供应功能更强的新型运算模式；量子通信可以突破现代信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能；量子密码肯定的平安性和不行检测性，实现了肯定的保密通信。随着量子物理学理论在信息技术中的深化应用，量子信息技术将开拓出后莫尔时代的新一代的信息技术。 参考文献 1陈枫.量子通信：划时代的崭新技术N.解放军报，2022. 2曾谨言.量子物理学一百零一年回顾J.北京高校物理学科90年专题特约专稿，2003（10）. 3李应真，吴斌.物理学是当代高新技术的主要源泉J.学术论坛，2022. 4董新平，杨纲.量子信息原理及其进展J.许昌学院学报，2022. 5周正威，陈巍，孙方稳，项国勇，李传锋.量子信息技术纵览J.中国科学，2022（17）. 6郭光灿.量子信息技术J.中国科学院院刊，2002（5）. 7朱焕东、黄春晖.量子密码技术及其应用J.国外电子测量技术，2022（12）. 作者简介 蔡慧敏，男，本科，管理学硕士，物理学助教。 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页