第一章 量子信息与量子计算
当今社会正在步入高度信息化的时代，更高速的信息传输，更快速的信息处理与更大容
量的信息存储是人类永远追求的目标。20 世纪微电子技术的迅速发展，大大提高了电子计
算机集成电路的集成度，为现代信息化社会打下了物质基础。按照著名的“穆尔定律”，随
著集成电路集成度的日益提高，电路板蚀刻精度也将越来越高，中央处理器芯片上集成的晶
体管器件就会越来越密，这将迫使电路线宽不断狭窄，直至狭窄到不得不考虑运动在电路中
电子的波动性将在电路中产生新的物理现象--即量子效应（当电路线宽小于 0.1 微米）时，
现有的芯片制造理念及技术将达到极限。随着社会的进步和科技的发展，进入 21 世纪，面
对信息科学、面对计算机科学、面对社会高度信息化，我们将直面学科发展、社会需求所带
来的值得关注的、需要研究的、有待解决的若干重要课题：电子计算机是否存在极限的运算
速度？进而能否实现不可破译、不可窃听的保密通信？近年来，物理学者加入了解决这些问
题研究行列，他们设想用微观粒子作为信息的载体，构作利用量子效应工作的电子元件，在
量子力学理论之上研究信息的行为，成功地将量子理论和信息科学结合起来，孕育出量子信
息学理论，为信息科学的持续发展开创了新的空间。
利用微观粒子的状态表示的信息就称为量子信息。信息一旦量子化，描述“原子水平上
的物质结构及其属性”的量子力学特性便成为描述信息行为的物理基础，在此基础上研究信
息的存储、传输和处理的一般规律的学科称为 “量子信息学”。量子信息学是量子力学与
经典信息学结合的新兴学科，微观系统的量子特性为信息学带来许多令人耳目一新的现象，
在信息的表示、加工、处理和传输上生长出一些新的概念、原理和方法，量子信息与量子通
信将在未来的信息与通信的研究领域具有独特的不可替代功能，将发挥重要的作用。
以量子（微观粒子）状态载荷信息、实现信息存储，遵从量子力学规则实施信息的处理
与传输，量子信息的研究不断爆出惊人的结果，揭示出超越经典信息学与量子力学两个理论
体系本身所包含内容的预想不到的全新概念，完成了现代信息科学中以下两个根本性的发
现：
1．将经典信息 0 和 1（Shannon information）映射到量子状态上，依照量子状态的特
性对信息实施存储、传输和处理，此时出现（科学家发现）了若干基于经典信息理论认为是
不可能的“信息机能”。例如信道容量的超加法性等。
2．将量子状态的构造定义为量子信息，量子信息的定量化用 qubit 表示。遵从量子力
学规则存储、处理和传送量子信息，此时科学家观察到了量子力学预见的、但至今为止宏观
世界完全无法想象的有关量子计算机以及量子远程瞬间传送（teleport）实现信息通信等科
学技术。
两个根本性的发现在提高计算机信息的处理速度、增大信息的存储容量、确保信息的网
络状态安全、实现不可破译、不可窃听的保密通信等方面都可以突破现有的经典信息通信系
统的极限，并将为信息科学与通信技术带来根本性的重大突破，为计算机科学与技术的可持
续发展开辟了崭新空间。基于量子信息学理论的量子通信技术和量子计算机技术将会成为
21 世纪带给人类完美的礼物，对于改善人类的生活质量、保护地球环境、保卫国家安全、
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