量子信息科学

学科

量子信息科学是量子力学与信息学交叉形成的一门边缘学科。近年来，量子信息学给经典信息科学带来了新的机遇和挑战，量子的相干性和纠缠性给计算科学带来迷人的前景。量子信息科学的诞生和发展，反过来又极大丰富了量子理论本身的内容，深化了量子力学基本原理的内涵，并进一步验证了量子论的科学性。

发展动态

量子信息科学(简称量子信息学)，主要是由物理科学与信息科学等多个学科交叉融合在一起所形成的一门新兴的科学技术领域。它以量子光学、量子电动力学、量子信息论、量子电子学、以及量子生物学和数学等学科作为直接的理论基础，以计算机科学与技术、通信科学与技术、激光科学与技术、光电子科学与技术、空间科学与技术(如人造通信卫星)、原子光学与原子制版技术、生物光子学与生物光子技术、以及固体物理学和半导体物理学作为主要的技术基础，以光子(场量子)和电子(实物粒子)作为信息和能量的载体，来研究量子信息(指光量子信息和量子电子信息)的产生、发送、传递、接收、提取、识别、处理、控制及其在各相关科学技术领域中的最佳应用等。量子信息科学主要包括以下3个方面：量子电子信息科学(简称量子电子信息学)、光量子信息科学(简称光量子信息学)和生物光子信息科学(简称生物光子信息学)。其中，光量子信息科学是量子信息科学的核心和关键；而在光量子信息科学中，研究并制备各种单模、双模和多模光场压缩态以及利用各种双光子乃至多光子纠缠态来实现量子隐形传态等等，则是光量子信息科学与技术的核心和关键；同时，这也是实现和开通所谓的“信息高速公路”的起点和开端。因此，研究并制备各种光场压缩态和实现量子隐形传态是光量子信息科学与技术的重中之重。

量子信息科学的主要任务就在于：①开展基础量子信息科学领域的研究工作，其中包括：量子信息科学的物理基础、量子编码、量子算法、量子信息论等；②开展量子光通信领域的研究工作，其中包括：量子密码术、量子隐形传态、“量子隐形传物”和量子概率克隆等；③开展全光量子计算机的开发与研制工作；④以光子作为信息和能量的载体，以全光量子计算机作为发送与接收终端，以光缆作为光量子信息的主要通道，同时借助于人造通信卫星等空间技术，首先在国内建立局域网量子保密通信体系，并将其率先用于国防科技领域以便提高国家的安全防卫能力。即在国内初步开通局域网“信息高速公路”；⑤根据全球一体化进程，并选择适当的时机，将国内的局域网“信息高速公路”并入国际网络体系之中，最终实现全球一体化的真正科学意义上的“信息高速公路”。⑥为保障在“信息高速公路”开通之后国家的信息安全不受任何威协，那么，就必须在“信息高速公路”开通之前加大力度，重点研究和建设好国家局域网新型量子安全体系。

当前，量子信息科学领域的研究工作在国际上刚刚起步，我国在这一领域的研究工作与国际同步，并且在许多方面居于国际领先地位。以郭光灿教授为首的中国科技大学的研究集体，在单、双模量子信息学的理论研究方面取得了大量的开创性的研究成果，从而为我国量子信息科学的高速发展，奠定了十分重要的理论基础。以彭堃墀教授为首的山西大学的研究群体，则在单、双模压缩态光场等量子信息学的实验技术研究方面取得了一系列重大的开拓性和开创性的研究成果；特别是，原子的激光冷却与捕获，以及量子隐形传态在实验上的实现等等，为我国量子信息科学的飞速发展奠定了坚实的实验基础。

但是，上述的研究工作主要集中在单、双模量子信息科学领域，而对于多模(指光场的多纵模)量子信息科学则几乎没有涉及。

发展趋势方向

当前及21世纪人们应将主要研究目标集中在以下两个方面：

第一，继续发展和完善单、双模量子信息科学，其中包括：①继续开展单、双模光场压缩态领域的研究工作，力争在较短的时间内使各种单、双模光压缩器件全固化、小型化和集成化；②利用双光子及多光子纠缠态深入开展各种光子体系的量子隐形传态，力争使其研究成果器件化、产品化和产业化，并由此向“量子隐形传物”的方向逼近；③继续在单、双模光场领域开展全光量子计算机的硬件实现问题的研究工作，力争在较短的时间内研制出我国第一台全光量子计算机，并在此基础上进一步率先开通国内的局域网“信息高速公路”，以便使我国在这一学科领域的研究上再度走在国际前列。

第二，建立、发展和完善多(纵)模量子信息科学。其中包括：①深入开展多模光场压缩态领域的理论与实验技术研究工作，力争研制成功我国第一台多模光压缩器件，促使多模光压缩器件产品化和产业化，并在此基础上进一步实现全固化、小型化和集成化等等；②在多(纵)模光场领域开展各种量子隐形传态等领域的研究工作并力争使其器件化、产品化和产业化；③开展以多(纵)模光场压缩态为基础的全光量子计算机领域的理论与技术探索工作，力争研制成功首台适用于多(纵)模非经典光场的全光量子计算机，以便为“信息高速公路”的全面贯通打好物质基础；④建立、发展和完善多纵模量子信息理论；⑤建立、发展和完善多纵模量子光通信理论等等。从而在以上研究的基础上，全面建立多纵模量子信息科学与技术的完整体系，最终使我国与世界其它国家拉大差距并远远走在国际前列。

未来发展

量子科学和技术其实已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航，包括医院里的磁共振成像等等，无一不得益于量子科学和技术。

用发展的眼光看，随着微纳加工、超冷原子量子调控等技术的不断进步，人类将能够制备出越来越复杂、功能越来越强大的各种人造量子系统。例如包括量子计算机芯片在内的各种量子电路，其功能和信息处理能力将远远超过我们正在使用的经典芯片，并且更加节能；再如可望制备出达到量子极限的能量收集和转换器件，将引发能源变革；也有望大幅提升对时间、位置、重力等物理量超高精度的测量，不仅实现超高精度的潜艇定位、医学检测等，也将加深对物理学基本原理的认识。

总之，量子科学和技术的广泛应用最终将把人类社会带入到量子时代，实现更高的工作效率、更安全的数据通信，以及更方便和更绿色的生活方式。

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