在奧地利維也納大學從事合作研究的中國科技大學教授潘建偉博士及其同事最近在量子信息領域取得重大突破，英國《自然》雜志5月22日以封面文章的形式作了報道。那么，什么是量子信息呢？

　　建立在20世紀物理學支柱之一的量子力學基礎之上的量子信息學，是一門利用微觀粒子的量子力學原理來解決經(jīng)典信息學和經(jīng)典計算機所不能解決的問題的學科，因此量子信息學是量子力學和信息學的交叉科學。量子信息學最重要的兩個應用方向是量子通信和量子計算。由于其潛在的應用價值和重大的科學意義，量子信息學作為最近十幾年來迅速發(fā)展起來的新興學科，正在引起各方面越來越多的關注。

　　也許有人會問：量子力學的原理在很久以前就被物理學家們廣泛接受并成為物理學的基礎，那為什么信息理論和計算理論的這個新發(fā)展卻沒有早些到來呢？這或許是因為信息理論和計算理論的奠基者們，比如香農(nóng)、圖靈和馮·諾伊曼，過于習慣于把信息處理考慮成宏觀過程，而在他們之前也沒有出現(xiàn)不斷變小的微電子器件等這樣有力的例證表明信息的處理可以是微觀的過程。

　　大家知道，經(jīng)典信息處理的最基本單元是比特(Bit，即二進制數(shù)0或1)。一個按照一定數(shù)學規(guī)則給出的隨機二進制數(shù)據(jù)串就構(gòu)成一個密鑰，經(jīng)典通信中最難解決的問題是密鑰分配問題。由于密鑰分配不是絕對保密的，經(jīng)典密碼也就不可能絕對保密。然而，基于量子力學線性疊加原理和不可克隆定理的量子密鑰分配卻可以解決這個問題。另外，經(jīng)典計算中存在著一大類NP問題(難解的非指數(shù)問題)，即問題的復雜度隨著比特位數(shù)的增長而指數(shù)上升。這類問題在經(jīng)典計算機上是不能計算的，但是量子計算可以把其中的一部分NP問題變成P問題(容易求解的指數(shù)問題)，即問題的復雜度隨著比特位數(shù)的增長以多項式上升。這類問題原則上是可以計算的。一個具體的例子就是大數(shù)分解定理，按經(jīng)典計算復雜性理論，這個問題不存在有效算法，所以被利用來進行經(jīng)典密鑰分配。但是如果用量子計算機，使用Shor量子算法，這個問題就變成了P問題。例如，為了對一個400位的阿拉伯數(shù)字進行因子分解，目前最快的超級計算機將耗時上百億年，這幾乎等于宇宙的整個壽命；而具有相同時鐘脈沖速度的量子計算機只需要大約一分鐘。因此，對于目前的密碼系統(tǒng)，即使人們幾乎無法利用經(jīng)典算法對其進行破解，但一旦人們擁有了一臺量子計算機，那么目前的密碼系統(tǒng)將毫無保密性可言！這一后果是對目前的密碼系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)，因而對基于經(jīng)典保密系統(tǒng)的行業(yè)(如軍事、國家安全、金融等)的信息安全構(gòu)成根本的威脅。因此，為了保證這些領域的信息安全，也為了拓寬人類對微觀世界的認識，發(fā)展量子信息學刻不容緩：一方面，開發(fā)由量子力學基本原理保證其保密性的量子密碼系統(tǒng)，另一方面，研制按照量子力學基本原理運行的量子計算機。為此，世界很多國家都投入了巨大的人力和財力積極地進行相關研究。

　　如上所述，量子信息學確實有著很重大的應用價值，如果實現(xiàn)，將是人類生產(chǎn)力的又一次飛躍，迄今為止，科學家還只能實現(xiàn)由少數(shù)幾個計算單元的量子計算機；基于單光子的量子密碼實驗已經(jīng)可以達到100公里的量級。但是要進行實用的、長程的量子通訊還需要更多的努力。在這方面，潘建偉博士及其合作者分別在奧地利和中國科技大學進行的實驗研究為未來的量子遠程通信提供了重要的基礎。