什么是量子信息科学？

最近，2022年诺贝尔物理奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·塞林格，以表彰他们对纠缠光子实验、证明违反贝尔不等式和开创性量子信息科学的贡献。那么什么是量子信息科学（以下简称“量子信息学”）呢？

量子信息学是量子力学与信息学交叉形成的边缘学科。近年来，该学科给经典信息科学带来了新的机遇和挑战，量子的相关性和纠缠性给计算科学带来了迷人的前景。量子信息学的诞生和发展极大地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，进一步验证了量子理论的科学性。

量子信息学主要是一个新兴的科学技术领域，由物理科学和信息科学等学科交叉融合而成。以量子光学、量子电子等学科为直接理论基础，以计算机科学技术、通信科学技术为主要技术基础，研究量子信息的生成、发送、传输、接收、提取、识别、处理、控制及其在各相关领域的最佳应用。

量子信息学主要包括光量子信息学、量子电子信息学和生物光子信息学三个方面。其中，光量子信息学是量子信息学的核心和关键；在光量子信息学中，光量子信息科学与技术的核心和关键是研究和制备各种单模、双模、多模光场压缩态，利用各种双光子甚至多光子纠缠态实现量子隐形传态；同时，这也是实现和开通所谓“信息高速公路”的起点和开端。

量子信息学的主要任务是开展量子信息科学的基础研究，包括量子编码、量子算法、量子信息理论等。二是开展量子光通信领域的研究，包括量子密码、量子隐形传态等。三是开展全光量子计算机的开发开发。四是以光子为信息和能量载体，以全光量子计算机为发送和接收终端，以光缆为光量子信息的主要通道，借助人工通信卫星等空间技术工作。

量子比特是量子信息中最常见的单位(qubit)——也就是说，量子系统只有两种状态。然而，与经典的数位状态不同，一个二状态量子系统实际上可以在任何时候叠加两种状态，这也可以是本征状态。量子比特可以假定为“0”或“1”两种状态，这两种状态同时叠加。量子计算非常有必要正确地理解、解释和跟踪它们的状态；但通常，监控量子比特会损害其信息内容。全新的信息计算、编码和信息传输方式是通过量子系统的各种相关特性进行的。

据报道，由中国科技大学潘建伟教授领导的研究团队最近实现了100公里自由空间的高精度时间频率传递；这是量子信息学领域的重大突破。事实上，量子信息学在各个方面都影响了我们的日常生活。计算机、手机、互联网、时间标准和导航，包括医院的磁共振成像，都得益于量子科学和技术。量子信息学的广泛应用最终将把人类社会带入量子时代，实现更高的工作效率、更安全的数据通信和更方便、更绿色的生活方式。

文/李阳(作者:丹麦科技大学信息技术与数学建模系)