关于量子信息思想发展史的研究
山西大学
硕士学位论文
关于量子信息思想发展史的研究
姓名：古卫芳
申请学位级别：硕士
专业：科学技术史
指导教师：郭贵春
20070601
中文摘要
本文共分为五部分，包括引言、量子信息基本理论、量子信息思想发展史、从
量子信息发展所得到的启示和结语五个部分。
在引言部分介绍了研究量子信息思想发展史的意义及国内外的研究现状和本文
所采取的研究方法一语境分析方法以及科学技术史家对其方法的引入。
’在量子信息基本理论中，介绍了量子信息的定义，并且对研究量子信息的目的
做了分析，指出量子信息的研究已经不仅仅是科学自主发展的结果，在其发展过程
中已经不可避免地参与了国家的意志和政治的目的。为了下文讨论的方便，对量子
计算、量子通信以及量子密码术也做了系统的介绍。
在量子信息思想发展史中，分析了量子信息作为一门理论在科学史发展中的历
史大背景，指出量子信息的产生是科学发展到一定时期的必然产物。并且分析了经
典信息到量子信息的过渡历程，包括从经典计算机到量子计算机、从经典通讯到量
子通讯、从经典密码术到量子密码术的过渡，从一个侧面回答了量子信息的奠基人
本内特提出的：量子力学的理论和原理在２０世纪３０年代就被物理学家们广泛接受
并成为物理学的基础，那为什么量子信息理论在２０世纪末本世纪初才出现昵？在此
基础之上，笔者指出量子计算、量子通信、量子密码既相互独立又是不可分割的整
体，在其发展过程中，有共同的思想起源、面临共同的发展困境以及共同的社会影
响，比如：ＥＰＲ思想实验可以说是它们共同的思想起源，环境中的消相干效应是它们
遇到的共同难题，政策干预是它们共同面临的社会机制，于是笔者将量子信息的发
展历程作了整理，以一些重大科研成果为标志将其发展历程分为五个阶段：萌芽期、
发展期、成熟期、现状和未来发展趋势。
第三章从量子信息的发展史研究中得到一些启示，指出科学的发展是科学的不
断分化和综合，随着各学科的相对成熟和发展，２ｌ世纪科学将以学科交叉、边缘学
科以及学科间研究方法的借鉴与渗透为主要趋势和发展基点。并指出在当今的大科
学时代，政府的决策对科学发展有重要的导向作用，未来科学发展将越来越需要国
际间的合作与交流。目前科学发展遇到的主要障碍是学科之间理论的分化越来越精
细，综合性的人才过于贫乏和稀缺等。
在结语部分，笔者指出学科交叉不仅是新的科学的发展基点，而且交叉学科的
成功与否也会对原来的理论进行确证或给与否证。量子信息理论有着广阔的发展空
ｍ
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Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｈａｓｆｉｖｅｐａｒｔｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｐｒｅｆａｃｅ，ｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｎｌｉｇｈｔｅｎｍｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｂｏｕｔｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ．
Ｉｎｔｈｅｐｒｅｆａｃｅｔｈｅａｕｔｈｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｍｅａｎｉｎｇｏｆｓｔｕｄｙａｂｏｕｔｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｔｕｄｙ，ａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｔａｋｅｓｗｈｉｃｈｉｓｃａｌｌｅｄｃｏｎｔｅｘｔｕａｌａｎａｌｙｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙｈｉｓｔｏｒｉａｎｓｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＩｎｃｈａｐｔｅｒＩ，ｔｈｅｂａｓｉｃｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｓｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆｉｎｄｓｔｈａｔｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｃｉｅｎｃｅ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎｅｖｉｔａｂｌｙｉｎｖｏｌｖｅｓｔｈｅｅｏｕｎｔｒｙＷｓｗｉｌｌａｎｄｐｏｌｉｔｉｃａｌｐｕｒｐｏｓｅｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓ峙ｏｆｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｏｆａｃｉｌｉｔａｔｅｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｑｕａｎｔｕｍｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙｓｙｓｔｅｍ．
ＩｎｃｈａｐｔｅｒＩＩ，ｈｉｓｔｏｒｙｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｉｎｅｖｉｔａｂｌｅｏｕｔｃｏｍｅｏｆｔｈｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｔｈｅｃｅｒｔａｉｎｐｅｒｉｏｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｈｉｓｔｏｒｉｃａｌｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｃｌａｓｓｉｃａｌｔｏｔｈｅｑｕａｎｔｕｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｃｌａｓｓｉｃａｌｃｏｍｐｕｔｅｒｔｏｔｈｅｑｕａｎｔｕｍ
ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅ
ｑｕａｎｔｕｍ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，‰ｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙｔｏｔｈｅｑｕａｎｔｕｍｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ．
ＩｔｇｉｖｅｓａｎａｎｓｗｅｒｔｏｔｈｅｑｕｅｓｔｉｏｎｆｒｏｍＢｅｎｎｅｔｔｗｈｏｉｓｔｈｅｆｏｕｎｄｅｒｏｆ
ｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｈｅａｓｋｅｄ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｔｈｅｏｒｉｅｓｏｆｑｕａｎｔｕｍ
ｍｅｃｈａｎｉｃｓｗａｓｗｉｄｅｌｙａｃｃｅｐｔｅｄａｎｄｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｐｈｙｓｉｃｓｉｎｔｈｅ
１９３０ｓ，ｗｈｙｄｏｅｓｔｈｅｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙｏｃｃｕｒａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅ２０ｔｈ
ｃｅｎｔｕｒｙａｎｄａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅ２１ｓｔｃｅｎｔｕｒｙ７．Ｏｎｔｈｅａｂｏｖｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ
ａｕｔｈｏｒｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄ
Ｖ
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果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关
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表或撰写过的成果。
学位论文作者（签章）：—侈卫葛
２耐７年ｒ月富Ｅｔ
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借鉴了解释学和修辞学的方法论特征，成为探索科学实在论走向的可能路径回。语境
分析方法具有综合化和整合化的特性，它的形成标志着科学史的研究走向了一个新
的发展阶段。语境分析方法的提出为求解科学难题提供了一种崭新的方法和视角。
笔者采用语境分析方法分析量子信息的思想发展史可以说是一种新的科学史方法论
的探索和研究。
随着量子信息理论越来越远离经验的发展，对于量子信息的思想发展史的考察
我们不能脱离与其发展关联的具体的或历史的语境。因为科学的发展具有历史的继
承性，在考察－－ｆ］科学理论的思想发展史时，我们不能割断它的前史、社会、心理
等因素独立看其发展。任何－－Ｎ科学理论的建立和发展都与它诞生的整个历史语境
相关。脱离其历史发展语境的思想史是没有生命力的。有学者认为：建立历史语境
分析是理解科学的必要前提＠。如在量子信息思想发展史的研究中我们有必要追溯其
思想起源以及从经典到量子的过渡过程。因此，尽管量子信息的诞生是在２０世纪末，
但是本文追溯到１９３５年其思想的起源——ＥＰＲ思想实验的提出，以求给出量子信息
诞生与发展的一个完整的思想体系框架。
本文借助语境分析方法探究量子信息的思想发展史。由于量子信息是目前信息
界或物理界最前沿性的科学理论，如果以量子计算机的提出（１９８５）为标志，其历
史只有２０余年。所以在讨论问题之前我们有必要将量子信息的基本理论做一系统而
简要的介绍。
。郭贵春．科学实在论的方法论辩护．第一版．北京，科学出版社，２００４：９．
。魏屹东．从历史语境看科学理论的形成．洛阳师范学院学报．２００５（１）：１６－１９．
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家。基于以上原因的考虑，各国在很大程度上，都不敢疏忽于此项研究。我国将量
子信息的研究确立为“９７３项目”做重点研究也是为了在将来的国际竟中可以占主动
地位。如同核理论的研究一样，我们不是为了使用核武器，但是核理论研究可以震
慑霸权主义和强权政治，在国与国之间形成一个相互制约的机制。
所以，量子信息的研究在现在看来已经不仅仅是科学自主发展的结果，在其发
展过程中已经不可避免地参与了国家的意志和政治的目的。各国在量子信息方面的
投资可以说是不惜血本。目前美国、奥地利、英国、日本及我国处于量子信息研究
的领先地位。
下面我们分别介绍量子计算、量子通信和量子密码的基本理论。
１．１量子计算
量子计算与经典计算相比有哪些优越性昵？我们首先要回顾一下经典计算机科
学中的可计算性和算法复杂性理论。在经典计算机科学中，算法指的是一个特定的
指令序列，算法的难易程度由算法复杂性衡量。而算法复杂性取决于执行这个算法所
消耗的物理资源的多少。这里的物理资源通常指的是执行算法所消耗的时间和空间。
按经典算法复杂性理论，一个问题的大小可以用一个整数１３表示，１１是指定这个问题
需要输入的信息量的度量，如果一个问题的大小是ｎ，解这一问题的最好算法需要的
时间（或计算步数）为Ｔ（ｎ），如果当１１增大时，Ｔ（ｎ）的增加始终不比ｒｌ的一个多项式函
数增加更快，就称这一算法是容易的，在算法复杂性分类中就属于Ｐ类问题（解决问
题的时间随着问题的规模呈多项式增长）。如果Ｔ（ｎ）随ｎ指数增大，就说算法是难的，
属于ＮＰ类问题（解决问题的时间随着问题规模呈非多项式增长，典型情况是指数增
长）。分解大数质因子是典型的ＮＰ问题，它所需计算时间随输入位数Ｎ的增加呈指
数增长。
然而，量子计算与经典计算相比有着本质的优越性。可以把某些ＮＰ问题转化为
Ｐ问题。那么，为什么量子计算有如此强大的功能呢？回答这个问题，我们必须回到
量子理论本身。
１．１．１量子比特
首先。在量子计算中信息的载体是量子位（ｑｕｂｉｔ），量子位通常是一个双态的量
子系统。量子比特（量子位，ｑｕｂｉｔ）的物理实体可以是两种不同极化的光子
（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ），也可以是在均匀磁场中自旋取向不同的核，也可以是处于基态或激
发态的电子。单量子比特的状态可以落在１０）和１１）以及它们的任意线性组合态一
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测量后状态重新归一化。
１．１．２幺正变换（酉变换）
量子计算中每一步计算都是通过幺正变换来实现的。那么，什么是幺正变换呢？
它有哪些性质呢？在量子力学中，如果算符ｕ满足如下关系，则称之为幺正算符。
Ｕｔｒ＝咖＝Ｉ．
其中，其中矿是【，的共轭转置，Ｊ是的单位矩阵。幺正算符对应的变换通常被
称为幺正变换或幺正操作。幺正变换也被专业人士称为酉变换（Ｕｎｉｔａｒｙ）。经典计算
的每一步变换是从正交态演化为正交态；量子计算中的变换是所有可能的幺正变换。
量子计算中一个重要的特点是可逆性。正是幺正变换保证了其计算的可逆性。因为
幺正算符具有一些重要的性质：
（１）保几率性：量子系统如果遵循幺正演化，那么量子系统的总几率不变。
（２）可逆性：任意一个幺正变换都存在逆变换，从而保证了量子计算和量子信
息中的量子幺正操作是可逆的。
１．１．３量子力学叠加性原理
量子计算的本质特性是由量子力学叠加性原理来保证的。即如果一个量子系统
有ｎ个可能的态Ｉ％），１％），Ｉ％），．．．，Ｉ％一。），那么它的叠加态就是：
Ｉ∥）＝∑ｑＩ奶）
＃ｆｆｉ０
量子计算对叠加态进行计算时，相当于对每一个叠加分量同时进行计算，对每个叠
加分量的计算相当于一种经典计算，所有叠加分量的计算同时完成，并按一定的概率
振幅叠加起来，给出量子计算的输出结果，这种计算称为量子并行计算。如果一个量
子系统有２。个状态，那么对叠加态进行一次计算，相当于同时进行了２。次经典计算。
量子并行处理大大提高了量子计算机的效率。量子力学的基本原理在量子计算中得
到了本质性的运用。量子计算机原理上可以突破经典计算的极限，从而可以实现比
经典计算更加强大的功能。
１．１．４量子门
量子计算的最终实现是通过量子门来实现的。正像在经典计算中，我们有与门、
非门、与非门、或非门等，而在量子信息中我们引入了特定的门。如：Ｈａｄａｎｍｒｄｆ－ｊ，
Ｐａｄｉ．Ｘ门，Ｐａｕｌｉ．Ｙ门，Ｐａｕｌｉ－Ｚ门，相对门、７ｒ／８门、受控非门、交换门、受控Ｚ
门、受控相位门、Ｔｏｆｆｏｌｉ门、受控交换门（Ｆｒｅｄｋｉｎ门）等。每个门都可以表示成一
个相应的矩阵，代表一种运算。量子门在量子计算机中起着重要的作用，笔者将
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Ｉ口，６＞—与Ｉ口，口０６》——兰＿÷１４０４０６，口０６＞＝１６，ａｅｂ＞——三一÷１６，口０６０６）＝Ｉｂ，ａ）．
其中第一次受控操作是以第一个量口作为控制量子比特的，第二个量ｂ作为目标量子
比特；而第二次受控操作是以第二个量即口０ｂ作为控制量子比特的，第二个量ａ作
为目标量子比特；第三次是以第一个量ｂ作为控制量子比特的，第二个量口０６作为
目标量子比特。
量子计算的最终目标是制造量子计算机，实现计算功能更加强大的物理装置。
除了快速计算外，模拟量子系统也很可能成为量子计算机的一个主要用途回。量子计
算机以量子态存储信息，用量子门来实现信息的处理，通过对量子末态的测量提取
计算结果。量子计算机正处于基础理论和实验的研究阶段，预计２０年之内可望研制
成功量子计算机。
１．２量子通信
量子隐形传输也称为量子隐形传态，是量子通信的基础。量子隐形传输是以量
子纠缠特性为基础的。量子纠缠指的是纠缠对之间的非定域关联。在数学上表述为
不能分解为两个简单粒子状态的直积的态。对于相距无限远的纠缠对Ａ和Ｂ，对其中
一个粒子的测量会导致另一个粒子在瞬间发生态的塌缩，它们之间存在量子关联。
量子通信较之经典通信的优越性在于发送者可以对所要传递的量子态一无所
知，而且在传递过程中原物并未被传给接受者，被传送的仅仅是原物的量子态，而接
受者是将别的物质单元（如粒子）变换，使其处于与原物完全相同的量子态。其基本
思想如下：为传送某个物体的未知量子态，可将原物的信息分成经典信息和量子信息
两个部分，它们分别经由经典信道和量子信道传送给接收者．经典信息是发送者对原
物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息．接受者在
获得这两种信息之后，就可以制造出原物的完美的复制品．目前，量子隐形传输已在
实验上获得成功。其基本过程如下图所示。：
刍
Ｅ限曩
。段路明，郭光灿．量子信息讲座第一讲．量子计算机，１９９８（２７）Ｉ：５７
。郭光灿．量子信息引论．物理，２００１（３０）５：２８６－２９３．
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第二个比特的测量总得到与第一个量子比特一样的结果，也就是说，测量结果是相
关的。这种量子相关性被称为量子纠缠，它是量子隐形传态和超密编码中关键要素。
１．３量子密码术
密码是一个涉及互相不信任的两方或多方的通信或计算问题。现在广泛使用的
公开密钥密码系统ＲＳＡｏ就是以分解大数质因子的难解为基础的。１９９４年Ｓｈｏｒ提出
量子算法之后分解大数质因子这个ＮＰ问题却可以在多项式时间内解决。因此，经典
保密通信系统面临最大的威胁。
经典保密通信系统最大的问题是密钥分配。量子信息的最早发现之一是量子力
学可以用于密钥分配。因为量子密钥在传输过程中如果被复制或测量都会引起态的
改变，从而被发现，我们可以放弃原来的密钥，重新建立密钥实现绝对无窃听保密
通信。
量子密码术是以量子不可克隆定理为基础的。那么，量子密码术是如何实现绝
对安全无窃听的量子通讯的昵？要回答这个问题，我们需要考察量子力学的基本定理
——量子不可克隆定理。
定义力学量算符Ａ与Ｂ的对易子［Ａ’Ｂ］＝ＡＢ－ＢＡ，则力学量Ａ和Ｂ在同一量子态
１Ｉｒ（ｔ）下的不确定度关系为：
鲋衄≥邻一，口ｊｌ
‘。
这就是测不准原理，或称测不准关系。而不可克隆定理可以看作是测不准原理的一
个推论。不可克隆定理的内容为：一个未知的量子态不能被完全拷贝。事实上，正
是因为未知的量子态可能来自不对易算符的本征态，而由某一个确定的算符去测量
量子系统，可能会导致不完备的测量，从而得不到量子态的全部信息。
在经典信息中，对于比特位的复制是很容易做到的，利用经典受控非门，将带
复制比特ｘ和０分别作为ｘ和Ｙ的两个输入，输出即为两个Ｘ，实现了比特位的复制。
而在量子信息中，采用类似的方法我们看情况将会如何呢？我们将未知量子态
ＩＷ）＝口Ｉｏ＞＋∥１１）作为受控非门的目标量子比特，将１０）作为控制量子比特，结果将
会如下：
口口Ｊｏ＞＋∥１１＞】ｌｏ＞刊窿ｌｏｏ＞＋Ｐｌｌｏ）—量笪也斗ｌ口ｌｏｏ）＋Ｐｌｌｌ＞
这样是否实现了Ｉ｛ｆ，＞到ｌ妒）Ｉｙ）的复制呢？能否克隆未知量子态一复制量子态，对
。ｌｉＳＡ是２０世纪７０年代中期发明的，是以其发明者ＲｏｎａｌｄＲｉｖｅｓｔ，ＡｄｉＳｈａｍｉｒ．ＬｅｏｎａｒｄＡｄｌｅｍａｎ的名字而
命名的。事实上早在２０世纪６０年代末７０年代初，英国情报机构（６ｃ啦）的研究人员早已研制成功?只是由于
其关系国家机密而未公开．
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第二章量子信息思想发展史
量子信息的产生是科学发展到一定时期的必然产物。为寻求更加宏观的论域空
间，我们有必要讨论一下量子信息在整个科学发展史中产生的背景。
２．１量子信息出现的历史大背景
量子信息作为量子力学与信息论的交叉学科，其诞生有着深刻的历史原因。它
的崛起是科学本身辩证发展的大势所趋。纵观科学发展的整个历史，科学的发展大
致可以分为这样几个时期，混沌期、停滞期、分化期和综合期。当然这种分期并没
有明确的时间界限和绝对的划界标准，它是对科学发展系统而整体的描述。
科学的发展可以说就是科学的不断分化和综合。人类文明早期，所有的知识浑
然一体，统统囊括在自然哲学中，这个时期称为科学的混沌期，在此期间，科学在
各个方面都孕育了它的萌芽。如早期的占星术是后来天文学的萌芽，早期铸造工具
所用到的一些冶金技术是后来化学的萌芽；中世纪科学受到宗教的束缚，成为神学
的婢女，科学基本处于停滞阶段；哥白尼革命之后，科学摆脱了神学的束缚，逐步
分化出各个学科，这个时期是所谓的分化期，在此期间，科学发展突飞猛进，各个
学科相对成熟，科学体系日臻完善。我们称之为科学分化期；然而，随着各学科的
分化发展必然使学科间的沟壑日益加深。１９世纪以来，在学科分化的同时，科学逐
渐建立起了横向的联系。我们将这种趋势称为科学的综合期。量子信息等交叉学科，
边缘学科即是在科学综合期应运而生的产物。
那么作为两门相对独立的学科经典信息和量子力学是如何“嫁接”在一起呢？
另一方面，量子力学的理论和原理在２０世纪３０年代就被物理学家们广泛接受并成
为物理学的基础，那为什么量子信息理论却迟迟在２０世纪末本世纪初才出现呢？为
什么量子信息理论和量子计算理论的新发展没有早些到来呢？对于这个问题的回答
只有通过对“经典”到“量子”的过渡过程的考察才能弄清楚。下面我们分别讨论
其发展过程。
２．２从“经典”到“量子”的过渡
２．２．１从经典计算机到量子计算机过渡
人类历史中计算工具的演变可以说直到２０世纪才发生了革命性的变化。春秋战
国时期已经趋于成熟的算筹、明代开始普遍运用的的珠算，都是我国古代典型的计
算工具。而随着生产的迅速发展和科学技术的进步，计算的问题越来越复杂。人类
发明的计算工具也发生了深刻的变革，特别是２０世纪中期计算机的出现。计算机的
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率的信息检索设备，人类将被信息海洋所累，溺死于其中。正如一位社会学家所说：
信息曾经稀缺如鱼子酱一般珍贵，现在却似土豆般随处可见。信息时代的来临迫切
要求我们改进我们的计算机设备。
基于经典图灵机受到计算能力的挑战和量子效应、能耗问题的干扰，科学家设
想是否可以发明一种新的计算工具，将其作为经典计算机的辅助工具呢？
早在２０世纪６０年代，ＩＢＭ公司Ｔｈｏｍａｓ．Ｊ．Ｗａｔｓｏｎ研究实验室的ＲｏｌｆＬａｎｄａｕｅｒ就
考察了能耗问题国，他指出能耗问题产生于计算过程的不可逆操作。以经典异或门为
例，异或门的输入有两个，而输出只有一个Ａ（ＢＢ，按照热力学定律，必然会产生一
定的热量。由于在计算过程中存在信息的损失，所以经典信息的逻辑运算是不可逆
的。所以能耗问题产生的原因是由于不可逆计算，那么是否可以将。不可逆”改造
成“可逆”呢？Ｂｅｎｎｅｔｔ在严格考察了不可逆与能耗问题之后提出，所有不可逆计算
机都可以改造成可逆计算机，而不影响计算能力。。
量子效应的出现使得人们从量子力学的规律中寻求计算模型的突破。Ａｒｇｏｎｎｅ国
家实验室的ＰａｕｌＢｅｎｉｏｆｆ最早使用量子力学来描述可逆计算机。＠量子可逆计算机是
使用量子力学语言来表述的经典计算机，它没有利用量子力学的本质特性。费恩曼
（Ｆｅｙｍｎａｎ）指出量子特性将会在未来的量子计算机中起到本质的作用。。由于量子力
学的一些特殊规律，人们逐步发现量子计算模型在速度上比经典计算模型有着本质
的优越性。
量子计算和量子计算机的概念起源于著名物理学家Ｆｅｙｎｍａｎ。１９８２年，费恩曼
（Ｆｅｙｎｍａｎ）在研究物理系统的计算机模拟时，论证了用经典计算机模拟量子力学系统
随输入（粒子数、自由度）增大，计算资源（时间和空间）消耗将指数增大，并由此启发
了用量子力学性质工作的计算机（量子计算机）可能避免这一困难，于是提出猜想，量
子计算机可以用来模拟一切局域量子系统。＠这一猜想在１９９６年由Ｌｌｏｙｄ证明是正
确的。＠Ｌｌｏｙｄ进一步指出，大约需要几百至几千个量子比特，即可精确地模拟一些
具有连续变量的量子系统，例如格点规范理论和一些量子引力模拟。模拟量子系统
的演化，很可能成为量子计算机的一个主要用途．
基于科学家对于量子力学性质与量子计算能力的认识和研究，１９８５年，牛津大
凡Ｌｍｌｄａｕ口．Ｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｈｅａｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｃｏｍｐｕｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．四ＭＪＲｅ＆Ｄｗ．，１９６１（５）：Ｉ幻．
ＣＨ．Ｂｅｎｎｅｔｔ嘶ｃａｌｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎＩＢＭ』．Ｒｅｓ．Ｄｅｖ．．１９７３（６）：５２５，
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