46、量子计算与量子通信：从理论到实践的探索

量子计算与量子通信：从理论到实践的探索

1. 信息处理与量子力学

在信息科学领域，一场“量子革命”正在悄然兴起。计算机科学家通常关注一系列任务的高效、安全完成，这些任务涵盖了计算复杂度、通信复杂度、离散函数评估、信道容量、防伪保护、密钥分发、认证、数字签名、秘密共享以及博弈策略制定等多个方面。

传统上，这些任务主要依赖经典信息处理方式，其输入和输出均为宏观的经典数据形式。然而，如今人们逐渐意识到，量子力学工具在完成这些任务时具有巨大潜力。除了经典的处理原语（如存储比特、计算比特与运算、发送比特到通信信道），量子处理原语（如制备特定纯态的量子比特、将量子比特发送到通信信道、根据双体哈密顿量变换量子比特状态）也能发挥重要作用。

以下是量子原语在各项任务中的应用情况：
|任务|量子原语应用效果|
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|计算复杂度|对于某些重要计算，如素数分解，使用量子原语可将复杂度降为多项式级别，而经典原语可能无法在多项式时间内完成。但也有部分计算，使用量子原语无法提升计算复杂度。|
|通信复杂度|使用量子比特通信在某些任务中具有显著优势。例如，在双方预约安排问题中，量子通信所需的量子比特传输量远少于经典比特传输量；在采样复杂度问题中，量子比特传输量的优势更为明显。|
|离散函数评估|目前认为该任务没有有效的量子解决方案，主要原因是基于比特承诺的分析方法在量子世界中不安全。|
|信道容量|虽然尚未发现量子信道的经典容量超过经典信道香农容量的情况，但在发送方和接收方共享最大纠缠量子态时，通过超密编码技术可提高量子信道容量。|
|防伪保护|“量子货币”是量子原语在防伪保护方面的首次应用。银行将处于特定非正交量