什么是量子信息科学？

　　日前，2022年诺贝尔物理学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，以表彰他们为纠缠光子实验、证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。那么其中的量子信息科学（简称“量子信息学”）是什么呢？

　　量子信息学是量子力学与信息学交叉形成的一门边缘学科。近年来，这门学科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。

　　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、量子电子学等学科作为直接的理论基础，以计算机科学与技术、通信科学与技术等作为主要的技术基础，来研究量子信息的产生、发送、传递、接收、提取、识别、处理、控制及其在各相关领域中的最佳应用等。

　　量子信息学主要包括三个方面：光量子信息学、量子电子信息学和生物光子信息学。其中，光量子信息学是量子信息学的核心和关键；而在光量子信息学中，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，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。

　　量子信息学的主要任务就在于：一是开展基础量子信息科学领域的研究工作，其中包括量子编码、量子算法、量子信息论等。二是开展量子光通信领域的研究工作，其中包括量子密码术、量子隐形传态等。三是开展全光量子计算机的开发与研制工作。四是开展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工作。

　　量子信息最常见的单位是为量子比特(qubit)——也就是一个只有两个状态的量子系统。然而不同于经典数位状态，一个二状态量子系统实际上可以在任何时间为两个状态的叠加态，这两状态也可以是本征态。量子比特可以假定为“0”或“1”两个状态，这两个状态在同一时刻是叠加的。正确认识、解释和跟踪它们的状态对于量子计算非常必要；但通常情况下，监视量子比特会损害其信息内容。通过量子系统的各种相干特性，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。

　　据悉，中国科学技术大学潘建伟教授领衔的研究团队近日实现了百公里自由空间高精度时间频率传递；这是量子信息学领域的一项重大突破。其实，量子信息学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，无一不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。

　　文/李阳（作者单位：丹麦技术大学信息技术和数学建模系）