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量子信息科學(Quantum Information)是以量子力學為基礎，把量子系統“狀態”所帶有的物理信息，進行信息編碼、計算和傳輸的全新信息技術。量子信息技術主要包括量子通信和量子計算，由於它們具有潛在的應用價值和重大的科學意義，正引起人們廣泛的關注和研究。
本文首先介紹量子相關的基本概念、性質及基本原理；接著，從量子通信和量子計算兩個部分闡述其原理與發展現狀；最後，對量子信息技術的發展進行總結與展望。
2.1 量子概念
量子(Quantum)屬於一個微觀的物理概念。如果一個物理量存在最小的不可分割的基本單位[1]，那麼稱這個物理量是可量子化的，並把物理量的基本單位稱為量子。現代物理中，將微觀世界中所有的不可分割的微觀粒子（光子、電子、原子等）或其狀態等物理量統稱為量子。
量子這個概念最早由德國物理學家普朗克在1900年提出的，他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的，只能取能量基本單位的整數倍，這很好地解釋了黑體輻射的實驗現象。即假設對於一定頻率的電磁輻射，物體只以“量子”的方式吸收和發射，每個“量子”的能量可以表示為:，為普朗克常數。
量子假設的提出有力地衝擊了牛頓力學為代表的經典物理學，促進物理學進入微觀層面，奠定了現代物理學基礎，進入了全新的領域。
2.2 量子基本特性
作為一種微觀粒子，量子具有許多特別的基本特性，如量子力學三大基本原理：
量子測不準
也稱為不確定性原理，即觀察者不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，粒子位置的總是以一定的概率存在某一個不同的地方，而對未知狀態系統的每一次測量都必將改變系統原來的狀態。也就是說，測量後的微粒相比於測量之前，必然會產生變化。
量子不可克隆
量子不可克隆原理，即一個未知的量子態不能被完全地克隆。在量子力學中，不存在這樣一個物理過程：實現對一個未知量子態的精確複製，使得每個複製態與初始量子態完全相同。
量子不可區分
量子不可區分原理，即不可能同時精確測量兩個非正交量子態。事實上，由於非正交量子態具有不可區分性，無論採用任何測量方法，測量結果的都會有錯誤。
除此之外，還包括以下基本特性：
量子態疊加性(superposition)
量子狀態可以疊加，因此量子信息也是可以疊加的。這是量子計算中的可以實現並行性的重要基礎，即可以同時輸入和操作個量子比特的疊加態。
量子態糾纏性(entanglement)
兩個及以上的量子在特定的(溫度、磁場)環境下可以處於較穩定的量子糾纏狀態，基於這種糾纏，某個粒子的作用將會瞬時地影響另一個粒子。愛因斯坦稱其為: “幽靈般的超距作用”。
量子態相干性(interference)
量子力學中微觀粒子間的相互疊加作用能產生類似經典力學中光的干涉現象。
2.3 量子信息
利用微觀粒子狀態表示的信息稱為量子信息。量子比特(quantum bit或qubit)是量子信息的載體，它有兩個可能的狀態，一般記為和，對應經典信息裡的0和1。狀態和是二維復向量空間中的單位向量，它們構成了這個向量空間的一組標準正交基。量子比特的狀態是用一個疊加態表示的，如，其中，而且測量結果為態的概率是，而得到態的概率是。這說明一個量子比特能夠處於既不是又不是的狀態上，而是處於和的一個線性組合的所謂中間狀態之上。經典信息可表示為，而量子信息可表示為
一個經典的二進制存儲器只能存一個數：要麼存 0，要麼存 1。但一個二進制量子存儲器卻可以同時存儲0和1這兩個數。兩個經典二進制存儲器只能存儲以下四個數的一個數: 00，01，10 或 11。倘若使用兩個二進制量子存儲器，則以上四個數可以同時被存儲下來。按此規律，推廣到N個二進制存儲器的情況，理論上，N個量子存儲器與N個經典存儲器分別能夠存儲個數和1個數。由此可見，量子存儲器的存儲能力是呈指數增長的，它比經典存儲器具有更強大的存儲數據的能力，尤其是當 N很大時(如 N=250 )，量子存儲器能夠存儲的數據量比宇宙中所有原子的數目還要多[1]。
2.4 量子信息學
量子信息學是量子力學與信息科學形成的一個交叉學科，該領域主要包括兩個領域：量子通信和量子計算。其中量子通信主要研究的是量子介質的信息傳遞功能進行通信的一種技術，而量子計算則主要研究量子計算機和適合於量子計算機的量子算法。
3 量子通信
所謂量子通信，從概念角度來講就是利用量子介質的信息傳遞功能進行通信的一種技術。它主要包括量子密鑰分配、量子隱形傳態等技術。量子密碼 (Quantum Cryptography)是利用量子力學屬性開發的密碼系統。與傳統的密碼系統不同的是，它的安全性依賴於量子力學屬性（不可測量和不可克隆等）而不是數學的複雜度理論。量子密鑰分配是研究最為成熟的量子密碼技術。在本章中，我們首先簡單地介紹量子通信系統的基本模型以及優勢，然後介紹量子密鑰分配和量子隱形傳態的基本原理。接著，概述量子通信的目前研究與發展現狀。最後，總結量子通信目前存在的問題。
3.1 量子通信系統基本模型
量子通信體系架構包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置以及經典信道等部分，其基本模型如圖2所示。
圖 2 量子通信系統基本模型
量子通信過程可以從發送端和接收端兩個角度理解。
在發送端，量子信源模塊產生消息，消息通過量子編碼模塊轉換成量子比特，量子比特通過量子調製模塊得到以量子態為載體的量子信息，量子信息通過量子信道進行傳輸。除此以外，量子調製的模式信息（傳統的信息）需要使用經典信道進行傳輸。
在接收端，將接收到兩部分信息：量子信道接收量子信息；經典信道接收額外的經典信息。這兩部分信息通過解調和解碼模塊後，獲得最終的消息。
3.2 量子通信技術優勢
量子通信與傳統通信技術相比，具有如下主要特點和優勢：
(1) 時效性高。量子通信的線路時延近乎為零，量子信道的信息效率相對於經典信道量子的信息效率高几十倍，傳輸速度快。
(2) 抗干擾性能強。量子通信中的信息傳輸不通過傳統信道（如傳統移動通信為了使得通信不被幹擾，需要約定好頻率，而量子通信不需要考慮這些因素），與通信雙方之間的傳播媒介無關，不受空間環境的影響，具有完好的抗干擾性能。
(3) 保密性能好。根據量子不可克隆定理，量子信息一經檢測就會產生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發現。
(4) 隱蔽性能好。量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進行無線監聽或探測。
(5) 應用廣泛。量子通信與傳播媒介無關，傳輸不會被任何障礙阻隔，量子隱形傳態通信還能穿越大氣層。因此，量子通信應用廣泛，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質中通信。
4.3 量子計算機
所謂量子計算機，它是指具有量子計算能力的物理設備。為什麼要出現這種設備呢？主要有兩個原因：(1) 外部原因：摩爾定律失效。根據摩爾定律，集成電路上可容納的晶體管數目每隔24個月增加一倍，性能也相應增加一倍。然而，一方面隨著芯片元件集成度的提高會導致單位體積內散熱增加，由於材料散熱速度有限，就會出現計算速度上限，產生“熱耗效應”。另一方面元件尺寸的不斷縮小，在納米甚至埃尺度下經典世界的物理規律不再適用，出現“尺寸效應”。(2) 內部原因：量子計算機的強並行性。這是量子計算機相比傳統計算機的顯著優勢，量子計算機和量子算法相互結合，可以將計算效率進行二倍加速甚至指數加速，例如傳統計算機計算需要1年的任務，使用量子計算機可能需要不足1秒的時間。
不同於傳統計算機，量子計算機用來存儲數據的對象是量子比特；不同於傳統計算機，量子計算機用使用量子邏輯門進行信息操作。
從我國發展狀況來看，量子通信技術發展速度迅猛，在理論研究和實驗技術上均取得了許多重大突破，成果卓越。然而，量子算法、量子計算機的研究與歐美髮達國家相比，仍有很大的差距，相關研究仍需努力。
什麼是量子通信？
什麼是量子計算機？
量子通信和量子計算機加油。