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量子信息传输与量子密钥分配的理论研究

陶原  
【摘要】: 量子信息学是量子理论和信息科学相结合所产生的一门新型交叉学科,该学科以量子力学基本原理为基础,主要研究量子信息的处理。将量子系统的特性应用到信息领域中,可以在许多方面突破经典信息理论的极限,实现经典信息处理难以实现的功能。近年来,该学科无论在理论上还是实验上都取得了许多引人瞩目的成果,正引起各方面越来越多的关注。 量子信息学通常包括量子计算和量子通信两部分。作为量子信息学的核心内容之一,量子通信为信息的传输提供了新的方法,其研究内容主要包括量子隐形传态,量子远程态制备,量子密钥分配、量子秘密共享以及量子稠密编码等。本论文主要涉及了量子通信的三个方面,即量子隐形传态、量子远程态制备和量子密钥分配。 在量子隐形传态方面,我们给出了一种新的二粒子纠缠态隐形传输方案。在该方案中,当信道处于最大纠缠时,由一个属于最大纠缠态的Bell态和一个属于非最大纠缠态的特殊二粒子W态组成传输信道,传输效率为2/3。通过引进一个辅助粒子和构造一个4×4幺正变换矩阵,解决了量子信道处于非最大纠缠情形下态畸变的恢复问题。量子远程态制备与量子隐形传态有着相同的目的,所不同的是在远程态制备中被传送的量子态对发送方是已知的。我们设计了一组新的量子远程态制备步骤,将该步骤运用于某些使用二粒子投影测量的远程态制备方案中,可以有效降低其经典通信消耗。本文以一个远程制备三粒子Greenberger-Horne- Zeilinger(GHZ)态的方案作例子,对该远程态制备步骤进行具体说明,并给出了这种远程态制备步骤的适用范围。在量子密钥分配方面,我们给出了一种网络环境下的量子密钥分配方案。该方案选用在量子比特损耗方面健壮性较好的W态作为量子纠缠资源,利用基于二粒子系统以及三粒子W态的两个推广型Bell不等式来保证方案的安全性,分别对存在窃听者(Eve)以及可信赖中心(Certificate Authority—CA)不可信的情况进行了安全性分析。结果表明,本方案能够有效抵御攻击,且可以实现平均消耗三个W态得到2bit密钥的理论效率。


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