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量子通信和概率克隆在量子计算中的应用

高亭  
【摘要】:1.概率克隆和量子计算方面 我们讨论了量子克隆在量子计算中的用途,提供了一些量子计算任务的例子,完成这些量子计算任务使用量子克隆比任何不用量子克隆的方法具有不可比的优越性。在这些量子计算中,我们需要分配包含在量子态中的量子信息,关于这些态我们有它们的部分信息。为了完成量子计算,我们是用与这些量子态相关的概率量子克隆程序去分配在量子计算中间的量子信息。进而,我们给出了使用概率克隆方法克隆用于贯彻这些量子计算任务的量子态所能达到的最佳系数,并构造了概率克隆一些量子态的有效量子逻辑网。 2.量子安全直接通信方面 我们提出了两个受控的量子安全直接通信方案。这些通信基于分享的三粒子纠缠态和受控的量子隐形传态。其中,由发信方Alice,遥远的接收方Bob和控制方Charlie分享的纠缠粒子用作忠实传递的量子信息通道。在保证量子通道安全的情况下,Alice直接将秘密信息编码到粒子态序列上,使用受控的量子态隐形传输的方法,在第三方Charlie的监督和控制下将秘密信息发送给接收方Bob。Bob通过测量它的量子位直接读出被Alice编码的秘密信息。我们还提出了两个安全的附加条件的量子直接通信方案。在这两个方案中,最初由监督者Charlie制造,但后来分发给发送者Alice和接收者Bob并由他们二人分享的处于Bell态的最大纠缠的粒子的EPR对的集合,用作忠实传递的量子信息通道。在保证量子通道的安全并得到监督者Charlie的许可(即Charlie既可信任又肯合作,这指的就是在这两个方案中的附加条件)前提下,Alice和Bob开始在Charlie控制下的保密通信。在第一个方案中,借助于Alice的局域幺正变换,Alice和Bob两人的局域测量,Alice和Charlie两人公开的经典通信,在Charlie的配合与帮助下,Alice以确定的方式将秘密信息传送给了Bob。在第二个方案中,通过Alice和Charlie两人公开的经典通信,以及Alice和Bob两人的局域测量,实现了Alice和Bob之间的保密通信。这四个协议的共同特征是:通信双方Alice和Bob之间的通信依赖于第三方Charlie的同意,即Alice和Bob双方之间的保密通信是在第三方Charlie的控制下完成的。而且,发送者Alice只需在她的一个量子比特位上应用一个局域幺正变换并发送一比特的经典信息,就可传递一比特的秘密信息。 我们提出了用转换量子纠缠方法实现的两个确定性的量子安全直接通信方案。按一定顺序排列的两粒子最大纠缠态(EPR对)的集合和三粒子最大纠缠态(CHZ态)的集合分别用作这两个方案中直接传送秘密信息的量子信息通道。在第一个方案中,在保证 量了通道(EPR对)安全的情况下,发信方Alice按照双方的约定,通过在她的粒子序列 卜实行系列局域么正变换直接将秘密信息编码。使用三个EPR对,就将三比特的经典 信息由Alice忠实地传递给遥远的接收者Bob,而且不曾泄露给潜在的窃听者任何信息。 由Ahce和Bob双方的GHz态测量结果,Bob能够直接读出被Alice编码的秘密信息。在 第二个方案中,在保证量子通道(GHz态)安全的情况下,按照三方的约定,发信方Alice 和Bob通过在他们各自的粒子序列上实行一系列局域么正变换,直接将他们各自的秘密 信息发送给接受方Charlie。山Aliee、Bob和Charlie二方的Bell态测量结果,Charlie能 够直接推断出Alice和Bob的秘密信息。通过初始分享的成对的GHz态序列,Alice和 Bob就将各自的秘密信息忠实地传送给了Charhe,并未泄露任何信息。这个方案可以作 为多方与中心直接保密通信的量子通信网络。所以,它是一个一方到M方(M全3)的量 子安全直接通信方案。 在_卜面的所有的量子安全直接通信协议中,通过分享的纠缠态,秘密信息从一方忠实 地传递到遥远的另外一方,并没有泄露给潜在的窃听者任何信息。由于在任意双方之间 的通信中都没有携带秘密信息的粒子在公共信道中传递,因此只要使用完美的量子通道 (纯EPR对,纯GHz态等纠缠态),我们的所有这些量子直接通信方案均是绝对安全的。 3.量子隐形传态方面 我们提出了概率的和控制的量子隐形传输一个粒子和两粒子未知量子态的简化方案, 并构造了贯彻这两个新方案的高效量子逻辑网,这些量子逻辑网是由单量子比特逻辑门, 两量子比特受控非门,冯诺伊曼(von Neumann)测量和经典控制操作组成的通用基本操 作构成。在这些方案中量子态的隐形传输不是总能成功的,但是以一定的概率成功。 我们提出了传输N粒子一般形式的未知量子态的概率量子隐形传态方案。作为特殊 情形,我们构造了贯彻概率量子隐形传输具有一般形式的两粒子未知量子态,二粒子未 知量子态,四粒子未知量子态的高效量子逻辑网,这些量子逻辑网是由通用基本量子逻 辑门—单量子比特门和两量子比特位受控非门,以及冯诺伊曼测量和经典控制操作组 成。 4.量子密钥分享方面 我们提出了一个使用单光子序列在多方(一组的二个成员)与多方(二组的n个成 员)之间实现量子密钥共享的方案。这些单光子在量子密钥共享过程中被直接用于编码 经典信息。在这个量子密钥共享协议中,一组的所有成员通过么正操作将他们各自的密 钥直接编码在单光子态上,然后最后一人(一组的第m个成员)把最后所得到的量子位 平均分成n份,并将这。份分别发送给二组的二个成员


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