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量子通信的理论研究

曹海静  
【摘要】: 二十世纪八十年代兴起了一门融合了量子力学和信息科学的新型学科——量子信息学。量子信息学主要由量子通信和量子计算机科学两大部分组成,它主要是利用微观粒子的量子态作为信息载体,凭借着量子力学所特有的一些性质,如不确定性、相干性和纠缠等,来完成一些经典通讯、计算和密码学等无法实现的任务。量子纠缠是量子信息学最核心的部分,几乎所有的量子信息处理过程都与其有关,研究量子纠缠及其在量子信息学中的应用,不仅对深刻理解量子力学的特性有着重要的学术意义,而且对开发和利用新型的信息处理方法等具有重要的实用价值。 量子信息学中的量子通信可为信息的安全传输提供新的方法,并且量子通信是量子信息学领域中首先走向实用化的研究方向,因此本文以纠缠为信息资源,讨论量子密钥分发(QKD)、量子安全直接通信(QSDC)和量子隐形传态三种主要的量子通信方式。 首先,在量子密钥分发方面,我们提出了两种新的理论方案。第一种方案以Bell态作为量子信道,集量子密钥分发和量子安全直接通信于一体。通信双方利用三对EPR对能实现四个随机比特的共享和四个确定比特的传递,因此该方案的信息传输效率比较高。同时,这是一个双向的通信方案。第二种方案以四体纠缠W态作为量子信道,两个通信者利用安全的四粒子纠缠W态,通过Bell基联合测量和经典通信,能够安全地实现随机比特的共享,此方案拓展了可用量子纠缠资源的范围。 其次,在量子安全直接通信方面,我们提出了三种新的理论方案。第一种方案包含在第一种量子密钥分发方案中。第二种方案同样采用四粒子纠缠W态作为量子信道。如果量子信道是理想安全的,两个通信者之间通过Bell基联合测量和经典通信,能够安全地的传送一系列的秘密比特。即使量子信道是不安全的,两个通信者仍然有可能实现秘密通信。第三种方案采用三粒子纠缠W态作为量子信道,借助于量子隐形传态,实现了确定比特的概率传输。 最后,在量子隐形传态方面,我们提出了四种新的理论方案。第一种方案采用非最大纠缠的G态之一作为量子信道,实现了对任意两体量子态的概率隐形传态。成功的几率决定于量子信道系数绝对值中的最小值。第二种方案,为了降低量子信道的负担(尽可能地减少共享纠缠对的数量),并突出问题的一般性,仅采用一个非最大纠缠的两体量子态作为量子信道,实现了对未知两体量子态的概率隐形传态。第三种方案以三粒子独特的W态作为量子信道,实现了对任意单粒子态的概率隐形传态和对特定单粒子态的标准隐形传态。第四种方案以Bell基所组成的联合量子态作为量子信道,实现了多体量子态的受控隐形传态。第三种和第四种方案均引入了被经典场驱动的大失谐QED腔技术,从而实现了对纠缠源(Bell态)的制备,并且将实验上不容易实现的BeIl基测量技术转换成容易实现的单粒子测量,从而增强了理论方案的可操作性。 我们给出了几种量子通信新的理论方案,期望能从理论上指导实践,并在后续实验工作中得到验证和完善。


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