量子密钥分发与量子安全直接通信

量子通信具有高安全性等优点,是当前的国际研究前沿,量子安全直接通信和量子密钥分发是两种重要的量子信息方式.量子密钥分发通过量子信道产生随机的密钥,而量子安全直接通信直接在量子信道中传输秘密信息.本文力图利用浅显易懂的语言介绍量子安全直接通信和量子密钥分发的基本原理;重点描述几个典型的量子安全直接通信方案,介绍目前的发展状态并展望未来.     

用于量子通信的增益开关半导体激光器研究进展

量子通信是当前量子信息领域的研究前沿和热点。增益开关半导体激光产生技术是一种实现脉冲激光产生的成熟方法,将其与注入锁定技术结合,可以满足量子通信应用对激光脉冲的需求。系统地介绍了增益开关半导体激光器的工作原理和注入锁定方案,以及其在量子密钥分发、量子随机数产生等方面的应用现状,着重从物理原理、实验方案和最新研究进展等方面进行阐述,并对其下一步的发展进行简要展望。     

多输入多输出量子密钥分发信道容量研究

量子安全通信是一个量子密钥分发过程,目前采用的通信技术严重制约了量子密钥分发的比特率.将多输入多输出（MIMO）技术应用于量子密钥分发系统,可提高量子密钥分发的比特率,促进量子安全通信向高速大容量发展.文中首先构造出MIMO量子密钥分发信道中多光子纠缠态Wigner算符矩阵.并在此基础上,推导出多光子双模压缩纠缠态Wigner算符矩阵和MIMO量子密钥分发信道容量.为开发稳健的MIMO量子安全通信空时处理算法和优化设计高性能MIMO量子密钥分发系统提供理论支撑和技术基础. 关键词： 多输入多输出 双模压缩态 多光子纠缠态 信道容量     

MIMO量子信道的空间自由度研究

量子通信是一个量子密钥分发过程,目前采用的通信技术严重制约了量子密钥分发的比特率.将多输入多输出（MIMO）技术应用于量子通信系统,提高量子密钥分发的比特率,促进量子通信向高速大容量发展.然而,量子场本身不可避免地存在量子噪声约束容量的增长,限制了可利用空间资源,即空间自由度.文中采用光子场的量子化和满足Schrdinger方程条件的电磁场波动方程推导出MIMO量子信道的空间自由度上限,为开发稳健的MIMO量子通信空时处理算法和优化设计高性能MIMO量子通信系统提供理论基础和技术支持. 关键词： 多输入多输出 量子密钥分发 Schrdinger方程 光子场的量子化     

量子直接通信

量子直接通信是量子通信中的一个重要分支, 它是一种不需要事先建立密钥而直接传输机密信息的新型通信模式. 本综述将介绍量子直接通信的基本原理, 回顾量子直接通信的发展历程, 从最早的高效量子直接通信协议、两步量子直接通信模型、量子一次一密直接通信模型等, 到抗噪声的量子直接通信模型以及基于单光子多自由度量子态及超纠缠态的量子直接通信模型, 最后介绍量子直接通信的研究现状并展望其发展未来.     

量子密码技术开辟通信安全新时代

 2004年6月3日,世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。主持这套网络建设的是美国BBN技术公司。新的量子密码通信网络已成功地实现了该公司与哈佛大学之间的连接,不久将延伸至波士顿大学。新的量子密码通信网络与现有因特网技术完全兼容,网络传输距离约为10千米。这个由美国BBN技术公司研发的量子密码通信网络和现有的宽带网并没有太大的不同---采用普通光纤传输数据,并且与普通网络完全兼容。与普通网络不同的是,该网络中传输的数据采用了量子密码技术进行加密。     

基于稳定子码的在噪声信道的量子安全直接通信方案研究

量子安全直接通信是继量子密钥分配后,量子通信领域又一重要的研究领域,它要求通信双方在预先不需要建立共享密钥的情况下就可以实现消息的保密传输。不同于属于非确定通信的量子密钥分配,量子直接通信受信道噪声的影响更大,需要更好的检错纠错能力。本文根据稳定子码纠错理论和GHZ三态纠缠粒子的特性提出了一套基于稳定子码理论的量子直接通信方案,使其在保持无条件安全性的基础上可以对单量子的相位和比特错误进行纠错检错,大大降低了信道的整个通信过程的量子比特错误率。     

连续变量量子通信中的高斯调制

在连续变量量子通信,特别在连续变量量子保密通信中,高斯信源是一个重要的组成部分,它与通信系统的效率、安全性等核心问题有着紧密的联系.利用Shannon信息理论模型,本文研究了高斯信源对量子通信信道容量、量子保密通信安全性等问题的影响,给出了这些重要参数对高斯信源参数的依赖性,并给出了量子保密通信系统的安全性条件.在此基础上提出了一种高斯调制的实验实现方案,利用FPGA成功实现了连续变量量子信号的高斯调制.     

奥地利物理学家安东·蔡林格与量子信息

量子信息科学目前是全球一大热点,其中包括量子通信和量子计算.量子特有的纠缠特性是量子信息可行的基础,而量子隐形传态是实现量子通信的一种重要方法.在有关量子信息的研究中,奥地利物理学家安东·蔡林格是个不可忽略的人物.本文介绍了蔡林格的主要研究经历,以及他在量子信息领域的突出贡献,包括实现多粒子纠缠和量子隐形传态,同时对他研究道路上的一些关键人物做了介绍.     

基于量子隐形传态的量子保密通信方案

量子保密通信包括量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享等主要形式.在量子密钥分发和秘密共享中,传输的是随机数而不是信息,要再经过一次经典通信才能完成信息的传输.在量子信道直接传输信息的量子通信形式是量子安全直接通信.基于量子隐形传态的量子通信(简称量子隐形传态通信)是否属于量子安全直接通信尚需解释.构造了一个量子隐形传态通信方案,给出了具体的操作步骤.与一般的量子隐形传态不同,量子隐形传态通信所传输的量子态是计算基矢态,大大简化了贝尔基测量和单粒子操作.分析结果表明,量子隐形传态通信等价于包含了全用型量子密钥分发和经典通信的复合过程,不是量子安全直接通信,其传输受到中间介质和距离的影响,所以不比量子密钥分发更有优势.将该方案与量子密钥分发、量子安全直接通信和经典一次性便笺密码方案进行对比,通过几个通信参数的比较给出各个方案的特点,还特别讨论了各方案在空间量子通信方面的特点.     

利用光子回声技术产生光的三体纠缠态的研究

量子纠缠是实现量子通信和量子计算的重要资源,其中多体纠缠更是构建量子网络实现全局量子计算的基础。本文主要研究如何利用经典的光子回声技术实现光量子态的三体纠缠。在自由空间中向掺杂稀土离子的固态离子系综中射入经典光场,当离子体系达到相位重构条件时即可获得三束存在纠缠的量子光场。基于本方案纠缠产生的技术特点,发现其在提高量子中继器的工作效率上有着潜在的应用价值。     

基于QKD系统的扩展量子密钥方法研究

研究用交织技术和插值技术来扩展已有量子密钥库的容量,以期提高量子保密通信系统的量子密钥生成速率.初步仿真结果显示:采用交织技术和插值技术能扩展随机序列,且其随机性能不变.     

量子通信

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科。文章综述了量子通信领域的研究进展，既包括人们所熟知的量子隐形传态、密集编码和量子密码学，也包括刚刚兴起但却有巨大潜力的量子通信复杂度和远程量子通信等领域。文章介绍了量子通信的基本理论框架，同时也涉及了这个领域最新的实验研究的进展。     

利用Bell态实现量子隐形传态

量子隐形传态利用了量子的纠缠特性,在物理层实现了不可破译的量子密码通信.文章从信息论的角度描述了量子纠缠态的特性,给出了实现量子纠缠态的物理门线路;利用该量子纠缠态的量子线路,分析隐形传态的通信模型,给出了利用Bell态实现隐形传态的简单结构的量子线路,证明该量子线路是可行的,为进一步研究量子密码通信提供参考.     

一种单光子探测器量子效率的自绝对标定方法

在计量技术领域,尤其是在未来的量子通信领域,单光子探测器量子效率的标定工作有着极其重要的意义[1].     

量子Turbo乘积码

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科.量子纠错编码是实现量子通信的关键技术之一.构造量子纠错编码的主要方法是借鉴经典纠错编码技术,许多经典的编码技术在量子领域中都可以找到其对应的编码方法.针对经典纠错码中最好码之一的Turbo乘积码,提出一种以新构造的CSS型量子卷积码为稳定子码的量子Turbo乘积码.首先,运用群的理论及稳定子码的基本原理构造出新的CSS型量子卷积码稳定子码生成元,并描述了其编码网络.接着,利用量子置换SWAP门定义推导出量子Turbo乘积码的交织编码矩阵.最后,推导出量子Turbo乘积码的译码迹距离与经典Turbo乘积码的译码距离的对应关系,并提出量子Turbo乘积码的编译码实现方案.这种编译码方法具有高度结构化,设计思路简单,网络易于实施的特点. 关键词： CSS码 量子卷积码 量子Turbo乘积码 量子纠错编码     

量子密钥分配系统中的通信速率和误码率

基于通信速率和误码率在量子保密通信研究中的重要性, 采用1.55 μm上转换单光子探测器, 分析其量子效率随抽运功率的变化关系, 得出1.55 μm上转换单光子探测器较传统的铟镓砷二极管具有较高的量子效率和较低暗计数的优势, 并根据通信距离、上转换单光子探测器的量子效率和暗计数之间建立一种平衡, 得出每种距离上探测器的优化方案; 在考虑个体攻击无量子记忆的条件下, 比较BB84协议, BBM92协议和差分相移协议的量子密钥分配(QKD)系统的安全通信速率和误码率随通信距离的变化关系, 得出了差分相移键控协议的量子密钥分配系统是一个非常实用的, 通信距离大于200 km的很有吸引力的长距离量子密钥分配系统。     

量子存储研究进展

量子技术,比如量子通信、量子计算,具有经典技术所不具有的优势.但是,作为量子技术基本元素的量子态往往极为脆弱,很容易受到外界环境的影响而丢失,而且量子态的制造和量子操作往往是概率性的.这种概率性使得远距离量子通信和大规模的量子计算很难实现,除非有量子存储器将这些随机产生的量子态缓存并同步起来.在过去的十几年中,量子存储在各种各样的存储方案中得到了研究,而且已经从最初的原理性演示逐步发展到了如今的近乎可实用化.现如今,量子存储领域追求的是可实用化,而判断一个存储器是否可以实用化的基本标准是:高存储效率、低噪音、长寿命(或者大的时间带宽积)和室温条件下运行.通过介绍多个具有代表性的存储方案,本文给出了量子存储领域的研究现状和发展趋势.其中基于室温原子系综的宽带量子存储因其装置简单、实用性更强而广受关注.但是由于噪音问题,直到最近才在实验室中实现可工作在室温环境中的宽带FORD (far off-resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子存储和梯形量子存储.本文对多种存储方案的工作原理、优缺点进行了介绍,对FORD方案之所以能够成功进行了分析,还对量子存储的降噪方法进行了总结.     

空间量子密码通信

量子密码术是一门崛起的新兴技术，其传输的安全性基于量子力学的Heisenberg不确定原理。而其中空间量子密码通信以其近期迅猛的发展和广阔的前景备受瞩目。本文从量子密码术的基本原理出发，综合叙述了空间量子密码通信的发展和最新成果。     

非均匀水流中涌浪运动对水下量子通信性能的影响

涌浪运动是非均匀水流中的一种非线性运动,是常见的海洋运动形式之一.在进行水下量子通信时,会对光量子信号的传输造成极大的影响.然而,有关涌浪运动造成量子通信信道参数变化的研究,迄今尚未展开.为了研究涌浪运动对水下量子通信性能的影响,首先对涌浪运动的传播建立了数学模型并分析了其频谱特性.针对退极化信道,提出了涌浪运动与水下量子通信信道纠缠和信道容量的定量关系,并对量子密钥分发过程中误码率的影响进行了分析.仿真结果表明,当海面风速在0—20.5 m/s变化时,随着传播周期逐渐增大,信道纠缠度由0.0012逐渐增加到0.8426,信道容量由0.8736减小到0.1024,密钥分发过程中,量子误码率由0.1651增加到0.4812.由此可见,涌浪运动对于水下量子通信性能有着明显的影响.因此,在进行水下量子通信时,应根据涌浪运动的不同程度,自适应调整系统参数.