利用三粒子纠缠态建立量子隐形传态网络的探讨

利用W态纠缠源可以产生三纠缠粒子，用这些相互纠缠的粒子作为量子信道，再辅以经典信道传送Bell基联合测量信息和von Neumann测量信息，便可实现量子隐形传态网络.基于上述思想，研究了三纠缠粒子量子隐形传态网络的物理基础，得到了基于三粒子W 关键词： 量子通信 量子隐形传态 W态')" href="#">W态     

基于分组交换的量子通信网络传输协议及性能分析

量子纠缠交换能够建立可靠的量子远程传输信道, 实现量子态的远程传输. 然而, 基于纠缠交换的量子信道要求网络高度稳定, 否则会浪费大量纠缠资源. 为节省纠缠资源, 本文根据隐形传态理论, 提出了一种基于分组交换的量子通信网络传输协议, 建立了发送量子态所需的纠缠数目与所经过的路由器数、链路错误率的定量关系, 并与纠缠交换传输协议进行了比较. 仿真结果表明, 在链路错误率为0.1% 时, 分组传输协议所使用的纠缠数目少于纠缠交换的数目, 另外, 随着错误率的升高, 分组传输协议所需的纠缠数比纠缠交换协议明显减少. 由此可见, 基于分组交换的量子通信网络传输协议在网络不稳定时, 能够节省大量纠缠资源, 适用于链路不稳定的量子通信网络.     

多跳噪声量子纠缠信道特性及最佳中继协议

在量子通信网络中, 最佳中继路径的计算与选择策略是影响网络性能的关键因素. 针对噪声背景下量子隐形传态网络中的中继路径选择问题, 本文首先研究了相位阻尼信道及振幅阻尼信道上的纠缠交换过程, 通过理论推导给出了两种多跳纠缠交换信道上的纠缠保真度与路径等效阻尼系数. 在此基础上提出以路径等效阻尼系数为准则的隐形传态网络最佳中继协议, 并给出了邻居发现、量子链路噪声参数测量、量子链路状态信息传递、中继路径计算与纠缠资源预留等工作的具体过程. 理论分析与性能仿真结果表明, 相比于现有的量子网络路径选择策略, 本文方法能获得更小的路径平均等效阻尼系数及更高的隐形传态保真度. 此外, 通过分析链路纠缠资源数量对协议性能的影响, 说明在进行量子通信网设计时, 可以根据网络的规模及用户的需求合理配置链路纠缠资源.     

基于腔QED的多用户间的多原子量子信道的建立

提出基于腔QED技术的多用户间的多原子W态和GHZ态量子信道的建立方案.在量子网络的空闲时段,各个用户和量子交换机共享EPR对.量子交换机通过原子和腔场的相互作用将两个EPR对制备成W态,再与另一个EPR对进行纠缠交换,经过直接测量后为用户建立三原子W态量子信道;同时讨论了四用户间的W态量子信道的建立方案.量子交换机对三个EPR对进行纠缠交换,将三个原子同时与腔场作用,经过直接测量后为用户建立三原子GHZ态量子信道;并将此方法推广到N个用户间的GHZ态量子信道的建立. 关键词： 腔QED 量子信道 量子交换机 纠缠交换     

量子无线广域网构建与路由策略

提出了一种基于多阶量子隐形传态的量子路由方案, 在量子移动终端之间没有共享纠缠对的情况下, 仍然可以完成量子态的无线传输. 该量子路由方案可以用来构建量子无线广域网, 其传输时延与所经过的链路距离和基站数目无关, 传输一个量子态所需的时间与采用量子隐形传态所需的时间相同. 因此, 从数据传输速率的观点来看, 该方案优于基于纠缠交换的量子路由方案. 关键词： 量子通信 多阶量子隐形传态 量子路由 量子无线广域网     

基于量子远程传态的无线自组织量子通信网络路由协议

针对复杂结构的无线量子通信网络,提出了无线自组织量子通信网络概念并设计其路由协议．该路由协议为按需路由协议,路由度量基于相邻节点问的纠缠粒子对数目．需要发送携带信息的量子态的节点发起路由请求和建立过程,由目的节点根据路由度量选择路径．目的节点选择路径后,沿所选路径发送路由应答信息至源节点并通知路径中其他节点．信息传输过程中,若所选路径中相邻节点问无线信道或者量子信道中断,将重新发起一个路由发现过程．建立新路由．路径中节点收到路由应答信息后,利用纠缠交换和两端逼近方法,从路径两端向中间节点方向进行纠缠交换,建立量子信道后,通过量子远程传态传输携带信息的量子态,从而实现无线自组织量子通信网络中任意两节点问信息的传递．     

有噪量子信道生存函数研究及其仿真

为了构建高生存性的量子信令网, 基于保真度概念, 提出量子信道生存函数和信令网生存性的概念. 分析光纤和自由空间生存系数, 计算三种消相干机理下有噪量子信道保真度, 给出生存函数测试模型. 仿真分析表明, 通过降低量子态跃迁率, 控制光纤衰减损耗和大气衰减系数, 减小量子态演化时间, 设置量子中继, 可以建立高生存性量子信道, 为量子纠缠信令网标准的制定提供理论基础. 关键词： 量子通信 量子信令网 保真度 生存函数     

基于极化-空间模超纠缠的量子网络多跳纠缠交换方法研究

基于纠缠交换方法进行多跳量子信息传输,是实现远距离量子网络通信的基本方式之一.传统的多跳量子网络通常使用单自由度极化光子纠缠态作为量子信道,信息传输容量较低且容易受到噪声的干扰.本文提出一种基于超纠缠的高效量子网络多跳纠缠交换方法,利用极化-空间模式两自由度的纠缠光子,建立超纠缠量子多跳信息传输通道.以远程超纠缠隐形传态的信道建立需求为例,首先给出了基础的逐跳超纠缠交换方案,为降低该方案的端到端超纠缠建立时延,提出在中间量子节点进行同时测量的并行超纠缠交换方案.在此基础上,为降低并行超纠缠交换的经典信息开销,进一步提出一种分级并行超纠缠交换方案.理论分析及仿真结果表明该方案的纠缠建立时延接近于并行超纠缠交换方案,但可以减少经典信息传输量,在一定程度上实现两者的平衡.相比传统的纠缠交换方法,本文方案有利于解决远程超纠缠通信的需求,对未来构建更高效率的量子网络有积极意义.     

海洋非色素团聚颗粒对水下量子通信性能的影响

为了研究海洋非色素团聚颗粒对水下量子通信性能的影响,基于Mie散射理论和Gordon模型,分析了非色素团聚颗粒的散射与吸收特性。针对不同波长的光信号,建立了海洋非色素团聚颗粒质量浓度与链路衰减、量子安全密钥产生率、信道建立速率、幅值阻尼信道容量之间的关系模型并进行了仿真。结果表明,当采用波长为580 nm的光信号进行水下量子通信、传输距离为2 km、海洋非色素团聚颗粒的质量浓度为1.2 mg/L时,对应的链路衰减、量子安全密钥产生率和幅值阻尼信道容量分别为1.659、8.295×10-5和0.486;保真度为0.899时,量子信道建立速率为58.2 pair/s。该仿真结果可为海洋环境中量子通信系统的设计与优化提供参考依据。     

基于纠缠的数据链路层量子通信协议

利用量子力学中的纠缠关联性，提出了数据链路层的量子通信协议. 该协议把线路分为忙闲时段，量子纠缠态的分发预先在闲时段完成，数据经由经典链路发送，确认帧经由量子纠缠信道发送. 量子信息的传输可以是瞬时的，因此两个发送成功的数据帧之间的最小时间间隔可以大为减小. 研究表明该协议能有效地提高数据链路的最大吞吐量，改善数据链路层停止等待协议的性能. 关键词： 量子通信 纠缠 停止等待协议 数据链路     

Quantum multicast communication over the butterfly network

We propose a scheme where one can exploit auxiliary resources to achieve quantum multicast communication with network coding over the butterfly network.In this paper,we propose the quantum 2-pair multicast communication scheme,and extend it to k-pair multicast communication over the extended butterfly network.Firstly,an EPR pair is shared between each adjacent node on the butterfly network,and make use of local operation and classical communication to generate entangled relationship between non-adjacent nodes.Secondly,each sender adds auxiliary particles according to the multicast number k,in which the CNOT operations are applied to form the multi-particle entangled state.Finally,combined with network coding and free classical communication,quantum multicast communication based on quantum measurements is completed over the extended butterfly network.Not only the bottleneck problem is solved,but also quantum multicast communication can be completed in our scheme.At the same time,regardless of multicast number k,the maximum capacity of classical channel is 2 bits,and quantum channel is used only once.     

The Performance of Satellite-Based Links for Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution

Measurement-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) protocol has high practical value. Satellite-based links are useful to build long-distance quantum communication network. The model of satellite-based links for MDI-QKD was proposed but it lacks practicality. This work further analyzes the performance of it. First, MDI-QKD and satellite-based links model are introduced. Then considering the operation of the satellite the performance of their combination is studied under different weather conditions. The results may provide important references for combination of optical-fiber-based links on the ground and satellite-based links in space, which is helpful for large-scale quantum communication network.     

Demonstration of fully-connected quantum communication network exploiting entangled sideband modes

Quantum communication network scales point-to-point quantum communication protocols to more than two detached parties, which would permit a wide variety of quantum communication applications. Here, we demonstrate a fully-connected quantum communication network, exploiting three pairs of Einstein−Podolsky−Rosen (EPR) entangled sideband modes, with high degree entanglement of 8.0 dB, 7.6 dB, and 7.2 dB. Each sideband modes from a squeezed field are spatially separated by demultiplexing operation, then recombining into new group according to network requirement. Each group of sideband modes are distributed to one of the parties via a single physical path, making sure each pair of parties build their own private communication links with high channel capacity better than any classical scheme.     

不同海面风速对量子卫星星舰通信性能的影响

量子卫星星舰通信是量子保密通信的重要应用场景之一,在海面上,由于不同风速所引起的气溶胶粒子浓度发生剧烈变化,而气溶胶粒子浓度的剧变,必然导致星舰量子链路性能的剧烈衰减.然而,有关不同海面风速与量子卫星星舰通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.本文根据海面风速与气溶胶的Gras模型,分别建立了风速与星舰量子信道误码率、信道容量和信道平均保真度的定量关系.仿真结果表明,当风速分别为4 m/s和20 m/s时,海洋大气信道误码率、信道容量、信道平均保真度分别依次为4.62×10^-3和4.91×10^-3、0.957和0.65、0.999和0.974.由此可见,风速对海上量子通信性能有显著的影响.因此,为了提高通信的可靠性,应根据风速大小,自适应调整系统的各项参数.     

Network-topology-adaptive quantum conference protocols

As an important application of the quantum network communication,quantum multiparty conference has made multiparty secret communication possible.Previous quantum multiparty conference schemes based on quantum data encryption are insensitive to network topology.However,the topology of the quantum network significantly affects the communication efficiency,e.g.,parallel transmission in a channel with limited bandwidth.We have proposed two distinctive protocols,which work in two basic network topologies with efficiency higher than the existing ones.We first present a protocol which works in the reticulate network using Greeberger-Horne-Zeilinger states and entanglement swapping.Another protocol,based on quantum multicasting with quantum data compression,which can improve the efficiency of the network,works in the star-like network.The security of our protocols is guaranteed by quantum key distribution and one-time-pad encryption.In general,the two protocols can be applied to any quantum network where the topology can be equivalently transformed to one of the two structures we propose in our protocols.     

Quantum partial least squares regression algorithm for multiple correlation problem

Partial least squares (PLS) regression is an important linear regression method that efficiently addresses the multiple correlation problem by combining principal component analysis and multiple regression. In this paper, we present a quantum partial least squares (QPLS) regression algorithm. To solve the high time complexity of the PLS regression, we design a quantum eigenvector search method to speed up principal components and regression parameters construction. Meanwhile, we give a density matrix product method to avoid multiple access to quantum random access memory (QRAM) during building residual matrices. The time and space complexities of the QPLS regression are logarithmic in the independent variable dimension n, the dependent variable dimension w, and the number of variables m. This algorithm achieves exponential speed-ups over the PLS regression on n, m, and w. In addition, the QPLS regression inspires us to explore more potential quantum machine learning applications in future works.     

中纬度地区电离层偶发E层对量子卫星通信性能的影响

电离层偶发E层是指在距离地面高度80—150 km之间,在风剪切作用下,电子密度急剧增加的不规则电离薄层,它会对量子卫星光信号的传输造成极大的影响.然而,有关电离层偶发E层与星地间量子通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.为了研究偶发E层对量子卫星通信性能的影响,首先分析了它的形成过程,得出自由电子密度随高度变化的关系;然后建立了自由电子密度、偶发E层的厚度对量子卫星链路衰减的模型;针对振幅阻尼信道,给出自由电子密度对信道容量、纠缠保真度、误码率和安全密钥产生率的定量关系.理论分析和仿真结果表明,当偶发E层的厚度为1 km、电子密度由3×10~5cm~(-1)增加到27×10~5cm~(-1)时,信道容量由0.8304衰减到0.1319,纠缠保真度由0.9386下降到0.3606,量子误码率由0.0093增加到0.0769,安全密钥产生率由9.968×10~(-5)减小到1.91×10~(-6).由此可见,电子密度的大小和偶发E层的厚度对量子卫星通信性能有显著的影响.因此,在进行量子卫星通信时,应根据对电离层参数的探测情况,自适应调整卫星系统的各项指标,以确保量子通信的可靠性.