量子纠缠信令网Poisson生存模型及保真度分析

量子信令态在传输过程中,由于环境影响产生退相干,造成信令损伤,从而会对构建高生存性的量子纠缠信令网产生影响. 为分析所造成的影响,建立了自然灾害下的量子信令网Poisson损伤模型. 首先,根据信令保真度定义了灾害级数;其次,提出信令态平均损伤量子比特数,并给出信令网生存函数;最后,研究了信令损伤的修复策略并进行仿真. 仿真结果表明,灾害级数的增加会大大降低信令网生存性,而增加信令转接点数和控制信令损伤上限可改善生存性,且该修复策略循环次数少,并可将信令态的保真度由0.6快速提高到0.9,信令网的生存函数由0.4提高到0.9. 关键词： 量子通信 量子信令网 保真度 生存函数     

量子信令中继器模型及性能仿真

为了解决量子信令远程传输损伤问题,提出了一种量子信令中继器模型. 在该模型中,首先对接收到的信令量子态进行纠缠纯化和纠缠分发,这样就可在收发双方之间建立纠缠信道. 其次,通过纠缠交换,传送所要发送的量子信令,从而完成量子信令的中继. 仿真结果表明,在保真度为0.98、纠缠对成功建立概率为0.98的条件下, 信令中继成功率可以达到97%以上;在纠缠交换概率、纯化概率和纠缠对成功建立概率都为0.98时, 量子信令中继器的吞吐量可达到183kbps,以上各项指标能够有效满足量子通信对信令中继的要求. 关键词： 量子通信 量子信令 纠缠纯化 纠缠分发     

基于纠缠度计算的量子移动信令相邻小区越区切换策略及仿真

信令是任何通信系统必不可少的重要组成部分,量子移动通信也不例外.然而,关于量子移动通信信令在相邻小区越区切换过程中的切换策略问题的研究迄今尚未展开.随着移动用户位置的改变,用户与基站间的纠缠度不断变化.本文提出了基于纠缠度计算的量子信令在相邻小区的越区切换策略.首先定义了信令纠缠度与距离的关系,然后研究了用户位置改变所导致用户与基站之间信令纠缠度的变化情况,提出了基于纠缠度阈值计算的切换算法.仿真结果表明,本文所提出的信令切换策略可靠性高,能够在各基站之间实现平稳切换.因此,本研究对于构造量子移动通信网络的信令系统及其标准的制定具有极为重要的技术支撑作用.     

基于纠缠度计算的量子移动信令相邻小区越区切换策略及仿真

信令是任何通信系统必不可少的重要组成部分,量子移动通信也不例外.然而,关于量子移动通信信令在相邻小区越区切换过程中的切换策略问题的研究迄今尚未展开.随着移动用户位置的改变,用户与基站间的纠缠度不断变化.本文提出了基于纠缠度计算的量子信令在相邻小区的越区切换策略.首先定义了信令纠缠度与距离的关系,然后研究了用户位置改变所导致用户与基站之间信令纠缠度的变化情况,提出了基于纠缠度阈值计算的切换算法.仿真结果表明,本文所提出的信令切换策略可靠性高,能够在各基站之间实现平稳切换.因此,本研究对于构造量子移动通信网络的信令系统及其标准的制定具有极为重要的技术支撑作用.     

量子比特的普适远程翻转和克隆

提出一种把量子隐形传态、最佳普适量子比特翻转和最佳普适量子克隆三者结合起来的量子比特普适远程翻转和克隆方案.当发送者和处于不同地点的三个接收者共享一个特定的四粒子纠缠态作为量子信道时,通过发送者的Bell基测量、经典通信和各个接收者的局域幺正变换,一个接收者能够以2/3的最佳保真度得到一份原未知量子比特的正交补态,另外两个接收者能够分别以5/6的最佳保真度得到原未知量子比特的一份拷贝.此方案用较少的量子纠缠资源同时完成了未知量子比特的普适远程翻转和克隆,且其保真度分别达到了最佳.实现此方案的关键在于构造出发送者和接收者共享的特定四粒子纠缠态作为量子信道,分析了此特殊四粒子态内在的纠缠结构.     

基于四粒子Ω态的量子对话方案及拦截-重发攻击安全性分析

提出了一个多用户量子信令树型传输系统,并详细阐述了信令的传输过程.研究了系统中信令受到特洛伊木马攻击的损伤模型及其修复的必要性.将量子密钥分发的思想引入量子信令安全的直接通信中,分析了采用非正交量子态,以克服特洛伊木马攻击的问题,从而提高了信令传输的安全性.对多用户量子信令树型传输系统进行改进,提出了新的广义的多用户量子信令树型拓扑传输模型.研究结果表明,本文所提出的对多用户信令攻击的修复策略可有效地防止特洛伊木马攻击,从而保证信令传输过程安全有效的进行.     

基于特洛伊木马攻击的多用户树型量子信令损伤模型及修复策略

提出了一个多用户量子信令树型传输系统,并详细阐述了信令的传输过程.研究了系统中信令受到特洛伊木马攻击的损伤模型及其修复的必要性.将量子密钥分发的思想引入量子信令安全的直接通信中,分析了采用非正交量子态,以克服特洛伊木马攻击的问题,从而提高了信令传输的安全性.对多用户量子信令树型传输系统进行改进,提出了新的广义的多用户量子信令树型拓扑传输模型.研究结果表明,本文所提出的对多用户信令攻击的修复策略可有效地防止特洛伊木马攻击,从而保证信令传输过程安全有效的进行.     

基于纠缠交换的量子信令中继网络模型及仿真

针对多用户量子信令网络的中继模型,本文研究了环境量子噪音对信令远程传输的影响,分析了量子交换原理,在此基础上提出了基于纠缠交换的量子信令中继策略,给出了总线型信令中继网络模型,并对量子信令远程传输成功率进行了仿真研究.结果表明:量子信令远程传输成功率与噪音功率谱密度、传输距离和中继次数三个因素密切相关;当噪音功率谱密度一定时,随着传输距离的增大,信令传输成功率呈准平抛型曲线下降;在噪音功率谱密度和总的传输距离两个因素都确定的情况下,随着中继次数的增加,信令传输成功率显著增大.因此,为了实现量子信令的可靠传输,在背景噪音一定时,必须准确设计传输距离和中继次数.     

基于纠缠交换的量子信令中继网络模型及仿真

针对多用户量子信令网络的中继模型,本文研究了环境量子噪音对信令远程传输的影响,分析了量子交换原理,在此基础上提出了基于纠缠交换的量子信令中继策略,给出了总线型信令中继网络模型,并对量子信令远程传输成功率进行了仿真研究.结果表明:量子信令远程传输成功率与噪音功率谱密度、传输距离和中继次数三个因素密切相关;当噪音功率谱密度一定时,随着传输距离的增大,信令传输成功率呈准平抛型曲线下降;在噪音功率谱密度和总的传输距离两个因素都确定的情况下,随着中继次数的增加,信令传输成功率显著增大.因此,为了实现量子信令的可靠传输,在背景噪音一定时,必须准确设计传输距离和中继次数.     

利用脉冲延迟实现微波波导中量子态存储与异地按需读取

量子存储是实现长距离量子通信的关键步骤,也是量子信息处理的重要基础.在满足存储时间长、保真度高的基础上,实现量子态的异地按需读取对构建实用化量子网络有着重要意义.本文基于受激拉曼绝热路径(stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP)的方法,提出了通过设计可控脉冲延迟在一维微波波导中实现高保真度的量子态存储与异地按需读取的理论方案.该方案不仅可以根据需求在异地决定读出时间,且可以降低原始STIRAP方案所需的脉冲面积,降低能量消耗.数值计算的结果表明,该方案实现的保真度对波导中的平均热光子数及读出脉冲的持续时间均有较强的鲁棒性.     

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     

Optimal Lyapunov quantum control of two-level systems: Convergence and extended techniques

Taking a two-level system as an example, we show that a strong control field may enhance the efficiency of optimal Lyapunov quantum control but could decrease its control fidelity. A relationship between the strength of the control field and the control fidelity is established. An extended technique, which combines free evolution and external control, is proposed to improve the control fidelity. We analytically demonstrate that the extended technique can be used to design a control law for steering a two-level system exactly to one predetermined eigenstate of the free Hamiltonian. In such a way, the convergence of the extended optimal Lyapunov quantum control can be guaranteed.     

Variational Quantum Algorithms for the Steady States of Open Quantum Systems

The solutions of the problems related to open quantum systems have attracted considerable interest.We propose a variational quantum algorithm to find the steady state of open quantum systems.In this algorithm,we employ parameterized quantum circuits to prepare the purification of the steady state and define the cost function based on the Lindblad master equation,which can be efficiently evaluated with quantum circuits.We then optimize the parameters of the quantum circuit to find the steady state.Numerical simulations are performed on the one-dimensional transverse field Ising model with dissipative channels.The result shows that the fidelity between the optimal mixed state and the true steady state is over 99%.This algorithm is derived from the natural idea of expressing mixed states with purification and it provides a reference for the study of open quantum systems.     

Quantum communication complexity of establishing a shared reference frame

We discuss the aligning of spatial reference frames from a quantum communication complexity perspective. This enables us to analyze multiple rounds of communication and give several simple examples demonstrating tradeoffs between the number of rounds and the type of communication. Using a distributed variant of a quantum computational algorithm, we give an explicit protocol for aligning spatial axes via the exchange of spin-1/2 particles which makes no use of either exchanged entangled states, or of joint measurements. This protocol achieves a worst-case fidelity for the problem of "direction finding" that is asymptotically equivalent to the optimal average case fidelity achievable via a single forward communication of entangled states.     

Optimization of a quantum tomography protocol for polarization qubits

An operational method has been proposed for estimating the efficiency of quantum cryptography protocols for quantum states with discrete variables. The method is based on the estimate of the quality of the protocol by means of a universal asymptotic distribution of the characteristic of the accuracy of the reconstruction of the quantum state, which is called fidelity. For a specially designed measurement matrix, the condition number, which is minimal for the optimal protocol, is introduced. The method has been tested in a numerical simulation and real experiments with polarization qubits. It has been shown that the optimal choice of a polarization transformer makes it possible to strongly improve the quality of the reconstruction of states.     

Iterative optimization of quantum error correcting codes

We introduce a convergent iterative algorithm for finding the optimal coding and decoding operations for an arbitrary noisy quantum channel. This algorithm does not require any error syndrome to be corrected completely, and hence also finds codes outside the usual Knill-Laflamme definition of error correcting codes. The iteration is shown to improve the figure of merit "channel fidelity" in every step.     

两腿XXZ自旋梯子模型的量子相变与量子临界现象

对于无限大尺寸两腿自旋1/2的XXZ自旋梯子模型,通过运用基于随机行走的张量网络(TN)算法数值模拟出基态波函数,首次尝试研究自旋梯子模型的约化保真度、普适序参量、纠缠熵等物理观测量,并系统研究基态保真度的三维挤点与二维分叉、约化保真度的分叉、局域序参量、普适序参量、纠缠熵和量子相变之间存在的关联关系.基于张量网络表示的算法在任意随机选择初始状态时,可以得到两腿XXZ量子自旋梯子系统简并的对称破缺基态波函数,该基态波函数是由于Z2对称破缺引起的.本文期望所提供的方法可为进一步研究凝聚态物质中热力学极限下的强关联电子量子晶格自旋梯子系统的量子相变和量子临界现象提供一种更有效的强大的工具.