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量子比特可借助于各种物理量进行编码，例如，光子的极化态，原子的自旋态等．为了使量子比特实际有用，它们与外部世界的随机耦合（退相干效应）必须被尽力避免．光子在传输的进程中本征退相干效应极小．但是，当光信号在光纤中传输时，它的强度会衰减．衰减的程度随传输距离以指数方式增大，例如，15km衰减到1／2，100km衰减到1／100．对于经典通信来说，中继器起放大信号的作用．但是，经典中继器不能被用于量子通信，因为它的噪声太大，以至于产生太多的错误量子比特．正在被研发的量子中继器，实际上是一个量子微处理器．它能够存储和处理一个一个的量子比特，并保证量子态的高保真复现。     

铷原子波段Time-bin量子比特的传输

在铷原子波段将光场信息编码到Time-bin量子比特,然后将Time-bin量子比特在光纤中经过2.3km的远距离传输,利用非平衡马赫-曾德尔干涉仪对传输后的Time-bin的相干度进行测量,实验结果显示单光子量级的Time-bin远距离传输后其相干保持度为81%。     

基于约瑟夫森器件的超导量子比特

超导量子比特利用了超导约瑟夫森隧道结的非线性效应,采用了半导体集成电路的工艺,以其无能耗,大设计加工自由度,易规模化等优点而倍受注目。本文对超导量子比特的基本原理及发展过程作了简要综述。首先简要回顾了量子计算的历史,然后介绍了超导量子比特的设计及其调控,并对各种超导量子比特的消相干进行了讨论。     

固态量子计算的若干重要物理问题研究

量子计算机拥有比经典计算机更为强大的计算能力．人们普遍认为量子计算机最终将会在固态系统中实现．文章介绍了一些有关固态量子计算的研究进展，其中包括超导电荷量子比特方案、几何量子计算、量子点量子比特及量子计算若干基本问题研究．最后给出了固态量子计算的发展趋势．     

基于超导量子干涉仪与介观LC共振器耦合电路的量子通信

量子计算如何在实验上实现一直受到广泛关注. 包括超导Josephson结的小量子器件(如超导量子干涉仪, SQUID)是实现量子计算的一种非常具有发展前景的物理系统. 本文通过对SQUID和介观LC共振器耦合电路系统的Cooper对数-相量子化机制的讨论, 合理地调制参数, 由此导出了该耦合电路在两能级近似下的J-C模型形式, 并提出了一种基于此模型的可实现量子信息传递的方案. 根据此方案可以利用介观LC共振器为数据总线来执行两SQUID间电荷量子比特的传递.     

海洋湍流对光子轨道角动量量子通信的影响

本文研究了基于光子轨道角动量的量子通信在水下量子信道中受海洋湍流运动的影响.基于Elamassie等提出的海洋湍流功率谱模型,本文建立了不同海洋湍流参数与光子轨道角动量量子通信的单光子探测概率、信道容量、密钥产生率以及双光子共生纠缠度的定量关系,并利用纠缠光子对的共生纠缠度在海洋湍流中的普适衰减特性进一步研究了轨道角动量纠缠光子对在海洋湍流中的最大纠缠距离.研究结果表明:水下量子通信性能和纠缠光子对的共生纠缠度都随海洋湍流的湍流动能耗散率的增大或温度方差耗散率的减小而降低;温度和盐度因素对海洋湍流贡献的比值对水下量子通信的影响在海水是否稳定分层的条件下具有显著的区别;在通过海洋湍流进行量子通信时,增加信号光子的初始轨道角动量量子数可以提高量子密钥分发的密钥产生率和纠缠光子的纠缠衰减抵抗性.     

四能级原子系统中量子相干增强的Kerr非线性效应的研究

应用密度矩阵方程计算了四能级原子系统中三阶非线性极化率随信号光和探针光频率失谐的变化关系。结果表明，由于量子干涉对信号光强度的敏感性，使四能级原子介质的交叉Kerr非线性作用大大增强，与三能级系统相比，四能级原子介质的Kerr非线性系数可增强两个数量级。     

带身份认证的量子安全直接通信方案

针对传统量子安全直接通信方案中需提前假设通信双方合法性的问题,提出一种带身份认证的基于GHZ态(一种涉及至少三个子系统或粒子纠缠的量子态)的量子安全直接通信方案.该方案将GHZ态粒子分成三部分,并分三次发送,每一次都加入窃听检测粒子检测信道是否安全,并在第二次发送的时候加入身份认证,用以验证接收方的身份,在第三次发送完粒子之后,接收方将所有检测粒子抽取出来,之后对GHZ态粒子做联合测量,并通过原先给定的编码规则恢复原始信息.本方案设计简单、高效,无需复杂的幺正变换即可实现通信.安全性分析证明,该方案能抵御常见的内部攻击和外部攻击,并且有较高的传输效率、量子比特利用率和编码容量,最大的优势在于发送方发送信息的时候不需要假设接收方的合法性,有较高的实际应用价值.     

海洋气泡对水下量子通信性能的影响

随着水下无线通信的发展,关于海洋环境量子通信的研究也逐渐成为热点。其中,研究海洋气泡对光量子在水下传输的影响具有重要意义。为了研究海洋气泡对水下量子通信信道性能的影响,根据海洋气泡的粒径分布模型,研究了气泡的散射特性,并根据气泡的消光系数,分析了不同条件参数对链路衰减、纠缠度、信道容量以及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明：气泡浓度和传输距离的增大,使链路衰减和误码率增加,对于幅值阻尼信道、退极化信道和比特翻转信道,其信道容量均有所减小;随着气泡半径的增大、深度的减小,信道纠缠度降低。由此可见,海洋气泡对量子通信性能的影响不可忽略,在实际应用中为了保障水下量子通信的传输效率,应适当调节水下量子通信相关参数,减小海洋气泡环境对通信系统的影响。     

基于光量子态避错及容错传输的量子通信

量子通信以量子态为信息载体在远距离的通信各方之间传递信息,因此量子态的传输和远距离共享是量子通信的首要步骤.信道噪声不仅会影响通信效率还可能被窃听者利用从而威胁通信安全,对抗信道噪声是实现安全高效量子通信亟需解决的问题.本文介绍基于光量子态的两类对抗信道噪声的实用方法——量子态的避错传输和容错的量子通信,包括对抗噪声的基本原理和两种方法的代表性方案,并从资源消耗和可操作性的角度分析了方案的实用价值.     

基于碰撞感应激发产生的量子相干效应研究

近年来，量子相干在诸如高灵敏高精度激光光谱和新型量子频标、分子运动和物理化学反应的操控、原子分子激发态结构信息、量子态绝热布居转移、量子计算和量子信息处理等方面具有广泛的应用而受到人们的关注。基于量子干涉效应而产生的量子相干可分为频域和时域内的两种：频域内的量子相干来源于两个或多个同时的不同跃迁路径间的干涉，时域内的量子相干来源于两个或多个具有一定延时的同一跃迁路径间的干涉。本报告对以往较少涉及的原子及原子——分子混合体系中基于非相干碰撞而产生的频域和时域内多能级系统量子相干效应进行研究，并着重探索量子相干产生的条件及其对外界条件的依赖关系等。     

纠缠辅助下三方通信复杂度问题及其量子线路的研究

我们设计了一个实现纠缠辅助下计算特定布尔函数的三方通信复杂度问题的量子线路,该问题中输入变量分布在通信三方。计算分析表明如果通信三方没有分享纠缠态,需要四比特经典通信才能完成计算任务。有纠缠辅助下,仅通过三比特经典通信能够以一定概率完成任务,成功概率与纠缠态的具体形式有关,当选择合适的纠缠态时,成功概率最高可达100%。     

卷云对自由空间星地量子通信信道的影响

卷云对量子通信光信号的传输有极大的影响.根据卷云特性建立了卷云冰晶粒子的分布模型,研究了卷云的消光特性,并根据卷云的散射特性,分析了卷云冰水含量、传输距离、链路消光特性、信道容量和信道纠缠度衰减的定量关系,研究了噪声影响下隐形传态保真度的变化,并进行了仿真实验.实验结果表明,当传输距离为3 km时,在卷云冰水含量(体积...     

黑碳气溶胶对星地量子链路通信性能的影响

为了研究黑碳气溶胶对星地量子通信性能及传输质量的影响,根据黑碳气溶胶的复折射率及米氏散射理论得到其消光效率因子,分析了黑碳气溶胶粒子数浓度对量子通信链路衰减、信道容量、信道生存函数以及信道误码率的影响,并进行了仿真实验.结果表明,当传输距离为2 km,黑碳气溶胶粒子数浓度由1.2×107 m-3增加至3.6×107 m...     

海冰对水下量子通信信道性能的影响

为研究海冰对水下量子通信信道性能的影响,基于海冰在不同的密度、盐度下的吸收与散射特性,建立了海冰参数与消光系数之间的关系、光量子信号衰减模型;根据海冰在不同密度、盐度下的消光特性,分别建立海冰参数与信道利用率、量子密钥分配系统误码率、系统成码率之间的关系并进行数据仿真。理论分析与仿真结果可为海冰环境下的水下量子通信设计提供参考。     

带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案

针对量子安全直接通信中身份认证的需要,提出一种带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案.通信开始前通信双方共享一串秘密信息,先利用单光子来验证接收方的合法性,再利用Bell态粒子验证发送方的合法性,之后将Bell态粒子与单光子混合作为载体发送.每一次发送量子态时都加入窃听检测粒子,而一旦窃听者截获发送粒子,由于得到的是不完整的粒子,窃听者无法恢复原始信息,并且窃听行为会立刻被发现,从而终止通信.本方案中单光子和Bell态充得到分利用,且混合之后的通信能有效提高传输效率和编码容量以及量子比特利用率.安全性分析证明,本方案能抵御常见的外部攻击和内部攻击.     

海洋矿物质颗粒对水下量子通信信道性能的影响

海洋矿物质颗粒是影响光子在水下传输的重要因素之一.为了研究海洋矿物质颗粒对水下量子通信信道性能的影响,建立了海洋矿物质颗粒群密度、传输距离与链路衰减的关系模型并进行了仿真.针对退极化信道,研究了矿物质颗粒群密度和传输距离与信道容量、信道误码率的关系并进行了仿真.仿真结果表明,当传输距离为50 m时,随着矿物质颗粒群密度...     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

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。