量子通信中的量子消相干和量子中继器

摘要

随着信息技术和量子力学的发展，以量子力学为基本规律的量子信息学逐渐形成．量子信息学主要由量子通信和量子计算两大部分组成，它的核心旨在巧妙地利用量子相干性对信息的新型载体-量子比特进行操纵控制，以非常规的方式进行信息的编码、存储和传送．由于在信息传送过程中，系统与环境可能会发生相互作用而消相干，即量子通道为噪声量子通道，研究如何提高量子通道的消相干敏感性，消相干对量子通信过程的影响是有重要的学术意义的． 本文研究了量子通道的消相干敏感性和消相干对量子中继器的影响，提出了一个量子中继器方案．本文的主要创新结果如下： 1、利用确定量子态过滤方法，考虑了纠缠态输入对连续变量线性损失通道和三种典型的离散变量通道的消相干敏感性问题的影响．发现对连续变量线性损失通道而言，纠缠态输入可改善通道的消相干敏感性，且纠缠越大，消相干敏感性越好；模数越多，消相干敏感性越差．对离散变量通道而言，纠缠态输入可改善退极化通道和相位阻尼通道的消相干敏感性，但不一定能改善振幅阻尼通道的消相干敏感性． 2、利用消相干的Kraus算符表示理论，研究了三种典型消相干方式，即退极化衰减，相位衰减和振幅衰减，对基于受控非门的单用户单量子比特量子中继器的信息-扰动平衡性的影响．发现消相干导致探测量子比特的三种子空间，即正常子空间，反常子空间和无消相干子空间的存在．在不同的子空间，该量子中继器的传递和猜测保真度展现不同的特点．在正常子空间，消相干使传递和猜测保真度减小；在反常子空间，消相干反而使传递和猜测保真度增大；在无消相干子空间，这两个保真度保持不变，这意味着在该空间消相干不会影响信息-扰动平衡性．引入了评价该量子中继器质量的品质因子，发现通过调节探测量子比特的振幅因子和相位因子，可有效的控制品质因子． 3、提出了在传输线上提取未知两量子比特最大纠缠态信息的量子中继器方案．通过调节探测量子比特态，该方案的最大猜测保真度可达到量子力学所允许的最大值1/2，因而该方案是最佳的．我们还将该方案推广到了在传输线上有多用户的情况，发现在每个用户的探测量子比特态相同的情况下，每个用户的猜测保真度不会随用户数目的增多而改变，但传递保真度会减小，平衡曲线也会降低．我们还发现在用户数N=2的情况下，N=1时的平衡曲线可通过第二个用户适当调节探测量子比特的参数而获得．

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第一章绪论

第二章量子通信的基本原理

§2.1量子位

§2.2量子逻辑门

§2.3量子不可克隆定理

§2.4量子纠缠

§2.4.1纠缠态的定义和性质

§2.4.2纠缠的量度

§2.4.3 Bell态

§2.5量子密集编码

§2.6量子隐形传态

第三章量子消相干和量子测量理论

§3.1引言

§3.2量子消相干的超算符理论

§3.2.1超算符理论的导出

§3.2.2三种典型的超算符

§3.3量子测量的超算符表示

§3.3.1正交测量的超算符表示

§3.3.2广义测量的超算符表示

§3.4量子主方程

§3.4.1 Markov近似

§3.4.2 Lindblad方程

第四章量子通道的消相干敏感性

§4.1引言

§4.2确定量子态过滤的最佳方案

§4.3连续变量量子通道消相干敏感性

§4.4离散变量量子通道消相干敏感性

§4.5小结

第五章基于受控非门的量子中继器的消相干

§5.1引言

§5.2无消相干量子中继器简介

§5.3消相干对信息-扰动平衡性的影响

§5.3.1退极化衰减通道

§5.3.2相位衰减通道

§5.3.3振幅衰减通道

§5.4小结

第六章两量子比特最大纠缠态的最佳量子中继器方案

§6.1引言

§6.2最佳中继器方案

§6.3多用户传输线上的推广

§6.4小结

第七章总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢