基于W态的无线蜂窝结构量子通信网络研究

摘要

随着量子信息技术的迅猛发展，限于点对点间的量子通信研究已经不能满足未来量子通信网络的需求，如何构建高性能、高效的多跳量子通信网络逐渐成为研究热点。
　　本文提出了无线蜂窝结构量子通信网络模型，该网络由两种节点和三种链路构成:两种节点包括普通通信节点和关键节点，三种链路包括发送纠缠粒子的链路、纠缠粒子对构建的量子链路和经典无线链路，其中关键节点具备纠缠粒子分发功能。通信节点间通过共享纠缠粒子对形成量子信道。本论文主要针对由W态和EPR粒子对构成的量子信道进行研究，对该类型量子信道的多跳传输特性进行分析，并利用改进型量子搜索算法选出关键节点。
　　本文首先先简单介绍了量子通信相关的量子力学基础知识和基本运算，例如量子比特、量子系统、张量积计算等等。这些概念和运算方法是后面深入理解并推导量子隐形传态新方案的理论基础。还详细介绍了常用的量子门，它们是构建量子线路的基本元素。最后简单介绍了量子并行性，它是量子搜索算法优于普通算法的关键所在。
　　然后基于W态组合EPR粒子对构建的量子信道，提出了一种新型隐形传态方案。通过数学归纳法推导验证了此方案多跳隐形传态的可行性，并计算了此方案传输成功的概率。与双W态方案相比较，W态联合EPR粒子对隐形传态方案的传输成功概率有一定程度的提高。
　　最后提出了蜂窝结构无线量子通信网络模型，并介绍了适用于优化问题的改进型量子搜索算法用于求解关键节点位置。本文将此网络模型的构建问题抽象为0-1背包问题，并采用改进型量子搜索算法来选取出这些关键节点。在对优化问题的处理中，此改进型量子搜索算法相比较于传统的Grover算法更加简单高效。

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摘要

插图目录

第一章 绪论

1．1 量子信息科学研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 量子隐形传态的研究现状

1．2．2 无线量子通信网络研究现状

1．2．3 量子计算研究现状

1．3 论文的组织结构

第二章 量子通信理论基础

2．1 量子力学基础

2．1．1 量子力学五大公设

2．1．2 量子比特和量子系统

2．1．3 不可克隆定理及其证明

2．2 量子隐形传态

2．2．1 量子纠缠

2．2．2 量子隐形传态

2．3 量子门与量子线路

2．3．1 常见量子门

2．3．2 量子线路

2．4 量子并行性

2．5 本章小结

第三章 W态联合EPR粒子对隐形传态方案

3．1 传统隐形传态方案

3．2 W态联合EPR粒子对隐形传态方案

3．2．1 EPR粒子对和W态物理特性

3．2．2 w态联合EPR粒子对隐形传态方案

3．3 两节点单跳传输理论推导

3．3．1 理论推导

3．3．2 泡利操作

3．4 多跳传输方案及理论推导

3．4．1 三节点两跳情况

3．4．2 多节点多跳情况

3．5 本章小结

第四章 基于改进型量子搜索算法的蜂窝结构量子通信网络纠缠粒子分发方案

4．1 无线蜂窝结构量子通信网络模型

4．2 改进型量子搜索算法

4．2．1 Grover量子搜索算法原理

4．2．2 Grover量子搜索算法操作步骤

4．2．3 Grover量子搜索算法图形表示

4．2．4 改进型量子搜索算法

4．3 基于改进型量子搜索算法的纠缠粒子分发方案

4．3．1 0-1背包问题简介

4．3．2 纠缠粒子分发问题

4．3．3 纠缠粒子分发方案和量子逻辑电路

4．3．4 本章小结

第五章 模拟仿真与结果分析

5．1 模拟仿真

5．2 结果与分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．2 后续工作展望

致谢

参考文献

作者简介