噪声信道中的量子信息传送

摘要

量子信息学将经典信息处理扩展到量子领域，应用微观系统的量子态承载信息，使信息的传送、处理进入快速、高效、安全的时代。环境与系统的相互作用给传送量子信息带来了巨大的困难。噪声信道中的量子信息传送成为当前国际科学研究前沿的热点课题。本文主要研究量子信息传送过程中量子信道存在的噪声与损耗，提出了在几种主要噪声信道中的量子态传输方案、纠缠分发方案和量子密钥分发方案。
　　本研究主要内容包括：第一章详细阐述本篇论文的研究背景、研究意义以及噪声信道中量子通信的发展现状。第二章重点介绍量子通信中的基础知识和基本概念，包括量子比特、量子态变换、纯态、混合态、密度算符、约化密度算符、相干态、纠缠相干态、量子测量等。考虑量子比特反转错误，第三章提出两个单光子态的容错传输方案。相比量子态拒错传输方案，本方案可以检测出两个光子同时发生反转错误的情况，使方案出错率降低至零。抵抗一般联合噪声，第四章提出一个x类极化纠缠态的纠缠分发方案。利用极化分束器和半波片，可将待分发态的纠缠方式在极化、空间模式之间转换。发送时，纠缠从极化模式转为空间模式。传输时，空间模式纠缠不受影响;极化模式遭受破坏。接收时，采用基于交叉克尔介质非线性的非破坏测量消除极化模式所受的影响，并将纠缠从空间模式转回极化模式。作为推广，提出任意多光子纠缠态的纠缠分发方案。免疫两种重要的联合噪声—联合退相位噪声与联合旋转噪声，第五章提出相应的量子密钥分发方案和控制量子密钥分发方案，方案效率为每三个光子编码—比特密钥。其间，列举出方案可能遭遇的窃听攻击方式，提出相应的对策，进行了安全性分析。基于纠缠相干态的纠缠交换，第六章提出一个连续变量量子密钥分发方案。研究发现，在理想信道中，相干态的强度越大，量子密钥分发方案的成功率越高。在损耗信道中，方案出错率与相干态强度和退相干效应均相关:方案的出错率随相干态强度的增加而迅速增加;方案出错率还受退相干效应影响，较小的退相干系数对应较低的出错率。因此，在损耗信道中分发量子密钥时，相干态强度应选取适当的值。最后给出全文的总结和展望。