量子多用户通信网络中的交换技术研究

摘要

量子通信是一门使量子力学理论基础与信息科学相融合而产生的新型交叉学科。它具有理论上的无条件安全性。随着点到点量子通信实验的成功，量子网络更深一步的发展已经日益成为科研工作者们关注的问题。然而由于量子独有的特性致使量子中继与量子路由器实现困难，进而导致量子多用户通信网络的交换技术存在很多问题，并且这些难题的解决需要采用与经典通信网络不同的技术方案。本文主要研究与讨论的就是量子多用户通信网络中所采用的交换技术。
　　论文首先介绍了量子通信基本概念以及国内外发展现状，并说明了量子通信网络的研究现状与发展前景。之后阐述了量子通信的理论基础，包括量子力学基本假设、量子力学基本特性、量子信息基本概念以及量子密钥分发。其中量子力学的五条基本假设是支持量子力学理论的根基；量子力学的基本特性中包括了海森堡不确定原理以及单量子不可克隆定理等，它们是量子通信可以实现无条件安全通信的基础；量子信息是将量子力学融入经典通信中，产生了诸如量子比特以及量子逻辑门等新的概念；量子密钥分发是目前研究时间最长、最接近实用的量子通信方式，其通信协议主要包括BB84协议以及B92协议等。
　　在此之后，我们对量子通信网络的交换技术进行了研究。首先描述了量子通信网络的体系结构，包括量子通信网络构架以及网络中的多址技术；其次，我们介绍了目前量子通信网络中最为常用的空分交换技术，以及适用于小规模用户互联的波分交换技术与基于量子交换门的交换技术；最后，在经典通信中光突发交换的基础上，重点提出了一种光量子突发交换技术，并给出其结构框图，对其网络中的输入/输出边缘节点、核心节点的功能进行了详细地阐述，并在第三章最后，简要介绍了经典-量子信道复用技术中的较远波长隔离方案与同波段传输方案，用以解决光量子突发交换网络中经典信道与量子信道不易复用的问题。
　　在这之后，介绍了量子交换机的结构与改进。首先建立了一个控制与传输相分离的三层量子通信网络模型，基于此模型，给出了量子交换机结构框图与实现示意图；之后介绍了量子交换机的控制部分，给出交换控制程序的设计与实现，并通过在呼叫连接模块中加入身份认证功能，对量子交换的安全性机进行了改进，对改进后的量子交换机的性能进行了分析。
　　论文最后，对所做工作进行了总结，并且对光量子突发交换以及量子交换机在未来的发展提出了展望。

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第一章 绪论

1.1 量子通信概述

1.2 量子通信研究现状

1.3 研究内容和章节安排

第二章 量子通信理论基础

2.1 量子力学的基本假设

2.2 量子力学的基本特性

2.3 量子信息的基本概念

2.4 量子秘钥分发

2.5 本章小结

第三章 量子通信网络交换技术研究

3.1 量子通信网络体系结构

3.2 量子通信网络交换技术

3.3 光量子突发交换技术

3.4 本章小结

第四章 量子交换机的结构与改进

4.1 量子交换机结构设计

4.2 交换服务程序的设计与改进

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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