量子通信协议模拟设计和量子纠错码研究

摘要

量子信息学是量子力学和经典信息学结合的一个交叉学科，作为一个新兴学科，它的研究方向主要为量子通信和量子计算。在量子通信中，由于量子力学的物理原理能够确保通信的安全性，将给通信领域带来重大的变革。许多科学家对此进行了深入的研究并在理论研究和实验上取得了很大的成就。　　由于量子系统的复杂性，许多研究者都只能从理论入手，丰富和完善各种理论。在实验上会存在许多的问题。本研究分别从软件和实验入手。提出了一种利用软件Q-circuit来模拟B92协议工作过程的方法。同时，利用了较小的资源，并用单光子作为量子信息的载体，在实验室环境下成功模拟了BB84协议的内容。并在此基础上研究了不同的光纤在此模型中的兼容性。　　在量子系统中，量子会无法避免的与环境相互作用，从而对量子系统的状态产生干扰，这种干扰称为噪声。在量子通信的研究中需要考虑噪声带来的影响。同时，量子通信协议中需要对通信双方的身份进行认证，以完善通信系统的安全性。本论文研究了基于身份认证的量子通信协议的研究，并后续针对联合旋转噪声和联合退相位噪声，设计相对应的量子通信协议。　　纠错和编码始终是量子计算的一个热点问题，量子信息的传输效率和正确性是其中的关键。在量子信息中存在着同时存在两位错的情况。在本论文中我们提出了一种能够同时纠正两位错并传输信息的纠错编码方案。该方案是通过添加冗余位，来达到纠正两位错并传输信息，该方案的信息传输效率为25％。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 经典信息科学

1．2 量子信息的发展

1．3 量子通信的发展极其现状

1．3．1 量子密钥分配

1．3．2 量子安全直接通信

1．3．3 量子秘密共享

1．4 本论文主要工作

第二章 量子通信和量子纠错理论基础

2．1 量子力学基础

2．2 量子比特的基本概念

2．3 量子纠缠

2．3．1 量子纠缠态

2．4 量子信息特性

2．4．1 海森堡不确定性原理

2．4．2 未知量子态不可克隆性

2．5 量子门

2．5．1 一位门

2．5．2 两位门

2．5．3 多位门

2．6 噪声假设及噪声类型

2．7 本章小结

第三章 量子通信协议的模型设计及研究

3．1 BB84协议内容

3．2 B92协议内容

3．3 BB84协议的模型构造

3．4 BB84模型中不同光纤的兼容性

3．5 软件模拟B92协议

3．5．1 电路设计与参数解释

3．6 量子纠缠源实验系统

3．6．1 纠缠源实验系统简介

3．6．2 纠缠源产生系统的原理简介

3．6．3 纠缠光子补偿系统

3．6．4 极化基矢的测量和极化关联曲线

3．7 总结

第四章 基于身份认证的抗噪声量子通信协议

4．1 QKD中的身份认证

4．1．1 基于身份认证的量子通信协议

4．1．2 协议分析

4．1．3 安全性分析

4．2 量子安全直接通信的身份认证

4．2．1 两步法

4．2．2 抗噪声的量子直接安全通信

4．3 基于身份认证的抗噪声的QSDC

4．3．1 协议分析

4．3．2 安全性分析

4．4 总结

第五章 编码2位信息纠正两位错的量子纠错码

5．1 量子编码起源

5．2 量子编码发展及研究现状

5．3 量子编码原理

5．4 量子线路基本概念

5．5 量子编码重要理论知识

5．5．1 冗余校验

5．5．2 线性纠错码的几个基本概念

5．6 编码两位信息纠两位错电路实现

5．6．1 编码表和编码电路

5．6．2 纠错电路的实现

5．7 总结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文