噪聲信道下量子隱形傳態(tài)關(guān)鍵問題及其應(yīng)用研究.pdf

1、信息安全是推動(dòng)信息化發(fā)展的前提條件，密碼系統(tǒng)是信息安全的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)基于復(fù)雜計(jì)算的經(jīng)典密碼算法在后摩爾時(shí)代的量子計(jì)算等超強(qiáng)新技術(shù)下破解變得更加容易，甚至“不堪一擊”。而量子隱形傳態(tài)利用量子不可分割、狀態(tài)不可克隆、探測(cè)瞬間坍塌的特性，依據(jù)量子相干疊加和量子糾纏等理論，對(duì)量子態(tài)測(cè)量及粒子坍塌態(tài)計(jì)算，并通過幺正變換等操作來重建未知量子態(tài)信息，保證了信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全，在大尺度量子計(jì)算、遠(yuǎn)距離量子通信和量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，已成為世

2、界各國(guó)學(xué)術(shù)、軍事和信息技術(shù)行業(yè)都研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)噪聲下量子退相干的不斷增長(zhǎng)，光子的多自由度特性在量子物理體系中呈現(xiàn)出的非定域、非經(jīng)典的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，動(dòng)搖了量子隱形傳態(tài)協(xié)議中的單一自由度獨(dú)立性假設(shè)，導(dǎo)致現(xiàn)有量子隱形傳態(tài)信道難以在有限資源與糾纏死亡的矛盾下提供令系統(tǒng)滿意服務(wù)的痛點(diǎn)問題，提出更加接近實(shí)際環(huán)境的魯棒量子隱形傳態(tài)協(xié)議。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)在量子隱形傳態(tài)過程中出現(xiàn)“糾纏死亡”問題和量子退相干現(xiàn)象，通過分析空間上相互

3、獨(dú)立的兩個(gè)原子系統(tǒng)糾纏隨時(shí)間演化過程，研究原子和腔場(chǎng)初始糾纏度與腔場(chǎng)的初始糾纏度的關(guān)系，刻畫了“糾纏死亡”免疫模型。并通過分析T-C模型和J-C模型中退相干因子出現(xiàn)的振幅震蕩現(xiàn)象，刻畫了量子退相干糾纏演化模型。其次針對(duì)不同噪聲特性，設(shè)計(jì)了基于密度矩陣的免疫噪聲模型和基于DFS的聯(lián)合噪聲免疫模型，且分析了不同角色下的最佳量子比特效率。最后針對(duì)信道容量因糾纏死亡導(dǎo)致低下的問題，設(shè)計(jì)了基于圖態(tài)基樹圖和森林圖的信道容量編碼，分析了相干性信息和信

4、道容量，有效計(jì)算了噪聲信量容量的逼近值和噪聲容限，從而得到了不同噪聲信道和共同局域噪聲下可傳輸量子信息的區(qū)域。⑵針對(duì)在不同信道或者同一信道中傳輸粒子少且計(jì)算復(fù)雜等問題，創(chuàng)新性的提出了利用不同的量子信道來進(jìn)行 Bell態(tài)和任意態(tài)的量子信息分離方案。首先利用四粒子糾纏態(tài)作為量子信道進(jìn)行兩粒子 Bell態(tài)的量子信息分離，實(shí)現(xiàn)了傳遞 Bell態(tài)信息的量子分離過程；其次利用五粒子糾纏態(tài)分離任意單粒子和兩粒子態(tài)的量子信息分離；最后利用不同的量子信道

5、即利用四粒子團(tuán)簇態(tài)和兩粒子 Bell態(tài)、四粒子團(tuán)簇態(tài)和GHZ態(tài)分離任意三粒子態(tài)的量子信息分離過程。通過利用不同的量子信道分離任意的三粒子態(tài)，執(zhí)行不同的測(cè)量操作來實(shí)現(xiàn)高效率的量子信息分離過程，并且對(duì)于量子信息分離的過程在腔量子電動(dòng)力學(xué)中進(jìn)行了物理實(shí)現(xiàn)。⑶針對(duì)單自由度下的量子隱形傳態(tài)成本高、效率低等問題，創(chuàng)新性的提出了一種新的免疫噪聲的可控多自由度量子隱形傳態(tài)協(xié)議。首先通過分析引導(dǎo)自旋—軌道角動(dòng)量來調(diào)整多自由度需求強(qiáng)度在時(shí)間、空間、頻率上的

6、分布特征，實(shí)現(xiàn)了量子在多自由度下高亮度糾纏源的制備。其次刻畫了自旋—軌道角動(dòng)量和超 Bell態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)行了超 Bell態(tài)的測(cè)量和超密編碼，達(dá)到了在各自角動(dòng)量的約束下滿足超 Bell態(tài)測(cè)量的多重需求目標(biāo)。最后設(shè)計(jì)了可控的量子隱形傳態(tài)身份認(rèn)證模型，實(shí)現(xiàn)了在獨(dú)立不同噪聲中和局域共同噪聲下的魯棒量子隱形傳態(tài)，并對(duì)協(xié)議的保真度和平均保真度效率進(jìn)行分析，提高了測(cè)量效率和安全性。⑷針對(duì)量子隱形傳態(tài)在實(shí)用化方面的瓶頸問題，設(shè)計(jì)了免疫噪聲的量子

7、對(duì)話和連續(xù)變量的量子密鑰分發(fā)兩種典型應(yīng)用。首先提出了基于誘騙態(tài)和隱寫來檢測(cè)對(duì)話雙方身份是否有誤和對(duì)話信道是否安全的對(duì)話機(jī)制，構(gòu)造了單光子、廣義糾纏態(tài)，將對(duì)話雙方事先共享的身份識(shí)別碼轉(zhuǎn)換為對(duì)聯(lián)合噪聲免疫的邏輯量子態(tài)，隨機(jī)地混雜隱寫在信息序列中傳送，既進(jìn)行身份認(rèn)證又進(jìn)行竊聽檢測(cè)。其次提出了連續(xù)變量的確定性量子密鑰分發(fā)協(xié)議，主要是發(fā)送者通過公共信道傳遞預(yù)先確定的密鑰給信息接收者。最后經(jīng)過安全性和性能驗(yàn)證，提出的兩種量子隱形傳態(tài)應(yīng)用都具有高的魯