仿真技术在量子通信教学中的研究与应用

发布时间：2017-05-24 10:26

  本文关键词：仿真技术在量子通信教学中的研究与应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着仿真技术的迅速发展和仿真软件的普及,利用计算机仿真来辅助教学已经显示了明显的优势,它改变了传统的教学手段和教学模式,大大推动了教育的发展。量子通信是借助于量子的特性来进行信息传递的通讯方式,是量子力学和传统信息科学相结合的新的研究领域。为了让量子通信从理论走到现实,近三十年以来,国内外科学家做了大量的研究工作。随着量子通信的进一步发展和应用,相信这门学科的内容势必会普及到课堂教学。在课堂教学中,由于量子通信过程中存在很多不理想的因素,同时也受到实验条件的限制,从而导致了课堂气氛压抑,教学效果低下。因此,研究如何将仿真技术应用到量子通信的课程教学中,改变传统的教学手段和教学模式已是势在必行。本论文通过对建构主义理论和仿真技术的深入研究,分析了量子通信课堂教学中普遍存在的问题,在寻找到教学理论和仿真研究的契合点的基础上,提出将仿真技术引入到量子通信课程中的解决思路,并将探索如何将仿真技术运用到量子通信的课堂教学、实验教学以及学生自主学习等环节中。本论文的主要工作如下:1.针对量子通信课堂教学中普遍存在的问题,寻找教学理论和仿真技术的契合点,提出将仿真技术运用到量子通信课程教学中的方法。2.针对量子通信教学中使用的光学元件工作原理抽象、不具有观察性等问题,运用FLASH技术对其基本光学元件进行了模拟研究。学习者能够从多个角度观察光子通过基本光学元件前后的状态变化,加深对量子通信中基本光学器件的感性认识。3.在MATLAB和FLASH环境下,分别对基于单光子系统的通信协议和基于多光子系统的通信协议进行了仿真研究。将仿真技术应用于量子通信的教学过程,我们不仅可以观看到完整的通信过程,还可以将仿真的结果用于教学。4.在建构主义教学思想的指导下,结合仿真实验和量子通信课程教学的特点,设计了量子通信教学流程图,编写了以“基于EPR对的量子安全直接通信”为内容的教学设计。
【关键词】：仿真 量子通信 建构主义 教学设计
【学位授予单位】：重庆师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：G652;TN911-4
【目录】：

• 中文摘要5-6
• 英文摘要6-8
• 目录8-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 研究的背景及意义10
• 1.2 发展历史及现状10-13
• 1.2.1 仿真技术在教育领域的应用现状10-11
• 1.2.2 量子通信的快速发展11-13
• 1.3 论文的主要研究内容及研究方法13-15
• 1.3.1 主要研究内容13
• 1.3.2 论文的章节安排13-14
• 1.3.3 研究方法14-15
• 2 仿真技术应用于量子通信教学的理论基础15-22
• 2.1 建构主义理论15-17
• 2.1.1 建构主义教学理论15-16
• 2.1.2 教学理论与仿真研究的契合点16-17
• 2.2 传统量子通信教学中存在的问题17-19
• 2.2.1 量子通信的理论基础17-18
• 2.2.2 量子通信教学中存在的问题分析18-19
• 2.3 仿真技术在教学中应用的优势19-21
• 2.3.1 FLASH技术和MATLAB仿真技术20
• 2.3.2 仿真技术用于量子通信教学中的优势20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 3 仿真技术在单光子安全通信中的应用22-31
• 3.1 量子通信教学中基本光学元件模拟22-25
• 3.1.1 光子的制备模拟实现22-23
• 3.1.2 基本光学元件模拟实现23-25
• 3.2 仿真技术在单光子传输协议中的应用25-30
• 3.2.1 BB84协议的通信原理26-27
• 3.2.2 BB84协议通信过程模拟27-29
• 3.2.3 BB84协议优缺点分析29-30
• 3.3 本章小结30-31
• 4 仿真技术在多光子安全通信中的应用31-43
• 4.1 基于EPR对的两步通信方案模拟实现31-37
• 4.1.1 光子纠缠对的制备模拟31-33
• 4.1.2 基于EPR对的Two-Step QSDC过程模拟33-35
• 4.1.3 模拟结果分析35-37
• 4.2 基于四粒子团簇态的QSDC方案模拟实现37-42
• 4.2.1 四粒子团簇态的制备模拟37-39
• 4.2.2 基于四粒子团簇态的QSDC过程模拟39-41
• 4.2.3 模拟结果分析41-42
• 4.3 本章小结42-43
• 5 基于建构主义的量子通信教学实例设计43-50
• 5.1 教学设计思想和教学流程43-44
• 5.2 量子通信教学实例设计与分析44-49
• 5.3 本章小结49-50
• 6 总结与展望50-51
• 6.1 总结50
• 6.2 存在的问题及今后的研究方向50-51
• 参考文献51-55
• 附录A：作者攻读硕士学位期间发表论文及科研情况55-56
• 附录B：MATLAB程序源代码56-60
• 致谢6

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