基于纠缠的量子通信网的关键技术研究

发布时间：2017-09-01 02:05

  本文关键词：基于纠缠的量子通信网的关键技术研究

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【摘要】：结合了量子力学原理与经典通信理论与技术的量子通信在信息安全、通信容量、传输速率等方面突破了传统通信技术的局限。近年来,已逐渐从理论走向实践,从点对点的通信模式向网络化方向发展。目前,已有用于密钥分发的量子保密通信网络建成并投入使用。然而,基于纠缠特性的量子通信网仍处于理论与实验阶段。本文主要对基于纠缠的量子通信网的网络模型以及节点间建立纠缠连接时可能涉及到的中继、路由等问题进行研究。文章第一、二章介绍了近年来国内外在量子通信方面的进展情况以及量子信息理论与技术的基础知识,包括量子比特的概念与特性、量子逻辑门、量子密集编码、量子隐形传态、量子纠缠交换、量子通信网的网络架构及一种典型的量子中继方案。文章第三章提出了一种基于纠缠的量子通信网络模型,在建立纠缠通道的基础上,根据后续的协议需求分配纠缠资源并执行协议步骤。本章以基于隐形传态的信号态传输为例,分析了理想和非理想纠缠通道下进行信息传输的成功率和系统吞吐量并进行了计算和仿真。该方案的目的在于使信道建立与业务信息传输分离开来,具有较好的灵活性和适用性。文章第四章提出了一种基于纠缠交换的量子中继策略,该策略借助量子门操作和量子测量实现纠缠交换,采用了多个节点并行执行纠缠交换和纠缠纯化的纠缠通道建立流程。该策略采用链路状态矩阵表示纠缠在链路建立各阶段中的分布情况,给出了基于链路状态矩阵的控制算法。相对节点逐一进行纠缠交换的方案,可以节省纠缠建立的时延。通过划分链路的中继参数和中继级数,使之适用于节点数量为2的整数次幂和非2的整数次幂的情况。章节在最后对系统的时延和吞吐量进行了计算和仿真,结果表明,该策略相对于逐级中继方案,以控制流程复杂度的提高换取了系统性能的改善,且中继级数越高,这种改善效果越明显。为了解决节点在基于纠缠的量子通信网中进行选路的问题,文章第五章首先分析了两量子系统的最大纠缠态-Bell态在振幅阻尼信道、相位阻尼信道、退极化信道这三种典型噪声信道模型下的演化情况,计算了对应演化后纠缠态的部分熵纠缠度。随后讨论了链路节点的功能组成。最后,以振幅阻尼信道为例,参考了经典的最短路径优先路由算法,给出了一种优先选择具有较少节点数和较高纠缠度链路的分布式节点路由策略,在采用量子分组传输协议进行通信的情况下,对链路的性能进行了计算和分析,该策略对于文章第三、四章建立纠缠通道前节点如何选路具有一定的参考作用。最后,文章对全文进行了总结和展望,讨论了下一步的研究目标和一些有待于进一步解决的问题。
【关键词】：量子通信网 量子纠缠交换 量子中继 量子路由
【学位授予单位】：西安邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN918;O413
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 概述10-11
• 1.2 量子通信的发展现状11-13
• 1.2.1 量子密钥分发11-12
• 1.2.2 量子纠缠分发及隐形传态12
• 1.2.3 量子通信网12-13
• 1.3 论文工作13-16
• 第2章 量子通信基础16-30
• 2.1 量子比特16-19
• 2.1.1 量子比特的基础概念16
• 2.1.2 量子比特的几何表示16-17
• 2.1.3 量子比特的特性17-19
• 2.2 量子逻辑门19-21
• 2.2.1 单比特量子门19-20
• 2.2.2 两比特量子门20-21
• 2.3 量子纠缠的应用21-24
• 2.3.1 量子密集编码21-22
• 2.3.2 量子隐形传态22-23
• 2.3.3 量子纠缠交换23-24
• 2.4 量子通信网24-28
• 2.4.1 量子通信网的功能结构24-25
• 2.4.2 量子中继25-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第3章 一种基于纠缠的量子通信网络模型及其性能分析30-40
• 3.1 引言30-31
• 3.2 基于纠缠的量子通信网的分层模型31
• 3.3 基于纠缠的量子通信流程31-32
• 3.4 基于隐形传态的信号传输32-35
• 3.4.1 想信道下的隐形传态33-34
• 3.4.2 非理想信道下的传输与纠缠纯化34-35
• 3.5 系统性能分析与仿真35-39
• 3.5.1 传输成功率与信道纠缠熵的关系仿真36
• 3.5.2 传输成功率与测量偏角的关系仿真36-37
• 3.5.3 系统吞吐量与信道熵的关系仿真37-38
• 3.5.4 系统吞吐量与测量偏角的关系仿真38
• 3.5.5 系统吞吐量与误帧率的关系仿真38-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 一种基于纠缠交换的量子中继策略40-52
• 4.1 引言40
• 4.2 量子中继系统模型及纠缠交换原理40-43
• 4.2.1 纠缠中继系统模型40-41
• 4.2.2 相邻节点间的纠缠交换原理41-43
• 4.3 中继流程系统方案43-44
• 4.4 中继链路建立的流程控制44-47
• 4.4.1 链路控制的矩阵表示44
• 4.4.2 端到端的链路控制44-47
• 4.5 系统性能分析47-50
• 4.6 本章小结50-52
• 第5章 噪声信道下纠缠态的演化及一种基于纠缠度计算的节点路由策略52-64
• 5.1 引言52
• 5.2 三种典型噪声信道下Bell态的演化52-58
• 5.2.1 振幅阻尼信道52-54
• 5.2.2 相位阻尼信道54-55
• 5.2.3 退极化信道55-58
• 5.3 基于纠缠的量子通信网中节点的功能组成58-59
• 5.4 基于纠缠度计算的分布式节点路由策略59-60
• 5.5 链路性能分析及仿真60-62
• 5.6 本章小结62-64
• 第6章 结论与展望64-66
• 6.1 总结64
• 6.2 展望64-66
• 参考文献66-70
• 攻读学位期间取得的研究成果70-72
• 致谢72-73

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