通过EPR通道传输二进制信息的量子通信方案
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量子信息传输的实现方法讲解量子信息传输是指利用量子力学的原理,在量子系统之间实现高效的信息传输。
由于量子力学的特殊性质,相比经典信息传输,量子信息传输可以实现更安全、更快速的数据传输。
本文将讲解几种常见的量子信息传输的实现方法。
1. 量子态传输方法量子态传输方法是指将一个量子态从一个物理系统传输到另一个物理系统。
这种方法常见的实现方式是通过量子纠缠来实现信息传输。
量子纠缠是一种特殊的量子态,当两个量子系统之间产生纠缠时,它们的状态将紧密相连,即使它们之间的距离很远,改变一个系统的状态也会立即影响到另一个系统。
通过制备一对纠缠态,将其中一个系统拿到接收端,就可以实现量子态的传输。
这种方法在量子通信领域得到了广泛应用。
2. 量子比特传输方法量子比特传输是指传输量子比特(量子位)的信息。
比特是指计算机中存储和处理信息的最小单位,而量子比特是指借助量子力学特性实现存储和处理量子信息的最小单位。
一种常见的量子比特传输方法是利用超导电路。
超导电路是一种能够在极低温下工作的电路,常用于制作量子比特。
通过使用超导电路中的量子比特进行信息传输,可以实现高效的量子信息处理。
3. 量子电路传输方法量子电路传输方法是指通过配置一系列的量子门(量子逻辑门)来实现量子信息传输。
量子门是通过操作量子比特的相互作用来完成特定的量子计算任务的元素。
常见的量子门包括Hadamard门、CNOT门等。
量子电路传输方法可以通过将输入态经过一系列的量子门操作后得到输出态,实现量子信息的传输。
这种方法在量子计算中得到广泛应用。
4. 量子通道传输方法量子通道传输方法是指通过建立可靠的量子通道,实现量子信息的传输。
量子通道是指能够传输量子态而不破坏其纯度和相干性的媒介。
在量子通信中,常用的量子通道包括光纤通道和自由空间通道。
量子通道传输方法通过选择合适的通道和采用适当的量子态传输技术,来实现长距离、高效率的量子信息传输。
总结起来,量子信息传输的实现方法包括通过量子态传输、量子比特传输、量子电路传输和量子通道传输等方式。
摘要:本文简要介绍了量子纠缠的基本定义及原理,并对量子态远程态制备做了介绍,提出了利用EPR态和GHZ态实现双粒子纠缠态的受控远程制备的方案。
在该方案中,以一个GHZ态和一个EPR态对作为量子通道,把量子通道中的一个粒子作为控制粒子,在传递者和控制者进行一系列的量子操作和测量之后,根据他们的测量结果,接受者再进行适当的变换就能得到待传递粒子的量子态。
关键词:量子态远程制备;双粒子纠缠态;EPR态和GHZ态;H操作Abstract:In this paper,we briefly introduce the basic definition of quantum entanglement, and explain the principle of quantum remote state preparation, finally we propose a scheme to use EPR state and GHZ state to realize double particles entanglement of the preparation of the remote control. In this scheme, we use a EPR and a GHZ as quantum channel and one of the quantum channel as control particle, particle in the message and controllers to make a series of quantum operation and measurement, according to the measurement results, the receiver transform in proper ways can get the quantum state.Key words: controlled transfer of quantum states,two-particle entangled state, EPR states and GHZ states,H operation目录1 引言 (4)2 量子纠缠 (4)2.1 量子纠缠的概念 (4)2.2 纯态与混态、可分离态与纠缠态 (5)3 量子远程态制备 (6)4 双粒子纠缠态的量子受控远程制备方案 (7)结论 (11)参考文献 (13)致谢 (14)1引言量子态是量子信息的载体,因此,从某种意义上说,量子信息过程就是量子态的传递和操作的过程。
EPR粒子对与量子隐形传态张跃【摘要】Teleporting a quantum state, the sender Alice disassembles the entire informations into two parts: one purely classical information and the another purely non-classical information, then sends them to the receiver Bob via two different channels . Firstly, sending the purely non-classical part, the EPR pair which consists of two fermions with the spin of 1/2 here plays the key role in the teleportation, one EPR particle is given to Alice, while the other is given to Bob .Alice performs a complete measurement of the von Neumann type on the joint system consisting of the original particle and her EPR particle, this measurement performed in the four eigenstates of the Bell operator leads to "collapse" the wave packet of the joint wavefunction into the four correlated Bell bases. Through applying the appropriate unitary transformation to the state of his EPR particle Bob can reconstruct a replica of the original state "destroyed" in Alice's hand . Moreover, this Bell measurement produces two bits of classical information which is sent to Bob, a quantum teleportation is therefore completed. The paper studies the interior relation between EPR pairs of particles and the quantum teleportation.%量子隐形传态,由发送者Alice将准备传送的信息分离成一部分纯粹经典的信息和另外一部分纯粹非经典的信息,通过2条不同的信道传送给接收者Bob.首先传送非经典部分,这需要借助于EPR粒子对,考虑由2个自旋皆为2—1的费密子构成,其中一个分配给Alice,另一个分配给Bob.Alice选择对她一方的原始粒子和她的EPR粒子一并进行冯·罗曼类型的测量,这个在贝尔算符的4个本征态中的测量,导致系统的波函数的波包坍缩为相互关联的4个贝尔基矢.Bob通过对他的EPR粒子的状态进行适当的幺正变换,能够重新构造出在Alice一方被“毁灭”了的原始粒子的状态.此外,这个贝尔测量产生2个比特的经典信息,传送给Bob,从而完成一个量子隐形传态.文章中研究了EPR粒子对与量子隐形传态的内在联系.【期刊名称】《沈阳师范大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2012(030)004【总页数】4页(P489-492)【关键词】量子隐形传态;量子不可克隆定理;量子纠缠;EPR关联【作者】张跃【作者单位】湖南师范大学物理系,长沙410081【正文语种】中文【中图分类】O4130 引言量子隐形传态(Quantum Teleportation),是依靠传送量子状态来传送量子信息,但是并不能够简单地将一个量子状态由发送者直接传送给接收者,而必须借助于EPR粒子对添加(EPR pair)。
以EPR纠缠光子对为量子信道的量子安全直接通信的开题报告一、研究背景量子信息科学是近年来发展迅速的一个前沿学科,其理论和实验研究已涉及量子计算、量子通信、量子密钥分发、量子纠错等多个领域,被认为是下一代信息科学的重要基础。
而在这些领域中,量子通信和量子密钥分发等量子安全通信技术更是备受关注。
传统的通信方式,例如利用密码协议保证通信安全,只能保证信息的机密性,但不能真正地保证信息的安全性。
而在量子通信中,由于量子态的特殊性质,可以利用量子纠缠等方式实现信息的绝对安全。
在量子通信中,有一种重要的方式叫做量子直接通信(Quantum Direct Communication,QDC),它是指将信息直接传输给接收方而不需要通过中间媒介(例如服务器等)。
这种方式的优点在于可以避免信息的泄露和被窃听等风险,从而实现更高层次的安全性。
在实际应用中,QDC的安全性主要依赖于所使用的量子信道和量子纠错方案。
二、研究内容本论文将探究以EPR纠 entangled photon 作为量子信道的量子安全直接通信的实现。
1、EPR纠缠态EPR 纠缠态,简称 EPR 对,是由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(Einstein, Podolsky, Rosen)在 1935 年提出的一种特殊的量子态。
它是两个物理量在某些状态下“本地实在性”的矛盾表现。
当两个粒子之间存在 EPR 纠缠态时,对其中一个粒子的测量会直接影响到另一个粒子的状态,即使两个粒子之间距离很远也是如此,这就是所谓的“量子纠缠”。
2、量子安全直接通信的实现实现量子安全直接通信的过程可以分为以下几个步骤:a) 初始化阶段发信方 Alice 和收信方 Bob 利用量子纠缠实现信道的初始化。
在双方的实验室中,使用一对 EPR 纠缠光子对,将其中的一个光子作为信道的传输介质,发射到通信信道中。
b) 信息编码阶段在信道初始化后,Alice 将待传输的信息用单光子态进行编码,将单光子按顺序依次从信道中发出。
实现纠缠交换的基本方案王菊霞【摘要】阐述了量子隐形传态及量子纠缠交换的基本理论,通过单光子的量子纠缠交换、连续变量纠缠交换实证说明纠缠交换的机制,纠缠交换可使得从未直接发生相互作用的量子系统产生纠缠,利用纠缠交换可达到实现信息传递的目的,纠缠交换是目前信息学中实现信息交换非常重要的途径之一。
%The description of quantum teleportation and entanglement swapping theory is given.The mechanism of entanglement swapping is illustrated to make use of demonstration in a single-photon and continuous-variable entanglement swapping.It is an im-portant protocol in quantum information science since it enables to entangle two particles that have never interacted in order to realize information transfer.【期刊名称】《渭南师范学院学报》【年(卷),期】2014(000)023【总页数】4页(P17-20)【关键词】量子信息学;量子隐形传态;纠缠交换;信息传递【作者】王菊霞【作者单位】渭南师范学院物理与电气工程学院; 渭南师范学院陕西省X射线检测与应用研究开发中心,陕西渭南714099【正文语种】中文【中图分类】O4311993年,由Zukowki[1]等人提出纠缠交换的概念.两个从未直接相互作用的量子系统之间要产生相互关联可以通过纠缠交换的过程来实现,更重要的是可以建立远程非局域关联.潘建伟等人[2]则最先利用纠缠交换在实验上制备出光子间的纠缠态;在2004年底由彭堃墀院士的研究团队首次实现了连续变量的纠缠交换这一重要的基础实验[3];纠缠交换是量子隐形传态的一个特例,其表现形式是纠缠态的量子隐形传送.要实现纠缠交换,必须得理解量子态、量子纠缠等基本概念,特别值得一提的是,量子纠缠是量子信息最基本的源泉,迄今为止,量子纠缠已被广泛应用于量子隐形传态、量子编码、量子保密通讯和量子计算等领域.1997年,《自然》杂志上发表了一篇具有里程碑意义的研究论文《实验量子隐形传态》,该篇文章引起了全球物理界的轰动,被欧洲物理学会、美国物理学会、美国《科学》杂志等大量宣传及高度评价,此后相应的理论研究非常活跃,直到2004年,相关实验“五光子纠缠和终端开放量子隐形传递”由潘建伟研究团队首次实现[4],这个实验的难度相当大,《自然》杂志称赞此成果是一壮举;随后的研究更上一层楼,取得了一系列重大成果.目前,在光量子纠缠操纵和量子通信方面,我国已经处于领跑的位置.[4]迄今为止,已有多种实现量子纠缠交换的方案[5-12],本文阐述了纠缠交换的基本理论与实现纠缠交换最基本最典型的实证,通过单光子的量子纠缠交换、连续变量纠缠交换的方案,说明了实现纠缠交换的基本机制,旨在了解比较抽象的“纠缠交换”的实质内容及实际应用.1 量子隐形传态对于两个或两个以上子系统构成的量子体系,在任何量子力学表象中,如果无论如何体系都不可能由组成该体系的各子系统对应的量子态矢用直积形式来表示,那么这些子系统之间就存在一定的关联,即表现出相互纠缠的不可分特性,这种情况下它们即使在空间中分离,当对一个子系统的测量时也必然会影响其他子系统的测量结果,这种相互依存的非定域关联称为量子纠缠,简称纠缠.[5-6]量子隐形传态方案首次由Bennett等六位科学家联合在Phys.Rev.Lett.(1993年)上发表论文《由经典和EPR通道传送未知量子态》中提出[13],由此引起了人们对这方面的热烈讨论,直到1997年Bouwmeester、潘建伟等人在实验上首次实现.[14]最早提出的量子隐形传态也叫远距隐形传物,当时的远距传物,类似于不少科幻影片中都出现过的场景:一个神秘人物在某处突然消失掉,然后在另一处莫名其妙地显现出来.在经典物理中的解释为:传送一个物体就是传送组成它的全部经典物理特征,那么只要将原物的所有信息能提取出来,传送这些信息的速度只要不超越光速极限,即使传至遥远的地点,然后利用获得的信息重新构制出与被传送对象完全相同的复制品,这种重新组装的物体就可完成经典客体的隐形传物.[15-16]2 纠缠交换的基本理论设发送者Alice(简称A)和接收者Bob(简称B),他们分别掌握纠缠光束对a,b和c,d,即初始时刻a与b之间存在纠缠,c与d之间存在纠缠,但是,a,b与c,d之间互不纠缠,如果通过第三方Claire(简称C),对b和c进行联合Bell基测量[17],由于测量导致的纠缠塌缩,将使得之前没有任何关联的光学摸a和d之间就会产生纠缠,也就是说通过联合测量,这个操作相当于利用c和d之间的EPR纠缠,将量子态b离物传送至d,在模d上再现模b的量子态特性,从而使模d与模a产生纠缠,即可完成纠缠的转移,这一过程称之为纠缠交换(Entanglement Swapping).通常判断纠缠交换是否实现的实验方法有两种:一种是直接测量关联度.初始模a和模d之间无任何关联,如果测量它们之间的关联达到一定程度,则通过纠缠交换产生了量子关联,也就说明纠缠交换得以实现.[18]另一种是利用量子隐形传态实验,将纠缠交换后的模a和模d作为相干光的纠缠光束,进行相应的实验,通过测量量子态的保真度(Fidelity)来作出判断.如果其保真度F>0.5,则说明a和d之间必然存在纠缠,即完成了纠缠交换.3 单光子的量子纠缠交换一个用于2比特编码单光子控制非门的量子逻辑协议,可实现从动量纠缠转换为偏振纠缠,其实验装置如图1所示,其中使用了参量下转换光子对,它周期性地连接KTP晶体,该晶体属于Ⅱ型共线频率衰减参量下转换产生398.5 nm的连续波.在动量空间中,下转换光束可以分为上半(T)和下半(B)两种模式.图1 单光子纠缠交换方案原理图(PPKTP:周期性连接的KTP晶体;PBS:偏振分束器;HWP:半波片;DP:棱镜;1F:1 nm长的滤光片;D:探测器)根据这些模式动量纠缠态可以写为:其中:H、V分别表示水平和垂直线偏振态.一个交换门可以由三个连续控制非门构成,初始态中的多比特信号光子和闲置光子通过交换门后,由此获得最终偏振纠缠态为:为了实施这个方案需要两种类型的控制非门:偏振控制非门(P-CNOT)和动量控制非门(MCNOT),在图1中,波片的光轴与水平方向成45°角时光子处于偏振态,光路中放置补偿片是为了抵消两个不同模之间的延迟,此方案中需要能传递两光子的一套控制门.动量模式分离后,M-CNOT的功能可通过用于偏振分析的半波片HWP2来实现,分束器BS两个输出端的探测器将同时记录到光子(即符合计数),借助于两臂的探测器这种符合计数,可以将两光子投影到Bell基中的单重态上.通过P-CNOT门的偏振态是.图2 符合计数率(θ2=0°时“方点”、θ2=45°时“圆点”)图3 连续变量纠缠交换方案原理图图2表示符合计数度随着偏振分析角θ2变化的情况,其中θ2为臂2中符合计数器与偏振分析仪的夹角,当θ2=0°时用方形点表示,θ2=45°时用圆形点描述,对于0°和45°情形与正弦曲线的符合度分别为(97±2)%和(88±2)%.在这种量子态的传送中,检验正确的平均几率S必须满足一定的数值范围,该实验测量了S值并得到的结果是S=2.653±0.004,突破了经典极限,根据贝尔不等式大于1.50标准偏差,由此证明:从动量纠缠转换为偏振纠缠,即实现了纠缠交换.4 连续变量的纠缠交换连续变量纠缠交换实现的方案如图3所示,由分束器所获的两束光为压缩真空态,它们的结合产生两对相互正交的纠缠对EPR1和EPR2,EPR1由模式1和2构成,而EPR2由模式3和4构成,两者相互独立.纠缠交换的目的是光束1和4之间形成纠缠,可通过模式2隐形传递到模式4'来实现,而模式4'与模式1并没有直接相互作用.如果成功实现相关量子传态,那么,模式1和4'之间将形成纠缠,在这种方法中,纠缠交换的实质是模式2和4'之间产生纠缠.在连续变量纠缠交换方案中利用了光学参量振荡器(OPO)产生压缩态光束,由860 nm的外腔式倍频蓝宝石激光器分为四个光束为OPO提供泵浦,LO是为探测器提供信号的局域振荡器,AM和PM分别表示振幅调制和相位调制,除了99/1以外的分束器都是50/50,g为经典通道的标准增益.利用不可分离准则验证纠缠交换方案的成功性,模式1和4'之间的不可分离充分条件为:其中:Xj和Pj(j=1,4')分别是湮灭算符实部和虚部对应的正交相位振幅:即aj=xj+ipj,如果不等式(3)成立,那么,没有直接相互作用的模式1和4'对应的两个态将会产生纠缠,在实验中,隐形传态的标准化增益g调整到不等式(3)的最小值.在这种情况下,进行了一系列实验测量,〈[Δ(x1-x4')]2〉的增益g ≈ 0.8,测量〈[Δ(x1)]2〉和〈[Δ(x4')]2〉相对于真空态的噪音电平分别是3.56 ± 0.15 dB、3.60± 0.18 dB;进一步测量〈[Δ(x1-x4')]2〉变化量,其结果表明,噪音电平比真空情况降低0.76±0.19 dB.类似的,测量〈[Δ(p1-p4')]2〉的结果是噪音比真空情况降低0.55±0.19 dB.由此得知:不等式(3)的涨落起伏为0.86±0.04.这些结果低于相应的标准量子极限,显然表明模式1和4之间存在非经典关联,则说明成功实现纠缠交换.5 结语纠缠态具有空间非定域关联(noulocalcore-lation)的特性,对于纠缠态的量子体系,即使二者相距遥远且无相互作用,由于对某一子系统的测量过程会导致纠缠的塌缩,从而可以确定另一子系统状态.验证纠缠交换是否真正实现的基本方法是对没有任何相互作用的两个子系统的量子态执行联合关联测量,当它们的正交关联方差均低于相应的标准量子极限时,则说明两个子系统具有量子纠缠特性,即已完成了纠缠交换.正是因为即使是两个遥远的、从来没有直接相互作用的量子体系,纠缠交换能使它们之间产生纠缠,因此纠缠交换将在长距离的量子通讯、量子通讯网络以及未来的量子计算机等领域都有着潜在的、非常重要的应用前景.参考文献:【相关文献】[1]Zukowski M,Zeilinger A,Horne M A,et al.“Even-Ready-Detectors”Bell experiment via entanglement swapping[J].Phys.Rev.Lett,1993,71(26):4287.[2]Pan J W,Bouwmeester D,Weinfurter H,et al.Experimental entanglementswapping:entangling photons that never interacted[J].Phys.Rev.Lett,1998,80(18):3891.[3]Jia X J,Su X L,Pan Q,et al.Experimental Demonstration of Unconditional Entanglement Swapping for Continuous Variables[J].Phys.Rev.Lett,2004,93(25):250501-250504.[4]俞路石,曾皓,潘建伟.量子世界“追梦人”[N].中国教育报,2014-06-13(1).[5]谢常德,贾晓军,苏晓龙,等.连续变量无条件纠缠交换——纠缠态的量子离物传送[J].物理,2005,34(8):573-577.[6]彭堃墀.压缩态纠缠与连续变量纠缠交换[J].激光与光电子学进展,2005,42(12):7-8. [7]刘红.双光子J-C模型中的纠缠交换方案[J].甘肃联合大学学报(自然科学版),2008,22(2):43-44.[8]杨健,任珉,於亚飞,等.利用交叉克尔非线性效应实现纠缠转移[J].物理学报,2008,57(2):887-891.[9]单传家,夏云杰.外场驱动下腔QED中实现量子纠缠交换的方案[J].滨州学院学报,2006,22(3):23-27.[10]龚晶,何敏,姚泽清.纠缠交换的量子回路实现[J].通信技术,2008,41(6):78-80. 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基于量子连续变量EPR态的经典消息匿名通信方案娄小平;陈志刚;邓小鸿;李贤;梅晓勇【期刊名称】《中南大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2014(045)009【摘要】针对目前已提出的量子匿名通信协议都只建立在参与者是非自适应的基础上,而实际操作过程中参与者的自适应性是不可忽略的因素,合并信息传输和信道检测这2个过程到同一次编码中,对多方安全计算的匿名通信模型进行优化.方案使用N+1对量子连续变量EPR态,采用移动式量子态传输,将Nbit经典消息编码在不同的模式中,消息接收者通过计算得到匿名消息并检验当次通信中参与者的诚实度,使得通信方案的效率提高.研究结果表明:除了指数小的概率外,发送者和接收者的匿名性和消息的私密性都得到保护.【总页数】6页(P3043-3048)【作者】娄小平;陈志刚;邓小鸿;李贤;梅晓勇【作者单位】湖南文理学院计算机科学与技术学院,湖南常德,415000;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;湖南文理学院计算机科学与技术学院,湖南常德,415000【正文语种】中文【中图分类】TP309【相关文献】1.基于量子隐形传态的量子保密通信方案 [J], 杨璐;马鸿洋;郑超;丁晓兰;高健存;龙桂鲁2.基于相干态光场的连续变量测量设备无关Cluster态量子通信 [J], 王宇; 苏琦3.基于连续变量EPR纠缠对的确定性量子密钥分发 [J], 何广强4.基于光场量子态的连续变量量子信息处理 [J], 苏晓龙;贾晓军;彭堃墀5.基于连续变量EPR纠缠光的量子安全通信 [J], 何广强;熊锦;郭迎;曾贵华因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
安全量子通信的原理与实现量子通信是一种高度安全的通信方式,它利用了量子物理的奇妙性质,保障消息的机密性和完整性。
而安全量子通信就是指采用量子通信的方式保障通信安全。
安全量子通信的原理安全量子通信的原理是基于量子力学原理设计的。
量子力学中有一条非常重要的原理,就是测量对量子态的破坏性。
这意味着,只要试图进行窃听,就会破坏量子态,从而对通信双方产生痕迹。
这个过程是不可逆的,一旦被窃听,通信双方就能立即检测到。
安全量子通信的实现安全量子通信的实现需要涉及到很多技术,包括量子密钥分发、量子隐形传态、量子纠缠和量子密钥认证等。
量子密钥分发量子密钥分发是一种基于量子态的方式产生密钥的方法。
在这种方式下,通信双方可以通过EPR对的纠缠,使得密钥只能由通信的双方知道。
同时,由于量子态的特殊性质,任何未获得密钥的第三方无法窃取密钥信息。
量子隐形传态量子隐形传态是一种通过量子纠缠实现信息传输的方式。
它利用量子的纠缠性质来传输信息,并且不需要将信息本身传输到接收端,只需要将纠缠对传输给接收端,接收端就可以还原信息。
量子纠缠量子纠缠是一种非常奇妙的量子物理现象,它可以让两个或多个量子之间建立起强烈的联系。
这种联系被称为纠缠关系,任何对一个量子的测量结果都会瞬间影响到另一个量子。
量子密钥认证量子密钥认证是一种通过随机挑战和响应方式实现密钥认证的方法。
在这种方法下,挑战和响应过程只能由密钥拥有者完成,而任何窃听者无法复制这个过程,从而保障了通信的安全。
结语目前,量子通信已经进入了实际应用阶段,但是还存在一些技术问题需要解决。
尤其是在实际应用场景下,特别是卫星通信、城市通信等场景下,需要考虑到实际的条件和限制。
但是,随着技术的不断发展和成熟,相信量子通信将会成为未来通信领域的重要发展方向。
量子安全直接通信协议分析韩芳;郑晶晶;胡爱娜;武海艳【摘要】量子安全直接通信协议是继量子密钥分配协议之后提出的重要协议,通过对乒乓通信协议的安全特性和CSS纠错码QSDC的安全特性的分析,提出了乒乓通信协议存在的不足以及CSS纠错码QSDC可以抵抗已有量子算法攻击,为合法者对量子直接通信的安全性判定和对窃听者的检测提供了一定的依据和标准.【期刊名称】《山东轻工业学院学报(自然科学版)》【年(卷),期】2010(024)003【总页数】3页(P14-16)【关键词】QSDC;CSS纠错码;乒乓通信协议【作者】韩芳;郑晶晶;胡爱娜;武海艳【作者单位】黄河科技学院,信息工程学院,河南,郑州,450063;黄河科技学院,信息工程学院,河南,郑州,450063;黄河科技学院,信息工程学院,河南,郑州,450063;黄河科技学院,信息工程学院,河南,郑州,450063【正文语种】中文【中图分类】TN319Abstract:The notion of quantum safety direct communication protocol has been introduced as a replacement for quantum key distribution.Ping-pong communication protocol deficiencies were put forward through security analysis for ping-pong communication protocol.CSS error-correctingcodes QSDC and CSS error-correcting codes QSDC can resist existing quantum algorithms attacks.The conclusion offers a basis and criterion for deter mining the security of quantum direct communication and checking eavesdropper.Key words:QSDC;CSS error-correcting codes;ping-pong communication protocol随着信息技术的发展,量子密码已经成为一个重要而具有吸引力的领域,量子密钥分配(Quantum key distribution,简称QK D)又是量子密钥研究的重要领域,也是量子密码系统最成熟的理论,解决了一直存在于经典密码中的密钥产生、分发的难题。
分类号编号烟台大学毕业论文(设计)通过EPR通道传输二进制信息的量子通信方案Binary Information Transfer via the Einstein-Podolsky—RosenChannel申请学位:学士院系:光电信息科学技术学院专业:应用物理姓名:刘峰学号:2指导老师:曹德忠(讲师)2008年5月24日烟台大学通过EPR通道传输二进制信息的量子通信方案姓名:刘峰导师:曹德忠(讲师)2008年5月24日完成地点:烟台大学烟台大学毕业论文(设计)任务书院(系):[摘要]:本文简单的介绍了纠缠态的定义。
回顾了量子通信方案、量子克隆方面的文献。
在以前量子通信方案的基础上,本文作者提出了一个新的只利用EPR通道传输二进制信息的量子通信方案,并对此方案进行了评价。
[关键词]:纠缠态; 非精确克隆;EPR通道;量子通信ﻬ[Abstract]: This dissertation introduces the definition of entangled state and reviews the literature about quant um communication scheme and quantum cloning.Based on the previous quantum communication schemes,the author designs a new scheme only using EPR channel to transport binary i nformation。
Additionally,the author makes an evaluation of this scheme。
[Key words]Entangled state,Inaccurate Cloning, EPR Channel, Quantum Communication目录1ﻩ引言................................................ 错误!未定义书签。
1.1 研究背景.................................... 错误!未定义书签。
1.2 纠缠态ﻩ错误!未定义书签。
1.3 几种量子通信方案.............................. 错误!未定义书签。
1。
4ﻩ量子克隆..................................... 错误!未定义书签。
2 通过EPR通道传输二进制信息的量子通信方案.......... 错误!未定义书签。
2。
1方案简述...................................... 错误!未定义书签。
2.2方案描述ﻩ错误!未定义书签。
2.2.1ﻩ达成通信协议ﻩ错误!未定义书签。
2.2。
2 EPR通道传输ﻩ错误!未定义书签。
2.3 方案扩展...................................... 错误!未定义书签。
2.4 应用ﻩ错误!未定义书签。
2.4.1 通信协议................................. 错误!未定义书签。
2.4.2 方案应用................................. 错误!未定义书签。
2.5缺陷........................................... 错误!未定义书签。
3 结论............................................... 错误!未定义书签。
致谢................................................... 错误!未定义书签。
参考文献............................................... 错误!未定义书签。
1 引言1.1 ﻩ研究背景自量子力学建立以来,这一理论就不断改变着人们对世界的认识。
由于量子力学中的“不确定性”以及“纠缠”等独特的性质和现象,利用量子力学设计新的通信方式逐渐引起人们的关注。
随着近年来实验条件的进步,一系列量子通信领域的理论结果得以验证,量子通信引起了物理界的极大兴趣和重视。
量子通信方案可以分为两类,一类是包含E PR [1]通道和经典通道的量子通信方案,一类是只包含EPR 通道的量子通信方案。
然而,很多通信方案都遭到了不同程度的质疑。
其中,争议最多的就是只包含E PR 通道的量子通信方案。
这是因为包含EPR 通道的量子通信方案与超光速通信紧密的联系在一起。
H erbert [2]于1982年提出了一种只通过E PR 通道进行通信的方案.由于这一方案仅利用了EPR 通道,因此信息的能够以超越光速传递。
这一方案立刻遭到了Wo ote rs 、Z urek [3]以及Glau ber [4]等人的反对.Wooters 和Z urek 证明基于量子力学的态叠加原理,不存在能够精确复制任意量子态的物理过程。
这一结果称为“量子不可克隆定理".由于H erbert 的方案中涉及到了量子态的精确克隆,所以这一方案被否定了。
量子不可克隆定理在一段时间内限制了对量子克隆的讨论.然而,随着概率克隆和非精确克隆等量子克隆方式的出现,利用量子克隆实现只包含EP R通道的量子通信方案的可能性再度引起了广泛的讨论。
尽管Brus s[5]等人从理论上讨论了利用纠缠作用进行超光速通信的可能性,并证明了在当前的量子力学理论框架下不允许此类通信方案的存在。
但新的只利用了EPR 通道的量子通信方案仍被设计出来,并等待实验的验证。
1。
2ﻩ纠缠态纠缠是量子力学中奇妙的特性之一。
在处于纠缠态的系统中,各子系统并不是独立存在而是与其它子系统之间存在着一种相互作用。
这种相互作用是瞬时的并且可以作用在任意远的距离上。
也就是说,这种相互作用是不受时间和空间的限制的。
考虑1、2两个系统.设1|ϕ>与2|ϕ>是1、2两系统的本征态。
如果1、2两系统的本征态12|ϕ>不能写成它们各自本征态的直积形式,即:1212|||ϕϕϕ>≠>⊗> (1)那么就称1、2两系统处于纠缠态[6].混态的纠缠态可以用密度矩阵来定义[6]:1212ρρρ≠⊗(2)下面我们通过一个例子来解释为什么说纠缠作用是一种不受时间和空间限制的作用。
假设有两个光子1和2,它们处于纠缠态:121212|>=↔↔ψ|>|>-|>|>) (3) |>和↔|>为光子的本征态。
|>表示光子处于竖直偏振态上,↔|>表示光子处于水平偏振态上。
当对其中一个光子进行测量时,若发现它是竖直偏振的,那么,系统的态函数就会立刻蹋缩为1212|>=↔ψ|>|> (4)即在光子1的状态被确定的瞬间,光子2的状态也被确定下来,不过这两个光子距离多远。
也就是说在光子1和光子2之间存在一种不受时间和空间限制的纠缠作用。
值得阐明的是,(3)式所面熟的状态并不是只有一个光子处于竖直偏振态上,另一个光子处于水平偏振态上,但我们不知道那一个光子水平偏振,哪一个光子竖直偏振。
如果这样看待两个光子的关系,那么两个光子之间便不存在任何相互作用,而只有逻辑上的关系。
举例来说,加入甲地的一个箱子中方有一个黑求和一个白球.一个人随机的从箱子中抽取一个球并在不知道所取出球的颜色的情况下将去放入另一个箱子中,然后带到乙地。
这时,虽然我们知道这两个球一个是黑球,一个是白球,但我们并不知道甲地的是黑球还是乙地的是黑球。
当我们观察其中一个球时,我们同时也就知道了另一个球的颜色.然而,这并不表示家底和一地的两个球有某种相互作用。
我们能够判断处两地球的颜色,完全是一种逻辑上的推断。
处于纠缠态的一对光子与上例中所说的两个球的不同之处在于,在光测光子之前,光子的偏振态是不确定的。
能够确定的是两光子自偏振态的关系。
假如光子1被观测到在竖直方向上偏振,那么光子2必然在水平方向上偏振。
如果重复这个实验,但这次观测到光子1是在45度方向上偏振,那么光子2必然在-45度方向上偏振。
也就是说光子1和2的偏振方向的观测结果必然是相互正教的,但在观测前光子1和2的偏振方向并不确定.这种“不确定”并不是指光子1和2实际处在某两个偏振态上,但我们不知道是那两个偏振态,而是指光子1和2处于一种没有确定偏振态的状态。
如果在观测之前,光子1和2的偏振态就是确定的(就像两个球的颜色在观测之前就是确定的一样),并假设一个事竖直偏振,一个是水平偏振。
那么当用一对相互正交的偏振片(假设一个是45度偏振片,一个是—45度偏振片)检测光子1和2时,若光子1闯过了偏振片,那么光子2也可能不会穿过偏振片。
丹饰演上并未发现这种情况.也就是说,光子1和2的偏振态是在观测之后才确定下来的。
如果重复上述实验,若光子1穿过了偏振片,那么另一个光子必然会穿过偏振片.1.3 几种量子通信方案量子通信是指基于量子力学理论的通信方式。
信息的传递机制完全或部分的根据量子力学理论来设计.量子通信可以通过不同的方案实现。
根据痛惜方式的特点和适用条件,不同的量子通信方案可以应用于不同的用途。
量子通信目前还主要处于研究阶段。
虽然有初步的应用,但仍有很多问题等待解决。
1993年,Bennett [7]等人从理论上提出了一种“量子隐形传态"方案。
这种量子通信方案的实施需要两条通道:一条经典通道和一条EPR 通道。
经典通道是指基于经典理论的通信方式,例如电话、电报等通信方式.EPR 通道是指纠缠租用。
量子隐形传态可以完全作为一种传递量子态的通信方式.而如果对所传递的量子态进行编码。
例如规定数值偏振态对应二进制数字1。
水平偏振态对应二进制数字0,那么量子隐形传态又可以传递经典信息.最简单的量子隐形传态需要三个粒子。
一个事目标粒子(记为粒子1)。
目标粒子所处的来年高姿态就是要传递的量子态。
另外两个粒子是处于纠缠态的一对粒子(记为粒子2和粒子3)。
假设粒子1为处于未知偏振态的光子,其态函数可写为:111|a>=ψ|90>+b|0> (5)22||||1a b +=,a ,b 就是要传送的量子信息。
|90>表示光子在90度方向上偏振,|0>表示光子在0度方向上偏振。
粒子2和粒子3为处于纠缠态的粒子,其态函数可写为:()231212|->=ψ|90>|0>-|0>|90>) (6) 信息发送者Alic s拥有光子1和光子2,信息接收者Bo b拥有光子3.由1,2,3光子组成的系统的态函数可写为:123123123123123|>=ψ|90>|90>|0>-|90>|0>|90>)|0>|90>|0>-|0>|0>|90>) (7)此时,光子1与由光子2和光子3组成的系统之间没有任何关系.接下来,Alics 对光子1和光子2进行一次冯。