量子隐形传态及其在量子安全直接通信中的应用

论文摘要

量子信息学是20世纪80年代兴起的一门由物理科学和信息科学产生的交叉学科，该学科以量子力学为基础，主要包括：量子通信和量子计算。由于量子世界的奇妙特性，使得量子信息具有许多和经典信息不同的新特点。量子通信是量子信息学的一个非常重要的分支，目前主要涉及到量子隐形传态、量子密集编码（QSC）、量子秘密共享（QSS）、量子密钥分配（QKD）和量子安全直接通信（QSDC）等。其中，量子隐形传态是量子通信领域中最引人注目的方向之一，它的实现将会极大地推动量子通信的进程及速度，寻求更合理和更完备的量子隐形传态方案将会对量子信息的处理、量子计算机、量子信息控制、以及量子安全直接通信等起到极大的推动作用。本文主要研究了在多量子通道和一般的Bell基联合测量下，实现确定性的和概率性的量子受控的隐形传态的理论方案，以及量子隐形传态在量子安全直接通信中的应用。多粒子量子态的隐形传态作为“一对多”和“多对多”式量子通讯网络的重要基础得到人们的广泛重视。由于量子通道和环境的相互作用，会引起通道的消相干，这时量子通道不再保持最大纠缠态，因此，研究非最大纠缠信道的量子受控的隐形传态具有实际意义。基于此，我们应用未知量子态隐形传态的基本原理，提出并在理论上论证了在第三方控制下的概率的“一对一”的隐形传输三粒子部分未知态的方案。在该方案中，选择量子通道中的一个粒子作为控制粒子，发送者进行一次Bell基测量和两次Hadamard门操作及{|0>，|1>}基测量，控制者实施一次Hadamard门操作及{|0>，|1>}基测量，并将他们的测量结果利用经典信道发给接收者，接收者然后根据他们的测量结果进行适当的幺正变换以及一些必要的投影测量就能得到待传的未知量子态。接着我们又推广到N粒子量子态的隐形传态方案。在这个理论方案中，我们利用非最大（N+2）-粒子GHZ态作为量子通道，在发送者进行一次Bell基测量、N-1次Hadamard门操作及{|0>，|1>}基测量，控制者实施一次Hadamard门操作及{|0>，|1>}基测量之后，接收者根据他们的测量结果，再进行一些适当的幺正变换以及一些必要的投影测量就实现了N粒子未知量子态的受控传递，并且成功的概率为2|a|2。基于量子安全直接通信原理，我们提出了两种量子安全直接通信方案：用量子隐形传态和GHZ态进行受控的安全直接通信方案；用量子隐形传态和W态进行受控的安全直接通信方案，这两种方案都是基于受控的量子隐形传态。在保证量子通道安全的情况下，发信方Alice直接将秘密信息编码到粒子态序列上，使用受控的量子态隐形传输的方法，在第三方Charlie的监督下将秘密信息发送给接收方Bob。Bob通过测量他的量子位直接读出被Alice编码的秘密信息。在这些方案中，通过量子隐形传态，秘密信息从一方忠实地传递到遥远的另一方，并没有泄露给潜在的窃听者任何信息。由于在任意双方之间的通信中都没有携带秘密信息的粒子在公共信道中传递，因此只要使用完美的量子通道（纯EPR对纠缠态、纯GHZ态和纯W态），我们的所有这些量子直接通信方案均是绝对安全的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 量子隐形传态的研究现状
• 1.2.2 量子安全直接通信的研究现状
• 1.3 本论文的研究目的和主要内容
• 第2章 量子信息基础理论
• 2.1 量子信息学的量子力学基础
• 2.1.1 叠加性和相干性
• 2.1.2 量子非局域性和量子纠缠
• 2.1.3 量子不可克隆定理
• 2.1.4 希尔伯特（Hilbert）空间
• 2.1.5 幺正变换
• 2.2 量子通信
• 2.2.1 量子隐形传态
• 2.2.2 量子稠密编码
• 2.2.3 量子密码术
• 第3章 受控的量子态的隐形传递
• 3.1 确定性的量子受控的隐形传态
• 3.1.1 单粒子量子受控的隐形传态
• 3.1.2 两粒子量子受控的隐形传态
• 3.2 概率性的量子受控的隐形传态
• 3.2.1 三粒子部分纠缠态的量子受控传递
• 3.2.2 N粒子部分纠缠态的量子受控传递
• 第4章 量子隐形传态在量子安全直接通信中的应用
• 4.1 量子安全直接通信简介
• 4.2 用量子隐形传态和EPR对进行安全直接通信
• 4.3 用量子隐形传态和GHZ态进行受控的安全直接通信
• 4.4 用量子隐形传态和W态进行受控的安全直接通信
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果