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量子密集编码的安全性分析

量子密集编码的安全性分析

作者：张雨欣北京邮电大学

学位级别：硕士

量子信息是结合经典信息论和量子力学的跨学科研究领域。它已经展示出广泛的科学技术应用前景。在过去的几十年中,依赖于纠缠的量子信息过程已被广泛研究,并且量子纠缠在量子通信和量子计算的实现中扮演着越来越重要的角色,例如量子密... 详细信息

量子信息是结合经典信息论和量子力学的跨学科研究领域。它已经展示出广泛的科学技术应用前景。在过去的几十年中,依赖于纠缠的量子信息过程已被广泛研究,并且量子纠缠在量子通信和量子计算的实现中扮演着越来越重要的角色,例如量子密钥分配、量子密集编码、量子隐形传态、量子安全直接通信、量子密钥共享。其中量子密集编码由于仅仅通过1个量子比特就能够传输2个比特的经典信息而引起了极大关注。在量子信息领域中,除了通信方案的设计,保证信息传输过程中的安全性也尤其重要。目前量子密码中的窃听方式主要分为攻击方案本身和实际系统的攻击,攻击方案本身包括截听-重发攻击、假信号攻击、被动攻击、克隆攻击等等。其中克隆攻击又包括对未知的量子态进行不完美克隆的相似量子克隆以及以一定概率进行克隆的概率量子克隆。在本文中,通过采用克隆攻击的方式,我们在d维空间分析了量子密集编码通信方案的安全性;研究过程是引入了辅助量子比特,通过Pauli克隆基对传输量子态进行克隆,完成了对该方案的攻击;而后通过计算该方案在此攻击方式下的保真度及互信息量,以此证明该方案的安全性。

关键词：量子密集编码 Pauli克隆机安全性分析

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量子逻辑网络下的完全多回路量子密集编码

科学通报 2006年第24期51卷 2838-2841页

作者：李春燕李熙涵邓富国周萍周宏余北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室

提出了一种完全的多回路的量子密集编码方案.它可以提高张竞夫等人最近提出的核磁共振实现多回合量子稠密编码方案的信源容量.信息接收方在每次循环中用两个量子比特来记录四个局域幺正操作.

关键词：量子通信量子密集编码量子逻辑网络完全的

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可控的量子密集编码

河北师范大学学报（自然科学版） 2007年第5期31卷 608-610页

作者：刘红闫凤利河北师范大学物理科学与信息工程学院河北石家庄050016

提出了一种利用三粒子非最大纠缠态作为量子信道的可控的概率密集编码方案.第3方通过局域测量控制着量子信道.通过引入辅助粒子和做适当的幺正变换,就能以一定概率实现量子密集编码.

关键词：幺正变换量子密集编码 Bell基测量

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利用三能级部分纠缠态的量子密集编码

河北师范大学学报（自然科学版） 2007年第5期31卷 605-607页

作者：王美玉闫凤利河北师范大学物理科学与信息工程学院河北石家庄050016

量子信道为最大纠缠态的密集编码方案中,编码操作可以分为翻转操作和相位操作.存在相位编码操作是实现密集编码的关键,构造了量子信道为三能级部分纠缠态的相位密集编码算符,并给出了存在相位编码的条件.

关键词：量子纠缠量子密集编码翻转编码操作相位编码操作

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环境辅助测量增强量子密集编码容量的研究

环境辅助测量增强量子密集编码容量的研究

作者：魏东梅江西理工大学

学位级别：硕士

量子密集编码不仅是量子信息处理的重要研究领域之一,也是量子纠缠共享非常有趣的应用之一,为实现全球量子保密通信的绝对安全提供了前提研究条件。作为量子密集编码必不可少的资源,纠缠可以使无噪声量子信道的经典信息容量加倍。但是,... 详细信息

量子密集编码不仅是量子信息处理的重要研究领域之一,也是量子纠缠共享非常有趣的应用之一,为实现全球量子保密通信的绝对安全提供了前提研究条件。作为量子密集编码必不可少的资源,纠缠可以使无噪声量子信道的经典信息容量加倍。但是,实际的量子系统不可避免地与周围环境存在相互作用,纠缠因此而衰减,这大大降低了密集编码效率,甚至出现量子密集编码逊色于经典编码的情况。因此,有必要寻找能抑制环境退相干保护纠缠增强密集编码容量的方案。环境辅助测量技术可以从环境中获取额外信息有效抑制退相干,在量子信息任务处理过程中发挥着重要的作用。本文研究利用环境辅助测量技术抑制退相干增强噪声影响下量子密集编码容量的方案。主要研究内容和创新点如下:（1）提出利用环境辅助测量提高振幅阻尼噪声下的密集编码容量的方案。在环境辅助测量及其反转方案的帮助下,可以有效抑制振幅阻尼噪声的影响,并且以一定概率恢复未受噪声前的容量。与弱测量及其反转方案得到的结果相比,环境辅助测量及其反转方案在提高容量和成功概率上都具有明显优势。这些优势源于环境辅助测量可以从环境中提取额外信息用来抑制振幅阻尼噪声。（2）当连续使用信道时,具有关联效应的量子信道是研究噪声下量子通信的现实场景。在讨论关联振幅阻尼信道密集编码容量的基础上,利用两种弱测量及其反转方案增强密集编码能力。结果表明,它们都能够有效抑制关联振幅阻尼噪声并以一定的概率提高容量。但是,第一种方案能更好的提高容量,但成功概率较低;第二种方案在提高容量方面有欠缺,但成功概率较高。（3）提出利用环境辅助测量增强关联振幅阻尼噪声下密集编码容量的方案。结果表明,环境辅助测量技术可有效的抑制关联振幅阻尼噪声的影响,并且以一定的概率恢复未受噪声前的容量。与前面两种弱测量及其反转方案相比,环境辅助测量及其反转方案在提高容量和成功概率上均具有优势。这为抑制噪声有效的进行量子信息处理提供了一种可能的途径。

关键词：量子密集编码振幅阻尼关联振幅阻尼环境辅助测量弱测量

基于非最大纠缠态的安全量子密集编码及其腔QED实现

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基于非最大纠缠态的安全量子密集编码及其腔QED实现

作者：李红梅湖南师范大学

学位级别：硕士

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科．量子信息论从诞生到迅猛发展，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。它包括量子通信和量子计算。量子信息学的最根本资源是量子体系的纠缠态，量子纠缠态由于其非定域的特性，... 详细信息

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科．量子信息论从诞生到迅猛发展，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。它包括量子通信和量子计算。量子信息学的最根本资源是量子体系的纠缠态，量子纠缠态由于其非定域的特性，在量子信息中一特别是在量子通信中，得到广泛的应用。如量子密集编码（QDC）、量子隐形传态，量子秘密共享（QSS），量子密码术等。其中量子密集编码因其可以实现只传送一个量子位而传输两个比特的经典信息而受到关注，显示了强有力的发展前景。近年来不仅在理论上还是实验上都有很大的进展。第一章绪论简要回顾了量子信息论的诞生发展，研究现状及意义，以及量子纠缠在在量子信息中的重要性。介绍了量子纠缠态的定义，分类，简单应用及纠缠度量;介绍了几种常见的纠缠态;以及量子态的两种测量方式。第二章首先介绍量子密集编码的基本概念，以及近年来量子密集编码的最新进展，随后重点叙述了我们的工作，提出了概率性而且安全的量子密集编码方案，以及此方案的腔QED实现。由于结合了QDC与QSS的思想，因而整个量子密集编码方案更安全。因为只有当两接收者合作时才能得到发送者的准确信息。我们所采用的量子通道为三粒子非最大纠缠类GHZ态，由于量子通道不是最大纠缠态所以成功概率不为1，而是所给非最大纠缠类GHZ态中较小叠加系数平方的两倍。第三章我们着重研究了噪声对量子密集编码的影响，其中量子噪声用衰减系数为p的相位阻尼来描述。我们定量分析出在该阻尼作用下概率性密集编码所受到的影响。当有相位阻尼存在时，接收方不能以确定的方式得知发送方所传输的信息。只能计算出其中的“成功概率”为s=1-Qq（1-q）。它只与初始态的参数Q，q有关，跟衰减系数p无关。但是此时的成功概率中包含了一定的出错概率。出错概率为f=1／2Q[1-（1-p）（|q|+q）+q|q|]。当衰减系数p越大时出错概率f也会相应越大。第四章总结与展望。

关键词：量子纠缠量子密集编码腔量子电动力学

基于三方纠缠信道的量子密集编码相关问题研究

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基于三方纠缠信道的量子密集编码相关问题研究

作者：杨雪四川师范大学

学位级别：硕士

量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物,是研究信息处理的一门新兴前沿科学.量子信息处理之所以比经典信息处理更加优越,很大程度上在于量子系统之间存在着超越经典的关联――量子纠缠.基于量子纠缠的量子密集编码具有比经典密集... 详细信息

量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物,是研究信息处理的一门新兴前沿科学.量子信息处理之所以比经典信息处理更加优越,很大程度上在于量子系统之间存在着超越经典的关联――量子纠缠.基于量子纠缠的量子密集编码具有比经典密集编码更强大的信息传输能力,进而成为量子信息领域关注的焦点.本文以量子力学的基本原理为基础,以受控密集编码和同时密集编码为重点,研究了量子密集编码的相关问题.主要内容如下:1.回顾了量子密集编码的具体研究方案,包括Bennett密集编码方案、受控密集编码方案、同时密集编码方案.其中,受控密集编码方案及同时密集编码方案是前者的推广,且这三种方案的信息传输量均优于经典通信的信息传输量.2.利用纠缠特性极强的W态作为量子信道,设计了两种等价的概率性受控密集编码方案.其一,在第三方控制下,通过引入辅助粒子并实施酉变换以一定概率实现受控密集编码;其二,通过投影测量、POVM测量来实现受控密集编码.结果表明:控制方可以通过调节测量角度来控制发送方与接收方之间的量子信道及信息传输量;通过这两种方案接收方得到的信息传输量是完全相等的.3.利用型纠缠态的非局域关联特性,引入新的锁操作双受控非门（DCNOT）锁住纠缠信道,提出了一种同时密集编码协议.一方面,该协议确保了两个接收方可以同时获得由一个发送方发送给各自的经典信息;另一方面,通过引入额外的“监测量子态”,该协议可以保证通信阶段抗拦截重发攻击的安全性.

关键词：量子密集编码量子纠缠酉变换投影测量 POVM测量双受控非门(DCNOT)

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线性光学系统中的量子态制备和量子密集编码

线性光学系统中的量子态制备和量子密集编码

作者：王奕安徽大学

学位级别：硕士

量子信息学自上世纪90年代初,逐步发展为一门新兴的热点学科,吸引了越来越多的科技工作者加入到这个研究队伍中。量子信息学根据应用对象的不同,可以分为量子计算和量子通信两部分,量子信息学的最终目标是：1.制造出真正意义上可实际应... 详细信息

量子信息学自上世纪90年代初,逐步发展为一门新兴的热点学科,吸引了越来越多的科技工作者加入到这个研究队伍中。量子信息学根据应用对象的不同,可以分为量子计算和量子通信两部分,量子信息学的最终目标是：1.制造出真正意义上可实际应用的量子计算机;2.实现安全的实用的远程量子通信。目前,量子计算机的研究仍然处在理论研究阶段,而远程量子通信的研究已经开始开始从理论研究,进入应用研究。量子通信是一种全新的通信方式,它的主要研究内容有,量子隐形传态(不发送任何粒子而实现未知量子态的远程传送)、量子密集编码(通过传送一个量子比特而实现两比特信息的传输)等等,这些量子信息处理的过程归根结底是对量子纠缠态的制备和操作过程。目前,人们已经在多种系统中尝试量子信息研究,常见的物理系统有光学系统(Linear Optics)、腔动力学系统(Cavity QED)、离子阱系统(Ion Trap)、核磁共振系统(Nuclear Magnetic Resonance System)、量子点系统(Quantum Dot System)、低温超导系统等,这些系统的区别在于,使用不同的方式来储存信息。其中,光学系统是一种比较好的量子信息处理系统,它的实验进展也比较迅速。本文主要讨论多体纠缠态的制备和量子密集编码在线性光学系统中的实现过程。 1.在光学系统中完成GHZ量子纠缠态的制备我们提出了一个在光学系统中,结合非线性交叉克尔效应,利用零拍探测,制备偏振三光子GHZ态的有效方案,而且这个方案可扩展用于制备N个光子的GHZ纠缠态,与其它系统中的方案相比,这个方案的优点是：制备成功率很高、保真度几乎接近100%。 2.在光学系统中实现四粒子|Ψ)态的量子密集编码我们在光学系统中,利用简单的线性光学器件,首先提出一个对四粒子|Ψ>纠缠态进行一个粒子的密集编码方案,然后扩展到两个粒子的密集编码方案。在整个方案中,使用了非破坏性的奇偶校验探测器(PCD),该探测器同样使用零拍探测,利用信号光和探测光,在非线性交叉克尔介质中相互作用,对探测光相位改变的测量来实现,我们的密集编码方案成功的可能性接近于1。上述两个方案都在光子系统进行的,光子是中性粒子,它消相干时间比较长,所以,外界环境对光子纠缠态的影响比较小,不容易破坏光子态。在上述方案中使用的非线性交叉克尔效应,是在实验室中可以实现的,只要探测光场的强度足够大,那么,对交叉克尔效应强度的要求就不会很大。利用电磁感应透明(EIT-Electromagnetically induced transparency),在实验室中能获得这种强度的非线性交叉克尔效应强度。而采用了零拍探测,不仅避免探测对光子态的破坏,而且实验的可操作性也很强。在我们的方案中使用的各种线性光学元件,如PBS、BS、WP等,都是量子光学实验中常用的基本元件,在实验中利用这些线性光学元件,容易实现对光子的各种单比特操作,所以实验可行性较高。

关键词：量子密集编码量子纠缠态非线性交叉克尔效应线性光学

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基于光学系统的量子逻辑门和量子密集编码

基于光学系统的量子逻辑门和量子密集编码

作者：孙倩安徽大学

学位级别：硕士

量子理论和相对论是在二十世纪初被人们建立起来的,它最初被建立的目的是解释一些物理现象或难题,例如黑体光谱、原子和原子核结构以及运动物体的电动力学等,而量子信息是量子理论中的一个分支。量子信息学的神秘面纱已逐步的被研究者... 详细信息

量子理论和相对论是在二十世纪初被人们建立起来的,它最初被建立的目的是解释一些物理现象或难题,例如黑体光谱、原子和原子核结构以及运动物体的电动力学等,而量子信息是量子理论中的一个分支。量子信息学的神秘面纱已逐步的被研究者们揭开,从学科专业上讲它是量子力学和信息科学结合的产物。量子力学理论自诞生之日起,已经被大范围的应用于诸如信息学、物理、医学等各个领域。量子信息,物理学认为它主要包括量子计算和量子通信这两个领域：量子通信的研究范围有量子密码(quantum cryptography)、量子隐形传态(quantum teleportation)、远距离量子通信的技术等;而量子计算的主要研究范畴是研究量子计算机和适合量子计算机且普遍通用的量子算法。量子计算机、量子态的传输和quantum cryptography是量子信息学中最值得人类为之骄傲的思想,并且它们已经逐渐地从这个新的领域中脱颖而出。量子通信的实现和量子计算的完成除了要具备必要的纠缠源之外,还需要信息的运送载体,即实验上可行的量子信息处理器,一般表现为各种微观领域的物理系统。量子比特(qubit)是量子信息单位的基础,它可以携带着各种量子信息并且它允许被施加各种量子操纵以完成计算和信息传递。量子信息学中的一个重要课题就是去寻找实验可行的微观物理系统,以及实验可行性和成功可能性都相对较高的实验方案。目前,常用的处理器有：光学系统、光腔QED系统、核磁共振(NMR)系统等。我们知道高传输速度、低噪音是光子最凸显的特性,而光学系统具有容易制备和操控、易于传输的优点,因此光学系统被普遍认为是实现长距离量子态传输的最优系统之一。光学系统的实验发展速度也相对较快,因此课题“光学系统结合非线性材质实现量子信息的处理”具有较高的研究价值。本文主要讨论如何在光学系统中实现多粒子量子逻辑门;在弱的非线性克尔介质(weak nonlinear cross-Kerr medium简称WNCK)辅助下在腔QED系统实现量子密集编码(dense coding)。取得的主要成果如下：1.在光学系统中实现多粒子量子逻辑门我们首先设计了一个两粒子controlled-NOT (CNOT)门的实现方案,在这个门的基础上借助线性光学元件,弱的非线性交叉克尔效应和量子非破坏性测量技术(QND探测)实现了optical Toffoli gate。该方案具有较高的成功概率。本方案的巧妙之处是我们把两种量子非破坏性测量(QND探测)结合起来,使方案设计思路相对简单,再加上设计过程中采用了QND探测和经典反馈操作相结合的思想,从而大大减少了WNCK及QND探测器的个数,这样不但节约了资源而且降低了由于系统对光子的散射和吸收而引起的消相干现象,因而该方案具有较高的成功概率和较强的实验可行性。2.在cross-Kerr media-腔QED系统中实现密集编码GHZ态的制备：利用相干光场与WNCK相互作用的基理,同时借助施加在探测模式上的零拍测量技术,我们只需控制时间参量便可以制备出三光子GHZ态,并且这个方案可以推广到N光子的GHZ态。与之前的方案相比较,我们的方案操作更简单、效率更高、实验上器件要求相对基础。密集编码的实现：假设dense coding的两个主体Alice, Bob共同拥有三粒子纠缠GHZ态,且Alice拥有A,B两个粒子,Bob拥有C粒子。Alice对她的两个粒子都实施I,σx,iσy,σz正中的一种操作,使得三个粒子可能处在八种量子态中的一种。现在Alice把A,B粒子传送给Bob, Bob拥有三个粒。Bob想要获得信息就要对自己现在拥有的粒子进行一系列的局域性操作。Bob首先要对原子A和C粒子所对应的相干态实施非破坏性探测;第二步是对原子A进行Hadamard gate操作以及计算基底探测;最后对原子B和原子C所相应相干态上实施非破坏性测量操作以及Hadamard gate操作。完成三步操作后Bob分辨出最初接收到A,B粒子时三粒子系统所处的态,从而实现了dense coding。在文章后面的内容里我们也把对两个粒子的编码方案推广到对多个粒子的编码方案,并分析了消相干因素对方案的影响。

关键词：量子纠缠态 Toffoli gate 量子密集编码低品质腔 QND测量非线性交叉克尔介质线性光学