毕业论文：量子直接通讯过程的研究

本论文的结构安排如下，第章主要介绍量子信息学相关知识第二章是量子信息基础第三章介绍几种主要的量子通讯方式第四章总结地介绍量子直接通讯。

量子信息学简介量子信息学，是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的门新兴前沿科学。

量子信息学包括量子密码术量子通信量子计算机等几个方面，近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。

简单介绍量子信息学的主要研究内容今天，信息科学在推动社会文明进步和提高人类生活质量方面发挥着令人惊叹的作用。

随着人类对信息需求的日益增加，人们也在不断地推进信息技术的发展，但是现有信息系统的功能已接近于极限值。

电子计算机在过去年中，每个芯片上集成的晶体量子直接通讯过程的研究管数目随时间呈指数增长，这个被称为摩尔定律的经验法则预示着多年以后计算机存储单元将是单个原子，电子在电路中的行为将不再服从经典力学规律，取而代之的是量子力学规律。

于是就提出了量子效应究竟会对计算机运算速度产生什么样影响的问题。

因此，信息科学的进步发展必须借助于新的原理和新的方法。

由于量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度确保信息安全增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有的经典信息系统的极限，因而量子力学便首先在信息科学中得到应用，门新的学科分支量子信息学也应运而生。

该学科是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的门新兴前沿科学。

量子信息学包括量子密码术量子通信量子计算机等几个方面，近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。

量子计算机量子计算机是类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算存储及处理量子信息的物理装置。

当个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。

研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

世纪年代至年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。

研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。

那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢问题的答案是所有经典计算机都可以找到种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。

早期量子计算机实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。

与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。

因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是类特殊的量子计算。

量子计算机对每个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。

除了进行并行计算外，量子计算机的另重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。

遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。

在量子计算机中，量子比特不是个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。

因此，要使量子计算成为现实，个核心问题就是克服消相干。

而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。

主要的几种量子编码方案是量子纠错码量子避错码和量子防错码。

量子量子直接通讯过程的研究纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。

但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。

如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。

目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用冷阱束缚离子电子或核自旋共振量子点操纵超导量子干涉等。

现在还很难说哪种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。

将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是种全新的设计，而这种新设计又是以种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机样。

研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。

量子计算机使计算的概念焕然新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。

量子计算机的作用远不止是解决些经典计算机无法解决的问题。

量子通信量子通信系统的基本部件包括量子态发生器量子通道和量子测量装置。

按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。

前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。

所谓隐形传送指的是脱离实物的种完全的信息传送。

从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程先提取原物的所有者处，被传送的仅仅是量子隐形传态基本过程要实现量子隐形传态，首先要求接收方和发送方拥有对共享的对即态，发送方对他所拥有的半对和所要发送的信息所在的粒子进行联合测量，这样接收方所有的另半对将在瞬间坍缩为另状态具体探索为哪状态取决于发送方的不同测量结果。

发送方将测量结果通过经典信道传送给接收方，接收方根据这条信息对自己所拥有的另半对做相应幺变换即可恢复原本信息。

到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。

与广为传言的说法不同，量子隐形传态需要借助经典信道才能实现，因此并不能实现超光速通信。

在这个过程中，原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，而且，发送者对这个量子态始终无所知接受者是将别的物质单元如粒子制备成为与原物完全相同的量子态，他对这个量子态也始终无所知原物的量子态在测量时已被破坏掉不违背量子不可克隆定理未知量子态量子比特的这种传送，需要经典信道传送经典信息即发送者的测量结果，传送速度不可能超过光速不违背相对论的原理。

原物的量子态，发送者甚至可以对这个量子态无所知，而接收者是将别的物质单元如粒子变换成处于与原物完全相同的量子态，原物的量子态在发送者进行测量及提取经典信息时已遭破坏。

量子直接通讯过程的研究量子隐形传态原理图量子直接通讯量子通讯是指利用量子纠缠效应进行信息传递的种新型的通讯方式。

量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。

在前面我们已经介绍了量子纠缠，量子密集编码，量子密钥分发，这些都是量子通讯的组成部分。

近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。

高效安全的信息传输日益受到人们的关注。

基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

量子安全直接通信年，等人提出了确定的安全通信的概念，年，等人提出了确定的安全直接通信的概念，它是借鉴量子密集编码的部分思想，属于个准安全的量子安全直接通信。

年，这领域被统称为量子安全直接通信。

它的定义为通信双方以量子态为信息载体，利用量子力学原理和量子的各种特性，通过量子信道传输，在通信双方之间安全地无泄漏地直接传输有效信息，特别是秘密信息的通讯方案。

量子安全直接通信是种用于直接传输秘密信息的量子通信技术，属于量子通信中的个重要分支。

量子安全直接通信的安全性也是由量子力学中的测不准原理不可克隆定理纠缠粒子的关联性和非定域性等量子特性来保证的。

量子安全直接通信传输的信息是秘密信息本身，和就不能再像量子密钥分配协议里那样，采用发现窃听就抛弃传输结果的方法来确保信道的安全性。

量子安全直接通信的安全性要求窃听者得不到任何相关所需传输的有效信息，其对安全性的要求要高于量子密钥分配协议。

和必须在秘密信息加载于量子态上之前，就能判断出是否对信道进行窃听，这就要求进行量子信道安全性分析，即和需要量子直接通讯过程的研究进行抽样统计分析，需要拥有批随机抽样数据。

这就要求量子安全直接通信的量子数据必须以块状传输。

量子安全直接通信判断的基本依据为除因安全检测的需要而相对于整个通信可以忽略的少量的经典信息交流外，接收者接到传输的所有量子态后，可以直接读出秘密信息，原则上对携带秘密信息的量子比特不需要辅助的经典信息交流。

无论窃听者是否监听量子信道，他都得不到秘密信息，即他得到的只是个随机的结果，不包含任何秘密信息。

在秘密信息泄露前，通信双方能够准确判断是否有人监听量子信道。

以量子态为信息载体的量子数据必须以块状传输。

引自新进展下面主要介绍两个重要的量子安全直接通信方案。

协议基于量子力学机制的量子通讯通常都是非决定性的。

信息的发出者虽然可以把经典的信息经过编码成为量子比特然后发送给，但是她却不能决定解密后的比特值。

尽管这样这种非决定性的通讯方式仍然被用于建立可以包含任意比特的共享密钥，这种密钥可以用在经典通道上传输信息。

最近种新的量子通讯也就是量子安全直接通讯被提出来，信息可以在量子通道上传输但是只有在经典信息被接受后才能把信息解密出来。

乒乓协议就是种比较典型的量子直接通讯协议。

所谓的量子直接通讯就是指在不需要多余信息的传输的情况下，信息的传送过程就是信息的解密过程，也就是它与以往密码术的区别在于它的同时性。

乒乓协议不仅可以传输秘钥也可以传送白文，遗憾的是这种通讯方式是渐进安全的。

它的基本原理是利用对对的本地幺正操作。

当两个光子在自由极化度上最大纠缠时，每个光予都不是极化的。

把垂直极化和水平极化分别记作，在两体的希尔伯特空中是最大纠缠态。

对个光子的极化进行测量可以得到任意的结果，它们相应的约化密度矩阵可以反映出这个结果来。

因此实验在只测量其中个光子时不能完全区分开它们。

然而，当是相互正交的，则对两个粒子测量时可以完全的区分这两个光子。

换种说法在中对其中个比特信息加密，那么如果可以获得其中个光子其实等于什么信息也没有得到。

幺正操作可以翻转尽管所做得是局域操作但得到的效果却是非局域的。

即使你能有其中个光子的信息可以进行加密但却不能对它进行解密。

这种情形非常适用于量子密码通讯。

协议的内容如图量子直接通讯过程的研究假设在通道上，当和运用控制模式传送信息的时候，对向发送的信息不作任何手脚但在信息模式下，要捕捉向发送的信息。

她把获得的信息也在基矢口，下进行操作然后再把操作后的信息发给。

和根本发现不了她的存在。

这样经过破坏后，两个比特已经毫不相干。

那么得到的结果是任意的，他得到串毫无意义的比特。

量子直接通讯过程的研究很多人针对窃听者的