多方EPR导引及其在安全量子通信中的应用

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量子信息科学,作为量子力学和信息科学交叉产生的一门边缘学科,是以量子力学的基本原理为基础,开展基础量子信息科学、光通信等领域的研究工作,包括量子纠缠,量子并行,量子隐形传态等,并根据量子系统的这些特性对所获取信息进行重新编码,传输以及计算,由此提高信息的精确度,速度以及安全性。介于量子纠缠和贝尔非局域性之间,EPR导引具有天然的不对称性,是一种特殊的量子关联,在量子通信网络中起着重要的作用。在提出EPR导引这个概念以来,人们做了很多相关方面的探究,EPR导引也从理论上将两组份系统的研究扩展到了多组份,不少关于连续变量和分离变量的量子导引也在理论上和实验上也得到了相关的验证。然而,为了实现量子态的远距离传输,我们还需要探索更多的量子资源。量子纠缠交换是通过量子交换方案将两个空间分离且没有直接相互作用的量子态产生纠缠,是构建量子通信网络的一种重要技术,不管在分离变量量子系统还是连续变量量子系统,都在理论以及实验中得到了验证。最近,有人提出将该技术应用于分离变量和连续变量混合系统,它的验证意味着混合型量子通信网络的实现,极大的丰富了量子资源。随后,山西大学光电研究所将纠缠交换技术应用于高斯量子导引中,证实了两个空间分离且无直接相互作用的量子态经过纠缠交换后导引性质依然存在。围绕连续变量量子导引,我们通过引入噪声加入损耗或者通过不对称调制的方法,来探究两组份、多组份纠缠态中对EPR导引的操控。本文主要研究工作如下:(1)引入高斯噪声和损耗信道对EPR导引的影响。我们在连续变量四组份方形Cluster态的基础上,在其一端通过分束器模型引入传播损耗,一端则通过一个99:1的分束器加入高斯噪声,后重构其新四组份的协方差矩阵,利用高斯态的导引判据量化新四组份的不同类型的EPR导引。理论上分析了在不同类型高斯噪声下的EPR导引情况,以及在不同高斯噪声下,导引参数随透射的变化规律。(2)我们通过不对称调制的方法实现不同类型的EPR导引,研究了三组份GHZ纠缠态至两组份的量子导引,以及四组份纠缠态到三组份的量子导引。通过重新构建协方差矩阵,我们量化了多组份纠缠态的导引能力,验证了EPR导引参数与压缩参数和经典增益因子的关系。方案一的两组份态的导引结果可用于包括两个用户之间的量子通信方案中,方案二中不同类型的多组份EPR导引则可使得单端设备无关的量子密钥分发以及三组份之间的量子秘密共享方案的实现变得更加容易。(3)基于纠缠交换技术,我们提出了三个方案,前两个方案分别是通过两端加不对称调制和一端加调制另一端加入噪声的方法,分析并比较了两个方案输出两端的无导引,单向导引,双向导引的情况。其理论结果对实现安全量子通信变得更加容易。第三个方案是在交换过程中通过一个分束器作为可调的导引开关,加入真空噪声和额外噪声,我们通过调控分束器的透射率,来实现三方彼此之间的导引情况。此方案有利于操控量子网络中的导引方向以及保证量子信息的安全性。
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