量子保密通信方案及信道傳輸特性研究.pdf

1、隨著離散變量量子保密通信技術(shù)走向成熟，研究者們提出了基于連續(xù)變量的量子保密通信。因其具有實(shí)現(xiàn)成本低，量子信號(hào)易產(chǎn)生和檢測(cè)，密鑰生成率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的應(yīng)用前景。而量子保密通信的信息安全基礎(chǔ)為量子信息論，量子信道理論作為其研究重點(diǎn)，之前的研究多限于無(wú)記憶及單輸入傳輸信道。然而實(shí)際量子傳輸信道總會(huì)存在某些記憶性，而且量子網(wǎng)絡(luò)通信是量子保密通信的發(fā)展趨勢(shì)。因此研究有記憶、多輸入量子信道及量子網(wǎng)絡(luò)的容量以及分析信道對(duì)信息傳輸?shù)挠绊?，?duì)

2、量子保密通信安全以及信道理論的發(fā)展具有十分重要的意義。
　　 本文圍繞連續(xù)變量量子保密通信中的方案設(shè)計(jì)與實(shí)際安全性，量子信道的量子容量及其非加性，以及特定量子信道下的信息傳輸與特定信道設(shè)計(jì)展開(kāi)，主要完成了以下幾個(gè)方面的工作:
　　 1.提出了一個(gè)利用非高斯操作來(lái)改善高斯調(diào)制連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)(CVQKD)性能的新穎方案。具體分析了減光子操作對(duì)CVQKD性能的影響。結(jié)果表明非高斯操作可以提高CVQKD對(duì)應(yīng)entangle

3、ment-based(E-B)方案信源糾纏度，并能有效提高CVQKD的最大傳輸距離及系統(tǒng)可容忍信道過(guò)噪聲。
　　 2.設(shè)計(jì)了兩個(gè)基于連續(xù)變量壓縮態(tài)的身份認(rèn)證協(xié)議，定義了一個(gè)全新的保真參數(shù)來(lái)判斷認(rèn)證成敗。分析結(jié)果證明了協(xié)議的可行性和安全性。其中方案二使用隨機(jī)測(cè)量基，可以抵抗由認(rèn)證密鑰外泄引起的中間人攻擊，更具強(qiáng)健性，但效率有所降低。
　　 3.分析了具有非理想相干光源的CVQKD系統(tǒng)的安全性，界定了光源的不理想程度對(duì)系統(tǒng)安

4、全性的影響。具體將非理想光源噪聲建模為第三方Fred對(duì)理想相干光源進(jìn)行放大后的輸出，根據(jù)Fred的不可信方及中立方角色，分別計(jì)算得到了非理想相干光源的噪聲安全限值。
　　 4.對(duì)于單輸入量子信道，通過(guò)引入記憶態(tài)建立了記憶信道模型，并基于此計(jì)算了具有馬爾可夫關(guān)聯(lián)噪聲記憶Pauli信道的量子容量。具體獲取了幾個(gè)典型Pauli記憶信道的量子容量確切值及一個(gè)下限值，結(jié)果表明該量子容量都和記憶度正相關(guān)。對(duì)于多輸入量子信道，提出了一類(lèi)非糾纏

5、破壞三輸入無(wú)記憶量子信道，證明了該信道在不需經(jīng)典輔助經(jīng)典信息下具有量子容量超加性。另外，利用該多輸入信道構(gòu)造了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)編碼的蝴蝶網(wǎng)絡(luò)，證明了該網(wǎng)絡(luò)同樣具有超加性量子容量。
　　 5.證實(shí)了在一定情況下，利用雙邊測(cè)量評(píng)估最大經(jīng)典關(guān)聯(lián)比單邊測(cè)量更合適，并分析了無(wú)記憶單邊及雙邊經(jīng)典及量子關(guān)聯(lián)在耗散及非耗散量子信道上的動(dòng)力學(xué)演化，具體考慮了幅度衰減及去極化信道。結(jié)果表明量子糾纏、關(guān)聯(lián)及非糾纏量子關(guān)聯(lián)在幅度衰減信道下的演化對(duì)初始

6、糾纏態(tài)形式具有敏感性，而去極化信道則不存在，這對(duì)糾纏分發(fā)及量子保密通信具有重要的應(yīng)用意義。
　　 6.發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了傳輸信道的非馬爾科夫效應(yīng)能有效提高離散變量量子密鑰分發(fā)(DVQKD)的安全密鑰率，從而提高方案的安全性。而且當(dāng)環(huán)境和系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度足夠大時(shí)，密鑰率將在安全點(diǎn)附近上下振蕩，從而影響合法方的通信安全性。
　　 7.利用線性光學(xué)器件設(shè)計(jì)構(gòu)造了兩個(gè)多輸入量子信道，該信道可實(shí)現(xiàn)兩比特非破壞量子受控相位操作。方案一借助G