量子通信

杭州电子科技大学毕业设计杭州电子科技大学毕业设计（论文）题目量子通信中非经典状态下的光子数统计学院通信工程学院专业通信工程班级06083414学号06081411姓名胡陈指导教师曾然2010年5月20日杭州电子科技大学毕业设计一、题目量子通信中非经典状态下的光子数统计二、中英文摘要量子通信中非经典状态下的光子数统计【摘要】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.文章综述了量子通信领域的研究进展,既包括人们所熟知的量子隐形传态、密集编码和量子密码学,也包括刚刚兴起但却有巨大潜力的量子通信复杂度和远程量子通信等领域.文章介绍了量子通信的基本理论框架,同时也涉及了这个领域最新的实验研究的进展。【关键词】量子通信;量子隐形传态;量子密集编码;量子密码术;量子通信复杂度;远程量子通信。杭州电子科技大学毕业设计QUANTUMCOMMUNICATION­【Abstract】Whenthesemiconductorlaserisoperatinginaconstantbiascurrent,theterminalvoltageoftenfluctuates.Thefluctuationthatisnamedelectricnoiseindicatesthedefectofmaterialordevice,especiallyitisverysensitiveforvariousreliability-dependentdefects.Sotheelectricnoiseisbecomingausefultooltocharacterizedevicequalityandreliability.【Keywords】SemiconductorNoisecharacteristicDependabilityappraisalPulsedriving杭州电子科技大学毕业设计目录引言…………………………………………………………………………..1第1章量子通信简介……………………………………………………..21.1量子通信基本概念…………………………………………….21.1.1基本简介………………………………………………….21.1.2量子通信发展史…………………………………………..31.2量子通信国内外研究动态…………………………………….31.2.1研究突破………………………………………………….31.2.2中国的研究动态………………………………………….4第2章量子通信的基本过程…………………………………………….62.1量子通信基础理论…………………………………………….62.2量子隐形状态和密集编码…………………………………….62.3量子密码术…………………………………………………….82.4量子通信的复杂度.…………………………………………102.5量子远程通信………………………………………………13第3章量子纠缠和超光速量子通信…………………………………143.1量子纠缠态特性………………………………………………143.1.1量子比特……………………………………………….143.1.2量子纠缠态………………………………………………143.1.3量子纠缠态的非局域关联性……………………………..153.2量子隐形传输…………………………………………………153.2.1量子隐形传态原理……………………………………….153.2.2隐形传态的实现过程……………………………….....16杭州电子科技大学毕业设计3.2.3隐形传态的特点………………………………………..173.3超光速量子隐形传态的实现……………………………….18第4章量子光学基础简介……………………………………………….194.1光的电磁理论………………………………………………….194.1.1真空中的麦克斯韦方程…………………………………..194.1.2介质中的麦克斯韦方程…………………………………..214.2光子和光子态………………………………………………….234.2.1电磁场的量子化………………………………………….234.2.2光子数态………………………………………………..244.2.3光子位相态……………………………………………..26第5章非经典态下的光子数统计……………………………………295.1相干态………………………………………………………….295.2场的相关函数………………………………………………….305.3光子的相关测量……………………………………………….335.4量子力学光子计数分布……………………………………….34第6章相干叠加态下光子数分布的结果讨论…………………………….6.1相干叠加态的理论基础……………………………………….6.2光子数分布的讨论…………………………………………….总结……………………………………………………………………….36致谢……………………………………………………………………….37参考文献…………………………………………………………………….38杭州电子科技大学毕业设计1引言我们生活在一个信息时代,信息科学在改善人类的生活品质以及推动社会的文明发展中发挥着令人惊叹的作用,这是其他学科所无法比拟的。随着人类社会对于信息的需求日益增加,人们不断地致力于信息技术的进一步发展,这必然导致现有的信息系统其功能被开发至极限。因此,信息科学的进一步发展势必要借助于新的原理和方法,于是一门将量子力学应用于信息科学的新兴学科———量子信息学便应运而生。这里我们着重介绍量子信息学的重要分支之一———量子通信.量子通信是量子信息学中研究较早的领域。广义上讲,它包括量子密码术、量子隐形传态、密集编码、远程量子通信,以及量子通信复杂性等。近年来在理论和实践上均已取得了重要的突破,引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。量子通信理论是1993年由美国IBM的研究人员提出的,目前美国国家科学基金会、美国国防部等部门正在着手研究此项技术,欧盟从1999年开始研究,日本也从2001年将量子通信纳入十年计划。本课题主要对量子通信进行基本的阐述，以及对基本的原理的描述。并对非经典状态下的光子数做出统计以及相应的分析。最后用软件的方式来验证光子数的统计。杭州电子科技大学毕业设计2第一章量子通信简介1.1量子通信基本概念1.1.1基本简介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一种“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：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。1993年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态，在它们之间的关联不能被经典地解释，这样的态称为纠缠态，量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。最近，潘建伟及其合作者在如何提纯高品质杭州电子科技大学毕业设计3的量子纠缠态的研究中又取得了新突破。为了进行远距离的量子态隐形传输，往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是，由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要课题。国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究，并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案，但是没有一个是能用现有技术实现的。最近潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案，原则上解决了目前在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价，被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”。1.1.2量子通信发展史1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。1.2量子通信的国内外研究动态1.2.1研究突破据《新科学家》杂志等媒体综合报道，一支意大利和奥地利科学家小组宣布，他们首次提出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破标明在太空和地球之间可以构杭州电子科技大学毕业设计4建安全的量子通道来传输信息，用于全球通信。此研究成果即将发表在《新物理学杂志》（NewJournalofPhysics）上。意大利帕多瓦大学的保罗·维罗来斯和恺莎尔·巴伯利领导此研究小组，成功地利用意大利名为马泰拉（Matera）激光测距天文台的1.5米望远镜向地球上空1500公里处的日本阿吉沙（Ajisai）人造卫星发射出光子并让此卫星将这些光子反弹回到了原始出发地。这标志着无法偷听的量子编码通信可望通过人造卫星来实现。此消息将会大受全球通信公司和银行的欢迎。2007年6月，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组在量子通信研究中通过创下了通信距离达144公里的最远纪录。而要达到更远的距离很难，因为大气容易干扰光子脆弱的量子状态。而巴伯利小组想出了解决办法，通过人造卫星来发送光子。由于大气随高度的增加而日趋稀薄，在卫星上旅行数千公里只相当于在地面上旅行8公里。为证实地