量子通信中的量子隐形传态技术研究

华中科技大学硕士学位论文量子通信中的量子隐形传态技术研究姓名：叶俊申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：刘玉20070606I摘要量子通信将量子力学定律引入传统通信中，其安全性由量子力学的基本原理所保证，如未知量子位不可克隆、非正交量子态不可识别、量子态测量无法不扰动系统状态等，可以实现绝对安全的通信。量子隐形传态被认为是量子信息论研究中昀显著的进展之一，也是量子通信领域中昀引人注目的方向之一，在量子计算和量子通信领域发挥着重要的作用。本文在全面了解量子隐形传态的研究现状、研究已有各种量子隐形传态方案的基础上，综合借鉴目前的多粒子态量子隐形传态方案和受控量子隐形传态方案，提出了一种简单的、更具概括性的任意M方控制的任意N粒子态的隐形传态方案：只需利用（N－1）个EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）对和一个（M+2）粒子GHZ（Greenberge-Horme-Zeilinger）态，通过一定的Bell基联合测量和单粒子么正操作，就可以实现任意M方控制的任意N粒子未知态的隐形传态。接着，在研究已有的各种量子安全直接通信方案的基础上，根据任意M方控制的任意N粒子态的隐形传态设计方案和稠密编码原理，提出了一种量子安全直接通信方案，并利用量子计算语言对该方案进行了仿真和分析，验证了它的正确、安全和高效。此方案能够在量子通信网络中使用，可根据量子通信网络的情况来决定采用多少个控制方，方便组网扩展，而且若每个控制方进行量子中继，则可延长纠缠态的分发距离，使得通信距离增加，从而实现更远距离的量子通信。昀后，针对目前大多数量子通信方案都无法防止“假冒身份攻击”和“中间人攻击”的问题，在研究现有量子身份认证方案的基础上，基于纠缠交换的思想，提出了一个完整的量子网络中的量子身份认证方案，并利用量子计算语言对方案进行了仿真和分析。此方案的昀大优点是：它不同于一般的点对点的量子身份认证方案，可以用其构建量子网络中的量子身份认证系统。关键词：量子信息；量子隐形传态；量子密钥分发；量子安全直接通信；量子身份认证IIAbstractQuantumcommunicationsintroducethelawsinquantummechanicstothetraditionalcommunicationtechnology.Duetothat,thesecurityofquantumcommunicationsisguaranteedbythebasicprinciplesinquantummechanics,suchastheno-cloningprincipleforanunknownstate,theno-recognizingattributeofnon-orthogonalquantumstates,thefactthatmeasurementtothequantumstatedisturbsthewholesystem,whichhelprealizingtheabsolutesecurityincommunication.Quantumteleportationisknownasoneofthemostdistinguishingresearchingprogressesinthefieldofquantuminformation,alsooneofthemostattractivedirectionsinquantumcommunications.Itplaysanimportantroleintheareaofquantumcomputationandquantumcommunications.BasedonthecurrentresearchingstatusofquantumteleportationandthestudyofvariousquantumteleportationSchemes,thearticlesynthesizestheexistingmultiple-particlequantumteleportationschemesandcontrolledquantumteleportationschemesandpresentsarelativelysimplerandmoregeneralizedscheme,thearbitraryMcontrolledarbitraryN-particlequantumteleportationschemesrealizedbyusing(N-1)EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）entanglementpairsandone(M+2)-particleGHZ（Greenberge-Horme-Zeilinger）state,withonlyBellbasisjointmeasurementsandsingleparticleunitaryoperations.Then,basedontheresearchesofvariousexistingquantumsecuredirectcommunicationschemes,accordingtothearbitraryM-ControlledarbitraryN-particlequantumteleportationschemesanddensecodingprinciple,thearticlepresentsanewquantumsecuredirectcommunicationscheme.Thesimulationsandanalysisbyquantumcomputationlanguageprovesthattheschemeiscorrect,secureandhigh-effective.Theschemecanbeutilizedinquantumcommunicationnetworksandtheamountofcontrollingsidesisflexiblydecidedaccordingtothenetworkstatus.ThismakesconvenientfortheformingandextendingoftheIIInetwork.Inaddition,ifeverycontrollingsideusesaquantumrepeater,thedistancesofentanglementdistributionareextendedaccordingly,whichrealizesthelongerdistanceofquantumcommunication.Atlast,focusedontheproblemthatmostcurrentquantumcommunicationschemesfailtoprevent“Fakeidentityattacks”and“man-in-the-middleattacks”,basedontheresearchesofexistingquantumauthenticationschemes,usingentanglementswapping,thearticlepresentsacompletequantumauthenticationschemesinquantumnetworks,whichisalsosimulatedandanalyzedbyquantumcomputationlanguage.Themostadvantageofthisschemeisthatdifferentfromthepoint-to-pointquantumauthenticationschemes,ournewquantumauthenticationschemescanbeusedtoconstructthequantumauthenticationsysteminthequantumnetwork,whichpossessesavalueforthefuturequantumnetworkconstruction.Keywords:QuantumInformation;QuantumTeleportation;QuantumKeyDistribution;QuantumSecureDirectCommunication;QuantumIdentityAuthenticationIV主要英文名词与中文对照表缩写名称英文全称中文对照QKDQuantumkeydistribution量子密钥分发QSDCQuantumsecuredirectcommunication量子安全直接通信QIAQuantumIdentityAuthentication量子身份认证GHZstateGreenberge-Horme-Zeilingerstate多粒子（三粒子及以上）纠缠态EPRstateEinstein-Podolsky-Rosenstate两粒子昀大纠缠态QCLQuantumComputationLanguage量子计算语言QuantumTeleportation量子隐形传态Teleportation隐形传态Qubit量子比特Hilbert希尔伯特Dirac狄拉克BraVector左矢KetVector右矢Hamiltonians哈密顿量Heisenberg海森堡Hadamard哈达玛独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在▁▁▁年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日11绪论量子信息学是由量子力学与信息科学相结合而产生的一门新兴交叉学科。当前量子信息学无论在理论还是在实验上都不断取得重大突破，显示了经典信息科学所无法比拟的优势。因此，量子信息学将为信息科学的发展开辟新的道路。量子通信是量子信息学的一个非常重要的分支，借助量子力学特性，实现经典通信无法比拟的高安全性信息处理和传输。本章首先介绍了量子通信的发展现状，包括量子通信的研究内容、目前的研究成果及主要研究方向，然后简介了本文的主要内容及意义。1.1量子通信概述量子通信将量子力学定律引入传统通信中，其安全性由量子力学的基本原理所保证，如未知量子位不可克隆、非正交量子态不可识别、量子态测量无法不扰动系统状态等，可以实现绝对安全的通信。量子通信是量子信息学中研究较早的领域。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、美国国防部等部门已经着手研究此项技术，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。近年来在理论和实践上均已取得了重要突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视，成为研究的热点之一。量子通信可按其所传输的信息为经典信息还是量子信息分为两类。传输经典信息的量子通信主要有两种方式：量子密钥分发（QuantumKeyDistribution，简称QKD）、量子安全直接通信（QuantumSecureDirectCommunication，简称QSDC）。传输量子信息的量子通信方式主要是量子隐形传态（QuantumTeleportation），它是量子通信领域中昀引人注目的方向之一。量子密钥分发是目前广泛研究的量子通信方式，被认为是量子通