摘 要

本次毕业设计是量子光通信的关键技术研究。随着现代社会的信息化程度越来越高，计算机性能越来越强大，传统通信手段的安全性正逐渐受到挑战。2013年，发生了震惊世界的斯诺登事件，曝光了美国利用技术手段对其本国公民的电话，邮件等进行监测。监测的范围甚至包括美国的盟友。这也从侧面印证了传统通信技术安全性正在降低。近几年逐渐兴起的量子通信技术逐渐成为了研究的热点。由于量子的不确定性，量子态叠加原理和不可克隆的特性，在量子力学的基础上，建立起来的量子通信具有非常高的安全性和高效性。

本设计主要介绍了量子光通信中的关键技术，即多用户检测技术。在对比了几种常用的检测方案后，提出了基于测量基调整的量子多用户检测技术。

该方案是从接收端角度出发，以不同测量基的条件下，不同单光子脉冲强度为依据的。先要得到由Stokes Parameters与邦加球上某点旋转角度之间的关系得出偏振态偏转角度，设定一个时间，取这段时间内的偏转角度平均值，再将这个值发送给发送端，其根据这个值进行参数的调整，以此实现测量基调整的检测方法。

由于在量子通信的发展过程中，多用户组网是必然的过程，而如何对网络中的这些用户信息进行检测识别是很重要的，所以本文具有一定的实际意义。

关键词：量子通信；量子纠缠交换；量子密钥分发；量子路由方案；量子通信网络

Abstract

This graduation design is the key technology research of quantum communication. With the development of modern society, the degree of information is more and more high and Computer performance is becoming more and more powerful, the security of traditional means of communication is becoming more and more challenging. In 2013, the Snowden incident shocked the world, the exposure of the United States to use technical means to its citizens of the telephone, mail and other monitoring. The scope of the monitoring and even the United States allies. This also confirms the traditional communication technology security is reduced from the side. In recent years, the gradual rise of quantum communication technology has gradually become a hot research topic. Due to the quantum uncertainty, quantum superposition principle and the characteristic of non cloning, quantum communication based on quantum mechanics has a very high security and high efficiency.

This design mainly introduces the key technology of quantum communication. That’s Multi user detection technology. After comparing several common detection schemes, quantum multi user detection technique based on measuring base adjustment is proposed.

The scheme is based on the receiver's point of view, with different measurement basis, different single photon pulse intensity. Based on different measurement basis, different single photon pulse intensity. To get the relationship between Parameters and Stokes by Poincare a point on the rotation angle of the polarization angle of deflection, and then average value for a period of time.

Due to the development of quantum communication, multi user network is an inevitable process. And how to detect the information of these users in the network is very important, so this paper has a certain practical significance.

Key words: Quantum communication，multi-user quantum key distribution protocol，Quantum routing scheme，Quantum communication network

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 量子通信网络研究的现状及发展 2

第2章 量子通信基本原理 3

2.1 量子态及量子比特 3

2.1.1 量子比特的性质 3

2.2 量子纠缠交换 5

2.2.1 量子纠缠 5

2.2.2 量子纠缠交换 6

2.3 常用的量子密钥分发协议 7

2.3.1 理想条件下的量子密钥分发协议 7

2.3.2 BB84协议 8

2.3.3 B92协议 10

2.3.4 E91协议 12

第3章 量子检测理论研究 13

3.1 量子检测涉及概念 13

3.1.1 量子测量的力学量与测量算符 13

3.1.2 量子测量与坍缩 15

3.2 多用户量子检测算法研究 15

3.2.1 量子测量算法的研究 16

3.2.2 最佳检测 16

3.2.3 均方根检测 17

3.3基于测量基调整的量子多用户检测方法 18

第4章 总结与展望 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近二十年来，量子通信成为较为热门的新型学科。在当今，计算能力的跳跃式增长，传统的数学密码算法的安全性越来越受到质疑。任何经典通信都存在被窃听的可能性。经典通信可能通过通信线路被窃听。入侵后，截取信息，复制信息进入其他通信线路。窃听时，0和1这两种信号不会被扰动，所以通话者无法察觉。据报道，美国国家安全局被曝监听谷歌，雅虎用户的通信，不需要侵入两家公司的数据中心，只需截取光缆、电缆中传输的信息即可。这些跨国企业的数据中心分布在世界各地，用光缆和电缆相互连接，很多情况下传输信息并不加密，埋下了窃听隐患。即便采用经典加密手段，也不能确保信息安全。

窃听者

光缆

图1-1 经典通信信息易遭窃取

美国著名科学家Peter Shor提出了基于量子计算的算法，秀尔（Shor）因子分解算法^[1]，这种算法是专门针对整数分解类型问题的。再结合当前经典通信采用最广泛的公开密钥加密算法，即RSA算法。这种算法基于很简单的数理知识：两个很大的质数相乘得到一个很大的数，但是，在不知道因子的情况下，要直接分解这个乘积是很困难的。只要密钥的强度够大，长度够长，用RSA加密的信息是很难被破解的。但是，由于秀尔因子分解算法的诞生，RSA算法的安全性受到了很大的挑战，基于量子计算的秀尔算法可破解RSA加密的信息。

如下图1-2的过程是很简单的，而1-3的过程，只要数C足够大，且满足一定的条件，要想实现该过程是很困难的。