1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究目的及意义

量子物理学的诞生为科学技术的发展开辟了许多新的领域。量子力学是20世界物理学界最重要的两大成果之一(另一成果为相对论)。量子力学的出现不但极大地促进了物理学的发展，还大大的促进了化学，生物，材料，信息等科学的发展，计算机，半导体的大规模的应用也是量子力学发展的结果，可以说没有量子力学就没有我们现在这个多姿多彩的社会。

量子通信是利用量子纠缠等传递信息的一种新型通信方式它是近年来发展起来的一门新型交叉学科,是量子理论与信息理论相结合的一个研究领域。量子通信涉及的主要内容有量子密码通信、量子密集编码等,目前这门学科已逐步向实用化发展。而高效安全的通信传输也日益受到人们关注,也因此成为了国际上量子物理、通信科学的研究热点。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计的基本原理

光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

2.2设计的关键问题

（1）量子纠缠问题。量子纠缠是量子系统中多子系统的一个奇妙现象,是指任意子系统的相关测量值都无法独立于其他子系统的一种现象。以一个拥有A和B两个子系统的复合系统为例,量子纠缠即指其不能表示成为两个子系统的直积形式 ,也就是 QUOTE量子的这种状态称为纠缠态。相关研究显示,基于量子纠缠状态,可以实现量子隐形传态,即上述的不发送任何量子或光子,而能够把其包含的信息发送出去,这是在经典物理现象中无法找到的特性。

（2）量子叠加问题。经典的信息传输单元是比特,而从物理学的角度讲,比特是一个两态系统,它可以被分解为两个可识别的状态之一,如是或非、0或1,其中可以假设0代表无量子信息传输,1代表有量子信息,设定量子比特作为量子信息的传输单元,那么有如下关系:

QUOTE

这是两个逻辑状态的叠加态,即这个量子比特既可以处在0态或1态,也可以处在0和1的叠加态(也即同时处于0态和1态),这也是量子信息系统和经典系统的最大区别之一。

（3）量子密钥安全问题。根据量子测不准的原理可知,通过窃听是不能够得到量子通信的有效信息的;与此同时,任何对量子信息的窃听都会留下不可避免的痕迹,从而被通信双方所察觉。而量子密钥技术就是利用这个原理来判断传输的信息是否被人窃听,从而确保量子信息的绝对安全性。量子密钥安全问题的原理来源于光子偏振。光子在任意时刻的偏振方向具有一定的随机性,因此我们在成对的纠缠光子间设置一个偏振片。当光子的偏振方向与偏振片之间的倾斜夹角很小时,光子便会改变自身的偏振方向,并且使得其通过对应偏振滤光器的概率增大;反之则减小。特别地,当夹角等于90°时,其概率为0;夹角等于45°时,概率为0.5;而夹角等于0°时,概率为1。在进行量子通信的过程中,会通过公开的渠道使通信双方知晓光子的偏振方向如何旋转,同时把检测到光子记为“1”,没有检测到光子则记为“0”,如此一来通信双方就都能记录到一组相同的二进制数列,并以此作为密码。那么,如果有人在途中窃听,就需要放置另一块偏振片,这就不可避免地使光子的偏振方向发生改变,使得信息发送者和接受者记录到不同的二进制数列,通信双方便会发现这个窃听行为,从而及时采取相应的安全措施。

2.3 设计的方案及措施

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（如图所示）。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。其他还有信道、信源、信宿、编译码器、解调器、量子网关、量子交换机、量子路由器、量子密钥分发器、量子集控器等设备。目前

量子通信系统的通信部件

可以实现量子通信的介质有光纤、空气、卫星。

量子密钥分发（QKD）是指通信双方以量子态作为信息的载体，通过量子信道传输，从而在通信双方之间协商出密钥的一种密钥分发方法。利用此密钥对经典信息进行一次又一次的加密，就可以进行理论上安全的通信。QKD的安全性是由量子力学的海森堡测不准原理、量子不可克隆定理和纠缠粒子的关联性与非定域性等来保证的。BB48协议是利用光子偏振态来传输信息的量子密钥分发协议。BB48协议的实现过程如图所示。

BB48协议中，发送者要将传输的二进制序列光子调制到一种偏振态，接收着选择相应的测量基来测量接收到的光子的偏振态，并将其转化成对应的二进制序列。

Alice准备的比特串	1	0	0	1	1	1	0	1	0	1
Alice发送的光子序列	↑	→	→	↘	↘	↑	↗	↑	↗	↘
Bob选择的测量基		*			*	*	*			*
Alice和Bob保存的结果	↑		→		↘		↗	↑		↘
Bob得到的原始密钥	1		0		1		0	1		1
Alice和Bob协商	1				1		0			1
密钥	1101

3. 研究计划与安排

1-4周：搜集资料，撰写开题报告；

5-6周：论文开题

7-12周：撰写论文初稿；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 冯克勤, 金玲飞. 量子信息理论中的几个数学问题[j]. 中国科学:数学, 2017年11期

[2] arun g, mishravivekanand. a review on quantum computing and communication[c].et2ecn 2014, february 18, 2015

[3] tavakoli, armin, anwer, hammad,hameedi, alley quantum communication complexity using the quantum zenoeffect[j]. atomic, molecular, and optical physics, v 92, n 1, july 1, 2015