开题报告PPT

利用量子信道实现经典信息双向传输研究
报 告 人 ：杨幼凤 专 业：光学工程
研究方向：光量子通信 指导老师：叶志清 教授
主要内容
一
二 三
选题依据
研究方案
论文大纲
5
2
一、究现状分析
量子信息学是由量子力学和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，显示出经典信息科学无法比 拟的优势。因此，可以称，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重要分支，借助量子力学特性，显现经典通信无法比拟的高安全 信息处理和传输特点。量子通信理论于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、美国国防部等部门都着手研究此项技术，欧盟从1999年开始研究， 日本也从2001年将量子通信研究纳入十年计划。今年来，无论在理论还是实践上都取 得了重大突破，引起各种政府、科技界和信息产业界的高度重视，成为研究的热点之 一。
二、研究方案
2.2 可行性分析
本选题是我经过广泛深入地调研文献、反复推敲认证，在已 有的研究基础上产生的，因而是科学的也又符合本人实际研 究能力。对选题的相关的国内和国际研究一直跟踪，并且获 得了一些较有价值的研究结果。本人自2011年9月份入学以 来，就一直跟着导师学习、研究量子信息学，已经积累了较 丰富的量子信息学科的知识，具备了一定的研究能力。量子 信息学是上世纪八十年代新兴起的学科，吸引了大量学者， 有着广泛的研究前景。尤其是量子对话于2004年第一次提出 的，引起了广泛关注。量子对话协议，从某些意义上讲，最 符合实际通信的要求，因此具有巨大的研究价值。利用量子 的纠缠特性在实验上已经实现了量子态的隐形传输，量子交 换，密集编码等。这也预示着量子对话在不久就会在实验平 台上实现。所以选取“利用量子通道实现经典信息的双向传 递”为题作为研究是有重大意义的
一、选题依据
现在信息大爆炸的时代，对通信容量的要求越来越高，所以 提高信道的容量（即编码效率）迫在眉睫。在1992年，Bennett 和Wiener提出了量子超密编码[26]，其基本思想是：利用发送者和 接收者事先共享的纠缠态，在通信过程中只传送一个量子比特即 可完成两个比特经典信息的任务。由于信道容量大、保密性好的 特点，量子超密编码无论是在理论上，还是在实验方面都获得了 极大的发展，各种研究方案层出不穷。我国的龙研究小组[27]和波 兰的Crudka研究小组[28]Bennett和Wiener提出的原始二维双方的 量子超密编码方案推广到高维多方的情形。2010年，周等提出了 一种用四维二粒子实现超密编码的单向通信方案[29]，一个量子位 可以传递四比特的经典信息比龙小组提出的多两个比特；2011年 ，黄等提出了基于高维二粒子纠缠态的超密编码方案[30]。密集编 码在实验上也得到了验证，Mattle等人[31]和方等人[32]分别在光 学体系和核自选体系中完成了密集编码。
二、研究方案
2、拟采取的研究方法（或技术路线、实验方案）及可 行性分析
2.1 拟采取的研究方法
◆充分利用图书馆资源、网络资源，提炼对自己最有价 值的研究成果。 ◆和导师、同学等相同领域的研究者交流、探讨，开阔 知识面、活跃思路。 ◆参与相关的学术会议，听资深学者的学术报告，从中 获得启迪。 ◆周期性的作学习总结。
一、选题依据
在1984年，Bennett和Brassard提出了第一个量子密钥分发 协议，也就是有名的BB84协议[1]。在这个协议中，相距很远的通 信双方，Alice和Bob共享一个密钥。Shimizu和Imoto于1999年第 一个提出了量子安全直接通信（QSDC）[2]，该协议中无需产生量 子密钥，发送者可以直接传输经典秘密信息给接收者，提高通信 效率。但是最早提出的量子安全直接通信方案只能实现通信双方 单向秘密信息的传输，人么就考虑能否实现秘密信息的双向传输。 在2004年，Nguyen[14]提出了第一个量子对话方案，实现了通信 双方同时交换他们的秘密信息。自此，量子对话协议研究在学术 界成为一个热点。2006年，Xia、Fu和Zhang等提出了一种基于 GHZ态的量子对话方案；2007年，杨宇光和温巧燕提出了一种准 安全量子对话协议[15]；同年，Xia和Song[16]等提出了一个用纯纠 缠GHZ态实现的受控安全量子对话协议；2008年，Ji等提出了一 个用单光子实现的量子对话方案[17]；2009年，Shi和Xi等提出了 一个改进的利用EPR对实现的量子对话协议[18]；同年，Li，Xiu 和Gao等提出了一个基于一类三光子W态的量子对话协议[19]； 2008年，高等[20]指出了一些量子对话协议[14]中存在信息泄露问 题，于是量子通信的安全开始受到人们的关注。提出的量子对话 协议安全性是首当其冲要解决的问题。2010年，Shi和Xi等]提出 了一种用单光子实现量子安全对话协议[20]；Gao Gan也同时利用 Bell态纠缠交换提出了两种可以克服信息泄露的量子对话方案 [21]；2013年，邹等[22]提出了一个受控的安全量子对话方案。还 有一些量子对话协议理论[23-25]没有详细的列出。
二、研究方案
4 研究基础及工作条件
我通过网络、图书馆广泛深入地调研文献、反复推敲认证， 在自己已有的研究基础上选去了该题目。因而这个选题是科学的 也又符合本人实际研究能力。 本人自2011年9月份入学以来，就一直跟着导师学习、研究量 子信息学，已经积累了较扎实的量子信息学科的知识，并在老师 指导下阅读参考文献，亲自撰写该领域的相关文章，具备了一定 的研究能力。同时，我们理电学院有不少老师、同学作有关研究， 并取得了很好的研究成果。这给我提供了很好的交流探讨平台， 通过在讨论过程中不断学习改进自己的不足，探索最佳方案。 与此同时，现在科技如此发达，遇到问题时，还可以通过网 络搜索权威资料，找到答案，解答自己的困惑。
二、研究方案
3 研究的特色与创新
（1）量子对话方案是基于多粒子纠缠态提出的。 （2）加入第三方控制方和真实粒子序列中随机插入诱骗光 子，提高通信方案的安全性。信息安全与否关系到一个通信 方案、系统是否有意义。通过加入第三方控制后，部分纠缠 态粒子始终在控制方手中，窃听者无法窃取所有的粒子，也 就不能对整个纠缠态作联合测量。即使对量子信道施行拦截 -重发攻击，获得的信息也是片状的无法提出有用的信息。 （3）实现超密编码，提高编码效率。已提出的量子对话协 议中，通常一个粒子只传递两比特的经典信息，虽然实现了 密集编码，但效率很低。而本文提出的方案中，一个粒子可 以传输四比特的经典信息，相比较而言，这是一大进步。
二、研究方案
二、研究方案
1．研究内容、研究目标和拟解决的关键问题 1.1研究目标
通过认真查阅量子信息学科的相关文献、仔细 研读其相关研究，周密思考、推导，达到实现基于 三粒子GHZ态、四粒子态、五粒子布朗态等的多粒 子纠缠态的量子对话方案目的，即达到了利用量子 信道同时双向传递经典信息的目的，并且，这些对 话方案是安全的。
二、研究方案
1.2 研究内容
（1） 通过认真查寻、阅读量子信息学学科的相关文献， 进一步学习并熟练掌握该学科的基本理论知识。
（2） 通过比较量子信息学科各领域的知识，提炼出对 自己硕士学位论文最有价值的参考信息，便于论文的撰 写。
（3） 提出假设，理论推导用GHZ态、态、布朗态等纠缠 态的量子对话方案。尽可能地提高编码效率，即提高信 道容量，节约资源。 （4） 对提出的方案进行可行性分析，随后，分析这些 方案的安全性。
二、研究方案
5 研究进度及具体时间安排
（1）2013.6-2013.8：查询并阅读相关文献， 深刻掌握该领域的相关研究。 （2）2013.9-2013.12：提出系列量子对话方 案，并分析其可行性方案，对量子通信研究具 有一定参考价值。 （3）2014.1-2014.2：对各章节进行撰写，完 成论文初稿。 （4）2014.3-2014.4：论文修改并定稿，完成 论文。
量子通信按所传输的信息是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通信方式：量子密钥分发（Quantum Key Distribution,简称QKD）[1]，量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication,简称QSDC）[2-3]和量子对话[14]（Quantum Dialogue，简称 QD）。传输量子信息的量子通信方式主要是量子隐形传态（Quantum Teleportation, 简称QT）[4-13]。其中传输经典信息的量子对话协议，即通 信双方同时传递经典信息，是量子通信领域中最引人注目的方向之一。因为， 从某些意义上讲，它最能满足实际通信的需要。
一、选题依据
尽管量子信息学自上世纪八十年代产生后就得到了异常迅猛发展，但 是它还是一门年轻的学科，潜存着巨大的发展空间。量子信息学包括量 子隐形传态（Quantum Teleportation），量子秘密共享（Quantum Secret Sharing），量子密码学（Quantum Cryptography），量子密钥分 发（Quantum Key Distribition），量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication）等诸多领域。其中，量子安全直接通信的特点 是在通信过程中直接传递经典信息，不需要提前分发密钥。但是，这种 通信方式只能单向传递。2004年，Nguyen提出了第一个量子对话协议， 开创了经典信息双向通信的先河。基本原理是通信双方对Bell纠缠态中 的粒子进行幺正操作，把自己要传送给对方的经典信息编码到纠缠态中， 实现经典信息的双向传递。随后，研究者们提出了基于单光子、Bell态、 三光子W态、GHZ态的量子对话协议，受控的量子对话协议。这种协议 更符合实际通信的要求。目前只停留在理论研究，实验上还没有实现。 所以，关于该理论研究距离成熟阶段还存在一定的路程，也意味着存在 广泛的研究空间。为了使量子信息时代早点来临，这需要更多的学者前 赴后继在该领域努力学习、研究，先实验上实现能双向传递经典信息的 量子对话方案，再逐渐投入到应用中。因此，我选择这个领域作为硕士 学位论文的选题是明智的，也希望我作的一些研究对未来的量子通信有 一定的参考指导意义。