[硕博论文][理论物理]量子通信的理论研究
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Ｓｅｃ ｏｎ ｄｌ ｙ，ｔｈ ｒｅｅ明ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｓｅｃｕ ｒ ｅ ｄｉｒｅｃｔｃｏｍｍ ｕ ｎｉｃａ ｔ ｉｏｎｓｃｈ ｅｍｅｓａ ｒ ｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｅｄ．Ｔｂｅｆ ｉｒｓｔ
ｑｕａｎｔｌＩｍ Ｓ ｅｃｕ ｒ ｅ ｄｉｒｅｃ ｔ ｃｏｔ ｎ ｍ ｕｎｉｃａ ｔｉｏｎｓ ｃｈｅ ｍｅｉｓｉ ｎ ｃｌｕｄｅｄｉｎｔ ｈ ｅ ｆ ｉｒ ｓ ｔ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄ ｉｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕｔｉｏｎｓ ｃｈｅｍｅＴ ｈｅｓ ｅ ｃ ｏｎｄｏｎ ｅ ａ ｌｓ ｏｕ ｓｅｓｔ ｈｅｆ ｏｕ ｒ －ｑｕ ｂｉ ｔＷｓｔａｔｅａ ｓｔ ｈｅｑｕ ａｎ ｔｕｍｃｈａ ｎｎｅ１． Ｉｆｑｕ ａｎｌｕｍｃｈａｎｌｌｅｌｉｓｐ ｅｒｆ ｅｃｔ，ｔｗｏｌｅｇｉｔｉｎｌａｔｅｃｏ幻ｎ幻ｎｕｎｉｃａ ｔ ｏ ｒｓｃａ ｎ ｄｉｒ ｅｃ ｔｌｙｔ ｒａ ｎｓ而ｔｔ ｈ ｅ ｓ ｅｃｒ ｅｔ
即扭ｎｇｌｅ ｍ ｎ ｔａ ｎｄｓｏｏｎ，ｗｌｌｉｃｈｔ ｈｅｃｌａ ｓｓｉｃａ ｌｃｏｎ ｕ ｉｃａ ｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｌｄｃ叮Ｐ ｔ ｏｇｒａＰｈｙ ｄ ｏ ｎ ｏｔｐ ｏｓｅ ｓｓ卫ｌｅｑｕ ａｎ加ｍｅｎｌａｎｇｌｅｍ ｅｎ ｔ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｏｒ ｅｏ ｆｔ ｈｅｑｕａｌｌｔｕｎｌｉｎｆ ｏｎ刀ａｔｉｏ ｎ 山ｅｏｒ ｙ，ｃａ ｎ ｂ ｅ ｕｓｅｄｉｎａ ｌｍ ｏ ｓｔａ ｌｌｔ ｈｅｑｕ ａ ｎ ｔ几Ｉｍ ｉ ｎｆ ｏｎ刀ａｔｌｏｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｔ ｈｅｒ ｅｆ ｏｒｅ，ｔ ｈｅｓｔ ｏｄｙｏｆｂ ｏｔ ｈ
大连理工大学博士学位论文
摘要
二十 世 纪 八十年代兴起了一门融合了量子力学和信息科学的新型学科— 量子信 息学。量子信息学主要由量子通信和量子计算机科学两大部分组成，它主要是利用微观 粒子的量子态作为信息载体，凭借着量子力学所特有的一些性质，如不确定性、相干性 和纠缠等，来完成一些经典通讯、计算和密码学等无法实现的任务。量子纠缠是量子信 息学最核心的部分，几乎所有的量子信息处理过程都与其有关，研究量子纠缠及其在量 子信息学中的应用，不仅对深刻理解量子力学的特性有着重要的学术意义，而且对开发 和利用新型的信息处理方法等具有重要的实用价值。
ｑｕａｎｔ Ｕｍｅｌ１ｔ ａＩ１ｇｌｅｍ ｅ ｎ ｔａｎｄｉ ｔ ｓ ａＰＰ１ｉｃａ ｔ ｉｏ ｎ ｓ ｉｎｑｌＩａｎ加１ｌｌｉｎｆ ｏｒ ｍａｔｉｏｎｔ ｈｅｏｒ ｙａ ｒ ｅ 朋件ｓｓ ａｒ ｙａ ｎｄ ｖ ａ ｌ ｕａｂｌｅｎｏｔｏ讨ｙｔ ｏｕ ｎｄｅｒｓ１ａＩ１ｄｗ ｅｌＩｔ ｈ ｅ ｓＰｅｃｉａ ｌＰｒｏｐ ｅｒ ｔｉｅｓｏｆｔ ｈ ｅ ｑＵ ａ ｎ ｔ Ｕｍｍ ｅ ｃＩ１ａｎｉｃｓｂｕｔａ Ｉ ｓｏ ｔ ｏｄｅ ｖ ＩＯ Ｐ ａｎｄｍａｋｅｕ ｓ ｅ ｏｆｔ ｈ ｅ ｎ ｅｗｉｎｆ ｏｒＩ１１ａｔｉ０ｎＰｒ ｏｃｅｓｓｍｅｔｂ０ｄ ｓ
其次 ， 在 量子安全直接通信方面，我们提出了三种新的理论方案。第一种方案包含 在第一种量子密钥分发方案中。第二种方案同样采用四粒子纠缠 Ｗ 态作为量子信道。 如果量子信道是理想安全的，两个通信者之间通过 Ｂｅ ｌ 基联合测量和经典通信，能够安 全地的传送一系列的秘密比特。即使量子信道是不安全的，两个通信者仍然有可能实现 秘密通信。第三种方案采用三粒子纠缠 Ｗ 态作为量子信道，借助于量子隐形传态，实 现了确定比特的概率传输。
量子 信 息 学中的量子通信可为信息的安全传输提供新的方法，并且量子通信是量子 信息学领域中首先走向实用化的发（ ＱＫＤ）、量子安全直接通信（ ＱＳＤＣ ）和量子隐形传态三种主要的量子通信方式。
首先 ， 在 量子密钥分发方面，我们提出了两种新的理论方案。第一种方案以 Ｂｅ ｌ 态作为量子信道，集量子密钥分发和量子安全直接通信于一体。通信双方利用三对 ＥＰＲ 对能实现四个随机比特的共享和四个确定比特的传递，因此该方案的信息传输效率比较 高。同时，这是一个双向的通信方案。第二种方案以四体纠缠 Ｗ 态作为量子信道，两 个通信者利用安全的四粒子纠缠 Ｗ 态，通过 Ｂｅ ｌ 基联合测量和经典通信，能够安全地 实现随机比特的共享，此方案拓展了可用量子纠缠资源的范围。
Ｆｉ ｒ ｓ勿 ， ｉ ｎｔｈｅｆ ｉｅｌｄｏｆｑｕａｎ加Ｉｎｋｅｙｄ ｉｓｔ ｒ ｉｂｕ ｔ ｉｏ几１ｗ０ｔ ｈｅｏｒ ｅｔｉｃａ ｌＰｒｏｔ ｏｃｏｌｓａ ｒ ｅ ｄｅｖｅｆ ｏｐ ｅｄ． ０ｎ ｅ ｑｕ ａｎｔｕｍ ｋｅｙｄｉｓｔ ｒ ｉｂｕｔ１ｏｎｓ ｃｈｅｍ ｅ ｕ ｓｅｓＢｅｌｌｓ１ａｔｅｓａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｑｕａ ｎｔｕｍ ｃｈａｎＩ１ｅｌａ ｎｄｃ ａ ｎ 鱿ｃ。田ｐｌｉｓ ｈ ｑ几Ｉａｎｔ Ｕｍ ｋ ｅｙ ｄ ｉｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕ ｔ ｉｏ ｎ ａ ｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｓ ｅｃｕ ｒ ｅ ｄ ｉｒ ｅｃ ｔ ｃ ｏＩ ｎ ｍ 耐 ｃａ ｔ ｉｏ ｎ
最后 ， 在 量子隐形传态方面，我们提出了四种新的理论方案。第一种方案采用非最 大纠缠的Ｇ态之一作为量子信道，实现了对任意两体量子态的概率隐形传态。成功的几 率决定于量子信道系数绝对值中的最小值。第二种方案，为了降低量子信道的负担（尽 可能地减少共享纠缠对的数量），并突出问题的一般性，仅采用一个非最大纠缠的两体 量子态作为量子信道，实现了对未知两体量子态的概率隐形传态。第三种方案以三粒子 独特的 Ｗ 态作为量子信道，实现了对任意单粒子态的概率隐形传态和对特定单粒子态 的标准隐形传态。第四种方案以Ｂｅ ｌ 基所组成的联合量子态作为量子信道，实现了多体 量子态的受控隐形传态。第三种和第四种方案均引入了被经典场驱动的大失谐 ＱＥＤ腔
Ａｎｏ山ｅｒｑｕ ａｎｔｕｍｋｅｙｄ ｉｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕ ｔｉ ｏｎｓ ｃｈｅｍ ｅ ｃａ ｎ ａ ｃｃ ｏｎ１Ｐ１ｉｓ ｈｔ ｈ ｅ ｓ ｅｃｒ ｅ ｔ ｓｈａ ｒｅｏｆａｓ ｅｒ ｉｅ ｓｏｆｋｅｙ ｂｉｔ ｓｂ ｅ幻刀ｅｅｎｔ、ｖｏｌｅｇｉｔｉｌｎａｔｅｃｏｎｌｎｌ丽 ｃａｌｏｒｓｂｙｏｐ ｅｒ ａ ｔｉｎ ｇ ｊｏｉｎ ｉＢｅ ｌｌ一ｓｌａｌｅｍｅａｓ切ｒ ｅｍ ｅｎ ｔ ｓ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｃｌａ ｓｓｉｃａ ｌｃｏｍ ｕ ｎｉｃａ ｔｉｏｎｕｓｉ ｎｇｔ ｈｅｆ ｏｕ ｒ一ｑｕ ｂｉｔｗ ｓｔａｔｅａ ｓｔ ｈｅｑｌｌａｎｔ ｏｍｃｈａｎｅｌ．Ｔｂｅｌａ ｓ ｔ ｓ ｃｈｅ们ｎｅｅｘ Ｐａ ｎｄｓｔ ｈ ｅ ｆ ｉｅｌｄｏｆｔ ｈｅｕ ｓ ｅ ｆ ｕｌｅｎ１ａｎｇｌｅｍ ｅ ｎ ｔｓｏｕｒｃｅｓ．
Ｌａｓ ｔｌｙ ，ｉｎ ｔ ｈｅｆ ｉｅｌｄｏ ｆｑ ｕａｎｔｕｍｔ ｅｌｅｐｏｒ ｔａｔｉｏｎ，ｆｏ ｕｒｔｈ ｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｃ ｈｅｍｅｓａ ｒｅｐ ｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅｆｉ ｒｓｔｓｃ ｈｅｍｅ，ａｎ ａ ｒｂｉｔｒａｒ ｙｔ ｗｏ－ｑｕｂｉｔｑｕ ａｎｔｕｍｓ ｔａｔｅｃ ａｎｂ ｅｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙｔｅ ｌｅｐｏｒ ｔｅｄｆ ｒ ｏｍ ｔｈｅｓ ｅｎｄｅｒｔ ｏｔ ｈｅｒ ｅｃｅｉｖｅｒ．Ｏ ｎｅｏ ｆ１ ６ｎ ｏｎ－ｍａｘｉｍａｌｌｙｅ ｎｔａｎｇｌｅｄＧ ｓｔａｔｅｓｆ ｕｎｃｔｉｏｎｓａ ｓｔ ｈｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ．Ｔ ｈｅｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｔ ｙ ｏｆｓ ｕｃｃｅｓｓｆｕｌｔｅ ｌｅｐｏｒｔａｔｉｏｎｉ ｓｄ ｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂ ｙｔ ｈｅｓ ｍａｌｌｅｓｔ ｏｎｅａ ｍｏｎｇｔ ｈｅｃ ｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ＇ａ ｂｓｏｌｕｔｅｖ ａｌｕｅｓｏ ｆｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ．Ｉｎ ｔ ｈｅｓ ｅｃｏｎｄｏ ｎｅ，ｔｏ ｗｅａｋｅｎｔ ｈｅｒ ｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆ ｏｒｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ（ｔ ｈｅｎ ｕｍｂｅｒｏ ｆｓｈ ａｒ ｅｄｐ ａｒｔｉｃｌｅｐ ａｉｒｓ）， ｗｉｔｈｏｕｔｌ ｏｓｓｏ ｆｇ ｅｎｅｒａｌｉｔｙ，ｔ ｗｏｃ ｏｍ ｕｎｉｃａｔｏｒｓｏ ｎｌｙ ｓｈａｒｅａ ｎ ｏｎ－ｍａｘｉｍａｌｌｙ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｔｗｏ－ｑｕｂｉｔｑ ｕａｎｔｕｍｓ ｔａｔｅｔｏ ｔ ｅｌｅｐｏｒ ｔｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙａ ｎｕ ｎｋｎｏｗｎｂ ｉｐａｒｔｉｔｅｑ ｕａｎｔｕｍｓ ｔａｔｅ．Ｉｎ ｔｈｅｔｈ ｉｒｄｏ ｎｅ，ａ ｕ ｎｉｑｕｅｔｈ ｒｅｅ－ｑｕｂｉｔＷ ｓｔａｔｅｉｓ ｅｍ ｐｌｏｙｅｄａ ｓｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍｃ ｈａｎｎｅｌｔｏ ｔｅ ｌｅｐｏｒ ｔａ ｎ ａｒｂｉｔｒａｒ ｙ ｓｉｎｇｌｅｑ ｕｂｉｔｓｔ ａｔｅｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙａ ｎｄａ ｐ ａｒｔｉｃｕｌａｒｓ ｉｎｇｌｅｑ ｕｂｉｔｓｔ ａｔｅｗ ｉｔｈ１ ００％ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔ ｙ．Ｉｎ ｔｈ ｅｆｏ ｕｒｔｈｏ ｎｅ，ｔｈ ｅｊｏ ｉｎｔｓｔ ａｔｅｏ ｆＢ ｅｌｌｓｔ ａｔｅｓｉｓ ｕ ｓｅｄａ ｓｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍｃ ｈａｎｎｅｌｔｏ ｔｅｌｅｐｏｒ ｔ ａｍ ｕｌｔｉｐａｒ ｔｉｔｅｑ ｕａｎｔｕｍ ｓｔａｔｅ．Ｉｎ ｔ ｈｅｌ ａｓｔｔｗ ｏｔ ｅｌｅｐｏｒｔａｔｉｏｎｓ ｃｈｅｍｅｓ，Ｑ ＥＤ ｃａｖｉｔ ｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓ ａ ｄｏｐｔｅｄ，ｗ ｈｉｃｈｒ ｅ ａｌｉｚｅｓｔｈ ｅｐ ｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏ ｆｔｈ ｅｅ ｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔｓｏ ｕｒｃｅｓ（Ｂ ｅｌｌｓｔ ａｔｅｓ） ａｎｄｅ ｎｈａｎｃｅｓｔｈ ｅｍ ａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔ ｙ ｏｆｔｈ ｅｔｗ ｏｔ ｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｃ ｈｅｍｅｓｂ ｙｔ ｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｔ ｈｅｊ ｏｉｎｔ Ｂｅｌｌ－ｓｔａｔｅｍ ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｗ ｈｉｃｈ ｉｓｄ ｉｆｉｃｕｌｔｔ ｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔ ｏ ｓｉｎｇｌｅｐ ａｒｔｉｃｌｅ
曹海静：量子通信的理论研究
技术，从而实现了对纠缠源（Ｂｅｌｌ态）的制备，并且将实验上不容易实现的Ｂｅｌｌ基测量技 术转换成容易实现的单粒子测量，从而增强了理论方案的可操作性。
我们 给 出 了几种量子通信新的理论方案，期望能从理论上指导实践，并在后续实验
工作中得到验证和完善。
关键词：量子密钥分发；量子安全直接通信；量子隐形传态
Ｉｎ ｑｕ ａ ｌｌ奴 Ｉｍ ｉｎｆ ｏｒ ｍａ ｔｉｏｎｔｂｅｏｒ ｙ，ｑｕａｎｔｕ１ｎｃｏｒｎｎ１ｕｎｌｃａ ｔｉｏｎｃａ ｎ Ｐｒｏｖｉｄ ｅ ａｎ ｅｗｗａｙｆ ｏｒ 位．ｎｓｍｉｎ ｉｎ ｇ ｍ ｅ ｓｓａｇｅｓｅ ｃ ｕ ｒ ｌｙ，ａｎｄｉｔｉｓａｌｓｏｔ ｈ ｅ ｆ ｉｒ ｓ ｔ ｏｎｅｔ ｏＰｕｔｑ姗 ｔｕｍｉ ｎｆ ｏｎ刀ａｔｉｏｎｔ ｈ ｅ ０ｌ ｙ ｉｎｔｏＰｒａｃｔｉｃ ｅ．ｓ ｏ ｔｈｒｅｅｍａｉｎａ ＳＰ ｅｃｔ ｓ ｏ ｆ ｑｕａ ＪＩ加ｎｌｃ ｏｍ 画 ｃａ ｔ ｉｏ ｎ ｂａｓ ｅｄｏ ｎ ｑｕａｎｔ Ｕｍ ｅｎｔ ａｎｇｌｅｒｎｅｎ ｉａ ｒ ｅ Ｐｒ ｏｐ ｏｓ ｅｄ：ｑｕａｎｌｕｌｌｌｋｅｙｄｉｓ ｔ ｒｉｂｕ ｔｉｏ氏ｑｕ田ｌｔｕ０１ｓ ｅｃ山℃ｄｉｒ ｅ ｃ ｔｃｏｎｌｒｎｕｎｌｃａｔｉｏｎ 胡ｄｑｕａｎｔｕｍｔ ｅ ｌｅｐ ｏｄａｔｉｏ ｎ
大连理工大学博士学位论文
Ｔ ｈｅｏｒ ｅｔｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｆＱｕａｎ ｔｕｍＣｏｍｍｕｎｉｃａ ｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｓｉｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ８０，ｓｏｆｔ ｈｅ２０ｔ ｈｃｅｎ ｔｕｒ ｙ，ｑｕａｎｔｕｍｉｎｆ ｏｒ ｍａ ｔｉｏｎｔ１１ｅｏｒ ｙｈａｓｂ ｅｅｎｔｈ ｒ ｉｖｉｎｇｗ ｈ ｉｃ ｈ ｃ ｏｍｂｉｎｅｓｑｕａｎｔｕＩｎｍｅｃｈａ ｎｉｃｓａｎｄｉ ｎｆ ｏｒ ｍａ ｔｉｏｎｔ ｈｅｏｒ ｙ Ｔ ｈｅｑｕａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｉｎｆ ｏｍ１ａｔｉｏ ｎ ｔ ｈｅｏ卿， ｍ ａ ｉ川ｙｃｏｎｓｉｓｔｉｎ ｇ ｏｆｑｕａｎ１ｕｎ１ｃｏｎ ｕ ｕ ｎｉｃａ ｔｉｏｎａｌ１ｄｑｕａｌ１ｔｕｍｃｏｍ Ｐ ｕ ｔ ｉｎｇ，ｃ ａ ｎ 即ｃｏｍ Ｐ ｌｉｓ ｈｓｏ ｍ ｅ ｔ ａ ｓｋ ｓ ｂ ｙ ｕ ｓｉ ｎ ｇ ｑｌ．ｎｔｕ ｍ ｓ ｔａ抚ｓｏｆｍｉｃｒ ｏ ｃ ｏｓｍｉｃＰａ ｒ ｔｉｃｌ ｅｓａ ｓ ｃａｎ ｉｅｒｓｏｆ１ｎｆ ｏｒ ｍａ１１ｏｎａＩ１ｄｂ ｙ ｅｘｐ１ｏｉ ｔｎｇｓｏｍ ｅ ｓＰｅｃｉａ ｌＰｒｏｐ ｅｒ ｔｉｅｓｏｆｑｕ ａ ｎ ｔｕ１ｎｍｅｃ】ｌａ ｎｉｃｓ，ｓ ｕ ｃ ｈａ ｓｕ ｎ ｃ ｅｒ ｔ ａｉｎ ｔ ｙ ，ｃｏｈ ｅｒ ｅ ｎ ｃ ｅ，
ｍｅｓｓａｇｅｓｂｙｏｐ ｅｒａｔｉｎ ｇ ｊｏｉｎ ｔ Ｂｅｌｌ一ｓｔａｔｅｍ ｅ ａ ｓｕ ｒｅｍｅｎ ｔ ｓ ａｎｄｔ ｈｅｃｌａ ｓｓｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａ ｔ ｉｏｎＥｖｅｎ
１１１
曹海静：量子通信的理论研究
ｔｈｏｕｇｈｔ ｈｅｑ ｕａｎｔｕｍｃ ｈａｎｎｅｌｉｓ ｕ ｎｓｅｃｕｒｅｄ，ｉｔ ｉｓ ｓ ｔｉｌｌｐｏ ｓｓｉｂｌｅｆ ｏｒｔｈ ｅｔｗ ｏｃ ｏｍ ｕｎｉｃａｔｏｒｓｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｔｈｅｉｒｓ ｅｃｕｒｅｃ ｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔ ｈｅｌ ａｓｔｏ ｎｅｃ ａｎｌ ｅｔｔｗ ｏｌ ｅｇｉｔｉｍａｔｅｃ ｏｍｍｕｎｉｃａｔｏｒｓ ｔｒａｎｓｍｉｔｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙｔ ｈｅｓ ｅｃｒ ｅｔｉｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｂ ｙｕ ｓｉｎｇｑ ｕａｎｔｕｍ ｔｅｌｅｐｏｒ ｔａｔｉｏｎａ ｎｄｌ ｏｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｕ ｓｉｎｇｔｈ ｅｔｈ ｒｅｅ－ｑｕｂｉｔＷ ｓｔａｔｅａ ｓｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍｃ ｈａｎｎｅｌ．
ｓｉｍｕｌ１ａ ｎｅｏ ｕ ｓ ｌ ｙ ． Ｔ ｈｅ ｌｅ ｇｉ ｔｍａ ｔ ｅ ｃｏ Ｉ ｎ ｍ 画ｃａ ｔｏｒ ｓｃａ ｎ ｓｅ ｃ ｒ ｌ ｙ ｓｈａｒｅｆ ｏｕ ｒｃｅ川泊ｉｎｋ叮 ｂｉ ｔ ｓ ａ ｎｄ 几盯诩 ｄｏｍｋ ｅｙｂｉｔ ｓｖｉ ａｔｈ ｉｅｅＥＰＲＰａｉｒｓ．们１ｅｉｎｆ ｏｎ１１ａｔｉｏｎｔｒａ ｎｓｆ ｏｒ ｍｉｎ ｇ ｅｆ ｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔ ｈ ｅ Ｓ Ｃｈｅｍｅｉｓｖｅｒ ｙ ｈｉ ｇ ｈ ．Ｉｎａ ｄｄｉｔｉｏ残ｔ ｈ ｅ ｑｕａｎｔｕｎ１ｋｅｙｄｉｓ ｔｒ ｉｂｕ ｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｉｓｂｉ一ｄｉｒ ｅ ｃｔ ｉｏｎ ａ ｌ ．
ｑｕａｎｔｌＩｍ Ｓ ｅｃｕ ｒ ｅ ｄｉｒｅｃ ｔ ｃｏｔ ｎ ｍ ｕｎｉｃａ ｔｉｏｎｓ ｃｈｅ ｍｅｉｓｉ ｎ ｃｌｕｄｅｄｉｎｔ ｈ ｅ ｆ ｉｒ ｓ ｔ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄ ｉｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕｔｉｏｎｓ ｃｈｅｍｅＴ ｈｅｓ ｅ ｃ ｏｎｄｏｎ ｅ ａ ｌｓ ｏｕ ｓｅｓｔ ｈｅｆ ｏｕ ｒ －ｑｕ ｂｉ ｔＷｓｔａｔｅａ ｓｔ ｈｅｑｕ ａｎ ｔｕｍｃｈａ ｎｎｅ１． Ｉｆｑｕ ａｎｌｕｍｃｈａｎｌｌｅｌｉｓｐ ｅｒｆ ｅｃｔ，ｔｗｏｌｅｇｉｔｉｎｌａｔｅｃｏ幻ｎ幻ｎｕｎｉｃａ ｔ ｏ ｒｓｃａ ｎ ｄｉｒ ｅｃ ｔｌｙｔ ｒａ ｎｓ而ｔｔ ｈ ｅ ｓ ｅｃｒ ｅｔ
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量子 信 息 学中的量子通信可为信息的安全传输提供新的方法，并且量子通信是量子 信息学领域中首先走向实用化的发（ ＱＫＤ）、量子安全直接通信（ ＱＳＤＣ ）和量子隐形传态三种主要的量子通信方式。
首先 ， 在 量子密钥分发方面，我们提出了两种新的理论方案。第一种方案以 Ｂｅ ｌ 态作为量子信道，集量子密钥分发和量子安全直接通信于一体。通信双方利用三对 ＥＰＲ 对能实现四个随机比特的共享和四个确定比特的传递，因此该方案的信息传输效率比较 高。同时，这是一个双向的通信方案。第二种方案以四体纠缠 Ｗ 态作为量子信道，两 个通信者利用安全的四粒子纠缠 Ｗ 态，通过 Ｂｅ ｌ 基联合测量和经典通信，能够安全地 实现随机比特的共享，此方案拓展了可用量子纠缠资源的范围。
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最后 ， 在 量子隐形传态方面，我们提出了四种新的理论方案。第一种方案采用非最 大纠缠的Ｇ态之一作为量子信道，实现了对任意两体量子态的概率隐形传态。成功的几 率决定于量子信道系数绝对值中的最小值。第二种方案，为了降低量子信道的负担（尽 可能地减少共享纠缠对的数量），并突出问题的一般性，仅采用一个非最大纠缠的两体 量子态作为量子信道，实现了对未知两体量子态的概率隐形传态。第三种方案以三粒子 独特的 Ｗ 态作为量子信道，实现了对任意单粒子态的概率隐形传态和对特定单粒子态 的标准隐形传态。第四种方案以Ｂｅ ｌ 基所组成的联合量子态作为量子信道，实现了多体 量子态的受控隐形传态。第三种和第四种方案均引入了被经典场驱动的大失谐 ＱＥＤ腔
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Ｌａｓ ｔｌｙ ，ｉｎ ｔ ｈｅｆ ｉｅｌｄｏ ｆｑ ｕａｎｔｕｍｔ ｅｌｅｐｏｒ ｔａｔｉｏｎ，ｆｏ ｕｒｔｈ ｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｃ ｈｅｍｅｓａ ｒｅｐ ｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅｆｉ ｒｓｔｓｃ ｈｅｍｅ，ａｎ ａ ｒｂｉｔｒａｒ ｙｔ ｗｏ－ｑｕｂｉｔｑｕ ａｎｔｕｍｓ ｔａｔｅｃ ａｎｂ ｅｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙｔｅ ｌｅｐｏｒ ｔｅｄｆ ｒ ｏｍ ｔｈｅｓ ｅｎｄｅｒｔ ｏｔ ｈｅｒ ｅｃｅｉｖｅｒ．Ｏ ｎｅｏ ｆ１ ６ｎ ｏｎ－ｍａｘｉｍａｌｌｙｅ ｎｔａｎｇｌｅｄＧ ｓｔａｔｅｓｆ ｕｎｃｔｉｏｎｓａ ｓｔ ｈｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ．Ｔ ｈｅｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｔ ｙ ｏｆｓ ｕｃｃｅｓｓｆｕｌｔｅ ｌｅｐｏｒｔａｔｉｏｎｉ ｓｄ ｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂ ｙｔ ｈｅｓ ｍａｌｌｅｓｔ ｏｎｅａ ｍｏｎｇｔ ｈｅｃ ｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ＇ａ ｂｓｏｌｕｔｅｖ ａｌｕｅｓｏ ｆｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ．Ｉｎ ｔ ｈｅｓ ｅｃｏｎｄｏ ｎｅ，ｔｏ ｗｅａｋｅｎｔ ｈｅｒ ｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆ ｏｒｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ（ｔ ｈｅｎ ｕｍｂｅｒｏ ｆｓｈ ａｒ ｅｄｐ ａｒｔｉｃｌｅｐ ａｉｒｓ）， ｗｉｔｈｏｕｔｌ ｏｓｓｏ ｆｇ ｅｎｅｒａｌｉｔｙ，ｔ ｗｏｃ ｏｍ ｕｎｉｃａｔｏｒｓｏ ｎｌｙ ｓｈａｒｅａ ｎ ｏｎ－ｍａｘｉｍａｌｌｙ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｔｗｏ－ｑｕｂｉｔｑ ｕａｎｔｕｍｓ ｔａｔｅｔｏ ｔ ｅｌｅｐｏｒ ｔｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙａ ｎｕ ｎｋｎｏｗｎｂ ｉｐａｒｔｉｔｅｑ ｕａｎｔｕｍｓ ｔａｔｅ．Ｉｎ ｔｈｅｔｈ ｉｒｄｏ ｎｅ，ａ ｕ ｎｉｑｕｅｔｈ ｒｅｅ－ｑｕｂｉｔＷ ｓｔａｔｅｉｓ ｅｍ ｐｌｏｙｅｄａ ｓｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍｃ ｈａｎｎｅｌｔｏ ｔｅ ｌｅｐｏｒ ｔａ ｎ ａｒｂｉｔｒａｒ ｙ ｓｉｎｇｌｅｑ ｕｂｉｔｓｔ ａｔｅｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙａ ｎｄａ ｐ ａｒｔｉｃｕｌａｒｓ ｉｎｇｌｅｑ ｕｂｉｔｓｔ ａｔｅｗ ｉｔｈ１ ００％ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔ ｙ．Ｉｎ ｔｈ ｅｆｏ ｕｒｔｈｏ ｎｅ，ｔｈ ｅｊｏ ｉｎｔｓｔ ａｔｅｏ ｆＢ ｅｌｌｓｔ ａｔｅｓｉｓ ｕ ｓｅｄａ ｓｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍｃ ｈａｎｎｅｌｔｏ ｔｅｌｅｐｏｒ ｔ ａｍ ｕｌｔｉｐａｒ ｔｉｔｅｑ ｕａｎｔｕｍ ｓｔａｔｅ．Ｉｎ ｔ ｈｅｌ ａｓｔｔｗ ｏｔ ｅｌｅｐｏｒｔａｔｉｏｎｓ ｃｈｅｍｅｓ，Ｑ ＥＤ ｃａｖｉｔ ｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓ ａ ｄｏｐｔｅｄ，ｗ ｈｉｃｈｒ ｅ ａｌｉｚｅｓｔｈ ｅｐ ｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏ ｆｔｈ ｅｅ ｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔｓｏ ｕｒｃｅｓ（Ｂ ｅｌｌｓｔ ａｔｅｓ） ａｎｄｅ ｎｈａｎｃｅｓｔｈ ｅｍ ａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔ ｙ ｏｆｔｈ ｅｔｗ ｏｔ ｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｃ ｈｅｍｅｓｂ ｙｔ ｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｔ ｈｅｊ ｏｉｎｔ Ｂｅｌｌ－ｓｔａｔｅｍ ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｗ ｈｉｃｈ ｉｓｄ ｉｆｉｃｕｌｔｔ ｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔ ｏ ｓｉｎｇｌｅｐ ａｒｔｉｃｌｅ
曹海静：量子通信的理论研究
技术，从而实现了对纠缠源（Ｂｅｌｌ态）的制备，并且将实验上不容易实现的Ｂｅｌｌ基测量技 术转换成容易实现的单粒子测量，从而增强了理论方案的可操作性。
我们 给 出 了几种量子通信新的理论方案，期望能从理论上指导实践，并在后续实验
工作中得到验证和完善。
关键词：量子密钥分发；量子安全直接通信；量子隐形传态
Ｉｎ ｑｕ ａ ｌｌ奴 Ｉｍ ｉｎｆ ｏｒ ｍａ ｔｉｏｎｔｂｅｏｒ ｙ，ｑｕａｎｔｕ１ｎｃｏｒｎｎ１ｕｎｌｃａ ｔｉｏｎｃａ ｎ Ｐｒｏｖｉｄ ｅ ａｎ ｅｗｗａｙｆ ｏｒ 位．ｎｓｍｉｎ ｉｎ ｇ ｍ ｅ ｓｓａｇｅｓｅ ｃ ｕ ｒ ｌｙ，ａｎｄｉｔｉｓａｌｓｏｔ ｈ ｅ ｆ ｉｒ ｓ ｔ ｏｎｅｔ ｏＰｕｔｑ姗 ｔｕｍｉ ｎｆ ｏｎ刀ａｔｉｏｎｔ ｈ ｅ ０ｌ ｙ ｉｎｔｏＰｒａｃｔｉｃ ｅ．ｓ ｏ ｔｈｒｅｅｍａｉｎａ ＳＰ ｅｃｔ ｓ ｏ ｆ ｑｕａ ＪＩ加ｎｌｃ ｏｍ 画 ｃａ ｔ ｉｏ ｎ ｂａｓ ｅｄｏ ｎ ｑｕａｎｔ Ｕｍ ｅｎｔ ａｎｇｌｅｒｎｅｎ ｉａ ｒ ｅ Ｐｒ ｏｐ ｏｓ ｅｄ：ｑｕａｎｌｕｌｌｌｋｅｙｄｉｓ ｔ ｒｉｂｕ ｔｉｏ氏ｑｕ田ｌｔｕ０１ｓ ｅｃ山℃ｄｉｒ ｅ ｃ ｔｃｏｎｌｒｎｕｎｌｃａｔｉｏｎ 胡ｄｑｕａｎｔｕｍｔ ｅ ｌｅｐ ｏｄａｔｉｏ ｎ
大连理工大学博士学位论文
Ｔ ｈｅｏｒ ｅｔｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｆＱｕａｎ ｔｕｍＣｏｍｍｕｎｉｃａ ｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
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ｍｅｓｓａｇｅｓｂｙｏｐ ｅｒａｔｉｎ ｇ ｊｏｉｎ ｔ Ｂｅｌｌ一ｓｔａｔｅｍ ｅ ａ ｓｕ ｒｅｍｅｎ ｔ ｓ ａｎｄｔ ｈｅｃｌａ ｓｓｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａ ｔ ｉｏｎＥｖｅｎ
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曹海静：量子通信的理论研究
ｔｈｏｕｇｈｔ ｈｅｑ ｕａｎｔｕｍｃ ｈａｎｎｅｌｉｓ ｕ ｎｓｅｃｕｒｅｄ，ｉｔ ｉｓ ｓ ｔｉｌｌｐｏ ｓｓｉｂｌｅｆ ｏｒｔｈ ｅｔｗ ｏｃ ｏｍ ｕｎｉｃａｔｏｒｓｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｔｈｅｉｒｓ ｅｃｕｒｅｃ ｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔ ｈｅｌ ａｓｔｏ ｎｅｃ ａｎｌ ｅｔｔｗ ｏｌ ｅｇｉｔｉｍａｔｅｃ ｏｍｍｕｎｉｃａｔｏｒｓ ｔｒａｎｓｍｉｔｐ ｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｌｌｙｔ ｈｅｓ ｅｃｒ ｅｔｉｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｂ ｙｕ ｓｉｎｇｑ ｕａｎｔｕｍ ｔｅｌｅｐｏｒ ｔａｔｉｏｎａ ｎｄｌ ｏｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｕ ｓｉｎｇｔｈ ｅｔｈ ｒｅｅ－ｑｕｂｉｔＷ ｓｔａｔｅａ ｓｔｈ ｅｑ ｕａｎｔｕｍｃ ｈａｎｎｅｌ．
ｓｉｍｕｌ１ａ ｎｅｏ ｕ ｓ ｌ ｙ ． Ｔ ｈｅ ｌｅ ｇｉ ｔｍａ ｔ ｅ ｃｏ Ｉ ｎ ｍ 画ｃａ ｔｏｒ ｓｃａ ｎ ｓｅ ｃ ｒ ｌ ｙ ｓｈａｒｅｆ ｏｕ ｒｃｅ川泊ｉｎｋ叮 ｂｉ ｔ ｓ ａ ｎｄ 几盯诩 ｄｏｍｋ ｅｙｂｉｔ ｓｖｉ ａｔｈ ｉｅｅＥＰＲＰａｉｒｓ．们１ｅｉｎｆ ｏｎ１１ａｔｉｏｎｔｒａ ｎｓｆ ｏｒ ｍｉｎ ｇ ｅｆ ｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔ ｈ ｅ Ｓ Ｃｈｅｍｅｉｓｖｅｒ ｙ ｈｉ ｇ ｈ ．Ｉｎａ ｄｄｉｔｉｏ残ｔ ｈ ｅ ｑｕａｎｔｕｎ１ｋｅｙｄｉｓ ｔｒ ｉｂｕ ｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｉｓｂｉ一ｄｉｒ ｅ ｃｔ ｉｏｎ ａ ｌ ．