量子信息傳輸方案研究 蔣社想 9787576801989 【台灣高等教育出版社】

目錄

第一章 緒論
1 1研究背景與意義
1 2量子通信研究現狀
1 2 1理論研究現狀
1 2 2實驗及實際應用研究現狀
1 3存在的問題及分析
1 4研究工作和創新點
1 4 1主要研究工作
1 4 2本書的創新
1 5研究技術路線
1 6主要工作與結構安排
第二章 量子信息理論
2 1量子力學基本概念
2 1 1量子比特
2 1 2常見算子表示
2 1 3張量積、內積和外積
2 1 4量子糾纏和糾纏度量
2 1 5相干和退相干
2 1 6量子信道
2 2量子力學基本原理和基本假設
2 2 1量子力學基本原理
2 2 2量子力學基本假設
2 3量子測量
2 3 1投影測量和POVM測量
2 3 2弱測量一反轉測量
2 4量子噪聲
2 4 1 Kraus算子及保真度
2 4 2常見的量子噪聲模型
2 5本章 小結
第三章 基於理想糾纏態在無噪信道中量子信息傳輸方案設計
3 1引言
3 2基於3N+1粒子糾纏態任意已知N粒子量子態受控聯合傳輸方案設計
3 2 1糾纏態製備與糾纏粒子分發
3 2 2 Alice、David和Charlie量子測量
3 2 3Bo行酉變換恢復待傳輸量子態
3 2 4方案的應用舉例
3 2 5方案比較與性能分析
3 3基於Bell態和GHZ態未知和已知單量子態混合傳輸方案設計
3 3 1量子信道構建
3 3 2量子測量
3 3 3重構待傳輸量子態
3 3 4方案比較與性能分析
3 4本章 小結
第四章 基於非理想糾纏態在無噪信道中量子信息傳輸方案設計與優化
4 1引言
4 2基於五粒子部分糾纏態的任意未知單量子態受控雙向傳輸方案設計
4 2 1量子信道構建
4 2 2量子測量
4 2 3坍縮態變換及重構待傳輸量子態
4 2 4傳率分析
4 3基於五粒子部分糾纏態的任意未知單量子態受控雙向傳輸方案優化
4 3 1部分糾纏態迭代預處理
4 3 2量子測量
4 3 3重構待傳輸量子態
4 4本章 小結
第五章 噪聲對量子信息傳輸方案保真度影響分析與方案優化
7 2 2階段二：密鑰構建及性檢測
7 2 3階段三：”一次一密”信息傳輸
7 3基於量子隱形傳態的金融秘密信息傳輸方案
7 3 1量子信道構建與性檢測
7 3 2 Alice向Bob的秘密信息傳輸
7 3 3方案實現量子線路圖設計
7 4基於量子隱形傳態的金融秘密信息傳輸方案優化
7 4 1信息表示及量子信道構建優化
7 信信道性驗證優化
7 5基於量子隱形傳態的金融秘密信息傳輸方案性分析
7 6本章 小結
第八結與展望
8 1全結
8 2研究展望
參考文獻

前言/序言
在如今”互聯網+”時代，大數據如同貨幣、黃金一樣已經成為了一種新型的經濟資產形式。然而，在人們享受這一巨大經濟資產的同時，如何保證其中秘密信息的傳輸也正成為人們不得不面對的一大挑戰。例如在當今的高智能化金融領域中，每天在網絡中傳輸著大量的金融信息、客戶隱私信息、客戶交易記錄等，這些數據一旦被不法分子竊取，將會危及公眾財產，給行業的發展帶來災難性後果，甚至危害和國家。
為保證秘密信息傳輸的性，經典通信的做法是對信行密文傳輸，而採用的加密技術都是基於某一複雜數據計算問題。然而，隨著分布式計算、雲計算、量子計算等高並行性技術的出現和發展，傳統加密技術的性正變得越來越脆弱。量子通信是以量子力學原理為基礎的新型通信技術，借助糾纏的非局部性實現量子信息的遠程傳輸。的相干疊加、糾纏、狀態不可克隆、測量瞬間坍縮等物理性質奠定了量子通信在性和傳輸效率方面具有經典通信無法比擬的性。本書主要對隱形傳態(傳輸未知量子態)和遠程製備(傳輸已知量子態）兩種基本的量子信息傳輸技行研究，主要內容如下：
1、提出了基於3N+1粒子糾纏態的任意已知N粒子量子態受控聯合傳輸方案。
首先根據傳輸方案類型和待傳輸量子態形式，選取了3N+1粒子糾纏態作為量子
信道並設計了相應的製備量子線路。其次為了能夠通過量子測量將任意已知N粒子
量子態信息轉移到糾纏態中，在分析了測量基矢與2N維向量空間計算基矢和已知量子態信息的關係基礎上，提出了兩個多粒子投影測量基構造方法。接著給出了方案的詳細實現過程，相對於固定粒子數或針對實係數態、赤道態等特殊態的傳輸方案相比，該方案具有很好的通用性和較高的傳輸容量。後通過一個實例驗證了方案的可行性，並將其與已存在的類似方行了比較。
2、提出了基於Bell態和 GHZ（Greenberger-Home-Zeilinger）態的未知單粒子和已知單粒子量子態混合傳輸方案。
針對現有傳輸方案大多數僅用來傳輸未知或已知量子態能較單一的現狀，提出了一種新穎的未知單粒子和已知單粒子量子態混合傳輸方案。取了三個Bell態和三個GHZ態的直積態作為量子信道並給出了具備量子線路。其次為減少方案的操作複雜度，設計了括較易實現的Bell基測量和單粒子投影測量的測量方法。接著基於該測量方法在三個參與方之間實現了一種傳輸通道，其中順時針方向行未知單粒子量子態傳輸，逆時針方向行已知單粒子量子態的傳輸，後將方案與已存在的類似方行了比較。
3、提出了基於部分糾纏態的任意未知單粒子量子態受控雙向概率性傳輸方案以及確定性優化方案。
使用部分糾纏態作為信行量子信息的傳輸，由於終的坍縮含部分糾纏態的糾纏係數，因此很難構造出合適的酉變換以重構待傳輸量子態，針對這一問題，研究者提出了一種坍縮態變換方法，即對坍縮態引入輔助粒子行酉變換。該方法的缺點在於通信率是概率性的，且在通信失敗的情況下，由於待傳輸量子態已經被測量轉成了經典態而無行二次傳輸。為解決這一問題，首先使用坍縮態變換方法設計了一種基於五粒子部分糾纏態的任意未知單粒子量子態受控雙向概率性傳輸方案，接著針對方案存在的不足，提出對糾纏態迭代預處理實現一種確定性優化方案，即在糾纏粒子分發前，通過引入輔助粒子並對部分糾纏行特殊酉變換，當得到的輸出態能行確定性量子態傳輸時行量子通信的後續操作，否則繼續對部分糾纏行預處理。
4、分析了常見噪聲對多粒子糾纏態傳輸方案保真度的影響以及對振幅阻尼影響下的傳輸方行抗噪優化。
首先針對量子噪聲會降低傳輸方案的保真度問題，在研究了比特位翻轉、相位翻轉、比特一相位翻轉、振幅阻尼等量子噪聲Kraus算子表示的基礎上，通過動態推演量子態的演變及計算輸出態的保真度深度分析了各種噪聲對傳輸方案保真度的影響，並使用Matlab了保真度與影響因素之間的關係。接著通過比較量子態演變前後的共生糾纏度驗證了弱測量一反轉測量對振幅阻尼噪聲的效果。後對振幅阻尼噪聲信道中的傳輸方行優化，利用弱測量一反轉測量提高傳輸方案的保真度。
5、提出了一種基於高維糾纏態的量子信息傳輸方案並分析記憶噪聲信道對方案保真度的影響。
首先提出一種理想環境下基於三維GHZ態的任意未知三維單粒子量子態受控傳輸方案，接著考慮到在真實環境中噪聲是不可避免的，為此，將傳輸方案推廣至比特位翻轉、相位翻轉、比特位一相位翻轉和去極化四種記憶噪聲信道中，對每一種噪聲信道的傳輸方案平均保真行推導，分析噪聲強度和記憶強度對平均保真度的影響。
6、研究了量子信息傳輸技術在金融信息中的應用。
首先利用BB84協議結合”一次一密”實現金融秘密信息的傳輸，接著利用量子隱形傳態技術構建一種傳輸方案並應用在金融領域中的一個交易場景中，其後為增加傳輸方案的性和降低資源消耗，對方行了優化。
本書作者在量子信息領域具有扎實的理論基礎，主持和參與了多項省部級及以上科研項目，具有豐富的科研經驗。本書是在作來已文的基礎上凝練而成的，在本書的寫作過程中，得到了上海海事大學周日貴教授、安徽理工大學方教授、安徽理工大學葛斌教授、安徽理工大學周華平教授的支持和鼓勵，在此表示由衷的感謝。還要感謝安徽理工大學人才科研啟動項目（21yjrc34）、安徽省高等學校自然科學研究項目（KJA0301）、安徽省研發計劃
（04b110029）等科技項目提供的經費資助。
因本書作者自身學識水平有限，書中難免存在疏漏和一些值得商榷之處，敬請讀者們給予批評指正。
蔣社想
安徽理工大學教師
22年6月
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