量子通信理论研究

量子通信是量子信息的核心内容之一。它为信息的安全传输提供了新的方 法。自从BB84量子密钥分配方案以来,量子通信无论在理论上还是在实验上取 得了大量的研究成果,吸引了许多科学家加入这一研究领域。 本博士论文主要涉及了量子通信的四个方面,即量子密钥分配、量子安全 直接通信、量子机密共享和量子信源编码。 在量子密钥分配方面,我们提出了三种新的理论方案。第一种方案是一种 新的技术,即控制顺序重排加密技术。它利用一组正交的Bell基态的传输来完 成量子密钥分配,它具有传输率高和节省经典交换信息的优点。第二种方案是 基于弱激光脉冲的双向量子密钥分配方案,这一方案可以允许每个弱脉冲中最 多可以有两个单光子,缓解了对单光子源的压力,同时它还具有不需要双方公 布测量基的优点。第三种方案是基于纠缠光子对序列的多用户网络结构下任意 点对任意点的量子密钥分配方案。 量子安全直接通信是将机密信息直接加载到量子态上直接传输,这与量子 密钥分配不同,因而对它的安全性要求比量子密钥分配高。我们提出了判断量 子通信是否是真正的量子安全直接通信的四个判据,并提出了三个安全的量子 安全直接通信方案,即分步传输、量子一次一密、重复使用经典一次一密量子 安全直接通信方案。分步传输方案引进了数据块传输的思想,它具有绝对安全 和编码容量高的优点。量子一次一密方案使用极化单光子作为信号源,在量子 信号的制备与测量上带来了方便,在实验上更容易实现。重复使用经典一次一 密方案更进一步去掉了量子态的储存,使得经典一次一密密码能够重复使用, 实现保密通讯,这不仅是密码学理论上的一个新观点,而且可以直接在实际应 用中使用。我们提出将经典密码映射成量子态的思想,即将经典密码换成量子 密钥,利用非克隆定理来保证量子密钥的安全性。 在量子机密共享方面,我们提出了一个基于纠缠粒子对的量子机密共享方 案、一个以极化单光子为信号源的量子机密共享方案和一个环形拓扑结构的量 子机密共享方案。在信源编码方面,我们提出了两种提高测量基加密量子密钥 分配编码容量的方法,即非对称量子信源编码和对称量子信源编码方法,从而 提高了量子密钥分配信源编码的容量。