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自由空间量子通信技术的实验研究

作　者: 杨彬
导　师: 潘建伟
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 量子信息物理学
关键词: 自由空间量子通信量子隐形传态诱骗态量子密钥分发
分类号: O413.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

量子信息是量子力学和信息学的交叉学科,近二十年来发展十分迅速,而量子通信则是量子信息学中技术最成熟最接近实用化的方向。量子通信技术在提高信息传输的安全性,信息传输通道容量和效率等方面都有其独特的优势,因而成为未来信息技术研究的热点。量子通信技术因为传输信道的不同而分为光纤量子通信和自由空间量子通信。目前光纤量子通信的传输距离因为固有的传输损耗而很难再继续扩展；而自由空间量子通道因为有信道损耗小并且可以通过空间平台中转的优点,因此被认为是实现全球量子通信网络的最佳选择。本论文的主要内容就是为了实现基于空间平台的全球化量子通信而进行的一系列的自由空间量子通信的实验研究。我们设计并实现了16kmm自由空间的完全bell基测量的两光子量子隐形传态实验,在此基础上利用单模光纤作为存储器实现了1km的纠缠分发完成后真正意义上的远距离量子隐形传态实验。我们还通过旋转运动平台模拟卫星的相对运动,用热气球模拟卫星姿态和随机振动,用ATP系统保持运动状态的量子信道的实时畅通,从而实现了基于运动平台和浮空平台的远距离自由空间的诱骗态量子密钥分发实验；我们进一步改进系统并工程化我们的实验装置,在青海湖实验基地对星地之间的量子密钥分发进行了全面的地面模拟验证,实现了百公里量级的高损耗的诱骗态量子密钥分发,为星地之间实现量子密钥分发做好所有的技术研究和准备。在我们实验中所发展的技术,将在未来实现星地之间的量子通信以及建立全球化的量子通信网起到重要的作用。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-7
目录  7-9
第1章绪论  9-15
第2章量子信息的基本原理和实验技术手段  15-41
  2.1 量子信息的基本原理  15-28
    2.1.1 量子比特和量子态叠加原理  15-16
    2.1.2 量子纠缠和bell不等式  16-22
    2.1.3 量子不可克隆定理和量子密码  22-25
    2.1.4 量子态隐形传态和纠缠交换  25-28
  2.2 基本技术手段  28-41
    2.2.1 基本光学器件  29-35
    2.2.2 纠缠源的制备  35-38
    2.2.3 Bell态分析  38-41
第3章远距离自由空间量子隐形传态的实验实现  41-67
  3.1 远距离自由空间量子态隐形传态的理论方案  41-44
  3.2 实验的关键技术  44-57
    3.2.1 纠缠源  44-47
    3.2.2 干涉仪  47-51
    3.2.3 自由空间信道衰减分析  51-55
    3.2.4 实验中的电子学  55-57
  3.3 实验结果  57-59
  3.4 真正远距离的量子隐形传态的实验实现  59-65
  3.5 结论和展望  65-67
第4章诱骗态量子密钥分发及其实验实现  67-107
  4.1 量子通信基本过程和常用技术  67-72
  4.2 诱骗态量子密钥分发  72-81
    4.2.1 非理想条件下的量子密钥分发系统  72-75
    4.2.2 诱骗态量子密钥分发协议  75-78
    4.2.3 诱骗态量子密钥分发协议的扩展  78-81
  4.3 基于运动和浮空平台的自由空间量子密钥分发的实验实现  81-95
    4.3.1 实验装置与关键技术  81-87
    4.3.2 实验结果与分析  87-91
    4.3.3 车载诱骗态量子密钥分发  91-95
  4.4 超远距离自由空间量子密钥分发的前期准备与分析  95-102
  4.5 远距离高损耗自由空间量子密钥分发的实验实现  102-106
  4.6 结论和展望  106-107
第5章总结和展望  107-108
参考文献  108-115
在读期间发表的学术论文  115-116
致谢  116

自由空间量子通信技术的实验研究

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