第四章量子通信原理.pptx

量子通信原理探讨量子通信技术的基本工作原理,揭示其独特优势及如何应用于实际生活。SN作者：冻捕簕

量子力学基本概念量子态叠加在量子系统中,物理量可以呈现多种可能状态,并以叠加态的形式同时存在。这是量子力学区别于经典物理的一个核心概念。量子隧穿效应量子粒子可以穿透高于自身能量的势垒,这一反常现象被称为量子隧穿。这种独特行为为量子通信提供了技术基础。量子测量对量子系统的测量会造成系统状态的突然变化,这就是著名的测量问题。测量结果只能以概率形式予以预测。

量子比特与量子态量子比特量子比特是量子计算和量子通信的基本单位,它可以存储和处理量子信息。与经典比特只能取0或1不同,量子比特可以是0、1或它们的叠加态。量子态量子态是描述量子系统状态的矢量,它包含了系统的所有信息。不同的量子态代表不同的量子信息,通过量子操作可以对量子态进行操控和转换。叠加态量子比特可以处于0、1的叠加态,即同时存在于0和1两种状态之中。这种叠加态蕴含了量子力学的独特性质,是量子计算和量子通信的基础。

量子测量与量子隧穿1量子测量量子测量是指对量子系统进行观测以获取其状态信息的过程。这一过程会对量子系统造成影响,改变其原有状态。测量结果是概率性的,只能给出一个概率分布。2量子隧穿量子隧穿是量子力学中一种重要现象,指粒子穿过势垒的量子效应。即使粒子的能量小于势垒,也有一定概率通过势垒。这种效应在半导体和激光等技术中广泛应用。3测量与隧穿的关系量子测量和量子隧穿是量子力学中相关的两个重要概念。量子测量会改变量子系统状态,而量子隧穿是粒子在势垒中跨越的一种独特量子效应。两者都体现了量子力学与经典物理的差异。

量子纠缠与量子隐形传态量子纠缠两个或多个量子粒子之间会产生难以描述的量子相互作用,形成一种特殊的量子纠缠态。纠缠粒子之间存在着奇异的联系,即使相隔千里也能即时感应到彼此的状态变化。量子隐形传态通过量子纠缠,可以实现在两个远距离粒子之间传递未知量子态的过程,这就是量子隐形传态。这种量子通信技术可以不受距离限制地实现信息的绝对安全传输。量子相干性量子纠缠和隐形传态都依赖于量子相干性,即量子系统中粒子之间的相互作用和量子态的叠加。这种独特的量子现象为量子通信技术的发展奠定了基础。

量子密钥分发协议BB84协议BB84协议是最早提出的量子密钥分发协议之一。它利用量子力学中的测量不确定性原理,通过发送和测量单个量子比特来实现安全的密钥交换。E91协议E91协议利用量子纠缠态,通过产生和测量纠缠光子对来分发安全密钥。它可以检测eavesdropping攻击,提供无条件安全。SARG04协议SARG04协议是BB84协议的变种,采用不同的编码方式来提高抗噪性能。它利用单光子经典纠错码实现安全通信。YHT09协议YHT09协议结合了BB84和E91的优点,使用纠缠光子并引入时间窗口机制,提高了安全性和抗干扰能力。

BB84协议原理与实现1量子密钥分发(QKD)的BB84协议BB84协议是最早提出的量子密钥分发(QKD)协议之一,由IBM的CharlesH.Bennett和GillesBrassard在1984年提出。该协议利用量子比特的测量特性,实现了两方之间安全高效的密钥共享。2BB84协议的主要步骤1.发送方Alice随机选择基矢,发送编码后的量子比特序列给接收方Bob。2.Bob随机选择基矢,测量收到的量子比特。3.双方通过经典通道公开各自选择的基矢,找出测量结果一致的比特位作为密钥。3BB84协议的安全性BB84协议的安全性来源于量子测量的不确定性原理。任何窃听者Eve的测量都会破坏量子态,导致Alice和Bob检测到异常,从而放弃该轮密钥。这确保了通信的绝对安全性。

量子通信信道信号编码量子通信使用量子态来编码信号,通过量子比特的准确操作和精准测量实现信号传输。信道噪声量子通信信道容易受到环境的扰动和干扰,需要采取有效的量子纠错技术来抑制噪声。信道安全性量子通信具有天然的安全性,任何对信道的窃听和干扰都会被检测出来,确保信息的不可复制性。

量子噪声与量子信道容量量子通信过程中不可避免存在各种噪声干扰,包括硬件噪声、路径损耗、量子态扰动等。这些噪声会导致量子状态发生变化,从而影响量子信息的传输和读取。因此,分析和抑制量子噪声是量子通信中的重要课题。同时,量子信道的容量也是衡量量子通信性能的重要指标。量子信道容量描述了单位时间内能够通过量子信道传输的最大量子信息量。研究量子噪声对量子信道容量的影响是理解和优化量子通信系统的关键。1E4单位时长最大量子信息传输500K比特每秒典型量子信道容量25%噪声损失实际信道容量量子噪声分析和量子信道容量研究,是量子通信技术发展的核心内容。通过深入分析各类噪声的影响机理,并优化量子信道的设计和编码技术,可以最大限度提高量