基于光纤信道的量子网络的若干问题研究

作     者：江扬帆 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：博士

导师姓名：张强;潘建伟

授予年度：2019年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 07[理学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 0702[理学-物理学] 

主      题：量子非二元定域性 独立纠缠源 纠缠交换 量子隐形传态 盲量子计算 量子网络 

摘      要：量子信息学是量子物理和信息科学相结合的交叉学科,发展至今三十余年,已证实了在某些问题上,量子信息相对于经典信息拥有巨大的优势,其中,理论上无条件安全的量子保密通信和指数量级加速的量子计算等更是使用经典信息手段无法实现的。全球化量子通信网络是研究量子基础理论和应用量子信息技术的重要平台。在全球化量子通信网络的图景里,量子比特和量子纠缠作为基本资源,在量子隐形传态和量子纠缠交换的辅助下,完成量子中继,实现任意节点之间的安全信息传输、分布式量子计算和高精度量子测量目标。本论文的内容主要介绍围绕光纤量子网络中相关问题的研究工作。量子网络的复杂结构意味着复杂的物理过程和量子特性,本论文首先针对简单的量子网络单元—量子纠缠交换,对其中蕴涵的量子非二元定域性进行研究。在局域隐变量模型中,当纠缠源相互独立时,可以合理地假设每个纠缠源对应着一个隐变量,瑞士科学家Gisin研究组基于这个假设提出了具体的二元定域性不等式。我们在中国科学技术大学上海研究院建立了一个五节点的量子纠缠交换网络,在满足独立纠缠源要求、关闭局域漏洞、实现独立基矢测量的条件下,以高破坏量违背了该二元定域不等式,证明了量子纠缠交换体系下的量子非二元定域性。这不仅是量子基础研究,还有望为量子网络的设计提供指导作用,并在器件无关量子随机数产生器和器件无关量子密钥分发中有潜在应用。量子计算是量子信息的重要部分。由于在量子计算机的发展初期,系统复杂且耗资巨大,类似经典计算机的发展趋势,必将仅大型企业或者研究机构能够拥有量子计算机,普通用户则可基于量子网络平台,利用盲量子计算技术委托不信任的第三方进行量子计算任务。本论文的第二个工作则是提出了基于诱骗态的盲量子计算协议,并采用光子实验技术,实现了包括诱骗态和极化态的24种态的随机调制,使用独立弱相干光源和纠缠源,对该协议中的关键一步—量子非破坏测量—进行了 100 km的实验演示。这项工作是安全的量子云计算的重要基石,有望推动通用盲量子计算的发展。在现实条件下,实现远距离、基于独立纠缠源的量子纠缠交换对未来发展量子网络将起到重要的参考价值。本文第三个工作介绍了我们在合肥城域光纤网络中实现了总长为103 km的损耗高达29 dB的基于空间独立纠缠源的量子纠缠交换实验。针对现实系统的稳定性问题,我们发展了一系列反馈技术;为提高系统计数率,我们采用了重复频率为1 GHz的sequential time-bin纠缠源。该项工作充分显示了构建大尺度量子网络设想的可行性,同时有助于研究者在此基础之上挖掘更深层次的量子物理、量子信息方面的研究内容;此外,该实验过程中发展的一系列自动反馈控制技术将有力推进量子信息技术的发展。