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量子通信 (研究生系列教材)

作者:裴昌幸等 著

出版社: 西安电子科技大学出版社

出版年:2013-06-01

页数:196

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编辑推荐

  《研究生系列教材:量子通信》共分8章。第1章为概述,主要讲述量子通信的基本概念、性能指标、发展现状及展望;第2章主要讲述量子通信的物理基础,包括量子力学的基本假设、量子密度算子、量子纠缠和量子比特的概念及特性;第3章主要讲述量子隐形传态,包括量子隐形传态原理和多量子比特的隐形传态;第4章主要讲述量子密钥分发,包括BB84协议、B92协议、E91协议,以及诱骗态量子密钥分发的原理与实现;第5章主要讲述量子安全直接通信的相关协议与实现;第6章主要讲述量子信道,包括量子信道的表示、特定量子信道模型、光纤量子信道和自由空间量子信道;第7章主要讲述量子编码,包括量子信源编码和量子信道编码;第8章主要讲述量子通信网络,包括量子通信网络的体系结构、拓扑、量子交换技术、量子中继器和实验网。 

内容简介

  《研究生系列教材:量子通信》较为系统、全面地介绍了量子通信的概念、物理基础、具体形式、量子信道与编码及量子通信网等。全书共分8章,第1~3章重点讨论量子通信的基本概念、物理基础及量子隐形传态;第4~5章重点讨论量子密钥分发和量子安全直接通信;第6~8章重点讨论量子信道、量子编码和量子通信网络。《研究生系列教材:量子通信》具有文笔简练、内容深入浅出、说理透彻、结构合理、特色鲜明的优点。

  《研究生系列教材:量子通信》可作为通信工程、电子与信息工程、信息工程、信息安全等专业高年级本科生或研究生教材,也可作为相关科技人员的学习参考书。



目录

第1章 概述

1.1 量子通信的基本概念和类型

1. 1.1 量子通信的基本概念及特点

1.1.2 量子通信的类型

1.2 量子通信系统的指标

1.3 量子通信的发展现状与展望

1.3.1 量子通信的发展现状

1.3.2 量子通信发展展望

本章参考文献


第2章 量子通信的物理基础和量子比特

2.1 量子力学的基本假设

2.1.1 状态空间假设

2.1.2 力学量算符假设

2.1.3 量子态演化假设

2.1.4 测量假设

2.1.5 复合系统假设

2.2 量子密度算子

2.2.1 密度算子的概念

2.2.2 量子力学假设的密度算子描述

2.2.3 约化密度算子

2.3 量子纠缠

2.3.1 量子纠缠态的概念

2.3.2 量子纠缠的度量

2.3.3 量子纠缠的判断

2.3.4 纠缠交换与纠缠提纯

2.4 量子比特及其特性

2.4.1 量子比特的概念和性质

2.4.2 量子系统的熵

2.4.3 量子比特的逻辑运算

本章参考文献


第3章 量子隐形传态

3.1 量子隐形传态的原理

3.1.1 量子隐形传态的基本思想

3.1.2 量子隐形传态的基本原理

3.1.3 量子隐形传态的实现方法

3.2 量子隐形传态实验

3.2.1 量子隐形传态的实验进展

3.2.2 量子比特隐形传输实验

3.3 多量子比特的隐形传态

3.3.1 双粒子量子隐形传态

3.3.2 三粒子量子隐形传态

3.3.3 多粒子量子隐形传态

本章参考文献


第4章 量子密钥分发

4.1 量子保密通信

4.1.1 量子保密通信系统

4.1. 2 量子密钥分发的含义

4.2 BB84协议和B92协议

4.2.1 BB84协议

4.2.2 B92协议

4.3 基于偏振编码的QKD系统的原理与实现

4.3.1 发送端的组成

4.3.2 接收端的组成

4.3.3 同步

4.3.4 偏振

4.3.5 偏振控制

4.4 基于相位编码的QKD系统的原理与实现

4.4.1 相位编码QKD的原理

4.4.2 相位编码QKD的实现

4.4.3 差分相移系统

4.5 基于纠缠的QKD系统的原理与实现

4.5.1 E91协议

4.5.2 基于纠缠的QKD的实现

4.6 基于诱骗态的QKD系统的原理与实现

4.6.1 诱骗态量子密钥分发的由来

4.6.2 诱骗态量子密钥分发的基本原理

4.6.3 弱相干光诱骗态量子密钥分发

4.6.4 预报单光子源诱骗态量子密钥分发

4.6.5 诱骗态QKD的实现

本章参考文献


第5章 量子安全直接通信

5.1 量子安全直接通信概述

5.2 Ping-Pong量子安全直接通信协议

5.2.1 Ping-Pong协议描述

5.2.2 Ping-Pong协议信息泄漏分析

5.2.3 Ping-Pong协议的安全性分析

5.2.4 Ping-Pong协议的改进

5.3 基于纠缠光子对的量子安全直接通信

5.3.1 两步量子安全直接通信协议

5.3.2 协议分析

5.3.3 实现框图

5.4 基于单光子的量子安全直接通信

5.4.1 基于单光子的QSDC协议

5.4.2 协议分析

5.4.3 实现框图

本章参考文献


第6章 量子信道

6.1 量子信道概述

6.1.1 量子信道的酉变换表示和测量算子表示

6.1.2 量子信道的公理化表示

6.2 量子信道的算子和模型

6.2.1 量子信道的算子和表示

6.2.2 量子信道的算子和模型

6.3 特定量子信道的模型

6.3.1 比特翻转信道

6.3.2 相位翻转信道

6.3.3 退极化信道

6.3.4 幅值阻尼信道

6.3.5 相位阻尼信道

6.3.6 玻色高斯信道

6.4 光纤量子信道

6.4.1 光纤量子信道的损耗

6.4.2 光纤量子信道的偏振模色散

6.4.3 量子信号和数据在单根光纤中的传播

6.5 自由空间量子信道

6.5.1 自由空间量子信道的特点

6.5.2 自由空间量子信道的传输特性

本章参考文献


第7章 量子编码

7.1 量子信源编码

7.1.1 经典信源编码简介

7.1.2 量子信源编码定理

7.1.3 量子信源编码实例

7.2 量子信道编码

7.2.1 经典纠错码简介

7.2.2 量子纠错编码的概念

7.2.3 CSS量子纠错码

7.2.4 稳定子码

7.2.5 量子纠错码的性能限

本章参考文献


第8章 量子通信网络

8.1 量子通信网络的体系结构

8.1.1 量子通信网络的架构

8.1.2 量子通信网络中的多址技术

8.1.3 量子通信网络的拓扑

8.2 量子通信网络中的交换技术

8.2.1 空分交换

8.2.2 波分交换

8.2.3 基于量子交换门的交换

8.3 量子中继器

8.3.1 量子中继器的一般原理

8.3.2 量子中继器的实现

8.4 量子通信实验网

8.4.1 DARPA量子通信网络

8.4.2 欧洲的量子骨干网络

8.4.3 东京量子密钥分发网络

8.4.4 我国的量子通信网络实验

本章参考文献



精彩书摘

  1.1 量子通信的基本概念和类型

  量子通信起源于对通信保密的要求。通信安全自古以来一直受到人们的重视,特别是在军事领域。当今社会,随着信息化程度的不断提高,如互联网、即时通信和电子商务等应用,都涉及到信息安全,信息安全又关系到每个人的切身利益。对信息进行加密是保证信息安全的重要方法之一。G.Vernam在1917年提出一次一密(0ne Timc Pad,。TP)的思想,对于明文采用一串与其等长的随机数进行加密(相异或),接收方用同样的随机数进行解密(再次异或)。这里的随机数称为密钥,其真正随机且只用一次。OTP协议已经被证明是安全的,但关键是要有足够长的密钥,必须实现在不安全的信道(存在窃听)中五条件地安全地分发密钥,这在经典领域很难做到。后来,出现了公钥密码体制,如著名的RSA协议。在这类协议中,接收方有一个公钥和一个私钥,接收方将公钥发给发送方,发送方用这个公钥对数据进行加密,然后发给接收方,只有用私钥才能解密数据。公钥密码被大量应用着,它的安全性由数学假设来保证,即一个大数的质因数分解是一个非常困难的问题。但是量子计算机的提出,改变了这个观点。已经证明:一旦量子计算机实现了,大数很容易被分解,从而现在广为应用的密码系统完全可以被破解。

  幸运的是,在人们认识到量子计算机的威力之前,基于量子力学原理的量子密钥分发(Quantum Key distribution,QKD)技术就被提出来了。量子密钥分发应用了量子力学的原理,可以实现无条件安全的密钥分发,进而结合OTP策略,确保通信的绝对保密。这里先给出量子通信的定义,再看看它的具体形式。

  1.1.1 量子通信的基本概念及特点

  量子通信是指应用了量子力学的基本原理或量子特性进行信息传输的一种通信方式。它有以下特点:

  (1)量子通信具有无条件的安全性。量子通信起源于利用量子密钥分发获得的密钥加密信息,基于量子密钥分发的无条件安全性,从而可实现安全的保密通信。QKD利用量子力学的海森堡不确定性原理和量子态不可克隆定理,前者保证了窃听者在不知道发送方编码基的情况下无法准确测量获得量子态的信息,后者使得窃听者无法复制一份量子态在得知编码基后进行测量,从而使得窃听必然导致明显的误码,于是通信双方能够察觉出被窃听。

  (2)量子通信具有传输的高效性。根据量子力学的叠加原理,一个/Z维量子态的本征展开式有2”项,每项前面都有一个系数,传输一个量子态相当于同时传输这2”个数据。可见,量子态携载的信息非常丰富,使其不但在传输方面,而且在存储、处理等方面相比于经典方法更为高效。

  (3)可以利用量子物理的纠缠资源。纠缠是量子力学中独有的资源,相互纠缠的粒子之间存在一种关联,无论它们的位置相距多远,若其中一个粒子改变,另一个必然改变,或者说一个经测量塌缩,另一个也必然塌缩到对应的量子态上。这种关联的保持可以用贝尔不等式来检验,因此用纠缠可以协商密钥,若存在窃听,即可被发现。利用纠缠的这种特性(量子力学上称为非局域性(参见第2章),也可以实现量子态的远程传输(详见第3章)。基于纠缠的QKD将在第4章详细介绍。


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