摘 要

量子通信是指利用量子力学的基本原理或基于物质量子特性的通信技术，是量子信息学中的一个重要学科。量子通信的最大优点就是它在有理论上所具有的绝对的安全性和高效性。量子通信中量子密钥分发的介绍必不可少，主要指量子态根据信道传递，通信双方协商出密钥的一种密钥分发方法。近些年伴随量子通信方面的发展，量子安全直接通信成为了量子通信的主要方向之一。量子安全直接通信是以光子的不同的量子态作为信息载体，是为了通讯的两边安全精确的直接传递机密消息。

本文将对量子安全直接通信中的三个协议来分别研究分析，它们是Ping-Pong量子安全直接通信协议，基于纠缠光子对的量子安全直接通信协议和基于单光子的量子安全直接通信协议。并且将对其中一个通信协议采取数值仿真。

关键词：量子通信;量子密钥分发;量子安全直接通信;数值仿真

Abstract

Quantum communication is one of the important subjects in quantum information science, which is based on the fundamental principle of quantum mechanics or the communication technology based on the quantum properties of matter. The biggest advantage of quantum communication is its unconditional security and high efficiency in theory. The introduce of quantum secret key distribution of quantum communication is essential, mainly refers to the quantum state via a transmission channel, the communication between the two parties agree on a secret key of a secret key distribution method with the development of quantum communication, quantum secure direct communication (QSDC) has become a very important branch of quantum communication. During the process, the secret message could be transmitted directly between two communication parties in the form of different photon states.

This article will analysis three kinds of quantum secure direct communication protocol, including Ping-Pong quantum secure direct communication protocol, two-step quantum secure direct communication protocol and quantum secure direct communication protocol based on single photon. And the numerical simulation of one of the communication protocols is carried out.

Keywords: Quantum Communication; Quantum Key Distribution; Quantum Secure Direct Communication; Numerical Simulation

目录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1量子通信研究的背景及意义 1

1.2当前研究现状与发展动态 2

1.3主要内容与结构安排 4

2量子通信的基础和量子比特 5

2.1量子纠缠 5

2.1.1量子比特及其性质 5

2.1.2量子纠缠态的定义 5

2.2传统量子通信协议的介绍及其缺陷 6

3 量子安全直接通信 8

3.1量子安全直接通信协议的介绍 8

3.2量子安全直接通信的条件 8

3.3经典的量子安全直接通信协议 9

3.3.1 Ping-Pong量子安全直接通信协议与安全性分析 9

3.3.2基于纠缠光子对的量子安全直接通信协议与安全性分析 11

3.3.3基于单光子的量子安全直接通信协议与安全性分析 13

3.3.4三种经典的QSDC协议的比较 14

4仿真的应用 15

4.1仿真在量子力学中的应用 15

4.2误码率检测 16

4.3Two-Step QSDC误码率的数值仿真 17

5总结与体会 18

参考文献 19

致谢 20

1绪论

1.1量子通信研究的背景及意义

量子通信是起源于对信息保密的高要求，特别是在军事安全领域的需求性非常大，这些年各种窃听事件的发生例如“棱镜门”这类，使得信息的安全保密越来越受到普通民众的关注，然而在现有的通信体系中，对于专业的窃听来说民众基本在他们面前时一丝不挂的。这使得量子通信的需求日益的迫切。就量子通信而言其实是可以分为广义和狭义的，本篇论文主要是在狭义的范畴内的。

量子通信是量子论和于信息论结合在一起的生成物，目前而言它是通讯和信息方面研究的领先方向。量子通讯技术大体包括了量子密集编码、量子远距离传递和量子密码通讯这些方面的学科内容。

量子密码的提出是由于经典密码学已经不能够满足所有的应用场景，不能保证通信过程中信息的绝对安全性，而量子通信则是以量子基本理论为基础的因此具有绝对安全性。一旦有窃听的存在，就会引起误码，这是由于对量子态的探测使得该量子态发生了坍缩，由混合态变成了某一个固定的量子态。1984年，班尼特（Bennett）与Brassard共同发表了第一个量子密码方案BB84量子密钥分发方案(下面简称BB84协议),从此，人们对量子密码采取大量的研究。之后，人们又提出了B92和EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）等量子密钥分发协议。经过长达20年的技术的积累，量子密钥分发获得了许多突破性的进步，仅仅理论上提出来的分发方案就有几十种之多，这当中较为出名的有英国牛津大学Ekert在1991年发表的基于纠缠态的Ek91协议和上面提到的班尼特在1992年提出的B92协议。

在实验方面也取得了很多的进展，量子离物传递技术取得了很大进展，达到了16km的传递距离。其他方面实验大部分是聚集在量子密钥分发这个内容周边，但是这些协议大多采用的是BB84协议的相关内容。量子密钥分配是把光子作为载体，这当中又可以分类为自由空间里量子密钥分配和光纤信道中的量子密钥分配两种。早在1993年英国某个部门使用相位编码方法在光纤中做到了10km的量子密钥分配，1995年日内瓦大学通过偏振编码的办法完成23km的量子密钥分配，过程中研究者们为了克服光纤双折射对光子传递的影响，他们创造性的提出了“即插即用”的传递方案，1999年他们使得量子密钥的传递长度进一步扩展到了67km；2004年Gobby等人在量子密钥传递的距离上突破到了122km；同一年日本的一家名为NEC的企业甚至开展了150km的单光子传递示范测验；与国际上对比，国内自由空间的量子密钥分发测试进度较慢。2000年，Shor等人证明了BB84协议的绝对可靠性。鉴于当前采用的单光子源是通过微弱激光衰减形成的，多光子态的存在外加传递途中的通讯通道损失，其可靠性面对着其他科学家的质疑。但是随着时间的推进，在2012年欧美的科学家包括还有中国本土的科学家潘建伟的等人带领的团队都已经实现了量子通信远距离传输的问题了，今年7月即将发射的量子通信卫星的最低要求是可以达到1000公里的量子通信距离，在此之前潘建伟院士的团队在2011年已经对远距离的量子通信进行了实验并且取得了圆满成功。可以说在十几年前科学家们的这方面的质疑已经随着技术的不断突破而消失了，一个多月后我们就可以看到量子通信卫星的上天了，它的工作情况也将展现在世人的面前。