量子通信原理与技术PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 量子力学发展历史回顾 1

1.1.1 黑体辐射与普朗克的能量子假说 1

1.1.2 光电效应与爱因斯坦的光量子理论 3

1.1.3 玻尔的旧量子论 3

1.1.4 德·布罗意的物质波 4

1.1.5 波动力学和矩阵力学 5

1.2 量子信息学的研究范畴 6

1.2.1 量子计算 6

1.2.2 量子通信 9

1.3 量子通信的发展现状 11

参考文献 14

第2章 量子力学基础 18

2.1 量子力学公设 18

2.1.1 状态空间 18

2.1.2 力学量 19

2.1.3 量子态的演化 20

2.1.4 量子测量 21

2.1.5 复合系统 22

2.2 纯态与混合态 23

2.2.1 混合态的定义与描述 23

2.2.2 混合态的动力学方程与测量 24

2.2.3 约化密度矩阵 25

2.2.4 Schmidt分解与混合态的纯化 26

2.3 光场的量子化 28

2.3.1 麦克斯韦方程的量子化 28

2.3.2 光子数态 31

2.3.3 相干态 34

2.3.4 压缩态 38

参考文献 42

第3章 量子信息的基本概念 43

3.1 量子比特 43

3.1.1 经典比特 43

3.1.2 量子比特定义与表示 44

3.1.3 量子比特的物理实现举例 45

3.2 量子纠缠 46

3.2.1 量子纠缠态 47

3.2.2 连续变量纠缠 49

3.2.3 EPR佯谬与Bell不等式 51

3.3 量子信息特性 53

3.3.1 非正交量子态的不可区分性 53

3.3.2 未知量子态的不可克隆性 54

3.3.3 海森堡不确定性原理 55

参考文献 57

第4章 量子信息论简介 58

4.1 量子信息测度 58

4.1.1 经典香农熵 58

4.1.2 量子冯·诺依曼熵 61

4.1.3 量子保真度 63

4.1.4 可访问的最大信息 64

4.2 量子信源编码 66

4.2.1 经典信源编码定理 66

4.2.2 量子信源编码定理 68

4.3 量子噪声理论 71

4.3.1 开放量子系统的动力学 71

4.3.2 典型的量子噪声信道模型 76

4.4 量子信道编码 78

4.4.1 经典噪声信道编码定理 79

4.4.2 量子噪声信道编码定理 82

4.4.3 量子单一界 84

参考文献 85

第5章 量子通信协议 86

5.1 基于纠缠光子信号的量子通信协议 86

5.1.1 量子隐形传态通信协议 87

5.1.2 量子密集编码通信协议 89

5.1.3 Ekert91量子通信协议 91

5.2 基于单光子信号的量子通信协议 94

5.2.1 BB84量子通信协议 94

5.2.2 B92协议及六态量子通信协议 97

5.2.3 诱骗态量子通信协议 98

5.3 基于连续变量信号的量子通信协议 102

5.3.1 连续变量量子隐形传态通信协议 103

5.3.2 连续变量量子密集编码通信协议 105

5.3.3 基于相干态的连续变量量子通信协议 107

参考文献 116

第6章 量子信号的产生技术 120

6.1 纠缠光子信号的产生技术 120

6.1.1 参量下转换纠缠光子产生技术 121

6.1.2 光子晶体光纤纠缠光子产生技术 124

6.2 单光子信号的产生技术 125

6.2.1 单光子枪 126

6.2.2 弱相干光脉冲产生技术 128

6.3 连续变量量子信号的产生技术 130

6.3.1 压缩态的产生技术 130

6.3.2 连续变量纠缠态的产生技术 135

6.3.3 连续变量相干态信号产生技术 138

参考文献 145

第7章 量子信号的调制技术 147

7.1 真随机数的产生技术 147

7.1.1 基于光子路径的真随机数源 149

7.1.2 基于真空态量子噪声的真随机数源 153

7.2 单光子量子信号的调制技术 158

7.2.1 偏振调制 159

7.2.2 相位调制 162

7.2.3 频率调制 164

7.3 连续变量量子信号的调制技术 166

7.3.1 高斯调制 166

7.3.2 离散调制 169

参考文献 175

第8章 量子信号的探测技术 177

8.1 单光子信号探测技术 177

8.1.1 基于雪崩光电二极管的单光子探测技术 178

8.1.2 基于超导体的单光子探测技术 189

8.2 连续变量体系的探测技术 192

8.2.1 平衡零拍探测技术 192

8.2.2 连续变量信号探测中的光电转换技术 195

参考文献 199

第9章 量子中继技术 202

9.1 基于拉曼散射的量子中继技术 203

9.1.1 基于单光子测量的纠缠产生 204

9.1.2 基于单光子测量的纠缠交换 206

9.2 基于双光子测量的量子中继方案 209

9.2.1 基于双光子测量的纠缠产生 209

9.2.2 基于双光子测量的纠缠交换 211

9.3 基于薛定谔猫态的连续变量量子中继方案 212

9.3.1 光学薛定谔猫态的制备 213

9.3.2 纠缠态的非局域制备 215

9.3.3 接近确定性的纠缠交换 218

9.4 量子中继技术的实验验证 219

9.4.1 单光子量子中继技术的实验验证 219

9.4.2 连续变量量子中继技术的实验验证 220

参考文献 222

第10章 量子通信网络技术 223

10.1 量子通信网络中的交换技术 223

10.1.1 量子空分交换的基本原理 224

10.1.2 量子空分交换网络的实现 228

10.1.3 基于量子门的量子交换技术 229

10.1.4 其他量子交换技术 231

10.2 量子通信网络的体系结构 232

10.2.1 量子通信网络的功能体系 232

10.2.2 量子通信网络的协议体系 233

10.2.3 量子通信网络的拓扑结构 234

参考文献 235

第11章 典型的量子通信系统 236

11.1 有线量子通信系统 236

11.1.1 光纤量子信道特性 236

11.1.2 基于单光子的光纤量子通信系统 238

11.1.3 基于连续变量的光纤量子通信系统 243

11.2 无线量子通信系统 247

11.2.1 自由空间量子信道特性 247

11.2.2 基于单光子的自由空间量子通信系统 251

11.2.3 基于纠缠光子的自由空间量子隐形传态 256

11.3 量子通信实验网络 259

11.3.1 DARPA量子保密通信网络 260

11.3.2 SECOQC量子保密通信网络 263

11.3.3 Tokyo Quantum Network高速量子保密通信网络 267

11.3.4 量子电话网 270

参考文献 274

第12章 量子通信发展展望 276

12.1 量子通信的现实安全性 276

12.1.1 实际量子通信系统的安全性问题 276

12.1.2 几种典型的量子攻击技术 277

12.2 量子存储技术 281

12.2.1 光量子存储器的基本原理 281

12.2.2 量子存储技术的技术现状和发展展望 284

12.3 量子信道复用技术 285

12.3.1 波分复用技术原理 285

12.3.2 量子信道的波分复用中的噪声源 286

12.3.3 量子信道复用的实验验证 288

12.4 星地量子通信技术 290

12.4.1 星地量子通信 290

12.4.2 星地纠缠分发 291

12.4.3 星地量子隐形传态 292

12.4.4 全球量子通信网络 292

12.5 量子时代与全量子网络 294

参考文献 298

附录A 线性代数相关知识 300

附录B 本书中涉及的重要缩写词 309