一、偏振光量子随机源(论文文献综述)
戴攀[1](2021)在《贝尔不等式和非线性贝尔类不等式在量子信息中的应用研究》文中指出量子非定域性作为广泛使用的量子资源,在量子信息处理、量子密码、量子计算等方面有着举足轻重的作用。作为非定域性判据的贝尔不等式也引起了人们极大的兴趣。本文首先介绍了的非定域性和贝尔不等式的历史背景及研究意义,回顾了量子非局域性和贝尔不等式几十年来理论和实验的重大成果。对量子信息基础知识和光学实验平台作一定介绍后,本文对常用纠缠光源制备的原理——自发参量下转换过程进行了阐述,并在此基础上利用非线性晶体实现了双光子纠缠源的制备,保真度最大可达99.04%。贝尔类不等式伴随着量子力学的发展出现了许多形式和推广。非线性Bell不等式作为一种判据相较于线性Bell不等式提供了一种新的判别量子关联的方法,利用非线性Bell不等式来研究纠缠态的性质具有重要的现实意义。考虑带有噪声参数的纠缠态可以模拟实际的量子通信过程,本文通过Matlab进行数值优化来找到相应态的最优测量算符,研究了噪声参数对于非线性Bell不等式违背的影响。研究结果表明带有噪声的纠缠态在特定情况下也可以违背非线性贝尔不等式,而且测量数量越多,对纠缠态的要求越苛刻。本文还介绍了一种利用基于输入输出概率分布集的计算工具来估算量子随机存取编码最终实现量子随机性认证的方案。该方案利用贝尔类不等式做约束求取最大猜测概率,相较于同类方案,该方案降低了对态制备的要求。
凌凯[2](2021)在《基于量子行走纠缠关联的研究》文中研究说明量子信息技术是量子力学与信息科学有机结合的产物。量子行走具有经典随机行走所不具备的二次加速扩散特性,可以用于实现量子通信,以及构建具有更高效率和更好性能的量子算法。因此,量子行走得到人们的广泛关注,相关的理论与实验的研究也越发受到重视。本论文重点讨论基于量子行走制备硬币-行走者纠缠态,或称为硬币-位置纠缠态。在实际的实现中,硬币-位置纠缠通常是单个微观粒子的两个不同自由度之间的关联。与两个比特之间的纠缠相比,这种纠缠可以用更简单的装置来测试量子基本原理,提高信息编码能力,实现容错量子计算,也可以用来提高量子算法的效率和性能。具体工作有如下两个方面:(1)理论计算了量子行走中硬币与行走者纠缠关联。主要工作是讨论在随时间不变的有序量子行走模型中,讨论在空间不同位置添加相位因子对量子行走性质的影响。本课题分别计算了纠缠度随量子行走演化操作系数、初始状态系数以及演化时间的变化情况。当所有位置演化操作都相同时,改变系统初态无法得到最大纠缠态。而对于在原点处添加合适的位相操作,再选择合适的系统初态,经过较少步数的演化即可得到高维量子纠缠态。本论文的方案,实现经过较少步数除了第2步就能得到最大硬币-行走者纠缠态,为实验制备高维纠缠态调控提供更加易于实现的方法。(2)在光学系统中实现非均匀量子行走,得到硬币-位置的最大纠缠,同时保持行走者的二次加速扩散。用光的水平和竖直偏振态表示两个硬币态,位置状态被编码在由不同路径长度形成的离散时间中,在两个不同长度的环路中实现量子行走。通过随位置改变的硬币操作实现空间非均匀量子行走,得到了硬币与行走者之间的最大纠缠。经过对测量得到的实验数据进行处理分析,最大的纠缠能够在任意奇数步中生成,或者在大于10的偶数步中生成,实验与理论计算吻合。在我们的实验光路图中,能够扩展到高维量子行走,同时也促进对基于量子行走的硬币-行走者相互作用的研究。
房晓旭[3](2021)在《基于路径-极化超纠缠的光量子信息处理实验研究》文中研究表明本文阐述了在实验上利用高亮度PPKTP晶体自发参量下转换纠缠源产生技术和基于路径—极化的超纠缠态制备技术制备的各种超纠缠态,及它们在光量子信息处理实验研究中的应用。本文研究成果如下:1.通过量子行走模型来实现高维度、高纠缠度超纠缠态的制备。量子行走是量子信息的重要分支,研究量子随机游走过程中量子性质的变化是目前最活跃的前沿领域之一,由于硬币和步行者之间的相互影响和干涉,量子行走模型是一种非常好的纠缠生成器。本文中研究了与步数相关的量子硬币控制下的量子行走中的纠缠产生情况,并将其用于任意维度硬币-步行者超纠缠态的制备。2.通过极化自由度和路径自由度间的混合超纠缠制备了 GHZ态,Cluster态,W态等多比特纠缠态,展示了基于谱估计理论和稳定子理论,在实验中如何通过仅测量少量的可观测量有效地推导出量子态的相干性。相干性的量化是量子信息处理和基础物理的基本问题,不通过层析来推断相干性的范围有助于节省资源,尤其是对大尺度多体系统。3.研究了高维弱纠缠态潜在的隐形量子传态能力及传态能力的激活方式,以一类态为例演示了局域滤波操作对纠缠态潜在的隐形传态能力的激活效果。共享纠缠态的两方,引入路径信息作为辅助量子比特,通过极化—路径超纠缠实现贝尔测量,从而进行了量子隐形传态。量子隐形传态在量子信息领域非常重要,传态能力也是态纠缠的一项重要指标。
彭育凤[4](2021)在《噪声量子行走的动力学研究》文中研究表明量子行走作为经典随机行走在量子力学中的推广,因量子相干的存在,呈现出许多不同于经典随机行走的特性。一方面,量子行走可以实现量子叠加态的幺正演化,对应着量子算法中的并行计算。所以,基于量子行走设计的量子算法相对经典算法具有指数级的加速。另一方面,量子行走可以模拟安德森局域化、拓扑相等诸多物理系统的动力学行为,为新奇物理现象的模拟提供了广阔的平台。量子行走根据系统演化时间的特点,分为连续时间量子行走和离散时间量子行走两类,后者因具有物理实现方式简单且多样化、参数调节范围广等特点,受到研究者的广泛关注。离散时间量子行走的粒子具有自旋(硬币)自由度和坐标自由度,幺正演化算符由自旋转动算符和根据自旋态决定粒子运动方向的平移算符组成。离散时间量子行走就是将幺正演化算符不断作用到粒子波函数的过程。真实的物理系统总是不可避免地受到环境或噪声的影响。大量研究工作探索了离散时间量子行走中考虑空间或时间非均匀噪声后粒子的动力学特征,这些噪声并不具有时间或空间上的关联。本文中,将模拟时间关联噪声的硬币算符和幺正演化算符不断作用到粒子的波函数上,得到粒子在单个噪声实现(noise realization)下的动力学,再将动力学对可能的噪声实现取平均,得到噪声离散时间量子行走(简称为噪声量子行走)粒子的精确动力学。基于Baker–Campbell–Hausdorff公式的一阶近似,推导了噪声量子行走的粒子满足的主方程。定义了相似度,用来衡量由主方程描述的粒子的动力学和精确动力学的一致程度,如果相似度大于0.8,我们就说主方程可以很好的描述噪声量子行走。研究结果表明,随着演化时间的增加,相似度会从最大值1逐渐减小。如果把相似度从1减少到0.8的时间称为主方程的有效时间,可以发现,噪声的关联时间越长,振幅越小,主方程的有效时间就会越长。因为主方程只在有效时间内成立,为了研究噪声量子行走的长时间动力学特征,我们还数值模拟了噪声量子行走的动力学。研究发现,考虑噪声后的量子行走会逐渐过渡到经典随机行走,这种转变在概率分布、坐标的标准差、干涉等多个物理量上都有体现。离散时间量子行走的幺正演化算符实现了粒子坐标自由度和自旋自由度的耦合,从这个意义上可以说,粒子的随机行走模拟了自旋轨道耦合对粒子动力学的影响。更准确的说,离散时间量子行走模拟了粒子在呈现出自旋轨道耦合效应的有效哈密顿量下的连续演化。因为幺正演化算符是空间平移不变的,所以,有效哈密顿量具有布洛赫形式的能带,每一个能级的粒子都有确定的自旋极化;当动量遍历第一布里渊区,能带上粒子的自旋也逐渐变回到初始状态,根据能带上粒子的自旋极化判断出量子行走模拟的拓扑性。自旋轨道耦合效应使得离散时间量子行走能够模拟拓扑非平庸系统,也是拓扑材料中表面态电子导电的根本原因。拓扑材料中的自旋轨道耦合效应,使得能带上电子的自旋和动量一一对应。假设表面态电子所处的环境是单模量子光场,我们研究了电子与单模量子场相互作用后的自旋极化。基于场量子化的基本理论,推导了σ偏振,π偏振和圆偏振三种偏振光的单模算符表达式,然后以Bi2Se3表面态电子与单模σ场耦合为例,在超越旋转波近似下,得到了耦合系统的近似本征态,计算了赝自旋(泡利算符)在近似本征态下的平均值,将平均值乘上材料的g因子(g-factor),得到了电子的自旋极化。按照这样的方法,再去研究了表面态电子与π偏振和圆偏振单模量子光场相互作用后的自旋极化。本文还研究了Sm B6的表面态电子在单模光场下的自旋极化。研究结果表明,处于单模量子光场中的表面态电子,自旋极化的方向相对原本无光场时不变,但其大小(绝对值)会变小;调整偏振光的入射角,表面态电子的自旋极化会随着入射角的改变同步旋转。
窦天琦[5](2021)在《光纤量子保密通信系统的关键问题研究》文中研究说明自古以来,信息的沟通与交流就是人们相互联系的重要形式。在如今的信息社会中,确保信息传递的安全就变得尤为重要。随着量子信息技术的迅速发展,量子保密通信作为一种理论上无条件安全的通信方式受到广泛关注。与基于计算复杂度的经典密码体系相比,基于量子力学基本原理的量子保密通信系统能够建立更加强大的信息安全壁垒。第一个量子保密通信协议——BB84协议提出以后,经过三十多年的发展,量子保密通信在理论、实验和实用化的各个方面都有了长足的发展。量子保密通信不仅在金融、证券等行业受到广泛关注,而且在政务、国防等领域逐步应用。“京沪干线”、“墨子号”量子实验卫星以及商用量子密钥分发系统的部署与应用标志着我国在量子保密通信领域位居世界前列。本文的第一章和第二章介绍了量子保密通信领域的重要研究进展,并对量子保密通信系统进行了概述。目前,量子保密通信系统逐渐从理论上的实验验证,朝着实用化、面向不同应用场景不断迈进。具体来说,就是提高安全密钥生成率和传输距离以及在实际的通信系统中更加灵活高效的实现多用户间无条件安全的信息传递。本文从理论和实验两个方面对上述光纤量子保密通信系统的关键性问题进行了研究,具体包括:(1)标记配对相干态光源的参考系无关的量子密钥分发协议研究分析量子密钥分发的相关理论协议,并考虑实际通信系统源制备的不完美,提出基于标记配对相干态光源的参考系无关的量子密钥分发协议。与目前广泛使用的衰减的弱相干光源相比,该协议使用单光子部分占比较大的标记配对相干态光源;考虑到实际系统在制备量子态时可能出现的不完美,该协议采用可容忍源缺陷的loss-tolerant 协议,同时结合无需参考系校准的参考系无关的量子密钥分发协议。仿真结果显示该协议在密钥生成率和传输距离上优于基于弱相干光源的协议,对于量子保密通信系统的性能优化具有参考意义。(2)可自由选择用户的量子通信方案考虑实际的量子通信网络中参与通信的用户会随着信息需求的不同而改变这一实际问题,提出一个可自由选择用户的量子通信方案。发送方Alice可以任意选择与之通信的用户,没有被选择的用户将不会参与到此次通信。利用双向的量子密钥分发协议和环形量子秘密共享协议,该方案极大地提高了量子保密通信系统的灵活性和效率。(3)完全对称的可制备和测量量子态的量子密钥分发系统根据现有量子密钥分发系统的编码方案,提出一个完全对称的可制备和测量量子态的量子密钥分发系统。在该系统中,通信双方具有完全相同且对称的装置,不仅易于系统的集成、降低系统的搭建复杂性,而且也极大地提升了系统的灵活性和实用性。此外,该系统是一个单向编码系统,有利于通信双方通过提高重复频率的方式而提高成码率,无需考虑时序引起的编码问题,进一步推进了量子密钥分发系统的实用化。(4)基于波分复用的参考系无关的量子密钥分发协议的性能研究结合现有的量子密钥分发网络,详细分析基于波分复用的参考系无关的量子密钥分发协议的性能。研究经典信号和量子信号共纤传输过程中信道串扰噪声和拉曼散射噪声对量子密钥分发系统的安全密钥生成率和传输距离的影响,并对不同信道参数下量子密钥分发协议的具体性能进行了理论仿真分析。将高通信容量的波分复用技术结合可抵抗环境扰动的参考系无关的量子密钥分发协议对于量子密钥分发网络的实际应用具有借鉴意义。
张彬[6](2021)在《飞秒激光直写铌酸锂、三硼酸锂和碳化硅晶体光波导及其应用》文中认为集成光路可以实现光信号的高速传输和处理,在光通信和量子信息处理中起着至关重要的作用。光波导是集成光子学中最基本的元件之一,可以用于制作多功能、小型化的器件,如波导激光器、分束器、电光调制器、变频器、波导阵列等。在光波导中,光可以被紧紧地限制在一个微米或纳米尺度的体积内,并通过全内反射进行传输。利用低损耗光波导,可以大大提高光密度和非线性相互作用。因此,高性能光波导在集成光学和非线性光学中有着广阔的应用前景。许多技术已被用来制作晶体中的光波导,如质子/离子交换、离子注入/辐照和金属离子热扩散。然而,由上述技术制造的光波导仅限于平面几何结构。采用飞秒激光直写的方法可以制作出埋藏在样品表面以下一定深度的三维波导结构。飞秒激光直写技术是一种灵活的、无掩模的、真正意义上的三维微纳加工技术,已被广泛应用于制作光子学器件和微流控器件(如光量子芯片、波导传感器和光流控芯片)。它在数据存储、玻璃键合、铁电畴反转等方面也起着重要的作用。飞秒激光的超短脉冲宽度和极高的峰值强度是该技术取得巨大成功的重要原因。超短脉冲宽度可以抑制热影响区的形成,从而实现超高精度的材料加工。极高的峰值强度导致透明材料中出现非线性相互作用(如多光子吸收和隧穿电离)。为了实现对晶体的三维精密加工,通常采用显微物镜将近红外飞秒激光聚焦到样品表面或样品内部。飞秒激光诱导的非线性相互作用与自由电子等离子体的产生有关,自由电子等离子体的产生可能导致焦点区域的材料改性。飞秒激光诱导的晶体改性主要分为Ⅰ类改性和Ⅱ类改性。对于Ⅰ类改性,折射率变化为正。在Ⅱ类改性区域发生了负折射率变化。基于这两种改性,在晶体中制备了多种光波导,如单线、双线和凹陷包层光波导。这些光波导已经被用来构造多功能的光子学器件,如电光调制器、分束器、波导激光器和变频器。随着对飞秒激光与晶体相互作用的深入研究,将制作出更具吸引力的波导器件。铌酸锂(LiNbO-3或LN)是一种多功能晶体,具有电光系数大、非线性系数大、透明范围宽、铁电效应好等特点。LiNbO3晶体在频率转换、电光调制和光参量振荡(OPO)等方面起着至关重要的作用。三硼酸锂(LiB3O5或LBO)是一种重要的非线性光学晶体,具有较高的损伤阈值和较宽的透明范围(160~2600nm)。LBO晶体在非线性光学和量子光子学中有着广泛的应用,如二次谐波产生(SHG)、三次谐波产生(THG)、光参量放大(OPA)、OPO和自发参量下转换(SPDC)。碳化硅(SiC)晶体作为最具吸引力的第三代半导体材料之一,对电子学和光子学领域的高功率、高频率应用具有重要意义。SiC晶体在量子光学中也有潜在的应用,如制备高效明亮的单光子源。与块状晶体相比,在LiNbO3、LBO和SiC光波导中可以实现光密度和非线性相互作用的增强,使构建小型化、高性能的新型集成光子学器件成为可能。本论文的研究内容主要包括:1)飞秒激光直写LiNbO3、LBO、SiC晶体光波导;2)利用共聚焦显微拉曼光谱对光波导形成机理进行研究;3)利用端面耦合系统研究光波导的导波特性;4)基于波导的光子学器件的分析与表征。根据所选择的晶体和光子学器件的类型,可以将本文的主要研究内容概括如下:利用飞秒激光多重扫描技术制备的LiNbO3多线波导,实现了模式调控。我们研究了脉冲能量和聚焦深度对制备多线波导的影响,并研究了这些波导在632.8nm和1550nm波长下的导波特性。实验结果表明,通过优化飞秒激光加工参数,可以定制多线波导在通信波段的模式。这项工作在利用LiNbO3多线波导制作新型集成光子学器件方面具有潜在的应用价值。利用室温下的双折射相位匹配技术,在飞秒激光写入的LiNbO3波导中实现了1064nm波长的SHG。基于端面耦合系统,研究了多线、垂直双线和凹陷包层波导在1064 nm波长下的导波特性(即近场模式分布和传输损耗)。我们还研究了波导的导波特性对1064 nm波长倍频的影响。实验结果表明,沿ne偏振方向的导波特性对SHG过程更为重要。凹陷包层波导中的最大转换效率为0.87%,对应的最大SHG峰值功率为40.40W。我们的工作为利用飞秒激光写入的LiNbO3波导制备新型变频器铺平了道路。利用飞秒激光在PPLN晶体中制备了凹陷包层波导。基于三阶的准相位匹配(QPM),在这些波导中实现了 1064 nm波长的SHG,并且得到了 SHG输出的温度调谐曲线。在相位匹配温度(~94.9℃)下,研究了波导在1064 nm波长下的导波特性。我们还研究了凹陷包层波导中SHG峰值功率和转换效率与输入峰值功率的关系。实验结果表明,当SHG峰值功率达到9.64 W时,最大转换效率为0.075%。该工作为构建多功能、小型化变频器奠定了基础。我们报道了飞秒激光在z切LiNbO3晶体中写入的1D和2D凹陷包层波导阵列。1D波导阵列由三个沿水平方向紧密排列的凹陷包层波导组成。用1550 nm以及1064 nm波长的连续波(CW)激光入射1D波导阵列的每个波导,得到了相应的输出模式图。2D波导阵列(蜂窝状结构)由七个沿水平和垂直方向紧密排列的凹陷包层波导组成。用1064nm波长的CW激光激发2D波导阵列的每个波导,得到了相应的输出光强分布。我们还利用共聚焦显微拉曼光谱实验对凹陷包层波导进行了表征。这些研究结果丰富了 LiNbO3波导阵列的内容,对描述离散系统具有重要意义。利用飞秒激光直写技术在LiNbO3晶体中制备了一种新型的基于波导的偏振光分束器(PBS)。这种单片PBS是由定制的波导结构所构成的,可以很好地分离出沿no和ne偏振方向的线偏振光。在1064nm波长下沿nr和no偏振方向测量时,该PBS的偏振消光比(PER)能分别达到16.60 dB和16.18 dB,对应的插入损耗(IL)分别为3.86 dB和4.15 dB。这种PBS对集成光子学和量子光学中制作紧凑型偏振转换系统具有潜在的应用价值。我们报道了飞秒激光写入LBO晶体中的双线和凹陷包层波导。本工作中进行了共聚焦显微拉曼光谱实验和端面耦合实验。在波导芯处所获得的显微拉曼光谱与块体材料的拉曼光谱基本一致,这表明块体材料的特性在导波区域可以得到很好地保留。此外,这些波导几乎是偏振无关的,可以很好地引导波长为405 nm和810 nm的激光。基于第一类相位匹配,在飞秒激光直写的波导中实现了 810 nm的SHG和405 nm的SPDC。本项工作在集成非线性光学和量子光子学领域具有潜在的应用价值。我们在6H-SiC晶体(SiC族晶体之一,六方晶系结构)中制备了双线和凹陷包层波导。基于端面耦合系统,研究了波导在1064nm波长下的导波特性。利用共聚焦显微拉曼光谱(由532nm激光激发)分析了飞秒激光在6H-SiC晶体中诱导的材料改性。实验结果表明,通过优化飞秒激光加工参数,可以定制波导的模式。此外,光谱蓝移(~787.05 cm-1)主要发生在激光辐照区。根据得到的拉曼强度图和光谱频移图,我们可以得出结论:与块体材料相比,波导芯中的晶格结构几乎没有发生变化。这项工作为制备基于波导的新型集成量子光子学器件奠定了基础。
郑子勇[7](2020)在《连续变量源无关量子随机数发生器研究》文中研究说明量子随机数发生器利用量子随机过程的内禀随机性进行随机数制备,理论上可生成不可预测的真随机数序列。其中,基于测量真空涨落噪声的连续变量量子随机数发生器具有随机数生成速率高、系统复杂度低、易芯片化集成等优势,在系统产业化等方面优势突出,是近年来量子随机数发生器相关研究的热点。近期,基于测量真空涨落噪声的连续变量量子随机数发生器在系统实现方面不断突破,从最初的平台演示系统走向芯片级系统,并逐步向实际应用探索发展。然而,基于实际非理想器件构建的量子随机数发生器不可避免地存在安全性漏洞,对实际器件进行建模分析并规避它们的影响至关重要。特别地,随机源作为系统中最为复杂的模块,使用者难以提前对其完美建模或监控其是否受窃听者所操控。连续变量源无关量子随机数发生器协议通过信任检测设备,得以放松对随机源设备的安全性要求,从而保证在源设备不可信的条件下仍能制备安全的随机数。当前,连续变量源无关量子随机数发生器聚焦于测量真空涨落噪声方案,采用零差检测和外差检测两种测量系统。其中,基于零差检测的连续变量源无关量子随机数发生器由于其结构较为简洁的优势,近年来受到较多关注。值得注意的是,由于连续变量源无关量子随机数发生器系统的研究开始时间晚,已有实验系统聚焦于提出新的协议,很少考虑协议的实际安全性,因而难以将它们直接推广应用。实际上,系统的实际非理想性所引入的安全性问题是一个亟需分析解决的课题。同时,在保证安全性的前提下,如何提升系统的实时随机数产生速率也极为重要。本文针对实际条件下的连续变量源无关量子随机数发生器所遇到的速率提升问题,实际安全性问题以及系统结构优化问题开展研究,内容包括:1.提出了一种适用于所有量子随机数发生器的随机提取算法,通过优化Toeplitz哈希提取器的实现算法实现在有限计算资源条件下的高速随机提取,有效缓解当前量子随机数发生器在推广到实际应用时所面临的速率瓶颈问题。Toeplitz哈希提取器作为一种已证明的低复杂度且安全性可证的随机提取器,其随机提取速率受到实现复杂度、提取矩阵尺寸、计算平台性能等多方面限制。根据现场可编程门阵列平台有限计算资源、低运算频率、并行计算等特点,设计了流水线型的多模块协同运算算法。同时,在运算模块内部,根据Toeplitz矩阵的特点,通过控制矩阵各列进行异或运算,有效降低了系统实现复杂度和提升了有限计算资源和有限运算频率下的随机提取速率。通过实验,进一步验证了该优化算法支持实现高速安全的随机提取。2.分析了基于零差检测的连续变量源无关量子随机数发生器所面临的两个实际安全性漏洞,包括本振光强度波动问题和模数转换器有限采样区间问题。通过分析这两种安全性漏洞对连续变量源无关量子随机数发生器安全性的影响,提出了一种利用本振光强度波动信息实施随机数信息窃听攻击的方法。进一步地,为规避采样区间外信号所引进的安全性漏洞,修正了已有的基于熵不确定性关系所实现的随机数生成速率评估公式,将可能存在的采样饱和情况考虑到系统的安全性分析中。通过理论分析和数值仿真,定量分析验证了上述两种非理想因素对于实际连续变量源无关量子随机数发生器系统的安全性影响。3.提出了一种适用于零差检测系统的连续变量源无关量子随机数发生器的偏置抑制方案。在实际非对称系统中,测量所得信号中不可避免地会留有偏置,这将会明显抑制系统可支持的本振光强度,并降低系统的随机数产生速率;同时,系统的输出信号中将残留有共模噪声,对实际产生随机数的安全性带来隐患。针对在实际非对称检测系统中的偏置问题,提出了一种全光的偏置消除的方案。进一步地,将其应用于实现无偏置连续变量源无关量子随机数发生器系统。通过优化系统参数,该方案不仅避免了单次测量输出包含多个正交分量的问题,更为分析等强和非等强正交分量对源无关量子随机数发生器性能影响的研究提供支撑。同时,该方案提供了一种直接将基于零差检测的无偏置连续变量源无关量子随机数发生器系统进行芯片集成化的可行方案。
周玉倩[8](2018)在《设备无关量子随机数扩展协议及相关理论研究》文中研究表明随机数在密码学中有广泛应用,对密码系统的安全性至关重要。传统设备所产生的随机数一般是表面随机的,且其安全性以设备的可信性为前提。而量子设备可以产生真随机数,还能实现“设备无关”,即在无法确定设备是否可信的前提下仍能保证所产生随机数的安全性。特别地,以设备部分可信为前提的框架被称之为半设备无关框架。本文就(半)设备无关量子随机数扩展协议及相关理论展开研究,取得的研究成果如下:针对部分自由随机源(部分自由随机源是指被敌手掌握部分信息的随机源)能否在半设备无关框架下产生安全随机数的开放问题,提出半设备无关部分自由随机源的量子随机数扩展协议,对该开放问题给出了肯定的答案。同时,结合实际应用需求,指出了何种程度的部分自由随机源可以实现半设备无关量子随机数扩展任务,并给出了随机性生成效率和观测数据之间的关系。针对如何提升随机数生成效率的问题,提出了基于3 → 1量子随机存取码的半设备无关部分自由随机源量子随机数扩展协议,并数值证明了该协议较好地提高了随机数生成效率。同样指出了何种程度的部分自由随机源可以用来实现该协议,以及随机性生成效率与观测数据之间的关系。一般认为,非定域性是量子世界具备某些特殊能力(如实现设备无关密码协议等可信量子信息处理任务)的本质原因。现有研究表明,微观粒子具有非定域性,而无穷多个微观粒子只具有定域性。但是如何刻画N个微观粒子的非定域性,目前还没有结论。本文研究如何量化N个微观粒子的非定域性,分别给出了数值优化和解析计算两种方法来解决非定域性量化问题。在此基础上提出“多黑盒定域性”原理,并用切片采样的方法部分地证明了量子理论满足多黑盒定域性原理。该成果对利用多微观粒子来设计设备无关量子随机数扩展协议的可行性具有重要的指导意义。
鄢秋荣,赵宝升,张华,廖庆洪[9](2015)在《基于光电倍增管单光子脉冲幅度分布的多比特光量子随机源》文中研究说明提出并验证了一种基于光电倍增管单光子脉冲高度分布的多比特光量子随机源。将紫外LED发出的光衰减成离散的单光子序列,光电倍增管探测到的单光子后,输出脉冲幅度随机分布的单光子脉冲,通过数字化单光子脉冲的峰值作为熵源来提取随机数,实现了一个单光子事件产生多个随机比特位。为减小所提取原始随机数存在的偏差,提出并实现了基于FPGA的SHA-256后处理方法。光量子随机源工作在500kc/s时,平均每个探测光子可提取7bit随机位,获得了3.5 Mbit/s的随机位产生速率。运用随机性测试程序ENT和STS对所获的随机位序列进行测试,测试结果表明,序列的随机性满足真随机数的标准。
鄢秋荣,赵宝升,张华,廖庆洪,陈荣伶[10](2015)在《等时间间隔内光子数奇偶随机性的光量子随机源》文中研究指明提出一种基于等时间间隔内光子数奇偶随机性光量子随机源.将连续波激光二极管发射的光衰减成离散的单光子序列,利用雪崩光电二极管单光子探测模块来探测光子,通过测量等时间内探测到光子数的奇偶性来提取随机位.研制出了基于现场可编程门阵列的随机位提取电路,测试和分析了时间间隔大小和单光子计数模块的性能参量对所设计随机源提取随机数性能的影响.根据系统平均计数率自动设置时间间隔大小,实现了偏差小、速度快的随机位产生器.所设计随机源工作在计数率为20 Mcps,时间间隔设置为0.5μs时,可获得2 Mbit/s的随机位产生速率.运用随机性检测包ENT和STS对所获得的随机位序列进行测试,表明序列的随机性满足真随机数标准,不需要后续处理.
二、偏振光量子随机源(论文开题报告)
(1)论文研究背景及目的
此处内容要求:
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例:
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
(2)本文研究方法
调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、偏振光量子随机源(论文提纲范文)
(1)贝尔不等式和非线性贝尔类不等式在量子信息中的应用研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景与意义 |
1.2 研究现状 |
1.3 本文主要工作和内容安排 |
第二章 相关背景知识介绍 |
2.1 量子信息基础 |
2.1.1 纯态和混态 |
2.1.2 纠缠态 |
2.1.3 态密度矩阵与约化密度矩阵 |
2.1.4 Pauli算符 |
2.1.5 量子测量 |
2.2 光学实验平台 |
2.2.1 波片 |
2.2.2 分束器 |
2.2.3 干涉仪 |
2.3 双光子纠缠源的制备 |
2.3.1 自参量下转换原理 |
2.3.2 BBO晶体的纠缠源 |
2.3.3 PPKTP晶体的纠缠源 |
2.4 本章小结 |
第三章 非线性贝尔不等式及其研究 |
3.1 非局域性概念 |
3.2 两体贝尔类不等式 |
3.2.1 经典贝尔不等式 |
3.2.2 CHSH不等式 |
3.3 三体贝尔类不等式 |
3.3.1 Svetlichny不等式 |
3.3.2 Mermin不等式 |
3.4 非线性贝尔不等式 |
3.5 基于纠缠态的非线性贝尔不等式违背 |
3.5.1 实际的纠缠态 |
3.5.2 测量算符的优化 |
3.5.3 仿真结果与讨论 |
3.6 本章小结 |
第四章 量子随机存取码的随机性认证 |
4.1 相关研究背景 |
4.1.1 随机存取码 |
4.1.2 量子随机性 |
4.2 准备测量模型中量子关联的表征 |
4.3 分布式2→1QRAC的随机性验证 |
4.3.1 模型分析 |
4.3.2 仿真及结果分析 |
4.4 本章小结 |
第五章 总结与展望 |
5.1 总结 |
5.2 未来工作展望 |
参考文献 |
附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文 |
致谢 |
(2)基于量子行走纠缠关联的研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景 |
1.2 国内外研究概况 |
1.3 论文组织结构 |
第二章 量子行走的性质与应用 |
2.1 一维量子行走 |
2.2 无序量子行走的纠缠能力 |
2.3 动态无序在量子行走中的实现 |
2.4 本章小结 |
第三章 量子行走中硬币与行走者纠缠关联的研究 |
3.1 引言 |
3.2 硬币与行走者纠缠的物理模型 |
3.3 硬币和行走者之间的纠缠度量 |
3.4 结果与讨论 |
第四章 量子纠缠关联研究的实验实现 |
4.1 空间非均匀量子行走的实验实现 |
4.2 最大纠缠态的制备 |
4.3 结果与讨论 |
第五章 总结与展望 |
5.1 内容总结 |
5.2 工作展望 |
参考文献 |
附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文 |
致谢 |
(3)基于路径-极化超纠缠的光量子信息处理实验研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第一章 绪论 |
第二章 量子信息的基本概念与光量子实验技术 |
2.1 常用光学元件及基础实验技术简介 |
2.2 PPKTP晶体中参量下转换与纠缠光子对的产生 |
2.3 联合光谱分布 |
2.4 量子行走简介 |
2.5 图态与稳定子态 |
2.6 量子隐形传态简介 |
第三章 量子行走在高维超纠缠态制备中的应用 |
3.1 背景介绍 |
3.2 理论方案 |
3.2.1 三个不同的量子行走模型 |
3.2.2 量子行走过中超纠缠的度量 |
3.2.3 最优硬币操作序列的选取 |
3.2.4 最优操作下纠缠产生效果分析 |
3.3 实验实现 |
3.3.1 量子行走的光学实验系统 |
3.3.2 结果分析 |
第四章 基于超纠缠演示多比特态相干性的精确估计 |
4.1 背景知识 |
4.2 理论介绍 |
4.2.1 相干性的度量 |
4.2.2 相干性上界的估计方法 |
4.2.3 相干性下界的估计方法 |
4.3 实验演示 |
4.3.1 实验装置 |
4.3.2 多比特超纠缠态制备与测量 |
4.3.3 数据分析和总结 |
第五章 潜在的量子隐形传态能力的激活 |
5.1 背景介绍 |
5.2 理论介绍 |
5.2.1 传态能力的度量 |
5.2.2 传态能力的激活 |
5.2.3 潜在量子隐形传态能力判断标准 |
5.2.4 对两类高维纠缠态的研究 |
5.3 传态能力激发实验 |
5.3.1 实验装置 |
5.3.2 局部滤波前状态的制备 |
5.3.3 局部滤波后状态的制备 |
5.3.4 传态能力测试 |
5.3.5 实验结果与分析 |
第六章 总结与展望 |
参考文献 |
致谢 |
附录A |
附录B |
攻读学位期间发表的学术论文目录 |
学位论文评阅及答辩情况表 |
(4)噪声量子行走的动力学研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第1章 引言 |
1.1 研究背景 |
1.2 研究目的和意义 |
1.3 本文的研究内容 |
第2章 基本量子理论 |
2.1 量子行走 |
2.1.1 连续时间量子行走 |
2.1.2 离散时间量子行走 |
2.2 量子纠缠及其度量 |
2.3 量子相干及其度量 |
2.4 几类随机过程 |
2.5 离散时间量子行走模拟的自旋轨道耦合效应 |
2.6 拓扑绝缘体的自旋轨道耦合效应 |
2.6.1 Bi_2Se_3的模型哈密顿量 |
2.6.2 SmB_6的模型哈密顿量 |
第3章 噪声量子行走 |
3.1 引言 |
3.2 两种退相干量子行走 |
3.2.1 量子信道噪声 |
3.2.2 幺正噪声 |
3.3 噪声量子行走 |
3.3.1 理想的量子行走 |
3.3.2 噪声量子行走及其物理实现 |
3.3.3 噪声量子行走的主方程 |
3.3.4 噪声量子行走长时间动力学的数值模拟 |
3.4 本章小结 |
第4章 表面态电子外场下的自旋极化 |
4.1 引言 |
4.2 电磁场的量子化 |
4.3 关于自旋的三个概念 |
4.4 Bi_2Se_3表面态电子的自旋极化 |
4.4.1 表面态电子在量子化σ偏振光下的自旋极化 |
4.4.2 表面态电子在量子化的π偏振光下的自旋极化 |
4.4.3 表面态电子在量子化的圆偏振光下的自旋极化 |
4.4.4 结果讨论 |
4.5 SmB_6表面态自旋极化 |
4.5.1 (?)点和(?)点的表面态无外场时的自旋极化 |
4.5.2 SmB_6表面态电子与单模外场耦合后的自旋极化 |
4.5.3 结果讨论 |
4.6 本章小结 |
第5章 总结和展望 |
5.1 论文工作总结 |
5.2 未来工作展望 |
参考文献 |
在学期间学术成果情况 |
致谢 |
(5)光纤量子保密通信系统的关键问题研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 密码学的发展史 |
1.1.1 经典密码学 |
1.1.2 量子密码学 |
1.2 量子保密通信的研究进展 |
1.2.1 量子密钥分发 |
1.2.2 量子秘密共享 |
1.2.3 量子保密通信网络 |
1.2.4 量子保密通信的标准化与产业化 |
1.3 论文的内容安排 |
第二章 量子保密通信概述 |
2.1 量子密钥分发系统 |
2.1.1 光源 |
2.1.2 传输信道 |
2.1.3 编码与解码调制 |
2.1.4 探测器 |
2.1.5 后处理 |
2.1.6 量子随机数 |
2.2 量子秘密共享协议 |
2.2.1 HBB99协议 |
2.2.2 单比特QSS协议 |
2.2.3 有层级的动态QSS协议 |
2.3 量子密钥分发协议 |
2.3.1 BB84协议 |
2.3.2 诱骗态协议 |
2.3.3 MDI-QKD协议 |
2.3.4 TF-QKD协议 |
第三章 基于标记配对相干态光源的量子密钥分发协议 |
3.1 RFI-QKD协议 |
3.2 缺陷光源下的量子密钥分发协议 |
3.3 四态的HPCS的参考系无关的量子密钥分发协议 |
3.4 密钥率计算 |
3.5 本章小结 |
第四章 可自由选择用户的量子通信方案 |
4.1 理论协议 |
4.1.1 双向QKD协议 |
4.1.2 环形QSS协议 |
4.1.3 安全性分析 |
4.2 可自由选择用户的量子通信方案 |
4.2.1 方案原理图 |
4.2.2 偏振模块 |
4.2.3 可自由选择用户模块 |
4.2.4 方案实施 |
4.3 仿真模拟结果与讨论 |
4.4 本章小结 |
第五章 完全对称的可制备和测量量子态的量子密钥分发系统 |
5.1 QKD的方案类型 |
5.1.1 相位编码 |
5.1.2 偏振编码 |
5.1.3 Time-bin编码 |
5.2 方案内容 |
5.3 实验结果与讨论 |
5.4 本章小结 |
第六章 基于波分复用技术的参考系无关的量子密钥分发协议的性能分析 |
6.1 量子密钥分发网络 |
6.2 波分复用技术 |
6.3 基于波分复用技术的参考系无关的量子密钥分发协议 |
6.3.1 基于波分复用的RFI-QKD协议 |
6.3.2 信道噪声 |
6.3.3 密钥生成率计算 |
6.3.4 仿真结果分析 |
6.4 本章小结 |
第七章 总结与展望 |
参考文献 |
致谢 |
攻读学位期间发表的学术论文目录 |
(6)飞秒激光直写铌酸锂、三硼酸锂和碳化硅晶体光波导及其应用(论文提纲范文)
中文摘要 |
ABSTRACT |
符号说明 |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景和意义 |
1.2 本文的主要研究内容 |
参考文献 |
第二章 基本理论和实验方法 |
2.1 光波导基本理论 |
2.2 飞秒激光直写晶体光波导 |
2.3 光波导技术 |
2.4 共聚焦微拉曼光谱测试技术 |
2.5 光波导中的二次谐波产生与自发参量下转换 |
2.6 波导阵列基本理论 |
参考文献 |
第三章 飞秒激光直写LiNbO_3晶体多线波导及模式调控 |
3.1 实验过程 |
3.2 结果与讨论 |
3.3 小结 |
参考文献 |
第四章 飞秒激光直写LiNbO_3晶体多线、垂直双线和包层波导中的二次谐波产生 |
4.1 实验过程 |
4.2 结果与讨论 |
4.3 小结 |
参考文献 |
第五章 飞秒激光直写PPLN晶体包层波导及二次谐波产生 |
5.1 实验过程 |
5.2 结果与讨论 |
5.3 小结 |
参考文献 |
第六章 飞秒激光直写LiNbO_3晶体包层波导阵列及其特性研究 |
6.1 一维包层波导阵列及其特性研究 |
6.2 二维包层波导阵列及其特性研究 |
参考文献 |
第七章 基于飞秒激光直写LiNbO_3晶体波导的偏振光分束器及其特性研究 |
7.1 实验过程 |
7.2 结果与讨论 |
7.3 小结 |
参考文献 |
第八章 飞秒激光直写LBO晶体双线和包层波导中的二次谐波产生和自发参量下转换 |
8.1 实验过程 |
8.2 结果与讨论 |
8.3 小结 |
参考文献 |
第九章 飞秒激光直写6H-SiC晶体双线和包层波导及模式调控 |
9.1 实验过程 |
9.2 结果与讨论 |
9.3 小结 |
参考文献 |
第十章 总结与展望 |
10.1 总结 |
10.2 主要创新点 |
10.3 展望 |
致谢 |
攻读博士学位期间的学术成果及获得的奖励 |
学术论文 |
发明专利 |
参加的国内及国际会议 |
获得的荣誉、奖励 |
附三篇已发表论文 |
学位论文评阅及答辩情况表 |
(7)连续变量源无关量子随机数发生器研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 量子随机数发生器研究背景 |
1.2 连续变量源无关量子随机数发生器研究现状 |
1.2.1 连续变量量子随机数发生器研究现状 |
1.2.2 连续变量源无关量子随机数发生器研究现状 |
1.2.3 连续变量源无关量子随机数发生器的研究侧重点 |
1.3 论文结构安排 |
第二章 连续变量源无关量子随机数发生器基础知识 |
2.1 连续变量源无关量子随机数制备协议基本知识 |
2.1.1 光场量子化与正则分量 |
2.1.2 高斯态及其协方差矩阵 |
2.2 Rényi熵及熵不确定性关系 |
2.2.1 Rényi熵 |
2.2.2 熵不确定性关系 |
2.3 Holevo界及高斯态极值定理 |
2.3.1 Holevo界 |
2.3.2 高斯态极值定理 |
2.4 连续变量源无关量子随机数发生器协议介绍 |
2.4.1 基于熵不确定性关系实现连续变量源无关量子随机数发生器 |
2.4.2 基于高斯态极值定理实现连续变量源无关量子随机数发生器 |
2.5 本章小结 |
第三章 量子随机数发生器的高速随机提取算法研究与实现 |
3.1 常见的随机提取方法 |
3.1.1 Von Neumann方法 |
3.1.2 逻辑异或操作 |
3.1.3 m-LSB操作 |
3.2 Toeplitz哈希随机提取器 |
3.2.1 基于Universal2哈希函数的随机提取器及其安全性 |
3.2.2 Toeplitz哈希随机提取器的既有实现方法 |
3.3 基于异或运算的Toeplitz随机提取算法 |
3.3.1 算法设计思想 |
3.3.2 流水线型多模块并行处理 |
3.4 基于异或运算的Toeplitz随机提取算法在FPGA平台上的性能测试 |
3.4.1 计算资源 |
3.4.2 安全参数 |
3.4.3 自相关性测试 |
3.4.4 随机性测试 |
3.5 本章小结 |
第四章 连续变量源无关量子随机数发生器实际安全性分析 |
4.1 实际非理想因素 |
4.1.1 本振光强度波动 |
4.1.2 有限采样区间 |
4.2 非理想因素对连续变量源无关量子随机数发生器的安全性影响分析 |
4.2.1 本振光强度波动对源无关量子随机数发生器的安全性影响 |
4.2.2 有限采样区间对源无关量子随机数发生器的安全性影响 |
4.3 一种针对本振光强度波动问题的攻击方法 |
4.4 一种有限采样区间条件下的随机性评估方法 |
4.5 实际非理想因素对随机数生成速率的影响仿真 |
4.5.1 本振光强度波动攻击对随机数生成速率的影响仿真 |
4.5.2 有限采样区间对随机数生成速率的影响仿真 |
4.6 本章小结 |
第五章 无偏置连续变量源无关量子随机数发生器研究实现 |
5.1 连续变量源无关量子随机数发生器的系统偏置 |
5.2 连续变量量子随机数发生器中已有偏置抑制技术 |
5.3 基于马赫增德尔干涉结构实现系统偏置抑制的方法 |
5.4 基于马赫增德尔干涉结构实现无偏置源无关系统的可行性 |
5.4.1 多正交分量共存问题 |
5.4.2 环境影响问题 |
5.5 基于马赫增德尔干涉结构实现无偏置源无关系统 |
5.5.1 无偏置连续变量源无关量子随机数发生器的实现结构 |
5.5.2 无偏置连续变量源无关量子随机数发生器的系统测试 |
5.6 本章小结 |
第六章 总结与展望 |
参考文献 |
致谢 |
攻读博士期间发表的学术论文和专利 |
(8)设备无关量子随机数扩展协议及相关理论研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 研究背景和意义 |
1.2 国内外研究现状 |
1.3 论文安排及主要研究成果 |
第二章 准备知识 |
2.1 量子力学的概率假设 |
2.2 极小熵 |
2.3 量子随机存取码 |
2.4 维数目击 |
第三章 半设备无关部分自由源量子随机数扩展协议 |
3.1 设备无关量子随机数扩展协议简介 |
3.2 模型阐述 |
3.3 可行域和随机性认证 |
3.4 解析函数 |
3.5 小结 |
第四章 基于3→1QRAC的半设备无关部分自由源量子随机数扩展协议 |
4.1 基于n→1QRAC的半设备无关量子随机数扩展协议简介 |
4.2 模型阐述 |
4.3 可行域 |
4.4 随机性认证和解析函数 |
4.5 小结 |
第五章 多黑盒定域性 |
5.1 Bell实验 |
5.1.1 非超光速行为集 |
5.1.2 量子行为集 |
5.1.3 定域行为集 |
5.2 Bell不等式及上升Bell不等式 |
5.3 宏观定域性原理 |
5.4 多黑盒定域性原理 |
5.4.1 模型介绍 |
5.4.2 傅里叶变换 |
5.4.3 数值模拟 |
5.4.4 解析计算 |
5.5 小结 |
第六章 总结与展望 |
参考文献 |
致谢 |
攻读博士学位期间发表的学术论文目录 |
博士在读期间完成的项目 |
(9)基于光电倍增管单光子脉冲幅度分布的多比特光量子随机源(论文提纲范文)
1 引言 |
2 原理及实现 |
3 结果与讨论 |
4 结论 |
(10)等时间间隔内光子数奇偶随机性的光量子随机源(论文提纲范文)
0 引言 |
1 原理及实现 |
2 结果与讨论 |
3 结论 |
四、偏振光量子随机源(论文参考文献)
- [1]贝尔不等式和非线性贝尔类不等式在量子信息中的应用研究[D]. 戴攀. 南京邮电大学, 2021
- [2]基于量子行走纠缠关联的研究[D]. 凌凯. 南京邮电大学, 2021
- [3]基于路径-极化超纠缠的光量子信息处理实验研究[D]. 房晓旭. 山东大学, 2021(12)
- [4]噪声量子行走的动力学研究[D]. 彭育凤. 东北师范大学, 2021(09)
- [5]光纤量子保密通信系统的关键问题研究[D]. 窦天琦. 北京邮电大学, 2021(01)
- [6]飞秒激光直写铌酸锂、三硼酸锂和碳化硅晶体光波导及其应用[D]. 张彬. 山东大学, 2021
- [7]连续变量源无关量子随机数发生器研究[D]. 郑子勇. 北京邮电大学, 2020(01)
- [8]设备无关量子随机数扩展协议及相关理论研究[D]. 周玉倩. 北京邮电大学, 2018(09)
- [9]基于光电倍增管单光子脉冲幅度分布的多比特光量子随机源[J]. 鄢秋荣,赵宝升,张华,廖庆洪. 光电子·激光, 2015(07)
- [10]等时间间隔内光子数奇偶随机性的光量子随机源[J]. 鄢秋荣,赵宝升,张华,廖庆洪,陈荣伶. 光子学报, 2015(06)