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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