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量子信息学是由量子力学和信息科学结合形成的一门新兴学科。量子力学中的非局域特性和态叠加特性在理论上保证了量子信息处理的安全性和高效性。因其具有经典信息学所无法比拟的优势,近年来量子信息学得到了广泛的关注和发展。其中,量子态传输是量子信息学领域发展最快的研究课题之一,是实现远程量子通信和量子计算的必要步骤,在基础理论和实际应用两方面均有重要意义。 在基于纠缠的量子信息传输理论研究中,如何克服退相干效应的消极影响,提高量子态传输的效率是一个核心课题。在量子中继网络中,满足广域量子通信需求,研究高安全性、高成功概率的量子态传输方案是一个重要课题。基于此,本文以部分纠缠为背景,对广域量子通信网络以及安全高效的量子隐形传态网络通信协议、远程量子态制备等进行了深入研究,所取得的主要研究成果如下: 1.提出了基于卫星纠缠分发的两层数据库结构的广域量子通信网络架构。针对现有量子隐形传态网络通信方案中存在的不足,即安全性漏洞和量子态传输成功概率低,提出了高安全性、高成功概率的量子隐形传态网络通信协议,实现了广域量子通信网络中任意两个节点间的量子态传输。利用类Bell态的纠缠交换建立端到端的量子信道,提高了量子态传输的安全性。在隐形传态过程中,引入具有预报机制的辅助量子比特,构造了特殊的酉矩阵进行量子态恢复,提高了量子态传输的成功概率。性能分析表明,协议在量子态传输的效率和安全性方面优于现有的量子隐形传态网络通信方案。 2.提出了一个能够传输任意量子比特的资源节约型受控隐形传态协议。针对现有受控量子隐形传态协议中存在的不足,即控制方失效、信道纠缠度要求高、不能传输任意单量子比特等,我们首先设计了量子逻辑线路,得到了一族特殊的三粒子部分纠缠态。随后利用得到的部分纠缠态作为量子信道,提出了一个新的受控隐形传态协议。理论分析表明,协议能够传输任意单量子比特,且态传输的保真度为1,成功概率为100%,在信道纠缠度大于3/4时,协议同时保证了控制方的控制能力,因此节约了受控隐形传态所需的量子纠缠资源。 3.提出了两个与信道纠缠度无关的确定性受控远程量子态制备(Controlled Remote State Preparation, CRSP)方案,分别用于制备任意单量子比特和双量子比特。采用新的四粒子部分纠缠态及其复合作为量子信道,用投影测量和酉变换取代移相操作,提高了量子态制备的成功概率。CRSP过程中,无需执行移相操作,发送方总能以概率1向接收方传送量子信息,与部分纠缠信道的参数无关。 4.提出了两个非递归的确定性联合远程量子态制备(Joint Remote State Prepara-tion, JRSP)方案,分别用于制备任意单量子比特和双量子比特。设计了量子逻辑线路,得到的部分纠缠态用作JRSP的量子信道。构造了完备正交的投影测量基,在该测量基下,发送方执行投影测量,接收方执行Pauli酉操作,可以实现成功概率为1的JRSP,与部分纠缠信道的参数无关。量子态制备过程中无需引入辅助量子比特,避免了递归信道调制操作,提高了JRSP的效率。