在噪声信道上进行量子隐形传态的过程中,量子Cluster态(即团簇态)会发生消相干现象,造成隐形传态传输质量下降甚至传送信息失败。为克服该影响,本文提出了一种利用部分测量进行补偿优化的方法。首先分析了在五粒子团簇态所形成的量子信道上进行受控量子隐形传态的过程,然后推导了不同测量基下的量子坍塌态,最后成功接收发送方传送的信息。接下来,我们分析了在不同噪声信道上进行隐形传态对其性能的影响,并且依据部分测量的补偿机理提出保真度补偿的纠缠优化方法。仿真结果表明,相比于仅进行弱测量的纠缠补偿方法,本文使用的部分测量的方法可以实现更高的量子隐形传态保真度,此结论对提高噪声环境下的量子隐形传态保真度性能具有一定参考意义。

交通事故、 高空坠落、 重物砸伤等原因, 可能导致人体脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）。 SCI中断了人体神经信号的传输信道, 患者大多高位截瘫, 丧失肢体功能, 大小便失禁, 导致终生残疾, 生活异常艰难。 2016年世界卫生组织统计数据显示, 全世界SCI患病率为（258～785人）/百万人口, 每年新发病率为（13.8～86人）/百万人口。 目前全球约有SCI患者600万人, 并且每年新增约60万人。 脊髓损伤一直是医学界的重难点研究课题, 医生和科研人员经过长期的研究与探索, 目前仍未找到有效的治疗方案来修复脊髓损伤后的微环境以及促使损伤神经的再生。 该方法主要针对以下两方面问题: (1) 常规的检测仪器如X射线、 核磁共振MRI检查、 CT等传统仪器只是影像和形态学方面的观察, 不能对脊髓损伤部位的神经细胞进行定位和实时的活性分析, 致使医生和科研人员对患者的病情不能精确把握, 极有可能延误患者病情, 甚至危及患者生命。 (2) 2013年12月, 西安邮电大学量子通信团队提出采用量子中继“搭桥”的方式, 即利用量子纠缠传态在脊髓损伤上断点和下断点建立“连接”, 来实现人体神经信号中继的方法; 并联合西安交通大学医学院进行大鼠和白兔的实验, 取得了突破性进展。 2015年1月16日, 中国科学院再生医学研究团队联合中国武警脑科医院, 结合间充质干细胞, 使用神经细胞再生支架完成世界首例脊髓损伤“搭桥”手术, 并取得了良好的治疗效果。 如何保证“搭桥”是建立在活性神经细胞上, 而不是已经坏死的神经细胞上？ 如何找到合适的“桥墩”位置, 使“搭桥”的距离尽可能小以保证神经信号传输的保真度能够尽可能的高？ 该文提出的方法可以实现对脊髓损伤后的神经细胞进行精确定位。 光谱分析越来越广泛的被应用在生物医学领域, 对某些疾病的早期发现和无创或微创的高效检测起着至关重要的作用。 神经特异性核蛋白可以用来特异性识别神经细胞, 由于存活的神经细胞才会产生神经递质, 因此, 在动物实验的基础上, 通过蒙特卡洛模型模拟光子在生物组织中的传输, 对平面Oxy建立极坐标转换, 得出光在生物组织中的衰减系数矩阵的计算方法, 对脊髓损伤前后的相同位置进行近红外光检测, 用聚类算法对神经元特异性核蛋白和神经递质的检测数据进行处理, 通过matlab仿真, 得出脊髓损伤前后衰减系数的二维分布图, 确定Oxy平面中脊髓损伤部位体素的X和Y坐标, 在Oxy平面的异常部位选取异常点W与Z轴建立Ozw平面, 最终确定脊髓损伤部位神经细胞的位置坐标。 该方法可以为医生和科研人员在脊髓损伤患者肢体功能重建的研究中提供理论依据。

针对量子节点间建立链路所消耗纠缠资源的差异,使用权重数值来量化现实环境对各个量子节点的影响,并根据权值确定纠缠粒子的分发。在此基础上提出一种针对量子无线多跳网络的路由协议,该协议以纠缠利用率作为路由度量条件,通过基于最大权重值的纠缠粒子分发方式和并行纠缠交换建立量子信道,实现量子态的传输。仿真分析表明,使用该路由协议可以精确找出网络中符合度量条件的量子链路,同时该路由协议中使用并行纠缠交换的交换方式降低了量子态传输的时延,在节点数为15时,并行交换比串行交换的平均时延降低了50％,而且随着链路中节点数的增加,两者的时延差异将会越来越大。为方便分析各仿真节点的权重值均设置为1至15的随机整数,通过对5节点的链路进行多次仿真发现使用基于最大权重值纠缠粒子分发方式能够传送的量子态的平均个数为14,基于串行的分发方式能够传送的量子态的平均个数为7。

本文提出了一种基于纠缠交换的量子局域网络传输模型,结合传统通信网络的树形局域网模型,使用经典通信协议,并根据以太网IEEE8023一般帧格式设置一种帧格式用来承载建立量子信道的控制信息。用户间依靠该局域网模型通过纠缠交换协议以及经典信道辅助传递控制信息来控制用户间量子信道的建立与释放,实现端到端量子信息的传输。对该网络的吞吐率进行分析表明,当节点时延为1 μs,将传输过程中理想条件下的概率PSW、Pbel、Ptes设为08,则吞吐率随着网络中纠缠粒子生成概率Pbor增加而显著增加,最大为550 kb／s;将传输过程中理想条件下的概率Pbor、Pbel、Ptes设为08,吞吐率也随着网络中纠缠交换成功概率PSW的增加而增加,最大为450 kb／s;同时当节点时延每增加1 μs,相同条件下的网络吞吐率将下降50％。因此,在将来量子局域网设置中应尽量提升纠缠交换过程的成功率,同时优化信道,降低经典信道的时延以提高量子局域网中的的系统吞吐率。

本文提出了一种利用弱测量进行纠缠预补偿的方法。首先分析了十粒子Cluster态的受控双向量子隐形传态的传输过程, 通过理论推导给出了不同测量基下相应的幺正变换, 成功得到对方待传的未知量子态。在此基础上重点研究了振幅阻尼噪声对量子隐形传态纠缠保真度的影响, 并根据弱测量和反馈测量对量子传输信道的调控特性, 提出了预补偿的纠缠优化方法。理论分析与性能仿真结果表明, 相比于现有纠缠优化方法, 本方法不需要引入任何辅助粒子和复杂的系统操作就能获得更高的隐形传态保真度, 对克服纠缠退相干带来的隐形传态质量下降具有一定意义。

为了研究中层海水中水色三要素对水下量子通信性能的影响,首先根据水色三要素的吸收和散射模型,提出了海水中叶绿素浓度、光量子信号波长和水下量子链路衰减的关系;然后针对退极化信道,分析了叶绿素浓度、光量子信号波长与信道容量、信道平均保真度和信道误码率之间的定量关系。仿真结果表明,传输距离为20 m,当叶绿素浓度分别为0.5 mg/m3和1.5 mg/m3时,水下量子通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率依次分别为0.263 1和0.142 3,0.705 2和0.553,0.037 05和0.029 17.当波长分别为400 nm和800 nm时,通信信道容量、信道平均保真度、信道误码率依次分别为0.229 1和0.428 3,0.914 2和0.943 7,0.012 36和0.006 87。由此可见,叶绿素浓度和光量子信号波长对水下量子通信性能有显著的影响。应根据对海水水色三要素的探测情况,自适应调整系统的各项参数。

为了研究尘埃等离子体中带电尘埃的粒子半径、粒子浓度和带电荷数对量子通信性能的影响, 首先根据Mie散射理论得到单个带电尘埃粒子的光散射截面; 然后通过粒子浓度求出总的消光截面, 得出链路衰减的数学模型, 提出了带电粒子特性与量子纠缠度的关系; 针对退极化信道, 当单个尘埃粒子所吸附带电粒子的个数为50时, 给出了尘埃粒子半径、粒子浓度与信道容量和量子误码率的定量关系. 仿真结果表明, 当量子信号的传输距离为10 km时, 尘埃粒子浓度从1×1010 m-3增加到10×1010 m-3, 信道容量从0.672 6降低到0.107 5; 尘埃粒子半径从0.1 μm增加到10 μm时, 量子误码率由1.334×10-3增加到5.309×10-3. 由此可见, 尘埃等离子体中带电尘埃粒子的半径和浓度对量子卫星通信性能有显著的影响. 因此, 为确保量子通信的可靠性, 应根据所探测到的等离子体环境的状况, 调整卫星通信系统的各项指标参数.

为了研究混合粒子的不同混合方式对星地量子卫星通信的影响, 根据灰霾粒子与水云粒子的谱分布函数, 以及不同混合方式下的消光系数, 提出了外混合方式中星地量子信道衰减的计算关系, 建立了内混合方式中的Core-shell信道衰减模型; 分析了在不同混合方式下, 混合粒子的粒径比与信道平均保真度、信道误码率之间的定量关系.仿真结果表明, 当混合粒子的粒径比分别为0.2和0.8时, 外混合粒子对应信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别为0.39和0.27,0.8和0.8,0.003和0.009; 内混合粒子对应信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别为0.8和0.21, 0.94和0.81,0.018和0.021.由此可见, 灰霾粒子和水云粒子的不同混合方式对量子卫星通信性能的影响有显著差别.因此, 在实际的量子卫星通信系统中, 应根据混合粒子的不同混合方式自适应调整系统的各项参量, 以提高星地量子通信链路的可靠性.

2016年8月16日1时40分, 我国长征二号运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。然而, 有关宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background radiation, 简称CMB)对量子卫星信道通信性能及纠缠储备量影响的研究, 至今尚未展开。为此, 本文根据CMB辐射谱与黑体辐射谱完美的拟合特性和小尺度范围内的各向异性, 得到CMB绝对温度、辐射波长和黑体辐出度的关系。针对幅值阻尼信道, 建立了CMB绝对温度、黑体辐出度、辐射波长、信道平均保真度和纠缠度之间的定量关系。仿真结果表明, 当CMB绝对温度为2.7 K和3.0 K时, 黑体辐出度分别为0.03 W·μm和3.72 W·μm, 量子卫星信道的平均保真度和纠缠度分别为0.64、0.43和0.41、0.12。由此可见, CMB对量子卫星信道通信性能的影响极大。因此, 在实际的量子卫星通信系统中, 应根据不同的CMB绝对温度, 自适应调节算符纠缠的幺正操作, 改变信道的纠缠储备量, 使信道纠缠度维持在相对稳定的状态, 降低CMB对卫星信道通信性能的影响。

交通意外、 高空跌落、 机械撞击等事故, 可能导致人体脊髓损伤, 从而中断了人体神经信号的传输信道, 致使部分肢体功能的丧失。 由于目前没有脊髓受损部位神经细胞活性检测的方法, 而常规的检测仪器如X射线、 CT等传统仪器不能提供神经细胞活性的任何信息, 医生无法对患者病情有更清晰的了解, 这就可能延误最佳的治疗时机, 致使患者终生瘫痪。 光谱学方法可以检测细胞组织的改变, 且近红外光谱技术是一种测量速度快, 操作简便的无损测量技术。 所以, 针对现有医学检测设备的不足, 在动物实验的基础上, 根据物质在近红外光波段的吸光特性, 并结合近红外光谱分析技术的定性判别和定量分析的特性, 通过对脊髓损伤后神经细胞活性的检测, 采用聚类算法对脊髓损伤部位的神经特异性核蛋白和神经递质进行分类和仿真, 并采用偏最小二乘算法计算其含量, 实现了脊髓损伤部位神经细胞活性的精确检测。 该方法为脊髓损伤后神经细胞活性的检测提供理论依据, 给患者带来肢体功能重建和康复的希望, 为临床医学提供了一种无创检测神经细胞活性的方法。