作为经典随机行走在量子世界的对应，量子行走在量子相干性和纠缠的作用下，能够以更快的速度使行走者遍历所有位置，可以应用于实现各类算法，加速解决各类问题。此外，作为描述微观粒子动力学演化的有效模型，量子行走还可以作为普适的平台实现所有幺正演化，实现量子态制备、量子逻辑门操作和量子测量等，进而实现信息处理中所有关键步骤。近年来，量子行走中的新机理和新应用的研究成为了人们普遍关注的焦点。首先介绍量子行走基本模型，再结合近年来本课题组在量子行走方向上取得的相关研究成果，介绍量子行走在实现量子通信、量子计算和量子测量方面的研究进展。

量子安全直接通信（QSDC）突破了传统保密通信的通信方式，不需要提前准备密钥就可以直接通过量子信道进行秘密信息的传输。但是在实际的量子通信系统中，窃听者Eve对于测量设备的攻击会导致秘密信息的泄露，而且这种窃听不会被侦测到。此外由于现在的量子传输方式仍然以光纤传输为主，所以无法避免光纤传输过程中噪声的影响，在这些噪声中以集体退相位噪声和集体旋转噪声影响最甚。为解决这些问题，提出了两个分别可以抵抗集体退相位噪声和集体旋转噪声的测量设备无关的QSDC协议，通过不可信第三方的测量进行信息的传递，解决了窃听者对于测量设备攻击的问题，同时通过无消相干子空间来避免集体噪声的问题，通过分析发现该协议可以有效抵抗攻击，实现绝对安全的通信。

不同用户之间的信息操控关联性在安全量子通信中具有重要的意义。EPR导引是安全量子网络中必要的资源,即一方可以利用共享的纠缠来导引相距遥远的另一方。提出一种基于纠缠交换的量子开关方案,在两个空间分离的EPR纠缠交换过程中,设置一个可调谐分束器作为控制开关,观察了EPR导引方向与可调谐分束器反射率的依赖关系,并研究了不同用户之间导引方向的操控。该方案对安全量子通讯具有参考价值。

量子卫星在自由空间的通信容易受到电离层、空间等离子体和冰晶粒子的干扰，这些因素会干扰量子卫星的正常通信。为了提高量子卫星链路的抗干扰能力，首先提出了基于量子纠缠反馈控制（quantum entanglement feedback control ，QEFC）的优化策略。QEFC是通过对腔中泄露的光子进行测量，利用测量得到的信息估计原子的状态，进而调节控制器，改变腔中原子的自旋。建立了不同环境因子与保真度、误码率之间的关系，并对采用QEFC前后的系统性能参数进行了比较，最后进行了性能仿真。结果表明，在振幅阻尼信道和退极化信道中，QEFC能够提高自然环境干扰下量子卫星通信系统的保真度；在空间等离子体环境中，当等离子粒子的半径为10 μm，传输距离为200 km时，利用QEFC可将误码率从13.7×10^-3降低至9.4×10^-3。由此可见，QEFC能够有效提高量子卫星通信系统的链路性能。

模分复用技术可实现量子信号与经典光信号的共纤同传。针对量子模分复用同传系统构建同时存在非线性效应和模式耦合的量子密钥生成率模型,通过仿真计算量子密钥生成率与通信距离的关系。仿真结果表明:该系统的最大安全通信距离过短,且与传统量子密钥分发系统的性能相比存在较大差距。因此在此基础上提出基于双诱骗态的量子模分复用同传方案,以增大复用同传的最大安全通信距离。同时为了充分利用光纤信道的资源,对空闲模式信道进行多路量子信号复用传输,进一步改善量子模分复用同传系统的通信性能,缩小与传统的量子密钥分发系统的差距。

基于少模光纤模分复用的量子—经典信号同传方案中,光纤内的模式耦合效应会导致信道间发生串扰,造成误码。为此,构建了少模光纤分段化链路模型,研究了光纤拼接误差导致的模式耦合强度大小,并在此基础上推导了存在模式耦合时系统的量子误码率(QBER)公式。通过比较各模式所受到的耦合强度,确定该同传方案中量子信号的最优传输模式;进一步讨论了不同纤芯轴向偏移距离、扭转角度和光纤长度对系统QBER的影响。结果表明,这三个影响链路模式耦合强弱的因素都与QBER成正相关,光纤拼接误差较小的短距离量子—经典信号模分复用同传系统可有效降低QBER。

研究了三种常见天气降雨、降雪和雾霾对采用不同波长信号的自由空间量子通信系统的安全密钥率的影响。利用建立的基于连续变量高斯调制的量子密钥分发传输模型,分析了在个体攻击和集体攻击情况下Bob分别采用零差检测和外差检测时,不同天气条件和不同信号光波长对安全密钥率的影响。随后仿真得到了不同天气情况和等级、不同波长量子信号、不同攻击类型和不同检测方式条件下安全密钥率随传输距离的变化关系,并对结果进行了分析。研究结果可以为实际的自由空间量子通信系统的设计提供一定的参考。

运用量子熵理论,探讨了Λ型三能级原子与Pólya态光场相互作用时,光场分布参数、原子相对失谐量、最大光子数、光场概率参数和原子初态对系统量子纠缠特性的影响。结果表明:当Λ型三能级原子与Pólya态光场相互作用时,若初态为两能级等权叠加态,各参量取适当值时可得到最大纠缠度较小的、稳定的、周期性振荡的量子纠缠态,若初态为激发态或三能级等权叠加态,各参量取适当值时可得到最大纠缠度为1.1的、稳定的、周期性振荡的纠缠态。