非精确量子物理操作对量子通信性能的影响与制约机理

The development of quantum communication has brought lots of challenging topics for quantum control theory. Restricted by the existing experimental technical conditions, not all of quantum physical manipulations can be realized accurately in the real experiment of quantum communication. From the perspective of cybernetics, this project will study the influencing and restraining mechanisms induced by imperfect physical manipulations on quantum communication protocols, specially quantum teleportation and dense coding. This project consists of the following parts: Build the mathematical model of imperfect quantum physical operations based on the actual physical systems; Analyze the influence and restriction on the performances of quantum communication induced by imperfect physical manipulations; Explore the performance limitations of quantum communication under the conditions of imperfect physical manipulations. The results of this project can be used to improve the stability and robustness of quantum communication systems, and provide theoretical support for the experimental research of quantum communication and its related fields.

量子通信技术的发展为量子控制理论的研究提出了众多富有挑战性的课题。受到现有实验技术条件限制，并非所有量子物理操作在实际量子通信系统中都能够精确实现。本项目将从控制论的角度出发，以量子隐形传态和密集编码为主要分析对象，以其它量子通信系统为拓展对象，揭示非精确量子物理操作对量子通信性能的影响与制约机理，首先基于实际物理系统建立非精确量子物理操作的数学模型，其次结合量子通信性能指标研究非精确物理操作对量子通信系统的影响，最后探索非精确量子物理操作条件下量子通信系统的性能极限问题。项目研究成果可用于提高量子通信系统的稳定性与鲁棒性，为量子通信及其相关领域的实验研究提供理论支撑。

量子信息技术以微观粒子为信息载体，以量子物理规律为信息存储、传输和处理准则，充分利用量子效应实现经典系统所无法完成的任务，为信息技术带来了革命性突破。量子通信等量子信息技术的发展为量子控制理论提出了众多开放性的研究课题。量子通信在安全性、通信容量等方面存在着经典通信无法比拟的优势，激发了科研人员在理论研究、实验验证与实际应用等方面不断探索，促使其在国防、政务、金融等领域发挥重要作用。.受制于现有实验技术条件，并非所有量子物理操作在实际量子通信系统中都能够精确实现。本项目从控制论的角度出发，针对“实际系统中量子物理操作无法绝对精确实现”这一事实，以量子隐形传态、量子密集编码、量子远程态制备、量子密钥协商、量子密钥分发、量子签名等量子通信协议为研究对象，探索了非精确物理操作对典型量子通信系统的性能影响与制约机理，主要研究内容包括非精确量子物理操作对量子隐形传态的影响与制约分析、非精确量子物理操作对量子密集编码的影响与制约分析、量子密钥协商协议设计与分析、量子签名协议设计与分析、自由空间参考系无关量子密钥分发关键技术研究等，并在量子系统建模、量子通信协议设计、量子通信系统性能优化等方面取得一些研究成果，其可用于提高典型量子通信系统的稳定性与鲁棒性，为量子信息领域的实验研究提供理论支撑。 .课题组通过整理相关研究成果，已发表学术论文20篇，其中SCI检索论文10篇，申请专利2项。已有1名博士后顺利出站，1名博士生、8名硕士生顺利毕业。在取得相应研究成果的基础上，课题组参与了2项量子通信网络的相关建设工程，研究成果得到了一定的应用，为后续研究工作的开展奠定了基础。