中尺度沙尘暴对量子卫星通信信道的影响及性能仿真

中尺度沙尘暴是美国内华达州、我国北部及中东国家等地沙尘天气的常见形式.为了研究中尺度沙尘暴对量子卫星通信信道的影响,首先分析了沙尘暴的物理特性,根据中尺度沙尘暴的扩散模型,提出了中尺度沙尘特性与量子纠缠度的关系;然后仿真了沙尘特性对量子卫星信道参数的影响.结果表明,如果沙尘扩散时间为12 h,中尺度沙尘粒子半径分别为1和25μm,则量子卫星信道的纠缠度依次为0.6和0.4,信道的利用率分别为0.9和0.8,信道容量分别为0.95和0.8.由此可见,量子信道的各种参数与沙尘暴的特性密切相关.因此,为了提高量子卫星通信的可靠性,应根据沙尘灾变程度,自适应调整卫星信道的各种参数.     

基于BB84协议的量子密钥分发安全门限研究

本文分析了实际量子密钥分发过程中,量子态可能受到的各种影响因素;建立了相应的信道模型;推得了非理想信道BB84协议判别窃听的安全门限公式.通过计算与仿真,证明该公式用于估计BB84协议的安全通信门限更加准确,判断量子密钥分发过程中是否存在窃听更为有效,同时具有提高通信安全性和密钥分发效率的优点. 关键词： 信道模型 BB84协议 窃听判别 安全门限     

Heralded linear optical quantum Fredkin gate based on one auxiliary qubit and one single photon detector

Linear optical quantum Fredkin gate can be applied to quantum computing and quantum multi-user communication networks. In the existing linear optical scheme, two single photon detectors （SPDs） are used to herald the success of the quantum Fredkin gate while they have no photon count. But analysis results show that for non-perfect SPD, the lower the detector efficiency, the higher the heralded success rate by this scheme is. We propose an improved linear optical quantum Fredkin gate by designing a new heralding scheme with an auxiliary qubit and only one SPD, in which the higher the detection efficiency of the heralding detector, the higher the success rate of the gate is. The new heralding scheme can also work efficiently under a non-ideal single photon source. Based on this quantum Fredkin gate, large-scale quantum switching networks can be built. As an example, a quantum Bene~ network is shown in which only one SPD is used.     

降雨背景下量子定位系统中最优平均光子数自适应策略

基于光量子探测的无线激光通信技术在天地一体化保密通信网络中具有重要应用。基于光源光子数的泊松分布模型、大气湍流Gamma-Gamma模型、单光子探测器响应模型和相关计数信号处理方法建立了湍流信道中光量子通信系统的误码率(BER)计算模型,仿真分析了光源光子数分布、湍流信道参数、单光子探测器性能参数、相关计数方法等对系统BER的影响。结果表明,系统BER与激光脉冲平均光子数、脉冲频率和探测器探测效率呈负相关关系;而系统BER与大气湍流强度、探测器暗计数呈正相关;采用相关计数方法可有效降低系统BER,当开门次数确定时,系统存在一个最佳判别门限。所提模型可为光量子通信系统的设计与优化提供参考。     

The Time Division Multi-Channel Communication Model and the Correlative Protocol Based on Quantum Time Division Multi-Channel Communication

Based on the classical time division multi-channel communication theory, we present a scheme of quantum time- division multi-channel communication （QTDMC）. Moreover, the model of quantum time division switch （QTDS） and correlative protocol of QTDMC are proposed. The quantum bit error rate （QBER） is analyzed and the QBER simulation test is performed. The scheme shows that the QTDS can carry out multi-user communication through quantum channel, the QBER can also reach the reliability requirement of communication, and the protocol of QTDMC has high practicability and transplantable. The scheme of QTDS may play an important role in the establishment of quantum communication in a large scale in the future.     

光纤信道压力作用下量子密钥分发误码率建模与仿真

采用半正定算子测量建立了光纤信道压力作用下的误码率分析模型.以熊猫型保偏光纤为例,用所建模型进行了数值分析.结果表明: 相同作用角下,接收端误码随外界压力的增加呈上升趋势;相同压力下,除0和π/2外,接收端误码随着作用角度的增加而增加.在归一化力参量小于0.4或作用角小于π/12时,误码率小于5%.     

多粒子纠缠态QTDM通信方案及QMU协议

分析了未知的三个三态粒子纠缠态的隐形传送过程,结合纠缠源的特性,提出了量子信道时分复用方案.同时还提出了一种可传送多粒子纠缠态的量子时分多路通信方案和量子多用户协议.研究结果表明,该方案与采用BB84协议的量子通信系统相比,不仅能够实现量子多用户安全保密通信,而且误码率低.     

基于蒙特卡洛模型的脊髓损伤后神经细胞定位方法

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。     

基于最少中继节点约束的量子VoIP路由优化策略

量子信息的传输过程中,由于拥塞、链路故障等原因,导致数据分组在路由器排队,产生时延、丢包.为了保证量子Vo IP系统的性能,本文提出了基于最少中继节点约束的路由优化策略.采用基于纠缠交换的中继技术,通过优先选择最少中继节点的量子信道,实现多用户量子Vo IP通信.理论分析和仿真结果表明,当链路出现故障和拥塞时,基于M/M/m型排队系统,采用本策略,当设定量子比特的误码率为0.2,共用信道数目从4增加到8时,量子网络的呼损率由0.25下降到0.024,量子网络的最大吞吐量由64 kbps增加到132 kbps.当设定共用信道数目为4,控制量子比特的误码率从0.3到0.1时,可使量子网络最大吞吐量从41 kbps增加到140 kbps.由此可见,本策略能够极大地提高量子Vo IP网络的性能.     

降雪干扰下基于演化博弈的低轨量子卫星多用户切换策略

低轨道量子卫星是构建全球天地一体化量子保密通信网的重要组成部分。单颗低轨量子卫星服务时间有限,为了保证卫星与地面用户之间的持续通信,地面终端需要及时切换至其他可供服务的卫星。为了解决降雪环境干扰下地面多用户量子卫星切换场景下的阈值判决问题,分析了大气雪环境对量子星地链路的衰减影响,提出了一种基于演化博弈的多属性量子卫星切换策略。根据用户的带宽、卫星剩余服务时间及链路衰减三个属性定义效用函数,根据星间传输时延、信道纠缠度定义开销函数,最终得到用户的收益函数,建立演化博弈切换模型。仿真结果表明,该策略具有稳定性和公平性,能够有效均衡卫星的负载,且与基于最低链路衰减和最优纠缠度的单属性切换策略相比,切换成功率分别提升了1.2%和1.5%,这对未来降雪干扰环境下低轨量子卫星网络的多用户动态切换有一定的参考意义。