通信工程师、量子信息研究人员、信息安全专家、对未来通信技术感兴趣的研发人员。
理解量子力学基础概念(叠加态、纠缠态、测不准原理)。
掌握量子通信的核心技术(量子密钥分发QKD、量子隐形传态)。
了解量子通信的工程实现与未来发展趋势。
量子通信概述:量子通信的定义与发展历程;量子通信的价值(无条件安全、超强计算能力);量子通信与经典通信的关系;量子通信的主要分支(量子密钥分发、量子隐形传态、量子密集编码)。
量子力学基础:量子比特(qubit)的概念与经典比特的区别;叠加态原理(同时处于0和1);纠缠态(EPR对)的非定域性;测不准原理(不确定性关系);不可克隆定理(量子态的不可复制性)。
量子密钥分发(QKD):QKD的原理(利用量子态传输密钥);BB84协议的过程(偏振编码/相位编码);E91协议(基于纠缠光子对);QKD的安全性证明(窃听必被发现)。
QKD工程实现:单光子源与弱相干光源;单光子探测器(雪崩二极管、超导纳米线);QKD的编码方式(偏振编码、相位编码、时间-bin编码);QKD的系统组成(发射端、接收端、经典信道)。
量子隐形传态:量子隐形传态的原理(利用纠缠态传输量子态);隐形传态的过程(贝尔测量、经典通信、幺正变换);隐形传态的意义(实现量子中继、量子网络)。
量子通信网络:量子通信网络的分层架构(量子层、经典层);量子中继器的原理(纠缠交换、纠缠纯化);量子存储器的要求;量子网络的路由与调度。
量子通信安全:量子通信的安全性基础(物理定律保障);QKD的信息论安全性;实际系统的安全性漏洞(探测器侧信道攻击、特洛伊木马攻击);测量设备无关(MDI)QKD的防护机制。
量子通信与经典通信融合:QKD与经典通信的共纤传输(波分复用);QKD在现有光纤网络中的部署;量子通信与经典加密算法的结合(一次一密);量子通信在金融、政务等领域的应用。
量子通信标准与测试:量子通信的标准组织与标准进展;QKD设备的性能指标(成码率、传输距离、误码率);QKD系统的测试方法;量子通信的互操作性要求。
量子通信卫星:自由空间量子通信的优势(大气窗口、无退相干);"墨子号"量子科学实验卫星的任务与成果;星地量子密钥分发;量子星座的展望。
量子通信未来展望:量子互联网的愿景;分布式量子计算;量子传感与精密测量;量子通信面临的挑战(距离受限、速率受限、成本高昂)。
综合实践项目:量子通信模拟实验(基于Python仿真BB84协议),包含单光子模拟、偏振态编码、量子信道传输、窃听者模拟与密钥提取,通过仿真理解QKD的核心原理。