基于UCA天线的轨道角动量无线电波束的研究

有研究发现,电磁波(EM)的一种特性是能够多路传输携带轨道角动量(OAM),每个电磁波波束都具有独特的螺旋相位波前。因此,轨道角动量可以作为新的资源应用于无线通信中。通过发送多个同轴数据流,这种基于OAM的复用可以潜在提高无线通信系统的容量及频谱效率。在OAM的生成方式中,均匀圆形天线阵(UCA)通过向每个天线元件馈送一定的相位偏移来辐射承载轨道角动量的电磁波波束。文中详细介绍了轨道角动量的发展现状及其基本理论,对UCA天线生成的OAM涡旋波束进行了研究。通过对UCA天线产生的涡旋电磁波波束的振幅和相位进行分析,得到了携带轨道角动量的蜗旋波束的传播特性以及具有不同OAM模数的涡旋电磁波的辐射特点。     

基于轨道角动量的双频阵列天线的设计与分析

随着通信技术的蓬勃发展,通信频带变得越来越拥挤。为了提升频谱效率和信道容量,基于轨道角动量的思想,以同轴馈电的贴片微带天线为阵元,设计了一种可以携带轨道角动量涡旋电磁波的双频微带阵列天线。HFSS的仿真结果表明,该天线的-10 dB带宽为11.37～22.77 GHz和25.06～31.71 GHz,可以产生多种模态值的OAM波束,而且各个模态的OAM波束具有良好的对称性和旋转性,并且在中心频率21 GHz和27 GHz能同时产生OAM涡旋电磁波。该系统在未来的移动通信(6G)具有广阔的应用前景。     

生成轨道角动量的圆极化螺母型贴片天线

轨道角动量(OAM)涡旋电磁波大多通过复杂的系统生成,为简易地获取OAM电磁波,设计一种圆极化螺母型贴片天线。通过控制2个馈电点的相对位置,生成特定模式的OAM圆极化涡旋电磁波。理论推导和模拟仿真结果证明了该螺母型贴片天线的有效性。与传统形状的贴片天线相比,该天线结构小巧紧凑,改善了空间辐射相位分布与谐振特性。     

基于涡旋电磁波的大容量传输天馈设计

涡旋电磁波不同轨道角动量（OAM）模态的正交性可以作为新的信息复用维度进一步提升系统通信容量。设计了一种基于双环圆形阵列的涡旋电磁天馈系统，可同时产生±1、±2四模态涡旋电磁信号。暗室测试及系统联试结果表明，设计的天馈系统模态间隔离度好，可完成4路同频BPSK数传信号的同时传输且无误码，实现了系统通信容量的提升。     

一种多轨道角动量模式双环形微带阵列天线

针对圆环形阵列天线产生轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)涡旋电磁波的技术,提出了一种基于多层板设计的双环形径向均匀圆阵列天线,用于产生多种OAM模式。以L型探针馈电的圆微带天线为单元,将多个相同的单元天线等间隔的分布在一个同心圆上组成双环形阵列天线,并采用等幅且同一圆环的相邻阵元间以连续相位差的方式馈电。HFSS仿真表明,上述天线阵可以产生具有多模式轨道角动量的涡旋电磁波束。所提出的天线可作为利用OAM进行相位分集的候选天线以增加无线通信的信道容量。     

基于涡旋电磁波的大容量通信系统设计

鉴于涡旋电磁波所体现出的独特空间电磁场分布特征,以及其携带的轨道角动量在理论上所具有的无穷维度模态正交特性,涡旋电磁波在无线通信领域和雷达探测与成像领域均表现出重要的研究价值和应用潜力;通过涡旋电磁波空间电磁场的分布和原理入手,采用在C波段设计阵元交替排布的双圆环均分天线阵列,并基于带状线屏蔽性能强的优势设计4路1分8的叠层馈电网络,从而产生4种混合模态(+1,-1,+2,-2)的涡旋天馈系统;通过搭建混合模态涡旋电磁波大容量通信系统测试收发天馈之间模态隔离度大于15dB,在此基础上加入软件无线电平台验证通信系统多路涡旋波信号传输特性,测试验证4个端口均可正确接收、解调电磁信号,实现频谱效率4倍的提升。     

两硬币量子游走模型中的相干动力学

量子游走是量子计算的重要模型,而多硬币量子游走模型由于在量子通讯协议中表现突出也越来越受到人们的关注.量子相干不仅可以刻画量子态的特点,也可以反映量子演化过程的性质.主要对一维圆上两硬币量子游走模型的量子相干性进行了分析.一方面,讨论了初始量子态和硬币算子的选取对量子相干的影响.当硬币算子为Hadamard算子且初态只要在位置子空间上是均衡叠加态,整个量子游走演化过程是具有周期性的,且量子相干仅依赖于步数和圆上顶点的个数;当初始态是均衡叠加态而对硬币算子没有任何限制时,量子相干的演化也极具规律性.另一方面,发现在利用量子游走实现完美状态转移(perfect state transfer)的过程中,硬币算子的选取直接影响量子相干的值.最后,探讨了2种量子游走模型之间的等价性,并基于此指出了其在量子隐形传输(quantum teleportation)中的应用和改进的可能性.     

基于QDP的蝶形量子网络编码方案

当前已有的蝶形量子网络方案多数只能完成量子态经公共信道进行交叉传输,并且为实现蝶形网络的量子态无损传输,通常需要消耗纠缠资源。结合量子直接传态方案中态传输的方法,提出一种在蝶形网络中传输任意已知单量子态的网络编码方案。利用处于基态的单粒子作为量子寄存器,实现每个接收节点均能同时接收到来自全部发送节点发送的不同量子态。整个通信过程不需要使用纠缠资源和测量操作,仅通过各节点执行相关酉操作即可完成通信。并且将该方案扩展至采用多种形式的量子态作为寄存器以及发送节点和接收节点个数更多的情况。     

量子态估计简介及其在超导电路电动力学系统中的应用

量子态估计是量子计算以及量子调控的基础,一般分为量子态层析,即对未知量子态(或过程的初态)进行估计,以及量子滤波,即对量子态进行实时的估计.本文首先介绍了近年来量子态层析技术新的进展,内容包括极大似然方法,压缩感知方法和线性回归方法,并分析了它们的适用范围及各自的优缺点.进一步,基于量子计算的成熟载体超导电路电动力学系统,介绍了基于连续弱测量对量子态进行实时估计的贝叶斯方法,并分析了贝叶斯估计的适用情形.进一步,通过仿真实现了量子贝叶斯估计,可以很容易发现贝叶斯方法能够精确地实时追踪量子态的演化.     

基于量子生成对抗网络的信息隐藏方案

针对量子图像信息隐藏技术在面对基于统计的隐写分析算法检测时的不安全问题,提出基于量子生成对抗网络(QGAN)的信息隐藏方案.首先利用映射规则将秘密信息映射为单量子比特门,演化得到QGAN生成器G的参数化量子电路的输入态;然后通过QGAN中的生成电路生成含密量子图像;最后通过测量含密量子图像得到样本数据后与真实数据样本作...     

基于对称W态和身份认证的安全量子通信协议

由于W态纠缠的强鲁棒性,它被认为是更适用于量子信息处理和量子安全通信的信息载体。针对4粒子W态或3粒子非对称W态量子直接通信效率低下或物理实现困难等缺陷,利用3粒子对称W态和量子身份认证机制,提出了一种新的确定型安全量子通信协议。该协议由认证码生成、量子态准备、量子态分发、安全检测与身份认证和消息通信五阶段组成,通信双方只需进行两粒子Bell基、单粒子Z基或X基测量,通信效率也有所提高,即1个3粒子W态传输1经典比特信息。安全分析证明该协议能有效抵抗各类窃听者Eve攻击和伪装攻击,具有较好的安全特性。     

基于对称W态和身份认证的安全量子通信协议

由于W态纠缠的强鲁棒性,它被认为是更适用于量子信息处理和量子安全通信的信息载体。针对4粒子W态或3粒子非对称W态量子直接通信效率低下或物理实现困难等缺陷,利用3粒子对称W态和量子身份认证机制,提出了一种新的确定型安全量子通信协议。该协议由认证码生成、量子态准备、量子态分发、安全检测与身份认证和消息通信五阶段组成,通信双方只需进行两粒子Bell基、单粒子Z基或X基测量,通信效率也有所提高,即1个3粒子W态传输1经典比特信息。安全分析证明该协议能有效抵抗各类窃听者Eve攻击和伪装攻击,具有较好的安全特性。     

多级量子无线网络传输

由于大气中充满噪声与干扰,在自由空间中进行远距离的量子通信成为一个难题。基于量子态纠缠交换的原理,通过两个中继点间接地在通信两端建立起量子信道,使得远距离量子信息的传输成为可能;通过研究源端及各中继点在不同情况下的量子态及接收端相应的量子态,进而对接收端所拥有的量子态施加不同逻辑门进行相应的逻辑变换,最终成功得到了源端所发出的信息;对具有N个中继点的系统进行了研究,解决了远距离的量子信息传输问题。     

基于单量子态的量子加密协议

由于量子的特殊性,量子加密的实现存在许多困难,因此量子密码学中量子加密协议很少。该文分析了实现量子加密的几个障碍:量子态的不确定性、量子比特传输的噪声和错误等,并且就克服这些障碍提出了量子密码的新分支-基于单量子态的量子加密协议。该量子加密协议利用传统密码学、纠错编码和量子力学原理相结合实现保密信息传递,同时分析了量子加密协议的安全性和其他特点。     

基于两步测量方法及其最少观测次数的任意量子纯态估计

量子状态层析所需要的完备观测次数d~2(d=2~n)随着状态的量子位数n的增加呈指数增长,这使得对高维量子态的层析变得十分困难.本文提出一种基于两步测量的量子态估计方法,可以对任意量子纯态的估计提供最少的观测次数.本文证明:当选择泡利观测算符,采用本文所提出的量子态估计方法对d=2n维希尔伯特空间中的任意n量子位纯态进行重构时,如果为本征态,那么所需最少观测次数memin仅为memin=n;对于包含l(2 6 l 6 d)个非零本征值的叠加态,重构所需最少观测次数msmin满足msmin=d+2l..3,此数目远小于压缩传感理论给出的量子态重构所需测量配置数目O(rd log d),以及目前已发表论文给出的纯态唯一确定所需最少观测次数4d..5.同时给出最少观测次数对应的最优观测算符集的构建方案,并通过仿真实验对本文所提出的量子态估计方法进行验证,实验中重构保真度均达到97%以上.     

基于量子隐形传态的水下传感器网络分级加密通信协议

针对水下传感器网络中通信信息安全性与水声信道通信特性的不足,提出了一种基于量子隐形传态的水下传感器网络分级加密通信协议.一级在水面基站与自由水下航行器之间,采用量子隐形传态实现两者之间共享量子密钥,利用纠缠关联空间非定域性保证其通信信息安全性;二级在水下节点到水下自由航行器之间,采用对称加密算法实现两者之间信息的加密传输,利用对称加密快捷的优点提高其通信信息效率.分别对量子攻击、经典攻击及通信效率这3个方面进行了分析,证明该协议能有效防止量子态截获、重构、替换等攻击.     

量子衍生自适应中值滤波

受量子信息处理理论的启发,提出了一种基于量子测量和量子态坍缩的自适应中值滤波原理。在提出的中值滤波中,移动窗内的图像像素采用量子叠加态表示,通过由窗内像素特征生成的测量算子对窗口图像的作用调整中值运算窗口的大小和形状。一种测量算子的生成方法被提出。计算机仿真表明,所提出的中值滤波器与传统的中值滤波器相比,具有更好的滤波效果。     

基于纯态的量子通信系统模型

量子通信与量子计算已经引起人们极大的关注.对于量子态如何用于信息处理的问题,提出了量子通信的两种基本模型:量子直接通信模型与量子隐形传态通信模型.在量子直接通信模型中,用模块化的方法将量子通信全过程分为量子信源编译码,量子信道编译码,量子信道与量子噪声模块,并详细阐述了各个模块的功能与用途.在量子隐形传态通信模型中,利用量子隐形传态特性,通过将待传粒子与纠缠对的联合测量模块化为量子调制部分,给出了基于隐形传态的量子通信一般模型.量子通信在安全性及效率方面具有经典通信无法比拟的优势.     

基于贝尔态的半量子安全直接通信协议

针对量子通信网络构建成本昂贵且效率低下的问题,基于贝尔态粒子和半量子理论,提出了一种易于实现的量子安全直接通信模型。首先,量子态的制备、Bell基测量等复杂操作交由拥有全部量子能力的服务端完成,用户端只需完成投影测量或者直接反射两种简单操作;其次,通信双方传输秘密信息前建立的量子信道以及提前共享的安全密钥,可以严格保障秘密信息不被泄露;最后,通过设计的编码规则,使得协议只使用较少量子资源就完成高效的秘密信息直接传输。通过计算可得,提出的量子安全直接通信模型粒子传输效率达到7.69%,安全模型分析表明了提出的通信模型在各种常见的攻击策略下都是安全可靠的。     

“乒乓”量子通信协议的不安全性

"乒乓"量子通信协议的量子直接通信已引起了许多学者们的关注,然而,由于双向量子信道的对称性,该协议存在安全性缺陷.基于量子纠错码(QECC)编码原理和构造技术提出了一种新的攻击策略.基于该攻击策略分别对纠缠态和非正交态的"乒乓"协议进行了论证,并从信息论角度对Eve可以获得的信息量和可能被检测到的概率进行了分析.分析结果表明,以前提出的"乒乓"量子通信协议都是不安全的,即攻击者可以在不被检测到的情况下获得传输的信息.