شماره راهنما :
2402 دكتري
پديد آورنده :
رضائيشاد، دنيا سادات
عنوان :
پردازندههاي تمام-كوانتومي منطبق با مد و كاربرد آن در توزيع كليد كوانتومي: رويكرد سيگنالها و سيستمها
گرايش تحصيلي :
مخابرات سيستم
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
دوازده، 172ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
مخابرات كوانتومي , توزيع كليد كوانتومي , پردازندههاي تطبيقپذير با مد تمام-كوانتومي , سيگنالها و سيستمهاي كوانتومي
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/08/18
دانشكده :
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/08/19
چكيده فارسي :
با ظهور رايانههاي كوانتومي و چالشهاي امنيتي ناشي از آنها، توسعهي روشهاي جديد و كارآمد در زمينه رمزنگاري ضروري است. در اين راستا، رمزنگاري با استفاده از توزيع كليد كوانتومي به عنوان راهكاري نوين و مؤثر در حفظ امنيت اطلاعات معرفي شده است. پژوهش حاضر، به شناسايي عميق سيستمهاي توزيع كليد كوانتومي موجود و ارائهي راهكارهاي مناسب در طراحي و پيادهسازي اين سيستمها پرداخته است.
يكي از دستاوردهاي كليدي اين پژوهش، معرفي پردازندههاي كوانتومي سازگار با مد است كه قابليت تنظيم به محيطهاي ارتباطي مختلف را دارند. اين پردازندهها به افزايش تعاملپذيري بين عملگرهاي مختلف در يك پردازندهي كوانتومي و همچنين گرههاي كوانتومي در شبكه كمك ميكنند. با استفاده از اين پردازندهها، امكان دستيابي به طراحي و پيادهسازي عملگر كوانتومي در مد سيگنال مناسب فراهم ميشود كه ضمن سازگاري با ساير عملگرهاي پردازنده/شبكه، به حداكثر رساندن هماندهي و احتمال موفقيت ساختار كمك ميكند. در ادامه، اين رساله به تحليل مقايسهاي ساختارهاي نگاشت مد تمامكوانتومي ميپردازد كه به طور معمول در ارتباطات كوانتومي استفاده ميشوند. به طور خاص، ساختارهاي بررسي شده شامل نگاشتهاي مد مسير به زمان و بالعكس، قطبش به مسير و بالعكس، و قطبش به زمان و بالعكس ميباشد كه براي هر يك، هماندهي و احتمال موفقيت به طور نظري محاسبه شده است.
سپس، به بررسي عميق سيستمهاي توزيع كليد كوانتومي و چالشهاي طراحي و پيادهسازي آنها پرداخته ميشود و لايههاي مختلف نمايش اطلاعات و سيگنالهاي كوانتومي يك طرح توزيع كليد كوانتومي به طور دقيق توصيف ميشود. جزئيات هر نمايش به تفصيل مورد بحث قرار گرفته و ويژگيهاي اساسي سيستمهاي توزيع كليد كوانتومي سازگار با شبكه، از جمله پشتيباني از پروتكلهاي مختلف، با ابعاد متفاوت و انعطافپذيري در كار كردن با نرخهاي ساعت متنوع بيان شده است. علاوه بر آن، دو مدل جامع و سادهشده براي توصيف سيگنالها و سيستمهاي توزيع كليد كوانتوميِ نوع آمادهسازي و اندازهگيري ارائه شده است و عملكرد دو ساختار شناخته شده با استفاده از مدل ساده شده بررسي شده است.
در نهايت، به معرفي طرحي براي توزيع كليد كوانتومي سازگار با شبكه پرداخته كه به طور خاص، براي پاسخگويي به نيازهاي متنوع در زمينهي پروتكلهاي كوانتومي، سازگاري با مدهاي مختلف فوتونيكي و امكان تغيير نرخ ساعت طراحي شده است. اين طرح، قابليت اجراي همزمان چندين پروتكل را براي كيوديتهاي با ابعاد متفاوت در هر دو سمت فرستنده و گيرنده دارد. شبيهسازيهاي انجام شده نشاندهندهي توانايي بالاي اين مدل در پيادهسازي گيتهاي كوانتومي با دقت بالا است. به طور خاص، با استفاده از ساختار تغيير دهندهي فاز زمان-فركانس، با به كارگيري سه المان تغيير فاز كه به ترتيب در حوزههاي فركانس، زمان و فركانس پيادهسازي شدهاند، موفق به پيادهسازي گيت هادامارد دو بعدي با هماندهي 1 و احتمال موفقيت نزديك به 1 شدهايم. در صورتيكه به دليل سادگي پيادهسازي، تنها از طرحهاي فاز سينوسي براي پيادهسازي گيت استفاده شود، با حفظ هماندهي 1، احتمال موفقيت به 0.9760 كاهش مييابد. همچنين، بدون تغيير تعداد المانهاي مورد نياز، ميتوان با همان ساختار و تنها تغيير فازهاي اعمالي، گيت تبديل فوريهي سه بعدي (چهاربعدي) را با هماندهي 1 و احتمال موفقيت 0.9719 (0.9709) پيادهسازي نمود.
با توجه به پيشرفتهاي صورتگرفته در حوزه فناوريهاي كوانتومي و ارتباطات، اين پژوهش بهعنوان يك مرجع جامع براي درك بهتر سيستمهاي توزيع كليد كوانتومي و پروتكلهاي مربوطه عمل ميكند. اين مدلها و تحليلها ميتوانند به عنوان مبنايي براي پژوهشهاي آينده در اين زمينه مورد استفاده قرار گيرند و به توسعه سيستمهاي توزيع كليد كوانتومي با كارايي و امنيت بالاتر كمك كنند.
چكيده انگليسي :
The rise of quantum computing necessitates secure cryptographic solutions, with quantum key distribution (QKD) emerging as a promising candidate. This research advances QKD systems by addressing design and implementation challenges, enhancing interoperability, and optimizing performance metrics such as fidelity and success probability. A comprehensive analysis of prepare-and-measure (P&M) QKD frameworks is conducted, focusing on quantum mode-mapping structures (e.g., path-to-time, polarization-to-path, and polarization-to-time conversions and vice versa) to theoretically evaluate their performance. Mode-compatible quantum processors are introduced, enabling adaptability to diverse communication environments and seamless interaction between quantum operators and network nodes. A layered model for prepare-and-measure QKD architecture is proposed, detailing quantum information, signal, and implementation representations. Simplified model is validated using two established protocols. A network-compatible QKD scheme is designed to support multiple protocols across varied photonic modes and clock rates. Simulations demonstrate high-precision quantum gates: a time-frequency phase shifter structure achieves 2D Hadamard gate with unity fidelity and near unity success probability, while the simple sinusoidal pulse shapers yield a reduced success probability of 0.9760. The same architecture implements a 3D DFT (4D DFT) gate with 0.9719 (0.9709) success probability. This work establishes a foundational framework for scalable, high-efficiency QKD systems, offering critical insights for future quantum communication advancements.
استاد راهنما :
فروغ السادات طباطباء , جواد صالحي
استاد داور :
مهدي داوودي دراره , ذاكرحسين فيروزه , مجتبي خليلي دليگاني
