CN107612689B - 一种基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法，Alice发送未知多维多量子比特纠缠态给Bob，包括：Alice通过经典信道告知中心服务器该未知多维多量子比特纠缠态的qudit总数，中心服务器选择传送路径数和该路径上的中继节点数，使qudit并行且均衡地通过p条路径传输；在各中继节点的协助下，中心服务器协调，Alice和Bob之间建立起p条量子信道；Alice利用量子隐形传态原理将未知的多维多量子比特纠缠态通过不同的量子信道协调并行传送给Bob；Bob执行幺正操作恢复未知多维多量子比特纠缠态，完成传送过程。本发明实现了一个未知多维多量子比特纠缠态在多条传送路径上的并行传输，链路具有动态性和灵活性，能够满足构建复杂量子通信网络的要求。

Description

一种基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法

技术领域

本发明涉及通信网络及信息传播方法，具体涉及一种量子态隐形传送方法，尤其是一种基于分流流量的未知多维多量子比特纠缠态隐形传送网络构建方法。

背景技术

量子信息和量子计算是建立在量子力学原理、经典信息科学和经典计算科学基础上的新兴交叉学科。由于量子通信具有通信容量大、安全性高等方面的独特优势，近年来量子通信技术得到了快速发展，例如量子安全直接通信、量子对话、量子密钥分发等各分支协议不断获得更新完善。

1984年，Bennett和Brassard两人利用单光子的四种偏振状态(0°偏振，90°偏振，45°偏振和135°偏振)编码二进制信息，从而提出第一个量子密钥分发协议(quantum keydistribution，QKD)，即BB84协议(参见文献C.H.Bennett,G.Brassard Quantumcryptography:public key distribution and coin tossing.In:Proceeding of theIEEE International Conference on Computers,Systems,and Signal Processing,1984)。从此以后，实验上实现量子纠缠分发的距离不断被刷新，2016年，我国发射世界上首颗量子通信卫星墨子号，卫星完成纠缠光子的制备，然后分别发送到相距很远的两个地面观测站(一个在青藏高原，一个在丽江)，通过贝尔测试表明，两个光子仍然处于纠缠状态。所以，此次试验打破了以往所有的记录，完成了1200多公里量级的纠缠分发实验，这为构建全球量子通信网络奠定了基础。

自Bennett等人在1993年提出量子隐形传态(参见C.H.Bennett,G.Brassard,etal.Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels.Phys.Rev.Lett.,1993,70(13))以来，世界各地的研究人员进行了大量的理论和实验研究。不同于超密编码利用共享纠缠和量子信道传送经典信息，量子隐形传态是利用共享纠缠、局域操作和经典通信来传送量子态。在量子隐形传态中，不需要知道待传送量子比特的状态信息，但是Alice必须传送经典信息给Bob，Bob才能执行局域操作重现未知多维多量子比特纠缠态。利用量子隐形传态原理能够完成通信双方之间的信息传递和信息处理过程，量子通信网络的中继器要依靠量子隐形传态原理来构建。

目前，在大部分有关量子信息和量子计算的方案中使用最多的是两能级量子***，但是多能级量子***也逐渐得到了深入研究。D.S.Simon等人提出了一个用于量子通信和信息处理的高维量子态物理实现方案，该方案利用高维量子态的算法编码技术能够设计一个高容量的量子通信和计算技术,并且方案能够进一步提高量子信息处理的速度、效率和网络容量。S.K.Goyal等人也在2014年基于线性光学的多维度量子态隐形传送方案。

长距离量子通信的实现很大程度上取决于构建一个高安全性、高效率、高容量的量子网络。对于量子网络的构建以及网络中量子信息传递问题，已经提出了很多不同的实现方案。2016年，Li，Z Z.等人提出了一个基于多比特GHZ态的多用户量子无线通信网络构建方案，该方案构建了一个能够保证信息传送速度和稳定性的双层网络架构协议，方案表明该量子网络能够大大地减小计算的复杂度和资源的消耗。2017年，Xiong,PY.等人提出了一个基于部分纠缠GHZ态的量子无线多跳骨干网的路由转发协议方案，利用量子隐形传态原理，量子信息能够在相邻节点间隐形传送。该方案的优势在于路由选择过程和量子信道的构建是同时进行的，而且所述信息传送方法能够减少总的数据包和接口时延。

对于多比特量子隐形传态的研究也涌现出了大量的优秀成果，2015年，Zhang,B.等人提出了一个基于四比特纠缠态的三比特量子态隐形传送方案，该方案指出可以利用四比特纠缠态，同时引入一个辅助比特和一个c-Not操作来实现三比特量子态的隐形传送。2012年，Zhou,P.等人提出了一个基于纯纠缠量子信道的多方可控的任意维度多量子态隐形传送方案，方案表明利用非最大纠缠态作为量子信道，结合多个控制方的合作能够实现任意维度的多比特量子态的隐形传送，并且接收方得到未知原始态的概率性保证了方案是最优的。

然而，如何提高量子态隐形传送的信息传输效率和灵活性，仍然是本领域需要解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法，通过传输链路的动态选择，提高信息传输效率和灵活性。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法，网络终端用户Alice发送未知多维多量子比特纠缠态

给另一终端用户Bob，包括以下步骤：

(1)终端用户Alice通过经典信道告知中心服务器该未知多维多量子比特纠缠态的qudit总数t，中心服务器选择合适的传送路径数p，然后计算出第i条路径传送的qudit数x_i，和该路径上的中继节点数q_i，使t个qudit同时并行且均衡地通过p条路径传输；在第i条传输路径上，终端用户Alice与第一个中继节点间、相邻中继节点间、最后一个中继节点与终端用户Bob之间均共享x_i对广义Bell态作为量子信道；其中，1≤p≤t，i＝1,2,…,p；

(2)各中继节点通过对自己所拥有的qudit B_t和A_t+1执行广义Bell态测量，其中，t＝1,2,…,q_i；i＝1,2,…,p，并将测量结果通过经典信道告知终端用户Bob，Bob选择相应的幺正操作与终端用户Alice建立起GBS态量子信道，即网络终端用户Alice所拥有的quditA₁和另一终端用户Bob所拥有的qudit

塌缩成一对纠缠高维量子比特，所处的量子态为GBS态；

(3)网络终端用户Alice对qudit y与qudit A₁执行广义Bell态测量，y＝1,2,…,t，并将测量结果通过经典信道传送给终端用户Bob，Bob执行相应的酉操作在qudit

上恢复qudit y的初始状态；

(4)当p条路径都完成传送任务后，t个qudit状态都转移到了终端用户Bob所拥有的qudit

上，这时，未知的多维多量子比特纠缠态

隐形传递到了由t个qudit

构成的量子***上。

进一步的技术方案，步骤(1)中，所述未知多维多量子比特纠缠态

为t比特d能级量子态，表达为：

其中，

x∈{00…0，00…1，…，d-1d-1…d-1}。

上述技术方案中，中心服务器根据未知多维多量子比特纠缠态的qudit总数t选择p条传输路径的方法为：中心服务器按照均衡流量分配算法，使得p条路径传输的qudit数量满足均衡要求，所选p条路径上分别包含q_i个中继节点，路径选择成功之后，第i条路径传输x_i个qudit，

所述广义Bell态的形式为

步骤(2)中所述广义Bell态测量所使用的广义bell态测量基具有如下形式：

其中m,n＝0,1,2,…,d-1，d为量子纠缠态的能级数，

表示模d加；

终端用户Bob根据各中继节点发来的测量结果

m_t,n_t＝0,1,2,…,d-1，选择相应的幺正变换有如下形式：

在终端用户Bob完成q_i次幺正操作之后，网络终端用户Alice所拥有的qudit A₁和另一终端用户Bob所拥有的qudit

塌缩成一对纠缠高维量子比特，所处的量子态为GBS态有如下形式：

这时所有qudit组成的***有如下形式：

步骤(3)中，终端用户Alice对qudit y与qudit A₁执行广义Bell态测量，有如下形式：

其中y＝1,2,…,t，

Alice将测量结果

通过经典信道传送给另一终端用户Bob，Bob对qudit

执行相应的酉操作U_mn以在qudit

上恢复qudit y的初始状态。

上述基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法适用于量子通信网络和信息传播技术领域。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明采用分流流量，待传送的未知多维多量子比特纠缠态不再是通过一条量子信道传送，而是将t个量子态均衡的通过p条路径分别传送，而且传送的纠缠态可以是任意多比特任意多能级的量子***，因此，本发明传输链路选择具有动态性和灵活性，能够满足构建复杂量子通信网络的要求，提高了信息传输的效率。

2、本发明的量子态隐形传送方法，由于网络终端用户Alice和另一终端用户Bob之间最终建立GBS态量子信道，整个过程所要求的GBSM测量、经典通信和局域操作都是可以实现的，而且未知态传送成功的效率也非常高。

3、当存在多组发送方与接收方时，采用本发明的方法，可利用已经存在的链路进行态传送而不需要另外构建网络；采用这种共享链路的方法，能够降低网络的复杂程度，节约资源，而且易于维护。

附图说明

图1为本发明实施例的基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法流程图；

图2为实施例中网络终端用户Alice和另一终端用户Bob以及各中继节点所组成的p条传送路径分布示意图；

图3为实施例中网络终端用户Alice和另一终端用户Bob之间建立起GBS信道后，终端用户Alice隐形传送未知多维多量子比特纠缠态中的某个qudit y的传输示意图；

图4为实施例二中以2比特未知2维2量子比特纠缠态传送网络结构示意图；

图5为两个网络终端用户Alice1和Alice2共享链路进行态传送示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：本发明的主要实现思想是：在基于量子中继器的长距离通信***中，网络终端用户Alice通过多条传输路径向另一终端用户Bob发送未知多维多量子比特纠缠态

在各中继节点的帮助下，利用纠缠交换原理建立起终端用户Alice和另一终端用户Bob之间的长距离量子信道，然后结合量子隐形传态实现安全高效的量子信息传输。其中，传输路径的选择将体现分流流量的思想，将t个qudit分成p组，同时并行的通过p条路径传输，这样能够提高量子信息传输的效率和安全性。

参见图1和图2，一种基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法，该方法具体实施步骤如下：

步骤1、网络终端用户Alice想要发送未知多维多量子比特纠缠态

给另一终端用户Bob，首先终端用户Alice通过经典信道告知中心服务器该未知多维多量子比特纠缠态的qudit总数t，中心服务器选择合适的传送路径数p(1≤p≤t)，然后计算出第i(i＝1,2,…,p)条路径传送的qudit数x_i(i＝1,2,…,p)和该路径上的中继节点数q_i(i＝1,2,…,p)，以此实现t个qudit同时并行且均衡的通过p条路径传输。在每条传输路径上，终端用户Alice与第一个中继节点间、相邻中继节点间和最后一个中继节点与终端用户Bob之间均共享x_i(i＝1,2,…,p)对广义Bell态(GBS)作为量子信道。

其中所述未知多维多量子比特纠缠态

为t比特d能级量子态，那么它一定可以写成如下形式：

其中

x∈{00…0，00…1，…，d-1d-1…d-1}。

所述中心服务器根据未知多维多量子比特纠缠态的qudit总数t选择p(1≤p≤t)条传输路径的过程为：中心服务器按照一种均衡分配算法，使得p条路径传输的qudit数量尽量均衡，所选p条路径上分别包含q_i(i＝1,2,…,p)个中继节点，路径选择成功之后，第i(i＝1,2,…,p)条路径将要传输x_i(i＝1,2,…,p)个qudit，其中

所述广义Bell态(GBS)的形式为

由于第i(i＝1,2,…,p)条路径将要传输x_i(i＝1,2,…,p)个qudit，所以要求在该路径上，终端用户Alice与第一个中继节点间、相邻中继节点间和最后一个中继节点与终端用户Bob之间均共享x_i(i＝1,2,…,p)个纠缠对作为量子信道。

步骤2、各个中继节点通过对自己所拥有的quditB_t和A_t+1(t＝1,2,…,q_i；i＝1,2,…,p)执行广义bell态测量(GBSM)，并将测量结果通过经典信道告知终端用户Bob，Bob选择相应的幺正操作能够与终端用户Alice建立起GBS态量子信道，即终端用户Alice所拥有的quditA₁和另一终端用户Bob所拥有的qudit

(i＝1,2,…,p)塌缩成一对纠缠高维量子比特，所处的量子态为GBS态。

其中所述广义bell态测量(GBSM)所使用的广义bell态测量基具有如下形式：

其中m,n＝0,1,2,…,d-1，

表示的是模d加。

所述终端用户Bob根据各中继节点发来的测量结果

(t＝1,2,…,q_i；i＝1,2,…,p；m_t,n_t＝0,1,2,…,d-1)，选择相应的幺正变换有如下形式：

在终端用户Bob完成q_i(i＝1,2,…,p)次幺正操作之后，终端用户Alice所拥有的qudit A₁和另一终端用户Bob所拥有的qudit

(i＝1,2,…,p)塌缩成一对纠缠高维量子比特，所处的量子态为GBS态有如下形式：

这时所有qudit组成的***有如下形式：

步骤3、参见图3所示，网络终端用户Alice对qudit y(y＝1,2,…,t)与qudit A₁执行广义bell态(GBSM)测量，并将测量结果通过经典信道传送给另一终端用户Bob，Bob执行相应的酉操作就能够在qudit

(i＝1,2,…,p)上恢复qudit y的初始状态。

其中所述网络终端用户Alice对qudit y(y＝1,2,…,t)与qudit A₁执行GBSM测量，有如下形式：

其中y＝1,2,…,t，

并将测量结果

通过经典信道传送给另一终端用户Bob，Bob对qudit

执行相应的酉操作U_mn就能够在qudit

(i＝1,2,…,p)上恢复qudit y的初始状态。

步骤4、当p条路径都完成传送任务后，t个qudit状态都转移到了终端用户Bob所拥有的qudit

(i＝1,2,…,p)上。这时，未知多维多量子比特纠缠态

成功地隐形传递到了由t个qudit

构成的量子***上。

其中，当p条路径都完成传送任务后，组成待传送未知态的t个qudit状态都转移到了终端用户Bob所拥有的qudit

(i＝1,2,…,p)上。P条路径是步骤1中，中心服务器根据均衡分配算法所确定的，它们负责将未知多维多量子比特纠缠态在终端用户Bob处重现，每条路径传输的qudit数量为x_i(i＝1,2,…,p)，其中

实施例二：

以2能级2量子比特量子纠缠态

的传输举例说明，其中|a₀|²+|a₁|²+|a₂|²+|a₃|²＝1。

步骤1、网络终端用户Alice向中心服务器发起服务请求，中心服务器根据qubit总数t＝2，选择传送路径数p＝2，假设每条路径包含均包含一个中继节点数q_i＝1(i＝1,2)。即终端用户Alice通过路径1(p＝1)传送qubit1的量子态，该路径的中继节点为中继R1；通过路径2(p＝2)传送qubit2的量子态，该路径的中继节点为中继R2；

如图4所示，在路径1上，终端用户Alice与中继节点R1共享纠缠对

中继节点R1与另一终端用户Bob共享纠缠对

其中终端用户Alice拥有qubitA₁₁，中继节点R1拥有qubitB₁₁和A₁₂，qubitB₁₂属于另一终端用户Bob。此时该路径上的总***状态为：

同理，在路径2上，终端用户Alice与中继节点R2共享纠缠对

中继节点R2与另一终端用户Bob共享纠缠对

其中终端用户Alice拥有qubitA₂₁，中继节点R2拥有qubitB₂₁和A₂₂，qubitB₂₂属于另一终端用户Bob。此时该路径上的总***状态为：

步骤2、中继R1对B₁₁和A₁₂执行广义bell态测量(GBSM测量)，同时中继R2对B₂₁和A₂₂执行广义bell态测量(GBSM测量),测量基为：

其中m,n＝0,1，

表示的是模2加。即为：

中继R1用上述测量基测量qubit B₁₁和A₁₂使得qubit A₁₁和B₁₂以相等的概率坍缩到

然后R1通过经典信道将测量结果

告知终端用户Bob，Bob根据测量结果

选择相应的幺正操作来构建终端用户Alice和另一终端用户Bob之间的GBS信道，根据

知幺正变换为：

U₀₀＝|0><0|+|1><1|

U₀₁＝|0><0|-|1><1|

U₁₀＝|0><1|+|1.<0|

测量结果和终端用户Bob执行幺正变换的关系对照表如下所示：

表1

终端用户Bob对qubit B₁₂执行幺正变换之后，终端用户Alice拥有的qubit A₁₁和Bob拥有的qubit B₁₂构成一个GBS纠缠态，

同理，中继R2通过以上相似操作，测量qubit B₂₁和A₂₂、告知终端用户Bob测量结果

Bob对qubit B₂₂相应的幺正变换U_mn能够使终端用户Alice拥有的qubit A₂₁和另一终端用户Bob拥有的qubit B₂₂构成一个GBS纠缠态，

步骤3、经过步骤2的量子信道的构建，整个联合***的状态塌缩到：

网络终端用户Alice对qubit1和A₁₁执行GBSM测量，同时对qubit2和A₂₁执行GBSM测量，并将测量结果

和

通过经典信道告知另一终端用户Bob，Bob根据下表分别对qubit B₁₂和B₂₂执行相应的幺正操作：

表2

例如当网络终端用户Alice测得qubit1和A₁₁的***状态为

qubit2和A₂₁的***状态为

终端用户Bob通过经典信道得知这两个结果，之后对qubit B₁₂和B₂₂分别执行幺正操作

和

步骤4、当两条路径都传输完毕，那么该2能级2量子比特纠缠态

被成功的隐形传递到了由qubit B₁₂和B₂₂构成的量子***上，即

其中

|a₀|²+|a₁|²+|a₂|²+|a₃|²＝1。

本实施例中，通过在两个网络终端用户之间构建多条发送路径，完成未知多维多量子比特纠缠态的隐形传送，应当指出，当存在多组发送方和接收方时，如图5所示，可利用已经存在的链路进行态传送而不需要另外构建网络，这种共享链路的方法能够进一步的降低网络的复杂程度，节约资源，易于维护。

Claims (4)

1.一种基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法，网络终端用户Alice发送未知多维多量子比特纠缠态

给另一终端用户Bob，其特征在于，包括以下步骤：

(1)终端用户Alice通过经典信道告知中心服务器该未知多维多量子比特纠缠态的qudit总数t，中心服务器选择合适的传送路径数p，然后计算出第i条路径传送的qudit数x_i，和该路径上的中继节点数q_i，使t个qudit同时并行且均衡地通过p条路径传输；在第i条传输路径上，终端用户Alice与第一个中继节点间、相邻中继节点间、最后一个中继节点与终端用户Bob之间均共享x_i对广义Bell态作为量子信道；其中，1≤p≤t，i＝1,2,…,p；

(2)各中继节点通过对自己所拥有的qudit B_t和A_t+1执行广义Bell态测量，其中，t＝1,2,…,q_i；i＝1,2,…,p，并将测量结果通过经典信道告知终端用户Bob，Bob选择相应的幺正操作与终端用户Alice建立起GBS态量子信道，即网络终端用户Alice所拥有的qudit A₁和另一终端用户Bob所拥有的qudit

塌缩成一对纠缠高维量子比特，所处的量子态为GBS态；

其中，所述广义Bell态测量所使用的广义bell态测量基具有如下形式：

其中m,n＝0,1,2,…,d-1，d为量子纠缠态的能级数，

表示模d加；

终端用户Bob根据各中继节点发来的测量结果

m_t,n_t＝0,1,2,…,d-1，选择相应的幺正变换有如下形式：

在终端用户Bob完成q_i次幺正操作之后，网络终端用户Alice所拥有的qudit A₁和另一终端用户Bob所拥有的

塌缩成一对纠缠高维量子比特，所处的量子态为GBS态有如下形式：

这时所有qudit组成的***有如下形式：

(3)网络终端用户Alice对qudit y与qudit A₁执行广义Bell态测量，有如下形式：

其中y＝1,2,…,t，

Alice将测量结果

通过经典信道传送给另一终端用户Bob，Bob对qudit

执行相应的酉操作U_mn以在

上恢复qudit y的初始状态；

(4)当p条路径都完成传送任务后，t个qudit状态都转移到了终端用户Bob所拥有的qudit

上，这时，未知的多维多量子比特纠缠态

隐形传递到了由t个qudit

构成的量子***上。

2.根据权利要求1所述的基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法，其特征在于：步骤(1)中，所述未知多维多量子比特纠缠态

为t比特d能级量子态，表达为：

其中，

x∈{00…0，00…1，…，d-1d-1…d-1}。

3.根据权利要求1所述的基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法，其特征在于：中心服务器根据未知多维多量子比特纠缠态的qudit总数t选择p条传输路径的方法为：中心服务器按照均衡流量分配算法，使得p条路径传输的qudit数量满足均衡要求，所选p条路径上分别包含q_i个中继节点，路径选择成功之后，第i条路径传输x_i个qudit，

4.根据权利要求1所述的基于量子网络中分流流量传送的量子态隐形传送方法，其特征在于：所述广义Bell态的形式为

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