CN109982410B - 基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法及架构 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子通信技术领域，公开了一种基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法及架构，以无线量子mesh网络中的节点跳数，往返时间参数的综合权值作为路由的开销值，利用最小生成树的方法使各节点逐级入网，构建网络中的经典信道；然后网络中的部分节点作纠缠粒子的制备和分发，另一部分节点做量子纠缠交换和测量，构建量子信道；最后通过量子隐形传态的方法，在源节点和目的节点之间进行量子信息的传输。本发明可以将具有复杂结构的无线量子mesh网络早逻辑上视为一种树状无环的网络拓扑，从而避免了网络风暴的产生；提出了“两两结合”方案来建立源节点和目的节点之间的量子信道。

Description

基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法及架构

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法及架构。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

量子通信是经典信息理论和量子力学相结合的一门交叉学科，是利用量子态携带信息的全新通信方式，在通信安全性、计算能力、信息传输、通道容量、测量精度等方面突破经典通信技术的极限，已成为21世纪通信与信息领域发展的新方向和主流。相比于经典通信，量子通信的一个重大优势是可以实现严格数学证明下的安全性。量子通信是以量子态独有特性突破传统安全通信技术的束缚(使用微观粒子携带的量子态信息实现安全通信)，具有不可窃听、不可复制性和理论上的“无条件安全性”，从而保证了通信的安全，在网络技术、信息安全领域有着重大的应用价值。

量子纠缠状态(Quantum entangled state)是两个或多个量子***之间的非定域、非经典的关联，是量子***内各子***或各自由度之间关联的力学属性。量子纠缠状态是微观世界物质之间的一种特有的现象，因此也是量子信息理论中的特有概念。在1993年，Bennett等人就以量子纠缠为基础，首次提出了量子隐形传态(Quantum Teleportation,QT)^[1]。稍后，

就以量子隐形传态为研究基础，提出了量子纠缠交换(Quantum Swapping)^[2]的思想。

关于量子隐形传态、纠缠交换的研究被人们提出以后，就引起了广泛的关注。比方说，2000年，杨等人就研究了量子隐形传态的多粒子泛化问题^[3]，P.van Loock等人就研究了连续变量的隐形传态^[4]。2001年周等人就通过2能级纠缠态实现S能级的量子纯态隐形传态方案^[5]。2003年赵等人首次实验验证四光子Greenberger-Horne-Zeilinger纠缠中量子非局域性^[6]，并且提出了了基于纠缠交换的量子中继器模型。2012年，潘建伟团队在国际上首次成功实现百公里级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定了技术基础^[7]。在2016年，Frédéric Grosshans等人提出了连续量子变量的量子克隆和隐形传态准则^[8]。

就目前而言，对于纠缠交换、量子隐形传态的研究已经是比较成熟的。伴随着量子通信技术的不断发展，将纠缠交换、隐形传态作为理论基础和重要技术手段，已然成为了人们探究构建量子通信网络以及节点间路由策略的主要思路。上述这些研究，在理论上和实验上都验证了构建量子通信网络的可行性,人们以这些研究成果为基础,开始了对量子通信网络拓扑结构和通信协议的研究。朱畅华等人就提出了一种量子局域网的方案并对其进行性能分析^[9]。Frédéric Dupuis等人就研究了量子广播信道协议的问题，并提出方案^[10]，周南润等人设计了基于纠缠关联的数据链路层量子通信协议^[11]。周小清等人用纠缠交换的思想对量子隐形传态网络的互联和路由策略进行了探究，并且以此为研究基础，结合经典网络，提出了量子隐形传态网络中组播和广播协议^[12,13]。

随着人们对量子通信网络拓扑，路由策略和通信协议的不断深入研究，提出了一些更具特色的量子通信网络研究方案。例如，余旭涛等人提出了一种基于量子隐形传态的无线自组织量子通信网路由协议^[14]。刘晓辉等提出了无线量子广域网的构建及其路由策略^[15]，聂敏等研究了基于分组交换的量子通信网络传输协议并进行了性能分析^[16]。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)由于无线Mesh网络是近年来得到迅速发展的一种无线宽带接入网络技术，对无线量子Mesh网络的研究还比较少。另外，文献[14]中提出的解决方案，路由发现过程基于广播机制。如果在大型网络中使用一次路由请求，则整个网络中的大多数节点都可能加入。传入时，大量的请求消息占用信道，降低了网络的通信能力。文献[16]，在文献[14]的基础上，将经典通信网络中的分组传输思想应用于量子通信网络。要发送的信息被分成由源主机发送的多个消息以及中间路由节点。分别转发到达目标主机。但是，该解决方案并不能解决如何避免路由发现期间可能发生的环路。

(2)现有无线量子Mesh网络技术中，没有通过最小生成树的思想选择合适的通信路径，将节点路由器进行编号，标记，从而使合适的节点路由器制备和分配纠缠量子对建立量子信道，传输量子信息。(3)现有无线量子网络中，建立量子信道大多是从源节点开始向目的节点逐一进行量子纠缠交换操作，直到目的节点收到测量信息的方法；或者分别从源节点和目的节点开始向中间节点进行量子纠缠交换，当中间某一节点收到来自两方的测量信息的方法。然而，这些方法要进行很多次测量，这些测量信息会经过经典信道进行传输，消耗很多网络资源，增加了网络的负荷。

解决上述技术问题的难度在于：

(1)如何将通信网络转换成树状无环的网络拓扑结构。现有的最小生成树方法有很多种，如何选择一种合适的方法来将通信网络在逻辑上转换成一种树状无环的网络结构，从而建立节点之间的经典信道。

(2)在建立好经典信道之后，如何选择合适的节点路由器制备和分配纠缠粒子对，从而建立量子信道。本方案建立量子信道的方法需要将节点路由器进行编号，分组，从而进行纠缠交换。而如何选择分组的方法，使不同的节点路由器所持有的粒子产生纠缠，是构建量子信道的关键。

而解决上述技术问题的意义在于：将量子通信技术运用到无线Mesh网络，能够提高建立量子信道的效率，减少经典信道的网络负载，提高网络的利用率。除此之外，还能够保证网络中的用户能够进行安全通信。

参考文献：

[1]Bennett C H,Brassard G,Crépeau C,et al.Teleporting an unknownquantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels.[J].Physical Review Letters,1993,70(13):1895.

[2]

M.Bell theorem involving all settings of measuringapparatus[J].Physics Letters A,1993,177(4–5):290-296.

[3]Chuiping Y,Guangcan G.Multiparticle Generalization ofTeleportation[J].Chinese Physics Letters,2000,17(3):162.

[4]Loock P V,Braunstein S L,Kimble H J.Broadband teleportation[J].Phys.rev.a,2000,62(2):117-134.

[5]Zhou J,Hou G,Zhang Y.Teleportation scheme of S-level quantum purestates by two-level Einstein-Podolsky-Rosen states[J].Physical Review A,2001,64 012301

[6]Zhao Z,Yang T,Chen Y A,et al.Experimental Test of QuantumNonlocality in Four-photon Greenberger-Horne-Zeilinger Entanglement[J].Physics,2003,91(18):11173-11186.

[7]Yin J,Ren J G,Lu H,et al.Quantum teleportation and entanglementdistribution over 100-kilometre free-space channels[J].Nature,2012,488(7410):185.

[8]Grosshans F,Grangier P.Quantum cloning and teleportation criteriafor continuous quantum variables[J].Physical ReviewA,2016,64(1):783-97.

[9]Zhu C H,Pei C X,Ma H X,Yu X F.A scheme of quantum local networksand performance analysis[J].Journal ofXidian University,2006,33(6).

[10]Dupuis F,Hayden P,Li K.AFather Protocol for Quantum BroadcastChannels[J].IEEE Transactions on Information Theory,2010,56(6):2946-2956.

[11]Nanrun Z,Zeng G H,Gong L H,et al.Quantum communication protocolfor data link layer based on entanglement[J].Acta Physica Sinica,2007,56(9):5066-5070.

[12]Zhou X Q,WuYW,Zhao H.Quantum teleportation internetworking androuting strategy[J].Acta Physica Sinica,2011,60(4):35-40.

[13]Zhou X Q,WuYW.Broadcast and multicast in quantum teleportationinternet[J].Acta Physica Sinica,2012,61(17).

[14]Xu X T,Xu J,Zhang Z C.Routing protocol for wireless ad hocquantum communication network based on quantum teleportation[J].Acta PhysSin,2012,61(22):514-518.

[15]Liu X H,Nie M,Pei C X.Quantum wireless wide-area networks androuting strategy[J].Acta Physica Sinica,2013,62(20):200304-200304.

[16]Min N,Wang L F,Yang G,et al.Transmission protocol and itsperformance analysis ofquantum communication network based on packetswitching[J].Acta Physica Sinica,2015.

[17]Yi Q,Zuo H J,Sun X L,et al.Research on tree topology-basedrouting protocol in wireless mesh network[J].Computer Engineering and Design,2010,31(9):1893-1897

[18]Yin J,Ren J G,Lu H,et al.Quantum teleportation and entanglementdistribution over 100-kilometre free-space channels.[J].Nature,2012,488(7410):185-188.

[19]Peng C,Pan J.Quantum Science Experimental Satellite“Micius”[J].Bulletin of ChineseAcademy ofSciences,2016.

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法及架构。

本发明是这样实现的，一种基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法，所述基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法包括：

以无线量子mesh网络中的节点跳数，往返时间参数的综合权值作为路由的开销值，利用最小生成树的方法使各节点逐级入网，构建网络中的经典信道；

然后网络中的部分节点作纠缠粒子的制备和分发，另一部分节点做量子纠缠交换和测量，构建量子信道；

最后通过量子隐形传态的方法，在源节点和目的节点之间进行量子信息的传输。

进一步，经典信道的建立方法包括：

将链路容量、往返时间参数的综合权值作为路由判据的开销值，以选取源主机直连的Mesh路由器作为根节点，新节点接收已入网节点发送的Hello包，Hello包包括已入网络节点的路由开销值，构建和维护邻居表，并通过邻居表计算出到不同父节点的开销值，最终选择路由开销值最小的节点作为父节点，逐级入网；在逻辑上将整个无线Mesh网络转化为一个树状无环拓扑结构；

构建好了树状无环的网络拓扑之后，源主机节点发送一个路由发现报文，用于找寻从源主机节点到目的主机节点的路径；对以太网数据包进行再次封装后发送出去；

当路径中节点接收到报文后，拆分报文，得到包头1，包头2，包头3；然后对比接收节点和目的节点是否一致，若不一致表示该节点不是目的节点，那么将包头3中的当前跳数和目的跳数加1，再将包头1中的接收节点置为下一跳路由器，最后封装并转发；若一致表示该节点是目的节点，那么就停止转发；

当目的节点收到路由发现报文后，再反向发送一个应答报文，告知源节点路径可达，建立量子信道；最后封装并转发；

路径中节点收到应答报文后，进行拆分，然后对比接收节点和目的节点是否一致，若不一致，则将包头1中的接收节点置为下一跳路由器，并且只将包头3中当前跳数减1，然后封装并转发。

进一步，量子信道的建立方法中，当源主机收到路由确定报文之后，确定路径可达，源主机沿着已经确定的路径再发送一个请求建立纠缠量子信道的报文；当路径中的节点路由器获知本节点已经作为所选路径中的节点，将进行量子态的传输；

量子信道的建立方法具体包括：

首先用N表示所选路径中节点路由器的个数；

如果N是奇数，所有标号是奇数的节点路由器制备纠缠粒子并分发给标号是偶数的节点路由器，其中与源主机直连的路由器节点将纠缠粒子分发给它的下一跳节点路由器和源主机，与目的主机直连的路由器节点将纠缠粒子分发给它的上一跳节点路由器和目的主机。所有拥有纠缠粒子的标号为偶数的节点就可以看成一个新节点序列，并且这些节点执行测量并进行量子纠缠交换，包括：

(i)，对于新序列，从最大编号的节点路由器开始向最小编号的节点路由器开始，每两个路由器组合在一起；新序列中节点个数是奇数，最小编号的节点不参与分组；是偶数，最小编号的节点就参与分组；

(ii)，分组之后，每组中较大编号的路由器将拥有的粒子执行C-NOT门和H门操作，并且进行测量，再将测量结果通过经典信道传送给同组中另一个路由器；

(iii)，对于在(ii)中收到测量结果的路由器，再进行分组，并且重复步骤(i)中的操作，直到源节点收到来自路由器的测量信息；

如果N是偶数，所有标号是偶数的节点器制备纠缠粒子，分发给标号是奇数的节点路由器，同时，与源主机直连的下一跳节点路由器也要制备纠缠粒子，自己保留一部分，另一部分分发给源主机。所有拥有纠缠粒子的节点就可以看成一个新节点序列。对于新节点序列的操作与N是奇数的情况一样。

进一步，奇数节点路由器制备纠缠粒子并将纠缠粒子分发给相邻节点；参与纠缠交换的节点形成一个新的序列{A，C，E，G，I，K，M}；

当N的个数为奇数K时，拥有的J₂粒子和路由器I拥有的J₁粒子处于量子态

拥有的L₁粒子和目的节点M拥有的L₂粒子处于量子态，那么这四个粒子的总状态是：

具体包括：

第一步，节点K将J₂粒子和L₁粒子通过CNOT门和H门变换后，四个粒子表示为：

上式表明在纠缠交换之后，节点K使用{|00>，|01>，|10>，|11>}作为测量基进行测量，当测量结果是|00>，粒子J₁和L₂就处于态

第二步，当节点I从节点K接收到测量结果时，进行节点I与节点M共享纠缠粒子的纠缠态；接着，节点I再次执行纠缠交换，使粒子H₁和粒子L₂纠缠在一起，进行测量，并将测量结果传送到节点E。

第三步，节点E接收节点I的测量结果，确定自己与节点M共享的纠缠粒子的状态；然后节点E再次执行纠缠交换并将测量结果发送到节点C；

当节点C从节点E接收结果时，节点C再次执行纠缠交换；若B₁粒子和B₂粒子处于纠缠态

D₁粒子和L₂粒子处于纠缠态

节点C执行纠缠交换，结果为：

由节点A拥有的粒子B₁和由节点M拥有的粒子L₂形成纠缠；节点C然后对粒子D₁和粒子B₂进行测量，并将测量结果发送给节点A；当节点A接收到测量结果时，确定共享的纠缠粒子的缠绕状态节点M；在源节点和目的节点之间建立纠缠量子信道。

进一步，通过量子隐形传态的方法，在源节点和目的节点之间进行量子信息的传输，具体包括：

量子信道建立后，源节点通过量子隐形传态传输量子状态信息；传输的量子态是

其中α和β均是复数，满足||α||²+||β||²＝1，粒子B₁，粒子L₂和待传输的粒子的总状态是：

当源节点A对粒子

和粒子B₁做测量，粒子L₂将塌缩到相应的量子态，并将测量结果传输给目的节点M；根据测量结果，节点M对粒子L₂执行相应的幺正操作，粒子L₂变成|L₂>＝α|0>+β|1>；通过路由协议确定路径后，经过量子纠缠交换和隐形传态，携带信息的量子

通过无线量子mesh网络从源节点传送到目的节点，完成量子信息的传递。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法的无线量子mesh网络的网络拓扑架构。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明分析了无线量子mesh网络的概念，设计了一种用于该网络的路由协议，通过该协议，可以将具有复杂结构的无线量子mesh网络早逻辑上视为一种树状无环的网络拓扑，从而避免了网络风暴的产生。除此之外，本发明还将之前人们提出的“两端逼近”的方法加以改进，提出了“两两结合”方案来建立源节点和目的节点之间的量子信道。

在该路由协议中，以无线量子mesh网络中的节点跳数，往返时间等参数的综合权值作为路由的开销值，利用最小生成树的方法使各节点逐级入网，构建网络中的经典信道。然后网络中的部分节点作纠缠粒子的制备和分发，另一部分节点做量子纠缠交换和测量，构建量子信道。最后通过量子隐形传态的方法，在源节点和目的节点之间进行量子信息的传输。

从图6可以看出，采取参考文献[14]的方法建立一个量子信道，它的步数随着路径中节点数量的增加而线性增加。在本发明的协议中，随着节点数量的增加，建立量子信道的步数以对数形式增加。图6中，当路径中的节点总数大于8时，我们的协议增长缓慢，而参考文献[14]中的协议增长得更快。当路径中的节点数量增加时，通过本发明的协议建立量子信道所需的步骤数将显着小于[14]中的协议。例如，如果路径中有50个节点，本发明的协议需要6步。参考文献[14]的协议需要24步。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法流程图。

图2是本发明实施例提供的无线量子mesh网络的网络拓扑结构图。

图3是本发明实施例提供的当N是奇数时，粒子制备和分发示意图。

图4是本发明实施例提供的路由协议流程图。

图5是本发明实施例提供的所选路径量子电路图。

图6是本发明实施例提供的两种协议的比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

对于结构复杂的无线量子mesh网络，本发明提出并分析了一种新的路由协议。首先，为了避免网络风暴，在建立节点之间的经典信道时使用最小生成树方法。其次，提出了一种新的建立量子信道的方法。这种新方法比通常使用的“两端逼近”方法更有效。最后，量子信息传输通过量子隐形传态完成。

如图1，本发明实施例提供的基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法，包括：

S101：以无线量子mesh网络中的节点跳数，往返时间参数的综合权值作为路由的开销值，利用最小生成树的方法使各节点逐级入网，构建网络中的经典信道；

S102：然后网络中的部分节点作纠缠粒子的制备和分发，另一部分节点做量子纠缠交换和测量，构建量子信道；

S103：最后通过量子隐形传态的方法，在源节点和目的节点之间进行量子信息的传输。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

1、量子无线mesh网络

在传统的无线局域网(Wireless LocalAreaNetwork,WLAN)中，每个客户端均通过一条与接入点(Access Point,AP)相连的无线链路来访问网络，形成一个局部的基础服务集(Basic Service Set,BSS)。用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点，这种网络结构被称为单跳网络。

而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为接入点和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。

无线量子mesh网络的网络拓扑结构如图2所示。

图2中的实线和虚线分别表示经典的无线信道和量子信道，其中量子信道由共享纠缠粒子对组成。当经典无线信道和量子信道同时存在时，量子信息可以被传输。如果多个用户节点连接到相同的路由器节点并且都具有无线信道和量子信道，则可以直接传输量子信息。但是，当用户连接到不同的路由器节点时，需要根据跳数，连接质量以及往返时间等因素，选择合适的路径来实现两个用户节点之间的长距离量子通信。

2、量子无线mesh网络路由协议

2.1经典信道的建立

当源主机(Source Host)和目的主机(Destination Host)建立量子信道之前，需要借助经典信道来确定路径，而目前大多数量子无线Mesh网络中经典信道的建立均是通过广播，这样一来，虽然可以找到源主机到目的主机之间的路径，但是可能会造成大量请求信息占据信道，增加网络的负荷。

本方案在这个过程中参考文献[17]，将链路容量、往返时间等参数的综合权值作为路由判据的开销值，以选取源主机直连的Mesh路由器作为根节点，新节点接收已入网节点发送的Hello包，该包包括已入网络节点的路由开销值，从而构建和维护邻居表，并通过邻居表计算出到不同父节点的开销值，最终选择路由开销值最小的节点作为父节点，逐级入网，从而在逻辑上将整个无线Mesh网络转化为一个树状无环拓扑结构，避免了建立经典信道过程中形成环路，产生网络风暴，造成网络瘫痪。

构建好了树状无环的网络拓扑之后，源主机节点就需发送一个路由发现报文，用于找寻从源主机节点到目的主机节点的路径。这里参考IEEE802.11标准对以太网数据包进行再次封装。封装之后的格式如表1所示。

表1报文格式

如表1所示，源节点首先将包头3中的当前跳数和路径跳数置0，再将目的节点和源节点写入包头2，最后将包头1中的接收节点置为下一跳路由器，用一个标识符表示路由发现过程，封装好后发送出去。

当路径中节点接收到报文后，拆分报文，得到包头1，包头2，包头3。然后对比接收节点和目的节点是否一致，若不一致表示该节点不是目的节点，那么将包头3中的当前跳数和目的跳数加1，再将包头1中的接收节点置为下一跳路由器，最后封装并转发；若一致表示该节点是目的节点，那么就停止转发。

当目的节点收到路由发现报文后，再反向发送一个应答报文，告知源节点路径可达，能够建立量子信道。应答报文格式类似表1，只是包头1中要重新用一个标识符标记应答报文，接收节点为发现过程的上一跳路由器，包头2中源节点和目的节点为发现报文中包头2互换的结果，包头3中当前跳数和路径跳数置为发现报文包头3的结果，最后封装并转发。

路径中节点收到应答报文后，对其进行拆分，然后对比接收节点和目的节点是否一致，若不一致，则将包头1中的接收节点置为下一跳路由器(即发现过程中上一跳路由器)，并且只将包头3中当前跳数减1，然后封装并转发；若一致，则表示该节点是目的节点(即发现过程的源节点)，那么停止转发。

2.2量子信道的建立

当源主机收到路由确定报文之后，确定路径可达，那么源主机就会沿着已经确定的路径再发送一个请求建立纠缠量子信道的报文。当路径中的节点路由器获知本节点已经作为所选路径中的节点，将进行量子态的传输。

在本方案中，本发明提供了一种新的方法来建立源节点和目的节点之间的量子信道。首先用N表示所选路径中节点路由器的个数，由于可能是奇数又可能是偶数，所以这个新方法有两种情况。

假设N是奇数，那么所选路径中所有标号是奇数的路由器产生纠缠粒子并且分发给相邻的节点^[18,19]，这样一来，所有标号为偶数的节点就拥有了纠缠粒子，并且这些节点执行测量来实现量子纠缠交换。

可以使用图3来显示其中N是奇数的纠缠粒子的制备和分发。如果N是偶数，那么就是路径中所有标号是偶数的路由器产生纠缠粒子并且分发给相邻的节点，并且与源节点直连的路由器也同样制备纠缠粒子，将其中的一个分发给源节点，另一个自己保留。建立量子信道的方式与总数N为奇数的情况相同。

在图3中，节点路由器用1，2，3，，11来标记所以知道N＝11。然后，所有奇数节点路由器准备纠缠量子对并将它们分配给相邻节点路由器。

这样，偶数节点路由器在逻辑上可以看作是一个新的节点序列，有如下操作：如图4.

(i).对于新序列，从最大编号的节点路由器开始向最小编号的节点路由器开始，每两个路由器组合在一起。如果新序列中节点个数是奇数，那么最小编号的节点不参与分组；如果是偶数，那么最小编号的节点就参与分组。

(ii).分组之后，每组中较大编号的路由器就将它拥有的粒子执行C-NOT门和H门操作，并且测量结果，再将测量结果通过经典信道传送给同组中另一个路由器。

(iii).对于那些在(ii).中收到测量结果的路由器，再把它们分组，并且重复(i).中的操作，直到源节点收到来自编号为2的路由器的测量信息。

下面结合协议分析对本发明作进一步描述。

1、可行性分析

根据以上所述，假设通过最小生成树方法已经确定了路径，可表示为A→B→C→→G→→K→L→M,其中A和M分别表示源主机节点和目标主机节点。依照本发明中的路由协议，奇数节点路由器制备纠缠粒子并将它们分发给相邻节点。这样，参与纠缠交换的节点形成一个新的序列{A，C，E，G，I，K，M}，如图5所示.

结合图5，以路由器K作为例子，它拥有的J₂粒子和路由器I拥有的J₁粒子处于量子态

它拥有的L₁粒子和目的节点M拥有的L₂粒子处于量子态，那么这四个粒子的总状态是：

第一步，节点K将J₂粒子和L₁粒子通过CNOT门和H门变换后，四个粒子可以表示为：

公式(2)表明在纠缠交换之后，节点K使用{|00>，|01>，|10>，|11>}作为测量基进行测量，当测量结果是|00>，那么粒子J₁和L₂就处于态

同样，其他三种情况可以等概率的测出。对于节点G，它可以同时执行与节点K相同的操作。

在第二步中，当节点I从节点K接收到测量结果时，它可以掌握节点I与节点M共享纠缠粒子的纠缠态。之后，节点I再次执行纠缠交换，使得粒子H₁和粒子L₂纠缠在一起，进行测量，并将测量结果传送到节点E。

经过以上两个步骤，节点E接收节点I的测量结果，并且可以确定它自己与节点M共享的纠缠粒子的状态。然后节点E再次执行纠缠交换并将测量结果发送到节点C。

当节点C从节点E接收结果时，节点C再次执行纠缠交换。假设B₁粒子和B₂粒子处于纠缠态

D₁粒子和L₂粒子处于纠缠态

节点C执行纠缠交换。结果如下

这样，由节点A拥有的粒子B₁和由节点M拥有的粒子L₂形成纠缠。节点C然后对粒子D₁和粒子B₂进行测量，并将测量结果发送给节点A。当节点A接收到测量结果时，它确定它与其共享的纠缠粒子的缠绕状态节点M。因此，在源节点和目的节点之间建立纠缠量子信道。

量子信道建立后，源节点可以通过量子隐形传态传输量子状态信息。以它们之间共享的量子纠缠粒子对处于纠缠态

作为例子，假设欲传输的量子态是

其中α和β均是复数，满足||α||²+||β||²＝1，那么这三个粒子的总状态是

上面的公式表明，当源节点A对粒子

和粒子B₁做测量，粒子L₂将塌缩到相应的量子态，并将测量结果传输给目的节点M。根据测量结果，节点M对粒子L₂执行相应的幺正操作，粒子L₂变成|L₂>＝α|0>+β|1>。至此，通过路由协议确定了路径以后，经过量子纠缠交换和隐形传态，携带信息的量子

通过无线量子mesh网络从源节点传送到了目的节点，从而完成了量子信息的传递。

下面结合效率分析对本发明作进一步描述。

在建立量子信道时使用了纠缠交换技术，需要将贝尔基测量的结果通过无线信道传输告知相应的节点，传统的方法时从源节点开始，按照路由路径逐跳进行纠缠交换，直到最后与目的节点进行纠缠交换并完成量子隐形传态。

而参考文献[14]所提出的两端逼近法，依据中间节点，将路由器序列划分为前后两个子序列，分别从源节点直连的下一跳节点和目的节点直连的上一跳节点开始，同时向中间节点作纠缠交换，然后将测量的结果传送给下一跳节点(或上一跳节点)，当下一跳节点(或上一跳节点)获得测量的结果之后，再一次作纠缠交换并传输测量结果，重复此操作，直至中间节点获得两个方向传来的结果，那么在一次作纠缠交换的时间里可以进行两次操作，记所选路径中节点的个数为n，建立量子信道的步数为c。则有：

对于本发明的协议，每组中的多对粒子可以同时纠缠交换和测量。那么就有：

可以使用图6来显示上面的等式。

从图6可以看出，采取参考文献[14]的方法建立一个量子信道，它的步数随着路径中节点数量的增加而线性增加。在本发明的协议中，随着节点数量的增加，建立量子信道的步数以对数形式增加。图6中，当路径中的节点总数大于8时，我们的协议增长缓慢，而参考文献[14]中的协议增长得更快。当路径中的节点数量增加时，通过本发明的协议建立量子信道所需的步骤数将显着小于[14]中的协议。例如，如果路径中有50个节点，本发明的协议需要6步。参考文献[14]的协议需要24步。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法，其特征在于，所述基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法包括：

以无线量子mesh网络中的节点跳数，往返时间参数的综合权值作为路由的开销值，利用最小生成树的方法使各节点逐级入网，构建网络中的经典信道；

然后网络中的部分节点作纠缠粒子的制备和分发，另一部分节点做量子纠缠交换和测量，构建量子信道；

最后通过量子隐形传态的方法，在源节点和目的节点之间进行量子信息的传输；

量子信道的建立方法中，当源主机收到路由确定报文之后，确定路径可达，源主机沿着已经确定的路径再发送一个请求建立纠缠量子信道的报文；当路径中的节点路由器获知本节点已经作为所选路径中的节点，将进行量子态的传输；

量子信道的建立方法具体包括：

首先用N表示所选路径中节点路由器的个数；

如果N是奇数，所有标号是奇数的节点路由器制备纠缠粒子并分发给标号是偶数的节点路由器，其中与源主机直连的路由器节点将纠缠粒子分发给它的下一跳节点路由器和源主机，与目的主机直连的路由器节点将纠缠粒子分发给它的上一跳节点路由器和目的主机；所有拥有纠缠粒子的标号为偶数的节点就可以看成一个新节点序列，并且这些节点执行测量并进行量子纠缠交换，包括：

(i)，对于新序列，从最大编号的节点路由器开始向最小编号的节点路由器开始，每两个路由器组合在一起；新序列中节点个数是奇数，最小编号的节点不参与分组；是偶数，最小编号的节点就参与分组；

(ii)，分组之后，每组中较大编号的路由器将拥有的粒子执行C-NOT门和H门操作，并且进行测量，再将测量结果通过经典信道传送给同组中另一个路由器；

(iii)，对于在(ii)中收到测量结果的路由器，再进行分组，并且重复步骤(i) 中的操作，直到源节点收到来自路由器的测量信息；

如果N是偶数，所有标号是偶数的节点器制备纠缠粒子，分发给标号是奇数的节点路由器，同时，与源主机直连的下一跳节点路由器也要制备纠缠粒子，自己保留一部分，另一部分分发给源主机；所有拥有纠缠粒子的节点就可以看成一个新节点序列；对于新节点序列的操作与N是奇数的情况一样；

奇数节点路由器制备纠缠粒子并将纠缠粒子分发给相邻节点；参与纠缠交换的节点形成一个新的序列{A，C，E，G，I，K，M}；

当N的个数为奇数时，节点K拥有的J₂粒子和路由器I拥有的J₁粒子处于量子态

拥有的L₁粒子和目的节点M拥有的L₂粒子处于量子态，那么这四个粒子的总状态是：

具体包括：

第一步，节点K将J₂粒子和L₁粒子通过CNOT门和H门变换后，四个粒子表示为：

上式表明在纠缠交换之后，节点K使用{|00>,|01>,|10>,|11>}作为测量基进行测量，当测量结果是|00>，粒子J₁和L₂就处于态

第二步，当节点I从节点K接收到测量结果时，进行节点I与节点M共享纠缠粒子的纠缠态；接着，节点I再次执行纠缠交换，使粒子H₁和粒子L₂纠缠在一起，进行测量，并将测量结果传送到节点E；

第三步，节点E接收节点I的测量结果，确定自己与节点M共享的纠缠粒子的状态；然后节点E再次执行纠缠交换并将测量结果发送到节点C；

当节点C从节点E接收结果时，节点C再次执行纠缠交换；若B₁粒子和B₂粒子处于纠缠态

D₁粒子和L₂粒子处于纠缠态

节点C执行纠缠交换，结果为：

由节点A拥有的粒子B₁和由节点M拥有的粒子L₂形成纠缠；节点C然后对粒子D₁和粒子B₂进行测量，并将测量结果发送给节点A；当节点A接收到测量结果时，确定共享的纠缠粒子的缠绕状态节点M；在源节点和目的节点之间建立纠缠量子信道。

2.如权利要求1所述的基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法，其特征在于，

经典信道的建立方法包括：

将链路容量、往返时间参数的综合权值作为路由判据的开销值，以选取源主机直连的Mesh路由器作为根节点，新节点接收已入网节点发送的Hello包，Hello包包括已入网络节点的路由开销值，构建和维护邻居表，并通过邻居表计算出到不同父节点的开销值，最终选择路由开销值最小的节点作为父节点，逐级入网；在逻辑上将整个无线mesh网络转化为一个树状无环拓扑结构；

构建好了树状无环的网络拓扑之后，源主机节点发送一个路由发现报文，用于找寻从源主机节点到目的主机节点的路径；对以太网数据包进行再次封装后发送出去；

当路径中节点接收到报文后，拆分报文，得到包头1，包头2，包头3；然后对比接收节点和目的节点是否一致，若不一致表示该节点不是目的节点，那么将包头3中的当前跳数和目的跳数加1，再将包头1中的接收节点置为下一跳路由器，最后封装并转发；若一致表示该节点是目的节点，那么就停止转发；

当目的节点收到路由发现报文后，再反向发送一个应答报文，告知源节点路径可达，建立量子信道；最后封装并转发；

路径中节点收到应答报文后，进行拆分，然后对比接收节点和目的节点是否一致，若不一致，则将包头1中的接收节点置为下一跳路由器，并且只将包头3中当前跳数减1，然后封装并转发。

3.如权利要求1所述的基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法，其特征在于，通过量子隐形传态的方法，在源节点和目的节点之间进行量子信息的传输，具体包括：

量子信道建立后，源节点通过量子隐形传态传输量子状态信息；传输的量子态是

其中α和β均是复数，满足||α||²+||β||²＝1，粒子B₁，粒子L₂和待传输的粒子的总状态是

当源节点A对粒子

和粒子B₁做测量，粒子L₂将塌缩到相应的量子态，并将测量结果传输给目的节点M；根据测量结果，节点M对粒子L₂执行相应的幺正操作，粒子L₂变成|L₂>＝α|0>+β|1>；通过路由协议确定路径后，经过量子纠缠交换和隐形传态，携带信息的量子

通过无线量子mesh网络从源节点传送到目的节点，完成量子信息的传递。

4.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-3任意一项所述的基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法。

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