CN110086547B - 门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法 - Google Patents

门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法。本发明一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法，其特征在于，包括：中心服务节点制备相应的纠缠态，并将相应的纠缠粒子通过量子信道分发给通信双方Alice和Bob，以及三个控制组C1、C2、C3的任意一个成员；三个控制组C1、C2、C3的其他成员以中心服务节点发来的粒子为控制量子比特，以|0>作为目标量子比特执行C‑NOT操作生成控制粒子。本发明的有益效果：1、本发明的一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传送方法，由门限值可调的最优受控方法来实现信息传输的安全性和灵活性。

Description

门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法
技术领域
本发明涉及量子领域，具体涉及一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法。
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。由于量子态具有叠加性、不可克隆性和测不准等特性，使得量子通信具有通信容量大、安全性高等方面的独特优势，可以大范围应用到军事、国防和信息安全等领域。其中，得益于量子安全直接通信、量子对话、量子密钥分发等各分支协议不断地更新完善，具有实用价值的量子通信产品已经逐渐得到应用。
自Bennett等人在1993年提出量子隐形传态[1]以来，该技术被视为实现量子通信的重要基础之一。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将一个未知量子态隐形传送到远方的接收端。在量子隐形传态中，Alice和Bob共享一个bell态|ψ>AB作为量子信道，首先Alice将待传送的粒子与自己拥有的粒子A进行bell态测量，并将测量结果通过经典信道发送给Bob。Bob得到Alice的测量结果之后，对自己所拥有的粒子B执行相应的幺正变换，就能恢复出原始待传送粒子的状态。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。
传统技术存在以下技术问题：
近些年来对量子隐形传态的研究非常活跃。2015年，Pirandola[2]等人总结了量子隐形传态的进展，他们回顾了量子隐形传态的基本理论思想及其不同的协议。通过集中讨论主要的实验，以及各种技术的技术的优缺点，最后讨论了开放的问题、挑战和未来可能的实现。2017年，Ren[3]等人通过墨子号与地面进行量子隐形传态实验表明，从地面观测站到低地球轨道卫星的独立单光子量子态的量子隐形传送，通过上行链路通道，距离可达1400公里。由于光子损耗的存在，利用光纤信道或者地面自由空间信道进行量子隐形传态的距离大约为100公里。
同时，对于多能级量子***[4]、多比特量子隐形传态***[5-9]和可控量子隐形传态***[8-12]的研究也产生了大量的优秀成果。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[7]。2016年，Verma[11]等人明确地提出了标准量子隐形传态和控制量子隐形传态协议，并利用一般的量子通道和测量基分析了完全隐形传态的情形。同时，Xu[12]等人提出了一种受控量子隐形传态协议，在协议中，未知状态的量子信息在控制方Charlie的控制下，通过GHZ纠缠粒子可信地从发送方(Alice)传送到远程接收端(Bob)。对受控量子隐形传态的研究通常涉及了固定人数的控制方，这样限制了协议的可用性和灵活性，如果某些控制方有时不能提供服务，那么整个协议就无法实现。
[1]C.H.Bennett,G.Brassard,et al.Teleporting an unknown quantum statevia dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels.Phys.Rev.Lett.,1993,70(13)
[2]Pirandola S.,Eisert J.,Weedbrook C.,et al.Advances in quantumteleportation.Nature Photonics,2015,9(10):5439-5439.
[3]Ren J.G.,Xu P.,Yong H.L.,et al.Ground-to-satellite quantumteleportation.Nature,2017,549(7670):70-73
[4]S.K.Goyal,P.E.Boukama-Dzoussi,S.Ghosh,et al.,“Qudit-Teleportationfor photons with linear optics”,Nature Scientific Reports,2014,4(13):4543
[5]Li,YH.,Li,XL.,Nie,LP.,et al.,“Quantum Teleportation of Three andFour-Qubit State Using Multi-qubit Cluster States”,International Journal ofTheoretical Physics,2016,55(3):1820-1823
[6]Li,Z.,Long,LR.,Zhou,P.,et al.,“Probabilistic multiparty-controlledteleportation of an arbitrary m-qubit state with a pure entangled quantumchannel against collective noise”,Science China Physics Mechanics&Astronomy,2012,55(12):2445-2451
[7]Zhang,B.,Liu,X.,Wang,J.,et al.,“Quantum Teleportation of a Three-qubit State using a Four-qubit Entangled State”,International Conference onComputer,2015,53(12):4079-4082
[8]Wang,JW.,Shu,L.,Mo,ZW.,et al.,“Controlled Teleportation of a QuditState by Partially Entangled GHZ States”,International Journal of TheoreticalPhysics,2014,53(8):2867-2873
[9]Zhou,P.,Li,XH.,Deng,FG.,et al.,“Multiparty-controlledteleportation of an arbitrary m-qudit state with pure entangled quantumchannel”,Journal of Physics A Mathematical&Theoretical,2012,40(43):13121-13130
[10]Cao H.J.,Yu Y.F.,Song Q.,et al.A Quantum Proxy Weak BlindSignature Scheme Based on Controlled Quantum Teleportation.InternationalJournal of Theoretical Physics,2015,54(4):1325-1333
[11]Verma V.,Prakash H.,Standard Quantum Teleportation and ControlledQuantum Teleportation of an Arbitrary N-Qubit Information State.InternationalJournal of Theoretical Physics,2016,55(4):2061-2070
[12]Xu X.,Wang X.,Controlled Quantum Teleportation via the GHZEntangled Ions in the Ion-Trapped System.International Journal of TheoreticalPhysics,2016,55(8):3551-3554。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法，在本协议中我们采用量子隐形传态原理构建一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传送构建方案，Alice和Bob之间传送一个未知量子态
Figure GDA0002692036330000041
为了实现通信的安全性和灵活性，我们引入三个控制组，每组可以有任意多个成员。在量子信道的确定过程中，每组可以任意选取成员进行单粒子测量，并公布测量结果。控制成员越多越能够满足灵活性的要求，因为此时个别成员出现无法提供服务的情况依然不会影响到整个通信过程。方案中所涉及到的技术有大量的理论和实验基础，所以是切实可行的。另外，协议所设计的bell态测量和单粒子测量，以及四种酉操作都是具有实用性和可行性的，所以我们的方案是简单易行的。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法，包括：
中心服务节点制备相应的纠缠态，并将相应的粒子分发给通信双方Alice和Bob，以及三个控制组C1、C2、C3的任意一个成员；
所述中心服务节点制备相应的纠缠态，包括两种bell态和控制方所需的纠缠态GHZ态和W态。其中两种bell态、GHZ态和W态有如下形式：
Figure GDA0002692036330000051
Figure GDA0002692036330000052
Figure GDA0002692036330000053
Figure GDA0002692036330000054
则***的整体状态可以表示成如下形式：
Figure GDA0002692036330000055
从上式可知粒子A、B组成bell态|ψi>AB(i＝0,1)。
假设待传送的粒子为单粒子：|ψn>＝α|0>+β|1>，其中α，β为复数，且满足|α|2+|β|2＝1。则整个***状态可以写成:
Figure GDA0002692036330000056
从上式中可以总结，控制方测量结果、Alice的测量结果和Bob需要执行的幺正操作之间有如下表：
Figure GDA0002692036330000057
Figure GDA0002692036330000061
所述三个控制组C1、C2、C3的成员数可以根据实际业务需求动态变化，并且每个控制组中所有的成员所持有的粒子的状态是相同的。中心服务节点的粒子分发是经过量子信道完成的。
三个控制组C1、C2、C3的其他成员以中心服务节点发来的粒子为控制量子比特，以|0>作为目标量子比特执行C-NOT操作生成控制粒子；其中C-NOT操作有这样的特性：当控制量子比特为|0>时，目标量子比特状态保持不变；当控制量子比特状态为|1>时，目标量子比特状态翻转。这样保证了每一组中的所有成员拥有相同状态的控制粒子。
所述三个控制组C1、C2、C3可以由任意的成员数组成，而且必须指明***的可靠性会随着成员数的增加而提高，因为多个成员组成的控制组，可以允许部分成员出现掉线的情况。所以三个控制组中，每组至少从其组内挑选出一个成员，该成员对其拥有的控制粒子执行单比特测量。
三个控制组分别从其组内挑选出任意一个成员，该成员对其拥有的控制粒子进行单比特测量，同时Alice将待传送粒子n与粒子A进行bell测量，并通过经典信道公布它们各自的测量结果；如果测量结果相同，那么证明他们的控制状态是GHZ态，如果不完全相同，则证明是W态。
所述Alice将待传送粒子n与粒子A进行bell测量，所得测量结果|ψi>nA为四种bell态的形式：|ψi>nA(i＝0,1,2,3)。其中，
Figure GDA0002692036330000071
Figure GDA0002692036330000072
Bob根据控制方的测量结果和Alice的测量结果，对粒子B执行相应的酉变换，从而恢复待传送粒子n的状态。其中酉变换有如下形式：
Figure GDA0002692036330000073
Figure GDA0002692036330000074
Figure GDA0002692036330000075
Figure GDA0002692036330000076
通过建立多条信道，Alice可以将一个由n个未知粒子组成的量子态
Figure GDA0002692036330000077
隐形传送到Bob。
本发明的有益效果：
1、本发明的一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传送方法，由门限值可调的最优受控方法来实现信息传输的安全性和灵活性，所以在待传送的未知态
Figure GDA0002692036330000078
传输过程中，要引入三个控制组，每组可以有任意多个成员。在量子信道的确定过程中，每组可以任意选取成员执行单粒子测量，并公布测量结果。控制成员越多越能够满足灵活性的要求，因为此时个别成员出现无法提供服务的情况依然不会影响到整个通信过程。
2、本发明的一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传送方法，由于源节点Alice和目的节点Bob之间最终建立的是bell态量子信道，整个过程所要求的单粒子测量、bell基测量、经典通信和四种局域操作都是可以实现的，而且协议本身简单易用。
3、本发明的一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传送方法，控制组的人数是动态可调的，所以无论是应用在安全性要求高或者低的场景中，该方案都能够产生最优的控制结果。其次，控制过程不需要所有的控制成员同时参与其中，这就避免了个别成员无法提供服务的情况下，导致整个通信过程无法完成的情况，进而提高了方案实施的灵活性。
附图说明
图1是本发明门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法的流程图。
图2是本发明门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法中的中心服务节点向源节点Alice、目的节点Bob和三个控制组进行粒子分发的示意图。
图3是本发明门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法的中源节点Alice和目的节点Bob之间建立起Bell信道后，源节点Alice隐形传送粒子n的传输示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明的主要实现思想是：在基于量子通信***中，源节点Alice和目的节点Bob在控制组的协助下，确定二者之间的量子信道的形式，以完成未知量子态
Figure GDA0002692036330000091
的隐形传递过程。两个控制组中部分成员对自己所拥有的粒子进行单粒子测量，并向Alice和Bob公布测量结果。Alice与Bob能够解析出二者之间的具体量子信道的形式，从而促使信息的高效、安全传输。
见图2，本发明一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传送方法，该方法具体实施步骤如下：
步骤1、中心服务节点制备相应的纠缠态，并将相应的粒子分发给通信双方Alice和Bob，以及三个控制组C1、C2、C3的任意一个成员；
所述中心服务节点制备相应的纠缠态，包括两种bell态和控制方所需的纠缠态GHZ态和W态。其中两种bell态有如下形式：
Figure GDA0002692036330000092
Figure GDA0002692036330000093
Figure GDA0002692036330000094
Figure GDA0002692036330000095
则***的整体状态可以表示成如下形式：
Figure GDA0002692036330000096
从上式可知粒子A、B组成bell态|ψi>AB(i＝0,1)。
假设待传送的粒子为单粒子：|ψn>＝α|0>+β|1>，其中α，β为复数，且满足|α|2+|β|2＝1。则整个***状态可以写成:
Figure GDA0002692036330000101
从上式中可以总结，控制方测量结果、Alice的测量结果和Bob需要执行的幺正操作之间有如下表：
Figure GDA0002692036330000102
所述三个控制组C1、C2、C3的成员数可以根据实际业务需求动态变化，并且每个控制组中所有的成员所持有的粒子的状态是相同的。中心服务节点的粒子分发是经过量子信道完成的。
步骤2、三个控制组C1、C2、C3的其他成员以中心服务节点发来的粒子为控制量子比特，以|0>作为目标量子比特执行C-NOT操作生成控制粒子；
所述三个控制组C1、C2、C3的其他成员以中心服务节点发来的粒子为控制量子比特，以|0>作为目标量子比特执行C-NOT操作生成控制粒子；其中C-NOT操作有这样的特性：当控制量子比特的状态为|0>时，目标量子比特状态保持不变；当控制量子比特状态为|1>时，目标量子比特状态翻转。这样保证了每一组中的所有成员拥有相同状态的控制粒子。
所述三个控制组C1、C2、C3可以由任意的成员数组成，而且必须指明***的可靠性会随着成员数的增加而提高，因为多个成员组成的控制组，可以允许部分成员出现掉线的情况。所以三个控制组中，每组至少从其组内挑选出一个成员，该成员对其拥有的控制粒子执行单比特测量。
步骤3、三个控制组分别从其组内挑选出任意一个成员，该成员对其拥有的控制粒子执行单比特测量，同时Alice将待传送粒子n与粒子A进行bell测量，并通过经典信道公布它们各自的测量结果；
所述三个控制组分别从其组内挑选出任意一个成员，该成员对其拥有的控制粒子执行单比特测量，如果测量结果相同，那么证明他们的控制状态是GHZ态，如果不完全相同，则证明是W态。
所述Alice将待传送粒子n与粒子A进行bell测量，所得测量结果|ψ>nA为四种bell态的形式：|ψi>nA(i＝0,1,2,3)。其中，
Figure GDA0002692036330000111
Figure GDA0002692036330000112
步骤4、Bob根据控制方的测量结果和Alice的测量结果，对粒子B执行相应的酉变换，从而恢复待传送粒子n的状态。通过建立多条信道，Alice可以将一个由n个未知粒子构成的量子态
Figure GDA0002692036330000121
隐形传送到Bob。
所述Bob根据控制方的测量结果和Alice的测量结果，对粒子B执行相应的酉变换，其中酉变换有如下形式：
Figure GDA0002692036330000122
Figure GDA0002692036330000123
Figure GDA0002692036330000124
Figure GDA0002692036330000125
所述待传送粒子n为量子态
Figure GDA0002692036330000126
的任意一个粒子，经过n条路径的隐形传送，Alice可以将未知量子态
Figure GDA0002692036330000127
隐形传送给Bob。
下面介绍本发明的一个具体应用场景：
我们以量子态
Figure GDA0002692036330000128
的传输举例说明，其中α，β为复数，且满足|α|2+|β|2＝1。
步骤1、中心服务节点制备相应的纠缠态，并将相应的粒子分发给通信双方Alice和Bob，以及三个控制组C1、C2、C3的任意一个成员；
所述中心服务节点制备相应的纠缠态，包括两种bell态和控制方所需的纠缠态GHZ态和W态。其中两种bell态、GHZ态和W态有如下形式：
Figure GDA0002692036330000129
Figure GDA0002692036330000131
Figure GDA0002692036330000132
Figure GDA0002692036330000133
则***的整体纠缠态可以表示成如下形式：
Figure GDA0002692036330000134
从上式可知粒子A、B组成bell态|ψi>AB(i＝0,1)。
假设待传送的粒子为单粒子：|ψn>＝α|0>+β|1>，则整个***状态可以写成:
Figure GDA0002692036330000135
从上式中可以总结，控制方测量结果、Alice的测量结果和Bob需要执行的幺正操作之间有如下表：
Figure GDA0002692036330000136
Figure GDA0002692036330000141
假设控制方的测量结果完全相同，可以推测他们之间的共享量子纠缠态为
Figure GDA0002692036330000142
那么Bob在得知Alice的测量态为|ψ1>nA的情况下，他只需要对自己的粒子B执行幺正操作U2就可以将粒子B的状态从
Figure GDA0002692036330000143
恢复为待传送粒子n的原始状态：
Figure GDA0002692036330000144
如果一个n粒子量子态，只需要建立n条传送路径即可完成整个隐形传送过程。
本发明一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传送方法通过门限值可调的最优受控方案的实施下，完成两个终端节点之间的未知量子态的隐形传送，应当指出，引入的三个控制组，每组可以有任意多个成员。在量子信道的确定过程中，每组可以任意选取成员执行单粒子测量，并公布测量结果。控制成员越多越能够满足灵活性的要求，因为此时个别成员出现无法提供服务的情况依然不会影响到整个通信过程。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (1)

1.一种门限值可调的任意未知n粒子最优受控量子隐形传态方法，其特征在于，包括：
中心服务节点制备相应的纠缠态，并将相应的粒子分发给通信双方Alice和Bob，以及三个控制组C1、C2、C3的任意一个成员；
所述中心服务节点制备相应的纠缠态，包括两种bell态和控制方所需的纠缠态GHZ态和W态；其中两种bell态、GHZ态和W态有如下形式：
Figure FDA0002692036320000011
Figure FDA0002692036320000012
Figure FDA0002692036320000013
Figure FDA0002692036320000014
则***的整体状态可以表示成如下形式：
Figure FDA0002692036320000015
从上式可知粒子A、B构成bell态|ψi>AB，其中，i＝0,1；
假设待传送的粒子为单粒子：|ψn>＝α|0>+β|1>，其中α，β为复数，且满足|α|2+|β|2＝1；则整个***可以写成:
Figure FDA0002692036320000021
从上式中可以总结，控制方测量结果、Alice的测量结果和Bob需要执行的幺正操作之间有如下表：
Figure FDA0002692036320000022
所述三个控制组C1、C2、C3的成员数可以根据实际业务需求动态变化，并且每个控制组中所有的成员所持有的粒子的量子态是相同的；中心服务节点的粒子分发是经过量子信道完成的；
三个控制组C1、C2、C3的其他成员以中心服务节点发来的粒子为控制量子比特，以|0>作为目标量子比特执行C-NOT操作生成控制粒子；其中C-NOT操作有这样的特性：当控制量子比特为|0>时，目标量子比特状态保持不变；当控制量子比特为|1>时，目标量子比特状态翻转；这样保证了每一组中的所有成员拥有相同状态的控制粒子；
所述三个控制组C1、C2、C3可以由任意的成员数组成，而且必须指明***的可靠性会随着成员数的增加而提高，因为多个成员组成的控制组，可以允许部分成员出现掉线的情况；所以三个控制组中，每组至少从其组内挑选出一个成员，该成员对其拥有的控制粒子进行单比特测量；
三个控制组分别从其组内挑选出任意一个成员，该成员对其拥有的控制粒子执行单比特测量；如果三个组的测量结果都相同，那么证明他们的控制状态是GHZ态，如果不完全相同，则证明是W态；同时Alice将待传送粒子n与粒子A执行bell测量，并通过经典信道公布它们各自的测量结果；Alice的测量结果|ψ>nA为四种bell态的形式：|ψi>nA(i＝0,1,2,3)；其中，
Figure FDA0002692036320000031
Figure FDA0002692036320000032
Bob根据三个控制组的测量结果和Alice的测量结果，对粒子B执行相应的酉变换，从而恢复待传送粒子n的状态；其中酉变换有如下形式：
Figure FDA0002692036320000033
Figure FDA0002692036320000034
Figure FDA0002692036320000035
Figure FDA0002692036320000041
通过建立多条信道，Alice可以将一个由n个未知粒子组成的量子态
Figure FDA0002692036320000042
隐形传送到Bob。
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