CN102694605B - 无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，包括（1）从源和目的节点的相邻节点开始进行纠缠交换，将测量结果沿中间节点方向传递至下一节点；（2）节点判断是否收到来自两个方向的测量结果；（3）该节点将测量结果所对应的源节点与目的节点间的粒子纠缠态，通过无线信道分别传送至目的节点和源节点；（4）源节点收到该测量结果后，通过量子远程传态传递携带信息的量子态，使得携带信息的量子态传送到目的节点。本发明方法建立量子信道传递量子信息所节省的无线传输开销越显著，可以降低无线信道需要传送的数据包，降低无线信道中数据包冲突概率。

Description

无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法

技术领域

本发明涉及量子通信和信息传播技术，尤其涉及一种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法。

背景技术

量子远程传态是一种全新的通信方式，它利用收发双方所共同拥有的纠缠量子对传送量子信息，因其非局域性、不可逆性和瞬时性，被广泛应用于量子通信网络中。在量子远程传态基础上,结合纠缠交换和纠缠纯化可以实现多节点远距离通信。1993年利用量子纠缠的概念提出了量子态远程传输理论方案，实现了量子远程传态。1993年基于量子远程传态提出了量子纠缠交换的方案。基于纠缠交换和纠缠纯化的量子中继器就可以用来解决在长程通讯时的光子数的损耗和量子信道消相干效应的影响等。1997在国际上首次实验实现了量子远程传态和量子纠缠交换。1998年，提出了利用量子远程传态和量子纠缠交换实现量子中继器的理论方案，2000年提出了多粒子远程传态理论方案。2003年首次实验实现了基于纠缠交换的量子中继器。2010年实现了16公里自由空间量子态隐形传输，2011年实现了8个纠缠态光子的制备。

上述这些研究从理论和实验上验证了构建量子通信网络的可行性，为量子通信网络提供了理论依据和实现方法。但目前这些工作大部分基于简单网络拓扑结构，主要为点对点网络拓扑，以及少量包含几个节点的星形或总线型网络拓扑。目前对复杂网络结构下的量子通信网络研究较少，对无线量子通信网络的研究更加不充分。在无线量子通信网络研究中，研究工作主要集中在网络安全领域,对网络结构、协议等研究较少。

无线自组织网络作为得到广泛应用的主流无线网络，该网络中节点可以自行构建网络，具有高度的灵活性。无线自组织量子通信网络定义如下：网络具有自组织动态拓扑结构，网络节点为具有无线通信功能的移动量子设备，节点间存在量子信道和经典无线信道，网络中传输的信息加载到量子态上通过量子信道传输，经典无线信道作为辅助信道。无线自组织量子通信网络网络结构遵循无线自组织网络结构，网络中没有严格的中心控制节点，所有节点地位平等，每个节点都具有路由功能，相邻节点间可以直接通信，非相邻节点需要通过其它节点进行转发。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，从源和目的节点相邻节点两端开始通过纠缠交换建立量子信道，通过量子远程传态传输量子信息，减少了量子信道的建立时间并保证了信息传输的安全性。

本发明采用的技术方案是：一种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，包括如下步骤：

（1）从源和目的节点的相邻节点开始进行纠缠交换，将测量结果沿中间节点方向传递至下一节点；

（2）节点判断是否收到来自两个方向的测量结果；若是，在该节点进行最后一次纠缠交换，这将使源节点与目的节点中两个本来不纠缠的粒子纠缠起来，建立源和目的节点间量子信道，跳转至步骤（3），否则就进行纠缠交换，将测量结果沿中间节点方向传递至下一节点，跳转至步骤（2）；

（3）该节点将测量结果所对应的源节点与目的节点间的粒子纠缠态，通过无线信道分别传送至目的节点和源节点；

（4）源节点收到该测量结果后，通过量子远程传态传递携带信息的量子态，使得携带信息的量子态传送到目的节点。

所述相邻节点间拥有纠缠粒子对。携带信息的量子态通过量子信道传递，所述步骤（2）、（3）和（4）中的测量结果通过无线信道传递。

所述步骤（1）和（2）中，纠缠交换的方法如下：

假设节点A拥有粒子1，节点B拥有粒子2和3，节点C拥有粒子4。粒子1和2处于纠缠态|φ〉₁₂，3和4处于纠缠态|ψ〉₃₄，此时在节点B对粒子2和3做一个Bell基的测量，原来毫无关系的粒子1和4就纠缠起来，成为一对纠缠粒子。该过程可表示为：

${|\mathrm{\φ}\⟩}_{12}\⊗{|\mathrm{\ψ}\⟩}_{34}=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\σ}}_i\⊗I){|\mathrm{\φ}\⟩}_{14}\⊗({\mathrm{\σ}}_i\⊗I){|\mathrm{\ψ}\⟩}_{23}$

其中σ_i表示I（不操作），σ_x（绕x轴旋转180度），σ_y（绕y轴旋转180度）和σ_z（绕z轴旋转180度）四个Pauli算符。

在纠缠交换过程中，所用到的Bell基测量的方法如下：

两态的两粒子体系有如下四个Bell基：

${|\mathrm{\φ}\⟩}^{\±}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|00\⟩\±|11\⟩)$

${|\mathrm{\ψ}\⟩}^{\±}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|01\⟩\±|10\⟩)$

每个Bell基态都是双粒子体系中最大的纠缠态，它们是四维空间的正交完备基，可用之对任意两粒子态|ψ〉_AB实施正交测量，称为Bell基测量。

所述步骤（4）中，对携带信息的量子态进行远程传态，步骤如下：

a）源节点对携带信息的粒子和源和目的节点纠缠粒子对中源节点所拥有的粒子进行测量，将测量结果通过无线信道传送到目的节点；

b）目的节点根据收到的测量结果，对源和目的节点纠缠粒子对中目的节点所拥有的粒子进行幺正变换，得到携带信息的粒子态，从而完成了量子信息的传递。

在步骤b）中，粒子幺正变换的方法如下：

两态单个粒子可实施如下的幺正变换(用Pauli矩阵表示)：

${\mathrm{\σ}}_x=\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right)$ ${\mathrm{\σ}}_y=\left(\begin{array}{cc}0& -i\\ i& 0\end{array}\right)$ ${\mathrm{\σ}}_z=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right)$ $I=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)$

其中σ_z的作用是使相对相位倒转：

${|\mathrm{\φ}\⟩}^{+}\↔{|\mathrm{\φ}\⟩}^{-}$

${|\mathrm{\ψ}\⟩}^{+}\↔{|\mathrm{\ψ}\⟩}^{-}$

σ_x的作用是使自旋倒转：

${|\mathrm{\φ}\⟩}^{+}\↔{|\mathrm{\ψ}\⟩}^{+}$

${|\mathrm{\φ}\⟩}^{-}\↔{|\mathrm{\ψ}\⟩}^{-}$

σ_y的作用等效于σ_xσ_z的功能：

${|\mathrm{\φ}\⟩}^{+}\↔{|\mathrm{\ψ}\⟩}^{-}$

${|\mathrm{\φ}\⟩}^{-}\↔{|\mathrm{\ψ}\⟩}^{+}$

本发明利用量子纠缠交换技术建立量子信道，并通过远程传态传输携带信息的量子态，本发明中任意两节点如果共享一对纠缠粒子，则认为两节点间存在量子信道，无线自组织量子通信网络的相邻节点间同时存在量子信道和无线信道。

有益效果：本发明提供的一种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，从源和目的节点相邻节点两端开始通过纠缠交换建立量子信道，通过量子远程传态传输量子信息，减少了量子信道的建立时间，而且路径中节点数目越多，采用该方法建立量子信道传递量子信息所节省的无线传输开销越显著，可以降低无线信道需要传送的数据包，降低无线信道中数据包冲突概率。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明实施例中的无线自组织量子通信网络拓扑图；

图3为本发明实施例中量子逻辑线路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示：一种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，包括如下步骤：

（1）从源和目的节点的相邻节点开始进行纠缠交换，将测量结果沿中间节点方向传递至下一节点；

（2）节点判断是否收到来自两个方向的测量结果；若是，在该节点进行最后一次纠缠交换，这将使源节点与目的节点中两个本来不纠缠的粒子纠缠起来，建立源和目的节点间量子信道，跳转至步骤（3），否则就进行纠缠交换，将测量结果沿中间节点方向传递至下一节点，跳转至步骤（2）；

（3）该节点将测量结果所对应的源节点与目的节点间的粒子纠缠态，通过无线信道分别传送至目的节点和源节点；

（4）源节点收到该测量结果后，通过量子远程传态传递携带信息的量子态，使得携带信息的量子态传送到目的节点。

所述相邻节点间拥有纠缠粒子对。携带信息的量子态通过量子信道传递，所述步骤（2）、（3）和（4）中的测量结果通过无线信道传递。

所述步骤（4）中，对携带信息的量子态进行远程传态，步骤如下：

a）源节点对携带信息的粒子和源和目的节点纠缠粒子对中源节点所拥有的粒子进行测量，将测量结果通过无线信道传送到目的节点；

b）目的节点根据收到的测量结果，对源和目的节点纠缠粒子对中目的节点所拥有的粒子进行幺正变换，得到携带信息的粒子态，从而完成了量子信息的传递。

以一个包含8个节点的无线自组织量子通信网络为例，具体说明本发明的具体实施。

如图2所示为本发明实施例中的无线自组织量子通信网络拓扑图，包含了A、B、C、D、E、F、G、H八个节点。假设源节点为A，目的节点为H，欲传输的量子I的量子态为|I〉，则建立量子信道以及传递量子信息的过程如下：

（1）根据图2所示的该无线自组织量子通信网络拓扑图，假设选择路径A→B→E→G→H，节点G为路径中目的节点的上一跳节点，节点B为路径中源节点的下一跳节点，该路径所对应的建立量子信道以及传递量子信息的量子逻辑线路图如图3所示，纠缠交换将从节点B和G开始。

对于节点B，假设一开始节点B中粒子B₁和节点A中粒子A₁处于纠缠态 ${|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩}_{A_1{B}_1}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{B_1}+{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{B_1})$ 节点B中粒子B₂和节点E中粒子E₁处于纠缠态 ${|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩}_{B_2{E}_1}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|0\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1}).$ 则4个粒子的总状态为：

${|\mathrm{\φ}\⟩}_{A_1{B}_1{B}_2{E}_1}=\frac{1}{2}({|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{B_1}+{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{B_1})\⊗({|0\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1})$

节点B中的粒子B₁和B₂经过控非门后，4个粒子总态为：

${|\mathrm{\φ}\⟩}_{A_1{B}_1{B}_2{E}_1}=\frac{1}{2}[{|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{B_1}({|0\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1})+{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{B_1}({|1\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1}+{|0\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1})]$

随后，将粒子B₁经过H门，4个粒子总态为：

${|\mathrm{\φ}\⟩}_{A_1{B}_1{B}_2{E}_1}=\frac{1}{2\sqrt{2}}[{|0\⟩}_{A_1}({|0\⟩}_{B_1}+{|1\⟩}_{B_1})({|0\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1})+{|1\⟩}_{A_1}({|0\⟩}_{B_1}-{|1\⟩}_{B_1})({|1\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1}+{|0\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1})]$

上式可以写为：

${|\mathrm{\φ}\⟩}_{A_1{B}_1{B}_2{E}_1}=\frac{1}{2\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}{|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{B_1}({|0\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1})+{|0\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{B_1}({|0\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1})\\ +{|1\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{B_1}({|0\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1})-{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{B_1}({|0\⟩}_{B_2}{|1\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{B_2}{|0\⟩}_{E_1})\end{array}\right]$

$=\frac{1}{2\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}{|0\⟩}_{B_1}{|0\⟩}_{B_2}({|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{E_1})+{|0\⟩}_{B_1}{|1\⟩}_{B_2}({|0\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{E_1})\\ +{|1\⟩}_{B_1}{|0\⟩}_{B_2}({|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{E_1}-{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{E_1})+{|1\⟩}_{B_1}{|1\⟩}_{B_2}({|0\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{E_1}-{|1\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{E_1})\end{array}\right]$

上式表明，节点B对粒子B₁和B₂进行Bell态测量，当测量结果为|00〉时，粒子A₁和E₁处于态，这样两个从来没有相互作用的粒子A₁和E₁就纠缠起来，同理可得测量结果为其它三种情况下粒子A₁和E₁所处的Bell态，该例中测量结果与对应的粒子A₁和E₁所处纠缠态如下表所示：

测量结果	对应的纠缠态	测量结果	对应的纠缠态
				|00〉	|φ+〉	|01〉	|ψ+〉
|10〉	|φ-〉	|11〉	|ψ-〉

节点G也做同样的操作，使得粒子H₁和E₂纠缠起来。节点B和G分别将测量所判定的粒子A₁和E₁的Bell态以及E₂和H₁的Bell态信息通过无线信道传送到节点E。

（2）节点E收到来自两个方向的测量结果，因此在该节点进行最后一次纠缠交换，节点E根据收到的测量结果，进行Bell态测量，以粒子A₁和E₁处于纠缠态 ${|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩}_{A_1{E}_1}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{E_1}+{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{E_1}),$ 粒子E₂和H₁处于纠缠态为例,经过中量子逻辑门后，可得：

${|\mathrm{\φ}\⟩}_{A_1{E}_1{E}_2{H}_1}=\frac{1}{2\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}{|0\⟩}_{C_1}{|0\⟩}_{C_2}({|0\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{H_1}+{|1\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{H_1})+{|0\⟩}_{C_1}{|1\⟩}_{C_2}({|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{H_1}+{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{H_1})\\ +{|1\⟩}_{C_1}{|0\⟩}_{C_2}({|0\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{H_1}-{|1\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{H_1})+{|1\⟩}_{C_1}{|1\⟩}_{C_2}({|0\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{E_1}-{|1\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{E_1})\end{array}\right]$

这样，粒子A₁和H₁形成了纠缠，测量结果与对应的粒子A₁和H₁所处纠缠态如下表所示：

测量结果	对应的纠缠态	测量结果	对应的纠缠态
				|00〉	|ψ+〉	|01〉	|φ+〉
|10〉	|ψ-〉	|11〉	|φ-〉

（3）节点E将测量后粒子A₁和H₁所处的Bell态通过无线信道，分别传送至节点A和节点H；

（4）以粒子A₁和H₁经过纠缠交换后所处的粒子态为为例，源节点A收到该信息后，将对加载了信息的量子态I进行远程传态，假设量子态(α、β为常数，且满足|α|²+|β|²=1),则三个粒子的总态为：

${|\mathrm{\φ}\⟩}_{{\mathrm{IA}}_1{H}_1}=\frac{\mathrm{\α}}{\sqrt{2}}({|0\⟩}_I{|0\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{H_1}-{|0\⟩}_I{|1\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{H_1})+\frac{\mathrm{\β}}{\sqrt{2}}({|1\⟩}_I{|0\⟩}_{A_1}{|1\⟩}_{H_1}-{|1\⟩}_I{|1\⟩}_{A_1}{|0\⟩}_{H_1})$

上式可表示为：

上式表明，源节点A对粒子I和A₁进行Bell基测量，根据测量结果可知粒子H₁将坍缩到对应态，测量结果与对应的粒子H₁的态如下表所示。

源节点A将测量结果通过无线信道传送到目的节点H。目的节点H根据测量结果，对粒子H₁进行对应的幺正变换，对应的幺正变换如上表所示。经过幺正变换后，粒子H₁为|H〉=α|0〉+β|1〉，至此，携带信息的粒子态|I〉通过无线自组织量子通信网络从源节点A传递到了目的节点H。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)从源和目的节点的相邻节点开始进行纠缠交换，将测量结果沿中间节点方向传递至下一节点；

(2)节点判断是否收到来自两个方向的测量结果；若是，在该节点进行最后一次纠缠交换，这将使源节点与目的节点中两个本来不纠缠的粒子纠缠起来，建立源和目的节点间量子信道，跳转至步骤(3)，否则就进行纠缠交换，将测量结果沿中间节点方向传递至下一节点，跳转至步骤(2)；

(3)该节点将测量结果所对应的源节点与目的节点间的粒子纠缠态，通过无线信道分别传送至目的节点和源节点；

(4)源节点收到该测量结果后，通过量子远程传态传递携带信息的量子态，使得携带信息的量子态传送到目的节点；

所述相邻节点间拥有纠缠粒子对。

2.根据权利要求1所述的用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，其特征在于：携带信息的量子态通过量子信道传递，所述步骤(2)、(3)和(4)中的测量结果通过无线信道传递。

3.根据权利要求1所述的用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，其特征在于：所述步骤(4)中进行量子远程传态步骤如下：

a)源节点对携带信息的粒子，以及源和目的节点纠缠粒子对中的源节点所拥有的粒子进行测量，将测量结果通过无线信道传送到目的节点；

b)目的节点根据收到的测量结果，对源和目的节点纠缠粒子对中的目的节点所拥有的粒子进行幺正变换，得到携带信息的粒子态，从而完成了量子信息的传递。