CN102833809A - 用于无线量子通信网络的信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线量子通信网络的信息传输方法，该方法包含以下步骤：步骤1：源节点发送路由请求消息；步骤2：中间节点处理路由请求消息；步骤3：目的节点收到路由请求消息后，对其进行处理、选择路径并发送路由应答消息；步骤4：中间节点更新并转发路由应答消息，同时进行纠缠交换，测量结果由路由应答消息携带；步骤5：源节点根据路由应答消息建立路由；步骤6：源节点收到路由应答消息或传输应答消息包后，判断与目的节点间信息传送是否结束。本发明中纠缠交换的测量结果随路由应答消息包或传输应答消息包传送，降低了信息传输的延时，并可以显著减低一次传递量子信息所需要的无线传输开销，显著降低无线信道中数据包冲突概率。

Description

用于无线量子通信网络的信息传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和信息传播技术，尤其涉及用于无线量子通信网络信息传输技术。

背景技术

目前无线通信网络得到了广泛应用，网络中节点以无线方式传输信息，易于组网扩展，具有高度的灵活性。安全性是无线网络面临的一大问题，将无线网络与量子信息技术相结合，利用量子的不确定性原理和不可克隆原理，可以保证网络的安全性，同时还可以提高信息容量，带来一种灵活、高速、安全、高容量的无线通信方式。对于无线量子通信网络，可以将要传输的信息携带在量子态上，采用量子远程传态与纠缠交换技术，结合无线网络传输携带信息的量子态。量子远程传态利用收发双方所共同拥有的纠缠量子对（如EPR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,结合纠缠交换可以实现多节点远距离通信。

目前，量子通信网络的研究主要针对有线量子通信网络以及简单拓扑结构的无线量子通信网络,对复杂拓扑结构下的无线量子通信网络的研究处于起步阶段。而且对无线量子通信网络的研究工作，目前主要集中在网络安全领域,对网络结构、协议等研究较少。陈Cheng等人在文献“Quantum Communication forWireless Wide-Area Networks”（无线广域网络量子通信）中提出了在量子域内无线通信网络中的量子路由算法，对已建立路由后量子态的传递进行了研究，这是首次在量子领域内对无线通信问题进行研究，该算法主要利用量子远程传态和纠缠交换构建量子中继和量子对桥来实现量子态在量子无线网络内的传递，所研究的网络结构为分层网络结构，并且未涉及对路由选择、建立和维护的具体研究。本专利给出了将信息携带在量子态上的无线量子通信网络中信息传输的方法，包含路由的建立，量子信息的传输等。

本专利中需要用到贝尔基测量，量子隐形传态技术和量子纠缠交换技术，这三种技术在理论和实验中均得到了验证，分别介绍如下。

贝尔基测量：

对于两个两态粒子的量子系统，存在下面4个量子态：

${|{\mathrm{\φ}}^{\±}\⟩}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_1{|H\⟩}_2\±{|V\⟩}_1{|V\⟩}_2),$

${|{\mathrm{\ψ}}^{\±}\⟩}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_1{|V\⟩}_2\±{|H\⟩}_1{|V\⟩}_2).$

这4个态是贝尔算符的本征态，构成四维希尔伯特空间的完备正交归一基，称为贝尔基。每个贝尔基态都是双粒子体系最大纠缠态，利用贝尔基对任意两粒子态实施正交测量，称为贝尔基测量。

量子隐形传态技术：发送节点A欲传送粒子x的初始量子态|x〉=α|H〉+β|V〉（α、β为任意复系数，且满足||α||²+||β||²=1）至节点B。节点A和B之间共享一对纠缠粒子对，如EPR对，该纠缠粒子对中粒子1位于节点A，粒子2位于节点B，粒子1和2组成一个贝尔基，这里假设2个粒子处于

则粒子1、2和x的总态为：

|ψ〉_x12=(α/2)(|H〉_x＋|V〉_x)(|H〉₁|V〉₂-|V〉₁|H〉₂)+(β/2)(|H〉_x-|V〉_x)(|V〉₁|V〉₂-|H〉₁|H〉₂)

由于2粒子贝尔基可表示为：

${|{\mathrm{\φ}}^{\±}\⟩}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_1{|H\⟩}_2\±{|V\⟩}_1{|V\⟩}_2),$

${|{\mathrm{\ψ}}^{\±}\⟩}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_1{|V\⟩}_2\±{|H\⟩}_1{|V\⟩}_2).$

根据贝尔基，三粒子的状态可展开为：

${|\mathrm{\ψ}\⟩}_{x12}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}({|H\⟩}_x{|H\⟩}_1+{|V\⟩}_x{|V\⟩}_1)(\mathrm{\α}{|V\⟩}_2-\mathrm{\β}{|H\⟩}_2)+({|H\⟩}_x{|H\⟩}_1-{|V\⟩}_x{|V\⟩}_1)(\mathrm{\α}{|V\⟩}_2+\mathrm{\β}{|H\⟩}_2)\\ +({|H\⟩}_x{|V\⟩}_1+{|V\⟩}_x{|H\⟩}_1)(-\mathrm{\α}{|H\⟩}_2+\mathrm{\β}{|V\⟩}_2)+({|H\⟩}_x{|V\⟩}_1-{|V\⟩}_x{|H\⟩}_1)(-\mathrm{\α}{|H\⟩}_2-\mathrm{\β}{|V\⟩}_2)\end{array}\right].$

上式表明，对粒子1和x做贝尔基测量，当测量结果表明x和1两个粒子处于|ψ-〉态时，粒子的2态恰好就是x粒子的初始态，而当x和粒子1处于其它3种贝尔态的时候，粒子2的态与x粒子的初始态差一个泡利矩阵的幺正变换。节点A把对粒子x和粒子1的贝尔基测量结果对应的幺正变换信息通过经典方式发送给节点B，节点B根据测量结果，对粒子2做相应的幺正变换，就可以得到粒子x的初始态，从而实现了量子态的传输。测量结果与对应的粒子2应进行的幺正变换操作如表1所示。

表1.测量结果与粒子2应进行的幺正变换关系

量子纠缠交换技术：节点A和B共享一对纠缠粒子对，该纠缠粒子对中粒子1位于节点A，粒子2位于节点B，节点B和C共享另一对纠缠粒子对，该纠缠粒子对中粒子3位于节点B，粒子4位于节点C。假设粒子1和2处于|ψ^-〉，粒子3和4也处于|ψ^-〉，整个系统4个粒子的初始总态可以表示为：

$|\mathrm{\ψ}\⟩=\frac{1}{2}({|H\⟩}_1{|V\⟩}_2-{|H\⟩}_1{|V\⟩}_2)({|H\⟩}_3{|V\⟩}_4-{|H\⟩}_3{|V\⟩}_4)$

节点B对持有的粒子2和3做贝尔基测量，上式可以写为：

$|\mathrm{\ψ}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|{\mathrm{\ψ}}^{+}\⟩}_{14}{|{\mathrm{\ψ}}^{+}\⟩}_{23}-{|{\mathrm{\ψ}}^{-}\⟩}_{14}{|{\mathrm{\ψ}}^{-}\⟩}_{23}-{|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩}_{14}{|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩}_{23}+{|{\mathrm{\φ}}^{-}\⟩}_{14}{|{\mathrm{\φ}}^{-}\⟩}_{23})$

上式表明，节点B对粒子2和3做贝尔基测量，将使得粒子2和3产生纠缠，随机的处于4个贝尔基中的一种状态，并且另外两个粒子1和4也将纠缠起来，处于对应的贝尔态，形成新的纠缠粒子对。如节点B中粒子2和3测得结果为|ψ⁺〉₁₄，则粒子1和4处于|ψ⁺〉₂₃上，这使得本来不纠缠的两个粒子1和4建立了纠缠，而原有的粒子1和2以及3和4之间不再纠缠。节点B对粒子2和3进行测量后，所得到的测量结果所对应的粒子1和4的态可通过经典方式发送给节点A和C，节点A和C就知道其持有的粒子所处的纠缠态。量子A和C共享一对纠缠粒子后，就可以通过量子隐形传态技术在A和C之间传输量子态。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供为了在无线量子通信网络传输携带信息的量子态，本发明提出了一种用于无线量子通信网络的信息传输方法。采用该方法，可以在无线量子通信网络任意两节点间建立路由，并传输量子态，为无线量子通信网络提供了一种安全可靠的信息传输方式。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种用于无线量子通信网络的信息传输方法，该方法包含以下步骤：

步骤1：源节点发送路由请求消息；

步骤2：中间节点处理路由请求消息；

步骤3：目的节点收到路由请求消息后，对其进行处理、选择路径并发送路由应答消息；

步骤4：中间节点更新并转发路由应答消息，同时进行纠缠交换，测量结果由路由应答消息携带；

步骤5：源节点根据路由应答消息建立路由；

步骤6：源节点收到路由应答消息或传输应答消息包后，判断与目的节点间信息传送是否结束；

步骤7：路径中中间节点接收并根据路由表转发该测量消息包；

步骤8：目的节点进行幺正变换，并回复传输应答消息包；

步骤9：中间处理并转发传输应答消息包；

步骤10：源节点收到传输应答消息包后，则跳转到步骤6。

优选的，步骤1：源节点发送路由请求消息；

节点有加载到量子态上的信息要传送，首先发出一个路由请求消息；源节点发送的该路由请求消息包含路由请求消息类型，源节点地址，目的节点地址，源节点序列号，路由度量，上一跳节点地址；网络开始工作的时候源节点序列号为0，每发起一次路由请求，在发送路由请求消息前，源节点序列号加1；路由度量初始值设为0，上一跳节点地址初始值设为源节点地址；

步骤2：中间节点处理路由请求消息；

中间节点收到该路由请求消息，根据路由请求消息包中源节点地址和源节点序列号以及路由度量判断是否要丢弃收到的路由请求消息包；如果收到的路由请求消息中的源节点地址和源节点序列号与本节点保存的路由请求消息中某路由请求消息具有相同的源节点地址和源节点序列号，并且路由度量值不大于本节点保存的路由请求消息中的路由度量值，则丢弃该路由请求消息；否则更新路由请求消息中的路由度量，将收到该路由请求消息的中间节点与发送该路由请求消息的上一跳节点间拥有的纠缠粒子对的数目设为N_e，路由请求消息中路由度量值设为R；若N_e<R或者R＝0，则更新路由请求消息中路由度量值为N_e；若N_e≥R，则路由请求消息中路由度量值不变；然后更新中间节点路由表；如果路由表中不存在到源节点的路由，则在路由表中添加到源节点的路由，将路由表中到源节点的路由度量值设为路由请求消息中的路由度量值，下一跳节点地址设为路由请求消息中上一跳节点地址；若存在到源节点的路由，如果路由表中的路由度量值小于路由请求消息中的路由度量值，则将路由表中的路由度量值设为路由请求消息中的路由度量值，下一跳节点地址设为路由请求消息中上一跳节点地址；最后，将路由请求消息中的下一跳节点地址更新为本节点地址，保存并广播路由请求消息；

转发过程中，节点收到源节点为本节点的路由请求消息，将丢弃收到路由请求消息；

步骤3：目的节点收到路由请求消息后，对其进行处理、选择路径并发送路由应答消息；

目的节点首先更新收到的路由请中的路由度量，其方法与步骤2中中间节点更新路由请求消息中路由度量的方法相同，然后检测其源节点地址和源节点序列号，如果没有收到过相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息，将判定为第一次收到该路由请求消息；第一次收到该路由请求消息后，将在一段时间内等待，然后对该时间段内收到的具有相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息进行处理；每个路由请求消息对应不同的可选路径，目的节点从收到的路由请求消息中选取路由度量值最大的路径，然后根据所选路径的路由请求消息，在目的节点路由表中设置到源节点的路由；将路由表中到源节点路由的下一跳节点地址设为所选路径对应的路由应答消息中的上一跳节点地址，将路由度量值设为该路由请求消息中的路由度量值；最后目的节点产生一个路由应答消息，并根据路由表单播该路由应答消息；路由应答消息包含消息类型、源节点地、，目的节点地址、路由度量和上一跳节点地址；路由度量的初始值为0，上一跳节点地址初始值设为产生该路由应答消息的目的节点地址；

步骤4：中间节点更新并转发路由应答消息，同时进行纠缠交换，测量结果由路由应答消息携带；

路径上中间节点收到路由应答消息后，首先更新路由应答消息，假设将收到该路由应答消息的中间节点与发送该路由应答消息的上一跳节点间拥有的纠缠粒子对的数目设为N_p，路由应答消息中路由度量值设为M，如果N_p<M或者M＝0，则更新路由应答消息中路由度量值M为N_p；然后在路由表中设置到目的节点的路由，将路由表中到目的节点的下一跳节点地址设为路由请求信息中上一跳节点地址，路由度量值设为更新后的路由请求消息中的度量值M；中间节点收到路由应答消息的同时，对本节点上的拥有的两个粒子进行纠缠交换操作，这两个粒子分别与所选路径中本节点的上一跳节点的粒子和下一跳节点的粒子组成纠缠粒子对，根据纠缠交换的测量结果可知位于上一跳和下一跳节点上的新的纠缠粒子对所处的态；最后修改路由应答消息，将路由应答消息中的上一跳节点地址更新为本节点地址，并将新的纠缠粒子对所处的态的信息添加到路由应答消息中，然后根据路由表，将路由应答消息沿所选路径传送到下一节点；

步骤5：源节点根据路由应答消息建立路由；

源节点收到该路由应答消息，按照步骤4中方法更新路由应答消息，并在源节点路由表中添加到目的节点的路由；该路由中的下一跳节点地址设为路由应答消息中的上一跳节点地址，路由度量设为更新后路由应答消息中路由度量值；

步骤6：源节点收到路由应答消息或传输应答消息包后，判断与目的节点间信息传送是否结束；

若已结束，则本次源和目的节点间量子信息传送过程结束；否则，由于中间节点均进行纠缠交换，使得源节点与目的节点间拥有纠缠粒子对，源节点将进行量子远程传态，并发送测量消息包，该过程如下：将携带欲传送信息的粒子同纠缠粒子对中源节点处粒子进行贝尔基测量，根据测量结果，获知对目的节点处粒子进行操作所对应的幺正变换；源节点通过无线信道发送测量消息包，传送到目的节点；测量消息包中包含目的节点地址；目的节点粒子所对应的幺正变换，该幺正变换可用两位编码表示；标志位；标志位用以表明本次量子远程传态结束后，源节点和目的节点间信息传送是否结束；

步骤8：目的节点进行幺正变换，并回复传输应答消息包；

目的节点收到测量消息包后，首先对纠缠粒子对中目的节点所拥有的粒子进行相应的幺正变换，从而在目的节点得到欲传送的量子态；然后目的节点根据已建立的路由通过无线信道向源节点回复传输应答消息包，该消息包含源节点地址，以及标志位；标志位根据测量消息包中标志位设置，表明源节点和目的节点间信息传送是否结束；

步骤9：中间节点处理并转发传输应答消息包；

路径中中间节点收到传输应答消息包后，检测消息包中标志位，判断源节点和目的节点间信息传送是否结束；如果信息传送还未结束，则进行纠缠交换，将纠缠交换后测量结果对应的态的信息添加到应答消息包中；如果源节点和目的节点间信息传送结束，则中间节点不进行纠缠交换，仅根据路由表向源节点转发传输应答消息包；

步骤10：源节点收到传输应答消息包后，则跳转到步骤6。

优选的，所述路由度量以路径上节点间的最小纠缠粒子对数目作为路由度量。

优选的，上述步骤3中目的节点选择路径时，选择可选路径中路由度量值最大的路径，也就是选择路径上最小纠缠粒子对数目最大的路径。

优选的，所述纠缠交换的测量结果随路由应答消息包或传输应答消息包传送。

有益效果：本发明提供的用于无线量子通信网络的信息传输方法，用于在无线量子通信网络中任意两点间传输携带信息的量子态。本发明中纠缠交换伴随传输路由应答消息包以及传输应答消息包过程进行，纠缠交换的结果由路由应答消息包或者传输应答消息包携带，减少了单独传送测量结果所带来的延时，节约了无线资源的开销，降低了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网络拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的用于无线量子通信网络的信息传输方法，该方法包含以下步骤：

步骤1：源节点发送路由请求消息；

节点有加载到量子态上的信息要传送，首先发出一个路由请求消息；源节点发送的该路由请求消息包含路由请求消息类型，源节点地址，目的节点地址，源节点序列号，路由度量，上一跳节点地址；网络开始工作的时候源节点序列号为0，每发起一次路由请求，在发送路由请求消息前，源节点序列号加1；路由度量初始值设为0，上一跳节点地址初始值设为源节点地址；

步骤2：中间节点处理路由请求消息；

中间节点收到该路由请求消息，根据路由请求消息包中源节点地址和源节点序列号以及路由度量判断是否要丢弃收到的路由请求消息包；如果收到的路由请求消息中的源节点地址和源节点序列号与本节点保存的路由请求消息中某路由请求消息具有相同的源节点地址和源节点序列号，并且路由度量值不大于本节点保存的路由请求消息中的路由度量值，则丢弃该路由请求消息；否则更新路由请求消息中的路由度量，将收到该路由请求消息的中间节点与发送该路由请求消息的上一跳节点间拥有的纠缠粒子对的数目设为N_e，路由请求消息中路由度量值设为R；若N_e<R或者R＝0，则更新路由请求消息中路由度量值为N_e；若N_e≥R，则路由请求消息中路由度量值不变；然后更新中间节点路由表；如果路由表中不存在到源节点的路由，则在路由表中添加到源节点的路由，将路由表中到源节点的路由度量值设为路由请求消息中的路由度量值，下一跳节点地址设为路由请求消息中上一跳节点地址；若存在到源节点的路由，如果路由表中的路由度量值小于路由请求消息中的路由度量值，则将路由表中的路由度量值设为路由请求消息中的路由度量值，下一跳节点地址设为路由请求消息中上一跳节点地址；最后，将路由请求消息中的下一跳节点地址更新为本节点地址，保存并广播路由请求消息；

转发过程中，节点收到源节点为本节点的路由请求消息，将丢弃收到路由请求消息；

步骤3：目的节点收到路由请求消息后，对其进行处理、选择路径并发送路由应答消息；

目的节点首先更新收到的路由请中的路由度量，其方法与步骤2中中间节点更新路由请求消息中路由度量的方法相同，然后检测其源节点地址和源节点序列号，如果没有收到过相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息，将判定为第一次收到该路由请求消息；第一次收到该路由请求消息后，将在一段时间内等待，然后对该时间段内收到的具有相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息进行处理；每个路由请求消息对应不同的可选路径，目的节点从收到的路由请求消息中选取路由度量值最大的路径，然后根据所选路径的路由请求消息，在目的节点路由表中设置到源节点的路由；将路由表中到源节点路由的下一跳节点地址设为所选路径对应的路由应答消息中的上一跳节点地址，将路由度量值设为该路由请求消息中的路由度量值；最后目的节点产生一个路由应答消息，并根据路由表单播该路由应答消息；路由应答消息包含消息类型、源节点地、，目的节点地址、路由度量和上一跳节点地址；路由度量的初始值为0，上一跳节点地址初始值设为产生该路由应答消息的目的节点地址；

步骤4：中间节点更新并转发路由应答消息，同时进行纠缠交换，测量结果由路由应答消息携带；

路径上中间节点收到路由应答消息后，首先更新路由应答消息，假设将收到该路由应答消息的中间节点与发送该路由应答消息的上一跳节点间拥有的纠缠粒子对的数目设为N_p，路由应答消息中路由度量值设为M，如果N_p<M或者M＝0，则更新路由应答消息中路由度量值M为N_p；然后在路由表中设置到目的节点的路由，将路由表中到目的节点的下一跳节点地址设为路由请求信息中上一跳节点地址，路由度量值设为更新后的路由请求消息中的度量值M；中间节点收到路由应答消息的同时，对本节点上的拥有的两个粒子进行纠缠交换操作，这两个粒子分别与所选路径中本节点的上一跳节点的粒子和下一跳节点的粒子组成纠缠粒子对，根据纠缠交换的测量结果可知位于上一跳和下一跳节点上的新的纠缠粒子对所处的态；最后修改路由应答消息，将路由应答消息中的上一跳节点地址更新为本节点地址，并将新的纠缠粒子对所处的态的信息添加到路由应答消息中，然后根据路由表，将路由应答消息沿所选路径传送到下一节点；

步骤5：源节点根据路由应答消息建立路由；

源节点收到该路由应答消息，按照步骤4中方法更新路由应答消息，并在源节点路由表中添加到目的节点的路由；该路由中的下一跳节点地址设为路由应答消息中的上一跳节点地址，路由度量设为更新后路由应答消息中路由度量值；

步骤6：源节点收到路由应答消息或传输应答消息包后，判断与目的节点间信息传送是否结束；

若已结束，则本次源和目的节点间量子信息传送过程结束；否则，由于中间节点均进行纠缠交换，使得源节点与目的节点间拥有纠缠粒子对，源节点将进行量子远程传态，并发送测量消息包，该过程如下：将携带欲传送信息的粒子同纠缠粒子对中源节点处粒子进行贝尔基测量，根据测量结果，获知对目的节点处粒子进行操作所对应的幺正变换；源节点通过无线信道发送测量消息包，传送到目的节点；测量消息包中包含目的节点地址；目的节点粒子所对应的幺正变换，该幺正变换可用两位编码表示；标志位；标志位用以表明本次量子远程传态结束后，源节点和目的节点间信息传送是否结束；

步骤7：路径中中间节点接收并根据路由表转发该测量消息包；

步骤8：目的节点进行幺正变换，并回复传输应答消息包；

目的节点收到测量消息包后，首先对纠缠粒子对中目的节点所拥有的粒子进行相应的幺正变换，从而在目的节点得到欲传送的量子态；然后目的节点根据已建立的路由通过无线信道向源节点回复传输应答消息包，该消息包含源节点地址，以及标志位；标志位根据测量消息包中标志位设置，表明源节点和目的节点间信息传送是否结束；

步骤9：中间节点处理并转发传输应答消息包；

路径中中间节点收到传输应答消息包后，检测消息包中标志位，判断源节点和目的节点间信息传送是否结束；如果信息传送还未结束，则进行纠缠交换，将纠缠交换后测量结果对应的态的信息添加到应答消息包中；如果源节点和目的节点间信息传送结束，则中间节点不进行纠缠交换，仅根据路由表向源节点转发传输应答消息包；

步骤10：源节点收到传输应答消息包后，则跳转到步骤6。

所述路由度量以路径上节点间的最小纠缠粒子对数目作为路由度量。

上述步骤3中目的节点选择路径时，选择可选路径中路由度量值最大的路径，也就是选择路径上最小纠缠粒子对数目最大的路径。

所述纠缠交换的测量结果随路由应答消息包或传输应答消息包传送。

以图2中一个包含4个节点的无线量子通信网络为例，具体说明本发明的实施过程。

图2所示为该无线量子通信网络拓扑图，包含了A、B、C、D共4个节点，图中两节点间数字表示两节点间所共享的纠缠粒子对数目。虚线表示两节点间存在纠缠粒子对，实线表示两节点间存在无线链路。假设源节点为A，目的节点为D，欲传输的携带信息的粒子I和J，对应的量子态分别为|I〉和|J〉，则传输该量子态过程如下：

1.源节点A发送路由请求消息。路由请求消息中包含：路由请求消息的类型，如可用01表示该消息为路由请求消息；源节点A的地址；目的节点D的地址；源节点序列号，由于每发起一次路由请求，在发送路由请求消息前，源节点序列号加1，所以路由请求消息中源序列号为当前源节点序列号加1，如果节点A是首次发送路由请求消息，则路由请求消息中序列号为1；设置路由度量值为0；上一跳节点地址设为节点A的地址。

2.节点B和C收到来自节点A的路由请求消息，分别做如下处理：节点B未曾收到过相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息，将更新路由请求消息中的路由度量，由于节点B同节点A之间纠缠粒子对的数目为40，路由请求消息中路由度量值为0，则更新路由请求消息中路由度量值为40。然后更新节点B中路由表，若节点B中不存在到源节点A的路由，则在路由表中添加到节点A的路由，将路由表中到节点A的路由度量值设为40，下一跳地址设为节点A的地址。最后节点B将路由请求消息中的上一跳节点地址更新为节点B地址，保存并广播该路由请求消息。

同样，节点C未曾收到过相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息，将更新路由请求消息中的路由度量，由于节点C同节点A之间纠缠粒子对的数目为10，路由请求消息中路由度量值为0，则更新路由请求消息中路由度量值为10。然后更新节点C中路由表，若节点C中不存在到源节点A的路由，则在路由表中添加到节点A的路由，将路由表中到节点A的路由度量值设为10，下一跳地址设为节点A的地址。最后节点C将路由请求消息中的上一跳节点地址更新为节点C地址，保存并广播该路由请求消息。

3.过程2中节点B广播的路由请求消息，被节点A和节点C收到，分别做如下处理：

节点A收到该路由请求消息后，检测发现该路由请求消息中包含的源节点地址为本节点地址，丢弃收到的路由请求消息。

节点C收到该路由请求消息后，由于路由请求消息中的路由度量值为40，大于过程2中保存的具有相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息中的路由度量值，因此将不丢弃该路由请求消息。由于节点B和C之间的纠缠粒子对数目为30，节点C更新路由请求消息中的路由度量值为30。然后更新节点C路由表中到源节点A的路由。路由表中到源节点A的路由度量值为10，小于路由请求消息中路由度量值，将路由表中的路由度量值设为30，然后路由表中到节点A的下一跳地址设为节点B的地址。最后节点C将路由请求消息中的上一跳节点地址更新为节点C地址，保存并广播该路由请求消息。

4.过程2中节点C广播的路由请求消息将被节点A、B和D收到，分别做如下处理：

节点A收到该路由请求消息后，检测发现该路由请求消息中包含的源节点地址为本节点地址，丢弃收到的路由请求消息。

节点B收到该路由请求消息后，与保存的路由请求消息相比较，发现收到过具有相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息，且收到的路由请求消息中的路由度量值10小于保存的路由请求消息中的路由度量值40，丢弃收到的路由请求消息。

节点D收到该路由请求消息后，根据路由请求消息中目的节点地址可知本节点为目的节点，然后更新路由请求消息，由于节点D和C之间的纠缠粒子对数目为30，路由请求消息中路由度量值为10，则不更新路由请求消息中路由度量值。随后节点D根据路由请求消息中的源节点地址和源节点序列号，可知是首次收到来自节点A且源节点序列号为1的路由请求消息。将保存该路由请求消息，并等待一段时间。

5.过程3中节点C广播的路由请求消息将被节点A、B和D收到，分别处理如下：

节点A收到该路由请求消息后，检测发现该路由请求消息中包含的源节点地址为本节点地址，丢弃收到的路由请求消息。

节点B收到该路由请求消息后，与保存的路由请求消息相比较，发现收到过具有相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息，且收到的路由请求消息中的路由度量值30小于保存的路由请求消息中的路由度量值40，丢弃收到的路由请求消息。

节点D收到该路由请求消息后，根据路由请求消息中目的节点地址可知本节点为目的节点，然后更新路由请求消息，由于节点D和C之间的纠缠粒子对数目为30，路由请求消息中路由度量值为30，则不更新路由请求消息中路由度量值。随后目的节点根据路由请求消息中的源节点地址和源节点序列号可知与之前收到的路由请求消息具有相同源节点地址和序列好，保存该路由请求消息。

6.经过一段时间后，目的节点D对该时间段内收到的具有相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息路由请求消息进行处理。目的节点D分别收到来自节点C的两条路由请求消息，对应的路由度量值分别为10和30，节点D选择度量值为30的路径。根据该路径对应的路由请求消息，在路由表中设置到节点A的路由。将到节点A的下一跳节点地址设置为节点C的地址，路由度量值设为30。最后节点D产生一个路由应答消息，其路由应答消息的源节点地址为节点A的地址，目的节点地址为节点D的地址，路由度量初始值设为0，上一跳节点地址初始值设为节点D的地址。然后将该路由应答消息沿所选路径发送到节点A，根据节点D中的路由表，该路由应答消息将被单播发送到节点C。

7.节点C收到该路由应答消息后，将首先更新路由应答消息。因为路由应答消息中路由度量值为0，节点C与节点D间的纠缠粒子对数目为30，将更新路由应答消息中路由度量值为30。然后在路由表中设置到节点D的路由，将路由表中到节点D的下一跳节点地址设为节点D的地址，将到节点D的路由度量值设为30。根据路由表，节点C可知到节点A的下一跳节点为节点B，据此节点C进行纠缠交换。这里以用于纠缠交换的节点B和C间的一对纠缠粒子对处于|ψ^-〉，节点C和D间一对纠缠粒子也处于|ψ^-〉为例，假设经过贝尔基测量后，测得位于节点C处的两粒子的态为|ψ^-〉，可知对应的位于节点B和D之间的新的纠缠粒子对的态为|ψ^-〉。修改路由应答消息，将路由应答消息中的上一跳节点地址更新为节点C的地址。然后将B和D间新的纠缠粒子对的态的信息添加到路由应答消息中，可用2bit编码表示对应的4种不同的态，如00表示

01表示

10表示|ψ⁺〉，11表示|ψ^-〉。最后根据节点C中表路由表，单播路由应答消息至节点B。

8.节点B收到该路由应答消息后，将首先更新路由应答消息。因为路由应答消息中路由度量值为30，节点B与节点C间的纠缠粒子对数目由于节点C的纠缠交换后变为29，路由应答消息中路由度量值更新为29。然后在路由表中设置到节点D的路由，将路由表中到节点D的下一跳节点地址设为节点C的地址，将到节点D的路由度量值设为29。根据路由表，节点B可知到节点A的下一跳节点即为节点A，据此节点B进行纠缠交换。这里以用于纠缠交换的节点A和B间的一对纠缠粒子对处于|ψ^-〉为例，从收到的路由应答消息，可知节点B和D之间的纠缠粒子对处于|ψ^-〉。假设经过贝尔基测量后，测得位于节点B处的两粒子的态为|ψ^-〉，可知对应的位于节点A和D之间的新的纠缠粒子对的态为|ψ^-〉。修改路由应答消息，将路由应答中的上一跳节点地址更新为节点B的地址。然后将A和D之间新的纠缠粒子对的态的信息添加到路由应答消息中。最后根据节点B中表路由表，单播路由应答消息至节点A。

9.节点A收到路由应答消息建立路由：首先更新路由应答消息。因为路由应答消息中路由度量为29，节点A和B之间纠缠粒子对数目因为节点B进行的纠缠交换变为39，路由应答消息中度量值更小，因此路由应答消息中路由度量值保持不变。然后在路由表中添加到目的节点的路由，其路由中到节点D的下一跳节点地址设为节点B的地址，路由度量值为29。

10.由于信息传送未结束，节点A进行量子远程传态。对节点A和D间纠缠粒子对位于节点A中的粒子与粒子I进行贝尔基测量，假设测量结果为

对应的幺正变换为Y变换。节点A通过无线信道发送测量消息包。测量消息包包含目的节点D的地址、节点D中纠缠粒子应作的幺正变换、设置标志位为1。假设本次量子远程传态结束后，还有携带信息的粒子J的量子态J需要传送，这里信息传输结束标志位可设为1，否则设为0；测量消息包中对应的幺正变换可用2bit编码，如00表示X变换，01表示Y变换，10表示Z变换，11表示I变换。

11.节点B收到该测量消息包，查路由表后转发至节点C。节点C收到测量消息包，查路由表转发至目的节点D。

12.目的节点D收到测量消息包后，根据测量消息包中信息对A和D纠缠粒子对中位于节点D中的粒子进行Y变换，从而得到欲传送的量子I的量子态|I〉。然后目的节点D根据已建立的路由，通过无线信道向节点A回复传输应答消息，该消息包含节点A的地址，并根据测量消息包将标志为设为1。

13.中间节点C收到传输应答消息包后，检测消息包中标志位，由于消息包中标志位为1，进行如过程7中的纠缠交换，将纠缠交换后新的纠缠粒子对所对应的态添加到传输应答消息包中。查询路由表，将应答消息包转发到节点B。

14.中间节点B收到传输应答消息包后，检测消息包中标志位，由于消息包中标志位为1，进行如过程7中的纠缠交换，将纠缠交换后新的纠缠粒子对所对应的态添加到传输应答消息包中。查询路由表，将传输应答消息包转发到源节点A。

15.源节点A收到该传输应答消息包后，由于信息传输未结束，进行量子远程传态传输粒子J的量子态|J〉。假设贝尔基测量结果所对应的目的节点D处粒子所做的幺正变换为Z变换，将其编码为10。节点A通过无线新的发送测量消息包。测量消息包中含目的节点D的地址、节点D处粒子应作的幺正变换和标志位。假设经过本次远程传态后，没有新的信息要传送，则设置标志位为0。

16.节点B收到该测量消息包，查路由表后转发至节点C。节点C收到测量消息包，查寻路由表转发至目的节点D。

17.目的节点D收到测量消息包后，根据测量消息包中信息对节点A和D纠缠粒子对中位于节点D中的粒子进行Z变换，从而得到欲传送的粒子J的量子态|J〉。然后目的节点D根据已建立的路由，通过无线信道向节点A回复传输应答消息包，该消息包含节点A的地址，并根据测量消息包将标志为设为0。

18.中间节点C收到传输应答消息包后，检测消息包中标志位，由于消息包中标志位为0，因此不进行纠缠交换。查询路由表，将应答消息包转发到节点B。

19.中间节点B收到传输应答消息包后，检测消息包中标志位，由于消息包中标志位为0，因此不进行纠缠交换。查询路由表，将传输应答消息包转发到源节点A。

源节点A收到该传输应答消息包后，由于无到目的节点的新的信息需要发送，本次传输过程结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：

步骤1. 源节点发送路由请求消息；

步骤2. 中间节点处理路由请求消息；

步骤3. 目的节点收到路由请求消息后，对其进行处理、选择路径并发送路由应答消息；

步骤4. 中间节点更新并转发路由应答消息，同时进行纠缠交换，测量结果由路由应答消息携带；

步骤5. 源节点根据路由应答消息建立路由；

步骤6. 源节点收到路由应答消息或传输应答消息包后，判断与目的节点间信息传送是否结束；

步骤7. 路径中中间节点接收并根据路由表转发该测量消息包；

步骤8. 目的节点进行幺正变换，并回复传输应答消息包；

步骤9. 中间节点处理并转发传输应答消息包；

步骤10. 源节点收到传输应答消息包后，则跳转到步骤6。

2.根据权利要求1所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于所述

步骤1中的源节点发送路由请求消息的方法是：

节点有加载到量子态上的信息要传送，首先发出一个路由请求消息；源节点发送的该路由请求消息包含路由请求消息类型，源节点地址，目的节点地址，源节点序列号，路由度量，上一跳节点地址；网络开始工作的时候源节点序列号为0，每发起一次路由请求，在发送路由请求消息前，源节点序列号加1；路由度量初始值设为0，上一跳节点地址初始值设为源节点地址。

3.根据权利要求1所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于所述

步骤2中的中间节点处理路由请求消息的方法为：

中间节点收到该路由请求消息，根据路由请求消息包中源节点地址和源节点序列号以及路由度量判断是否要丢弃收到的路由请求消息包；如果收到的路由请求消息中的源节点地址和源节点序列号与本节点保存的路由请求消息中某路由请求消息具有相同的源节点地址和源节点序列号，并且路由度量值不大于本节点保存的路由请求消息中的路由度量值，则丢弃该路由请求消息；否则更新路由请求消息中的路由度量，将收到该路由请求消息的中间节点与发送该路由请求消息的上一跳节点间拥有的纠缠粒子对的数目设为N_e，路由请求消息中路由度量值设为R；若N_e<R或者R＝0，则更新路由请求消息中路由度量值为N_e；若N_e≥R，则路由请求消息中路由度量值不变；然后更新中间节点路由表；如果路由表中不存在到源节点的路由，则在路由表中添加到源节点的路由，将路由表中到源节点的路由度量值设为路由请求消息中的路由度量值，下一跳节点地址设为路由请求消息中上一跳节点地址；若存在到源节点的路由，如果路由表中的路由度量值小于路由请求消息中的路由度量值，则将路由表中的路由度量值设为路由请求消息中的路由度量值，下一跳节点地址设为路由请求消息中上一跳节点地址；最后，将路由请求消息中的下一跳节点地址更新为本节点地址，保存并广播路由请求消息；

转发过程中，节点收到源节点为本节点的路由请求消息，将丢弃收到路由请求消息。

4.根据权利要求1所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于所述

步骤3中的目的节点收到路由请求消息后，对其进行处理、选择路径并发送路由应答消息的方法是：

目的节点首先更新收到的路由请中的路由度量，其方法与步骤2中中间节点更新路由请求消息中路由度量的方法相同，然后检测其源节点地址和源节点序列号，如果没有收到过相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息，将判定为第一次收到该路由请求消息；第一次收到该路由请求消息后，将在一段时间内等待，然后对该时间段内收到的具有相同源节点地址和源节点序列号的路由请求消息进行处理；每个路由请求消息对应不同的可选路径，目的节点从收到的路由请求消息中选取路由度量值最大的路径，然后根据所选路径的路由请求消息，在目的节点路由表中设置到源节点的路由；将路由表中到源节点路由的下一跳节点地址设为所选路径对应的路由应答消息中的上一跳节点地址，将路由度量值设为该路由请求消息中的路由度量值；最后目的节点产生一个路由应答消息，并根据路由表单播该路由应答消息；路由应答消息包含消息类型、源节点地，目的节点地址、路由度量和上一跳节点地址；路由度量的初始值为0，上一跳节点地址初始值设为产生该路由应答消息的目的节点地址。

5.根据权利要求1所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于所述

步骤4的中间节点更新并转发路由应答消息，同时进行纠缠交换，测量结果由路由应答消息携带的方法为：

路径上中间节点收到路由应答消息后，首先更新路由应答消息，假设将收到该路由应答消息的中间节点与发送该路由应答消息的上一跳节点间拥有的纠缠粒子对的数目设为N_p，路由应答消息中路由度量值设为M，如果N_p<M或者M＝0，则更新路由应答消息中路由度量值M为N_p；然后在路由表中设置到目的节点的路由，将路由表中到目的节点的下一跳节点地址设为路由请求信息中上一跳节点地址，路由度量值设为更新后的路由请求消息中的度量值M；中间节点收到路由应答消息的同时，对本节点上的拥有的两个粒子进行纠缠交换操作，这两个粒子分别与所选路径中本节点的上一跳节点的粒子和下一跳节点的粒子组成纠缠粒子对，根据纠缠交换的测量结果得到位于上一跳和下一跳节点上的新的纠缠粒子对所处的态；最后修改路由应答消息，将路由应答消息中的上一跳节点地址更新为本节点地址，并将新的纠缠粒子对所处的态的信息添加到路由应答消息中，然后根据路由表，将路由应答消息沿所选路径传送到下一节点。

6.根据权利要求1所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于所述

步骤5的源节点根据路由应答消息建立路由的方法为：

源节点收到该路由应答消息，按照步骤4中方法更新路由应答消息，并在源节点路由表中添加到目的节点的路由；该路由中的下一跳节点地址设为路由应答消息中的上一跳节点地址，路由度量设为更新后路由应答消息中路由度量值。

7.根据权利要求1所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于所述

步骤6的源节点收到路由应答消息或传输应答消息包后，判断与目的节点间信息传送是否结束的方法为：

若已结束，则本次源和目的节点间量子信息传送过程结束；否则，由于中间节点均进行纠缠交换，使得源节点与目的节点间拥有纠缠粒子对，源节点将进行量子远程传态，并发送测量消息包，该过程如下：将携带欲传送信息的粒子同纠缠粒子对中源节点处粒子进行贝尔基测量，根据测量结果，获知对目的节点处粒子进行操作所对应的幺正变换；源节点通过无线信道发送测量消息包，传送到目的节点；测量消息包中包含目的节点地址；目的节点粒子所对应的幺正变换，该幺正变换可用两位编码表示；标志位；标志位用以表明本次量子远程传态结束后，源节点和目的节点间信息传送是否结束。

8.根据权利要求1所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于所述

步骤8的目的节点进行幺正变换，并回复传输应答消息包的方法为：

目的节点收到测量消息包后，首先对纠缠粒子对中目的节点所拥有的粒子进行相应的幺正变换，从而在目的节点得到欲传送的量子态；然后目的节点根据已建立的路由通过无线信道向源节点回复传输应答消息包，该消息包含源节点地址，以及标志位；标志位根据测量消息包中标志位设置，表明源节点和目的节点间信息传送是否结束。

9.根据权利要求1所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于所述

步骤9的中间节点处理并转发传输应答消息包的方法为：

路径中中间节点收到传输应答消息包后，检测消息包中标志位，判断源节点和目的节点间信息传送是否结束；如果信息传送还未结束，则进行纠缠交换，将纠缠交换后测量结果对应的态的信息添加到应答消息包中；如果源节点和目的节点间信息传送结束，则中间节点不进行纠缠交换，仅根据路由表向源节点转发传输应答消息包。

10.根据权利要求2所述的用于无线量子通信网络的信息传输方法，其特征在于：所述路由度量以路径上节点间的最小纠缠粒子对数目作为路由度量；步骤3中目的节点选择路径时，选择可选路径中路由度量值最大的路径，也就是选择路径上最小纠缠粒子对数目最大的路径，纠缠交换的测量结果随路由应答消息包或传输应答消息包传送。

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