CN103067093A - 一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，是在电力架空线路两端的变电站内分别设置量子设备，其中一端为发送端，另一端为接收端；所述发送端和所述接收端通信时采用[5,1]稳定子量子纠错编码技术。本发明首次在电力系统中进行了系统分析，选择了适合电力架空光缆环境下的量子纠错编码技术；解决了电力高压环境所造成的量子噪声中信号错误检测与恢复难题；探索了一条适合变电站间长距离量子信号编解码方案。本发明的重要意义在于将量子通信技术应用于电力系统提供了一条便利通道。

Description

一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法

技术领域

本发明属于计算机及光通信领域，具体涉及一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法。

背景技术

不同于普通光缆线路，电力通信所用的光缆线路大多为架空光缆，主要是OPWG或都ADSS光缆。同时，在电力系统中还有独特的性质，通信线路通常是沿着电力线路架设，通信站大多基于变电站。

在电力变电站的通信，由于环境与公网不同，其通信方式也应有所变化。在近年来由于保密通信的发展前景，量子通信技术将是非常看好的一种真正的保密通信方式，但是QKD技术应用于电力行业的最大缺陷是通信距离受限，还存在着高压电磁环境的干扰，如何解决电力线路量子通信难题是当前急需解决的问题之一。一种可行的解决方案是通过编码技术延长量子信号的长距离衰减。同时解决变电站内的电磁干扰问题。

量子编码技术目前已经非常成熟，但是还是尚未达到经典编码技术的应用程度。本发明所要解决的就是将目前的量子编码技术方案进行研究，提出适合于电力系统的改进方案，解决通信环境的依赖性难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，易于实现，编码效率高，适合于电力环境线路。

本发明的编码方案具有以下重要特征：

1)通信线路环境是沿电力架空线的光缆线路，通信的两端站点均为电力变电站；

2)通信线路距离较长；

3)电力架空线路为高电压、高电场度强环境；

4)通信协议采用量子密钥分发技术；

5)量子信道编码采用量子纠错码技术。

在以上的电力架空环境下的光纤量子信道，由于环境的特殊复杂，光纤中量子信号所受噪声模型与公网相比有明显的不同，该环境噪声对光纤特性影响体现在以下方面：

1)长距离的光纤信道对量子信号的衰减作用；

2)架空环境下的温度、应力应变等对量子信号的作用；

3)低频率高电压、高电场强度对量子信号的作用；

在以上的环境作用影响下，量子信道所承载的量子比特信息，在传输中的体现是会发生比特翻转、相位翻转等错误。但由于其环境作用方式的特殊性，出错方式与公网环境有所不同。为解决该编码所处环境的特殊性，经过对现有量子编码技术的系统分析，本发明采用稳定子码方案。可以一步从测量中同时得到比特与相位翻转结果，译码效率高，成本低，易于实现，在一定程度上解决了电力环境量子编码的难题。

本发明通过下述方案实现：

本发明提供的一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，其改进之处在于，所述方法是在电力架空线路的通信光缆两端的变电站内分别设置量子设备，其中一端为发送端，另一端为接收端；所述发送端和所述接收端通信时采用[5,1]稳定子量子纠错编码技术。

其中，所述[5,1]稳定子量子纠错编码技术是指用5位量子态编码1位量子信息。

其中，所述发送端包括依次连接的量子光源、编码单元和加密终端I。

其中，所述接收端包括依次连接的探测器、译码单元和加密终端II；

所述译码单元由量子伴随式产生电路和纠错电路两部分构成；

所述探测器接收发送端编码单元发送的量子信号后，传给译码单元进行译码与纠错，再通过与加密终端获取的经典测量基信息筛选得到最终密钥输出。

其中，发送端的编码单元稳定子编码信息的步骤包括：

（1）编码线路内部通过量子比特循环转换得到4个稳定子生成元，即：M₁＝XZZXI，M₂＝IXZZX，M₃＝XIXZZ，M₄＝ZXIXZ；

（2）将所述4个稳定子生成元转换成4×10量子检验矩阵H；

（3）利用所述4个稳定子生成元作用到任意量子态a|0>+b|1>，生成5位量子态编码编码，形成量子比特|1>_c和量子比特|0>_c；

（4）编码后量子态变成a|0>_c+b|1>_c，选择比特翻转转换

形成稳定子码，包括码字|1>_L和|0>_L；

（5）将所述码字|1>_L和|0>_L发送给接收端。

其中，步骤（3）所述利用所述4个稳定子生成元作用到任意量子态a|0>+b|1>，生成5位量子态编码编码，形成量子比特|1>_c和量子比特|0>_c是指设X

为比特翻转转换，即编码后的|1>_c对态|0>_c的逐比特翻转；编码公式如下：

|0>_c＝(I+M₄)(I+M₃)(I+M₂)(I+M₁)|00000>；

$|1{\⟩}_c=\stackrel{\‾}{X}(I+M_4)(I+M_3)(I+M_2)(I+M_1)|00000\⟩.$

其中，步骤（2）所述4×10量子检验矩阵H的表达式为：

$H=\left[\begin{array}{cccccccccc}0& 1& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& 1& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right];$

其中，左边5列为Z算子，用来效检比特翻转；右边5列为X算子，用来效检相位翻转。

其中，所述接收端的译码单元接收到信息后，通过纠错电路进行纠错编码的步骤包括：

1）对于比特翻转X，确定量子检验矩阵H的左边对应列的值，查看其与出错算子E_a对易性；

2）根据所述量子检验矩阵H测量各个稳定子生成元M_i的本征值；

3）对于相位翻转Z，确定所述量子检验矩阵H的右边对应列的值，测量四个稳定子生元本征值；

4）对于Y出错，将所述量子检验矩阵H的左边和右边在该列（列是指出错位所在的列，即出错位的位数（第几个量子比特位出错））相加，测量四个稳定子生元本征值；Y出错是量子态出错的一种，相对X出错及Z出错来说，Y出错相当于X与Z的同时出错，即表示比特翻转加相位翻转。

5）将得出了出错算子在检验矩阵H下的四个稳定子生成元本征值，再与出错态的量子伴随式进行比较，得到出错态的量子位以及该位发生的错误类型。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1、本发明首次在电力系统环境进行了系统分析，选择了适合电力架空光缆环境下的量子编码技术；

2、解决了电力高压环境所造成的量子噪声中信号错误检测与恢复难题，探索了一条适合变电站间长距离量子信号编码方案。

3、本发明相对其它的量子编码方案，可以只进行一步测量，就可同时得到比特与相位翻转结果，不需要采用两种纠错电路，减小了电路复杂性，提升了译码效率，因此具有成本低，易于实现的特征，在一定程度上缓解了电力环境量子编码的难度。

4、本发明的重要意义在于将量子通信技术应用于电力系统提供了一条便利通道。

附图说明

图1为本发明提供的电力变电站间量子通信编译码系统构成图；

图2为本发明提供的稳定子码编码线路图；

图3为本发明提供的稳定子码译码线路图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提供的一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，其中一端变电站为发送方，另一端变电站为接收方，其系统构成如图1所示。发送方和接收方之间通过架空光缆线路通信，并且采用[5,1]稳定子码编解码技术。架空光缆为电力特种光缆，包括OPGW光缆、ADSS光缆、OPPC光电复合缆等。这里的架空光缆线路中传输编码后的量子比特信号，在接收端通过译码线路得到的数据与经典信号提供的测量基信息筛选得到最终密钥输出。变电站内经典测量基信息通过加密终端进行传输。

本实施例的发送端包括依次连接的量子光源、编码单元和加密终端I。

本实施例的接收端包括依次连接的探测器、译码单元和加密终端II；

本实施例的量子纠错编码方法包括如下步骤：

1）通信两端量子信道设备均处于变电站环境中，分别为发送端与接收端，发送端设备主要由量子光源、编码单元等构成；接收端设备主要由探测器、译码单元构成；

2）量子信号发送端设备编码单元，采用[5,1]稳定子码方案，即用5位量子态编码1位量子信息；编码单元有4个稳定子生成元，其生成过程如下：

2-1)4个生成元为：M₁＝XZZXI，M₂＝IXZZX，M₃＝XIXZZ，M₄＝ZXIXZ；

2-2)其中M₂，M₃，M₄是从M₁通过量子比特循环转换得到。将四个生成元转化成4×10矩阵H，得到量子检验矩阵H为：

$H=\left[\begin{array}{cccccccccc}0& 1& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& 1& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]$

2-3)利用四个稳定子生成元作用到任意量子态a|0>+b|1>，生成5位量子态编码，设

为比特翻转转换，即编码后的|1>_c对态|0>_c的逐比特翻转。编码公式如下：

|0>_c＝(I+M₄)(I+M₃)(I+M₂)(I+M₁)|00000>；

$|1{\⟩}_c=\stackrel{\‾}{X}(I+M_4)(I+M_3)(I+M_2)(I+M_1)|00000\⟩;$

2-4)编码后量子态变成a|0>_c+b|1>_c。选择

稳定子码码字为：

$|0{\⟩}_L=\frac{1}{4}(|00000\⟩-|00011\⟩+|00101\⟩-|00110\⟩+|01001\⟩+|01010\⟩-|01100\⟩$

$-|01111\⟩-|10001\⟩+|10010\⟩+|10100\⟩-|10111\⟩-|11000\⟩$

$-|11011\⟩-|11101\⟩-|11110\⟩);$

$|1{\⟩}_L=\frac{1}{4}(|00001\⟩+|00010\⟩+|00100\⟩+|00111\⟩+|01000\⟩-|01011\⟩-|01101\⟩$

$+|01110\⟩+|10000\⟩+|10011\⟩-|10101\⟩-|10110\⟩+|11001\⟩$

$-|11010\⟩+|11100\⟩-|11111\⟩);$

3）量子信号接收端译码单元，采用[5,1]稳定子码译码方案，该单元由伴随子产生电路和纠错电路两部分构成。

译码单元是一个复杂过程，主要包括量子伴随式产生电路和量子纠错电路，假设出错算子Ea的第i位发生位反出错X_i，则纠错步骤如下：

3-1)观察矩阵H的左半部分第i列的值。因为稳定子生成元M_i如果在第i位是X或I，那么就和出错算子E_a对易，而如果该位是Z，则和出错算子E_a反对易；所以观测左半部分也即矩阵H的Z部分。

3-2)测量各个稳定子生成元M_i的本征值。由于矩阵H的左半部分每列至少有一位置1，这样出错算子E_a将改变第i位有Z算子的生成元M_i的本征值为-1，如果该位没有Z算子则本征值仍为1，结果如表1所示。

3-3)同理，如果发生位相翻转Z，则按照上述步骤观察H矩阵的右半部分。可以计算出所有出错情况下的量子伴随式，结果如表2所示。

3-4)对于Y出错，由于Y与Z，X反对易，若某位出现Y出错，将改变该位Z，X的本征值，将H矩阵的左和右部分在该列相加，结果0说明生成元Ｍ_i和Y出错算子E_a对易，结果1生成元M_i和Y出错算子E_a反对易，同样可得出Y量子伴随式，结果如表3所示。

表1X出错量子伴随式

	X1	X2	X3	X4	X5
						M1	1	-1	-1	1	1

M2	1	1	-1	-1	1
						M3	1	1	1	-1	-1
M4	-1	1	1	1	-1

表2Z出错量子伴随式：

	Z1	Z2	Z3	Z4	Z5
						M1	-1	1	1	-1	1
M2	1	-1	1	1	-1
						M3	-1	1	-1	1	1
M4	1	-1	1	-1	1

表3Y出错量子伴随式：

	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5
						M1	1	1	1	1	0
M2	0	1	1	1	1
						M3	1	0	1	1	1
M4	1	1	0	1	1

本实施例具体应用如下：

本实施例的发送端编码单元采用[5,1]稳定子码方案，参考图2其校验矩阵H为4×10矩阵，为该系统稳定子码的编码线路，其左边五列是Z算子，右边五列是X算子，Z算子用来效检比特翻转，X算子用来效检相位翻转。左边态|c>代表需要编码的单量子比特态，右边5个量子比特态代表编码后输出的5位量子态编码；中间部分是根据前面第二优选技术方案中编码公式给出的编码量子逻辑门电路，主要由H门、X门、Y门与Z门构成。

本实施例的接收端探测器检测到发送端编码单元发送的信息后，传给译码单元。稳定子码译码线路如图3所示，左边为量子伴随式产生电路，右边为错误更正电路。伴随式电路上面态|ψ>为编码后的5量子比特位，最上面四个M为稳定子生成元，纠错电路根据这个测量值得到四个稳定子生成元本征值，通过将生成元本征值与三种不同错误量子伴随式(表1、表2、表3)进行比较，即可得到出错位以及出错类型，以便更正不同的量子比特错误。

假设测得的稳定子生成元本征值是M₁＝M₂＝M₃＝1，M₄＝-1，其结果与量子伴随式表1中第一列X1一致，可得第一位编码量子位发生比特翻转错误，纠错电路只需翻转第一位比特值即可得到正确的量子码值。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，其特征在于，所述方法是在电力架空线路两端的变电站内分别设置量子设备，其中一端为发送端，另一端为接收端；所述发送端和所述接收端通信时采用[5,1]稳定子量子纠错编码技术。

2.如权利要求1所述的量子纠错编码方法，其特征在于，所述[5,1]稳定子量子纠错编码技术是指用5位量子态编码1位量子信息。

3.如权利要求1所述的量子纠错编码方法，其特征在于，所述发送端包括依次连接的量子光源、编码单元和加密终端I。

4.如权利要求1所述的量子纠错编码方法，其特征在于，所述接收端包括依次连接的探测器、译码单元和加密终端II；

所述译码单元由量子伴随式产生电路和纠错电路两部分构成；

所述探测器接收发送端编码单元发送的量子信号后，传给译码单元进行译码与纠错，再通过与加密终端获取的经典测量基信息筛选得到最终密钥输出。

5.如权利要求1所述的量子纠错编码方法，其特征在于，发送端的编码单元稳定子编码信息的步骤包括：

（1）编码线路内部通过量子比特循环转换得到4个稳定子生成元，即：M₁＝XZZXI，M₂＝IXZZX，M₃＝XIXZZ，M₄＝ZXIXZ；

（2）将所述4个稳定子生成元转换成4×10量子检验矩阵H；

（3）利用所述4个稳定子生成元作用到任意量子态a|0>+b|1>，生成5位量子态编码编码，形成量子比特|1>_c和量子比特|0>_c；

（4）编码后量子态变成a|0>_c+b|1>_c，选择比特翻转转换

形成稳定子码，包括码字|1>_L和|0>_L；

（5）将所述码字|1>_L和|0>_L发送给接收端。

6.如权利要求5所述的量子纠错编码方法，其特征在于，步骤（3）所述利用所述4个稳定子生成元作用到任意量子态a|0>+b|1>，生成5位量子态编码编码，形成量子比特|1>_c和量子比特|0>_c是指设为比特翻转转换，即编码后的|1>_c对态|0>_c的逐比特翻转；编码公式如下：

|0>c＝(I+M₄)(I+M₃)(I+M₂)(I+M₁)|00000>；

$|1{\⟩}_c=\stackrel{\‾}{X}(I+M_4)(I+M_3)(I+M_2)(I+M_1)|00000\⟩.$

7.如权利要求5所述的量子纠错编码方法，其特征在于，步骤（2）所述4×10量子检验矩阵H的表达式为：

$H=\left[\begin{array}{cccccccccc}0& 1& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& 1& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right];$

其中，左边5列为Z算子，用来效检比特翻转；右边5列为X算子，用来效检相位翻转。

8.如权利要求1或4所述的量子纠错编码方法，其特征在于，所述接收端的译码单元接收到信息后，通过纠错电路进行纠错编码的步骤包括：

1）对于比特翻转X，确定量子检验矩阵H的左边对应列的值，查看其与出错算子E_a对易性；

2）根据所述量子检验矩阵H测量各个稳定子生成元M_i的本征值，得到X出错量子伴随式；

3）对于相位翻转Z，确定所述量子检验矩阵H的右边对应列的值，测量四个稳定子生元本征值，得到Z出错量子伴随式；

4）对于Y出错，将所述量子检验矩阵H的左边和右边在该列相加，测量四个稳定子生元本征值，得到Y出错量子伴随式；

5）将得出的出错算子在检验矩阵H下的四个稳定子生成元本征值，再与出错态的量子伴随式进行比较，得到出错态的量子位以及该位发生的错误类型。

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