CN107248888A - 提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法，包括(1)将量子通信网络区域进行划分并编号；(2)对于含有n个量子通信节点的通信网络，随机部署m个纠缠粒子分发节点，计算量子通信网络连通度；(3)利用优化算法计算m个纠缠粒子对分发节点部署位置的最优解，即量子通信网络连通性最优时，纠缠粒子对分发节点的矩形编号和坐标。本发明可用于含有任意量子通信节点数目和任意拓扑结构的量子通信网络，其执行过程简单，且易于实现，量子通信网络的连通性得到显著提高。

Description

提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法

技术领域

本发明涉及一种量子通信网络中纠缠粒子的分发技术，尤其涉及一种提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法，属于量子通信技术领域。

背景技术

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。为实现量子通信，通信终端需要共享纠缠粒子对，依靠量子测量技术对发送端进行量子态信息的提取，只要发送端粒子的量子态发生变化，必然影响到另一个与之处于纠缠态的粒子，最后根据发送端的测量结果对接收端的量子态进行幺正变换，从而完成信息的有效传输。

相比于经典通信，量子通信的应用前景更为广泛。首先，量子通信突破了经典信息论中香农公式的制约，将带宽和传输速率提高到无限，满足空间远距离、大容量、易组网、高速传输等方面的要求。其次，由于量子纠缠效应严格的应用条件，量子通信可以实现完全保密通信，在军事、国防、国民经济建设等领域都有重要作用。最后，量子通信时延为零的特点可以实现超光速通信，因此量子通信的发展必将加速人们探索宇宙空间的进程。

在量子通信网络中，产生纠缠粒子对的设备所在的节点称之为纠缠粒子对分发节点，参与信息传输的节点为量子通信节点。纠缠粒子对分发节点向多个量子通信节点分发纠缠粒子对，使量子通信节点之间建立用于传输携带信息的量子态的量子通信链路。若源节点和目的节点直接共享纠缠粒子对，则两节点直接可以直接传输量子态；若源节点和目的节点不在同一个纠缠粒子对分发节点的分发范围内，则源节点和目的节点间需要存在一条量子路径，该路径中相邻节点间存在共享纠缠粒子对，然后通过纠缠交换等方法建立源和目的节点间的量子纠缠。所以，源节点和目的节点之间只要直接共享纠缠粒子对或者存在量子路径就能进行量子通信，认为这两个通信节点是连通的。

本发明中量子通信网络连通度(Quantum Connectivity，QC)定义为，网络中两量子通信节点能建立量子通信链路的对数与总量子通信节点对数之比。因此，量子纠缠粒子对分发节点的位置分布很大程度上影响了量子通信网络的连通性。但目前量子通信网络构建的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。对复杂网络结构下的量子通信网络研究较少，研究工作也主要集中在网络安全领域和量子态传输，关于如何部署纠缠粒子分发节点来提高网络连通性的研究存在空缺。

发明内容

技术问题：为了提高量子通信网络的连通性，提高网络传输效率，本发明的目的在于提供一种提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法，根据量子通信节点的位置信息来分布纠缠粒子对分发节点的位置，使量子通信网络的连通性得到提高。

技术方案：为了达到上述目的，本发明提出一种提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法，包括步骤：

(1)将量子通信网络区域进行划分，分割成a行b列，共a*b个大小相同的小矩形，并对每个小矩形进行编号，编号为区间[1,a*b]内的整数，并计算每个小矩形的中心位置，其中a、b为大于1的整数；

(2)对于含有n个量子通信节点的通信网络，在区间[1,a*b]内随机选取m个整数，在每个所选取的整数所对应的小矩形的中心位置部署纠缠粒子分发节点，计算量子通信网络连通度。具体步骤如下：

(2.1)定义量子通信节点顶点集合V，V中有n个元素，元素v_i表示第i个量子通信节点编号；定义量子通信节点坐标集合P，P中有n个元素，元素p_i＝(px_i,py_i)表示第i个量子通信节点的坐标；纠缠粒子对分发节点所在的矩形编号集合为X，X中含有m个元素，x_k表示第k个纠缠粒子对分发节点在矩阵中的编号，计算纠缠粒子对分发节点坐标，用集合Q表示，元素q_k＝(qx_k,qy_k)表示编号为x_k的矩形的中心位置；

(2.2)纠缠粒子分发节点分发纠缠粒子的范围是半径为R的圆，计算每个纠缠粒子对分发节点的分发范围能覆盖到的量子通信节点，即距离小于分发范围半径R的量子通信节点，记第k个纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合为C(k)，k＝1,2,…,m；

(2.3)初始化，构造(n+m)*(n+m)维网络邻接矩阵W，矩阵中所有元素初始值都为∞，表示两两节点之间都不连通，其中前n行和列表示量子通信节点，后m行和列表示纠缠粒子对分发节点，k表示第k个纠缠粒子对分发节点，初始值k＝1。

(2.4)根据第k个纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合C(k)，将W第k+n行和第k+n列中，第k个纠缠粒子对分发节点覆盖的量子通信节点位置的元素设为1，表示第k个纠缠粒子对分发节点与这些量子通信节点连通；

(2.5)令k＝k+1，若k≤m，返回步骤(2.4)，否则进行步骤(2.6)；

(2.6)根据网络邻接矩阵W，计算网络中任意两点之间的最短路径得到矩阵D₀，截取矩阵D₀前n行和列的子矩阵D，矩阵中第i行第j列元素d_ij表示量子通信节点i和量子通信节点j之间的最短路径距离，d_ij值为∞表示两量子通信节点不连通，否则表示连通，统计连通的量子通信节点对数s，量子通信网络连通度QC可由下列公式计算，

(3)利用优化算法计算m个纠缠粒子对分发节点部署位置的最优解，即QC最优时，纠缠粒子对分发节点的矩形编号集合X和坐标集合Q。

步骤(3)中的优化算法可以采用遗传算法、蚁群算法等优化算法，优化算法的选择不影响本专利的实施。

有益效果：由上可知，本发明提供的一种提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法，可用于含有任意量子通信节点数目和任意拓扑结构的网络连通图，其执行过程简单明了，且易于实现。已知量子通信节点的位置信息，利用优化算法就可以计算出量子通信网络连通度最优时纠缠粒子对分发节点的部署位置，使得量子通信网络的连通性得到显著提高。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明中计算量子通信网络连通度的工作流程图；

图3为本发明实施例中量子通信网络区域划分图；

图4为本发明实施例中的量子通信网络拓扑图；

图5为本发明实施例中纠缠粒子对分发节点部署后的网络拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的工作流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)对大小为A*A的量子通信网络区域进行划分，分割成a行b列大小相同的矩形，并对每个小矩形进行编号，编号为区间[1,a*b]内的整数。规定量子纠缠粒子分发节点只能部署在小矩形的中心，矩形的中心位置可由下列公式计算，

其中，floor()计算小数向下取整的值，mod()计算余数，x表示矩形编号，qx和qy表示编号为x的矩形的中心位置。A、a、b为大于1的整数，a、b的取值可结合量子通信网络区域的大小、算法的性能要求及网络连通性需求确定，a、b的取值越大划分的越细，x变量的取值范围也就越大，可能会导致迭代的次数增加，但是网络连通性可能会越优。

(2)对于含有n个量子通信节点的通信网络，在区间[1,a*b]内随机选取m个整数，根据步骤(1)中的公式计算矩阵中心位置，在每个中心位置部署纠缠粒子分发节点，计算量子通信网络连通度。其中，n、m为大于1的整数，具体取值根据实际网络状况和需求确定。

(3)利用优化算法计算m个纠缠粒子对分发节点部署位置的最优解，即QC最优时，纠缠粒子对分发节点的矩形编号集合X和坐标集合Q。其中，优化算法可以采用遗传算法、蚁群算法等优化算法，优化算法的选择不影响本专利的实施。优化算法中以纠缠粒子对分发节点部署位置为优化变量，量子通信网络连通度QC为优化目标，通过迭代求解的获得最优解。例如对于遗传算法，基本流程如下：

(3.1)编码：采用的编码方式是二进制编码；

(3.2)初始种群的生成：采用随机法，在区间[1,a*b]中随机选择m个个体组成初始种群；

(3.3)适应度评价：计算各个个体的适应度值，量子网络连通度即为个体的适应度值；

(3.4)选择：采用适应度比例法，基本原则是按照个体的适应度大小比例进行选择。选择的目的是获得较优的个体作为父代，进行下一步的交叉。选择的依据是个体的适应度,适应度值高的个体被选中的可能性大,适应度低的个体被选中的概率小。适应度高的个体可能被多次复制，而适应度低的个体可能一次也未被选中；

(3.5)交叉：对于二进制编码，具体实施交叉的方法有单点交叉、两点交叉、多点交叉、一致交叉等；

(3.6)变异：在种群中随机选择一个个体，对于选中的个体按照一定的概率随机改变串结构中的某个值；

(3.7)终止条件判断：通过确定最大迭代次数或者量子网络连通度的优化偏差，终止算法运行，并获得最优解。

上述流程中计算量子通信网络连通度的具体流程如图2所示，包括依次执行的以下步骤：

(S1)定义量子通信节点顶点集合V，V中有n个元素，元素v_i表示第i个量子通信节点编号；定义量子通信节点坐标集合P，P中有n个元素，元素p_i＝(px_i,py_i)表示第i个量子通信节点的坐标；纠缠粒子对分发节点所在的矩形编号集合为X，X中含有m个元素，x_k表示第k个纠缠粒子对分发节点在矩阵中的编号，根据步骤(1)中公式计算纠缠粒子对分发节点坐标，用集合Q表示，元素q_k＝(qx_k,qy_k)表示编号为x_k的矩形的中心位置；

(S2)纠缠粒子分发节点分发纠缠粒子的范围是半径为R的圆，计算每个纠缠粒子对分发节点的分发范围能覆盖到的量子通信节点，即距离小于分发范围半径R的量子通信节点，记第k个纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合为C(k)，k＝1,2,…,m；

(S3)初始化，构造(n+m)*(n+m)维网络邻接矩阵W，矩阵中所有元素初始值都为∞，表示两两节点之间都不连通，其中前n行和列表示量子通信节点，后m行和列表示纠缠粒子对分发节点，k表示第k个纠缠粒子对分发节点，初始值k＝1。

(S4)根据第k个纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合C(k)，将W第k+n行和第k+n列中，第k个纠缠粒子对分发节点覆盖的量子通信节点位置的元素设为1，表示第k个纠缠粒子对分发节点与这些量子通信节点连通；

(S5)令k＝k+1，若k≤m，返回步骤(S4)，否则进行步骤(S6)；

(S6)根据网络邻接矩阵W，计算网络中任意两点之间的最短路径得到矩阵D₀，截取矩阵D₀前n行和列的子矩阵D，矩阵中第i行第j列元素d_ij表示量子通信节点i和量子通信节点j之间的最短路径距离，d_ij值为∞表示两量子通信节点不连通，否则表示连通，统计连通的量子通信节点对数s，量子通信网络连通度QC可由下列公式计算，

下面以一个包含15个量子通信节点的网络为例，具体说明本发明的具体实施。

(1)对大小为10*10的量子通信网络区域进行划分，分割成10行10列大小相同的矩形，并对每个小矩形进行编号，编号为区间[1,100]内的整数，如图3所示。规定量子纠缠粒子分发节点只能部署在小矩形的中心，矩形的中心位置可由下列公式计算，

其中，floor()计算小数向下取整的值，mod()计算余数，x表示矩形编号，qx和qy表示编号为x的矩形的中心位置。比如编号为55的矩形中心点位置为qx＝4.5，qy＝5.5。

(2)如图4所示是分布在大小为10*10区域，含有15个量子通信节点的通信网络，在区间[1,100]内随机选取2个整数，分别为34和59，根据步骤(1)中的公式计算矩阵中心位置，在每个中心位置部署纠缠粒子分发节点，如图4中所示的2个星形节点，计算量子通信网络连通度。具体步骤如下：

(2.1)15个量子通信节点的顶点集合V＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15}，坐标集合P＝{(7.40,2.06),(2.35,3.88),(7.35,5.52),(9.71,2.29),(8.67,6.42),(0.86,4.84),(3.66,1.52),(3.69,7.82),(6.85,1.01),(5.98,2.94),(7.89,2.37),(6.68,5.31),(2.06,0.91),(0.87,4.05),(7.72,1.05)}，若2个纠缠粒子对分发节点所在的矩形编号集合为X＝{34,59}，根据步骤(1)中公式计算纠缠粒子对分发节点坐标集合Q＝{(3.50,3.50),(8.50,5.50)}，纠缠粒子分发节点的分发范围半径为R＝4；

(2.2)纠缠粒子分发节点分发纠缠粒子的范围是半径为R＝4的圆，计算每个纠缠粒子对分发节点的分发范围能覆盖到的量子通信节点，即距离小于分发范围半径R＝4的量子通信节点，矩形编号为34的纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合为C(1)＝{2,6,7,10,12,13,14}，矩形编号为59的纠缠粒子分发节点C(2)＝{1,3,4,5,10,11}；

(2.3)初始化，构造17*17维网络邻接矩阵W，矩阵中所有元素初始值都为∞，表示两两节点之间都不连通，其中前n行和列表示量子通信节点，后m行和列表示纠缠粒子对分发节点。

(2.4)根据第1个纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合C(1)，将W第16行和第16列中，第1个纠缠粒子对分发节点覆盖的量子通信节点位置的元素设为1，表示第1个纠缠粒子对分发节点与量子通信节点2,6,7,10,12,13,14连通；

(2.5)根据第2个纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合C(2)，将W第17行和第17列中，第2个纠缠粒子对分发节点覆盖的量子通信节点位置的元素设为1，表示第2个纠缠粒子对分发节点与量子通信节点1,3,4,5,10,11连通；

(2.6)根据网络邻接矩阵W，本实施例采用Floyd-Warshall算法，计算网络中任意两点之间的最短路径得到矩阵D₀，截取矩阵D₀前15行和列的子矩阵D，子矩阵D中第i行第j列元素d_ij表示量子通信节点i和量子通信节点j之间的最短路径距离，d_ij值为∞表示两量子通信节点不连通，否则表示连通。采用其他算法计算网络任意两点间的最短路径不影响本方案实施。根据子矩阵D，统计连通的量子通信节点对数为66对，注意只统计矩阵D的上三角矩阵中非∞的元素个数，不包含对角线上元素，量子通信网络连通度QC计算得

(3)利用优化算法计算2个纠缠粒子对分发节点部署位置的最优解，本示例中采用了遗传算法求解，采用其他优化算法计算不影响本方案实施。对于本实施例含有15个量子通信节点的通信网络，在该网络中部署2个纠缠粒子分发节点，经过遗传算法求解，量子通信网络连通性最优可达QC＝1，此时2个纠缠粒子对分发节点所在位置的矩形编号集合X＝{44,49}和坐标集合Q＝{(3.50,4.50),(8.50,4.50)}。按所求得的节点坐标，对纠缠粒子对分发节点部署后的网络拓扑图如图5所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。

Claims (3)

1.一种提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将量子通信网络区域进行划分，分割成a行b列大小相同的小矩形，对每个小矩形进行编号，编号为区间[1,a*b]内的整数，并计算每个小矩形的中心位置，其中a、b为大于1的整数；

(2)对于含有n个量子通信节点的通信网络，在区间[1,a*b]内随机选取m个整数，在每个所选取的整数所对应的小矩形的中心位置部署纠缠粒子分发节点，计算量子通信网络连通度QC，即网络中两个量子通信节点能建立量子通信链路的对数与总量子通信节点对数之比，其中n、m为大于1的整数；

(3)以提高QC为目标利用优化算法计算m个纠缠粒子对分发节点部署位置的最优解，即QC最优时，纠缠粒子对分发节点的矩形编号集合X和坐标集合Q。

2.根据权利要求1所述的一种提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法，其特征在于，所述步骤(2)中计算量子通信网络连通度的方法为：

(2.1)定义量子通信节点顶点集合V，V中有n个元素，元素v_i表示第i个量子通信节点编号；定义量子通信节点坐标集合P，P中有n个元素，元素p_i＝(px_i,py_i)表示第i个量子通信节点的坐标；纠缠粒子对分发节点所在的矩形编号集合为X，X中含有m个元素，x_k表示第k个纠缠粒子对分发节点在矩阵中的编号，计算纠缠粒子对分发节点坐标，用集合Q表示，元素q_k＝(qx_k,qy_k)表示编号为x_k的矩形的中心位置；

(2.2)计算每个纠缠粒子对分发节点的分发范围能覆盖到的量子通信节点，即距离小于纠缠粒子对分发范围半径R的量子通信节点，记第k个纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合为C(k)，k＝1,2,…,m；

(2.3)构造(n+m)*(n+m)维网络邻接矩阵W，矩阵中所有元素初始值都为∞，表示两两节点之间都不连通，其中前n行和列表示量子通信节点，后m行和列表示纠缠粒子对分发节点，令k＝1；

(2.4)根据第k个纠缠粒子分发节点能覆盖的通信节点集合C(k)，将W第k+n行和第k+n列中，第k个纠缠粒子对分发节点覆盖的量子通信节点位置的元素设为1，表示第k个纠缠粒子对分发节点与这些量子通信节点连通；

(2.5)令k＝k+1，若k≤m，返回步骤(2.4)，否则进行步骤(2.6)；

(2.6)根据网络邻接矩阵W，计算网络中任意两点之间的最短路径得到矩阵D₀，截取矩阵D₀前n行和列的子矩阵D，矩阵中第i行第j列元素d_ij表示量子通信节点i和量子通信节点j之间的最短路径距离，d_ij值为∞表示两量子通信节点不连通，否则表示连通，统计连通的量子通信节点对数s，量子通信网络连通度

3.根据权利要求1所述的一种提高量子通信网络连通性的纠缠粒子对分发节点部署方法，其特征在于，所述步骤(3)中的优化算法为遗传算法或蚁群算法。