CN109257171A - 一种提升量子纠缠接口数目的方法及系统 - Google Patents

一种提升量子纠缠接口数目的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于计算机软件技术领域，公开了一种提升量子纠缠接口数目的方法及系统，系统包括量子测量模块、纠缠态制备模块、基础链路的信道加速模块、长链路的信道加速模块、增量制备模块；通过量子测量模块将量子描述为系统状态空间的复内积向量空间；通过纠缠态制备模块实现量子密集编码、量子隐形传态等诸多量子通讯任务，实现量子计算，有效地制备初始纠缠态；整个量子计算的过程处理的是以量子态为编码形式的信息。本发明通过长链路的信道加速模块将非相邻两接口间通过中继接口建立量子信道。

Description

一种提升量子纠缠接口数目的方法及系统
技术领域
本发明属于计算机软件技术领域，尤其涉及一种提升量子纠缠接口数目的方法及系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：量子接口用于实现量子信息在光子和存储粒子(通常为原子)之间的相干转化，是连接量子存储器或量子计算单元与光量子通信通道间的重要界面。类似于经典接口的广泛应用，量子接口是量子信息领域的基本元器件，实现量子接口之间的纠缠是构建量子网络和未来量子互联网的一个基本要求。在量子信息科学中，光子拥有最快的传输速度，是传播量子信息的最佳载体，而原子拥有很长的量子相干时间，被广泛用于量子信息的存储。目前量子信息处理工作要求将制备好的纠缠态发送给两个位于不同地点的参与者，在发送的过程中不可避免的会导致纠缠的退相干；并且，对于大规模的基于纠缠态的量子通信网络,难以在任意两接口间直接进行高保真度的纠缠粒子分发；
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)量子信息处理工作要求将制备好的纠缠态发送给两个位于不同地点的参与者，在发送的过程中不可避免的会导致纠缠的退相干。
(2)对于大规模的基于纠缠态的量子通信网络,难以在任意两接口间直接进行高保真度的纠缠粒子分发。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升量子纠缠接口数目的方法及系统。
本发明是这样实现的，
1、一种提升量子纠缠接口数目的方法，其特征在于，所述提升量子纠缠接口数目的方法包括：通过增量制备模块，用DLCZ量子中继方案，用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口；具体有：
参与合作感知的接口开始进行周期为τs的频谱检测过程，获得主接口频谱资源的特征；
正常感知接口和待扩展感知接口通过正交的公共控制信道向数据融合中心进行感知信息的汇报；
数据融合中心对收集到的感知信息进行数据融合，并依据待扩展感知接口的检测偏差模式计算全局的偏差概率；
待扩展接口与主接口共享频谱资源，如果检测到主接口处于闲状态，则将以大功率发射信号，否则将以小功率发射信号；
构建优化模型，确定有关发射功率和感知时间的约束条件，求解所建立的最优化问题，得到使得次级网络的吞吐量最大的合作感知的感知周期和待扩展接口的信号发射功率；
重复循环以上步骤，对每次得到的最优解取平均，以平均值作为频谱感知模型的感知参数；对获得的感知参数确定为待扩展接口运行依据。
2、如权利要求1所述的提升量子纠缠接口数目的方法，其特征在于，
参与合作感知的接口确定每条链路上多个服务质量度量参数的变化区间和分布函数，按如下过程进行；
第一步，根据主接口信号的特征和信道衰减系数，计算各本地感知接口CRi接受到的信号yi(n)；
第二步，根据能量检测原理，得到感知接口CRi处的信号能量的统计量Vi，当采样量足够大时，Vi近似服从高斯分布。
3、如权利要求1所述的提升量子纠缠接口数目的方法，其特征在于，正常感知接口和待扩展感知接口通过正交的公共控制信道向数据融合中心进行感知信息的汇报，正常感知接口将如实地汇报自己的感知信息，待扩展感知接口则采用检测偏差模式进行汇报：当信号能量统计量Vi大于攻击阈值η，则如实地报告自己的感知结果；否则将以概率pa发动攻击，向数据融合中心发送一个较高的能量值以达到检测偏差的目的。
数据融合中心对收集到的感知信息进行数据融合，并依据待扩展感知接口的检测偏差模式计算全局的偏差概率；具体方法包括：
第一步，根据各个接口的信噪比γi为每一个参与合作感知的待扩展接口CRi,i＝1…k设计一个权重然后对收集得到的信号能量统计量Ui进行线性加权得到最终的信号能量的统计量
第二步，分析检测偏差模式对频谱感知造成的影响，得到全局偏差概率Pf和攻击概率pa、攻击阈值η、攻击强度Δ之间的函数表达式如下：
其中：
待扩展接口发射机SU-Tx依据数据融合中心的决策结果调整自己的信号发射功率，如果检测到主接口PU处于闲状态，则将以大功率P0发射信号；如果主接口PU是处于忙状态即主接口PU以功率Pp发射信号，待扩展接口发射机SU-Tx将以小功率P1发射信号；故在一个时间帧内次级网络的平均吞吐量写成如下形式：
其中：hk,gss分别是主接口PU-Tx到待扩展接口SU-Tx，待扩展接口SU-Tx、待扩展接口SU-Tx到待扩展接口SU-Rx之间的信道衰减系数，P(H0)和P(H1)分别表示主接口PU实际处于闲状态与忙状态的概率。
进一步，所述提升量子纠缠接口数目的方法具体包括：
通过量子测量模块将量子描述为系统状态空间的复内积向量空间；
通过纠缠态制备模块实现量子密集编码、量子隐形传态等诸多量子通讯任务，实现量子计算，有效地制备初始纠缠态；
通过基础链路的信道加速模块在两个量子通信接口之间建立量子纠缠对的速率进行远程传态功能、产生并向周围接口分发纠缠粒子功能和纠缠连接功能；
通过长链路的信道加速模块将非相邻两接口间通过中继接口建立量子信道,称为中继长链路；
通过增量制备模块，用DLCZ量子中继方案，建议用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口。
进一步，纠缠态制备模块的制备方法为，
在旋转波近似下，薛定谔绘景中系统的哈密顿量写为
H＝HWL+HCL+HMW；
其中，
令h＝1
c和代表腔模湮灭和产生算符，ωc代表腔模频率；ω代表经典场频率；ωMW代表微波场频率，φ代表微波场作用在两个原子上的相对相位。
基础链路的信道加速模块的速率建立方法为：
假设接口光子产生纠缠粒子操作的频率为f，接口按成功概率Pg产生一定保真度的纠缠粒子对，d为两接口之间的距离，c为光速，则相邻两接口之间成功得到一个纠缠光子对的平均时间为：
假设满足通信要求的纠缠粒子对的保真度为F,式中Pg的值为：
式中接口产生纠缠粒子对的频率f由接口纠缠粒子存储空间M所决定,M＝4[df/c],中括号为取整函数，得最大频率为：
长链路的信道加速模块的速率建立方法为：
接口两条基础链路成功生成量子纠缠对所需的最小时间为：
式中,fmax1为基础链路1中纠缠对产生的最大速率,fmax2为基础链路2中纠缠对产生的最大速率，A和C之间成功得到可用于量子信息传输的量子纠缠对的平均时间为：
由于各基础链路上纠缠粒子生成和纠缠连接操作的顺序不同,可以得到不同的量子信道建立方法,不同的量子信道建立方法对应不同的量子信道建立速率。
本发明的另一目的在于提供一种实现提升量子纠缠接口数目的方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少实现所述提升量子纠缠接口数目的方法的服务器。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的提升量子纠缠接口数目的方法。
本发明的另一目的在于提供一种提升量子纠缠接口数目系统，所述的提升量子纠缠接口数目系统，包括：
量子测量模块、纠缠态制备模块、基础链路的信道加速模块、长链路的信道加速模块、增量制备模块；
量子测量模块与纠缠态制备模块连接，纠缠态制备模块与基础链路的信道加速模块连接，纠缠态制备模块与长链路的信道加速模块连接，基础链路的信道加速模块与增量制备模块连接，长链路的信道加速模块与增量制备模块连接。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述提升量子纠缠接口数目的方法的大型网络服务计算机。
本发明的积极效果为：
剩余经典场和量子场的哈密顿量结合耗散过程能够把与目标态构成正交完备基矢中的某一个态转换为需要制备的目标态。这样，无论初始态为何态，经过一段时间以后都可以转换为目标态。
通过在网络中多接口间分发纠缠粒子,形成多个中间接口间彼此纠缠共享的量子通路,然后通过接口间的纠缠交换等,使得不存在共享纠缠粒子对的接口间可以建立量子信道,传输量子信息，实现在任意两接口间直接进行高保真度的纠缠粒子分发。
本发明通过增量制备模块，用DLCZ量子中继方案，用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口；参与合作感知的接口开始进行周期为τs的频谱检测过程，获得主接口频谱资源的特征；正常感知接口和待扩展感知接口通过正交的公共控制信道向数据融合中心进行感知信息的汇报；数据融合中心对收集到的感知信息进行数据融合，并依据待扩展感知接口的检测偏差模式计算全局的偏差概率；待扩展接口与主接口共享频谱资源，如果检测到主接口处于闲状态，则将以大功率发射信号，否则将以小功率发射信号；构建优化模型，确定有关发射功率和感知时间的约束条件，求解所建立的最优化问题，得到使得次级网络的吞吐量最大的合作感知的感知周期和待扩展接口的信号发射功率；重复循环以上步骤，对每次得到的最优解取平均，以平均值作为频谱感知模型的感知参数；对获得的感知参数确定为待扩展接口运行依据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的提升量子纠缠接口数目的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的提升量子纠缠接口数目系统结构示意图。
图中：1、量子测量模块；2、纠缠态制备模块；3、基础链路的信道加速模块；4、长链路的信道加速模块；5、增量制备模块。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的提升量子纠缠接口数目系统包括：量子测量模块1、纠缠态制备模块2、基础链路的信道加速模块3、长链路的信道加速模块4、增量制备模块5。
量子测量模块1与纠缠态制备模块2连接，通过量子测量模块1将量子描述为系统状态空间的复内积向量空间；首先假设波函数满足薛定谔方程,然后引入来自背景场(如引力场)或演化本身所固有的随机演化项,以此来产生波函数的动态塌缩过程。动态塌缩理论的目标是统一地描述波函数的两类演化过程，即正常演化过程和瞬时塌缩过程，从而提供一种更完备的量子理论。通过纠缠态制备模块2实现量子密集编码、量子隐形传态等诸多量子通讯任务，实现量子计算，有效地制备初始纠缠态。整个量子计算的过程处理的是以量子态为编码形式的信息。因此，量子纠缠态的有效制备对于量子通讯或者是量子计算都是至关重要的。反过来，量子纠缠态也是人们检验量子力学基本原理正确性的重要工具。
纠缠态制备模块2与基础链路的信道加速模块3连接，纠缠态制备模块2与长链路的信道加速模块4连接，通过基础链路的信道加速模块3在两个量子通信接口之间建立量子纠缠对的速率进行远程传态功能、产生并向周围接口分发纠缠粒子功能和纠缠连接功能；将可以直接通过纠缠粒子分发建立量子信道的接口称为相邻接口,相邻两接口间通过纠缠粒子形成的量子通路称为基础链路，不存在基础链路的接口之间可以通过中继接口之间的基础链路建立量子信道。对基础链路上的信道建立速率进行了分析。基础链路上的一个接口由于内部纠缠粒子的存储空间有限,所以接口产生纠缠粒子对的频率也受到限制。通过长链路的信道加速模块4将非相邻两接口间通过中继接口建立量子信道,称为中继长链路。相邻接口之间可以直接生成量子纠缠对以传递量子信息,但中继长链路上需要各中继接口通过纠缠连接,消耗中继接口上的量子纠缠对,从而在源接口和目的接口之间得到高保真度的量子纠缠对，建立量子信道。
基础链路的信道加速模块3与增量制备模块5连接，长链路的信道加速模块4与增量制备模块5连接，通过增量制备模块5用DLCZ量子中继方案，建议用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口。得益于众多原子和光模式之间的集体增强效应，基于原子系综的DLCZ方案是量子接口。
如图1，本发明实施例提供的提升量子纠缠接口数目的方法包括以下步骤：
S101：通过量子测量模块将量子描述为系统状态空间的复内积向量空间。
S102：通过纠缠态制备模块实现量子密集编码、量子隐形传态等诸多量子通讯任务，实现量子计算，有效地制备初始纠缠态。
S103：通过基础链路的信道加速模块在两个量子通信接口之间建立量子纠缠对的速率进行远程传态功能、产生并向周围接口分发纠缠粒子功能和纠缠连接功能。
S104：通过长链路的信道加速模块将非相邻两接口间通过中继接口建立量子信道,称为中继长链路。
S105：通过增量制备模块5用DLCZ量子中继方案，建议用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口。
纠缠态制备模块的制备方法为，
在旋转波近似下，薛定谔绘景中系统的哈密顿量写为
H＝HWL+HCL+HMW；
其中，
令h＝1
c和代表腔模湮灭和产生算符，ωc代表腔模频率；ω代表经典场频率；ωMW代表微波场频率，φ代表微波场作用在两个原子上的相对相位。
基础链路的信道加速模块的速率建立方法为：
假设接口光子产生纠缠粒子操作的频率为f，接口按成功概率Pg产生一定保真度的纠缠粒子对，d为两接口之间的距离，c为光速，则相邻两接口之间成功得到一个纠缠光子对的平均时间为：
假设满足通信要求的纠缠粒子对的保真度为F,式中Pg的值为：
式中接口产生纠缠粒子对的频率f由接口纠缠粒子存储空间M所决定,M＝4[df/c],中括号为取整函数，得最大频率为：
长链路的信道加速模块的速率建立方法为：
接口两条基础链路成功生成量子纠缠对所需的最小时间为：
式中,fmax1为基础链路1中纠缠对产生的最大速率,fmax2为基础链路2中纠缠对产生的最大速率，A和C之间成功得到可用于量子信息传输的量子纠缠对的平均时间为：
由于各基础链路上纠缠粒子生成和纠缠连接操作的顺序不同,可以得到不同的量子信道建立方法,不同的量子信道建立方法对应不同的量子信道建立速率。
下面结合具体分析对本发明的应用做进一步描述。
本发明实施例提供提升量子纠缠接口数目的方法，所述提升量子纠缠接口数目的方法包括：通过增量制备模块，用DLCZ量子中继方案，用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口；具体有：
参与合作感知的接口开始进行周期为τs的频谱检测过程，获得主接口频谱资源的特征；
正常感知接口和待扩展感知接口通过正交的公共控制信道向数据融合中心进行感知信息的汇报；
数据融合中心对收集到的感知信息进行数据融合，并依据待扩展感知接口的检测偏差模式计算全局的偏差概率；
待扩展接口与主接口共享频谱资源，如果检测到主接口处于闲状态，则将以大功率发射信号，否则将以小功率发射信号；
构建优化模型，确定有关发射功率和感知时间的约束条件，求解所建立的最优化问题，得到使得次级网络的吞吐量最大的合作感知的感知周期和待扩展接口的信号发射功率；
重复循环以上步骤，对每次得到的最优解取平均，以平均值作为频谱感知模型的感知参数；对获得的感知参数确定为待扩展接口运行依据。
参与合作感知的接口确定每条链路上多个服务质量度量参数的变化区间和分布函数，按如下过程进行；
第一步，根据主接口信号的特征和信道衰减系数，计算各本地感知接口CRi接受到的信号yi(n)；
第二步，根据能量检测原理，得到感知接口CRi处的信号能量的统计量Vi，当采样量足够大时，Vi近似服从高斯分布。
正常感知接口和待扩展感知接口通过正交的公共控制信道向数据融合中心进行感知信息的汇报，正常感知接口将如实地汇报自己的感知信息，待扩展感知接口则采用检测偏差模式进行汇报：当信号能量统计量Vi大于攻击阈值η，则如实地报告自己的感知结果；否则将以概率pa发动攻击，向数据融合中心发送一个较高的能量值以达到检测偏差的目的。
数据融合中心对收集到的感知信息进行数据融合，并依据待扩展感知接口的检测偏差模式计算全局的偏差概率；具体方法包括：
第一步，根据各个接口的信噪比γi为每一个参与合作感知的待扩展接口CRi,i＝1…k设计一个权重然后对收集得到的信号能量统计量Ui进行线性加权得到最终的信号能量的统计量
第二步，分析检测偏差模式对频谱感知造成的影响，得到全局偏差概率Pf和攻击概率pa、攻击阈值η、攻击强度Δ之间的函数表达式如下：
其中：
待扩展接口发射机SU-Tx依据数据融合中心的决策结果调整自己的信号发射功率，如果检测到主接口PU处于闲状态，则将以大功率P0发射信号；如果主接口PU是处于忙状态即主接口PU以功率Pp发射信号，待扩展接口发射机SU-Tx将以小功率P1发射信号；故在一个时间帧内次级网络的平均吞吐量写成如下形式：
其中：hk,gss分别是主接口PU-Tx到待扩展接口SU-Tx，待扩展接口SU-Tx、待扩展接口SU-Tx到待扩展接口SU-Rx之间的信道衰减系数，P(H0)和P(H1)分别表示主接口PU实际处于闲状态与忙状态的概率。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种提升量子纠缠接口数目的方法，其特征在于，所述提升量子纠缠接口数目的方法包括：通过增量制备模块，用DLCZ量子中继方案，用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口；具体有：
参与合作感知的接口开始进行周期为τs的频谱检测过程，获得主接口频谱资源的特征；
正常感知接口和待扩展感知接口通过正交的公共控制信道向数据融合中心进行感知信息的汇报；
数据融合中心对收集到的感知信息进行数据融合，并依据待扩展感知接口的检测偏差模式计算全局的偏差概率；
待扩展接口与主接口共享频谱资源，如果检测到主接口处于闲状态，则将以大功率发射信号，否则将以小功率发射信号；
构建优化模型，确定有关发射功率和感知时间的约束条件，求解所建立的最优化问题，得到使得次级网络的吞吐量最大的合作感知的感知周期和待扩展接口的信号发射功率；
重复循环以上步骤，对每次得到的最优解取平均，以平均值作为频谱感知模型的感知参数；对获得的感知参数确定为待扩展接口运行依据。
2.如权利要求1所述的提升量子纠缠接口数目的方法，其特征在于，
参与合作感知的接口确定每条链路上多个服务质量度量参数的变化区间和分布函数，按如下过程进行；
第一步，根据主接口信号的特征和信道衰减系数，计算各本地感知接口CRi接受到的信号yi(n)；
第二步，根据能量检测原理，得到感知接口CRi处的信号能量的统计量Vi，当采样量足够大时，Vi近似服从高斯分布。
3.如权利要求1所述的提升量子纠缠接口数目的方法，其特征在于，正常感知接口和待扩展感知接口通过正交的公共控制信道向数据融合中心进行感知信息的汇报，正常感知接口将如实地汇报自己的感知信息，待扩展感知接口则采用检测偏差模式进行汇报：当信号能量统计量Vi大于攻击阈值η，则如实地报告自己的感知结果；否则将以概率pa发动攻击，向数据融合中心发送一个较高的能量值以达到检测偏差的目的。
数据融合中心对收集到的感知信息进行数据融合，并依据待扩展感知接口的检测偏差模式计算全局的偏差概率。
4.如权利要求1所述的提升量子纠缠接口数目的方法，其特征在于，所述提升量子纠缠接口数目的方法具体包括：
通过量子测量模块将量子描述为系统状态空间的复内积向量空间；
通过纠缠态制备模块实现量子密集编码、量子隐形传态诸多量子通讯任务，实现量子计算，制备初始纠缠态；
通过基础链路的信道加速模块在两个量子通信接口之间建立量子纠缠对的速率进行远程传态功能、产生并向周围接口分发纠缠粒子功能和纠缠连接功能；
通过长链路的信道加速模块将非相邻两接口间通过中继接口建立量子信道,称为中继长链路；
通过增量制备模块，用DLCZ量子中继方案，用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口。
5.如权利要求4所述的提升量子纠缠接口数目的方法，其特征在于，纠缠态制备模块的制备方法为，在旋转波近似下，薛定谔绘景中系统的哈密顿量写为
H＝HWL+HCL+HMW；
其中，
令h＝1
c和代表腔模湮灭和产生算符，ωc代表腔模频率；ω代表经典场频率；ωMW代表微波场频率，φ代表微波场作用在两个原子上的相对相位；
基础链路的信道加速模块的速率建立方法为：
假设接口光子产生纠缠粒子操作的频率为f，接口按成功概率Pg产生一定保真度的纠缠粒子对，d为两接口之间的距离，c为光速，则相邻两接口之间成功得到一个纠缠光子对的平均时间为：
6.一种实现权利要求1～5任意一项所述提升量子纠缠接口数目的方法的计算机程序。
7.一种终端，其特征在于，所述终端至少实现权利要求1～5任意一项所述提升量子纠缠接口数目的方法的服务器。
8.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的提升量子纠缠接口数目的方法。
9.一种提升量子纠缠接口数目系统，其特征在于，所述的提升量子纠缠接口数目系统，包括：
量子测量模块、纠缠态制备模块、基础链路的信道加速模块、长链路的信道加速模块、增量制备模块；
量子测量模块与纠缠态制备模块连接，纠缠态制备模块与基础链路的信道加速模块连接，纠缠态制备模块与长链路的信道加速模块连接，基础链路的信道加速模块与增量制备模块连接，长链路的信道加速模块与增量制备模块连接。
10.一种实施权利要求1所述提升量子纠缠接口数目的方法的大型网络服务计算机。
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WO2021008508A1 (zh) * 2019-07-16 2021-01-21 苏州大学 基于中继节点测量结果随机发送的d维链式隐形传态方法

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