CN110768793A - 一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法，属于多方量子保密通信领域，分别对发送方中的两个源节点，利用具有纠缠态的粒子进行测量，得到测量结果和纠缠态粒子塌缩态；中间节点C1利用所述测量结果对所述纠缠态粒子塌缩态的系数下标进行校正，得到校正态；所述源节点将校正态通过边信道发送至目标节点；所述中间节点C1经瓶颈信道将所述测量结果发送至中间节点C2，所述中间节点C2利用所述测量结果生成经典比特，并将所述经典比特发送至目标节点；所述目标节点利用所述经典比特对校正态进行酉操作，使目标节点具有相同的量子态，完成两级量子态的协作多播；本发明蝶形网络中两个目标节点可以以一个确定的概率获得相同的量子态。

Description

一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法
技术领域
本发明涉及多方量子保密通信技术领域，具体涉及一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法。
背景技术
随着社会快速发展，通信业务越来越频繁，虽然两方之间的量子保密通信技术研究比较成熟，但是点对点的两方通信很难适应目前大规模量子网络通信的实际需求，主要存在两个弊端：一是如果多方之间通信仍然采用两方通信的方式，将增加通信成本和降低通信效率；二是两方通信中，发送方虽然不拥有目标量子态，但是他知道目标量子态的全部信息，使得目标量子态的信息容易泄露。因此，如果量子态的信息不是被一个发送方拥有，而是被多个发送者共同拥有，这样将会大大增加量子保密通信的安全性。
在实际应用中，大量的计算机用户同时从服务器请求一个文件，大规模网络中多个节点可能同时访问和获取文件，很容易造成网络堵塞导致通信效率降低，利用协作通信技术可以很好的解决上述问题。
目前在协作多播通信过程中，已有的协作通信协议方案，通常是通过把源节点的初始量子信息分为若干个子集，所有的源节点合作制备远程目标所需的量子信息。这些协议方案从一定程度上反映了协作通信，但研究存在一定的局限性，没有考虑网络的结构，对任何具体网络是否存在量子协作通信是未知的。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法，解决了在目前在协作多播领域，无法在特定的网络中实现各个节点合作传输量子信息，以及同时从多个源节点发送量子信息到多个目标节点的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法，包括以下步骤：
步骤1：分别对发送方中的两个源节点，利用具有纠缠态的粒子进行测量，得到测量结果和纠缠态粒子塌缩态；
步骤2：中间节点C1利用所述测量结果对所述纠缠态粒子塌缩态的系数下标进行校正，得到校正态；
步骤3：所述源节点将校正态通过边信道发送至目标节点；
步骤4：所述中间节点C1经瓶颈信道将所述测量结果发送至中间节点C2，所述中间节点C2利用所述测量结果生成经典比特，并将所述经典比特发送至目标节点；
步骤5：所述目标节点利用所述经典比特对校正态进行酉操作，使目标节点具有相同的量子态，完成两级量子态的协作多播。
进一步的，所述步骤1中，测量方法为Bell基测量。
进一步的，所述步骤2中利用中间节点C1进行系数下标校正的具体步骤为：
步骤21：所述两个源节点将测量结果发送至所述中间节点C1；
步骤22：所述中间节点C1将所述测量结果进行交换后返回所述源节点；
步骤23：若返回的测量结果与原测量结果相同，则无需进行校正，跳转至步骤3，否则需要进行校正，经过校正后跳转至步骤3。
进一步的，所述步骤23中，系数校正的具体方法为：
步骤231：判断纠缠态粒子塌缩态的系数是否全为零，若不全为零，则进入系数校正，否则进入退化协议部分；
步骤232：利用测量结果对纠缠态粒子塌缩态进行酉操作，改变所述塌缩态；
步骤233：分别对源节点引入一个辅助粒子，并对所述辅助粒子进行测量，使塌缩态进一步改变，完成系数下标校正。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明当边信道上传输一个量子比特和在其他信道传输不超过两个经典比特时，则蝶形网络中两个目标节点可以以一个确定的概率获得相同的量子态。
多方量子协作多播协议，实现了四个参与方之间在一个特定的蝶形网络中完成量子保密通信任务，其优势不仅在于利用网络编码技术节省了瓶颈信道处的经典通信成本，而且由于信道中传输的并不是经典秘密信息，而是Bell的测量结果，因此充分保证了通信过程中信息的保密性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的总体框架图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法，包括以下步骤：
步骤1：分别对发送方中的两个源节点，利用具有纠缠态的粒子进行测量，得到测量结果和纠缠态粒子塌缩态；
步骤2：中间节点C1利用所述测量结果对所述纠缠态粒子塌缩态的系数下标进行校正，得到校正态；
步骤3：所述源节点将校正态通过边信道发送至目标节点；
步骤4：所述中间节点C1经瓶颈信道将所述测量结果发送至中间节点C2，所述中间节点C2利用所述测量结果生成经典比特，并将所述经典比特发送至目标节点；
步骤5：所述目标节点利用所述经典比特对校正态进行酉操作，使目标节点具有相同的量子态，完成两级量子态的协作多播。
所述步骤1中，测量方法为Bell基测量。
所述步骤2中利用中间节点C1进行系数下标校正的具体步骤为：
步骤21：所述两个源节点将测量结果发送至所述中间节点C1；
步骤22：所述中间节点C1将所述测量结果进行交换后返回所述源节点；
步骤23：若返回的测量结果与原测量结果相同，则无需进行校正，跳转至步骤3，否则需要进行校正，经过校正后跳转至步骤3。
所述步骤23中，系数校正的具体方法为：
步骤231：判断纠缠态粒子塌缩态的系数是否全为零，若不全为零，则进入系数校正，否则进入退化协议部分；
步骤232：利用测量结果对纠缠态粒子塌缩态进行酉操作，改变所述塌缩态；
步骤233：分别对源节点引入一个辅助粒子，并对所述辅助粒子进行测量，使塌缩态进一步改变，完成系数下标校正。
实施例
本实施例用于对本发明进行具体说明。
如图1所示，源节点S1有两个相同态的粒子A1和A2，
Figure BDA0002234388880000041
源节点S2有两个相同态的粒子B1和B2，
Figure BDA0002234388880000042
粒子均满足正规化条件。
两个源节点共享两对三粒子GHZ纠缠态
Figure BDA0002234388880000043
粒子(1，4，5)属于源节点S1，粒子(2，3，6)属于源节点S2。
目标节点为R1、R2，目的为使目标节点具有相同量子态，完成多播过程。
协议过程如下：
步骤1：分别对发送方中的两个源节点，利用具有纠缠态的粒子进行测量，得到测量结果和纠缠态粒子塌缩态；具体为：
两个源节点S1和S2分别用基对其粒子做Bell基测量：
基为：
Figure BDA0002234388880000044
令两个经典比特串
Figure BDA0002234388880000045
分别对应于Bell基的测量结果
Figure BDA0002234388880000046
i代表源节点的测量结果。上标j＝1代表包括粒子(A1,1,2,3,B1)的量子系统Ⅰ,上标j＝2代表包括粒子(A2,4,5,6,B2)的量子系统Ⅱ；
Figure BDA0002234388880000047
和
Figure BDA0002234388880000048
分别表示源节点S1对粒子(A1,1)和(A2,4)的测量结果；
Figure BDA0002234388880000049
和
Figure BDA00022343888800000410
分别表示源节点S2对粒子(3,B1)和(6,B2)的测量结果；
以系统Ⅰ为例，测量过程具体为：
Figure BDA0002234388880000051
根据两个源节点的测量结果，粒子5(2)的状态塌缩成16个可能情况，由局域相位因子决定：
Figure BDA0002234388880000052
当t＝1时，在步骤1中，源节点S2的粒子2上的态塌缩为态
Figure BDA0002234388880000053
当t＝2时，在第P1步中，源节点S1的粒子5上的态塌缩为态
Figure BDA0002234388880000054
符号⊕表示模2加法。
步骤2：中间节点C1利用所述测量结果对所述纠缠态粒子塌缩态的系数下标进行校正，得到校正态；
具体步骤为：
步骤21：所述两个源节点将测量结果发送至所述中间节点C1；源节点S1传送经典比特
Figure BDA0002234388880000055
到节点C1，源节点S2传送经典比特
Figure BDA0002234388880000056
到节点C1；
步骤22：所述中间节点C1将所述测量结果进行交换后返回所述源节点；节点C1分别传输经典比特
Figure BDA0002234388880000057
和
Figure BDA0002234388880000058
给源节点S1和S2；
步骤23：若返回的测量结果与原测量结果相同，即和
Figure BDA00022343888800000510
则公式5中系数axby(x,y＝0,1)的下标x和y相同，则无需进行校正，跳转至步骤3，否则需要进行校正，经过校正后跳转至步骤3。
所述步骤23中，系数校正的具体方法为：
步骤231：判断纠缠态粒子塌缩态的系数是否全为零，若不全为零，即a0b0和a1b1不全为0，则跳转至步骤232进入系数校正，否则进入退化协议部分；
步骤232：利用测量结果对纠缠态粒子塌缩态进行酉操作，改变所述塌缩态；
根据测量结果源节点S1在基{|00＞,|10＞,|01＞,|11>}下对态
Figure BDA0002234388880000062
进行酉操作根据测量结果
Figure BDA0002234388880000064
源节点S2在基{|00>,|10>,|01>,|11>}下对态
Figure BDA0002234388880000065
进行酉操作
Figure BDA0002234388880000066
其中
Figure BDA0002234388880000067
Figure BDA0002234388880000068
粒子5上的态变为：
粒子2上的态变为：
步骤233：分别对源节点引入一个辅助粒子，并对所述辅助粒子进行测量，使塌缩态进一步改变，完成系数下标校正。
每个源节点引入一个辅助粒子|0>aux，两个源节点在基{|0＞,|1＞}下分别对辅助粒子做测量；如果测量结果是|0＞，目标节点最终可以成功获得相同的多播信息(量子态)；如果测量结果是|1＞，将导致两个目标节点获得的信息不一致，为错误状态。
当辅助粒子的测量结果是|0＞时，粒子5和粒子2上的态分别变为
则公式10和公式11中系数axby(x,y＝0,1)的下标x和y相同，没有差异，实现了“系数下标校正”。
退化协议部分具体为：
如果a0b0和a1b1全都为0，即a0＝b1＝1,a1＝b0＝0或a0＝b1＝0,a1＝b0＝1，则通用协议自然地退化为概率是1的多单播。具体来说，最终在R2上得到源节点S1的信息，在R1上得到源节点S2的信息。如果目的是实现量子多播，Si可以通过边信道发送态
Figure BDA0002234388880000071
给Ri，两个目标节点可以同时获得两个源节点的信息；
①a0＝b1＝1,a1＝b0＝0，很容易看出态
Figure BDA0002234388880000072
和态
Figure BDA0002234388880000073
有
Figure BDA0002234388880000074
假设
Figure BDA0002234388880000075
即
Figure BDA0002234388880000076
经过步骤4-7之后，目的是希望R1和R2分别得到态
Figure BDA0002234388880000077
和态
Figure BDA0002234388880000078
具体过程如下：
如果
Figure BDA0002234388880000079
有
Figure BDA00022343888800000710
S2在基{|00＞,|10＞,|01＞,|11>}下对粒子2执行操作
Figure BDA00022343888800000711
其中
Figure BDA00022343888800000712
操作后，粒子2上的态变为
Figure BDA00022343888800000714
源节点S2在基{|0>,|1>}}下对辅助粒子进行测量，可以确定性地得到测量结果|1>。经过测量后，粒子2上的态变为
Figure BDA00022343888800000715
然后，S2对粒子2执行操作
Figure BDA00022343888800000716
因此，S2根据测量结果执行相应的σz操作，必会有态
Figure BDA00022343888800000717
如果
Figure BDA00022343888800000718
由式(4-6)，有态
Figure BDA00022343888800000719
S2在基{|00>,|10>,|01＞,|11＞}下对粒子2执行操作
Figure BDA00022343888800000720
其中
Figure BDA00022343888800000721
Figure BDA0002234388880000081
操作后，粒子2上的态变为
Figure BDA0002234388880000082
源节点S2在基{|0＞,|1＞}下对辅助粒子进行测量，可以确定性地得到测量结果|1>。测量后，粒子2上的态变为然后，S2对粒子2执行操作
Figure BDA0002234388880000084
因此，S2根据测量结果执行相应的σxσz操作，必会有态
Figure BDA0002234388880000085
对S1也类似，我们有态然后，执行步骤6和步骤7。S1发送态
Figure BDA0002234388880000087
给R1，S2发送态
Figure BDA0002234388880000088
给R2。每一个Ri(i＝1,2)分别对他自己拥有的态执行酉操作
最终，在R2上得到态在R1上得到态
Figure BDA00022343888800000811
②a0＝b1＝0,a1＝b0＝1，很容易看出态
Figure BDA00022343888800000812
和态
Figure BDA00022343888800000813
有
假设即经过步骤3-5之后，目的是希望R1和R2分别得到态
Figure BDA00022343888800000817
和态
Figure BDA00022343888800000818
具体过程如下：
如果
Figure BDA00022343888800000819
有态
Figure BDA00022343888800000820
S2在基{|00＞,|10＞,|01＞,|11＞}下对粒子2执行操作
Figure BDA00022343888800000821
其中
Figure BDA00022343888800000823
操作后，粒子2上的态变为
Figure BDA0002234388880000091
源节点S2在基{|0＞,|1＞}下对辅助粒子进行测量，可以确定性地得到测量结果|1＞；测量后，粒子2上的态变为
S2对粒子2执行操作
因此，S2根据测量结果执行相应的σz操作，必会有态
如果
Figure BDA0002234388880000095
有态
Figure BDA0002234388880000096
S2在基{|00＞,|10＞,|01＞,|11>}下对粒子2执行操作其中
Figure BDA0002234388880000098
Figure BDA0002234388880000099
操作后，粒子2上的态变为
Figure BDA00022343888800000910
源节点S2在基{|0＞,|1>}下对辅助粒子进行测量，可以确定性地得到测量结果|1>；
测量后，粒子2上的态变为
Figure BDA00022343888800000911
然后，S2对粒子2执行操作
Figure BDA00022343888800000912
因此，S2根据测量结果执行相应的σxσz操作，必会有态
Figure BDA00022343888800000913
S1发送态
Figure BDA00022343888800000914
给R1，S2发送态
Figure BDA00022343888800000915
给R2。每一个Ri(i＝1,2)分别对他自己拥有的态执行酉操作
Figure BDA00022343888800000916
最终，在R2上得到态
Figure BDA00022343888800000917
在R1上得到态
Figure BDA00022343888800000918
步骤3：所述源节点将校正态通过边信道发送至目标节点；
源节点S1根据测量结果
Figure BDA00022343888800000919
对粒子5执行酉操作
Figure BDA00022343888800000920
其中然后S1通过边信道S1R1发送转换后的态
Figure BDA00022343888800000922
给R1；源节点S2根据测量结果
Figure BDA00022343888800000923
对粒子2执行酉操作
Figure BDA0002234388880000101
然后S2通过边信道S2R2发送转换后的态
Figure BDA0002234388880000102
给R2；实现“比特翻转校正”。
步骤4：所述中间节点C1经瓶颈信道将所述测量结果发送至中间节点C2，所述中间节点C2利用所述测量结果生成经典比特，并将所述经典比特发送至目标节点；
节点C1收到S1发送的信息
Figure BDA0002234388880000103
和S2发送的信息
Figure BDA0002234388880000104
之后，节点C1编码经典信息
Figure BDA0002234388880000105
为一个经典比特
Figure BDA0002234388880000106
然后，节点C1将经典比特通过瓶颈信道发送给节点C2。C2通过信道C2R1和C2R2分别发送
Figure BDA0002234388880000108
到两个目标节点R1和R2；
步骤5：所述目标节点利用所述经典比特对校正态进行酉操作，使目标节点具有相同的量子态，完成两级量子态的协作多播。
根据收到的经典比特
Figure BDA0002234388880000109
目标节点Ri(i＝1,2)分别对他拥有的态进行酉操作
Figure BDA00022343888800001010
进行“相位翻转校正”。目标节点R1和R2获得相同的量子态，均包含两个源节点的协作信息
Figure BDA00022343888800001011
本发明的工作原理为：
系数下标校正：通过两个源节点之间的信息交换，完成系数下标校正。
比特翻转校正：根据测量结果，对粒子执行酉操作，源节点将转换后的态发送给目标节点，完成比特翻转校正。
相位翻转校正：根据收到的经典比特，目标节点对自己拥有的态执行相应的酉操作，完成相位比特校正。
当源节点具有多个粒子、多个源节点或者多个目标节点时，进行实施例中的两两操作即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：分别对发送方中的两个源节点，利用具有纠缠态的粒子进行测量，得到测量结果和纠缠态粒子塌缩态；
步骤2：中间节点C1利用所述测量结果对所述纠缠态粒子塌缩态的系数下标进行校正，得到校正态；
步骤3：所述源节点将校正态通过边信道发送至目标节点；
步骤4：所述中间节点C1经瓶颈信道将所述测量结果发送至中间节点C2，所述中间节点C2利用所述测量结果生成经典比特，并将所述经典比特发送至目标节点；
步骤5：所述目标节点利用所述经典比特对校正态进行酉操作，使目标节点具有相同的量子态，完成两级量子态的协作多播。
2.根据权利要求1所述的一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法，其特征在于：所述步骤1中，测量方法为Bell基测量。
3.根据权利要求2所述的一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法，其特征在于：所述步骤2中利用中间节点C1进行系数下标校正的具体步骤为：
步骤21：所述两个源节点将测量结果发送至所述中间节点C1；
步骤22：所述中间节点C1将所述测量结果进行交换后返回所述源节点；
步骤23：若返回的测量结果与原测量结果相同，则无需进行校正，跳转至步骤3，否则需要进行校正，经过校正后跳转至步骤3。
4.根据权利要求3所述的一种基于蝶形网络结构的两级量子态协作多播方法，其特征在于：所述步骤23中，系数校正的具体方法为：
步骤231：判断纠缠态粒子塌缩态的系数是否全为零，若全为零，则进入系数校正，否则进入退化协议部分；
步骤232：利用测量结果对纠缠态粒子塌缩态进行酉操作，改变所述塌缩态；
步骤233：分别对源节点引入一个辅助粒子，并对所述辅助粒子进行测量，使塌缩态进一步改变，完成系数下标校正。
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