CN111147154B - 基于不同维度量子中继器的多单播网络编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于不同维度量子中继器的多单播网络编码方法，它包含三个步骤：步骤1：根据各发送方预备发送的量子信息维度，准备相应维度的两粒子最大纠缠EPR对作为量子纠缠资源，并分别在网络中相邻节点处预共享不同维度的EPR对；步骤2：对各节点处不同维度量子态进行量子编码操作，构建信源节点与信宿节点间量子信道；步骤3：各发送方通过量子隐形传态技术实现各维度量子信息传输。本发明结合量子中继器以及通用量子计算，针对不同维度的量子态传输，设计可优化的量子网络编码方法，实现了高效灵活的多源网络模型远程通信。

Description

基于不同维度量子中继器的多单播网络编码方法

技术领域

本发明涉及基于不同维度量子中继器的多单播网络编码方法，属于网络通信技术领域。

背景技术

量子中继器网络编码技术作为未来大规模量子网络通信的坚实基础，吸引了众多专家学者的关注和研究。2012年，Satoh等人首次提出量子中继器网络编码协议，引入最大纠缠EPR对作为纠缠资源并利用局部操作和经典通信(LOCC)，实现蝶形网络结构中节点之间纠缠关系延伸，验证了理想环境下量子中继网络中2-对通信任务的可行性。随后2016年，Satoh等人在原有编码协议基础上，又从噪声影响以及量子资源短缺角度，提出并分析适应现实中继网络的量子中继器网络编码可行性。2018年，Matsuo等人不再以最大纠缠EPR对，利用两粒子簇态作为纠缠资源，提出一种基于测量的量子中继器网络编码协议，再次验证了量子中继网络2-对通信任务的可行性。近年来，尚涛等人结合图论知识，对复杂的网络拓扑结构进行了简化处理，成功将原有的量子中继器蝶形网络编码扩展为通用的量子中继器网络编码方法，完成了量子中继网络编码中2-对通信任务到多对通信任务的跨越。2018年，Li等人研究量子中继器网络多单播问题，相比于之前多源量子中继器网络编码协议，该协议不需要考虑图转换，并且更加直观详细给出了信源节点、中间节点和信宿节点三者之间的一种编码方法。目前，现有的量子中继器网络编码方法主要支持同维度量子信息传输，且仅支持两维量子态传输，关于高维量子态传输以及不同维度信息传输可行性研究极少。随着量子网络迅速发展，实现灵活高效的高维度量子态的网络传输是解决大规模量子网络问题的关键。

目前，在研究多源高维量子网络编码方面已经有了初步成果。2015年，李婧等人分别基于二维和三维簇态的k-对网络可解性做了深入研究，验证了高维量子网络编码的可行性。2019年，李祯祯等人提出了一种多单播完美量子网络编码协议。该协议能够支持高维量子信息传输，扩大了信息传输容量的同时节约了量子纠缠资源。虽然已有的高维量子网络编码方法中采用了高维量子计算操作，并对各个节点进行有效编码，但是所用的量子门操作仍只限同维度量子态，因此量子网络灵活传输不同维度量子信息可行性尚需验证。研究表明，通用量子计算操作在处理不同维度量子态信息时有重大意义。

本发明在现有研究基础上，将量子中继器网络编码方法中二维量子态编码操作扩展至不同维度通用的编码操作，通过对相邻节点间预共享的不同维度EPR对进行局域操作和经典通信，构造各信源节点与信宿节点之间纠缠信道，结合量子隐形传态技术实现完美传输不同维度的量子信息。

发明内容

本发明解决的技术问题是：突破现有量子网络编码方法仅传输相同维度量子态的限制，设计支持多源灵活传输不同维度量子态的量子网络编码方法。在网络中如何设计量子纠缠资源分配以保证各节点可以通过局域操作处理信息，如何面向不同维度量子态设计通用的量子门操作，是保证实现多源灵活传输不同维度信息的量子网络编码必须解决的关键问题。

为了满足上述要求，本发明采用了基于不同维度量子中继器的多单播网络编码方法，它包含以下步骤：

步骤1：根据各发送方预备发送的量子信息维度，准备相应维度的两粒子最大纠缠EPR对作为量子纠缠资源，并分别在网络中相邻节点处预共享不同维度的EPR对方便后续局域操作。其中相邻节点预共享不同维度EPR对。具体分配方式如下：

步骤1.1，根据不同节点类型，分配量子纠缠资源。对于信源节点，按照各发送方S_i准备发送的信息的维度d_i,i∈{1,2,...,k}，在与其相邻的中间节点R₁和其他信宿节点T₁,T₂,...,T_k(除T_i)分别预共享两粒子高维量子态

和

步骤1.2，对于中间节点R₁，根据所有准备发送信息中的最大维度d_max，在与其相邻的中间节点R₂预共享两粒子高维量子态

步骤1.3，对于信宿节点T_i，根据所有准备发送信息中的最大维度d_max，在与其相邻的中间节点R₂预共享两粒子高维量子态

步骤2：对各节点处不同维度量子态进行量子编码操作，构建信源节点与信宿节点间量子隐形传态信道。为了构建支持传输不同维度量子信息的量子隐形传态网络，信源节点与相应信宿节点之间需要共享一个对应传输信息维度的EPR对。通过设计通用的量子门操作对任意相邻节点之间共享的量子纠缠资源进行信息处理，将纠缠关系延伸至非相邻节点处，使得信源节点与信宿节点之间形成纠缠信道。

通用量子门操作分为以下四种：

(1)不同维度连接操作

对由多个不同维度EPR对构成的量子初始态

进行

操作，得到量子态

这里R_i,i∈{1,2,...,k}被消去。具体操作步骤按照表1方法进行。

表1

(2)不同维度增加操作

是由

演化而来的。对由多个不同维度纠缠态构成的量子初始态

进行

操作，得到量子态

这里R被消去。具体操作步骤按照表2方法进行。

表2

(3)不同维度移除操作

对由多个粒子构成的量子初始态

进行

操作，

得到量子态

这里R_i,i∈{1,2,...,k}被消去。具体操作步骤按照表3方法进行。

表3

(4)不同维度增加移除操作

是由

演化而来的。对由多个不同维度纠缠态构成的量子初始态

进行

操作，得到量子态

这里R被消去。具体操作步骤按照表4方法进行。

表4

步骤3：各发送方通过量子隐形传态技术实现各维度量子信息传输。

本发明特征在于：利用量子隐形传态原理，结合量子中继器和通用量子门操作，设计针对不同维度量子态传输的量子网络编码方法，实现高效优化灵活的多源网络模型远程通信。

(1)本发明利用通用量子门操作将量子网络编码方法的信息维度由同维度扩展到不同维度，并给出了通用量子门操作具体步骤，从而实现可优化传输模式的量子网络编码。

(2)本发明利用量子隐形传态原理，结合量子中继器和通用量子门操作，实现量子网络灵活传输量子信息的同时有效节省资源，有利于大规模量子远程通信。

附图说明

图1为本发明的基于不同维度量子中继器的多单播网络编码方法流程图；

图2为本发明的预初始量子资源分配图；

图3为本发明的最终生成量子隐形传态纠缠信道图；

表1为本发明的不同维度连接操作

表2为本发明的不同维度增加操作

表3为本发明的不同维度移除操作

表4为本发明的不同维度增加移除操作

图中符号说明如下：

S₁,S₂,...,S_k为量子中继器网络模型中的信源节点；

R₁,R₂为中间节点；

T₁,T₂,...,T_k为信宿节点；

s_i0r_1i,s_ijt_ji,r₁r₂,r_2jt_j0(i,j∈{1,2,...,k},i≠j)为高维EPR对，且两粒子分别由相邻的两个中继器保管。

具体实施方式

本发明所提出的基于不同维度量子中继器的多单播网络编码方法，解决以下两个问题：(1)在网络中如何设计量子纠缠资源分配以保证各节点可以通过局域操作处理信息；

(2)如何面向不同维度量子态设计通用的量子门操作，是保证实现多源灵活传输不同维度信息的量子网络编码必须解决的关键问题。

本发明的主要实现思想是：根据通信方所需要传输的量子信息维度，在量子中继器网络中相邻节点之间预共享相应维度的纠缠资源，并通过通用的量子门操作对纠缠资源进行有效处理，使得信源节点与信宿节点之间构造纠缠信道，利用量子隐形传态实现多源网络模型远程通信。本发明在量子中继网络基础上，将多源传输信息维度由同维扩展到不同维度，利用通用的高维量子门操作，对不同维度量子态进行编码，进而实现不同维度量子中继器的多单播网络编码。

如图1所示，本发明具体实施步骤如下：

步骤1：根据各发送方预备发送的量子信息维度，准备相应维度的两粒子最大纠缠EPR对作为量子纠缠资源，并分别在网络中相邻节点处预共享不同维度的EPR对。

预初始量子资源分配如图2所示，每个信源节点S_i根据自己准备发送的信息的维度d_i,i∈{1,2,...,k}，在与其相邻的中间节点R₁和其他信宿节点T₁,T₂,...,T_k(除T_i)分别预共享两粒子高维量子态

和

中间节点R₁,R₂之间预共享两粒子高维量子态

d_max是所有S_i准备发送的信息中最大维度；每个信宿节点在与其相邻的中间节点R₂之间预共享两粒子高维量子态

步骤2：对各节点处不同维度量子态进行量子编码操作，构建信源节点与信宿节点间量子信道。

量子信道构建的具体步骤如下：

(1)S_i与T_j做

操作，量子态变为：

(2)R₁与R₂做

操作。量子态变为:

(3)R₂与T_j,j∈{1,2,...,k}做

操作。量子态变为：

(4)T_j,j∈{1,2,...,k}做

操作。量子态变为:

(5)S_i与T_j i,j∈{1,2,...,k},i≠j做

操作。量子态变为:

(6)R₁与R₂做

操作。量子态变为：

(7)S_i与R₁做

操作，这里i∈{1,2,...,k}。量子态变为：

计算结果可以获得k个不同维度的EPR对。第一个是(S₁,T₁)的

第二个是(S₂,T₂)的

第k个是(S_k,T_k)的

即实现了信源节点与信宿节点的量子纠缠信道。

步骤3：各发送方通过量子隐形传态技术实现各维度量子信息传输。最终生成量子隐形传态纠缠信道如图3所示。

基于不同维度量子中继器的多单播网络编码方法可以实现高效优化灵活的多源网络模型远程通信。

具有如下性质：

(1)从通信模式上来看，同时传输不同维度信息比传输同维度信息更具灵活性。同维度网络通信是特殊的传输模式，而实际应用中通信任务不仅只要求传输相同维度信息，因此本发明将维度传输要求推广至任意维度，并主要提供通用的量子门操作处理不同维度量子态的操作方法，优化了传输模式，实现多单播网络上不同维度量子通信。

(2)从资源消耗来看，量子通信的资源消耗随着传输信息的维度上升而增加。在传输不同维度信息时，本发明在不增加量子纠缠对数目的情况下，无需要求全部相邻节点之间预共享最大维度EPR对，能够极大程度节约量子资源。

Claims (2)

1.一种基于不同维度中继器的多单播网络编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据各发送方预备发送的量子信息维度，准备相应维度的两粒子最大纠缠EPR对作为量子纠缠资源，并分别在网络中相邻节点处预共享不同维度的EPR对方便后续局域操作，其中相邻节点预共享不同维度EPR对，

步骤2：对各节点处不同维度量子态进行量子编码操作，构建信源节点与信宿节点间量子隐形传态信道，为了构建支持传输不同维度量子信息的量子隐形传态网络，信源节点与相应信宿节点之间需要共享一个对应传输信息维度的EPR对，通过设计通用的量子门操作对任意相邻节点之间共享的量子纠缠资源进行信息处理，将纠缠关系延伸至非相邻节点处，使得信源节点与信宿节点之间形成纠缠信道；

步骤3：各发送方通过量子隐形传态技术实现各维度量子信息传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1具体分配方式如下：

步骤1.1，根据不同节点类型，分配量子纠缠资源，对于源节点，按照各发送方S_i准备发送的信息的维度d_i,i∈{1,2,...,k}，在与其相邻的中间节点R₁和其他信宿节点T₁,T₂,...,T_k(除T_i)分别预共享两粒子高维量子态

和

步骤1.2，对于中间节点R₁，根据所有准备发送信息中的最大维度d_max，在与其相邻的中间节点R₂预共享两粒子高维量子态

步骤1.3，对于信宿节点T_i，根据所有准备发送信息中的最大维度d_max，在与其相邻的中间节点R₂预共享两粒子高维量子态

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