CN111525964A - 量子通信装置和用于量子通信的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及量子通信装置和用于量子通信的方法。具体而言，本公开的一个方面涉及一种量子通信装置，包括：编码模块，用于生成经编码的量子信息；以及控制模块，被配置为：确定量子信道的信道状态参数；确定量子通信的可靠性需求；以及至少基于信道状态参数以及可靠性需求来控制编码模块生成经编码的量子信息。

Description

量子通信装置和用于量子通信的方法

技术领域

本公开涉及量子通信，并且具体地涉及量子通信装置和用于量子通信的方法。

背景技术

量子通信是极具发展潜力的技术领域。例如，量子通信因为其能够提供高效安全的信息传输而备受关注。近年来，量子通信已逐步从理论向应用发展。现有的量子通信系统一般采用二维量子态来表征量子信息，其使用qubit(又称为量子比特)作为基本的信息存储单位。由qubit表征的量子信息是低维(二维)的，该量子信息在通过量子信道时具有较低的可靠性，不适于对可靠性需求较高的业务。另外，对于不同的用户和环境条件，可能存在不同的通信可靠性需求和/或变化的量子信道状态。因此，可能需要灵活的定制化的量子编码方案，以适应变化的需求和环境条件。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种量子通信装置，包括：编码模块，用于生成经编码的量子信息；以及控制模块，被配置为：确定量子信道的信道状态参数；确定量子通信的可靠性需求；以及至少基于信道状态参数以及可靠性需求来控制编码模块生成经编码的量子信息。

本公开的另一方面涉及一种量子通信装置，包括：解码模块，用于对量子信息进行检测和解码；控制模块，被配置为：确定量子信道的信道状态参数；控制以将信道状态参数发送给量子通信的发射装置；控制解码模块对从发射装置接收的经编码的量子信息进行检测和解码。

本公开的另一方面涉及一种用于量子通信的方法，包括：确定量子信道的信道状态参数；确定量子通信的可靠性需求；以及至少基于信道状态参数和所述可靠性需求，生成经编码的量子信息。

本公开的另一方面涉及一种用于量子通信的方法，包括：确定量子信道的信道状态参数；将信道状态参数发送给量子通信的发射装置；从发射装置接收经编码的量子信息；以及对经编码的量子信息进行检测和解码。

提供上述方案概述仅为了提供对本文所描述的主题的各方面的基本理解。因此，上述方案中的技术特征仅是示例并且不应被解释为以任何方式限制本文所描述的主题的范围或精神。本文所描述的主题的其他特征、方面和优点将从以下结合附图描述的具体实施方式而变得明晰。

附图说明

当结合附图考虑实施例的以下具体描述时，可以获得对本公开内容更好的理解。在各附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件和操作。其中：

图1示出了根据本公开的实施例的量子通信系统的示意性框图。

图2示出了根据本公开的实施例的用于量子通信的发射装置的示意性框图。

图3示出了根据本公开的实施例的用于量子通信的接收装置的示意性框图。

图4A示出了根据本公开的实施例的用于确定量子信道的信道状态参数的信令流程图。

图4B示出了根据本公开的另一实施例的用于确定量子信道的信道状态参数的信令流程图。

图5示出了根据本公开的实施例的用于基于信道状态参数和可靠性需求来定制量子传输方案的信令流程图。

图6示出了根据本公开的实施例的用于量子通信的示例性方法的流程图。

图7示出了根据本公开的实施例的用于量子通信的示例性方法的流程图。

图8示出了根据本公开的实施例的用于实现多粒子编码的量子线路的示意图。

图9A和图9B分别示出了根据本公开的实施例的多粒子高维量子编码方案的平均保真度曲线。

图10示出了根据本公开的实施例的改进的量子通信系统模型的示意性框图。

图11示出了针对qudit的广义泡利算子的示例性实现方式的示意图。

图12示出了基于OAM的针对单个qudit的广义量子门的示例性实现方式的示意图。

具体实施方式

以下描述根据本公开的设备和方法等各方面的具体示例。描述这些例子仅是为了增加上下文并帮助理解所描述的实施例。因此，对本领域技术人员而言明晰的是，以下所描述的实施例可以在没有具体细节当中的一些或全部的情况下被实施。在其他情况下，众所周知的操作没有详细描述，以避免不必要地模糊所描述的实施例。其他应用也是可能的，本公开的方案并不限制于这些具体示例。

量子通信系统

图1示出了根据本公开的实施例的量子通信系统1000的框图。如图1所示，量子通信系统1000可以包括用于量子通信的发射装置1100和接收装置1200。根据本公开的一些实施例，发射装置1100可以是基站或者用户设备中的任一者。接收装置1200可以是基站或者用户设备中的任一者。后文中关于图2和图3进一步描述了根据本公开的实施例的发射装置和接收装置的具体示例实施例。

根据本公开的实施例，在量子通信系统1000中，发射装置1100可以通过量子信道1300将量子信息传输给接收装置1200。量子信道1300可以包括本领域技术人员知晓的可以传输量子信息的任何信道。例如，当采用光量子来承载量子信息时，量子信道1300可以包括光子的传播信道。应当注意的是，尽管图1中将量子信道1300表示为从发射装置1100指向接收装置1200的单向信道，本领域技术人员清楚的是，量子信道1300也可以是双向的。

根据本公开的实施例，发射装置1100还可以通过至少一个附加的第二信道1400与接收装置1200连接。第二信道1400可以被用来在发射装置1100和接收装置1200之间传送各种控制信息和配置信息，例如后文将讨论的描述参考光束的属性的参数、量子信道1300的信道状态参数、量子通信的可靠性需求，等等。根据本公开的一些实施例，第二信道1400可以是任意类型的经典信道(例如，蜂窝通信信道)。根据本公开的另一些实施例，第二信道1400可以是与量子信道1300独立的另一个量子信道。第二信道1400可以是双向信道，或者可以包括分别用于发送和接收的多个单向子信道。另外，尽管图1仅示出了单个第二信道1400，但是发射装置1100与接收装置1200之间可以存在多个第二信道。

根据本公开的实施例，量子通信系统1000还可以可选地包括系统管理器1500。系统管理器1500可以与发射装置1100和接收装置1200中的每一个连接，并且可以对发射装置1100和接收装置1200进行控制。例如，系统管理器1500可以向发射装置1100指示针对量子通信的可靠性需求，和/或对发射装置1100与接收装置1200之前的通信进行调度。根据本公开的实施例，通过第二信道1400传送的信息中的任意信息也可以替代地通过系统管理器1500来传送。系统管理器1500用虚线绘出，这表示它是可选的。

应当注意的是，尽管图1将量子通信系统1000示出为包括一个发射装置1100和一个接收装置1200，但是本领域技术人员可以清楚的是，量子通信系统1000可以包括多个发射装置和/或多个接收装置，并且这些发射装置和接收装置之间可以采用类似的量子信道1300/第二信道1400来进行通信。一个发射装置可以连接到多个接收装置，和/或一个接收装置可以连接到多个发送装置。这些发射装置和接收装置之间可以共享系统管理器1500或者具有专门的系统管理器。

发射装置

图2示出了根据本公开的实施例的用于量子通信的发射装置2100的示意性框图。发射装置2100可以实现为用于基站侧的装置以及用于用户侧的装置中的任何一种。如图所示，发射装置2100可以包括存储器2110、通信模块2120、编码模块2130和控制模块2140。

根据本公开的实施例，发射装置2100的存储器2110可以耦接到发射装置2100中的一个或多个其他部件，并且存储由这些部件产生的信息或者要用于这些部件的信息。例如，存储器2110可以存储控制模块2140产生的信息、通过通信单元2120接收或发送的信息，用于发射装置2100操作的程序、机器代码和数据等。存储器2110用虚线绘出，因为它还可以位于控制模块2140内或者位于发射装置2100之外。存储器2110可以是易失性存储器和/或非易失性存储器。例如，存储器2110可以包括但不限于随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)以及闪存存储器。

根据本公开的实施例，发射装置2100的通信模块2120可以用于与一个或多个外部设备进行信息的传输与接收。通信模块2120可以用于将量子信息通过量子信道(例如图1中的信道1300)发射给量子通信的接收装置。通信模块2120可以包括各种合适的实现方式。例如，当采用量子通信的光学实现方案时，通信模块2120可以实现为对应的光学器件(例如透镜、光学调制器等)。通信模块2120可以与发射装置2100中的一个或多个其他部件耦接，从而向这些部件传送信息或接收来自这些部件的信息。通信模块2120用虚线绘出，因为它还可以位于控制模块2140内或者位于发射装置2100之外。

可选地，通信模块2120还可以用于通过第二信道(例如图1中的信道1400)接收和发送信息。在这种情况下，通信模块2120可以包括用于量子信道的第一通信子模块和用于第二信道的第二通信子模块。第二通信子模块的实现方式取决于第二信道的类型。当第二信道是使用光学实现方案的量子通信的量子信道时，第二通信子模块可以包括对应的光学器件。在这种情况下，第二通信子模块可以与第一通信子模块共享至少一部分光学器件。当第二信道是经典信道时，第二通信子模块可以包括对应的经典通信元件，例如天线器件、射频电路和/或基带处理电路等等。

需要注意的是，尽管这里描述了通信模块2120用于两个信道的示例实施例，但是用于第二信道的通信模块可以不是通信模块2120的一部分。用于第二信道的通信模块可以位于通信模块2120之外，或者进一步位于发射装置2100之外。

根据本公开的实施例，发射装置2100的编码模块2130可以用于对待发送的信息进行编码，以适于通过相应的信道进行传输。待发送的信息可以包括要经由量子信道发射的量子信息，编码模块2130可以用于生成经编码的量子信息。为此，编码模块2130可以包括各种量子线路。这些量子线路可以包括各种量子门。量子门可以借助计算机生成的全息图(CGH)来实现。当采用量子通信的光学实现方案时，编码模块2130可以包括对应的光学器件(例如分束器、半波片、光子谐振腔等)。编码模块2130可以与发射装置2100中的一个或多个其他部件耦接。例如，编码模块2130可以与控制模块2140耦接，并且可以在控制模块2140的控制下生成经编码的量子信息。编码模块2130可以被配置为根据一种或多种编码方案来对量子信息进行编码以生成经编码的量子信息。例如，编码模块2130可以被配置为根据多粒子高维编码方案来生成经编码的量子信息。多粒子高维编码方案将在后面进一步详细描述。编码模块2130用虚线绘出，因为它还可以位于控制模块2140内或者位于发射装置2100之外。

可选地，编码模块2130还可以用于对非量子信息进行编码/解码。例如，编码模块2130可以用于对经由附加的第二信道(例如图1的信道1400)传送的信息进行编码/解码。第二信道可以包括独立于上述量子信道的一个或多个信道。经由第二信道传送的信息可以包括例如后文将讨论的描述参考光束的属性的参数、量子信道的信道状态参数、量子通信的可靠性需求，等等。当第二信道是经典信道时，这些信息可以被编码为经典的比特信息以经由第二信道传输。

需要注意的是，尽管这里讨论了编码模块2130可以用于编码量子信息和非量子信息二者，但是，用于非量子信息的编码模块可以不是编码模块2130的一部分。例如，用于第二信道的编码模块可以位于编码模块2130之外，或者进一步位于发射装置2100之外。

根据本公开的实施例，发射装置2100还可以包括控制模块2140。控制模块2140可以呈现为完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式。例如，控制模块2140可以包括用于控制和实现以下所描述的功能的电气电路、光学部件和/或量子线路中的一者或多者。根据本公开的一些实施例，控制模块2140可以被实现为执行特定指令或计算机程序的芯片或者微处理器，从而控制其他功能模块执行本文所描述的具体操作。特定指令或计算机程序可以存储在计算机可读存储介质(例如存储器2110)上。

控制模块2140可以被配置为确定量子信道的信道状态参数、确定量子通信的可靠性需求、以及至少基于信道状态参数和可靠性需求来控制编码模块2130生成经编码的量子信息。可选地，控制模块2140可以包括用于实现以上功能和操作的相应子模块，例如信道状态参数确定模块2141、可靠性需求确定模块2142、和编码参数确定模块2143。控制模块2140的这些子模块在图2中被示出为虚线，意味着它们是可选的，并且因此可以被省略或者被组合。

根据本公开的实施例，发射装置2100可以通过量子信道(例如图1的信道1300)进行量子通信。存在一种类型的量子信道，其噪声特征例如会对量子信息的相位产生破坏，该类量子信道的一个示例是相位阻尼信道。对于此类量子信道，可以使用相位阻尼参数作为信道状态参数来对量子信道进行描述。为了便于描述，以下主要结合相位阻尼信道描述本公开的方案，但应当理解这些方案可以类似地适用于上述类型的量子信道。

根据本公开的实施例，控制模块2140中的信道状态参数确定模块2141可以用于确定量子信道的相位阻尼参数。为此，信道状态参数确定模块2141可以被配置为执行以下操作：向量子通信的接收装置发射参考光束；以及至少基于所发射的参考光束与在所述接收装置处接收到的参考光束的比较，确定相位阻尼参数。具体而言，可以至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定相位阻尼参数；其中，所发射的参考光束的属性可以包括强度、发射角度、发射时间中的一项或多项，并且接收到的参考光束的属性可以包括强度、接收角度、接收时间中的一项或多项。作为一种示例，信道状态参数确定模块2141可以被配置为通过比较所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定量子信道中光的折射系数以及量子信息与环境交互的时间度量，并且进一步基于折射系数以及量子信息与环境交互的时间度量来确定相位阻尼参数。后面关于图4A和图4B描述了确定相位阻尼参数的具体实施例的流程，在此不再进行详细描述。

在以上实施例中，为了确定量子信道的相位阻尼参数，信道状态参数确定模块2141可以被实现为至少部分地包括处理逻辑。该处理逻辑可以被配置为控制参考光束的生成和发射、控制对参考光束的测量以获得描述所发射的参考光束的各个参数、以及基于描述参考光束的属性的各个参数的比较来计算相位阻尼参数。用于实现参考光束生成、发射和测量的各种部件(例如，光发生器)可以作为信道状态参数确定模块2141的一部分，或者可以在信道状态参数确定模块2141之外并且受到该模块的控制而执行特定的操作。信道状态参数确定模块2141例如可以通过通信模块2120经由第二信道(例如图1中的信道1400)接收来自量子通信的接收装置的测量信息。如后文关于图4A-4B所描述的，该信息例如可以是描述由接收装置所接收到的参考光束的属性的参数，或者可以是由接收装置所确定的相位阻尼参数。

根据本公开的另一些实施例，信道状态参数确定模块2141可以不通过参考光束来确定量子信道的信道状态参数，而是可以由系统管理器(例如图1中的系统管理器1500)来指示信道状态参数。例如，系统管理器可以维护系统中的一个或多个发射装置中的每个发射装置与一个或多个接收装置中的每个接收装置之间的量子信道的信道状态参数表。在需要执行量子通信时，信道状态参数确定模块2141可以即时地向系统管理器发送获取信道状态参数的请求，该请求例如可以包括量子通信的发射装置和接收装置的标识。响应于该请求，系统管理器可以基于量子通信的发射装置和接收装置的标识将相应的量子信道的信道状态参数返回给信道状态参数确定模块2141。

由信道状态参数确定模块2141即时地确定信道状态参数可以是有利的。例如，如后面进一步描述的，所确定的信道状态参数可以用于确定量子编码方案的编码参数，使得发射装置2100可以根据当前量子信道的信道状态来定制量子编码方案，从而对于不同的量子信道使用不同的量子编码方案。需要注意的是，考虑到量子信道的变化特性，信道状态参数的确定可以是即时执行的，也可以是周期执行的。

根据本公开的实施例，可靠性需求确定模块2142可以被配置为确定确定量子通信的可靠性需求。根据本公开的实施例，可靠性需求可以包括描述量子通信的保真度性能的需求。保真度是用来衡量量子信息传输可靠性的核心指标。后文更详细地描述了保真度的定义，在此不详细展开描述。

根据本公开的一些实施例，可以使用量子通信的保真度、最小保真度、或者平均保真度中至少一项来描述可靠性需求，其中最小保真度描述在一个量子传输方案中最差的保真度，而平均保真度描述的是一个量子传输方案中所有可能的保真度情况的平均值。

根据本公开的实施例，可靠性需求确定模块2142可以基于以下各项中的至少一项来确定所述可靠性需求：发射装置的预配置、量子通信的接收装置的指示、量子通信的网络管理系统的指示、或者量子通信的业务类型。在一个实施例中，可靠性需求可以预先写入发射装置2100的存储器2110，并且被可靠性需求确定模块2142检索。在另一个实施例中，可靠性需求可以由量子通信的接收装置(例如图1中的接收装置1200)通过第二信道发送给可靠性需求确定模块2142。在又一个实施例中，可以由量子通信的网络管理系统(例如系统管理器1500)向可靠性需求确定模块2142指示可靠性需求。在还有的实施例中，可靠性需求确定模块2142可以基于量子通信的业务类型来确定可靠性需求。例如，可以为一般个人业务指派较低的保真度需求，为企业业务指派中等的保真度需求，并且为军用业务指派较高的保真度需求。通过这种方式，可以为不同类型的用户提供具有不同保真度性能的量子通信，提高量子通信的定制化程度。

由可靠性需求确定模块2142即时地确定可靠性需求可以是有利的。例如，如后面进一步描述的，所确定的可靠性需求可以用于确定量子编码方案的编码参数，使得发射装置2100可以根据当前量子通信的可靠性需求来定制量子编码方案，从而对于不同的可靠性需求使用不同的量子编码方案。因此，量子通信系统可以实现不同可靠性级别的业务，提升系统的灵活性。

根据本公开的实施例，由控制模块2140控制编码模块2130生成经编码的量子信息可以至少包括：由控制模块2140根据多粒子高维量子编码方案，控制编码模块2130使用多个高维粒子来表征经编码的量子信息。该过程可以包括构造高维量子态(例如，维度为d，d>2)以及使用由多个高维量子态(例如，所使用的粒子数为N，N≥2)构成的多粒子纠缠态来编码量子信息。与常规的单粒子量子编码和/或二维量子编码相比，多粒子高维量子编码方案具有更高的保真度性能。此外，多粒子高维量子编码方案具有可调节的编码参数(例如，用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量)，这允许发射装置2100根据可靠性需求和信道状态参数来定制所使用的编码方案，从而在保证量子通信的可靠性的同时提供编码的灵活性。关于多粒子高维量子编码方案的更多细节将在后面进一步描述。

根据本公开的实施例，在根据多粒子高维量子编码方案进行编码之前，需要确定编码参数。控制模块2140的编码参数确定模块2143可以被配置为至少基于信道状态参数和可靠性需求来确定多粒子高维量子编码方案的编码参数。编码参数确定模块2143可以从信道参数确定模块2141接收相位阻尼参数作为信道状态参数，从可靠性需求确定模块2142接收量子通信的可靠性需求。多粒子高维量子编码方案的编码参数至少可以包括用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量。

根据本公开的实施例，编码参数确定模块2143可以通过查表来确定多粒子高维量子编码方案的编码参数。例如，可以在发射装置2100的存储器2110中维护描述相位阻尼参数、可靠性需求与编码参数之间的映射关系的表。如后面进一步描述的，该表可以通过对多粒子高维量子编码模型的数值分析而得到。该表也可以替代地存储在编码参数确定模块2143能够访问的其他位置。编码参数确定模块2143可以使用接收到的相位阻尼参数和可靠性需求在该表中检索满足需求的编码参数。

对于特定的信道状态参数和可靠性需求，可能存在满足可靠性需求的多组候选编码参数。根据本公开的实施例，编码参数确定模块2143可以被配置为从满足可靠性需求的多组候选编码参数中，选择使得用于表征经编码的量子信息的高维量子的数量最小的一组编码参数。这是因为，多粒子高维量子编码方案的实现复杂度更多地取决于高维粒子的数量参数。通过优先地确定高维粒子的数量参数，可以在满足可靠性需求的同时尽可能地减小多粒子高维量子编码方案的实现复杂度。

根据本公开的实施例，在确定所使用的编码参数之后，编码参数确定模块2143可以向量子通信的接收装置通知所确定的编码参数。例如，可以通过第二信道将所确定的编码参数发送给量子通信的接收装置，使得接收装置能够基于该编码参数确定合适的解码方案。

根据本公开的实施例，可以使用量子轨道角动量(OAM)来实现高维粒子。具体而言，d维(d>2)的高维编码可以使用携带轨道角动量(OAM)状态的纠缠光子来实现。这是因为OAM表征的波函数具有无穷个解，因此光子的OAM可以有无穷个态。根据本公开的实施例，可以通过光子谐振腔来实现OAM编码，从而将携带二维量子信息的粒子(例如，光子)转换为携带高维量子信息的高维粒子。该光子谐振腔例如可以作为编码模块2130的一部分。后面将进一步详细描述该编码过程。

根据本公开的实施例，由编码模块2130根据多粒子高维编码方案编码的量子信息可以通过通信模块2120经由量子信道发射。对量子信息的发射的调度可以由发射装置2100和/或系统管理器(例如系统管理器1500)来预先确定。这种调度可以预先例如通过第二信道通知量子通信的接收装置，或者由系统管理器通知量子通信的接收装置。发射装置2100的通信模块2120可以被配置为根据预先确定的调度来执行经编码的量子信息的发射。

需要注意的是，尽管以上关于图2描述了用于量子通信的发射装置2100的各种部件，但是发射装置2100可以包括更多或更少的部件，或者这些部件当中的一个或多个部件可以被组合、被省略或者被划分为多个子部件。本领域技术人员将清楚的是，可以对图2所示的发射装置2100的结构和功能进行修改或变形，而不脱离本公开的范围。

接收装置

图3示出了根据本公开的实施例的用于量子通信的接收装置3200的示意性框图。接收装置3200可以实现为用于基站侧的装置以及用于用户侧的装置中的任何一种。如图所示，发射装置3200可以包括存储器3210、通信模块3220、解码模块3230和控制模块3240。

根据本公开的实施例，接收装置3200的存储器3210可以耦接到接收装置3200中的一个或多个其他部件，并且存储由这些部件产生的信息或者要用于这些部件的信息。例如，存储器3210可以存储控制模块3240产生的信息、通过通信单元3220接收或发送的信息，用于接收装置3200操作的程序、机器代码和数据等。存储器3210用虚线绘出，因为它还可以位于控制模块3240内或者位于接收装置3200之外。存储器3210可以是易失性存储器和/或非易失性存储器。例如，存储器3210可以包括但不限于随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)以及闪存存储器。

根据本公开的实施例，接收装置3200的通信模块3220可以用于与一个或多个外部设备进行信息的传输与接收。通信模块3220可以用于接收通过量子信道(例如图1中的信道1300)发射给接收装置3200的量子信息。通信模块3220可以包括各种合适的实现方式。例如，当采用量子通信的光学实现方案时，通信模块3220可以实现为对应的光学器件(例如透镜、光学调制器等)。通信模块3220可以与接收装置3200中的一个或多个其他部件耦接，从而向这些部件传送信息或接收来自这些部件的信息。通信模块3220用虚线绘出，因为它还可以位于控制模块3240内或者位于接收装置3200之外。

可选地，通信模块3220还可以用于通过第二信道(例如图1中的信道1400)接收和发送信息。在这种情况下，通信模块3220可以包括用于量子信道的第一通信子模块和用于第二信道的第二通信子模块。第二通信子模块的实现方式取决于第二信道的类型。当第二信道是使用光学实现方案的量子通信的量子信道时，第二通信子模块可以包括对应的光学器件。在这种情况下，第二通信子模块可以与第一通信子模块共享至少一部分光学器件。当第二信道是经典信道时，第二通信子模块可以包括对应的经典通信元件，例如天线器件、射频电路和/或基带处理电路等等。

需要注意的是，尽管这里描述了通信模块3220用于两个信道的示例实施例，但是用于第二信道的通信模块可以不是通信模块3220的一部分。用于第二信道的通信模块可以位于通信模块3220之外，或者进一步位于接收装置3200之外。

根据本公开的实施例，接收装置3200的解码模块3230可以用于对接收到的信息进行检测和解码，以恢复出原始的信息。接收到的信息可以包括经由量子信道发射的经编码的量子信息，解码模块3230可以用于对这些经编码的量子信息进行检测和解码。为此，解码模块3230可以包括各种量子线路。这些量子线路可以包括各种量子门。量子门可以借助计算机生成的全息图(CGH)来实现。当采用量子通信的光学实现方案时，解码模块3230可以包括对应的光学器件(例如分束器、半波片、光子谐振腔等)。解码模块3230可以与接收装置3200中的一个或多个其他部件耦接。例如，解码模块3230可以与控制模块3240耦接，并且可以在控制模块3240的控制下对接收到的经编码的量子信息进行检测和解码。解码模块3230可以被配置为根据一种或多种解码方案来对量子信息进行编码以检测和解码经编码的量子信息。例如，解码模块3230可以被配置为根据多粒子高维解码方案来解码经编码的量子信息。多粒子高维解码方案将在后面详细描述。解码模块3230用虚线绘出，因为它还可以位于控制模块3240内或者位于接收装置3200之外。

可选地，解码模块3230还可以用于对非量子信息进行编码/解码。例如，解码模块3230可以用于对经由附加的第二信道(例如图1的信道1400)传送的信息进行编码/解码。第二信道可以包括独立于上述量子信道的一个或多个信道。由第二信道传送的信息可以包括例如后文将讨论的描述参考光束的属性的参数、量子信道的信道状态参数、量子通信的可靠性需求，等等。当第二信道是经典信道时，这些信息可以被编码为经典的比特信息以经由第二信道传输。

需要注意的是，尽管这里讨论了解码模块3230可以用于解码量子信息和非量子信息二者，但是，用于非量子信息的解码模块可以不是解码模块3230的一部分。例如，用于第二信道的解码模块可以位于解码模块3230之外，或者进一步位于接收装置3200之外。

根据本公开的实施例，接收装置3200还可以包括控制模块3240。控制模块3240可以呈现为完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式。例如，控制模块3240可以包括用于控制和实现以下所描述的功能的电气电路、光学部件和/或量子线路中的一者或多者。根据本公开的一些实施例，控制模块3240可以被实现为执行特定指令或计算机程序的芯片或者微处理器，从而控制其他功能模块执行本文所描述的具体操作。特定指令或计算机程序可以存储在计算机可读存储介质(例如存储器3210)上。

控制模块3240可以被配置为确定量子信道的信道状态参数、控制以将信道状态参数发送给量子通信的发射装置、控制解码模块对从所述发射装置接收的经编码的量子信息进行检测和解码。可选地，控制模块3240可以包括用于实现以上功能和操作的相应子模块，例如信道状态参数确定模块3241和可靠性需求确定模块3242。信道状态参数确定模块3241和可靠性需求确定模块3242在图3中被示出为虚线，意味着它是可选的，并且因此可以被省略或者被组合。

根据本公开的实施例，接收装置3200可以通过其进行量子通信的量子信道(例如图1的信道1300)可以包括相位阻尼信道。对于相位阻尼信道，可以使用相位阻尼参数作为信道状态参数来对量子信道进行描述。

根据本公开的实施例，控制模块3240中的信道状态参数确定模块3241可以用于确定量子信道的相位阻尼参数。为此，信道状态参数确定模块3241可以被配置为执行以下操作：从量子通信的发射装置接收参考光束；至少基于所发射的参考光束与接收到的参考光束的比较，确定相位阻尼参数。具体而言，可以至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定相位阻尼参数；其中，所发射的参考光束的属性可以包括强度、发射角度、发射时间中的一项或多项，并且接收到的参考光束的属性可以包括强度、接收角度、接收时间中的一项或多项。作为一种示例，信道状态参数确定模块3241可以被配置为通过比较所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定量子信道中光的折射系数以及量子信息与环境交互的时间度量，并且进一步基于折射系数以及量子信息与环境交互的时间度量来确定相位阻尼参数。后面关于图4A和图4B描述了确定相位阻尼参数的具体实施例的流程，在此不再进行详细描述。

在以上实施例中，为了确定量子信道的相位阻尼参数，信道状态参数确定模块3241可以被实现为至少部分地包括处理逻辑。该处理逻辑可以被配置为控制参考光束的接收、控制对参考光束的测量以获得描述所接收的参考光束的各个参数、以及基于描述参考光束的属性的各个参数的比较来计算相位阻尼参数。用于实现参考光束接收和测量的各种部件可以作为信道状态参数确定模块3241的一部分，或者可以在信道状态参数确定模块3241之外并且受到该模块的控制而执行特定的操作。信道状态参数确定模块3241例如可以通过通信模块3220经由第二信道(例如图1中的信道1400)向发射装置发送测量信息。如后文关于图4A-4B所描述的，该信息例如可以是描述所接收到的参考光束的属性的参数，或者可以是所确定的相位阻尼参数。

如前所述，由信道状态参数确定模块3241即时地确定信道状态参数可以是有利的。例如，所确定的信道状态参数可以被量子通信的发射装置用于确定量子编码方案的编码参数，使得发射装置可以根据当前量子信道的信道状态来定制量子编码方案，从而对于不同的量子信道使用不同的量子编码方案。需要注意的是，考虑到量子信道的变化特性，信道状态参数的确定可以是即时执行的，也可以是周期执行的。

根据本公开的实施例，控制模块3240可以可选地包括可靠性需求确定模块3242，其被配置为确定量子通信的可靠性需求并向量子通信的发射装置指示该可靠性需求。根据本公开的实施例，可靠性需求可以包括量子通信的保真度、最小保真度、或者平均保真度中至少一项。可靠性需求确定模块3242例如可以根据业务类型和设备能力来确定可靠性需求，并经由第二信道将所确定的可靠性需求发送给量子通信的发射装置。可靠性需求确定模块3242在图3中用虚线绘出，意味着它是可选的。

由可靠性需求确定模块3142即时地确定可靠性需求可以是有利的。例如，所确定的可靠性需求可以被发送给量子通信的发射装置以用于确定量子编码方案的编码参数，使得发射装置可以根据当前量子通信的可靠性需求来定制量子编码方案，从而对于不同的可靠性需求使用不同的量子编码方案。因此，量子通信系统可以实现不同可靠性级别的业务，提升系统的灵活性。

根据本公开的实施例，接收装置3200所接收的经编码的量子信息可以是根据多粒子高维量子编码方案使用多个高维粒子来表征的量子信息。

根据本公开的实施例，为了对使用多个高维粒子来表征的量子信息进行检测和解码，控制模块3240可以被配置为接收描述多粒子高维量子编码方案的编码参数；以及至少基于该编码参数，控制解码模块3220对经编码的量子信息进行检测和解码。控制模块3240可以从量子通信的发射装置接收多粒子高维量子编码方案的编码参数，这些参数可以是基于信道状态参数以及量子通信的可靠性需求而确定的，并且可以至少包括用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量。

根据本公开的实施例，用以表征经编码的量子信息的高维粒子可以是使用量子轨道角动量OAM来实现的。

根据本公开的实施例，控制模块3240可以控制解码模块3220使用多粒子高维恢复算子

对接收到的经编码的量子信息进行检测和解码，其中，ρ表示接收到的经编码的量子信息。例如，对于使用N个d维粒子表征的量子信息，多粒子高维恢复算子

可以是N个d维恢复算子

的克劳内克积。后面将进一步描述多粒子高维恢复算子

根据本公开的实施例，对量子信息的接收的调度可以由发射装置和/或系统管理器(例如系统管理器1500)来预先确定。这种调度可以预先例如通过第二信道通知接收装置3200，或者由系统管理器通知接收装置3200。接收装置3200的通信模块3220可以被配置为根据预先确定的调度来执行经编码的量子信息的接收。

需要注意的是，尽管以上关于图3描述了用于量子通信的接收装置3200的各种部件，但是接收装置3200可以包括更多或更少的部件，或者这些部件当中的一个或多个部件可以被组合、被省略或者被划分为多个子部件。本领域技术人员将清楚的是，可以对图3所示的接收装置3200的结构和功能进行修改或变形，而不脱离本公开的范围。

确定量子信道的信道状态参数

图4A示出了根据本公开的实施例的用于确定量子信道的信道状态参数的信令流程图4000A。图4A所示出的发射装置4100A例如可以是以上描述的量子通信装置1100、2100中的任一者。接收装置4200A例如可以是以上描述的量子通信装置1200、3200中的任一者。发射装置4100A可以通过量子信道(例如，关于图1描述的量子信道1300)连接到接收装置4200A。此外，发射装置4100A与接收装置4200A之间还可以具有独立于该量子信道的第二信道(例如，关于图1描述的量子信道1400)，用于在发射装置4100A与接收装置4200A之间传送附加的信息。

在步骤S4001A中，发射装置4100A可以被配置为经由量子信道向接收装置4200A发射参考光束。所发射的参考光束可以具有特定的属性，这些属性可以包括强度、发射角度、发射时间等等。

在步骤S4002A中，发射装置4100A可以将描述所发射的参考光束的属性的一个或多个参数发送到接收装置4200A。这些参数例如可以通过发射装置4100A与接收装置4200A之间的第二信道发送。该第二信道例如可以是经典通信信道(例如，蜂窝通信信道)，或者是另一个量子信道。所发送的参数可以描述在发射装置4100A处被发射时参考光束的强度、发射角度、发射时间中的全部或其中一些。例如，参考光束可以以收发双方可知晓的预定的强度和/或发射角度被发射，这使得不必发送描述其强度和发射角度的参数。

参考光束在经由量子信道传播时，会受到来自环境因素的干扰，并因此遭受一定的损失。例如，量子信道可以是相位阻尼信道。因此，参考光束在经由相位阻尼信道抵达接收装置4200A时，其属性将发生变化。可以基于在发射装置4100A处发射的参考光束与在接收装置4200A处接收到的参考光束的比较，来确定量子信道的信道状态参数。

在步骤S4003A中，接收装置4200A可以确定所接收到的参考光束的属性。例如，接收装置4200A可以通过测量来确定所接收到的参考光束的强度、接收角度、接收时间等等。

在步骤S4004A中，接收装置4200A可以至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性的比较来确定信道状态参数。如前所述，描述所发射的参考光束的属性的参数中的一个或多个可以在步骤S4002中由接收装置4200A从发射装置4100A接收，而描述接收到的参考光束的属性的参数可以由接收装置4200A在步骤S4003A中确定。

根据本公开的实施例，描述信道状态的信道状态参数可以是相位阻尼信道的相位阻尼参数η。相位阻尼参数η例如可以根据下式来确定：

η＝1-cos²(χΔt)

其中，χ表示量子信道中的传播介质的电磁化率，其是依赖于传播介质的种类的常数，可以根据传播介质进行查询来得到χ的值；Δt表示量子信息与环境交互的时间度量。根据本公开的实施例，时间度量Δt可以通过下式来确定：

Δt＝(n-n₀)L/c

其中，n表示量子信道中光的折射系数；n₀表示真空折射率，其是一个已知的常数；c表示真空光速，其也是一个已知的常数；L表示参考光束传播的距离。

根据本公开的实施例，量子信道中光的折射系数n可以是预先知晓的。根据本公开的另一些实施例，n的值可以通过下式来确定：

n＝sini/sino

其中，i表示参考光束的发射角度；o表示参考光束的接收角度。

根据本公开的实施例，L的值可以是预先知晓的。根据本公开的另一些实施例，L的值可以通过下式来确定：

L＝ct₀/n

其中，c表示真空光速；t₀表示参考光束的接收时间与发射时间之间的差；n表示量子信道中光的折射系数。

照此，根据本公开的实施例，为了确定相位阻尼参数η，接收装置4200A可以确定量子信道中光的折射系数n，并且进一步基于该折射系数n以及量子信息与环境交互的时间度量Δt来确定相位阻尼参数η。

在步骤S4005A中，接收装置4200A可以将所确定的相位阻尼参数发送给发射装置4100A。该参数例如可以通过发射装置4100A与接收装置4200A之间的第二信道发送，该信道独立于当前所测量的量子信道。

图4B示出了根据本公开的另一实施例的用于确定量子信道的信道状态参数的信令流程图4000B。图4B所示出的发射装置4100B例如可以是以上描述的量子通信装置1100、2100中的任一者。接收装置4200B例如可以是以上描述的量子通信装置1200、3200中的任一者。发射装置4100B可以通过量子信道(例如，关于图1描述的量子信道1300)连接到接收装置4200B。此外，发射装置4100B与接收装置4200B之间还可以具有独立于该量子信道的第二信道(例如，关于图1描述的量子信道1400)，用于在发射装置4100B与接收装置4200B之间传送附加的信息。

在步骤S4001B中，发射装置4100B可以向接收装置4200B发射参考光束。这与步骤S4001A是类似的。

在步骤S4002B中，接收装置4200B可以确定所接收到的参考光束的属性。例如，接收装置4200B可以通过测量来确定所接收到的参考光束的强度、接收角度、接收时间等等。这与图4A中的步骤S4003A是类似的。

在步骤S4003B中，接收装置4200B可以将描述所接收到的参考光束的属性的参数发送给发射装置4100B。

在步骤S4004B中，发射装置可以至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性的比较，确定相位阻尼参数。该确定步骤与步骤S4004中由接收装置4200A执行的确定步骤可以是类似的。

可以看出，与图4A所示的实施例相比，图4B所示的实施例的不同之处在于：发射装置4100B不将与所发射的参考光束的属性有关的参数发送给接收装置4200B，而是可以保留在本地以用于步骤S4004B中的比较；接收装置4200B不是在本地确定信道状态参数，而是将描述所接收到的参考光束的属性的参数返回给发射装置4100B；并且，由发射装置4100B而不是接收装置4200B来执行比较以确定相位阻尼参数，从而避免了接收装置4200B将相位阻尼参数发送给发射装置4100B。图4B所示的实施例可以减轻接收装置4200B的负担和复杂度。对于接收装置4200B为用户设备的情景，这可以是有利的，因为用户设备常常在成本和复杂度方面是受限的。

图4A-4B所示的过程允许实时地确定量子信道的信道状态参数，从而使得能够基于该信道状态参数来定制用于量子通信的量子传输方案。

尽管这里关于图4A-4B描述了确定量子信道的信道状态参数的具体信令流程，但是本领域技术人员将理解的是，本发明的范围不限于所公开的具体步骤，而是可以覆盖其各种修改和变型。在不脱离本公开的范围的情况下，这些具体步骤中的一个或多个步骤可以被省略、可以包括多个子步骤、可以顺序执行、可以改变顺序、或者可以并行执行。

基于信道状态参数和可靠性需求来定制量子传输方案

图5示出了根据本公开的实施例的用于基于信道状态参数和可靠性需求来定制量子传输方案的信令流程图5000。图5所示出的发射装置5100例如可以是以上描述的量子通信装置1100、2100、4100A、4100B中的任一者。接收装置5200例如可以是以上描述的量子通信装置1200、3200、4200A、4200B中的任一者。发射装置5100可以通过量子信道(例如，关于图1描述的量子信道1300)连接到接收装置5200。此外，发射装置5100与接收装置5200之间还可以具有独立于该量子信道的第二信道(例如，关于图1描述的量子信道1400)，用于在发射装置5100与接收装置5200之间传送附加的信息。

在步骤S5001中，发射装置5100可以确定量子信道的信道状态参数以及确定量子通信的可靠性需求。

根据本公开的实施例，可以通过发射装置5100的信道状态参数确定模块2141来确定量子信道的信道状态参数。在一些实施例中，可以通过图4A-4B所描述的过程来确定量子信道的相位阻尼参数，作为描述量子信道的信道状态参数。在另一些实施例中，可以由系统管理器(例如图1中的系统管理器1500)向发射装置5100指示信道状态参数。

根据本公开的实施例，量子通信的可靠性需求可以包括描述量子通信的保真度、最小保真度、或者平均保真度中至少一项，其中最小保真度描述在一个量子传输方案中最差的保真度，而平均保真度描述的是一个量子传输方案中所有可能的保真度情况的平均值。

根据本公开的实施例，发射装置5100可以(例如通过可靠性需求确定模块2142)基于以下各项中的至少一项来确定所述可靠性需求：发射装置5100中的预配置、接收装置5200的指示、量子通信的网络管理系统(例如系统管理器1500)的指示、或者量子通信的业务类型。

在步骤S5002中，发射装置5100可以(例如，通过编码参数确定模块2143)至少基于相位阻尼参数和可靠性需求，确定多粒子高维量子编码方案的编码参数。多粒子高维量子编码方案可以使用多个高维粒子来表征经编码的量子信息。该方案所使用的编码参数至少包括用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量。可以基于相位阻尼参数和可靠性需求来确定该维度以及数量。

根据本公开的实施例，可以通过查表的方式来确定多粒子高维量子编码方案的编码参数。例如，可以在发射装置5100的存储器中维护描述相位阻尼参数、可靠性需求与编码参数之间的映射关系的表。替代地，该表也可以存储在发射装置5100能够访问的其他位置。发射装置5100可以在步骤S5002中使用当前的相位阻尼参数和可靠性需求在该表中检索满足需求的编码参数。

根据本公开的实施例，当存在满足可靠性需求的多组候选编码参数时，发射装置5100可以从这多组候选编码参数中选择使得用于表征经编码的量子信息的高维量子的数量最小的一组编码参数。

在步骤S5003中，发射装置5100可以将所确定的编码参数发送给接收装置5200，从而允许接收装置5200能够相应地基于编码参数来对经编码的量子信息进行检测和解码。编码参数可以例如通过发射装置5100与接收装置5200之间的第二信道来发送。

在步骤S5004中，发射装置5100可以根据多粒子高维量子编码方案，使用多个高维粒子来表征经编码的量子信息。该过程可以使用步骤S5003中所确定的编码参数，并且可以例如由发射装置5100的控制模块(例如2140)控制编码模块(例如2130)来实现。多粒子高维量子编码方案的具体实施例在后面进一步详细描述。

在步骤S5005中，发射装置5100可以发射根据多粒子高维量子编码方案编码的量子信息。该量子信息例如可以被调制成以光的形式，并传播通过发射装置5100与接收装置5200之间的量子信道。

在步骤S5006中，接收装置5200可以基于在步骤S5003中接收的编码参数，对接收到的量子信息进行检测和解码，以恢复出原始信息。解码方案的具体实施例在后面进一步详细描述。

尽管这里关于图5描述了基于信道状态参数和可靠性需求来定制量子传输方案的具体信令流程，但是本领域技术人员将理解的是，本发明的范围不限于所公开的具体步骤，而是可以覆盖其各种修改和变型。在不脱离本公开的范围的情况下，这些具体步骤中的一个或多个步骤可以被省略、可以包括多个子步骤、可以顺序执行、可以改变顺序、或者可以并行执行。

示例性方法

图6示出了根据本公开的实施例的用于量子通信的示例性方法6000的流程图。如图6所示，方法6000可以包括确定量子信道的信道状态参数(框6001)和确定量子通信的可靠性需求(框6002)。方法6000还可以包括至少基于所述信道状态参数和所述可靠性需求，生成经编码的量子信息(框6003)。方法6000例如可以由用于量子通信的发射装置(1100、2100、4100A、4100B、5100中的任一者)来执行。该方法6000的详细示例操作可以参考上文关于发射装置1100、2100、4100A、4100B、5100中的任一者的操作和功能的描述，简单描述如下。

根据本公开的实施例，在方法6000中，信道状态参数至少包括量子信道的相位阻尼参数。确定量子信道的相位阻尼参数至少包括：向量子通信的接收装置发射参考光束；以及至少基于所发射的参考光束与在所述接收装置处接收到的参考光束的比较，确定相位阻尼参数。

根据本公开的实施例，在方法6000中，基于比较来确定相位阻尼参数至少包括：至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定相位阻尼参数；其中，所发射的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、发射角度、发射时间；其中，接收到的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、接收角度、接收时间。

根据本公开的实施例，在方法6000中，基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定所述相位阻尼参数至少包括：确定量子信道中光的折射系数n；基于所述折射系数n以及量子信息与环境交互的时间度量Δt来确定相位阻尼参数η。

根据本公开的实施例，在方法6000中，可靠性需求包括以下各项中的至少一项：量子通信的保真度、最小保真度、或者平均保真度。可以基于以下各项中的至少一项来确定所述可靠性需求：量子通信装置中的预配置；量子通信的接收装置的指示；量子通信的网络管理系统的指示；或者量子通信的业务类型。

根据本公开的实施例，在方法6000中，生成经编码的量子信息包括：使用多个高维粒子来表征经编码的量子信息；其中，用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量是至少基于信道状态参数和可靠性需求来确定的。

根据本公开的实施例，方法6000还可以包括通过查表来确定编码参数。

根据本公开的实施例，在方法6000还可以包括从满足所述可靠性需求的多组候选编码参数中，选择使得用于表征经编码的量子信息的高维量子的数量最小的一组编码参数。

根据本公开的实施例，方法6000还可以包括向经编码的量子通信的接收装置通知所确定的编码参数。

根据本公开的实施例，方法6000还可以包括使用量子轨道角动量OAM来实现高维粒子。

图7示出了根据本公开的实施例的用于量子通信的示例性方法7000的流程图。如图7所示，方法7000可以包括确定量子信道的信道状态参数(框7001)和将信道状态参数发送给量子通信的发射装置(框7002)。方法7000还可以包括从发射装置接收经编码的量子信息(框7003)以及对经编码的量子信息进行检测和解码(框7004)。方法7000例如可以由用于量子通信的接收装置(1200、3200、4200A、4200B、5200中的任一者)来执行。该方法7000的详细示例操作可以参考上文关于接收装置1200、3200、4200A、4200B、5200中的任一者的操作和功能的描述，简单描述如下。

根据本公开的实施例，在方法7000中，信道状态参数至少包括量子信道的相位阻尼参数，确定所述量子信道的相位阻尼参数至少包括：从量子通信的发射装置接收参考光束；至少基于发射装置所发射的参考光束与在接收装置处接收到的参考光束的比较，确定相位阻尼参数。

根据本公开的实施例，在方法7000中，基于比较来确定相位阻尼参数至少包括：至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定所述相位阻尼参数；其中，所发射的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、发射角度、发射时间；其中，接收到的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、接收角度、接收时间。

根据本公开的实施例，在方法7000中，基于比较来确定相位阻尼参数至少包括：确定量子信道中光的折射系数n；基于所述折射系数n以及量子信息与环境交互的时间度量Δt来确定相位阻尼参数η。

根据本公开的实施例，方法7000还包括将量子通信的可靠性需求发送给发射装置，可靠性需求包括以下各项中的至少一项：量子通信的保真度、最小保真度、或者平均保真度。

根据本公开的实施例，在方法7000中，所接收的经编码的量子信息是根据多粒子高维量子编码方案使用多个高维粒子来表征的量子信息。

根据本公开的实施例，方法7000还包括：接收描述多粒子高维量子编码方案的编码参数；以及至少基于该编码参数，对经编码的量子信息进行检测和解码。

根据本公开的实施例，在方法7000中，编码参数是至少基于信道状态参数以及量子通信的可靠性需求而确定的。

根据本公开的实施例，在方法7000中，编码参数至少包括用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量。

根据本公开的实施例，在方法7000中，高维粒子是使用量子轨道角动量OAM来实现的。

尽管这里关于图6和图7描述了用于量子通信的示例性方法，但是本领域技术人员将理解的是，本发明的范围不限于所公开的具体步骤，而是可以覆盖其各种修改和变型。在不脱离本公开的范围的情况下，这些具体步骤中的一个或多个步骤可以被省略、可以包括多个子步骤、可以顺序执行、可以改变顺序、或者可以并行执行。

多粒子高维量子编码与解码

为了清楚的目的，这里首先简单介绍一般的量子通信系统模型，然后描述量子通信中的错误类型及数学描述以及经典量子编码的解码过程。随后，给出了评估量子通信的可靠性的性能指标，并且描述了相位阻尼信道的基本数学模型。在介绍量子通信系统的基本背景知识后，介绍了量子信息处理的通用性能评估指标。接下来，本文给出根据本公开的多粒子高维量子编码方案以及相应的解码方案的示例实施例。

A.一般的量子通信系统模型

经典信息学中使用bit(比特)作为基本的信息存储单位。而在量子信息科学中，现有的量子通信系统一般使用qubit(又称为量子比特)作为基本的信息存储单位。qubit具有两个基态|0>和|1>。对于一个qubit，其量子态

可以表示为两个基态的叠加：

其中α和β表示概率幅，并且满足α²+β²＝1。一旦对该量子态进行物理学的观测，则

将会在极短的时间内坍缩为其中某一个基态。为了更好地传输量子信息，初始的量子信息会进行量子编码。假设使用一个三位的重复码(repetition code)，经过编码后的量子态

可以被表示为：

经过编码的量子信息之后将会通过量子信道(例如，相位阻尼信道)发射给接收端。接收端的接收装置可以使用恢复算子(recovery operator)对量子信息解码，从而得到原始的量子信息。由于在解码过程中，不会直接对量子态进行观测，因此

不会坍缩。

B.量子编码的错误类型与解码步骤

量子信息传输中的错误可以分为比特翻转(bit flip)和相位翻转(phase flip)。比特翻转可以用泡利算子X来表征，其作用是将一个qubit的量子态从|0>翻转为|1>，或者反向操作。因此，比特翻转可以表示为

对于相位翻转，其可以翻转|1>态的相位。相位翻转的数学表达式如下：

其中Z是泡利算子。

如果是三位的重复码，量子信道可能发生的错误可以表示为一个群{XXX,XXZ,…,ZZX,ZZZ}，其中群中每个元素都是一个可能的错误类型，且每位的泡利算子只能作用于对应量子编码位上。假设在量子重复码的传输中仅发生比特翻转错误，比特翻转错误可能在量子重复码的任何量子位处。在接收装置处，可以应用错误检测或校正子检测操作来确定接收到的量子信息上是否发生了错误以及发生了何种错误。检测的实现可以通过对接收到的量子信息应用量子投影算子(projection operator)来实现，其具体步骤如下：

假设第一位上发生了一次比特翻转，那么接收到的量子态将会是α|100>+β|011>。注意到

因此，使用投影算子P₁，观测结果将一定是1。

当该类型的错误被检测到时，对应的恢复算子将会作用于接收到的量子态。例如，上面例子中第一位发生了比特翻转，那么恢复算子即为对第一位qubit使用X算子即可。因此，一般的量子信息在传输过程中的错误能够被检测以及改正。

C.评估量子通信的可靠性的性能指标

虽然评估量子通信的可靠性的性能指标有很多种，但是最核心的性能指标是保真度(fidelity)性能。假设ρ和σ分别是量子通信系统的输入量子与输出量子态，那ρ和σ之间的保真度F(ρ,σ)可以被定义为

保真度的取值区间是[0,1]，该值越高表明输入量子与输出量子态的相似度越高。对于量子通信来说，最小保真度(minimum fidelity)和平均保真度(average fidelity)是两个最常使用的性能指标，其中最小保真度描述在一个传输方案中最差的保真度，而平均保真度描述的是一个传输方案中所有可能的保真度情况的平均值。

D.相位阻尼信道

当量子信息经由量子信道传输时，由于量子信道不是一个封闭的系统，所以所发射的量子信息会受到环境中噪声的影响。量子信息与噪声之间的作用可以被视为一个开放的量子系统中，量子信息主系统与环境系统之间发生的交互影响。相位阻尼信道是一类非常重要的量子信道，其噪声特征是会对量子信息的相位产生破坏。相位阻尼信道可以被表示为：

其中ρ是相位阻尼信道的输入量子态，而ε(ρ)是经由相位阻尼信道接收到的输出量子态。上式中Ε₀和Ε₁是相位阻尼信道的算子元素，其表达式如下：

其中η是相位阻尼信道的信道状态参数，又称为相位阻尼参数。η的取值区间为[0,1]，越大的值表示越严重的噪声干扰。

以上内容介绍了一般的量子通信系统模型，描述了量子通信的错误类型及数学描述以及经典量子编码的解码过程。此外，还给出了量子通信的可靠性的性能指标，以及相位阻尼信道的基本模型。在此基础上，本文给出根据本公开的多粒子高维量子编码方案以及相应的解码方案的示例实施例。

E.高维量子编码

一般的量子通信系统采用的量子只有0、1两个基态，并且使用基于这两个基态的qubit来编码量子信息。由qubit表征的量子信息是低维(二维)的，该量子信息在通过量子信道时具有较低的可靠性，因此不适于对可靠性需求较高的业务。

为了提高量子通信的可靠性，根据本公开的实施例，可以将二维的qubit扩展为更高维的量子单位。使用参数d来表示该高维的量子单位的维度，这种量子单位因此可以被称为qudit。与使用qubit相比，使用qudit表征的量子信息在通过量子信道时可以具有更高的可靠性(例如，具有更高的保真度)。

根据本公开的一个实施例，可以使用携带轨道角动量(OAM)的光子来表征qudit，这是因为OAM可以有无穷个解，因此它可以表示无穷多个量子态。具体而言，量子OAM可以用算子

来表示，其中

每个元素的数学表达式为：

因此，

可以表示为一个量子算符：

其中，

是普朗克常数。可以通过求解关于

的以下波动方程而求得

的特征值

其中，Φ_m(φ)是用来描述量子状态的波函数，而m是对应的量子态，其值为非负整数值。根据该公式的求解，OAM的波函数可以有无穷多个解，即可以运用OAM来表征任意维度的量子态。基于OAM的这种特性，可以使用OAM来表征d维量子态qudit，携带表征qudit的OAM的光子可以被称为高维粒子或者高维光子。d维的高维粒子可以具有基态集合

该高维粒子可以被认为是处于基态集合

中的多个基态的叠加态中的单个粒子。

对于高维量子编码的信息，其错误类型可以分为由广义泡利算子表征的比特翻转和相位翻转。例如，对于d维的高维粒子，比特翻转可以由下式表示：

其中，X是表征比特翻转的泡利算子；|j>是基态集合

中的一个基态；算符

表示量子态的模运算，其满足

对于d维的高维粒子，相位翻转可以由下式表示：

Z|j>＝ω^j|j>

其中，Z是表征相位翻转的泡利算子；|j>是基态集合

中的一个基态；ω＝ei2π/d。

因此，对于高维量子编码的信息，在量子传输过程中的错误可以被表示为如下的幺正变换：

X^aZ^b,a,b ∈{0,1,…,d-1}

对于任意量子态

可以得到：

Z²(α|0>+β|1>)＝α|0>+β|1>

上式表明，Z²是这个高维量子系统的校验子。此外，对于上面描述的广义泡利算子X，也有类似的关系。可以定义一个d×d的傅里叶矩阵H，其中的每位元素被定义为：

其中

那么，X算子的特征值为(

为下式定义的量子态)：

对于高维编码后的量子信息，相位阻尼信道的表达式可以被表示为

其中：

是组合数，ρ表示进入量子信道前的输入量子态，ε(ρ)表示量子信道的输出量子态，而E_m是高维信息中相位阻尼信道的算子元素。

F.多粒子高维量子编码

尽管使用qudit表征的量子信息可以提高量子通信的可靠性，但是这种可靠性的提升是有限的。根据本公开的实施例，为了进一步提高量子通信的可靠性，可以使用多粒子高维量子编码方案。与单粒子编码方案不同，多粒子高维量子编码方案可以使用多个(例如N个，N≥2)高维粒子(例如，表征qubit的高维光子)来对量子信息进行编码，其中这多个高维粒子被纠缠作为一个整体，而不是简单的重复码。如后文通过图9A和图9B验证的，这种方式能够进一步提高量子通信的保真度。而且，除了所使用的高维粒子的维度参数d以外，多粒子高维量子编码方案还引入了高维粒子的数量参数N，这进一步提高了编码的灵活性，从而允许实现进一步定制化的量子编码。

接下来给出多粒子高维量子编码方案的具体实施例。需要注意的是，以下给出的实施例仅仅是示例性的，而不在于将本公开的范围限制到所公开的具体实施例。本领域技术人员将清楚的是，可以进行各种修改和变形而不脱离本公开的范围。

根据本公开的实施例，对于d维的高维粒子，可以构造如下的d维量子态

和

其中，d是表示高维粒子的维度参数，|j>表示与d维的高维粒子对应的基态集合

中的基态。根据本公开的优选的实施例，d可以被选择为d＝4k+2(k为自然数)。

根据本公开的实施例，多粒子高维量子编码方案可以将二维的量子态|0>和|1>分别编码为多粒子高维量子态，该编码规则可以被表示如下：

其中，N表示纠缠的高维粒子的数量，N≥2，N是独立于d的编码参数。

对于被表征为|ρ>＝cos(θ/2)|0>+e^iφsin(θ/2)|1>的任意一个二维量子态|ρ>(其中，cos(θ/2)和e^iφsin(θ/2)分别表示相应基态的概率幅)，多粒子高维量子编码方案可以将量子态|ρ>编码为：

作为一个示例，图8示出了根据本公开的实施例的用于实现多粒子编码的量子线路8000的示意图，其中粒子的数量参数N＝3。如图8所示，部件8001可以表示用在高维量子编码中的广义Hadamard门。

可以表示待编码的量子态。待编码的量子态

经过图8所示的量子线路，将可以得到

这样一个三位纠缠态。

G.多粒子高维量子解码

根据本公开的实施例，对于使用多粒子高维量子编码方案编码的量子信息，相位错误Z^±1可以被X²进行检测，这是因为有如下性质

对于单个高维粒子，高维恢复算子

可以表示为：

其中ρ表示恢复算子的输入，并且

被定义为

对于使用N个高维粒子的多粒子高维量子编码方案，其相应的多粒子高维恢复算子

可以是多个高维恢复算子

的克劳内克积，

可以被表示为：

其中

表示克劳内克积，在物理上则是表示不同量子的纠缠态。上式表示的是N个纠缠的qudit的恢复算子。因此，可以运用上面的多粒子高维恢复算子将接收到的经编码的量子信息恢复为原始信息。

H.多粒子高维量子编码方案的保真度

首先，本文给出一个示例说明多粒子高维量子编码的最小保真度性能要优于比单粒子高维量子编码的性能。在该示例中，N＝3，3粒子高维量子(qudit)的编码规则如下：

对于该情形，每位qudit将会以p的概率产生相位错误，而p与相位阻尼信道的系数有关系。假设一个任意输入量子态

经过了该编码得到了输出量子态ε，那么输入量子态与输出量子态之间的保真度F计算如下：

其中，输出量子态ε如下

上式中省略的部分是错误算子对超过一个qudit起作用的部分。因此最小保真度如下：

可以看到，如果p＜0.5，那么3粒子高维量子编码方案的最小保真度性能要优于单粒子高维量子编码方案。

下面进一步对平均保真度进行讨论。对于任意量子态ρ：

其经过N粒子高维量子编码后的量子态可以表示为N个量子态ρ的克劳内克积，即：

而对于单粒子高维量子态，接收到的量子态ρ_o可以由密度矩阵来表示为:

其中:

f(η,l-m)＝η^(l-m)2

相应的接收到的多粒子高维量子态为N个ρ_o的克劳内克积，表示为：

之后，用恢复算子对接收到的量子态进行解码，从而获得解码后的量子态:

量子传输中发送量子态与接收的量子态之间的保真度如下

因此，平均保真度性F_rec将通过计算所有参数θ和φ情形下保真度而得到

图9A和图9B分别示出了根据本公开的实施例的多粒子高维量子编码方案的平均保真度曲线。在图9A-9B中，纵坐标表示保真度的值，横坐标表示量子信道的相位阻尼参数λ，λ是前面所述的相位阻尼参数η的变体，并且满足

图9A-9B中的各个平均保真度曲线例如是根据以上推导基于数值分析而得到的。

在图9A所示的各种编码方案中，数量参数N＝1，并且曲线9001A、9002A、9003A、9004A分别表示维度参数d＝1、6、18、30的编码方案下的平均保真度曲线。可以看到，增加单个高维粒子的维度(即，增加维度参数d)能够提高量子通信的保真度。

在图9B所示的各种编码方案中，曲线9001B对应于N＝1并且未使用高维qudit的传统重复码方案、曲线9002B对应于N＝1并且使用d＝6的多粒子高维量子编码方案、曲线9003B对应于N＝3并且未使用高维qudit的传统重复码方案、曲线9004B对应于N＝3并且d＝6的多粒子高维量子编码方案，曲线9005B对应于N＝5并且未使用高维qudit的传统重复码方案、曲线9006B对应于N＝5并且使用d＝6的多粒子高维量子编码方案。与图9A类似，图9B也示出了使用高维量子编码方案相对于使用传统重复码方案的保真度增益(例如，曲线9001B与9002B比较、曲线9003B与9004B比较、曲线9005B与9006B比较)。此外，通过比较图9B中的曲线(例如，曲线9002B、9004B、9006B)可知，增加用于编码的高维粒子的数量(即，数量参数N)也能够提高量子通信的保真度。

图9A-9B的数值分析表明，通过调节多粒子高维量子编码方案的编码参数(维度参数d和数量参数N)，可以取得具有不同保真度性能的编码方案。可以将这些参数、信道状态参数与保真度性能之间的映射关系存储在量子通信的发射装置(例如，发射装置1100、2100、4100A、4100B、5100)的表中。下面的表格1示出了这种表格的一个具体示例，其中λ表示相位阻尼参数；并且(d,N)表示一组编码参数，其中d表示维度参数并且N表示数量参数。表格中的数值表示在相应的相位阻尼参数和编码参数下多粒子高维编码方案能够实现的平均保真度。表格1中的映射关系例如可以是通过类似图9A和图9B的数值分析而得到的。量子通信的发射装置可以使用相位阻尼参数和可靠性需求在该表中检索满足需求的编码参数，从而实现定制化的多粒子高维量子编码方案。此外，物理上实现多粒子高维量子编码的复杂度与N和d二者有关，因此可以选择满足可靠性需求的最小N和d，以使得系统实现复杂度最低。进一步地，数量参数N的优先级可以高于维度参数d(即，可以优先选择具有最小的N的一组编码参数)，这是因为数量参数N更多地影响系统实现复杂度。

表格1针对编码参数、信道状态参数、保真度性能的查找表

I.改进的量子通信系统模型

图10示出了根据本公开的实施例的改进的量子通信系统模型的示意性框图。

如图10所示，在发射装置侧，任意二维量子态qubit(例如α|0>+β|1>)可以首先经过高维量子编码而被编码为高维粒子qudit(例如

该编码过程例如可以是OAM编码。OAM编码例如可以通过光子的谐振腔来实现，从而将携带普通量子信息的光子进行谐振腔的光学模式变换而转换成高维量子信息。高维粒子qudit(例如

然后可以通过多粒子编码被编码为多粒子高维量子态(例如

这里采用的编码参数N＝3。例如可以使用关于图8描述的量子线路来实现多粒子编码。可以通过发射装置的编码模块(例如，图2的编码模块2130)来执行高维量子编码和多粒子编码。编码过程中的编码参数例如可以根据量子信道的信道状态参数以及量子通信的可靠性需求来选择，如前所述。经编码的多粒子高维量子信息可以被调制在光束上，并且然后经由量子信道被发射给接收装置。需要注意的是，发射装置侧的操作还可以可选地包括二维粒子编码，该操作例如可以将经典的比特信息编码为二维量子态qubit。该操作在图10中用虚线框绘出，表示它是可选的，并且也可以可选地由发射装置的编码模块来实现。

在接收装置侧，可以对接收到的经编码的量子信息进行检测和解码。接收装置首先对接收到的光子进行检测，以提取出期望的光子。这个过程可以通过各种光学器件(例如透镜)来实现。通过检测而获得的光子为多粒子高维量子态(例如

)。然后，该多粒子高维量子态(例如

)可以被解码，从而得到二维量子态qubit(例如α|0>+β|1>)。用于进行解码的参数可以基于从发射装置接收到的编码参数。解码的方法例如是对接收到的光子执行恢复算子(例如前面所述的多粒子高维恢复算子)，其物理实现可以是让光子先通过特定的量子门，再通过一个谐振腔降维。可选地，二维量子态qubit(α|0>+β|1>)可以被进一步解码以得到原始的比特信息。这些检测和解码操作中的一些或全部可以由接收装置的解码模块(例如，图2的解码模块3230)执行。

根据本公开的实施例的量子通信系统模型的一个或多个操作可以通过广义量子门在物理上实现。对于qudit编码，广义泡利算子11000A和11000B的实现可以如图11所示。广义量子门的实现可以通过集成光学借助计算机生成的全息图(CGH)的方式实现。作为示例，图12示出了基于OAM的针对单个qudit的广义量子门12000的示例性实现方式。在图12中，左侧输入为一个量子态，输出则为经过该广义量子门的量子态。在OAM解复用部分，对于D维的单个qudit通过设定装置中电光调制器(E/O MOD)，可以实现所需的量子门操作。

根据本公开的实施例，提出了一个保证量子通信的可靠性的量子信息传输方案。具体而言，本文首先设计了一个新的多粒子高维量子编码方案。数值分析表明，通过增加编码维度和编码长度，多粒子高维量子编码方案能够获得相较于传统量子编码方案更好的保真度性能。此外，通过基于信道状态参数和可靠性需求来选择多粒子高维量子编码方案的编码参数，可以实现定制化的编码方案，使得能够在满足特定的可靠性需求的情况下达到最小的实现复杂度。

需要注意的是，尽管以上实施例主要是针对量子通信的光学实现方案来描述的，然而本领域技术人员将清楚的是，本文所描述的原理和思想也可以用于量子通信的其他实现方案，例如，量子编码与量子信息传输也可以通过利用原子核状态的离子阱(ion trap)的方式进行实现。离子阱的原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力来牵制带电粒子的运动，以达到将其局限在某个小范围内的目的。对于这种情况，相位阻尼信道可以建模为，携带量子信息的离子阱内的粒子由于受到电磁场噪声的影响，会存在让量子态产生θ角旋转的算子R_θ对量子信息造成影响。测量中，通过测定电磁场的角度算子θ可以测量出角度方差为2η。η即是相位阻尼信道的相位阻尼参数。同时，离子阱的量子也可以制备高维量子qudit，从而实现本文的多粒子高维编码方案。

本公开的各方面可以呈现完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，所有前述的各项在本文中都可以一般性地称为“电路”、“模块”或“系统”。可以使用一个或多个计算机可读存储介质的任何组合。计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。

计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统、装置或设备，或前述的各项的任何适当的组合。计算机可读存储介质的更具体的实例(非穷举列表)将包括以下内容：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备或前述的各项的任何适当组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的有形介质。

本公开在各种实施例、配置和方面中包括基本上如本文描绘和描述的组件、方法、过程、系统和/或装置，包括各种实施例，子组合和其子集。本领域技术人员将理解在理解本公开之后如何制造和使用本文公开的系统和方法。在各种实施例、配置和方面中，本公开包括提供不存在本文未描绘和/或描述的项目的装置和过程，或在本文的各种实施例、配置或方面中，包括不存在可能已经在以前的装置或过程中使用的项目，例如用于提高性能、实现简易性和/或降低实现成本。

本公开的方案可以通过以下的示例方式实现。

条款1、一种量子通信装置，包括：编码模块，用于生成经编码的量子信息；以及控制模块，被配置为：确定量子信道的信道状态参数；确定量子通信的可靠性需求；以及至少基于所述信道状态参数以及所述可靠性需求来控制所述编码模块生成经编码的量子信息。

条款2、根据条款1所述的量子通信装置，其中，所述量子信道是相位阻尼信道。

条款3、根据条款2所述的量子通信装置，其中，所述信道状态参数至少包括所述量子信道的相位阻尼参数。

条款4、根据条款3所述的量子通信装置，其中，确定所述量子信道的相位阻尼参数至少包括：向量子通信的接收装置发射参考光束；以及至少基于所发射的参考光束与在所述接收装置处接收到的参考光束的比较，确定所述相位阻尼参数。

条款5、根据条款4所述的量子通信装置，其中，基于所述比较来确定相位阻尼参数至少包括：至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定所述相位阻尼参数；其中，所发射的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、发射角度、发射时间；其中，接收到的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、接收角度、接收时间。

条款6、根据条款5所述的量子通信装置，其中，基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定所述相位阻尼参数至少包括：确定量子信道中光的折射系数n；基于所述折射系数n以及量子信息与环境交互的时间度量Δt来确定相位阻尼参数η；其中，量子信息与环境交互的时间度量Δt根据以下等式来计算：

Δt＝(n-n₀)L/c

其中，n表示所确定的量子信道中光的折射系数，n₀表示真空折射率，L表示量子通信装置与接收装置的光传输距离，c表示真空中的光速；并且

其中，相位阻尼参数η可以根据以下等式来计算：

η＝1-cos²(χΔt)

其中，χ表示量子信道的介质的电磁化率。

条款7、根据条款1所述的量子通信装置，其中，所述可靠性需求包括以下各项中的至少一项：量子通信的保真度、最小保真度、或者平均保真度。

条款8、根据条款1所述的量子通信装置，其中，所述控制模块被配置为基于以下各项中的至少一项来确定所述可靠性需求：所述量子通信装置中的预配置；量子通信的接收装置的指示；量子通信的网络管理系统的指示；或者量子通信的业务类型。

条款9、根据条款1所述的量子通信装置，其中，所述控制模块还被配置为：根据多粒子高维量子编码方案，控制所述编码模块使用多个高维粒子来表征经编码的量子信息。

条款10、根据条款9所述的量子通信装置，其中，所述控制模块还被配置为：至少基于所述信道状态参数和所述可靠性需求，确定所述多粒子高维量子编码方案的编码参数；其中，所述编码参数至少包括用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量。

条款11、根据条款10所述的量子通信装置，其中，所述控制模块还被配置为：通过查表来确定所述编码参数。

条款12、根据条款10所述的量子通信装置，其中，所述控制模块还被配置为：从满足所述可靠性需求的多组候选编码参数中，选择使得用于表征经编码的量子信息的高维量子的数量最小的一组编码参数。

条款13、根据条款10所述的量子通信装置，其中，所述控制模块还被配置为：向所述量子通信的接收装置通知所确定的编码参数。

条款14、根据条款9所述的量子通信装置，其中，使用多个高维量子来表征经编码的量子信息包括：构造d维量子态

和

其中d表示高维量子的维度，d＝4k+2，k为自然数，d维量子态

和

被构造为：

使用由N个d维量子态

和/或N个d维量子态

构成的N量子纠缠态来编码量子态|ρ>，其中，N表示d维量子的数量，N≥2，并且对于被表征为|ρ>＝cos(θ/2)|0>+e^iφsin(θ/2)|1>的量子态|ρ>，经编码的量子信息被表征为：

条款15、根据条款9所述的量子通信装置，其中，使用量子轨道角动量OAM来实现所述高维粒子。

条款16、根据条款1所述的量子通信装置，其中，所述量子通信装置还包括：通信模块，被配置为经由所述量子信道发射所述经编码的量子信息。

条款17、一种量子通信装置，其中，包括：解码模块，用于对量子信息进行检测和解码；控制模块，被配置为：确定量子信道的信道状态参数；控制以将信道状态参数发送给量子通信的发射装置；控制所述解码模块对从所述发射装置接收的经编码的量子信息进行检测和解码。

条款18、根据条款17所述的量子通信装置，其中，所述量子信道是相位阻尼信道。

条款19、根据条款17所述的量子通信装置，其中，所述信道状态参数至少包括所述量子信道的相位阻尼参数。

条款20、根据条款19所述的量子通信装置，其中，确定所述相位阻尼参数包括：从所述发射装置接收参考光束；至少基于所发射的参考光束与接收到的参考光束的比较，确定所述相位阻尼参数。

条款21、根据条款20所述的量子通信装置，基于所述比较来确定相位阻尼参数至少包括：至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定所述相位阻尼参数；其中，所发射的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、发射角度、发射时间；其中，接收到的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、接收角度、接收时间。

条款22、根据条款21所述的量子通信装置，基于所述比较来确定相位阻尼参数至少包括：确定量子信道中光的折射系数n；基于所述折射系数n以及量子信息与环境交互的时间度量Δt来确定相位阻尼参数η；其中，量子信息与环境交互的时间度量Δt根据以下等式来计算：

Δt＝(n-n₀)L/c

其中，n表示所确定的量子信道中光的折射系数，n₀表示真空折射率，L表示发射装置与量子通信装置的光传输距离，c表示真空中的光速；并且其中，相位阻尼参数η可以根据以下等式来计算：

η＝1-cos²(χΔt)

其中，χ是量子信道的介质的电磁化率。

条款23、根据条款17所述的量子通信装置，其中，所述控制模块还被配置为将量子通信的可靠性需求发送给所述发射装置，所述可靠性需求包括以下各项中的至少一项：量子通信的保真度、最小保真度、或者平均保真度。

条款24、根据条款17所述的量子通信装置，其中，所接收的经编码的量子信息是根据多粒子高维量子编码方案使用多个高维粒子来表征的量子信息。

条款25、根据条款24所述的量子通信装置，其中，所述控制模块还被配置为：接收描述所述多粒子高维量子编码方案的编码参数；以及至少基于所述编码参数，控制所述解码模块对所述经编码的量子信息进行检测和解码。

条款26、根据条款25所述的量子通信装置，其中，所述编码参数是至少基于所述信道状态参数以及量子通信的可靠性需求而确定的。

条款27、根据条款26所述的量子通信装置，其中，所述编码参数至少包括用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量。

条款28、根据条款27所述的量子通信装置，其中，使用多粒子高维恢复算子

对接收到的经编码的量子信息进行检测和解码，多粒子高维恢复算子

是多个高维恢复算子

的克劳内克积，

表示为：

其中，ρ表示接收到的经编码的量子信息，N表示高维粒子的数量，高维恢复算子

表示为：

其中，

被定义为

其中，

其中，k表示高维粒子的维度参数，高维粒子的维度d＝2k+1。

条款29、根据条款24所述的量子通信装置，其中，所述高维粒子是使用量子轨道角动量OAM来实现的。

条款30、一种用于量子通信的方法，其中，所述方法包括：确定量子信道的信道状态参数；确定量子通信的可靠性需求；以及至少基于所述信道状态参数和所述可靠性需求，生成经编码的量子信息。

条款31、根据条款30所述的方法，其中，所述信道状态参数至少包括所述量子信道的相位阻尼参数，确定所述量子信道的相位阻尼参数至少包括：向量子通信的接收装置发射参考光束；以及至少基于发射装置所发射的参考光束与在接收装置处接收到的参考光束的比较，确定所述相位阻尼参数。

条款32、根据条款30所述的方法，其中，生成经编码的量子信息包括：使用多个高维粒子来表征经编码的量子信息；其中，用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量是至少基于所述信道状态参数和所述可靠性需求来确定的。

条款33、一种用于量子通信的方法，其中，所述方法包括：确定量子信道的信道状态参数；将信道状态参数发送给量子通信的发射装置；从所述发射装置接收经编码的量子信息；以及对经编码的量子信息进行检测和解码。

条款34、根据条款33所述的方法，其中，所述信道状态参数至少包括所述量子信道的相位阻尼参数，确定所述量子信道的相位阻尼参数至少包括：从量子通信的发射装置接收参考光束；至少基于发射装置所发射的参考光束与在接收装置处接收到的参考光束的比较，确定所述相位阻尼参数。

条款35、根据条款33所述的方法，其中，所述经编码的量子信息是由多个高维粒子表征的，所述方法还包括：根据经编码的量子信息的编码参数，对经编码的量子信息进行检测和解码；其中，所述编码参数包括高维粒子的维度和数量，并且所述编码参数与所述信道状态参数和量子通信的可靠性需求相关联。

此外，虽然对本公开的描述已经包括了对一个或多个实施例、配置或方面的描述，但是某些变型和修改、其他变型、组合和修改也在本公开的范围内，例如，在本领域技术人员理解了本公开之后，这可能在他们的技术和知识范围内。本公开旨在获得权利，该权利应当包括在允许范围内的替代实施例、配置或方面，包括与所要求保护的那些结构、功能、范围或步骤的替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤，无论这些替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中具体说明。本文不旨在公开地贡献任何可取得专利的技术方案。

Claims (10)

1.一种量子通信装置，其特征在于，包括：

编码模块，用于生成经编码的量子信息；以及

控制模块，被配置为：

确定量子信道的信道状态参数；

确定量子通信的可靠性需求；以及

至少基于所述信道状态参数以及所述可靠性需求来控制所述编码模块生成经编码的量子信息。

2.根据权利要求1所述的量子通信装置，其特征在于，所述量子信道是相位阻尼信道。

3.根据权利要求2所述的量子通信装置，其特征在于，所述信道状态参数至少包括所述量子信道的相位阻尼参数。

4.根据权利要求3所述的量子通信装置，其特征在于，确定所述量子信道的相位阻尼参数至少包括：

向量子通信的接收装置发射参考光束；以及

至少基于所发射的参考光束与在所述接收装置处接收到的参考光束的比较，确定所述相位阻尼参数。

5.根据权利要求4所述的量子通信装置，其特征在于，基于所述比较来确定相位阻尼参数至少包括：

至少基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定所述相位阻尼参数；

其中，所发射的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、发射角度、发射时间；

其中，接收到的参考光束的属性包括以下各项中的一项或多项：强度、接收角度、接收时间。

6.根据权利要求5所述的量子通信装置，其特征在于，基于所发射的参考光束的属性与接收到的参考光束的属性来确定所述相位阻尼参数至少包括：

确定量子信道中光的折射系数n；

基于所述折射系数n以及量子信息与环境交互的时间度量Δt来确定相位阻尼参数η；

其中，量子信息与环境交互的时间度量Δt根据以下等式来计算：

Δt＝(n-n₀)L/c

其中，n表示所确定的量子信道中光的折射系数，n₀表示真空折射率，L表示量子通信装置与接收装置的光传输距离，c表示真空中的光速；并且

其中，相位阻尼参数η可以根据以下等式来计算：

η＝1-cos²(χΔt)

其中，χ表示量子信道的介质的电磁化率。

7.根据权利要求1所述的量子通信装置，其特征在于，所述可靠性需求包括以下各项中的至少一项：量子通信的保真度、最小保真度、或者平均保真度。

8.根据权利要求1所述的量子通信装置，其特征在于，所述控制模块被配置为基于以下各项中的至少一项来确定所述可靠性需求：

所述量子通信装置中的预配置；

量子通信的接收装置的指示；

量子通信的网络管理系统的指示；或者

量子通信的业务类型。

9.根据权利要求1所述的量子通信装置，其特征在于，所述控制模块还被配置为：

根据多粒子高维量子编码方案，控制所述编码模块使用多个高维粒子来表征经编码的量子信息。

10.根据权利要求9所述的量子通信装置，其特征在于，所述控制模块还被配置为：

至少基于所述信道状态参数和所述可靠性需求，确定所述多粒子高维量子编码方案的编码参数；

其中，所述编码参数至少包括用于表征经编码的量子信息的高维粒子的维度以及数量。

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