CN114448521B - 基于ospf和量子css码的广域噪声量子网络通讯方法及系统 - Google Patents

基于ospf和量子css码的广域噪声量子网络通讯方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于量子通信技术领域，提供了基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法及系统。其中该方法包括密钥分发中心向广域量子网络中所有相邻节点分发量子双粒子最大纠缠态，且基于所有节点的连接状态信息形成了一个由节点和连接线组成的拓扑图；当广域量子网络中任意发送节点启动通讯时，向密钥分发中心发出向接收节点通讯的申请，密钥分发中心接收申请后，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索；密钥分发中心根据搜索的最优路径，通知最优路径所途径的节点做贝尔态测量，建立发送节点与接收节点之间的多通量子信道；基于发送节点与接收节点之间的多通量子信道及量子CSS码进行量子态传递；接收节点接收到相应量子态信息后进行误差纠正。

Description

基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法及系统
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
量子网络通讯方案成为正在被广泛研究的热门领域，如量子密钥分发、量子安全直接通讯、量子隐形传态等都是量子网络通讯领域中有着较大影响力的方案。但这些已有方案都是描述量子网络内相邻（可直接分发量子纠缠态）节点间的通讯方案，且没有考虑噪声影响。当通讯双方分布在广域噪声量子网络中，且无法直接分发量子纠缠态的位置，便需要一种可以抗噪声的间接传输量子态的方案。
OSPF是经典网络中实现广域网的信息传输，通过路由器和开放式最短路径优先算法，其基本思想是互联网上的所有路由器周期性的向其他路由器发送自己与相邻路由器的关系，使每个路由器都可以独立的得到一张网络拓扑图，并计算出以自身为根的最短路径优先树（SPF树），根据SPF树选择到达目标网络节点的最短路径传输信息。这种方法可以实现经典广域网络的高效传输。然而发明人发现，由于量子网络信息传输机制的不同，经典网络的OSPF方案无法直接应用于量子网络。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法及系统，其基于量子CSS码理论，并使量子网络通讯融合了OSPF的理论思想，首次实现了一种适用于广域噪声量子网络的通讯。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法，其包括：
密钥分发中心向广域量子网络中所有相邻节点分发量子双粒子最大纠缠态，且基于所有节点的连接状态信息形成了一个由节点和连接线组成的拓扑图；
当广域量子网络中任意发送节点启动通讯时，向密钥分发中心发出向接收节点通讯的申请，密钥分发中心接收申请后，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索；
密钥分发中心根据搜索的最优路径，通知最优路径所途径的节点做贝尔态测量，建立发送节点与接收节点之间的多通量子信道；
基于发送节点与接收节点之间的多通量子信道及量子CSS码进行量子态传递；
接收节点接收到相应量子态信息后进行误差纠正。
作为一种实施方式，广域量子网络中任意节点可同时持有多个粒子。
作为一种实施方式，密钥分发中心根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索的过程为：
根据拓扑图计算以发送节点为根的SPF树，将SPF树转化发送节点到达每个节点的最优路径表；
通过最优路径表，从接收节点开始，不断寻找上一站的节点，直到上一站为直接到达发送节点，即为发送节点到达接收节点的最优路径。
作为一种实施方式，接收节点在接收到相应量子态信息后进行误差纠正操作包括：比特翻转错误纠正操作和相位翻转错误纠正操作。
作为一种实施方式，所述密钥分发中心配置有一个数据库用于存储节点信息。
本发明的第二个方面提供一种基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯系统，其包括密钥分发中心、发送节点和接收节点；
所述密钥分发中心用于：向广域量子网络中所有相邻节点分发量子双粒子最大纠缠态，且基于所有节点的连接状态信息形成了一个由节点和连接线组成的拓扑图；
所述发送节点用于：启动通讯时，向密钥分发中心发出向接收节点通讯的申请；
所述密钥分发中心还用于：接收向接收节点通讯的申请后，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索；根据搜索的最优路径，通知最优路径所途径的节点做贝尔态测量，建立发送节点与接收节点之间的多通量子信道；
所述发送节点用于：基于发送节点与接收节点之间的多通量子信道及量子CSS码进行量子态传递；
所述接收节点用于：接收到相应量子态信息后进行误差纠正。
作为一种实施方式，广域量子网络中任意节点可同时持有多个粒子。
作为一种实施方式，在密钥分发中心中，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索的过程为：
根据拓扑图计算以发送节点为根的SPF树，将SPF树转化发送节点到达每个节点的最优路径表；
通过最优路径表，从接收节点开始，不断寻找上一站的节点，直到上一站为直接到达发送节点，即为发送节点到达接收节点的最优路径。
作为一种实施方式，所述接收节点在接收到相应量子态信息后进行误差纠正操作包括：比特翻转错误纠正操作和相位翻转错误纠正操作。
作为一种实施方式，所述密钥分发中心配置有一个数据库用于存储节点信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明基于纠缠交换原理，使广域量子网络中不相邻节点建立远距离量子信道，相较于已有的量子网络通讯协议只能实现相邻节点间的直接通讯，本方案的应用范围更为广泛；
（2）本发明基于OSPF方法，使建立远距离量子信道的路径最优化，相较于随机的路径选择方案，本方案更具有高效性。相较于RIP（Routing Information Protocol,路由信息协议）的理论思想，OSPF更适用于广域量子网络传输。
（3）本发明使用量子CSS码抵抗传输过程中因噪声引起的误差，保障了信息的保真度。相较于量子稳定子纠错码和量子低密度奇偶校验码的方案，本方案使用两种基本量子门即可实现编码，线路实现简单，且编码高效。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例提供的路径搜索过程示意图；
图2是本发明实施例的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释：
（1）量子CSS码：Calderbank-Shor-Steane codes，一种量子纠错编码。
在实际的量子网络传输过程中，噪声会降低秘密量子态的保真度。量子纠错码是一种抵抗信道噪声影响的有效方法。其中量子CSS码是一种线路实现较为简单，且编码高效的线性量子纠错码。定义和/>分别是/>和/>经典线性码，/>为/>的子码，能纠正个量子比特差错的/>量子CSS码/>，定义为所有/>的状态/>所张成的向量空间，，表示为
（2）OSPF：Open Shortest Path First，开放式最短路径优先。
（3）EPR：Einstein–Podolsky–Rosen，量子双粒子最大纠缠态。可以用四种贝尔基表示，
，/>，/>，/>
（4），/>为狄拉克符号，代表一个量子态；/>为张量积。
（5）经典线性码：将k比特数据线性编码得到n比特数据，产生信息冗余达到纠错的目的。
（6）对偶码：一个经典线性纠错码的生成矩阵G和校验矩阵H，相互乘对方的转置结果为全零矩阵。由H生成的码C[n,n-k]称为由G生成的码C[n,k]对偶码。两个码空间中任意一对矢量相互正交，码C的对偶码记为C⊥。
（7）KDC：Key distribution center，可以是密钥分发卫星或基站。
（8）量子门：在量子线路中对量子比特作用使其状态发生变换的操作。通用量子门有，比特翻转X门，相位翻转Z门、比特相位翻转Y门、Hadamard门、CNOT控制非门。
实施例一
在本实施例中，令广域量子网络中具有N个节点，分别为，节点间具有经典信道。另外，网络中具有密钥分发中心（Key distribution center，KDC。可以是密钥分发卫星或基站）可以对相邻节点分发量子EPR对，并配置一个数据库用于存储节点信息。当任意发送节点希望远距离传输秘密信息给量子网络中任意一个目的节点时，开始执行本方案。在广域量子网络中，多节点可同时执行本方案。本方案共分五个过程，分别是初始化过程、路径搜索过程、多通信道建立过程、量子态传递过程和误差纠正过程。
参照图2，本实施例提供了一种基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法，其具体包括如下步骤：
步骤1：密钥分发中心向广域量子网络中所有相邻节点分发量子双粒子最大纠缠态，且基于所有节点的连接状态信息形成了一个由节点和连接线组成的拓扑图。
步骤1为初始化过程。具体地，在个节点通讯之前，首先进行广域量子网络的初始化。此时，KDC（密钥分发中心）向网络中所有相邻节点分发EPR态，
其中，表示节点/>和节点/>分别持有EPR态的一个粒子。由于任意节点可以相邻多个其他节点，因此可以同时持有多个粒子。
KDC将相邻节点的状态情况存储到数据库中，此时，数据库中包含了广域量子网络中所有节点的连接状态信息，形成了一个形容全网连接情况的由节点和连接线组成的拓扑图。
步骤2：当广域量子网络中任意发送节点启动通讯时，向密钥分发中心发出向接收节点通讯的申请，密钥分发中心接收申请后，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索。
具体地，步骤2为路径搜索过程。密钥分发中心根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索的过程为：
根据拓扑图计算以发送节点为根的SPF树，将SPF树转化发送节点到达每个节点的最优路径表；
通过最优路径表，从接收节点开始，不断寻找上一站的节点，直到上一站为直接到达发送节点，即为发送节点到达接收节点的最优路径。
其中，当广域量子网络中任意发送节点启动通讯时，首先向KDC发出向接收节点通讯的申请，/>。
KDC接收申请后，根据拓扑图计算以为根的SPF树，此树可以转化/>到达每个节点的最优路径表，存储到数据库中。为了直观描述SPF树，以N=5的量子网络为例，设S=1，R=5，拓扑图如图1中的a所示。以/>为根的SPF树如图1中的b所示，包含了/>到达所有节点的最短路径。路径表如图1中的c所示，由SPF树直接转化，存储在KDC的数据库中。
KDC通过路径表，从开始，不断寻找上一站的节点，直到上一站为直接到达/>，即为/>到达/>的最优路径。
步骤3：密钥分发中心根据搜索的最优路径，通知最优路径所途径的节点做贝尔态测量，建立发送节点与接收节点之间的多通量子信道。
其中，步骤3为多通信道建立过程。
具体地，KDC根据选择的最优路径，通知途径的节点做贝尔态测量。当到达/>路径中节点，对所持有的粒子做贝尔态测量后，/>和/>所持有的原本不纠缠的粒子，会因为纠缠交换产生纠缠。为了便于说明，设/>到达/>需要途经节点/>。此时/>和/>、/>和/>分别共享EPR对
和/>可以共同表示为
当节点对粒子/>和/>做贝尔态测量后，粒子/>和/>坍缩为/>、/>、/>、四种EPR纠缠态的其中之一，从而完成节点/>和/>之间量子信道的建立。若路径途径多个中间结点，只需要每个中间结点都完成上述贝尔态测量，即可实现/>和/>之间量子信道的建立。
重复n遍上述KDC根据选择的最优路径，通知途径的节点做贝尔态测量的步骤，n为待传递保密量子态经过量子CSS编码后量子比特数，从而在和/>之间建立起可以传递量子CSS码/>编码后逻辑态的n位多通量子信道。此时/>持有粒子/>，/>持有粒子/>。
步骤4：基于发送节点与接收节点之间的多通量子信道及量子CSS码进行量子态传递。该步骤为量子态传递过程。
具体地，令待传递的量子态为k比特量子态。在/>传输/>前，为抵抗信道噪声，防止传输误码。/>量子CSS码/>的生成矩阵G和校验矩阵H，
由/>的生成矩阵和校验矩阵决定。根据G编码/>，编码后的状态为n比特量子态/>
将/>中n个粒子将分别通过步骤7）所建立的n位多通量子信道传递给/>。
对于第i个通道，此处以通道i处于纠缠态为例，/>中第i个粒子/>和/>、/>构成初态
首先/>为控制比特，以/>粒子为目标比特，执行CNOT门。执行后/>，/>，/>处于状态
对/>执行Hadamard门，此时/>，/>，/>处于状态测量/>，，并将测量结果通过经典信道传递给/>。
收到的测量结果为/>，则/>处于状态/>，此时/>得到/>，接收完成；若测量结果为/>，则/>处于状态/>，此时/>执行X门，得到/>，接收完成；若测量结果为/>，则/>处于状态/>，此时/>执行Z门，得到/>，接收完成；若测量结果为/>，则/>处于状态/>，此时/>执行Y门，得到/>。
步骤5：接收节点接收到相应量子态信息后进行误差纠正。该步骤为误差纠正过程。
其中，接收节点在接收到相应量子态信息后进行误差纠正操作包括：比特翻转错误纠正操作和相位翻转错误纠正操作。
和/>之间n个量子信道并行执行步骤4后，/>接收到完整的/>。假设在传输过程中，/>发生了比特翻转错误/>和相位翻转错误/>，则
首先纠正比特翻转错误/>，使校验矩阵H作用于/>，由于/>所以/>，/>，因此有
为/>发生/>错误的指错子。/>根据指错子，可以判断/>中发生/>错误的量子位，对该量子位执行X门，即纠正比特翻转错误，得到
对中所有量子比特执行Hadamard门，得到
在Hadamard门变换后，原本的相位翻转错误可以表示为转动基下的比特翻转错误，此时执行比特翻转方法，即可完成相位翻转错误的纠正。
纠错完成后，得到量子态/>后，对/>根据生成矩阵G执行和编码线路相反的反向编码操作，即可获得/>希望传递的保密信息/>，完成广域量子网络的抗噪声远距离传输。
本实施例首次提出了一种适用于广域噪声量子网络的基于量子CSS码和OSPF理论的高效安全通讯方案，OSPF和纠缠交换理论实现高效建立远距离节点通讯信道，量子CSS码理论被用于抵抗通讯噪声，从而实现了已有方案无法实现的高效广域量子网络抗噪声通讯方案。经典路由选择协议中的RIP（Routing Information Protocol,路由信息协议）是一种适用于中小型经典网络的路由选择方案，经过的量子化拓展后，可以用于替代OSPF，适用于中小型的量子网络远距离通讯。此外，量子CSS码可以被其他量子抗噪声机制，如量子稳定子纠错码、量子低密度奇偶校验码、量子拓扑码等方法替代。
实施例二
本实施例提供了一种基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯系统，其包括密钥分发中心、发送节点和接收节点。
在具体实施中，所述密钥分发中心用于：向广域量子网络中所有相邻节点分发量子双粒子最大纠缠态，且基于所有节点的连接状态信息形成了一个由节点和连接线组成的拓扑图。
其中，由于任意节点可以相邻多个其他节点，因此可以同时持有多个粒子。
具体地，在密钥分发中心中，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索的过程为：
根据拓扑图计算以发送节点为根的SPF树，将SPF树转化发送节点到达每个节点的最优路径表；
通过最优路径表，从接收节点开始，不断寻找上一站的节点，直到上一站为直接到达发送节点，即为发送节点到达接收节点的最优路径。
在一个或多个实施例中，所述密钥分发中心配置有一个数据库用于存储节点信息。
在具体实施中，所述发送节点用于：启动通讯时，向密钥分发中心发出向接收节点通讯的申请。
其中，所述密钥分发中心还用于：接收向接收节点通讯的申请后，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索；根据搜索的最优路径，通知最优路径所途径的节点做贝尔态测量，建立发送节点与接收节点之间的多通量子信道；
在具体实施中，所述发送节点用于：基于发送节点与接收节点之间的多通量子信道及量子CSS码进行量子态传递。
在具体实施中，所述接收节点用于：接收到相应量子态信息后进行误差纠正。
其中，所述接收节点在接收到相应量子态信息后进行误差纠正操作包括：比特翻转错误纠正操作和相位翻转错误纠正操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法，其特征在于，包括：
密钥分发中心向广域量子网络中所有相邻节点分发量子双粒子最大纠缠态，且基于所有节点的连接状态信息形成了一个由节点和连接线组成的拓扑图；
当广域量子网络中任意发送节点启动通讯时，向密钥分发中心发出向接收节点通讯的申请，密钥分发中心接收申请后，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索；
密钥分发中心根据搜索的最优路径，通知最优路径所途径的节点做贝尔态测量，建立发送节点与接收节点之间的多通量子信道；
基于发送节点与接收节点之间的多通量子信道及量子CSS码进行量子态传递；
接收节点接收到相应量子态信息后进行误差纠正。
2.如权利要求1所述的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法，其特征在于，广域量子网络中任意节点可同时持有多个粒子。
3.如权利要求1所述的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法，其特征在于，密钥分发中心根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索的过程为：
根据拓扑图计算以发送节点为根的SPF树，将SPF树转化发送节点到达每个节点的最优路径表；
通过最优路径表，从接收节点开始，不断寻找上一站的节点，直到上一站为直接到达发送节点，即为发送节点到达接收节点的最优路径。
4.如权利要求1所述的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法，其特征在于，接收节点在接收到相应量子态信息后进行误差纠正操作包括：比特翻转错误纠正操作和相位翻转错误纠正操作。
5.如权利要求1所述的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯方法，其特征在于，所述密钥分发中心配置有一个数据库用于存储节点信息。
6.一种基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯系统，其特征在于，包括密钥分发中心、发送节点和接收节点；
所述密钥分发中心用于：向广域量子网络中所有相邻节点分发量子双粒子最大纠缠态，且基于所有节点的连接状态信息形成了一个由节点和连接线组成的拓扑图；
所述发送节点用于：启动通讯时，向密钥分发中心发出向接收节点通讯的申请；
所述密钥分发中心还用于：接收向接收节点通讯的申请后，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索；根据搜索的最优路径，通知最优路径所途径的节点做贝尔态测量，建立发送节点与接收节点之间的多通量子信道；
所述发送节点用于：基于发送节点与接收节点之间的多通量子信道及量子CSS码进行量子态传递；
所述接收节点用于：接收到相应量子态信息后进行误差纠正。
7.如权利要求6所述的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯系统，其特征在于，广域量子网络中任意节点可同时持有多个粒子。
8.如权利要求6所述的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯系统，其特征在于，在密钥分发中心中，根据拓扑图及OSPF算法进行最优路径搜索的过程为：
根据拓扑图计算以发送节点为根的SPF树，将SPF树转化发送节点到达每个节点的最优路径表；
通过最优路径表，从接收节点开始，不断寻找上一站的节点，直到上一站为直接到达发送节点，即为发送节点到达接收节点的最优路径。
9.如权利要求6所述的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯系统，其特征在于，所述接收节点在接收到相应量子态信息后进行误差纠正操作包括：比特翻转错误纠正操作和相位翻转错误纠正操作。
10.如权利要求6所述的基于OSPF和量子CSS码的广域噪声量子网络通讯系统，其特征在于，所述密钥分发中心配置有一个数据库用于存储节点信息。
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