CN114448522A - 基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法及系统 - Google Patents

基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于量子通信技术领域，提供了量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法及系统。其中该方法包括在多用户量子网络中，为通讯双方建立端对端的多粒子量子信道；发送方基于量子Shor码理论将待传输的量子信息进行量子态编码；发送方将编码后的量子态通过多粒子量子隐形传态方法，以理论上绝对安全的保障传递给接收方；接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错；接收方在执行纠错操作后，根据纠错结果向发送方对应信息，以确定发送方正常传递后续的量子态或重新发送编码后的量子态。

Description

基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法及系统
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法及系统。
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(Quantum network)是由随机分布的多个节点，基于量子力学规律储存、传递、处理量子信息的通讯拓扑结构。目前，基于量子保密通讯干线“京沪干线”以及量子卫星“墨子号”，我国构建出可以实现跨越4600公里的量子信息传递网络。量子网络中的信息传递基于量子协议，如量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)、量子安全直接通讯(Quantum secure direct communication,QSDC)、量子隐形传态(Teleportation)协议等。基于量子协议的量子通讯，优势在于其可以保障经典网络通讯无法达到的理论上的绝对安全。上述协议充分的考虑了量子通讯的安全性，却没有考虑到数据在量子网络通讯中的可靠性(无错误数据或丢失数据)，以及通讯双方如何建立端到端可靠连接的问题。
传输控制协议(Transport control protocol,TCP)是经典网络中保证端对端数据传输可靠性的重要协议，广泛应用于经典网络通讯。TCP通过三次握手法(三次交换报文)建立端到端的可靠连接，通过重发(Retransimition)技术防止数据丢失，通过纠错编码防止数据错误，是经典网络中保障可靠性的最为常用的通讯协议。然而，发明人发现，由于量子网络信息传输机制的不同，TCP无法直接应用于量子网络通讯。
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量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法及系统，其设计一种通信传输机制建立端到端连接、防止数据丢失，并基于量子Shor码，抵抗量子网络噪声，能够防止接收端收到错误的数据，实现量子协议无法达到的可靠性保障。
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了一种基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法，其包括：
在多用户量子网络中，为通讯双方建立端对端的多粒子量子信道；
发送方基于量子Shor码理论将待传输的量子信息进行量子态编码；
发送方将编码后的量子态通过多粒子量子隐形传态方法，以理论上绝对安全的保障传递给接收方；
接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错；
接收方在执行纠错操作后，根据纠错结果向发送方对应信息，以确定发送方正常传递后续的量子态或重新发送编码后的量子态。
作为一种实施方式，接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错的过程中，进行纠正量子比特的比特翻转、相位翻转和比特相位翻转错误。
作为一种实施方式，接收方在执行纠错操作后，若出现无错或出现可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递确认信息，正常传递后续的量子态。
作为一种实施方式，接收方在执行纠错操作后，若出现不可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递否定信息，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
作为一种实施方式，若发送方在设定时间段未接收到确认信息或否定信息，则认为编码后的量子态丢失，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
本发明的第二个方面提供了一种基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制系统，其包括由服务器、发送方及多个接收方构成的多用户量子网络；
所述服务器用于：为通讯双方建立端对端的多粒子量子信道；
所述发送方用于：基于量子Shor码理论将待传输的量子信息进行量子态编码；
将编码后的量子态通过多粒子量子隐形传态方法，以理论上绝对安全的保障传递给接收方；
所述接收方用于：将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错；
在执行纠错操作后，根据纠错结果向发送方对应信息，以确定发送方正常传递后续的量子态或重新发送编码后的量子态。
作为一种实施方式，在所述接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错的过程中，进行纠正量子比特的比特翻转、相位翻转和比特相位翻转错误。
作为一种实施方式，所述接收方在执行纠错操作后，若出现无错或出现可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递确认信息，正常传递后续的量子态。
作为一种实施方式，所述接收方在执行纠错操作后，若出现不可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递否定信息，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
作为一种实施方式，若发送方在设定时间段未接收到确认信息或否定信息，则认为编码后的量子态丢失，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明针对噪声量子网络的传输控制协议，使用量子Shor码对量子态误差进行控制，结合传输控制机制，在噪声量子网络中实现原始量子通讯方法无法达到的多粒子可靠保密通讯，采用的量子Shor码，使用9量子位编码1个量子态，相较于量子环形拓扑编码，需用指数级量子比特编码1个量子态，编码效率更高，适用于对传输效率要求较高的量子网络通讯；相较于量子稳定子纠错码、量子低密度奇偶校验码复杂编码线路，只需使用H门和CNOT门即可完成编码。因此，本系统在保证噪声量子网络通讯可靠性和安全性的同时，编码效率较高和线路实现也更为简单。
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是本发明实施例的信息编码阶段线路图；
图2是本发明实施例的信息传输阶段线路图；
图3是本发明实施例的比特翻转检错线路图；
图4是本发明实施例的相位翻转检错线路图；
图5是本发明实施例的基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法流程图。
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、H门、CNOT控制非门。Gatei表示对第i量子位执行门Gate。
(2)
Figure BDA0003515286430000051
|>为狄拉克符号，代表一个量子态；
Figure BDA0003515286430000052
为张量积。
(3)量子Shor码：一种线性量子纠错编码方法，可用于纠正量子通讯过程中量子态由于信道噪声、量子操作、量子退相干等原因引入的比特、相位、比特相位三种翻转错误。
实施例一
本实施例的基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法，适用于多用户量子噪声网络的通讯系统，设网络中有N个节点，节点间具备经典信道传递辅助信息。当节点中的一个发送方Alice希望传输保密量子信息给接收方Bob时，一个服务器用于协助Alice和Bob端对端量子信道的建立。在实际应用中，服务器可以是量子卫星或量子干线基站。网络中任意用户都可以作为发送方或接收方执行方案，且不同的通讯者允许并行执行方案。
参照图5，本实施例提供了一种基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法，分为以下五个部分。第一部分是端到端连接阶段，为通讯双方建立端对端的多粒子量子信道；第二部分是信息编码阶段，Alice将待传输的量子信息经过量子Shor码线路实现编码；第三部分是量子信息传输阶段，Alice将编码后的量子态通过改进的多粒子量子隐形传态方法，以理论上绝对安全的保障传递给Bob；第四部分是误差检验阶段，Bob将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错；第五部分是传输控制阶段，保证不可纠正错误的编码态不被接收且重新传输。
本实施例的基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法具体包括如下步骤：
步骤1：在多用户量子网络中，为通讯双方建立端对端的多粒子量子信道。
具体地，步骤1为建立端到端连接阶段。
在通讯前，希望建立通讯的Alice和Bob向服务器发送通讯请求。服务器收到请求后，为通讯双方制备的9粒子最大纠缠态，表示为
Figure BDA0003515286430000061
其中，
Figure BDA0003515286430000071
与
Figure BDA0003515286430000072
相互正交归一。经过服务器的分发，由Alice持有纠缠粒子Z1，Bob持有纠缠粒子Z2。Alice和Bob收到纠缠粒子后，通过经典信道向服务器发送第1次确认信息，说明已收到纠缠粒子。当服务器同时收到双方的确认信息后，向Alice和Bob发送第2次确认信息，说明可以开始通讯。
步骤2：发送方基于量子Shor码理论将待传输的量子信息进行量子态编码。
具体地，步骤2为信息编码阶段。
设Alice希望传输的量子态为
Figure BDA0003515286430000073
为了保证量子态的正确传输，Alice首先基于量子Shor码理论编码量子态。编码线路如图1所示，编码过程分为以下三步：
步骤2.1：令状态为
Figure BDA0003515286430000074
粒子
Figure BDA0003515286430000075
为第1量子比特，添加第2,3，…，9量子比特形成初态
Figure BDA0003515286430000076
以第1量子比特为控制比特，第4、7量子比特为目标比特，执行CNOT门。量子态由初始态
Figure BDA0003515286430000077
变为
Figure BDA0003515286430000078
步骤2.2：对第1、4、7比特执行H门，量子态变化由
Figure BDA0003515286430000079
变为
Figure BDA00035152864300000710
步骤2.3：以第1、4、7比特作为控制比特，分别以第2、3比特，第5、6比特，第8、9比特作为目标比特，执行CNOT门。量子态由
Figure BDA00035152864300000711
变为
Figure BDA00035152864300000712
Figure BDA0003515286430000081
其中a＝α+β,b＝α-β。
以上即为编码态的制备过程。完成编码后，Alice将
Figure BDA0003515286430000082
传输给Bob。
步骤3：发送方将编码后的量子态通过多粒子量子隐形传态方法，以理论上绝对安全的保障传递给接收方。
具体地，步骤3为量子信息传输阶段。
在本阶段，Alice基于
Figure BDA0003515286430000083
将
Figure BDA0003515286430000084
传输给Bob，传输线路如图2所示，传输过程分为以下三步：
步骤3.1：在传输前，
Figure BDA0003515286430000085
与
Figure BDA0003515286430000086
表示为初始态
Figure BDA0003515286430000087
此时，状态为
Figure BDA0003515286430000088
粒子
Figure BDA0003515286430000089
和状态为|z1>粒子z1由Alice持有。Alice以
Figure BDA00035152864300000810
为控制态，以z1为目标态，执行
Figure BDA00035152864300000811
门，此处
Figure BDA00035152864300000812
门为
Figure BDA00035152864300000813
CNOTi为对粒子中第i个比特执行CNOT门。执行完成后得到
Figure BDA00035152864300000814
步骤3.2：Alice对
Figure BDA00035152864300000815
执行H门，此处H门为
Figure BDA00035152864300000816
Hi为对粒子中第i个比特执行H门。执行完成后得到
Figure BDA0003515286430000091
由上式可知，在
Figure BDA0003515286430000092
状态下，如表1所示，共有4种可能得到的测量结果。
表1四种测量结果
Figure BDA0003515286430000093
Alice测量
Figure BDA0003515286430000094
和z 1，将测量结果通过经典信道传送给Bob。
步骤3.3：Bob的目的是得到量子态
Figure BDA0003515286430000095
若Bob从经典信道接收到的Alice的测量结果为表1中Case 1，则不需要执行任何操作即可获得目标态
Figure BDA0003515286430000096
若接收到的结果为Case 2，则需要对Z2执行X门操作，X门为
Figure BDA0003515286430000097
Xi为对粒子中第i个比特执行X门；若接收到的结果为Case 3，则需要对执Z2行Z门操作，Z门为
Figure BDA0003515286430000098
Zi为对粒子中第i个比特执行Z门；若接收到的结果为Case 4，则需要对Z2执行Y门操作，Y门为
Figure BDA0003515286430000099
Yi为对粒子中第i个比特执行Y门；
Bob执行结束后，在理想情况下，将会获得状态
Figure BDA00035152864300000910
由三个3粒子纠缠码块构成。然而由于噪声影响，
Figure BDA00035152864300000911
会引入误差，从而与原本希望传输的
Figure BDA00035152864300000912
不同。此时，基于量子Shor码的纠错方法，可以对引入误差进行纠正。
步骤4：接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错。
Bob接收到的量子态
Figure BDA0003515286430000101
中的9粒子以3粒子码块为单位，可以纠正量子比特的比特翻转、相位翻转、比特相位翻转错误。
首先说明对一个码块比特翻转错误的检测及纠正。由于直接测量会破坏量子态，在这里引入两个测量比特
Figure BDA0003515286430000102
此时Bob分别以第2、3，第1、3比特作为控制比特，分别对应第1、第2测量比特为目标比特执行CNOT门，如图3所示。在无错情况下，|xyz>处于|000>和|111>的叠加态，执行CNOT门后辅助比特不变，仍为
Figure BDA0003515286430000103
否则，辅助比特将变为与错误对应的状态。
Figure BDA0003515286430000104
态、辅助比特状态与错误的对应、以及相应的恢复门操作，如表2所示。三个码块的比特翻转纠错方式相同。
表2辅助比特状态与错误的对应，以及相应的恢复门操作
Figure BDA0003515286430000105
其次说明对一个码块相位翻转错误的检测及纠正。检测相位翻转错误时，需要引入的测量比特为
Figure BDA0003515286430000106
首先Bob对第1、2、3比特作用H门，此时
Figure BDA0003515286430000107
变化为|000>→|+++>,|111>→|--->，
Figure BDA0003515286430000108
再分别以第2、3，第1、3比特作为控制比特，分别对应第1、第2测量比特为目标比特执行CNOT门，如图4所示。此时若未发生相位翻转错误，则的测量结果仍为
Figure BDA0003515286430000111
否则，辅助比特将变为与错误对应的状态。对应情况与表2相同，只需将表2中|0>→|+>,|1>→|->,X→Z。这是由于在H门作用下，量子态的相位错误可以表示为转动基下的比特错误。
最后，Bob还可以检测和纠正单量子比特的相位比特翻转错误。同时执行三个块的比特翻转和相位翻转错误检测线路，则9位比特的不同错误都会有相应辅助粒子的状态对应，这种对应称为指错子。根据指错子，Bob即可执行相应的恢复操作，纠正
Figure BDA0003515286430000112
的错误。
从表2中可以看出，一个码块中只能检测和纠正单比特错误，若发生双比特或三比特错误，将会出现和某一单比特错误相同的特征，此时将无法正确检错纠错。因此每次传输
Figure BDA0003515286430000113
的过程中使用9位辅助量子比特，判断信道噪声阈值。令Nerror为辅助比特中出错位的个数，当阈值
Figure BDA0003515286430000114
则同时传输的状态视为可纠正的错误，对误差位执行相应的X、Y、Z门纠错，得到
Figure BDA0003515286430000115
否则，则需要重传
Figure BDA0003515286430000116
步骤5：接收方在执行纠错操作后，根据纠错结果向发送方对应信息，以确定发送方正常传递后续的量子态或重新发送编码后的量子态。
Bob接收到
Figure BDA0003515286430000117
并执行量子Shor码的检错操作后，若
Figure BDA0003515286430000118
无错或出现了可纠正的错误，则Bob通过经典信道向Alice传递确认信息，此时通讯系统为常态，正常传递后续的量子态。若
Figure BDA0003515286430000119
出现了不可纠正的错误，则Bob通过经典信道向Alice传递否定信息，通讯系统进入阻塞态，此时Alice重新传送
Figure BDA00035152864300001110
若Alice长时间接收到确认信息或否定信息，则认为
Figure BDA00035152864300001111
丢失，通讯系统进入阻塞态，此时Alice重新传送
Figure BDA00035152864300001112
本阶段保证状态
Figure BDA00035152864300001113
正确可靠地被Bob接收。
本实施例首次提出了一种基于量子Shor码的适用于噪声量子网络传输控制协议。其中量子Shor码可以通过对将初始量子单比特编码为9比特逻辑态以抵抗网络噪声，相较于拓扑码、稳定子纠错码等编译码线路复杂度低。量子CSS(Calderbank-Shor-Steane)码是一种同样编译码复杂度较低的噪声抵抗方法，且编码效率较高，可以用于代替量子Shor码。此外，Bacon-shor码是一种对于量子shor码的改进，可以实现更高的容错阈值，缺点是编码复杂度较高。
实施例二
本实施例提供了一种基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制系统，其包括由服务器、发送方及多个接收方构成的多用户量子网络；
所述服务器用于：为通讯双方建立端对端的多粒子量子信道；
所述发送方用于：基于量子Shor码理论将待传输的量子信息进行量子态编码；
将编码后的量子态通过多粒子量子隐形传态方法，以理论上绝对安全的保障传递给接收方；
所述接收方用于：将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错；
在执行纠错操作后，根据纠错结果向发送方对应信息，以确定发送方正常传递后续的量子态或重新发送编码后的量子态。
在一个或多个实施例中，在所述接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错的过程中，进行纠正量子比特的比特翻转、相位翻转和比特相位翻转错误。
所述接收方在执行纠错操作后，若出现无错或出现可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递确认信息，正常传递后续的量子态。
在一些实施例中，所述接收方在执行纠错操作后，若出现不可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递否定信息，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
若发送方在设定时间段未接收到确认信息或否定信息，则认为编码后的量子态丢失，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
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)

1.一种基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法，其特征在于，包括：
在多用户量子网络中，为通讯双方建立端对端的多粒子量子信道；
发送方基于量子Shor码理论将待传输的量子信息进行量子态编码；
发送方将编码后的量子态通过多粒子量子隐形传态方法，以理论上绝对安全的保障传递给接收方；
接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错；
接收方在执行纠错操作后，根据纠错结果向发送方对应信息，以确定发送方正常传递后续的量子态或重新发送编码后的量子态。
2.如权利要求1所述的量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法，其特征在于，接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错的过程中，进行纠正量子比特的比特翻转、相位翻转和比特相位翻转错误。
3.如权利要求1所述的量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法，其特征在于，接收方在执行纠错操作后，若出现无错或出现可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递确认信息，正常传递后续的量子态。
4.如权利要求1所述的量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法，其特征在于，接收方在执行纠错操作后，若出现不可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递否定信息，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
5.如权利要求1所述的量子Shor码的噪声量子网络传输控制方法，其特征在于，若发送方在设定时间段未接收到确认信息或否定信息，则认为编码后的量子态丢失，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
6.一种基于量子Shor码的噪声量子网络传输控制系统，其特征在于，包括由服务器、发送方及多个接收方构成的多用户量子网络；
所述服务器用于：为通讯双方建立端对端的多粒子量子信道；
所述发送方用于：基于量子Shor码理论将待传输的量子信息进行量子态编码；
将编码后的量子态通过多粒子量子隐形传态方法，以理论上绝对安全的保障传递给接收方；
所述接收方用于：将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错；
在执行纠错操作后，根据纠错结果向发送方对应信息，以确定发送方正常传递后续的量子态或重新发送编码后的量子态。
7.如权利要求6所述的量子Shor码的噪声量子网络传输控制系统，其特征在于，在所述接收方将接收到的信息经过量子Shor码误码检测线路进行纠错的过程中，进行纠正量子比特的比特翻转、相位翻转和比特相位翻转错误。
8.如权利要求6所述的量子Shor码的噪声量子网络传输控制系统，其特征在于，所述接收方在执行纠错操作后，若出现无错或出现可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递确认信息，正常传递后续的量子态。
9.如权利要求6所述的量子Shor码的噪声量子网络传输控制系统，其特征在于，所述接收方在执行纠错操作后，若出现不可纠正的错误，则通过经典信道向发送方传递否定信息，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
10.如权利要求6所述的量子Shor码的噪声量子网络传输控制系统，其特征在于，若发送方在设定时间段未接收到确认信息或否定信息，则认为编码后的量子态丢失，通讯系统进入阻塞态，此时发送方重新传送编码后的量子态。
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