CN114679263A - 基于纠缠态粒子的超密编码通信协议 - Google Patents

基于纠缠态粒子的超密编码通信协议 Download PDF

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Abstract

本发明涉及量子通信技术领域，涉及基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，包括如下步骤：对纠缠态粒子进行初始化处理；对发送方粒子进行编码；对接收方粒子进行纠错；接收方对纠错后的粒子进行解码。本发明设计不需要变动一些基础设备，只要增加产生和处理超纠缠对的设备即可；通过嵌入光子的超纠缠态进行粒子超密传输，增加了通信容量，且具有绝对的安全性；量子通信速度快、误码率低，极大的提升了通信效率；该协议较为简单，易于实际应用，其首次利用量子的超纠缠态进行现实环境中的超密传输，并且对过程中的比特翻转与相位翻转进行纠错处理，解决了真实环境下的量子超密传输方案，克服了无线网络信息安全性的不足。

Description

基于纠缠态粒子的超密编码通信协议
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，具体地说，涉及基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议。
背景技术
随着科学技术的发展，量子通信领域发展迅速，它是量子力学与通信技术交叉的一门学科，超密编码，即通过传送一个量子位而实现两比特经典信息传送的通信协议，其理论上可以实现信息量的加倍传输，使得为了传递信息所需要的粒子数量大为减少，从而加强了信息传输过程中的误码率与安全性。开始时，构造出三个处于GHZ态的量子比特，之后让信息发送方持有一个，信息接收方持有其中另外的两个比特粒子，由于各个粒子之间的纠缠态(多粒子体系或多自由度体系的一种不能表示为直积形式的叠加态)不受时间与空间的影响，故发送方通过对手中粒子执行酉操作，达到了对整个系统状态的控制，接收方接收到发送方粒子后，通过对全部三粒子进行测量，从而可以确定三个粒子的具体信息，再根据之前的通信协议，就实现了三量子比特的超密编码。由于量子通信处于理论上的绝对安全，故即使传输过程中受到了窃听，攻击者也无法确定所传输的具体信息。
由于在真实环境中的通信存在着噪声，最常见的噪声有比特翻转和相位翻转两种错误，所以研究抗噪声的量子通信方案就成为了需要思考的问题，若基于重复编码技术运用CSS码对传递的信息进行纠错，则有望有效降低量子通信中的噪声；同时，基于光子超纠缠态的通信协议，发送方对手中量子比特实行特定的酉操作进行编码，既能提高传输的信息量并对信息进行纠错，也能保证传输过程中的安全性。然而，目前却没有可以结合CSS码纠错技术的基于光子超纠缠态的通信协议，鉴于此，我们提出了基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议。
发明内容
本发明的目的在于提供基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议，包括如下步骤：
S1、对纠缠态粒子进行初始化处理；
S2、对发送方粒子进行编码；
S3、对接收方粒子进行纠错；
S4、接收方对纠错后的粒子进行解码。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，对纠缠态粒子进行初始化处理的具体方法包括如下步骤：
S1.1、通过已有的可以制备三量子比特GHZ态的超纠缠设备进行三量子比特GHZ态制备，并得到三量子比特态；
S1.2、将已经制备得到的三个纠缠态粒子分发，其中一个粒子给发送方，剩余两个粒子给接收方。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1.1中，制备三量子比特GHZ态过程中的计算表达式为：
Figure BDA0003511101740000021
作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，对发送方粒子进行编码的具体方法包括如下步骤：
S2.1、发送方从四种酉操作中选择其中一个作用到手中粒子上对其进行编码，并确定该酉操作下对应的系统状态；
S2.2、发送方将编码后的粒子通过引入辅助粒子1’和1”进行重复编码并发送给接收方，重复编码后的粒子变为三个相同状态的粒子。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2.1中，四种酉操作分别为：σI，σx，σY，σZ；其中，四个酉操作的表达式分别为：
Figure BDA0003511101740000031
Figure BDA0003511101740000032
Figure BDA0003511101740000033
Figure BDA0003511101740000034
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，对接收方粒子进行纠错的具体方法包括如下步骤：
S3.1、接收方使用CSS码，按照多数原则对接收到的粒子进行纠错，将接收到的三个粒子分别编号为1、2、3；
S3.2、设计比特翻转纠错电路图，在初始的三个粒子基础上引入粒子4、5，根据对引入的粒子4、5的状态测量结果，对发生比特翻转错误的粒子进行纠错；
S3.3、针对相位翻转噪声，对上述电路做出修改以获得相位翻转纠错电路图，并对每一个粒子在传输之前用一个H门进行操作。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，接收方对纠错后的粒子进行解码的具体方法包括如下步骤：
S4.1、接收方利用粒子1作为控制粒子，粒子2为受控粒子，进行受控非门操作，从而确定粒子2的具体状态；
S4.2、接收方利用粒子1作为控制粒子，粒子3为受控粒子，再次进行受控非门操作，从而确定粒子3的具体状态；
S4.3、接收方对手中粒子1进行H门操作，确定粒子1的具体状态，确定整个系统的状态；
S4.4、接收方在确定了全部粒子状态后，可以根据之前双方所确定的通信协议解读信息，进而确定整体的系统状态，从而可以传输2bit信息。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4.1、所述S4.2中，受控非门操作的计算表达式如下所示：
Figure BDA0003511101740000041
作为本技术方案的进一步改进，所述S4.3中，H门操作的其矩阵形式表达式为：
Figure BDA0003511101740000042
本发明的目的之二在于，提供了一种基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议的执行装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述任一的基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议的步骤。
本发明的目的之三在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一的基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议与其他的无线通信协议不同，其不需要变动一些基础设备，只要增加产生和处理超纠缠对的设备即可；
2.该基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议通过嵌入光子的超纠缠态进行粒子超密传输，增加了通信容量，由于量子状态的不可克隆特性，该协议理论上是不可被窃听的，具有绝对的安全性；
3.该基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议中，量子通信速度快、误码率低，极大的提升了通信效率；
4.该基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议较为简单，易于实际应用，其首次利用量子的超纠缠态进行现实环境中的超密传输，并且对过程中的比特翻转与相位翻转进行纠错处理，解决了真实环境下的量子超密传输方案，克服了无线网络信息安全性的不足。
附图说明
图1为本发明中的整体协议流程图；
图2为本发明中的整体协议方法流程框图；
图3为本发明中的局部协议方法流程框图之一；
图4为本发明中的局部协议方法流程框图之二；
图5为本发明中的局部协议方法流程框图之三；
图6为本发明中的比特翻转纠错电路图；
图7为本发明中对比特翻转错误的粒子进行纠错的纠错结果表；
图8为本发明中的相位翻转纠错电路图；
图9为本发明中的局部协议方法流程框图之四；
图10为本发明中粒子1、2执行CNOT操作后的状态表；
图11为本发明中粒子1、3执行CNOT操作后的状态表；
图12为本发明中粒子1执行H门的操作结果表；
图13为本发明中示例性的电子计算机装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例1
如图1-图13所示，本实施例提供了基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议，包括如下步骤：
S1、对纠缠态粒子进行初始化处理；
S2、对发送方粒子进行编码；
S3、对接收方粒子进行纠错；
S4、接收方对纠错后的粒子进行解码。
其中，本通信协议可以分为纠缠态粒子初始化阶段、发送方粒子编码阶段、接收方纠错阶段、接收方解码阶段四部分，并以发送方(Sender，简称Sen)、接收方(Receiver,简称Rec)能处理量子超纠缠态为前提。
本实施例中，S1中，对纠缠态粒子进行初始化处理的具体方法包括如下步骤：
S1.1、通过已有的可以制备三量子比特GHZ态的超纠缠设备进行三量子比特GHZ态制备，并得到三量子比特态；
S1.2、将已经制备得到的三个纠缠态粒子分发，其中一个粒子给发送方，剩余两个粒子给接收方。
具体地，S1.1中，制备三量子比特GHZ态过程中的计算表达式为：
Figure BDA0003511101740000061
本实施例中，S2中，对发送方粒子进行编码的具体方法包括如下步骤：
S2.1、发送方从四种酉操作中选择其中一个作用到手中粒子上对其进行编码，并确定该酉操作下对应的系统状态；
S2.2、发送方将编码后的粒子通过引入辅助粒子1’和1”进行重复编码并发送给接收方，重复编码后的粒子变为三个相同状态的粒子。
具体地，S2.1中，四种酉操作分别为：σI，σx，σY，σz；其中，四个酉操作的表达式分别为：
Figure BDA0003511101740000062
Figure BDA0003511101740000063
Figure BDA0003511101740000064
Figure BDA0003511101740000065
其中，不同酉操作下对应的系统状态各有不同，具体如下表所示：
Figure BDA0003511101740000066
Figure BDA0003511101740000071
其中，S2.2中，重复编码后的粒子变为三个相同状态的粒子，例如，原先要发送的粒子为
Figure BDA0003511101740000072
重复编码后实际发送的是
Figure BDA0003511101740000073
本实施例中，S3中，对接收方粒子进行纠错的具体方法包括如下步骤：
S3.1、接收方使用CSS码，按照多数原则对接收到的粒子进行纠错，将接收到的三个粒子分别编号为1、2、3；
S3.2、设计比特翻转纠错电路图，在初始的三个粒子基础上引入粒子4、5，根据对引入的粒子4、5的状态测量结果，对发生比特翻转错误的粒子进行纠错；
S3.3、针对相位翻转噪声，对上述电路做出修改以获得相位翻转纠错电路图，并对每一个粒子在传输之前用一个H门进行操作。
其中，S3.2中，具体进行比特翻转纠错操作时，例如，经过测量后接收到的是|010>量子态，那么判定第二个量子位发生了错误，将其纠正为|000>，剔除辅助粒子后，接收到的粒子信息为|0>，具体电路图如图6所示。
进而，根据对引入的粒子4、5的状态测量结果，对发生错误的粒子进行纠错，详细的纠错如图7中的纠错结果表所示。
其中，S3.3中，具体进行相位翻转纠错操作时，例如，
Figure BDA0003511101740000074
变为
Figure BDA0003511101740000075
Figure BDA0003511101740000076
此时在传输之前对每一个粒子进行一个H门操作，并将其标记为|+>和|->(|+>＝H|0>,|->＝H|1>)。
具体地，根据H门的性质，对一个量子比特连续执行两个H门，相当于没有对其进行操作，具体电路图如图8所示。
本实施例中，S4中，接收方对纠错后的粒子进行解码的具体方法包括如下步骤：
S4.1、接收方利用粒子1作为控制粒子，粒子2为受控粒子，进行受控非门操作，从而确定粒子2的具体状态；
S4.2、接收方利用粒子1作为控制粒子，粒子3为受控粒子，再次进行受控非门操作，从而确定粒子3的具体状态；
S4.3、接收方对手中粒子1进行H门操作，确定粒子1的具体状态，确定整个系统的状态；
S4.4、接收方在确定了全部粒子状态后，可以根据之前双方所确定的通信协议解读信息，进而确定整体的系统状态，从而可以传输2bit信息。
具体地，S4.1、S4.2中，受控非门操作的计算表达式如下所示：
Figure BDA0003511101740000081
其中，通过上述的受控非门操作，可以确定粒子2、粒子3的具体状态；其中，粒子1、2执行受控非门操作后状态具体变化如图10中的变化表所示，粒子1、3执行受控非门操作后状态具体变化如图10中的变化表所示。
具体地，S4.3中，H门操作的其矩阵形式表达式为：
Figure BDA0003511101740000082
其中，在确定了粒子2和3的具体状态后，只要确定粒子1的状态就可以确定整个系统的状态，接收方对手中粒子1进行H门操作后的具体变化如图12中的结果表所示。
其中，S4.4中，整个的系统状态具体存在四个系统状态，具体如下表所示：
Qubit 1 Qubit 2 Qubit 3 Information
0 0 0 00
0 1 1 01
1 0 0 10
1 1 1 11
另外，值得说明的是，上述实施例中只应用了两个自由度的GHZ纠缠态粒子进行通信，而实际可以用多个自由度纠缠态粒子进行通信，从而扩展量子通信的应用领域。
如图13所示，本实施例还提供了一种基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议的执行装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议的步骤。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议的步骤。
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面基于纠缠态粒子抗噪声的超密编码通信协议的步骤。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：包括如下步骤：
S1、对纠缠态粒子进行初始化处理；
S2、对发送方粒子进行编码；
S3、对接收方粒子进行纠错；
S4、接收方对纠错后的粒子进行解码。
2.根据权利要求1所述的基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：所述S1中，对纠缠态粒子进行初始化处理的具体方法包括如下步骤：
S1.1、通过已有的可以制备三量子比特GHZ态的超纠缠设备进行三量子比特GHZ态制备，并得到三量子比特态；
S1.2、将已经制备得到的三个纠缠态粒子分发，其中一个粒子给发送方，剩余两个粒子给接收方。
3.根据权利要求2所述的基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：所述S1.1中，制备三量子比特GHZ态过程中的计算表达式为：
Figure FDA0003511101730000011
4.根据权利要求2所述的基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：所述S2中，对发送方粒子进行编码的具体方法包括如下步骤：
S2.1、发送方从四种酉操作中选择其中一个作用到手中粒子上对其进行编码，并确定该酉操作下对应的系统状态；
S2.2、发送方将编码后的粒子通过引入辅助粒子1’和1”进行重复编码并发送给接收方，重复编码后的粒子变为三个相同状态的粒子。
5.根据权利要求4所述的基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：所述S2.1中，四种酉操作分别为：σI，σx，σY，σZ；其中，四个酉操作的表达式分别为：
Figure FDA0003511101730000012
Figure FDA0003511101730000021
Figure FDA0003511101730000022
Figure FDA0003511101730000023
6.根据权利要求4所述的基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：所述S3中，对接收方粒子进行纠错的具体方法包括如下步骤：
S3.1、接收方使用CSS码，按照多数原则对接收到的粒子进行纠错，将接收到的三个粒子分别编号为1、2、3；
S3.2、设计比特翻转纠错电路图，在初始的三个粒子基础上引入粒子4、5，根据对引入的粒子4、5的状态测量结果，对发生比特翻转错误的粒子进行纠错；
S3.3、针对相位翻转噪声，对上述电路做出修改以获得相位翻转纠错电路图，并对每一个粒子在传输之前用一个H门进行操作。
7.根据权利要求6所述的基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：所述S4中，接收方对纠错后的粒子进行解码的具体方法包括如下步骤：
S4.1、接收方利用粒子1作为控制粒子，粒子2为受控粒子，进行受控非门操作，从而确定粒子2的具体状态；
S4.2、接收方利用粒子1作为控制粒子，粒子3为受控粒子，再次进行受控非门操作，从而确定粒子3的具体状态；
S4.3、接收方对手中粒子1进行H门操作，确定粒子1的具体状态，确定整个系统的状态；
S4.4、接收方在确定了全部粒子状态后，可以根据之前双方所确定的通信协议解读信息，进而确定整体的系统状态，从而可以传输2bit信息。
8.根据权利要求7所述的基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：所述S4.1、所述S4.2中，受控非门操作的计算表达式如下所示：
Figure FDA0003511101730000031
9.根据权利要求7所述的基于纠缠态粒子的超密编码通信协议，其特征在于：所述S4.3中，H门操作的其矩阵形式表达式为：
Figure FDA0003511101730000032
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