CN115314121B - 量子通信方法、装置及电子设备 - Google Patents

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CN115314121B CN202210927987.6A CN202210927987A CN115314121B CN 115314121 B CN115314121 B CN 115314121B CN 202210927987 A CN202210927987 A CN 202210927987A CN 115314121 B CN115314121 B CN 115314121B
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Abstract

本公开提供了一种量子通信方法、装置及电子设备，涉及量子计算技术领域，具体涉及量子通信技术领域。具体实现方案为：获取第一量子信道，获取目标编码方案；基于第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，目标传输效果为使用目标编码方案和N次第一量子信道后的传输效果；基于目标编码方案、第一量子信道和辅助量子信道，构造第四量子信道；第三量子态与第四量子态的距离误差小于所述第一预设阈值的两倍，第三量子态为：使用第二量子信道和辅助量子信道传输第二目标量子态得到的量子态，第四量子态为：使用第四量子信道传输第二目标量子态得到的量子态；使用第四量子信道进行量子通信。

Description

量子通信方法、装置及电子设备
技术领域
本公开涉及量子计算技术领域，尤其涉及量子通信技术领域，具体涉及一种量子通信方法、装置及电子设备。
背景技术
量子通信是一种利用量子比特作为信息载体并通过量子信道来完成信息传输的新型通信方式，其具有相较于经典通信更好的信息传输能力和更高的传输安全性。
量子通信编码是设计信息传输过程中的编码和解码方式，可以将需要传输的量子比特通过编码器进行编码，经过编码后的量子比特再交给量子信道进行传输，接收方则使用设计好的解码器对量子比特中的信息进行解码还原。
目前，量子通信编码方案通常需要多次使用给定的量子信道，以达到预期的传输精度要求。
发明内容
本公开提供了一种量子通信方法、装置及电子设备。
根据本公开的第一方面，提供了一种量子通信方法，包括：
获取第一量子信道，以及获取目标编码方案，所述目标编码方案为使第一量子态与第二量子态的距离误差小于第一预设阈值的编码方案，所述第一量子态为：使用所述目标编码方案编码第一目标量子态，并使用N次所述第一量子信道传输得到的量子态，所述第二量子态为：使用N次第二量子信道传输所述第一目标量子态得到的量子态，N为大于1的整数；
基于所述第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，所述第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，所述目标传输效果为使用所述目标编码方案和N次所述第一量子信道后的传输效果；
基于所述目标编码方案、所述第一量子信道和所述辅助量子信道，构造第四量子信道；第三量子态与第四量子态的距离误差小于所述第一预设阈值的两倍，所述第三量子态为：使用所述第二量子信道和所述辅助量子信道传输第二目标量子态得到的量子态，所述第四量子态为：使用所述第四量子信道传输所述第二目标量子态得到的量子态；
使用所述第四量子信道进行量子通信。
根据本公开的第二方面，提供了一种量子通信装置，包括：
获取模块，用于获取第一量子信道，以及获取目标编码方案，所述目标编码方案为使第一量子态与第二量子态的距离误差小于第一预设阈值的编码方案，所述第一量子态为：使用所述目标编码方案编码第一目标量子态，并使用N次所述第一量子信道传输得到的量子态，所述第二量子态为：使用N次第二量子信道传输所述第一目标量子态得到的量子态，N为大于1的整数；
第一构造模块，用于基于所述第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，所述第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，所述目标传输效果为使用所述目标编码方案和N次所述第一量子信道后的传输效果；
第二构造模块，用于基于所述目标编码方案、所述第一量子信道和所述辅助量子信道，构造第四量子信道；第三量子态与第四量子态的距离误差小于所述第一预设阈值的两倍，所述第三量子态为：使用所述第二量子信道和所述辅助量子信道传输第二目标量子态得到的量子态，所述第四量子态为：使用所述第四量子信道传输所述第二目标量子态得到的量子态；
量子通信模块，用于使用所述第四量子信道进行量子通信。
根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，该指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行第一方面中的任一项方法。
根据本公开的第四方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，该计算机指令用于使计算机执行第一方面中的任一项方法。
根据本公开的第五方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现第一方面中的任一项方法。
根据本公开的技术解决了量子网络的信息处理能力比较弱的问题，提高了量子网络的信息处理能力。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
图1是根据本公开第一实施例的量子通信方法的流程示意图；
图2是编码方案的原理示意图；
图3是使用目标编码方案和N次第一量子信道传输量子态的原理示意图；
图4是第N个量子信道分量的结构示意图；
图5是第四量子信道以及与其等效的量子信道的结构示意图；
图6是第四量子信道的子信道的结构示意图；
图7是第三量子信道的第N-k个子信道的结构示意图；
图8是第k个量子信道分量的结构示意图；
图9是根据本公开第二实施例的量子通信装置的结构示意图；
图10是用来实施本公开的实施例的示例电子设备的示意性框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
第一实施例
如图1所示，本公开提供一种量子通信方法，包括如下步骤：
步骤S101：获取第一量子信道，以及获取目标编码方案，所述目标编码方案为使第一量子态与第二量子态的距离误差小于第一预设阈值的编码方案，所述第一量子态为：使用所述目标编码方案编码第一目标量子态，并使用N次所述第一量子信道传输得到的量子态，所述第二量子态为：使用N次第二量子信道传输所述第一目标量子态得到的量子态。
其中，N为大于1的整数。
本实施例中，量子通信方法涉及量子计算技术领域，尤其涉及量子通信技术领域，其可以广泛应用于通信场景下。本公开实施例的量子通信方法，可以由本公开实施例的量子通信装置执行。本公开实施例的量子通信装置可以配置在任意电子设备中，以执行本公开实施例的量子通信方法。
量子信道指的是量子比特传输的通道，第一量子信道可以为任一量子信道，称之为初始量子信道，其可以是预先给定的量子信道。
量子通信是一种利用量子比特作为信息的载体，通过量子信道来完成信息传输的新型通信方式。通过对量子相干性及量子纠缠等资源的使用，量子通信具有相较于经典通信更好的信息传输能力和更高的传输安全性。
然而，实际使用中，量子比特和量子信道不可避免的会受到外界环境和噪声的干扰，因此，需要使用量子通信编码的技巧来实现更优的信息传输效果。
简单来说，量子通信编码就是设计信息传输过程中的编码和解码方式。图2是编码方案的原理示意图，如图2所示，发送方可以将需要传输的量子比特通过编码器进行编码，经过编码后的量子比特再交给量子信道进行传输，接收方则使用设计好的解码器对量子比特中的信息进行解码还原。通过对不同编码和解码方式的设计，可以实现不同的信息传输效果。
如图2所示，设节点A和节点B之间存在一条量子信道
Figure BDA0003780406840000041
即初始量子信道(如光纤或者自由空间信道)，通过设计编码和解码方案，可以等效实现另一条量子信道/>
Figure BDA0003780406840000042
即目标量子信道的传输效果，量子信道/>
Figure BDA0003780406840000043
相对于量子信道/>
Figure BDA0003780406840000044
其噪声可能更低。其中，等效意味着图1中上下两种传输方案中，对于任意的从节点A输入的量子态，节点B接收到的量子态都相同或者在给定的误差精度范围内。为简化表述，编码和解码通常可以统称为通信编码方案。
目标编码方案可以是通信编码方案中的一种，该目标编码方案中，通常可以将一个整体的量子态，如包含k个量子比特，编码成一个N个量子比特的态，这样需要多次使用第一量子信道来传输编码后得到的量子态，才能渐进达到预期的精度要求。
图3是使用目标编码方案和N次第一量子信道传输量子态的原理示意图，如图3所示，该目标编码方案ΠN为使第一量子态与第二量子态的距离误差小于第一预设阈值的编码方案，即存在目标编码方案ΠN，可以使得N次使用第一量子信道
Figure BDA0003780406840000051
后，等效成N次使用第二量子信道/>
Figure BDA0003780406840000052
(即目标量子信道)。其中，信道等效的误差容忍度用ε表示。
也就是说，对于任何输入态(即第一目标量子态)，存在两种传输方案，第一种传输方案为使用目标编码方案编码该输入态，并使用N次所述第一量子信道传输编码后的量子态，可以得到一输出态(即第一量子态)，第二传输方案为直接使用N次第二量子信道传输该输入态，得到另一输出态(即第二量子态)，这两种传输方案的输出态的距离误差小于ε(即第一预设阈值)。
可以简记使用目标编码方案ΠN和N次第一量子信道
Figure BDA0003780406840000053
(即使用第一种传输方案)后，整体的量子信道201可以记为/>
Figure BDA0003780406840000054
可以获取已知存在的目标编码方案；也可以计算第一量子信道的信息熵
Figure BDA0003780406840000055
和第二量子信道的信息熵/>
Figure BDA0003780406840000056
在/>
Figure BDA0003780406840000057
的情况下，针对第一量子信道、第二量子信道和量子信息传输的误差容忍度ε，根据量子香农可逆定理，构造目标编码方案。
步骤S102：基于所述第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，所述第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，所述目标传输效果为使用所述目标编码方案和N次所述第一量子信道后的传输效果。
对于给定的第一量子信道
Figure BDA0003780406840000058
(初始量子信道)和第二量子信道/>
Figure BDA0003780406840000059
(目标量子信道)，如何设计相应的通信编码方案是量子通信理论中最基本的一个问题，同时也是实现量子互联网的关键一环。由于量子信息传输是量子互联网架构中最核心的操作之一，高效的编码方式能大大提升量子网络通信能力和整个网络的信息处理能力(例如，提高吞吐量，以及降低信息传输时延等)。
由于目标编码方案通常需要多次使用第一量子信道来传输编码后得到的量子态，才能渐进达到预期的精度要求，且量子信道使用次数越多，传输精度越高，因此，这会使得通信效率降低，通信时间成本提高。例如，一个节点在使用量子信道进行通信时会影响其他节点对该链路的使用权限，因此多次使用量子信道进行信息传输会大大降低网络通信效率，进而降低量子网络的吞吐量和信息处理能力。
而本实施例的目的即是给出一种新的通信编码方案，通过引入辅助量子信道
Figure BDA0003780406840000061
结合目标编码方案和第一量子信道，构造一个新的量子信道，使用这个新的量子信道进行量子通信，可以使得在仅使用1次初始量子信道和1次辅助量子信道的情况下，即达到给定的信息传输精度，且保证不影响辅助量子信道其原有的通信能力。
通过该步骤，基于第一量子信道和第三量子信道，即可以构造得到一个辅助量子信道。其中，第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，所述目标传输效果为使用所述目标编码方案和N次所述第一量子信道后的传输效果，在一可选实施方式中，第三量子信道可以为
Figure BDA0003780406840000062
第三量子信道可以包括N个传输系统，即第三量子信道为多输入多输出的量子信道。
在具体构造过程中，可以获取第三量子信道的子信道，第三量子信道的子信道可以通过剔除第三量子信道中的一些传输系统得到，所述辅助量子信道由N个量子信道分量进行均匀概率叠加得到，所述量子信道分量可以包括所述第一量子信道和/或所述第三量子信道的子信道。
每个量子信道分量包括N-1个传输系统，且辅助量子信道需要保证存在至少一个量子信道分量包括N-1个第一量子信道，使得第一量子信道与辅助量子信道整合之后，可以施加目标编码方案。
相应的，辅助量子系统包括N-1个传输系统和1个经典系统，该经典系统的维度为N，且第一量子信道与辅助量子信道整合后的量子系统包括N个传输系统和1个经典系统，其经典系统的维度为N。其中，每个量子信道分量可以对应经典系统中的一个维度标号，传输系统可以为包括输入系统和输出系统，输入系统和输出系统一一对应，输入系统可以为输入态的量子系统，输出系统可以为输出态的量子系统。
在一可选实施方式中，可以设置第N个量子信道分量包括N-1个第一量子信道，如图4所示为第N个量子信道分量的结构示意图。在另一可选实施方式中，也可以设置其他量子信道分量包括N-1个第一量子信道，这里不进行具体限定。
步骤S103：基于所述目标编码方案、所述第一量子信道和所述辅助量子信道，构造第四量子信道；第三量子态与第四量子态的距离误差小于所述第一预设阈值的两倍，所述第三量子态为：使用所述第二量子信道和所述辅助量子信道传输第二目标量子态得到的量子态，所述第四量子态为：使用所述第四量子信道传输所述第二目标量子态得到的量子态。
该步骤中，第四量子信道是在整合第一量子信道和辅助量子信道的基础上，对整合的量子信道施加第一通信编码方案A得到，第一通信编码方案可以为在整合的量子信道中包括N个第一量子信道的量子信道分量上施加目标编码方案，之后对施加了目标编码方案的量子信道执行相应的交换操作。
图5是第四量子信道以及与其等效的量子信道的结构示意图，如图5所示，第一量子信道和辅助量子信道整合，并施加第一通信编码方案A后，可以得到第四量子信道501。该第四量子信道501的传输效果可以等效于量子信道502的传输效果，量子信道502是第二量子信道
Figure BDA0003780406840000071
和辅助量子信道/>
Figure BDA0003780406840000072
整合后的量子信道，而量子信道502的传输效果是使用1次第二量子信道/>
Figure BDA0003780406840000073
和使用1次辅助量子信道/>
Figure BDA0003780406840000074
后的传输效果。
也就是说，第一通信编码方案A的操作下，可以使用初始量子信道
Figure BDA0003780406840000075
和辅助量子信道/>
Figure BDA0003780406840000076
各一次，来达到目标量子信道/>
Figure BDA0003780406840000077
传输信息的效果和精度。具体的，对于任意的输入量子态σ(即第二目标量子态)，有/>
Figure BDA0003780406840000078
其中/>
Figure BDA0003780406840000079
为第四量子信道。即图5所示的两种传输方式中输出量子态(分别为第三量子态和第四量子态)的迹距离小于2倍给定的误差容忍度。
与此同时，将第四量子信道中第一量子信道对应的传输系统剔除所得到的子信道，其传输效果将会和辅助量子信道
Figure BDA00037804068400000710
完全相同，即第一通信编码方案A不会破坏辅助量子信道的通信能力，如图6所示。
步骤S104：使用所述第四量子信道进行量子通信。
该步骤中，在得到第四量子信道的情况下，可以使用第四量子信道进行量子通信，这样可以使用1次初始量子信道
Figure BDA0003780406840000081
和1次辅助量子信道/>
Figure BDA0003780406840000082
即可以达到目标量子信道/>
Figure BDA0003780406840000083
传输信息的效果和精度，即可达到多次使用信道的传输效果。
本实施例中，通过获取第一量子信道，以及获取目标编码方案，所述目标编码方案为使第一量子态与第二量子态的距离误差小于第一预设阈值的编码方案，所述第一量子态为：使用所述目标编码方案编码第一目标量子态，并使用N次所述第一量子信道传输得到的量子态，所述第二量子态为：使用N次第二量子信道传输所述第一目标量子态得到的量子态；基于所述第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，所述第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，所述目标传输效果为使用所述目标编码方案和N次所述第一量子信道后的传输效果；基于所述目标编码方案、所述第一量子信道和所述辅助量子信道，构造第四量子信道；第三量子态与第四量子态的距离误差小于所述第一预设阈值的两倍，所述第三量子态为：使用所述第二量子信道和所述辅助量子信道传输第二目标量子态得到的量子态，所述第四量子态为：使用所述第四量子信道传输所述第二目标量子态得到的量子态；使用所述第四量子信道进行量子通信。如此，通过引入辅助量子信道的方式，在达到给定的信息传输精度的前提下，可以大大降低量子通信中量子信道的使用次数，从而可以提升整个量子网络的吞吐量和信息处理能力，提高信息传输效率。同时，还可以保证辅助量子信道的信息传输能力不受影响。
可选的，所述步骤S101具体包括：
确定所述第一量子信道的第一信息熵，以及确定所述第二量子信道的第二信息熵；
在所述第一信息熵大于或等于所述第二信息熵的情况下，基于所述第一量子信道和所述第二量子信道，确定所述目标编码方案。
本实施方式中，可以基于第一量子信道和第二量子信道来构造目标编码方案。
对于给定一个初始量子信道
Figure BDA0003780406840000084
和目标量子信道/>
Figure BDA0003780406840000085
以及给定的量子信息传输的误差容忍度ε。可以判断是否存在已知的目标编码方案，如果不存在，则可以计算给定的两个量子信道的信息熵，分别为/>
Figure BDA0003780406840000091
和/>
Figure BDA0003780406840000092
如果，
Figure BDA0003780406840000093
则可以确定不存在目标编码方案，使得使用N次量子信道
Figure BDA0003780406840000094
可以等效成使用N次量子信道/>
Figure BDA0003780406840000095
的传输效果。
否则，可以根据量子香农可逆定理，基于第一量子信道和第二量子信道，构造目标编码方案。如此，可以实现目标编码方案的构造。
可选的，所述第三量子信道包括N个传输系统，所述步骤S102具体包括：
获取N个量子信道分量，N个所述量子信道分量中的第k个量子信道分量是将k-1个所述第一量子信道与所述第三量子信道的第N-k个子信道进行整合得到的，所述第N-k个子信道是剔除k个目标传输系统后得到的，所述目标传输系统为所述第三量子信道中第N-k个传输系统之后的传输系统，k为小于或等于N的正整数；
对N个所述量子信道分量进行均匀概率叠加，得到所述辅助量子信道。
本实施方式中，在构造辅助量子信道之前，可以首先获取第三量子信道的N个子信道，具体的，针对第三量子信道的第N-k个子信道，可以将第三量子信道中第N-k个传输系统之后的所有传输系统剔除，剔除后的量子信道即为第三量子信道的第N-k个子信道。
在一可选实施方式中，所述传输系统可以包括输入系统和输出系统，将第三量子信道中的目标传输系统剔除，以得到第N-k个子信道，可以包括：
将所述目标传输系统中输入系统的输入态设置为预设量子态，并删除所述目标传输系统中输出系统的输出态，得到所述第N-k个子信道。
其中，预设量子态可以为最大混合态π，最大混合态π为一种固定的量子态，其每个对角元相等，非对角元为0，也可以为其他态，这里不进行具体限定。
图7是第三量子信道的第N-k个子信道的结构示意图，如图7所示，对于一个包括N输入系统和N个输出系统的第三量子信道，可以在最后k个输入系统中固定输入最大混合态π，之后可以通过数学上的取偏迹操作将最后k个输出系统的输出态丢弃掉，相应的，可以得到第三量子信道的第N-k个子信道，如此，可以实现第三量子信道的子信道的构造。
可以简记i∶N＝{i,i+1,…N}，表示一个连续的正整数集合，设第三量子信道为
Figure BDA0003780406840000101
剔除掉最后N-i个传输系统后，i可以为N-k，可以获得第i个子信道表示为如下式(1)所示。
Figure BDA0003780406840000102
其中，上式(1)中，
Figure BDA0003780406840000103
为作用在最后N-i个输入系统上的最大混合态，ρ为前i个系统上的任意的输入量子态，/>
Figure BDA0003780406840000104
表示丢弃掉最后n-i个输出系统的态。
之后，可以基于第三量子信道的子信道和第一量子信道，构造辅助量子信道的N个量子信道分量，具体的，针对第k个量子信道分量，可以用
Figure BDA0003780406840000105
表示，表示其是由k-1个第一量子信道与第三量子信道的第N-k个子信道进行整合得到，第k个量子信道分量的结构如图8所示。
相应的，对N个量子信道分量进行均匀概率叠加，得到辅助量子信道，可以用如下式(2)表示。
Figure BDA0003780406840000106
上式(2)中，表示辅助量子信道由N个量子信道分量按1/N的均匀概率叠加组成，其中，|k><k|表示每个量子信道分量对应的经典标号。每个量子信道分量由初始量子信道
Figure BDA0003780406840000107
和第三量子信道/>
Figure BDA0003780406840000108
的子信道/>
Figure BDA0003780406840000109
构成。如此，可以实现辅助量子信道的构造。
可选的，所述步骤S103具体包括：
将所述第一量子信道和所述辅助量子信道进行整合，得到第一目标量子信道；
对所述第一目标量子信道中的目标量子信道分量施加所述目标编码方案，得到第二目标量子信道，所述目标量子信道分量为所述辅助量子信道中的第N个量子信道分量；
对所述第二目标量子信道执行交换操作，得到所述第四量子信道。
本实施方式中，可以将第一量子信道和辅助量子信道进行整合，得到第一目标量子信道，其初始量子信道
Figure BDA00037804068400001010
和辅助量子信道/>
Figure BDA00037804068400001011
的整体即第一目标量子信道可以合记为如下式(3)所示。
Figure BDA00037804068400001012
找到辅助量子信道的第N个量子信道分量，施加目标编码方案ΠN，相当于对整个辅助量子信道施加编码方案，对整个辅助量子信道施加编码方案可以表示为下式(4)所示。
Figure BDA0003780406840000111
即前N-1个量子信道分量不做任何操作，对第N个量子信道分量施加ΠN。此步骤后的整体量子信道即第二目标量子信道
Figure BDA0003780406840000112
可以表示为如下式(5)所示。
Figure BDA0003780406840000113
/>
之后，对第二目标量子信道执行交换操作，得到第四量子信道，其中，交换操作可以包括量子信道分量的维度交换操作，和/或，量子信道的传输系统交换操作，量子信道分量的维度交换操作指的是交换量子信道分量的维度，以将量子信道分量从一个维度变换到另一个维度，量子信道的传输系统交换操作指的是交换量子信道的传输系统，以将量子信道中的一个传输系统变换到另一个传输系统。
交换操作的目的是通过量子信道分量的维度交换操作，和/或，量子信道的传输系统交换操作，以使得整体的量子信道，可以达到目标量子信道
Figure BDA0003780406840000114
传输信息的效果和精度，得到第四量子信道。如此，可以实现对第四量子信道的构造。
可选的，所述对所述第二目标量子信道执行交换操作，得到所述第四量子信道，包括：
以量子信道分量为基准，对所述第二目标量子信道中的量子信道分量执行第一轮换操作，得到第三目标量子信道；
以传输系统为基准，对所述第三目标量子信道中的传输系统执行第二轮换操作，得到所述第四量子信道。
本实施方式中，交换操作可以包括第一轮换操作和第二轮换操作，第一轮换操作可以对应量子信道分量的维度交换操作，用于将量子信道分量从一个维度变换到另一个维度，第二轮换操作可以对应量子信道的传输系统交换操作，用于将量子信道中的一个传输系统变换到另一个传输系统。
其中，轮换可以指的是将量子信道分量依次进行变换，直至所有的量子信道分量变换完成，而以维度为基准指的是将一个维度的量子信道分量批量变换到另一个维度，以传输系统为基准指的是将量子信道的所有量子信道分量中的一个传输系统批量变换至另一个传输系统。
第一轮换操作可以包括一次、两次甚至是多次轮换，轮换顺序可以按照量子信道分量的维度从小到大的顺序，也可以按照从大到小的顺序；第二轮换操作也可以包括一次、两次甚至是多次轮换，轮换顺序可以按照传输系统从前至后的排列顺序，也可以按照从后至前的排列顺序，这里均不进行具体限定。
可以以维度为基准，以任一轮换步长对第二目标量子信道中各个维度的量子信道分量执行第一轮换操作，得到第三目标量子信道。在一可选实施方式中，轮换步长可以为1，第一轮换操作可以包括一次轮换，轮换顺序可以按照量子信道分量的维度从小到大的顺序。
可以以传输系统为基准，以任一轮换步长对第三目标量子信道中各个传输系统执行第二轮换操作，得到第四量子信道。在一可选实施方式中，轮换步长可以为1，第二轮换操作可以包括一次轮换，轮换顺序可以按照传输系统从前至后的排列顺序。
可以通过对第二目标量子信道中的经典系统施加酉变换，来执行第一轮换操作。可以通过互换(SWAP)门对第三目标量子信道中的不同传输系统进行交换，以执行第二轮换操作。
本实施方式中，通过第一轮换操作和第二轮换操作，可以实现第四量子信道的构造，且通过轮换方式实现相对简单。
可选的，所述以量子信道分量为基准，对所述第二目标量子信道中的量子信道分量执行第一轮换操作，得到第三目标量子信道，包括：
按照量子信道分量从小到大的顺序，以轮换步长为1对所述第二目标量子信道中的量子信道分量进行轮换，得到第三目标量子信道。
本实施方式中，轮换顺序可以按照维度从小到大的顺序，轮换步长为1，并仅执行一次轮换.
具体的，对经典系统的维度标号进行轮换，即将|i><i|变换为|i+1><i+1|，将|N><N|变换为|1><1|，可以对经典系统施加酉变换
Figure BDA0003780406840000121
酉变换后可以得到第三目标量子信道/>
Figure BDA0003780406840000122
可以用下式(6)表示。
Figure BDA0003780406840000123
本实施方式中，通过按照维度从小到大的顺序，轮换步长为1，并仅执行一次轮换的第一轮换操作，可以进一步简化交换操作的处理。
可选的，所述以传输系统为基准，对所述第三目标量子信道中的传输系统执行第二轮换操作，得到所述第四量子信道，包括：
按照传输系统从前至后的排列顺序，以轮换步长为1对所述第三目标量子信道中的传输系统进行轮换，得到所述第四量子信道。
本实施方式中，对第三目标量子信道中的输入态和输出态的量子系统依次进行轮换，将量子系统i上的量子态变换到量子系统i+1上，将量子系统N上的量子态变换到量子系统1上，可以得到第四量子信道
Figure BDA0003780406840000131
本实施方式中，通过按照传输系统从前至后的排列顺序，轮换步长为1，并仅执行一次轮换的第二轮换操作，可以进一步简化交换操作的处理。
以下以一具体示例，对本实施例提供的量子通信方案进行详细说明。
步骤1：针对初始量子信道、目标量子信道和信道等效的误差容忍度，判断是否存在目标编码方案，使得N次使用初始量子信道后可以等效成N次使用目标量子信道；
步骤1.1：如果存在，可以直接获取已经存在的目标编码方案；
步骤1.2：如果不存在，计算给定的两个量子信道的信息熵，在初始量子信道的信息熵大于或等于目标量子信道的信息熵的情况下，根据量子香农可逆定理，基于初始量子信道、目标量子信道和信道等效的误差容忍度，构造目标编码方案；
步骤2：获取第三量子信道，第三量子信道可以为使用目标编码方案和使用N次初始量子信道后整体的量子信道；
步骤3：基于第三量子信道，构造其N个子信道；
步骤4：将k-1个初始量子信道与第三量子信道的第N-k个子信道进行整合，得到辅助量子信道的第k个量子信道分量；按照上述方式可以构造得到N个量子信道分量；
步骤5：将N个量子信道分量进行均匀概率叠加，得到辅助量子信道；
步骤6：整合初始量子信道和辅助量子信道，得到第一目标量子信道；
步骤7：对第一目标量子信道中的目标量子信道分量施加所述目标编码方案，得到第二目标量子信道，目标量子信道分量为所述辅助量子信道中的第N个量子信道分量；
步骤8：按照量子信道分量从小到大的顺序，以轮换步长为1对所述第二目标量子信道中的量子信道分量进行轮换，得到第三目标量子信道；
步骤9：按照传输系统从前至后的排列顺序，以轮换步长为1对所述第三目标量子信道中的传输系统进行轮换，得到所述第四量子信道；
步骤10：使用第四量子信道进行量子通信。
相应的，所述第四量子信道的目标子信道为所述辅助量子信道，所述目标子信道是剔除所述第四量子信道中的第1个传输系统后得到的，如图6所示。如此，在第四量子信道
Figure BDA0003780406840000141
中，如果考虑其在最后N-1个传输系统上的子信道，其作用效果将会和辅助量子信道/>
Figure BDA0003780406840000142
完全相同，即第一通信编码方案A不会破坏辅助量子信道的通信能力。
第二实施例
如图9所示，本公开提供一种量子通信装置900，包括：
获取模块901，用于获取第一量子信道，以及获取目标编码方案，所述目标编码方案为使第一量子态与第二量子态的距离误差小于第一预设阈值的编码方案，所述第一量子态为：使用所述目标编码方案编码第一目标量子态，并使用N次所述第一量子信道传输得到的量子态，所述第二量子态为：使用N次第二量子信道传输所述第一目标量子态得到的量子态，N为大于1的整数；
第一构造模块902，用于基于所述第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，所述第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，所述目标传输效果为使用所述目标编码方案和N次所述第一量子信道后的传输效果；
第二构造模块903，用于基于所述目标编码方案、所述第一量子信道和所述辅助量子信道，构造第四量子信道；第三量子态与第四量子态的距离误差小于所述第一预设阈值的两倍，所述第三量子态为：使用所述第二量子信道和所述辅助量子信道传输第二目标量子态得到的量子态，所述第四量子态为：使用所述第四量子信道传输所述第二目标量子态得到的量子态；
量子通信模块904，用于使用所述第四量子信道进行量子通信。
可选的，所述获取模块901包括：
第一确定子模块，用于确定所述第一量子信道的第一信息熵，以及确定所述第二量子信道的第二信息熵；
第二确定子模块，用于在所述第一信息熵大于或等于所述第二信息熵的情况下，基于所述第一量子信道和所述第二量子信道，确定所述目标编码方案。
可选的，所述第三量子信道包括N个传输系统，所述第一构造模块902包括：
获取子模块，用于获取N个量子信道分量，N个所述量子信道分量中的第k个量子信道分量是将k-1个所述第一量子信道与所述第三量子信道的第N-k个子信道进行整合得到的，所述第N-k个子信道是剔除k个目标传输系统后得到的，所述目标传输系统为所述第三量子信道中第N-k个传输系统之后的传输系统，k为小于或等于N的正整数；
叠加子模块，用于对N个所述量子信道分量进行均匀概率叠加，得到所述辅助量子信道。
可选的，所述传输系统包括输入系统和输出系统，所述装置还包括：
设置模块，用于将所述目标传输系统中输入系统的输入态设置为预设量子态；
删除模块，用于删除所述目标传输系统中输出系统的输出态，得到所述第N-k个子信道。
可选的，所述第二构造模块903包括：
整合子模块，用于将所述第一量子信道和所述辅助量子信道进行整合，得到第一目标量子信道；
编码子模块，用于对所述第一目标量子信道中的目标量子信道分量施加所述目标编码方案，得到第二目标量子信道，所述目标量子信道分量为所述辅助量子信道中的第N个量子信道分量；
交换操作子模块，用于对所述第二目标量子信道执行交换操作，得到所述第四量子信道。
可选的，所述交换操作子模块包括：
第一操作单元，用于以量子信道分量为基准，对所述第二目标量子信道中的量子信道分量执行第一轮换操作，得到第三目标量子信道；
第二操作单元，用于以传输系统为基准，对所述第三目标量子信道中的传输系统执行第二轮换操作，得到所述第四量子信道。
可选的，所述第一操作单元，具体用于：
按照量子信道分量从小到大的顺序，以轮换步长为1对所述第二目标量子信道中的量子信道分量进行轮换，得到第三目标量子信道。
可选的，所述第二操作单元，具体用于：
按照传输系统从前至后的排列顺序，以轮换步长为1对所述第三目标量子信道中的传输系统进行轮换，得到所述第四量子信道。
可选的，所述第四量子信道的目标子信道为所述辅助量子信道，所述目标子信道是剔除所述第四量子信道中的第1个传输系统后得到的。
本公开提供的量子通信装置900能够实现量子通信方法实施例实现的各个过程，且能够达到相同的有益效果，为避免重复，这里不再赘述。
本公开的技术方案中，所涉及的用户个人信息的收集、存储、使用、加工、传输、提供和公开等处理，均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图10示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图10所示，设备1000包括计算单元1001，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1002中的计算机程序或者从存储单元1008加载到随机访问存储器(RAM)1003中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 1003中，还可存储设备1000操作所需的各种程序和数据。计算单元1001、ROM 1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。输入/输出(I/O)接口1005也连接至总线1004。
设备1000中的多个部件连接至I/O接口1005，包括：输入单元1006，例如键盘、鼠标等；输出单元1007，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元1008，例如磁盘、光盘等；以及通信单元1009，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元1009允许设备1000通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
计算单元1001可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元1001的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元1001执行上文所描述的各个方法和处理，例如量子通信方法。例如，在一些实施例中，量子通信方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元1008。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM1002和/或通信单元1009而被载入和/或安装到设备1000上。当计算机程序加载到RAM 1003并由计算单元1001执行时，可以执行上文描述的量子通信方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元1001可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行量子通信方法。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、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或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)和互联网。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (18)

1.一种量子通信方法，包括：
获取第一量子信道，以及获取目标编码方案，所述目标编码方案为使第一量子态与第二量子态的距离误差小于第一预设阈值的编码方案，所述第一量子态为：使用所述目标编码方案编码第一目标量子态，并使用N次所述第一量子信道传输得到的量子态，所述第二量子态为：使用N次第二量子信道传输所述第一目标量子态得到的量子态，N为大于1的整数；
基于所述第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，所述第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，所述目标传输效果为使用所述目标编码方案和N次所述第一量子信道后的传输效果，所述辅助量子信道由N个量子信道分量进行均匀概率叠加得到，所述量子信道分量包括所述第一量子信道和/或所述第三量子信道的子信道，第三量子信道的子信道通过剔除所述第三量子信道中的传输系统得到，每个量子信道分量包括N-1个传输系统，且辅助量子信道中存在至少一个量子信道分量包括N-1个第一量子信道；
基于所述目标编码方案、所述第一量子信道和所述辅助量子信道，构造第四量子信道；第三量子态与第四量子态的距离误差小于所述第一预设阈值的两倍，所述第三量子态为：使用所述第二量子信道和所述辅助量子信道传输第二目标量子态得到的量子态，所述第四量子态为：使用所述第四量子信道传输所述第二目标量子态得到的量子态；
使用所述第四量子信道进行量子通信；
所述基于所述目标编码方案、所述第一量子信道和所述辅助量子信道，构造第四量子信道，包括：
将所述第一量子信道和所述辅助量子信道进行整合，得到第一目标量子信道；
对所述第一目标量子信道中的目标量子信道分量施加所述目标编码方案，得到第二目标量子信道，所述目标量子信道分量为所述辅助量子信道中的第N个量子信道分量；
对所述第二目标量子信道执行交换操作，得到所述第四量子信道。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述获取目标编码方案，包括：
确定所述第一量子信道的第一信息熵，以及确定所述第二量子信道的第二信息熵；
在所述第一信息熵大于或等于所述第二信息熵的情况下，基于所述第一量子信道和所述第二量子信道，确定所述目标编码方案。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三量子信道包括N个传输系统，所述基于所述第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，包括：
获取N个量子信道分量，N个所述量子信道分量中的第k个量子信道分量是将k-1个所述第一量子信道与所述第三量子信道的第N-k个子信道进行整合得到的，所述第N-k个子信道是剔除k个目标传输系统后得到的，所述目标传输系统为所述第三量子信道中第N-k个传输系统之后的传输系统，k为小于或等于N的正整数；
对N个所述量子信道分量进行均匀概率叠加，得到所述辅助量子信道。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述传输系统包括输入系统和输出系统，所述获取N个量子信道分量之前，所述方法还包括：
将所述目标传输系统中输入系统的输入态设置为预设量子态，并删除所述目标传输系统中输出系统的输出态，得到所述第N-k个子信道。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述对所述第二目标量子信道执行交换操作，得到所述第四量子信道，包括：
以量子信道分量为基准，对所述第二目标量子信道中的量子信道分量执行第一轮换操作，得到第三目标量子信道；
以传输系统为基准，对所述第三目标量子信道中的传输系统执行第二轮换操作，得到所述第四量子信道。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述以量子信道分量为基准，对所述第二目标量子信道中的量子信道分量执行第一轮换操作，得到第三目标量子信道，包括：
按照量子信道分量从小到大的顺序，以轮换步长为1对所述第二目标量子信道中的量子信道分量进行轮换，得到第三目标量子信道。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述以传输系统为基准，对所述第三目标量子信道中的传输系统执行第二轮换操作，得到所述第四量子信道，包括：
按照传输系统从前至后的排列顺序，以轮换步长为1对所述第三目标量子信道中的传输系统进行轮换，得到所述第四量子信道。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第四量子信道的目标子信道为所述辅助量子信道，所述目标子信道是剔除所述第四量子信道中的第1个传输系统后得到的。
9.一种量子通信装置，包括：
获取模块，用于获取第一量子信道，以及获取目标编码方案，所述目标编码方案为使第一量子态与第二量子态的距离误差小于第一预设阈值的编码方案，所述第一量子态为：使用所述目标编码方案编码第一目标量子态，并使用N次所述第一量子信道传输得到的量子态，所述第二量子态为：使用N次第二量子信道传输所述第一目标量子态得到的量子态，N为大于1的整数；
第一构造模块，用于基于所述第一量子信道和第三量子信道，构造辅助量子信道，所述第三量子信道是具有目标传输效果的量子信道，所述目标传输效果为使用所述目标编码方案和N次所述第一量子信道后的传输效果，所述辅助量子信道由N个量子信道分量进行均匀概率叠加得到，所述量子信道分量包括所述第一量子信道和/或所述第三量子信道的子信道，第三量子信道的子信道通过剔除所述第三量子信道中的传输系统得到，每个量子信道分量包括N-1个传输系统，且辅助量子信道中存在至少一个量子信道分量包括N-1个第一量子信道；
第二构造模块，用于基于所述目标编码方案、所述第一量子信道和所述辅助量子信道，构造第四量子信道；第三量子态与第四量子态的距离误差小于所述第一预设阈值的两倍，所述第三量子态为：使用所述第二量子信道和所述辅助量子信道传输第二目标量子态得到的量子态，所述第四量子态为：使用所述第四量子信道传输所述第二目标量子态得到的量子态；
量子通信模块，用于使用所述第四量子信道进行量子通信；
所述第二构造模块包括：
整合子模块，用于将所述第一量子信道和所述辅助量子信道进行整合，得到第一目标量子信道；
编码子模块，用于对所述第一目标量子信道中的目标量子信道分量施加所述目标编码方案，得到第二目标量子信道，所述目标量子信道分量为所述辅助量子信道中的第N个量子信道分量；
交换操作子模块，用于对所述第二目标量子信道执行交换操作，得到所述第四量子信道。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述获取模块包括：
第一确定子模块，用于确定所述第一量子信道的第一信息熵，以及确定所述第二量子信道的第二信息熵；
第二确定子模块，用于在所述第一信息熵大于或等于所述第二信息熵的情况下，基于所述第一量子信道和所述第二量子信道，确定所述目标编码方案。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第三量子信道包括N个传输系统，所述第一构造模块包括：
获取子模块，用于获取N个量子信道分量，N个所述量子信道分量中的第k个量子信道分量是将k-1个所述第一量子信道与所述第三量子信道的第N-k个子信道进行整合得到的，所述第N-k个子信道是剔除k个目标传输系统后得到的，所述目标传输系统为所述第三量子信道中第N-k个传输系统之后的传输系统，k为小于或等于N的正整数；
叠加子模块，用于对N个所述量子信道分量进行均匀概率叠加，得到所述辅助量子信道。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述传输系统包括输入系统和输出系统，所述装置还包括：
设置模块，用于将所述目标传输系统中输入系统的输入态设置为预设量子态；
删除模块，用于删除所述目标传输系统中输出系统的输出态，得到所述第N-k个子信道。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述交换操作子模块包括：
第一操作单元，用于以量子信道分量为基准，对所述第二目标量子信道中的量子信道分量执行第一轮换操作，得到第三目标量子信道；
第二操作单元，用于以传输系统为基准，对所述第三目标量子信道中的传输系统执行第二轮换操作，得到所述第四量子信道。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一操作单元，具体用于：
按照量子信道分量从小到大的顺序，以轮换步长为1对所述第二目标量子信道中的量子信道分量进行轮换，得到第三目标量子信道。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第二操作单元，具体用于：
按照传输系统从前至后的排列顺序，以轮换步长为1对所述第三目标量子信道中的传输系统进行轮换，得到所述第四量子信道。
16.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第四量子信道的目标子信道为所述辅助量子信道，所述目标子信道是剔除所述第四量子信道中的第1个传输系统后得到的。
17.一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-8中任一项所述的方法。
18.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法。
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