專利名稱：無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法
技術領域：
本發明涉及量子通信和信息傳播技木，尤其涉及ー種用于無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法。
背景技術：
量子遠程傳態是ー種全新的通信方式，它利用收發雙方所共同擁有的糾纏量子對傳送量子信息，因其非局域性、不可逆性和瞬時性，被廣泛應用于量子通信網絡中。在量子遠程傳態基礎上，結合糾纏交換和糾纏純化可以實現多節點遠距離通信。1993年利用量子糾纏的概念提出了量子態遠程傳輸理論方案，實現了量子遠程傳態。1993年基于量子遠程傳態提出了量子糾纏交換的方案。基于糾纏交換和糾纏純化的量子中繼器就可以用來解決在長程通訊時的光子數的損耗和量子信道消相干效應的影響等。1997在國際上首次實驗實 現了量子遠程傳態和量子糾纏交換。1998年，提出了利用量子遠程傳態和量子糾纏交換實現量子中繼器的理論方案，2000年提出了多粒子遠程傳態理論方案。2003年首次實驗實現了基于糾纏交換的量子中繼器。2010年實現了 16公里自由空間量子態隱形傳輸，2011年實現了 8個糾纏態光子的制備。上述這些研究從理論和實驗上驗證了構建量子通信網絡的可行性，為量子通信網絡提供了理論依據和實現方法。但目前這些工作大部分基于簡單網絡拓撲結構，主要為點對點網絡拓撲，以及少量包含幾個節點的星形或總線型網絡拓撲。目前對復雜網絡結構下的量子通信網絡研究較少，對無線量子通信網絡的研究更加不充分。在無線量子通信網絡研究中，研究工作主要集中在網絡安全領域，對網絡結構、協議等研究較少。無線自組織網絡作為得到廣泛應用的主流無線網絡，該網絡中節點可以自行構建網絡，具有高度的靈活性。無線自組織量子通信網絡定義如下網絡具有自組織動態拓撲結構，網絡節點為具有無線通信功能的移動量子設備，節點間存在量子信道和經典無線信道，網絡中傳輸的信息加載到量子態上通過量子信道傳輸，經典無線信道作為輔助信道。無線自組織量子通信網絡網絡結構遵循無線自組織網絡結構，網絡中沒有嚴格的中心控制節點，所有節點地位平等，每個節點都具有路由功能，相鄰節點間可以直接通信，非相鄰節點需要通過其它節點進行轉發。
發明內容
為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供ー種用于無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法，從源和目的節點相鄰節點兩端開始通過糾纏交換建立量子信道，通過量子遠程傳態傳輸量子信息，減少了量子信道的建立時間并保證了信息傳輸的安全性。本發明采用的技術方案是ー種用于無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法，包括如下步驟
(I)從源和目的節點的相鄰節點開始進行糾纏交換，將測量結果沿中間節點方向傳遞至下ー節點；(2)節點判斷是否收到來自兩個方向的測量結果；若是，在該節點進行最后一次糾纏交換，這將使源節點與目的節點中兩個本來不糾纏的粒子糾纏起來，建立源和目的節點間量子信道，跳轉至步驟(3)，否則就進行糾纏交換，將測量結果沿中間節點方向傳遞至下ー節點，跳轉至步驟(2)；(3)該節點將測量結果所對應的源節點與目的節點間的粒子糾纏態，通過無線信道分別傳送至目的節點和源節點；(4)源節點收到該測量結果后，通過量子遠程傳態傳遞攜帯信息的量子態，使得攜帶信息的量子態傳送到目的節點。所述相鄰節點間擁有糾纏粒子對。攜帯信息的量子態通過量子信道傳遞，所述步 驟(2 )、( 3 )和(4)中的測量結果通過無線信道傳遞。所述步驟(I)和(2)中，糾纏交換的方法如下假設節點A擁有粒子I，節點B擁有粒子2和3，節點C擁有粒子4。粒子I和2處于糾纏態I Φ〉12，3和4處于糾纏態I Ψ〉34，此時在節點B對粒子2和3做ー個Bell基的測量，原來毫無關系的粒子I和4就糾纏起來，成為ー對糾纏粒子。該過程可表示為\Φ)12 \ψ)Μ = IΣ (び, ,)丨 Φ}14 (び, Ι)\ψ L其中Oi表示I (不操作)，ο χ (繞χ軸旋轉180度)，Oy (繞y軸旋轉180度)和σ z (繞z軸旋轉180度)四個Pauli算符。在糾纏交換過程中，所用到的Bell基測量的方法如下兩態的兩粒子體系有如下四個Bell基I 參〉=(I 00〉土 111〉)=-^(I οι)± I ο))每個Bell基態都是雙粒子體系中最大的糾纏態，它們是四維空間的正交完備基，可用之對任意兩粒子態I Ψ〉Ab實施正交測量，稱為Bell基測量。所述步驟(4)中，對攜帶信息的量子態進行遠程傳態，步驟如下a)源節點對攜帯信息的粒子和源和目的節點糾纏粒子對中源節點所擁有的粒子進行測量，將測量結果通過無線信道傳送到目的節點；b)目的節點根據收到的測量結果，對源和目的節點糾纏粒子對中目的節點所擁有的粒子進行么正變換，得到攜帯信息的粒子態，從而完成了量子信息的傳遞。在步驟b)中，粒子么正變換的方法如下兩態單個粒子可實施如下的幺正變換(用Pauli矩陣表示)
(O I) fo -A (I O] (\ O)
_] ^ = U oP=[i oP=[o —i/lo ij其中σ z的作用是使相對相位倒轉\φ) ^·\φΥ
權利要求
1.ー種用于無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法，其特征在于該方法包括如下步驟 (1)從源和目的節點的相鄰節點開始進行糾纏交換，將測量結果沿中間節點方向傳遞至下ー節點； (2)節點判斷是否收到來自兩個方向的測量結果；若是，在該節點進行最后一次糾纏交換，這將使源節點與目的節點中兩個本來不糾纏的粒子糾纏起來，建立源和目的節點間量子信道，跳轉至步驟(3)，否則就進行糾纏交換，將測量結果沿中間節點方向傳遞至下ー節點，跳轉至步驟(2); (3)該節點將測量結果所對應的源節點與目的節點間的粒子糾纏態，通過無線信道分別傳送至目的節點和源節點； (4)源節點收到該測量結果后，通過量子遠程傳態傳遞攜帯信息的量子態，使得攜帯信息的量子態傳送到目的節點。
2.根據權利要求I所述的用于無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法，其特征在于所述相鄰節點間擁有糾纏粒子對。
3.根據權利要求I所述的用于無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法，其特征在于攜帯信息的量子態通過量子信道傳遞，所述步驟(2)、(3)和(4)中的測量結果通過無線信道傳遞。
4.根據權利要求I所述的用于無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法，其特征在于所述步驟(4)中進行量子遠程傳態步驟如下 a)源節點對攜帯信息的粒子和源和目的節點糾纏粒子對中源節點所擁有的粒子進行測量，將測量結果通過無線信道傳送到目的節點； b)目的節點根據收到的測量結果，對源和目的節點糾纏粒子對中目的節點所擁有的粒子進行么正變換，得到攜帯信息的粒子態，從而完成了量子信息的傳遞。
全文摘要
本發明公開了一種用于無線自組織量子通信網絡建立量子信道以及傳遞量子信息的方法，包括(1)從源和目的節點的相鄰節點開始進行糾纏交換，將測量結果沿中間節點方向傳遞至下一節點；(2)節點判斷是否收到來自兩個方向的測量結果；(3)該節點將測量結果所對應的源節點與目的節點間的粒子糾纏態，通過無線信道分別傳送至目的節點和源節點；(4)源節點收到該測量結果后，通過量子遠程傳態傳遞攜帶信息的量子態，使得攜帶信息的量子態傳送到目的節點。本發明方法建立量子信道傳遞量子信息所節省的無線傳輸開銷越顯著，可以降低無線信道需要傳送的數據包，降低無線信道中數據包沖突概率。
文檔編號H04B10/30GK102694605SQ20121016152
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者余旭濤, 張在琛, 徐進, 談敏 申請人:東南大學