一種量子通信中糾纏粒子對分發節點的位置分布方法與流程

本發明涉及量子通信和量子糾纏交換技術，尤其涉及一種量子通信中糾纏粒子對分發節點的位置分布方法。
背景技術：
：量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。為實現量子通信，通信終端需要共享糾纏粒子對，依靠量子測量技術對發送端進行量子態信息的提取，只要發送端粒子的量子態發生變化，必然影響到另一個與之處于糾纏態的粒子，最后根據發送端的測量結果對接收端的量子態進行幺正變換，從而完成信息的有效傳輸。相比于經典通信，量子通信的應用前景更為廣泛。首先，量子通信突破了經典信息論中香農公式的制約，將帶寬和傳輸速率提高到無限，滿足空間遠距離、大容量、易組網、高速傳輸等方面的要求。其次，由于量子糾纏效應嚴格的應用條件，量子通信可以實現完全保密通信，在軍事、國防、國民經濟建設等領域都有重要作用。最后，量子通信時延為零的特點可以實現超光速通信，因此量子通信的發展必將加速人們探索宇宙空間的進程。在量子通信網絡中，產生糾纏粒子對的設備稱之為糾纏粒子對分發節點，參與信息傳輸的節點為量子通信節點。糾纏粒子對分發節點向多個量子通信節點分發糾纏粒子對，使量子通信節點之間建立用于傳輸攜帶信息的量子態的量子信道。若源節點和目的節點直接共享糾纏粒子對，則兩節點直接可以直接傳輸量子態；若源節點和目的節點不在同一個糾纏粒子對分發節點的分發范圍內，則源節點和目的節點間需要存在一條量子路徑，該路徑中相鄰節點間存在共享糾纏粒子對，然后通過糾纏交換等方法建立源和目的節點間的量子糾纏。因此，對于量子通信網絡，如何分布量子糾纏粒子對分發節點的位置對網絡的連通性起著至關重要的作用。但目前量子通信網絡構建的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。對復雜網絡結構下的量子通信網絡研究較少，研究工作也主要集中在網絡安全領域和量子態傳輸，對如何提高網絡連通性的研究存在空缺。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種用于量子通信網絡的糾纏粒子對分發節點位置的分布方法，根據量子通信節點的位置信息來分布糾纏粒子對分發節點的位置，使量子通信網絡的連通性得到提高。為了達到上述目的，本發明提出一種量子通信中糾纏粒子對分發節點的位置分布方法，包括步驟：(1)以量子通信網絡中的量子通信節點集合為頂點集，構建網絡圖G(V,E)；其中，V表示量子通信網絡中的量子通信節點集合，E表示量子通信網絡中滿足Dij＜2R的量子通信節點間路徑的集合，Dij表示量子通信節點i和量子通信節點j之間的距離，R表示糾纏粒子對分發節點的分發范圍半徑；(2)對V中的各量子通信節點進行編號；定義糾纏粒子對分發節點坐標集合為Q，已被糾纏粒子對分發節點的分發范圍覆蓋的量子通信節點編號的集合為M，未被糾纏粒子對分發節點的分發范圍覆蓋的量子通信節點編號的集合為初始化(3)計算中各量子通信節點與網絡中其他量子通信節點之間的歐式距離，選取歐式距離最遠的量子通信節點，并找出這兩個量子通信節點之間的所有最短路徑；將找出的所有路徑歸入集合P；(4)對P中的每條路徑執行以下步驟：以路徑中量子通信節點被糾纏粒子對分發節點分發范圍覆蓋的數目最多為目的，在對應路徑中找出一組預設點，作為預設置糾纏粒子對分發節點的位置點；定義P中第k條路徑中，按照預設點設置糾纏粒子對分發節點的情況下，路徑k中被糾纏粒子對分發節點分發范圍覆蓋的量子通信節點數目為Xk；(5)根據步驟(4)的計算結果更新Q、M和包括步驟：選取Xk值最大的一條路徑，記為kX-MAX；在路徑kX-MAX中的預設點上設置糾纏粒子對分發節；將路徑kX-MAX中已設置的糾纏粒子對分發節坐標計入Q，被糾纏粒子對分發節分發范圍覆蓋的量子通信節點編號計入M；更新(6)計算更新后中剩余量子通信節點的個數s，若s＞1，則返回步驟(3)；若s＝1，則轉入步驟(7)；若s＝0，則停止迭代；(7)在V中選取與中最后一個量子通信節點的歐式距離最近的點，在兩點連線的中點設置糾纏粒子對分發節點，并將這個糾纏粒子對分發節點的坐標記入Q。進一步的，所述步驟(4)中從P中的各路徑中選取預設點的方法為：(4.1)定義m為P中路徑的總數，路徑k的長度為H；定義集合M0、Q0，變量S0、h；(4.2)初始化，k＝1，h＝1，S0＝0；(4.3)選取路徑k中第h個和第h+1個量子通信節點之間的鏈路中點為預設點，并將選出的預設點坐標計入Q0；計算以該預設點為圓心、R為半徑的覆蓋范圍內的量子通信節點數目x，對這x個量子通信節點做臨時標記，并將標記后的量子通信節點的編號計入M0；令S0＝S0+x，轉入步驟(4.4)；(4.4)判斷是否滿足h+1≤H；若滿足，令h＝h+1，轉入步驟(4.5)；否則，執行步驟(4.6)；(4.5)判斷路徑k中的第h+1個量子通信節點是否已被標記；若未被標記，則返回步驟(4.3)；若已被標記，返回步驟(4.4)；(4.6)令Xk＝S0，輸出Xk、Q0和M0；其中，Q0為路徑k中選出的預設點的坐標；M0為以選出的預設點作為糾纏粒子對分發節點的位置點時，路徑k中被糾纏粒子對分發節點分發范圍覆蓋的量子通信節點的編號。有益效果：由上可知，本發明提供的一種量子通信中糾纏粒子對分發節點的位置分布方法，可用于含有任意量子通信節點數目和任意拓撲結構的網絡連通圖，其執行過程簡單明了，且易于實現，只要知道量子通信節點的位置信息就可以分布糾纏粒子對分發節點的位置，并且能計算量子通信網絡的連通性，與隨機分布糾纏粒子對分發節點的情況相比，網絡連通性得到顯著提高。附圖說明圖1為本發明的工作流程圖；圖2為本發明中計算分布糾纏粒子對分發節點的最短路徑的工作流程圖；圖3為本發明實施例中的網絡拓撲圖G0(V,E0)；圖4為本發明實施例中的網絡拓撲圖G(V,E)；圖5為本發明實施例中第一條最短路徑設置第一個糾纏粒子對分發節點的網絡圖；圖6為本發明實施例中第一條最短路徑設置第二個糾纏粒子對分發節點的網絡圖；圖7為本發明實施例中第五條最短路徑設置糾纏粒子對分發節點的網絡圖；圖8為本發明實施例中設置第三個糾纏粒子對分發節點的網絡圖；圖9為本發明實施例中糾纏粒子對分發節點最優分布的網絡圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。本發明的工作流程如圖1所示，包括以下步驟：(1)對于含有N個量子通信節點的網絡拓撲圖G0(V,E0)，已知每個量子通信節點的編號和位置，計算任意兩個量子通信節點之間的距離，并生成一個M*M維的矩陣D，D＝[Dij]，元素Dij表示第i個量子通信節點和第j個量子通信節點之間的距離。根據糾纏粒子對分發節點的分發范圍半徑R，尋找Dij小于2R的所有連接E，重新生成網絡拓撲圖G(V,E)。(2)定義糾纏粒子對分發節點位置集合為Q，已被糾纏粒子對分發節點的分發范圍覆蓋的量子通信節點集合為M，未被糾纏粒子對分發節點的分發范圍覆蓋的量子通信節點集合為初始化(3)計算中各量子通信節點與網絡中其他量子通信節點之間的歐式距離，選取歐式距離最遠的量子通信節點，并找出這兩個量子通信節點之間的所有最短路徑；將找出的所有路徑歸入集合P；(4)對P中的每條路徑執行以下步驟：以路徑中量子通信節點被糾纏粒子對分發節點分發范圍覆蓋的數目最多為目的，在對應路徑中找出一組預設點，作為預設置糾纏粒子對分發節點的位置點；定義P中第k條路徑中，按照預設點設置糾纏粒子對分發節點的情況下，路徑k中被糾纏粒子對分發節點分發范圍覆蓋的量子通信節點數目為Xk；(5)根據步驟(4)的計算結果更新Q、M和包括步驟：選取Xk值最大的一條路徑，記為kX-MAX；在路徑kX-MAX中的預設點上設置糾纏粒子對分發節；將路徑kX-MAX中已設置的糾纏粒子對分發節坐標計入Q，被糾纏粒子對分發節分發范圍覆蓋的量子通信節點編號計入M；更新(6)計算更新后中剩余元素的個數s，若s＞1，則返回步驟(3)；若s＝1，則轉入步驟(7)；若s＝0，則停止迭代；(7)在V中選取與中最后一個量子通信節點的歐式距離最近的點，在兩點連線的中點設置糾纏粒子對分發節點，并將這個糾纏粒子對分發節點的坐標記入Q。上述流程中更新Q、M和的具體流程如圖2所示，包括依次執行的以下步驟：(S1)定義m為P中路徑的總數，路徑k的長度為H；定義集合Q0、Q1、M0、M1，變量S0、S1、h；(S2)初始化S1＝0，k＝1，h＝1；(S3)初始化S0＝0；(S4)選取路徑k中第h個和第h+1個量子通信節點之間的鏈路中點為預設點，并將選出的預設點坐標計入Q0；計算以該預設點為圓心、R為半徑的覆蓋范圍內的量子通信節點數目x，對這x個量子通信節點做臨時標記，并將標記后的量子通信節點的編號計入M0；令S0＝S0+x，轉入步驟(S5)；(S5)判斷是否滿足h+1≤H；若滿足，令h＝h+1，轉入步驟(S6)；否則，執行步驟(S7)；(S6)判斷路徑k中的第h+1個量子通信節點是否已被標記；若未被標記，則返回步驟(S4)；若已被標記，返回步驟(S5)；(S7)判斷是否滿足S1＜S0；若滿足，則令Q1＝Q0，M1＝M0，k＝k+1，S1＝S0，轉入步驟(S8)；若不滿足，則令k＝k+1，轉入步驟(S8)；(S8)判斷是否滿足k≤m；若滿足，則返回步驟(S3)，否則執行步驟(S9)；(S9)更新糾纏粒子對分發節點位置集合Q＝Q∪Q1，已被覆蓋的量子通信節點集M＝M∪M1，未被覆蓋的量子通信節點集下面以一個包含10個量子通信節點的網絡為例，具體說明本發明的具體實施。(1)如圖3所示是含有10個量子通信節點的網絡拓撲圖G0(V,E0)，其中V＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，量子通信節點的坐標集合{(9.6284,8.7860),(7.8237,40.5547),(13.6181,0.9666),(9.1359,25.6623),(1.7650,45.8873),(3.5480,37.4109),(1.1224,38.9823),(30.6637,18.2736),(13.5471,48.1578),(23.4837,17.7484)}，計算任意兩點之間的距離，并生成矩陣D：設定糾纏粒子對分發節點的分發范圍半徑R＝20，如圖4所示是連接Dij≤2·R的量子通信節點重新生成的網絡拓撲圖G(V,E)。(2)定義糾纏粒子對分發節點位置集合為Q，已被糾纏粒子對分發節點的分發范圍覆蓋的量子通信節點集合為M，未被糾纏粒子對分發節點的分發范圍覆蓋的量子通信節點集合為初始化(3)計算中各量子通信節點與網絡中其他量子通信節點之間的歐式距離，選取歐式距離最遠的量子通信節點為3和9，借助Yen算法計算量子通信節點3和9之間所有的最短路徑集合P＝{(3,1,9),(3,4,9),(3,6,9),(3,8,9),(3,10,9)}，注意采用不同方法得到最短路徑集合P不影響本專利實施；(4)對P中的每條路徑執行以下步驟：以路徑中量子通信節點被糾纏粒子對分發節點分發范圍覆蓋的數目最多為目的，在對應路徑中找出一組預設點，作為預設置糾纏粒子對分發節點的位置點；定義P中第k條路徑中，按照預設點設置糾纏粒子對分發節點的情況下，路徑k中被糾纏粒子對分發節點分發范圍覆蓋的量子通信節點數目為Xk，具體流程如下：(4.1)本實施例中，m＝5，H＝2；定義集合M0、Q0，變量S0、h；(4.2)初始化，k＝1，h＝1，S0＝0；(4.3)P(1)＝(3,1,9)，h＝1，P(1)表示路徑1，在量子通信節點3和1連線的中點設置糾纏粒子對分發節點，坐標為(11.6233,4.8763)，Q0＝{(11.6233,4.8763)}，如圖5所示，該分發節點覆蓋的量子通信節點數目x＝3，則S0＝3，并對被覆蓋的量子通信節點做臨時標記，記入M0＝{1,3,10}；(4.4)由于h+1＝2，顯然滿足h+1≤H，則令h＝h+1＝2；選取路徑k中第h個和第h+1個量子通信節點之間的鏈路中點為預設點，并將選出的預設點坐標計入Q0；計算以該預設點為圓心、R為半徑的覆蓋范圍內的量子通信節點數目x，對這x個量子通信節點做臨時標記，并將標記后的量子通信節點的編號計入M0；令S0＝S0+x，轉入步驟(4.4)；(4.5)經與M0比對可知，P(1)＝(3,1,9)中的第3個量子通信節點9不屬于M0，則在量子通信節點1和9連線的中點設置分發節點，坐標為(11.5878,28.4719)，如圖6所示，該分發節點覆蓋的量子通信節點數目x＝8，則S0＝11，Q0＝{(11.6233,4.8763)，(11.5878,28.4719)}，M0＝{1,2,3,4,6,7,9,10}；(4.6)令Xk＝S0，輸出Xk、Q0和M0；其中，Q0為路徑k中選出的預設點的坐標；M0為以選出的預設點作為糾纏粒子對分發節點的位置點時，路徑k中被糾纏粒子對分發節點分發范圍覆蓋的量子通信節點的編號。(4.7)由于h+1＝3，不滿足h+1≤H，因此結束對路徑P(1)設置糾纏粒子對分發節點；(4.8)判斷得知S1<S0，則Q1＝{(11.6233,4.8763)，(11.5878,28.4719)}，M1＝{1,2,3,4,6,7,9,10}，k＝k+1＝2；(4.9)由于k＝2＜m，則返回步驟(3.3)，對P(k)(k＝2,3,4,5)進行相同的操作，各最短路徑上設置分發節點后能覆蓋的量子通信節點總數目情況如下表所示，第5條最短路徑P(5)覆蓋的量子通信節點數目最多，如圖7所示，因此重復上述操作后，Q1＝{(18.5509,9.3575)，(18.5154,32.9531)}，M1＝{1,2,3,4,6,7,8,9,10}；各路徑中量子通信節點被覆蓋的情況如下表所示：kP(k)Xk1(3,1,9)112(3,4,9)113(3,6,9)114(3,8,9)105(3,10,9)12(5)根據步驟(4)的計算結果更新Q、M和包括步驟：Xk值最大的是第5條路徑，記為kX-MAX＝5；在路徑kX-MAX中的預設點上設置糾纏粒子對分發節；將路徑kX-MAX中已設置的糾纏粒子對分發節坐標計入Q＝{(18.5509,9.3575)，(18.5154,32.9531)}，被糾纏粒子對分發節分發范圍覆蓋的量子通信節點編號計入M＝{1,2,3,4,6,7,8,9,10}；更新(6)計算更新后中剩余元素的個數s＝1；(7)在V中與量子通信節點5歐式距離最近的節點是7，如圖9所示在兩點連線的中點設置糾纏粒子對分發節點，糾纏粒子對分發節點的坐標為(1.4437,42.4348)，并記入Q＝{(18.5509,9.3575)，(18.5154,32.9531),(1.4437,42.4348)}。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁1 2 3