本發(fā)明涉及一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案，屬于通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

自從第一個量子密鑰分配協(xié)議BB84被提出以來，量子通信因其基于物理性質(zhì)的安全性保證而獲得越來越多的關(guān)注和研究。從基本的安全通信需求出發(fā)，量子信息學(xué)發(fā)展出了量子密鑰分配(Quantum Key Distribution，QKD)、量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication，QSDC)等分支?；谕卣雇ㄐ艆⑴c者的需求，量子多方通信自然而然地進(jìn)入人們的視野，其中的典型應(yīng)用是量子秘密共享(Quantum Secret Sharing，QSS)。QSS是經(jīng)典密碼學(xué)中秘密共享在量子信息科學(xué)中的結(jié)合和應(yīng)用，其基本思想是消息的發(fā)送者擔(dān)心眾多接收者中可能會存在惡意的破壞者，于是它將消息分成多份，每一份消息都相互獨立且分別分配給一個接收者，只有全部接收者誠實協(xié)作才能共同恢復(fù)出秘密消息，任意單獨的接收者都無法獨立恢復(fù)出信息，因此有效預(yù)防了惡意接收者對其他參與者的破壞。進(jìn)一步來說，QSS是一種一對多的安全通信方法，即一個發(fā)送者向多個接收者發(fā)送消息，所有接收者協(xié)同合作接收消息。

多點協(xié)同(Coordinated Multi-point，CoMP)是LTE網(wǎng)絡(luò)中的一項重要技術(shù)，旨在通過協(xié)同多個基站共同為小區(qū)用戶提供服務(wù)，從而極大改善通信服務(wù)質(zhì)量，該技術(shù)在LTE網(wǎng)絡(luò)中有深入的研究和應(yīng)用。CoMP的核心思想之一是令多個基站協(xié)同合作，同時為一個用戶發(fā)送有效消息，這與QSS的需求相反，是一種多對一的工作方式，但是與一對多工作方式相同，它也需要多個節(jié)點協(xié)同 合作。

量子糾纏是量子固有的物理特性，它是量子信息能夠發(fā)揮巨大作用的基礎(chǔ)。量子糾纏交換是量子信息科學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù)，它允許通過對兩個粒子的測量操作，使另外兩個原本沒有糾纏關(guān)系的量子產(chǎn)生糾纏效應(yīng)，此外，新產(chǎn)生的糾纏粒子對的狀態(tài)和糾纏交換的測量操作結(jié)果有著特定的關(guān)聯(lián)，即通過測量結(jié)果可以推斷出新糾纏粒子的狀態(tài)。這種特性常被用于各種量子通信協(xié)議的設(shè)計，在量子安全直接通信、量子秘密共享、量子簽名等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

考慮到多點協(xié)同通信的功能需求以及量子網(wǎng)絡(luò)的特殊性和量子資源的珍貴性，量子多點協(xié)同傳輸方案應(yīng)盡可能滿足以下需求：(1)保密性，當(dāng)有多個發(fā)送者時，發(fā)送者的消息只有接收者可獲得，其余發(fā)送者不可獲得；(2)高效性，有效利用網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的量子資源；(3)動態(tài)性，發(fā)送者的數(shù)量沒有固定的限制和要求，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量。

本發(fā)明受到QSS和CoMP的啟發(fā)，利用糾纏交換技術(shù)，在量子通信網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)造靈活的多點協(xié)同傳輸方案。多個節(jié)點協(xié)同合作，既能夠進(jìn)行類似于QSS的一點對多點的消息傳輸，也能夠進(jìn)行類似于CoMP的多點對一點的消息傳輸。多點協(xié)同通信方案拓展了量子網(wǎng)絡(luò)的多方通信模式，并有效提高量子網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：基于拓展量子網(wǎng)絡(luò)通信參與者的需要，面向量子通信網(wǎng)絡(luò)提出一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案，其中如何實現(xiàn)一方對多方的消息傳輸和多方對一方的消息傳輸是必須解決的關(guān)鍵問題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案，它包含以下步驟：

步驟1.有通信需求的多個節(jié)點N₁，N₂，…，N_k組建起網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：相鄰節(jié)點之間具有EPR(Einsten-Podolsky-Rosen)糾纏信道，即N_i(2≤i≤k-1)分別與N_i-1和N_i+1具有EPR糾纏信道，N₁分別與N₂和N_k具有EPR 糾纏信道，N_k分別與N₁和N_k-1具有EPR糾纏信道。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過EPR信道首尾相連，形成封閉環(huán)狀。

步驟2.根據(jù)所有節(jié)點N_i(1≤i≤k)的通信需求，協(xié)商出通信模式，即確定一對多模式或者多對一模式。如果進(jìn)行一對多模式，則進(jìn)入步驟3；否則，如果進(jìn)行多對一模式，進(jìn)入步驟4。

步驟3.網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行一對多模式，此模式適用于網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點N_s(1≤s≤k)需要向其他節(jié)點發(fā)送消息的場景。將發(fā)送消息的節(jié)點N_s(1≤s≤k)重新命名為S，剩余節(jié)點N_i(1≤i≤k,i≠s)為接收節(jié)點，令m＝k-1，并將剩余節(jié)點N_i(1≤i≤k,i≠s)重新命名為R₁，R₂，…，R_m。發(fā)送者S向接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)發(fā)送的消息長度為2l位，l＞0。

其中步驟3所述的一對多模式的具體執(zhí)行步驟如下：

步驟3.1.發(fā)送節(jié)點S準(zhǔn)備好和左右相鄰節(jié)點的各l個EPR糾纏粒子和 為粒子編號。全部接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)分別準(zhǔn)備好和左右相鄰節(jié)點的各l個EPR糾纏粒子和為粒子編號。

步驟3.2.發(fā)送節(jié)點S將2l位消息分成l份，每份2位，然后S將每份2位消息按順序執(zhí)行編碼操作U_X至粒子上，每個編碼操作代表2位消息。

步驟3.3.所有接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)分別對自己的粒子進(jìn)行Bell測量，得到l份測量結(jié)果每個接收節(jié)點R_i將自己的全部測量結(jié)果按順序組合成其長度為2l。然后，每個接收節(jié)點R_i將各自的進(jìn)行廣播。

步驟3.4.發(fā)送節(jié)點S對自己的粒子進(jìn)行Bell測量，得到l份測量結(jié)果拼接后得到M_S。根據(jù)編碼操作U_X，S將恢復(fù)至編碼前的狀態(tài)然后，S對等式 進(jìn)行檢驗，其中O_2l是全為0組成的長度為2l的序列。如果等式不成立，S終止通信，反之，S廣播測量結(jié)果M_S。

步驟3.5.每個接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)根據(jù)全部接收節(jié)點廣播的測量結(jié)果 和S的測量結(jié)果M_S，得到再通過對比M_S和M′_S，由得到l個編碼操作U_X，從而得到S編碼的2l位消息。則全部接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)都獲得發(fā)送節(jié)點S的2l位消息。

步驟4.網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行多對一模式，該模式適用于只有一個接收節(jié)點N_r(1≤r≤k)，其余節(jié)點N_i(1≤i≤k,i≠r)為發(fā)送節(jié)點的場景。將該接收節(jié)點N_r(1≤r≤k)重新命名為節(jié)點R，令m＝k-1，將發(fā)送節(jié)點N_i(1≤i≤k,i≠r)重新命名為S₁，S₂，…，S_m。每個發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)發(fā)送的消息長度為2l位。

步驟4所述的多對一模式的具體實施步驟如下：

步驟4.1.接收節(jié)點R準(zhǔn)備好和左右相鄰節(jié)點的各l個EPR糾纏粒子和 為粒子編號。全部發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)分別準(zhǔn)備好和左右相鄰節(jié)點共享的各ml個粒子和為粒子編號。

步驟4.2.每個發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)分別將自己的2l消息編碼至粒子

編碼操作為U_X。每個編碼操作編碼2位消息。

步驟4.3.每個發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)對自己的粒子進(jìn)行Bell測量，得到ml個測量結(jié)果組合得到成并將其廣播。

步驟4.4.接收節(jié)點R接收到所有的后，對自己的粒子 進(jìn)行Bell測量，得到并組合成M_R。

步驟4.5.接收節(jié)點R通過獲得編碼前的狀態(tài)通過在第2(i-1)l+1至2il位上的對比有得到l個編碼操作U_X，每個U_X對應(yīng)2位消息，則R得到每個S_i(1≤i≤m)的各2l位消息。

本發(fā)明充分發(fā)揮量子糾纏交換的特性，設(shè)計一種基于量子糾纏交換技術(shù)的多點協(xié)同傳輸方案，既能實現(xiàn)類似于QSS的一方對多方的消息傳輸，又能實現(xiàn)多方對一方的消息傳輸。每個參與方協(xié)同合作，在一對多模式中，所有的接收者協(xié)同合作，共同恢復(fù)出發(fā)送的消息；在多對一模式中，所有的發(fā)送者協(xié)同合作，共同向接收者發(fā)送各自的消息，只有接收者可以讀出所有發(fā)送者的消息。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明充分利用相鄰節(jié)點間的EPR資源，動態(tài)地組建量子網(wǎng)絡(luò)，并利用量子糾纏交換技術(shù)實現(xiàn)多點協(xié)同傳輸。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活可變，具體的參與節(jié)點數(shù)目沒有限制，可根據(jù)節(jié)點的意愿自發(fā)地組成網(wǎng)絡(luò)。

(2)本發(fā)明可實現(xiàn)一對多的傳輸或者多對一的協(xié)同傳輸，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)需要。另外，在節(jié)點協(xié)作的前提下，方案滿足協(xié)同通信的基本安全需求。

附圖說明

圖1本發(fā)明的量子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a、圖2b本發(fā)明的一對多通信模式示意圖。

圖3本發(fā)明的測量結(jié)果組成圖。

圖4a、圖4b本發(fā)明的多對一通信模式示意圖。

圖5a、圖5b本發(fā)明的多對一后續(xù)共享模式示意圖。

圖6為本發(fā)明的流程框圖。

圖中符號說明如下：

N₁，N₂，…，N_(k-1)，N_k為量子網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點；

S為一對多通信模式中的消息發(fā)送者；

R₁，R_(m-1)，R_m為消息的接收者；

分別為R₁，R_(m-1)，R_m的測量結(jié)果；

為接收節(jié)點R_i對編號為j的粒子1和2進(jìn)行Bell測量的測量結(jié)果；

R為多對一通信模式中的接收節(jié)點；

S₁，S_(m-1)，S_m為多對一通信模式中的發(fā)送節(jié)點；

分別為S₁，S_(m-1)，S_m的測量結(jié)果；

S₁，S_p，S_m為多對一后續(xù)共享模式中的接收節(jié)點，其中灰色節(jié)點表示需要共享消息的消息節(jié)點。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明所提出的一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案需解決以下問題：針對量子通信網(wǎng)絡(luò)中的多點通信需求，既能實現(xiàn)類似于QSS的一方對多方的消息傳輸，又能實現(xiàn)多方對一方的消息傳輸。即在每個參與方協(xié)同合作的前提下，在一對多模式中，所有的接收者都能收到單一發(fā)送者的消息；在多對一模式中，單一接收者能夠收到所有的發(fā)送者的消息。

量子糾纏交換是量子通信中的關(guān)鍵技術(shù)，其基本思想是通過聯(lián)合測量兩個糾纏對中各一個粒子，使得另外兩個沒有直接關(guān)聯(lián)的粒子產(chǎn)生糾纏效應(yīng)。利用測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，糾纏交換可以通過對粒子進(jìn)行編碼從而實現(xiàn)消息傳輸，因而在量子安全直接通信、量子秘密共享、量子簽名等領(lǐng)域有大量應(yīng)用。

多方交纏交換將糾纏交換技術(shù)拓展到多個參與方，多方糾纏交換的建立必須滿足兩個條件：(1)參與多方糾纏交換的量子網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點與相鄰節(jié)點間存在EPR糾纏信道；(2)節(jié)點首尾相連形成閉環(huán)，即第一個節(jié)點與最后一個節(jié)點之間存在EPR糾纏對。在多方糾纏交換中，所有節(jié)點的測量結(jié)果需要滿足特定聯(lián)系，以圖1為例，節(jié)點N₁，N₂，…，N_k分別對自己的粒子1，2進(jìn)行Bell測量，則測量結(jié)果滿足以下關(guān)系：

其中表示節(jié)點N_i對自己的粒子1，2進(jìn)行Bell測量的測量結(jié)果，表示由節(jié)點N_i的粒子2和節(jié)點N_j的粒子1組成的糾纏 對的初始量子態(tài)。四個Bell態(tài)分別對應(yīng)于2位二進(jìn)制數(shù)字：

|φ⁺>→00，|φ^->→01，|ψ⁺>→10，|ψ^->→11

本發(fā)明一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案的主要實現(xiàn)思想是：以量子通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的EPR糾纏信道為基礎(chǔ)，節(jié)點之間相互合作，利用糾纏交換技術(shù)實現(xiàn)消息編碼，進(jìn)一步實現(xiàn)多節(jié)點協(xié)同傳輸。該方案支持一對多和多對一兩種工作模式，以適應(yīng)量子通信網(wǎng)絡(luò)的不同需求。本發(fā)明的流程框圖如圖6所示，該方案具體實施步驟如下：

步驟1.主要用于在參與通信的多個節(jié)點之間組建起網(wǎng)絡(luò)，以便進(jìn)行后續(xù)的消息傳輸。見圖1，量子網(wǎng)絡(luò)中有通信需求的多個節(jié)點N₁，N₂，…，N_(k-1)，N_k之間組建起網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滿足條件：相鄰節(jié)點之間具有EPR糾纏信道，即N_i(2≤i≤k-1)分別與N_i-1和N_i+1具有EPR糾纏信道，N₁分別與N₂和N_k具有EPR糾纏信道，N_k分別與N₁和N_k-1具有EPR糾纏信道，所有EPR糾纏對的初始狀態(tài)為|φ⁺>，對應(yīng)于二進(jìn)制信息00。

步驟2.主要用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定最終的通信模式。根據(jù)節(jié)點的通信需求，協(xié)商決定通信模式為選擇一對多模式或多對一模式。兩種模式的定義如下：

一對多模式：網(wǎng)絡(luò)中存在一個發(fā)送節(jié)點，剩余節(jié)點為接收節(jié)點，發(fā)送節(jié)點向全部接收節(jié)點發(fā)送消息。

多對一模式：網(wǎng)絡(luò)中存在一個接收節(jié)點，剩余節(jié)點為發(fā)送節(jié)點，接收節(jié)點同時接收來自全部發(fā)送節(jié)點的消息。

若網(wǎng)絡(luò)選擇一對多通信模式，則進(jìn)入步驟3；否則，若網(wǎng)絡(luò)選擇多對一模式，則進(jìn)入步驟4。

步驟3.一對多模式。該模式實現(xiàn)一個發(fā)送節(jié)點向剩余接收節(jié)點發(fā)送消息。假定發(fā)送節(jié)點為N_s(1≤s≤k)，將N_s重新命名為S，剩余(k-1)個節(jié)點N_i(1≤i≤k,i≠s)為接收節(jié)點，令m＝k-1，并將剩余節(jié)點N_i(1≤i≤k,i≠s)分別重新命名為R₁，R₂，…，R_m。令發(fā)送節(jié)點S向接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)發(fā)送的消息長度為2l位。然后按照如下步驟進(jìn)行：

(1)如圖2a所示，發(fā)送節(jié)點S和接收節(jié)點們R_i(1≤i≤m)準(zhǔn)備好和左右相鄰節(jié)糾纏的l個EPR糾纏粒子，粒子編號為j(1≤j≤l)，此時整個量子系統(tǒng)的狀態(tài)為：

其中上標(biāo)j(1≤j≤l)表示粒子的編號，下標(biāo)1，2表示節(jié)點的粒子1和粒子2，每個節(jié)點的粒子1和前一個節(jié)點的粒子2是EPR糾纏對，粒子2和后一個節(jié)點的粒子1為糾纏對。如表示標(biāo)號為j的節(jié)點S的粒子2和節(jié)點R₁的粒子1組成的糾纏對的狀態(tài)。

(2)發(fā)送節(jié)點S將2l位消息分成份，每份2位，然后S將每個2位消息按順序分別編碼至粒子上，每個編碼操作代表2位消息，具體的編碼操作如下：

若發(fā)送節(jié)點S的發(fā)送消息為“101101…”，它將對進(jìn)行編碼操作U₁₀，對進(jìn)行編碼操作U₁₁，對進(jìn)行編碼操作U₀₁…

(3)每個接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)分別對自己的粒子進(jìn)行Bell測量，得到l份測量結(jié)果接著R_i(1≤i≤m)將自己的全部測量結(jié)果 按順序拼接組合成的組成圖如圖3所示。然后，所有接收節(jié)點R_i將各自的廣播。

(4)為了防止因各個節(jié)點之間的EPR信道損壞或者惡意接收節(jié)點導(dǎo)致的破壞，發(fā)送節(jié)點S需要對測量結(jié)果的正確性進(jìn)行檢驗。

如圖2b所示，發(fā)送節(jié)點S對自己的粒子進(jìn)行Bell測量，得到l份測量結(jié)果按照順序拼接得到M_S。根據(jù)編碼操作U_X，S可由得到例如，若發(fā)送節(jié)點S對某一特定粒子的 進(jìn)行編碼操作U_X為U₀₁，對的Bell測量結(jié)果為|ψ^->，對應(yīng)于二進(jìn)制信息11，則計算為在得到所有后，將它們按順序組合得到M′_S。

發(fā)送節(jié)點S檢測測量結(jié)果是否滿足多方糾纏交換的規(guī)律：

其中，O_2l是全為0組成的長度為2l的序列。S對上式等式進(jìn)行檢驗，若等式不成立，則信道受到干擾或者有的接收者謊報了測量結(jié)果，則S終止通信，若等式成立，則通信繼續(xù)，S將測量結(jié)果M_S進(jìn)行廣播。

(5)所有接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)根據(jù)掌握的測量結(jié)果計算出M′_S：

通過對比M′_S和M_S：

根據(jù)上式可得到l個U_X，每個U_X對應(yīng)著2位消息，則最后所有接收節(jié)點R_i(1≤i≤m)均可得到發(fā)送節(jié)點S發(fā)送的2l位消息，一對多模式結(jié)束。

步驟4.多對一模式。該模式實現(xiàn)多個發(fā)送節(jié)點向一個接收節(jié)點發(fā)送消息。多對一通信模式也是通信網(wǎng)絡(luò)常見的需求之一。例如，一個節(jié)點要收集其余節(jié)點的消息，或者所有節(jié)點都有信息需要匯聚至一個中心節(jié)點。該模式適用于只有一個接收節(jié)點N_r(1≤r≤k)，其余節(jié)點N_i(1≤i≤k,i≠r)為發(fā)送節(jié)點的場景。將該接收節(jié)點N_r(1≤r≤k)重新命名節(jié)點R，令m＝k-1，將發(fā)送節(jié)點N_i(1≤i≤k,i≠r)重新命名為S₁，S₂，…，S_m。令每個發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)發(fā)送的消息長度為2l位，方案按如下步驟進(jìn)行：

(1)如圖4a所示，接收節(jié)點R和全部發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤l)分別準(zhǔn)備好和左右相鄰節(jié)點共享的各ml個粒子，粒子編號為j。此時整個量子系統(tǒng)的狀態(tài)為：

(2)每個發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)需要發(fā)送2l位消息，需要對l個執(zhí)行編碼操作U_X，具體來說，每個S_i將2l位消息編碼至即發(fā)送節(jié)點S₁將自己的2l位消息編碼至粒子節(jié)點S₂將自己的2l位消息編碼至

(3)編碼完成后，每個發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)對自己的粒子 進(jìn)行Bell測量，得到ml個測量結(jié)果組合得到成并將其廣播。

(4)如圖4b所示，接收到所有的后，R對自己的粒子 進(jìn)行Bell測量，得到組合成M_R。

(5)根據(jù)多方糾纏交換的測量結(jié)果規(guī)律，下式在2(i-1)l+1至2il位上成立：

其中是編碼之前的測量結(jié)果。接著，接收節(jié)點R通過對比和 獲得l個編碼操作U_X，從而獲得來自S_i的2l位消息：

若要獲得S₁的消息，下式在在第1位至第2l位上成立

接著，R通過對比M′_Si與M_Si，可獲得l個編碼操作，由此獲得S₁的2l位消息。

R獲得每個發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)的2l位消息，對多一模式結(jié)束。

一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案可以實現(xiàn)多模式的量子通信，具有如下性質(zhì)：

(1)全網(wǎng)共享

在本發(fā)明一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案中，一對多模式實現(xiàn)了類似于QSS的一點對多點的秘密通信，多對一模式實現(xiàn)了多個發(fā)送節(jié)點通過協(xié)同合作向一個接收節(jié)點發(fā)送消息。在多對一模式完成之后，唯一的接收節(jié)點R可能希望將收到的消息共享給某些發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)，將這些需要消息共享的節(jié)點定義為消息節(jié)點。接收節(jié)點R只需將測量結(jié)果M_R通過隱形傳態(tài)方式發(fā)送給消息節(jié)點，它們即可獲得所有發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)的消息。

令傳輸M_R所需要進(jìn)行的隱形次數(shù)為T，最好情況如圖5a中消息節(jié)點S₁所示，當(dāng)與R直接共享EPR信道時，R可將M_R直接通過隱形傳態(tài)方式發(fā)送給它，此時T＝1。最壞情況如圖5a中的消息節(jié)點S_p所示，其在全部接收節(jié)點的中間位置，距離R最遠(yuǎn)，此時R需要利用S₁，S₂，S_(p-1)作為中繼節(jié)點建立路由，它們需要使用EPR資源協(xié)助R與S_p的隱形傳態(tài)，因此其中符號表示將結(jié)果向上取整。對于任意一個消息節(jié)點，需要使用隱形傳態(tài)次數(shù)為

當(dāng)R希望將消息共享給全部S_i，消息節(jié)點個數(shù)為m，即全協(xié)同網(wǎng)絡(luò)逐步完成消息共享，此時T＝m。如圖5b所示，此時只需要R將M_R通過EPR信道以隱形傳態(tài)方式發(fā)送給相鄰的兩個節(jié)點，即S₁和S_m，然后S₁，S_m再分別將M_R發(fā)送給S₂和S_m-1，依此類推直至全部節(jié)點接收到M_R。由于每個節(jié)點都與相鄰節(jié)點直接進(jìn)行隱形傳態(tài)，沒有用到中繼節(jié)點，因此T＝m。

(2)資源利用

方案中用到的資源主要為EPR糾纏對和經(jīng)典比特，這些都是量子通信網(wǎng)絡(luò)的基本資源，在以往的量子通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的EPR資源主要有兩個用途：一是和直接共享EPR信道的節(jié)點進(jìn)行通信；二是作為中繼節(jié)點幫助沒有直接EPR信道的遠(yuǎn)程節(jié)點實現(xiàn)通信，此時中繼節(jié)點的EPR資源為其他節(jié)點的通信提供幫助，而不發(fā)送自己的消息。

為了方便描述資源利用，我們定義EPR對的使用效率G如下：

其中M是所有節(jié)點接收的消息總量，R是網(wǎng)絡(luò)消耗的EPR糾纏對的數(shù)量。G刻畫了EPR對的使用效率，即每個消耗的EPR對實現(xiàn)了多少的信息傳輸。令網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量為(m+1)個，其中包括發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點，m≥0。令每個發(fā)送者的發(fā)送消息長度為l位，l＞0。方案的資源消耗和效率總結(jié)如表1.

表1

(3)安全性分析

本發(fā)明一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案旨在實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)中的多點協(xié)同通信。具體來說，方案通過多節(jié)點協(xié)同合作，實現(xiàn)一點對多點或者多點對一點的消息傳輸，因此協(xié)同合作是保證方案得以順利進(jìn)行的前提。

方案基本的安全性需求如下：在一對多模式中，若有接收節(jié)點R_i(1≤i≤l)被劫持而謊報自己的測量結(jié)果這將會破壞方案，發(fā)送節(jié)點S應(yīng)能夠檢測出是否存在撒謊的節(jié)點，從而避免帶來的危害；在多對一模式中，所有發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)無法獲知其他節(jié)點的消息，只有接收節(jié)點R能夠接收所有的消息。

在一對多通信模式中，如果存在外部攻擊者攻擊了EPR糾纏信道，或者某個接收節(jié)點R_i被劫持，從而謊報了自己的測量結(jié)果則會影響所有 接收節(jié)點R_i的解碼結(jié)果，給方案帶來破壞。因此在一對多模式中引入了步驟3.4，在所有接收節(jié)點R_i廣播了自己的后，發(fā)送節(jié)點S對自己的粒子進(jìn)行Bell測量得到M_S，S可根據(jù)M_S和編碼操作恢復(fù)出M_S′，接著檢驗多方糾纏交換測量結(jié)果規(guī)律是否成立：

若上式成立，說明測量結(jié)果滿足多方糾纏交換的測量結(jié)果規(guī)律，信道沒有受到攻擊，接收節(jié)點R_i沒有謊報測量結(jié)果，方案可繼續(xù)進(jìn)行。

在多對一通信模式中，需要保證發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)之間互相不知道彼此的發(fā)送消息，只有接收節(jié)點R可以接收到全部發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)的消息。接收節(jié)點R根據(jù)如下的兩個式子可得到每個發(fā)送節(jié)點S_i(1≤i≤m)的2l位消息：

由于R并沒有對外公布M_R，所有發(fā)送節(jié)點S_i都無法知道其他發(fā)送節(jié)點的發(fā)送消息，從而保證了多對一模式的安全需求。

根據(jù)上述分析，本方案能夠滿足多對一模式和一對多模式對通信安全的基本需求。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。

以上所述僅是本發(fā)明一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明一種基于量子糾纏交換的多點協(xié)同傳輸方案的保護(hù)范圍。