本發(fā)明屬于量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體涉及一種遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
量子通信是量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的新研究領(lǐng)域，被證明是無(wú)條件安全的通信技術(shù)。量子通信網(wǎng)絡(luò)既可以作為一個(gè)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳遞量子信息，也可以作為安全鏈路或秘鑰支撐系統(tǒng)應(yīng)用在現(xiàn)有的經(jīng)典通信系統(tǒng)中。在信息安全的保證下，信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和資源成本的節(jié)約性直接影響到用戶的選擇。為了提高量子信息的傳輸速度及節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的成本，經(jīng)典信道采用并行設(shè)置，所有測(cè)量結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道直接傳給用戶；量子路徑由EPR糾纏態(tài)組成。
目前量子通信通常是采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式的通信，將量子態(tài)通過(guò)一個(gè)量子信道或多個(gè)糾纏粒子組合而成的量子信道發(fā)送給接收端，由于量子信道存在消相干現(xiàn)象，短距離的信息傳輸已不能滿足快速發(fā)展的現(xiàn)代化生活需求，盡管有人提出退相干的方案，但是這不能從根本上解決遠(yuǎn)距離通信的問(wèn)題，且這方案讓傳輸過(guò)程變得更加復(fù)雜；也有一些人提出設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)增加傳輸距離，但是量子鏈路沒(méi)有采用最佳的EPR糾纏態(tài)。
相比較之下，EPR糾纏態(tài)需要資源最少，并行的經(jīng)典信道大大節(jié)省了傳輸時(shí)間，接收端不需要任何輔助粒子就可以恢復(fù)成初始量子態(tài)。EPR糾纏態(tài)制備簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)空間小。經(jīng)典信道并行設(shè)置、使得傳輸方便，節(jié)省時(shí)間，這將使得量子通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更廣。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
(1)建立量子密鑰分發(fā)層，構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)；
(2)量子節(jié)點(diǎn)之間在量子密鑰分發(fā)層建立量子路徑，量子路徑由糾纏態(tài)組成；
(3)將經(jīng)典通信與量子密鑰分發(fā)層相結(jié)合：經(jīng)典信道和量子密鑰分發(fā)層分別處于上、下行鏈路，量子節(jié)點(diǎn)和經(jīng)典節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)；
(4)發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)做相應(yīng)的Bell基測(cè)量：所述中間節(jié)點(diǎn)是指量子鏈路中的量子節(jié)點(diǎn)，發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)各自在自己節(jié)點(diǎn)處做Bell基測(cè)量，互不干擾；
(5)發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)將獲取的經(jīng)典信息直接傳輸?shù)浇邮斩耍凰鼋?jīng)典信息是指發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)將測(cè)量的Bell基結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道傳輸?shù)浇邮斩?，?jīng)典信道采用并行傳輸?shù)膫鬏敺绞剑?/p>
(6)接收端進(jìn)行幺正變換恢復(fù)成初始量子信息，所述幺正變換是接收端根據(jù)發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的Bell基結(jié)果采取的操作，以恢復(fù)成最初傳輸?shù)牧孔有畔ⅰ?/p>
進(jìn)一步的，所述量子密鑰分發(fā)層中的量子節(jié)點(diǎn)具備存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能。
進(jìn)一步的，所述量子路徑的建立方法為：發(fā)送端向接收端傳輸未知量子態(tài)(例如未知三粒子W糾纏量子態(tài))，考慮到信道損失及糾纏退化現(xiàn)象，在發(fā)送端和接收端之間設(shè)置k個(gè)量子節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間共享EPR糾纏態(tài)，糾纏態(tài)的個(gè)數(shù)等于傳輸?shù)牧孔討B(tài)個(gè)數(shù)(例如傳輸三粒子量子態(tài)時(shí)，EPR糾纏態(tài)為3對(duì))。
進(jìn)一步的，所述量子路徑由EPR糾纏態(tài)組成，每條路徑中EPR糾纏態(tài)的個(gè)數(shù)等于傳輸?shù)牧孔討B(tài)個(gè)數(shù)；并且量子路徑由最大糾纏態(tài)組成，如果是部分糾纏態(tài)可通過(guò)糾纏濃縮轉(zhuǎn)化為最大糾纏態(tài)來(lái)實(shí)施。
有益效果：本發(fā)明主要包括量子路徑的建立和經(jīng)典信道的設(shè)置兩個(gè)步驟，其中量子節(jié)點(diǎn)具備存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能，量子路徑由EPR糾纏態(tài)組成，每條路徑中EPR糾纏態(tài)的個(gè)數(shù)等于傳輸?shù)牧孔討B(tài)個(gè)數(shù)，經(jīng)典信道采取并行方式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1、量子路徑采用最少粒子EPR糾纏態(tài)組成，節(jié)省資源、降低成本。
2、經(jīng)典信道采取并行方式，大大縮短傳輸時(shí)間、減少延時(shí)。
3、多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置增加網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和實(shí)用性。
綜上所述，本發(fā)明能夠很好的實(shí)現(xiàn)任意遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)，傳輸量子信息，無(wú)需輔助粒子；還具有簡(jiǎn)單易操作、延時(shí)少、節(jié)約成本、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，使得量子通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更廣泛。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
本實(shí)施例中的一種遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
(1)建立量子密鑰分發(fā)層，構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)；
(2)量子節(jié)點(diǎn)之間在量子密鑰分發(fā)層建立量子路徑，量子路徑由糾纏態(tài)組成；
(3)將經(jīng)典通信與量子密鑰分發(fā)層相結(jié)合：經(jīng)典信道和量子密鑰分發(fā)層分別處于上、下行鏈路，量子節(jié)點(diǎn)和經(jīng)典節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，量子密鑰分發(fā)層中的量子節(jié)點(diǎn)具備存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能；
(4)發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)做相應(yīng)的Bell基測(cè)量：所述中間節(jié)點(diǎn)是指量子鏈路中的量子節(jié)點(diǎn)，發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)各自在自己節(jié)點(diǎn)處做Bell基測(cè)量，互不干擾；
(5)發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)將獲取的經(jīng)典信息直接傳輸?shù)浇邮斩耍凰鼋?jīng)典信息是指發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)將測(cè)量的Bell基結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道傳輸?shù)浇邮斩?，傳輸方式采取并行傳輸?/p>
(6)接收端將所接收到的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行幺正變換恢復(fù)成初始量子信息，所述幺正變換是接收端根據(jù)發(fā)送端和中間節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的Bell基結(jié)果采取的操作，以恢復(fù)成最初傳輸?shù)牧孔有畔ⅰ?/p>
其中，量子路徑的建立方法為：發(fā)送端向接收端傳輸未知量子態(tài)，考慮到信道損失及糾纏退化現(xiàn)象，在發(fā)送端和接收端之間設(shè)置k個(gè)量子節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間共享EPR糾纏態(tài)(個(gè)數(shù)等于傳輸?shù)牧孔討B(tài)個(gè)數(shù))，量子路徑由EPR糾纏態(tài)組成，每條路徑中EPR糾纏態(tài)的個(gè)數(shù)等于傳輸?shù)牧孔討B(tài)個(gè)數(shù)；并且量子路徑由最大糾纏態(tài)組成，如果是部分糾纏態(tài)可通過(guò)糾纏濃縮轉(zhuǎn)化為最大糾纏態(tài)來(lái)實(shí)施。
上述經(jīng)典信道采用并行方式，發(fā)送端和K個(gè)經(jīng)典節(jié)點(diǎn)分別與接收端之間建立經(jīng)典信道。
實(shí)施例1：
發(fā)送端Alice向遠(yuǎn)距離處的接收端Bob傳輸未知三粒子W糾纏態(tài)，考慮到信道損失及糾纏退化現(xiàn)象，在Alice和Bob之間設(shè)置k個(gè)量子節(jié)點(diǎn)(N1，N2，N3······Nk)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間共享3對(duì)EPR糾纏態(tài)。
Alice和k個(gè)節(jié)點(diǎn)做Bell基測(cè)量，然后將各自的測(cè)量結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道傳輸給Bob，最后Bob根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)傳來(lái)的量子態(tài)做幺正變換以恢復(fù)到初始量子態(tài)。整個(gè)傳輸過(guò)程產(chǎn)生延時(shí)來(lái)源于Bell測(cè)量、測(cè)量結(jié)果傳輸和幺正變換，假設(shè)每次Bell測(cè)量的延時(shí)、每次測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)难訒r(shí)和每次幺正變換的延時(shí)分別記為dB、dt和du，那么本實(shí)施例中產(chǎn)生的延時(shí)共為：
d1＝(k+1)dB+du+(k+1)dt
＝(k+1)(dB+dt)+du
而一般經(jīng)典信道串行設(shè)置的延時(shí)為：
d2＝(k+1)dB+(k+1)du+(k+1)dt
＝(k+1)(dB+du+dt)
顯然d1<d2，故本發(fā)明的方案有效降低量子態(tài)傳輸?shù)难訒r(shí)問(wèn)題。