本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于量子傅里葉變換的脈沖相位調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著通信技術(shù)的快速迭代，其對(duì)通信高效率以及大數(shù)據(jù)吞吐量的要求逐漸增高，特別是在云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心，以及物聯(lián)網(wǎng)、視頻流媒體、遠(yuǎn)程醫(yī)療等行業(yè)，這些場景都需要在高效率和大數(shù)據(jù)吞吐量之間取得平衡，以確保數(shù)據(jù)的及時(shí)性、完整性、安全性，同時(shí)滿足用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量和體驗(yàn)的要求。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，優(yōu)化上述問題，通常是利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)（fec和amc等），但隨著協(xié)議優(yōu)化的引入，系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可能變得更加復(fù)雜，這會(huì)導(dǎo)致配置、管理和維護(hù)的復(fù)雜性增加，且優(yōu)化后的協(xié)議會(huì)與舊有的設(shè)備、軟件或協(xié)議版本不兼容，這需要額外的轉(zhuǎn)換設(shè)備或軟件更新，增加了部署和維護(hù)的成本和工作量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于量子傅里葉變換的脈沖相位調(diào)制方法，以解決上述問題。

2、本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于量子傅里葉變換的脈沖相位調(diào)制方法，包括：

4、步驟1：數(shù)據(jù)編碼；

5、將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為一個(gè)量子態(tài)的幅度分布；

6、步驟2：應(yīng)用量子傅里葉變換；

7、對(duì)編碼后的量子態(tài)，應(yīng)用量子傅里葉變換，量子傅里葉變換將原始的量子態(tài)從基礎(chǔ)表示轉(zhuǎn)換為頻域上的表示，其中包含相位信息；

8、步驟3：相位調(diào)制；

9、根據(jù)所述步驟2中量子傅里葉變換后的結(jié)果，選擇相應(yīng)的量子比特來表示每個(gè)脈沖信號(hào)的相位，每個(gè)量子比特的相位狀態(tài)對(duì)應(yīng)一種數(shù)字或符號(hào)；

10、步驟4：發(fā)送與接收；

11、發(fā)送端將經(jīng)過量子傅里葉變換和相位調(diào)制的量子態(tài)發(fā)送出去，接收端進(jìn)行逆向的量子傅里葉變換，以解碼接收到的量子態(tài)，并恢復(fù)原始的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

12、本發(fā)明通過改變脈沖信號(hào)的相位來傳輸數(shù)字信息，將脈沖信號(hào)中的信息編碼在相位上，從而更精密的打包信息，使得帶寬效率大幅提高，另外本發(fā)明包括了量子傅里葉變換，使得脈沖相位調(diào)制可以在更高的帶寬效率下工作，同時(shí)通過更大的數(shù)據(jù)容量，最后利用了量子計(jì)算的特性，使得在量子比特上高效的處理相位信息和頻域轉(zhuǎn)化，優(yōu)化了數(shù)字通信系統(tǒng)的性能和能效，實(shí)現(xiàn)了高效率通信。

13、優(yōu)選的，數(shù)據(jù)編碼方式為雙向振幅編碼，其中雙向振幅編碼通過角度編碼和振幅編碼兩種方式將經(jīng)典數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為量子態(tài)。

14、優(yōu)選的，角度編碼的具體實(shí)現(xiàn)方式為密集角度編碼，其中編碼信息包括量子比特的旋轉(zhuǎn)角度信息以及相位信息。

15、在本發(fā)明中，角度編碼的具體實(shí)現(xiàn)方式為密集角度編碼，密集角度編碼與傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的編碼效率，而且具有更強(qiáng)的容錯(cuò)性，因?yàn)樾畔⒖梢酝ㄟ^一小部分比特的改變快速進(jìn)行相互傳輸與交換，從而提高處理速度和效率。

16、優(yōu)選的，振幅編碼的具體實(shí)現(xiàn)方式為top-down振幅編碼，其中包括如下內(nèi)容：

17、對(duì)數(shù)據(jù)向量進(jìn)行處理，得到對(duì)應(yīng)的角度樹結(jié)構(gòu)；

18、從角度樹的根節(jié)點(diǎn)開始，利用量子門操作對(duì)量子態(tài)進(jìn)行編碼；

19、按照角度樹的結(jié)構(gòu)，從上到下依次對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，逐步構(gòu)建整個(gè)量子態(tài)的振幅信息；

20、通過迭代過程，最終在量子比特上構(gòu)建出歸一化的量子態(tài)，該量子態(tài)的振幅反映了原始數(shù)據(jù)向量的信息。

21、雙向振幅編碼具有很好的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整編碼方式，另外在top-down振幅編碼下，其通過較小的線路寬度實(shí)現(xiàn)了較大的線路速度，大大提高了編碼的效率。

22、優(yōu)選的，步驟2中，在應(yīng)用量子傅里葉變換時(shí)，需要將步驟1中編碼后的量子態(tài)，也就是標(biāo)準(zhǔn)正交基態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)基態(tài)的疊加，其轉(zhuǎn)換公式如下：

23、

24、其中，是量子比特的數(shù)量，是自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，是虛數(shù)單位。對(duì)于任意量子態(tài)，qft將其映射為，其中是的離散傅里葉變換結(jié)果，是圓周率，和是整數(shù)，其中為0到n-1的整數(shù)，表示輸入態(tài)的索引，為0到n-1的整數(shù)，表示輸出態(tài)的索引，具體的，的含義為：一個(gè)周期為?的復(fù)數(shù)序列，其中?和?確定了序列中的具體項(xiàng)，這個(gè)序列中的每個(gè)項(xiàng)都是一個(gè)復(fù)平面上的點(diǎn)，具有單位模（即絕對(duì)值為?1），但具有不同的相位角，相位角由?確定，當(dāng)或?改變時(shí)，相位角也會(huì)相應(yīng)改變，從而在復(fù)平面上形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)。

25、優(yōu)選的，在步驟2中，量子傅里葉變換還包括shor算法，其中包括如下步驟：

26、步驟2.1：選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)x，并檢查x和n是否互質(zhì)；

27、其中n為待分解的正整數(shù)，該整數(shù)應(yīng)為兩個(gè)大質(zhì)數(shù)的乘積，其中a是與n互質(zhì)的隨機(jī)選擇的整數(shù)，用于構(gòu)造模指數(shù)函數(shù)；

28、步驟2.2：利用量子電路計(jì)算周期函數(shù)的周期r；

29、其中r是模指數(shù)函數(shù)的周期，即滿足的最小正整數(shù)；

30、步驟2.3：使用量子傅里葉變換來估計(jì)周期r；

31、步驟2.4：從用連分?jǐn)?shù)展開等古典算法來從周期r中提前n的質(zhì)因數(shù)。

32、shor算法的核心在于將大數(shù)分解的問題轉(zhuǎn)化為找周期的問題，量子計(jì)算可以利用疊加態(tài)進(jìn)行并行計(jì)算，因此通過量子算法可以快速地找到函數(shù)的周期，本發(fā)明中使用shor主要實(shí)現(xiàn)量子保密通信，及其穩(wěn)定性和誤碼率。

33、優(yōu)選的，步驟3中相位調(diào)制的具體使用的是，時(shí)間與相位混合編碼的qkd方案；

34、其中，通信雙方使用單光子脈沖進(jìn)行信息編碼，時(shí)間編碼通過在脈沖上施加不同的時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)，相位編碼是通過改變光子的相位狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，信息發(fā)出方會(huì)發(fā)出持續(xù)時(shí)間很短的矩形脈沖，并隨機(jī)的對(duì)每個(gè)脈沖施加或不施加延遲，從而生成時(shí)間編碼的秘鑰，在信息接收端通過探測特定時(shí)間窗口內(nèi)的光子來推斷信息發(fā)出方發(fā)送狀態(tài)。

35、本發(fā)明使用時(shí)間與相位混合編碼的qkd方案，在傳統(tǒng)的相位編碼方案中，只有發(fā)生干涉的脈沖能夠用于成碼，這通常只有50%的概率。而在混合編碼方案中，不發(fā)生干涉的脈沖也攜帶了時(shí)間編碼信息，使得有效利用的脈沖數(shù)量增加，從而提高了成碼率，此外，該方案還提供了更高的安全性。由于系統(tǒng)同時(shí)生成時(shí)間編碼密鑰和相位編碼密鑰，這兩組密鑰可以靈活使用：一組用于通信，另一組用于監(jiān)視潛在的竊聽行為，或者將兩組密鑰組合成新的密鑰以增強(qiáng)安全性。

36、優(yōu)選的，在時(shí)間編碼中，包括了定時(shí)同步方法，其中具體包括以下內(nèi)容：

37、使用未經(jīng)同步的本地時(shí)鐘源對(duì)信號(hào)脈沖進(jìn)行采樣，通過時(shí)鐘誤差檢測算法，對(duì)時(shí)鐘偏移量進(jìn)行估計(jì)；

38、在檢測到時(shí)鐘偏移后，采用反饋插值算法對(duì)時(shí)鐘偏移的影響進(jìn)行補(bǔ)充，其中差值算法包括拋物插值算法和拉格朗日插值算法；

39、通過精確延遲時(shí)鐘上升沿對(duì)脈沖信號(hào)的峰值進(jìn)行精確采集，接收端的采樣以延遲的是時(shí)鐘作為觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)對(duì)齊。

40、本發(fā)明使用了定時(shí)同步方法，其中通過時(shí)鐘誤差檢測算法，如基于方差的早遲門算法，對(duì)時(shí)鐘偏移量進(jìn)行估計(jì)。這種算法能有效抑制量子場景下散粒噪聲對(duì)檢測結(jié)果的影響，提升檢測精度。

41、優(yōu)選的，步驟4中，量子態(tài)的載體為光子，量子信道為光纖，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的發(fā)送與接收。

42、優(yōu)選的，在上述的任意編碼方式或相位調(diào)制方式中，均包括對(duì)環(huán)境噪聲的抗干擾步驟。

43、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

44、1、本發(fā)明通過改變脈沖信號(hào)的相位來傳輸數(shù)字信息，將脈沖信號(hào)中的信息編碼在相位上，從而更精密的打包信息，使得帶寬效率大幅提高，另外本發(fā)明包括了量子傅里葉變換，使得脈沖相位調(diào)制可以在更高的帶寬效率下工作，同時(shí)通過更大的數(shù)據(jù)容量，最后利用了量子計(jì)算的特性，使得在量子比特上高效的處理相位信息和頻域轉(zhuǎn)化，優(yōu)化了數(shù)字通信系統(tǒng)的性能和能效，實(shí)現(xiàn)了高效率通信。

45、2、在本發(fā)明中，角度編碼的具體實(shí)現(xiàn)方式為密集角度編碼，密集角度編碼與傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的編碼效率，而且具有更強(qiáng)的容錯(cuò)性，因?yàn)樾畔⒖梢酝ㄟ^一小部分比特的改變快速進(jìn)行相互傳輸與交換，從而提高處理速度和效率。

46、3、雙向振幅編碼具有很好的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整編碼方式，另外在top-down振幅編碼下，其通過較小的線路寬度實(shí)現(xiàn)了較大的線路速度，大大提高了編碼的效率。

47、4、shor算法的核心在于將大數(shù)分解的問題轉(zhuǎn)化為找周期的問題，量子計(jì)算可以利用疊加態(tài)進(jìn)行并行計(jì)算，因此通過量子算法可以快速地找到函數(shù)的周期，本發(fā)明中使用shor主要實(shí)現(xiàn)量子保密通信，及其穩(wěn)定性和誤碼率。

48、5、本發(fā)明使用時(shí)間與相位混合編碼的qkd方案，在傳統(tǒng)的相位編碼方案中，只有發(fā)生干涉的脈沖能夠用于成碼，這通常只有50%的概率。而在混合編碼方案中，不發(fā)生干涉的脈沖也攜帶了時(shí)間編碼信息，使得有效利用的脈沖數(shù)量增加，從而提高了成碼率，此外，該方案還提供了更高的安全性。由于系統(tǒng)同時(shí)生成時(shí)間編碼密鑰和相位編碼密鑰，這兩組密鑰可以靈活使用：一組用于通信，另一組用于監(jiān)視潛在的竊聽行為，或者將兩組密鑰組合成新的密鑰以增強(qiáng)安全性。

49、6、本發(fā)明使用了定時(shí)同步方法，其中通過時(shí)鐘誤差檢測算法，如基于方差的早遲門算法，對(duì)時(shí)鐘偏移量進(jìn)行估計(jì)。這種算法能有效抑制量子場景下散粒噪聲對(duì)檢測結(jié)果的影響，提升檢測精度。