一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法，首次把網(wǎng)絡(luò)編碼成功地運(yùn)用于量子對(duì)話的過(guò)程，更高效便捷安全地在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)通信雙方交換秘密信息，通信容量高達(dá)八比特每輪，同時(shí)能克服信息泄露問(wèn)題，而且提高了通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和經(jīng)典鏈路的傳輸效率。主要特征在于，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)共享Bell信道，沒(méi)有直接經(jīng)典信道通信，可以利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，最終高效安全地實(shí)現(xiàn)量子交叉對(duì)話，解決信息泄露的問(wèn)題，并有效地減少對(duì)話過(guò)程中資源開(kāi)銷，實(shí)現(xiàn)通信容量高達(dá)八比特每輪。本發(fā)明利用網(wǎng)絡(luò)編碼和雙向量子安全直接通信的性質(zhì)，提供的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法高效安全，在通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有廣闊的前景。
【專利說(shuō)明】
一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于量子安全通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)不斷發(fā)展，與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的方式不同，網(wǎng)絡(luò)編 碼允許中間通信節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，編碼后的數(shù)據(jù)再被中間結(jié)點(diǎn)以多點(diǎn)傳 送方式(組播)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，目的結(jié)點(diǎn)可依據(jù)相應(yīng)的編碼系數(shù)進(jìn)行解碼，從而還原出原始的數(shù) 據(jù)。網(wǎng)絡(luò)編碼通過(guò)允許網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點(diǎn)對(duì)不同數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)的編碼取得網(wǎng)絡(luò)最大流傳輸理論的 上界，改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)僅充當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的角色，這從本質(zhì)上打破了網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng) 的數(shù)據(jù)處理方式，推翻了網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立比特不能再被壓縮的經(jīng)典結(jié)論。由于其巨大的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng) 絡(luò)編碼思想開(kāi)始應(yīng)用于量子通信網(wǎng)絡(luò)中，產(chǎn)生了 一些新型網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)議。2006年， Hayashi等最早開(kāi)始研究并將經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)編碼的思想擴(kuò)展到量子系統(tǒng)，提出了 XQQ協(xié)議，實(shí)現(xiàn) 了兩個(gè)量子比特的無(wú)差錯(cuò)交叉?zhèn)鬏?，使量子信息保真度達(dá)到1。尚濤等將可控隱形傳態(tài)應(yīng)用 于蝶形網(wǎng)絡(luò)中，增強(qiáng)了量子信息傳輸?shù)陌踩浴?br>[0003] 量子通信由于具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對(duì)高效的安全特性，受到越來(lái)越多 的專家學(xué)者的關(guān)注。作為量子通信的一個(gè)分支，量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication,QSDC)協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)量子信號(hào)在兩個(gè)參與者之間進(jìn)行秘密信 息的直接傳送，在2002年首次被Long和Liu提出來(lái)。2004年，Zhang等指出許多已提出來(lái)的 QSDC協(xié)議只能實(shí)現(xiàn)單向傳輸，同時(shí)，提出了 BQSDC(又叫量子對(duì)話)這個(gè)實(shí)現(xiàn)雙向通信的新 概念。在量子對(duì)話中，通信者能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)他們各自經(jīng)典秘密信息的相互交換。為了完成他 們之間的相互對(duì)話，需要至少兩次公開(kāi)宣布，即對(duì)初始量子態(tài)和編碼后的秘密信息的量子 態(tài)的宣布，在此過(guò)程中，一旦Eve收到兩次公開(kāi)宣布，他便可以得到通信者部分秘密信息。這 樣就會(huì)出現(xiàn)信息泄露問(wèn)題，即便沒(méi)有受到任何主動(dòng)攻擊部分信息也已經(jīng)被泄露出去。所以， 信息泄露問(wèn)題已經(jīng)成為BQSDC的一個(gè)嚴(yán)重的安全威脅，學(xué)者們致力于該問(wèn)題的研究，提出了 大量的解決信息泄露的協(xié)議。例如，Shi等利用Bell態(tài)的相關(guān)提取性質(zhì)和一個(gè)輔助粒子克服 信息泄露問(wèn)題的BQSDC協(xié)議;Gao提出兩個(gè)基于Bell態(tài)糾纏交換的無(wú)信息泄露量子對(duì)話協(xié) 議。盡管如此，上述一些解決信息泄露的協(xié)議仍然存在著資源利用、交換信息數(shù)量的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能防止信息泄露、高效安全且可 提高通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量和經(jīng)典鏈路傳輸效率的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法。
[0005] 本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法，包括步驟：
[0006] S1、構(gòu)建蝶形網(wǎng)絡(luò)模型，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)預(yù)先共享兩對(duì)最大糾纏Bell態(tài)作為量 子信道；
[0007] S2、源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別對(duì)各自的粒子根據(jù)所要傳送的秘密信息進(jìn)行相應(yīng)的幺 正操作，然后源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別對(duì)各自的粒子實(shí)施Bell基測(cè)量，并分別將測(cè)量結(jié)果傳 輸給中間節(jié)點(diǎn)；
[0008] S3、兩中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼操作，分別將來(lái)自兩源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果 進(jìn)行封裝編碼，并將編碼后的測(cè)量結(jié)果同時(shí)傳送給兩目的節(jié)點(diǎn)或源節(jié)點(diǎn)；
[0009] S4、源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)利用輔助信息進(jìn)行解碼，根據(jù)解碼后的信息、本身的測(cè) 量結(jié)果以及初態(tài)和操作，從表格中進(jìn)行推斷，得到對(duì)方的秘密信息，實(shí)現(xiàn)雙向通信，所述表 格為任意2個(gè)Bell態(tài)么正操作后的測(cè)量結(jié)果的集合。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法具體包括步驟：
[0011] si 1、量子信道準(zhǔn)備：構(gòu)建源節(jié)點(diǎn)A1和A2、中間節(jié)點(diǎn)Ml和M2、目的節(jié)點(diǎn)B1和B2，源節(jié) 點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)B1以及源節(jié)點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2分別共享兩對(duì)最大糾纏Bell態(tài)作為信道，使 源節(jié)點(diǎn)A1和A2分別擁有粒子AuJu和A 2>1、A2,2,目的節(jié)點(diǎn)B1和B2分別擁有粒子和 B2，1、B2,2;
[0012] S22、秘密信息編碼:源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)B1分別對(duì)粒子紅^B1>2根據(jù)自己要傳送 的秘密信息進(jìn)行相應(yīng)的么正操作得的十六種組合方式，源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié) 點(diǎn)B1分別對(duì)每一種組合方式進(jìn)行Bell基測(cè)量，然后源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)B1分別將各自的測(cè) 量結(jié)果對(duì)應(yīng)成經(jīng)典信息X1、Y1，通過(guò)經(jīng)典信道Q2、T3傳輸給中間節(jié)點(diǎn)Ml和M2,并將經(jīng)典信息 XI、Y1作為輔助消息，通過(guò)經(jīng)典信道Q1、T4發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)B2以及源節(jié)點(diǎn)A2;同時(shí)，源節(jié)點(diǎn)A2 和目的節(jié)點(diǎn)Β2分別對(duì)粒子Α 2>1、Β2,2根據(jù)自己要傳送的秘密信息進(jìn)行相應(yīng)的幺正操作得到 Α2,ιΑ2,2Β2,ιΒ2,2的十六種組合方式，源節(jié)點(diǎn)Α2和目的節(jié)點(diǎn)Β2分別對(duì)每一種組合方式進(jìn)行Bell 基測(cè)量，然后源節(jié)點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2分別將各自的測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)成經(jīng)典信息X2、Y2,通過(guò)經(jīng) 典信道Q3、T2傳輸給中間節(jié)點(diǎn)Ml和M2,并將經(jīng)典Χ2、Υ2作為輔助消息，通過(guò)經(jīng)典信道Q4、T1發(fā) 送給目的節(jié)點(diǎn)B1以及源節(jié)點(diǎn)A1;
[0013] S33、測(cè)量信息編碼：中間節(jié)點(diǎn)Ml對(duì)接收到的信息XI和X2進(jìn)行編碼處理，得到編碼 后的消息B = 通過(guò)經(jīng)典信道Q5將消息R傳輸給中間節(jié)點(diǎn)M2，中間節(jié)點(diǎn)M2再分別通 過(guò)經(jīng)典信道Q6、Q7同時(shí)將消息R傳輸給兩個(gè)目的節(jié)點(diǎn)B2、B1;同時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)M2對(duì)接收到的信 息Y1和Y2進(jìn)行編碼處理，得到編碼后的消息通過(guò)經(jīng)典信道T5將消息P傳輸給中 間節(jié)點(diǎn)Ml，中間節(jié)點(diǎn)Ml再分別通過(guò)經(jīng)典信道T6、T7同時(shí)將消息P傳輸給兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)A1和A2;
[0014] S44、解碼和量子對(duì)話：目的節(jié)點(diǎn)B1和B2根據(jù)編碼消息R和輔助消息X2、X1對(duì)應(yīng)的經(jīng) 典信息進(jìn)行解碼操作，得到X1、X2,然后根據(jù)自己的測(cè)量結(jié)果和X1、X2相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果在 表格中查找所隸屬的結(jié)果集合，通過(guò)自己的初態(tài)和操作推斷出源節(jié)點(diǎn)A1、A2的秘密信息;源 節(jié)點(diǎn)A1和A2根據(jù)編碼消息P和輔助消息Y2、Y1對(duì)應(yīng)的經(jīng)典信息進(jìn)行解碼操作，得到Y(jié)1、Y2,然 后根據(jù)自己的測(cè)量結(jié)果和Υ1、Υ2相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果在表格中查找所隸屬的結(jié)果集合，通過(guò) 自己的初態(tài)和操作推斷出目的節(jié)點(diǎn)Β1和Β2的秘密信息。
[0015] 借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1、本發(fā)明將已知量子安全對(duì)話與網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通信雙方高效安全地交換秘 密信息，與以往量子對(duì)話方法不同，該方法采用新穎的全雙工交叉通信方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩條 通信過(guò)程進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)通信容量高達(dá)八比特每輪，同時(shí)解決了量子對(duì)話中存在的信息泄 露問(wèn)題，又進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)明利用中間節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)應(yīng)的經(jīng)典信息進(jìn)行編碼，目的節(jié)點(diǎn)利用編碼 信息和輔助信息進(jìn)行解碼操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩條通信過(guò)程無(wú)差錯(cuò)互不干涉地交換信息；
[0017] 2、本發(fā)明所需要的經(jīng)典通信和量子糾纏的資源量與隱形傳態(tài)相比顯著減少，同時(shí) 提高了通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使得傳輸效率達(dá)到更高水平，資源利用率達(dá)到最大，節(jié)省了成 本，具有很大優(yōu)勢(shì)；
[0018] 3、本發(fā)明通過(guò)量子信道實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典信息的安全雙向通信，在未來(lái)量子安全對(duì)話、 量子保密通信的實(shí)際應(yīng)用中能起到重要的參考作用，另外，在通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域里有廣闊 的應(yīng)用前景。
[0019]上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的量子網(wǎng)絡(luò)編碼流程圖；
[0021 ]圖2是本發(fā)明的基于量子對(duì)話的網(wǎng)絡(luò)編碼方法示意圖；
[0022]圖3是任意兩個(gè)Bell態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系表；
[0023]圖4是任意2個(gè)Bell態(tài)幺正操作后的測(cè)量結(jié)果集合表；
[0024]圖5是任意2個(gè)Bell態(tài)幺正操作后的測(cè)量結(jié)果集合表。
[0025] 圖中符號(hào)說(shuō)明如下：
[0026] A1和A2為蝶形網(wǎng)絡(luò)模型的源節(jié)點(diǎn)；
[0027] Ml和M2為蝶形網(wǎng)絡(luò)模型的中間節(jié)點(diǎn)；
[0028] B1和B2為蝶形網(wǎng)絡(luò)模型中用于交叉?zhèn)鬏數(shù)哪康墓?jié)點(diǎn)；
[0029] 為從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息的量子信道；
[0030] TiTJsTJsIVr?為從目的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)傳輸信息的量子信道；
[0031] XjPX2分別為圖2中源節(jié)點(diǎn)A1和A2在Bell基測(cè)量下的測(cè)量結(jié)果的經(jīng)典表示信息； [0032] Y1和Y2分別為圖2中目的節(jié)點(diǎn)B1和B2在Bell基測(cè)量下聯(lián)合測(cè)量結(jié)果的經(jīng)典表示信 息；
[0033] ?為編碼操作；
[0034]虛線指預(yù)共享糾纏態(tài)；
[0035]實(shí)線指經(jīng)典信道；
[0036] 一組算子(Pauli算子）

【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0042]參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法，包括步驟：
[0043] S1、構(gòu)建蝶形網(wǎng)絡(luò)模型，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)預(yù)先共享兩對(duì)最大糾纏Bell態(tài)作為量 子信道；
[0044] S2、源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別對(duì)各自的粒子根據(jù)所要傳送的秘密信息進(jìn)行相應(yīng)的幺 正操作，然后源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別對(duì)各自的粒子實(shí)施Bell基測(cè)量，并分別將測(cè)量結(jié)果傳 輸給中間節(jié)點(diǎn)；
[0045] S3、兩中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼操作，分別將來(lái)自兩源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果 進(jìn)行封裝編碼，并將編碼后的測(cè)量結(jié)果同時(shí)傳送給兩目的節(jié)點(diǎn)或源節(jié)點(diǎn)；
[0046] S4、源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)利用輔助信息進(jìn)行解碼，根據(jù)解碼后的信息、本身的測(cè) 量結(jié)果以及初態(tài)和操作，從表格中進(jìn)行推斷，得到對(duì)方的秘密信息，實(shí)現(xiàn)雙向通信，所述表 格為任意2個(gè)Bell態(tài)么正操作后的測(cè)量結(jié)果的集合。
[0047] 參見(jiàn)圖2,本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法，具體實(shí)施步驟：
[0048] S11、量子信道準(zhǔn)備：構(gòu)建蝶形網(wǎng)絡(luò)模型，A1和A2為源節(jié)點(diǎn)，Ml和M2為中間節(jié)點(diǎn)，B1 和B2為目的節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)
的雙向交叉通信，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn) B1以及源節(jié)點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2分別共享兩對(duì)最大的糾纏Bell態(tài)為
[00511兩糾纏Bell態(tài)作為信道，節(jié)點(diǎn)A1擁有粒子Ai.jPAu，節(jié)點(diǎn)A2擁有粒子A2,dPA2, 2,目 的節(jié)點(diǎn)B1和B2分別擁有粒子和出,1、82,2，要實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)六1與目的節(jié)點(diǎn)81之間、源節(jié) 點(diǎn)A2與目的節(jié)點(diǎn)B2之間互相交換秘密信息；
[0052]由于在單粒子酉操作被施加到Bell態(tài)的任意一個(gè)粒子后，Bell態(tài)的四種狀態(tài)可以 互相變換，可以用如下式子表示：
[0055]在將Uk施加到Bell態(tài)的任意一個(gè)粒子后，Bell態(tài)各種形式間可以互變，轉(zhuǎn)變關(guān)系 如圖3所示。令每個(gè)Uk對(duì)應(yīng)兩比特經(jīng)典信息，即U0 = 00，U1 = 01，U2 = 10，U3 = 11。
[0056] S22、秘密信息編碼:源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)B1分別對(duì)粒子紅^B1>2根據(jù)自己要傳送 的秘密信息進(jìn)行相應(yīng)的幺正操作1，〇2,〇\4〇4分別對(duì)應(yīng)1]0、1]1、1]2、1]3)因此可得到41, 1八1, 的十六種組合方式，進(jìn)一步的源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)B1分別對(duì)每一種組合方式進(jìn)行 Bell基測(cè)量。
[0057] 例如，源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)B1都對(duì)粒子心,挪出,2進(jìn)行U0操作，則可以表示：
[0059] 對(duì)編碼后的結(jié)果進(jìn)行Bell測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為：
[00611將其形式對(duì)應(yīng)為一個(gè)集合Z0;
[0062] 進(jìn)一步將上式的六^"^必^化^不同結(jié)果組合按照這種形式進(jìn)行編碼義名后進(jìn)行 Bel 1基測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)為一個(gè)集合，其余可能的組合計(jì)算過(guò)程類似，測(cè)量結(jié)果集合如 圖4所示：
[0066] 觀察圖4的表格可以看出每行每列各不相同，說(shuō)明糾纏交換后粒 的每個(gè)結(jié)果組合確實(shí)唯一對(duì)應(yīng)粒子六^六^^^出^的一個(gè)初始組合。
[0067] 然后，源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)B1分別將各自的測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)成經(jīng)典信息XI、Y1，即 Φο>4〇0, |Φι>-01，|Φ2>-10, |Φ3>-11通過(guò)經(jīng)典信道Q2、T3傳輸給中間節(jié)點(diǎn)Ml和M2,同時(shí)源 節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)B1將X1、Y1作為輔助消息，通過(guò)經(jīng)典信道Ql、T4發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)B2以及源 節(jié)點(diǎn)A2;與此同時(shí)，源節(jié)點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2分別對(duì)粒子A 2,^B2,2根據(jù)自己要傳送的秘密信 息，進(jìn)行相應(yīng)的幺正操作1，〇 2，(^4%(分別對(duì)應(yīng)1]0、1]1、1]2、1]3)因此可得到粒子42,洸,28 2, 出2,2的十六種組合方式，進(jìn)一步的源節(jié)點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2分別對(duì)每一種組合方式進(jìn)行Bell 基測(cè)量。
[0068] 例如，源節(jié)點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2分別對(duì)粒子A2,jPB2, 2進(jìn)行U1、U2操作，則可以表示：
[0070]對(duì)編碼后的結(jié)果進(jìn)行Bell測(cè)量，將其測(cè)量結(jié)果形式對(duì)應(yīng)為一個(gè)集合Z3;
[0071] 進(jìn)一步將上式的A2,42,2B 2,"2,2不同結(jié)果組合按照這種形式進(jìn)行編碼，然后進(jìn)行 Bel 1基測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)為一個(gè)集合，其余可能的組合計(jì)算過(guò)程類似，測(cè)量結(jié)果集合如 圖5所示：
[0072] 觀察圖5的表格可以看出每行每列各不相同，這說(shuō)明糾纏交換后粒子A2,42,2 32, ιΒ2,2的每個(gè)結(jié)果組合確實(shí)唯一對(duì)應(yīng)粒子A2, iA2,2、B2,出2,2的一個(gè)初始組合。
[0073]然后源節(jié)點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2分別將各自的測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)成經(jīng)典信息X2、Y2，即| Φο >-00, |機(jī)>4〇1，|φ2>-10, |φ3>-11通過(guò)經(jīng)典信道Q3、T2傳輸給中間節(jié)點(diǎn)Ml和M2,同時(shí)源節(jié) 點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2將X2、Y2作為輔助消息，通過(guò)經(jīng)典信道Q4、T1發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)B1以及源節(jié) 點(diǎn)A1 〇
[0074] S33、測(cè)量信息編碼：中間節(jié)點(diǎn)Ml對(duì)接收到的信息XI和X2進(jìn)行編碼處理，得到編碼 后的消息允=及通過(guò)經(jīng)典信道Q5將R傳輸給中間節(jié)點(diǎn)M2,中間節(jié)點(diǎn)M2再分別通過(guò)經(jīng)典 信道Q6、Q7同時(shí)將R傳輸給兩個(gè)目的節(jié)點(diǎn)Β2和Β1;與此同時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)M2對(duì)接收到的信息Υ1 和Y2進(jìn)行編碼處理，得到編碼后的消息P = ri?F2,通過(guò)經(jīng)典信道T5將P傳輸給中間節(jié)點(diǎn)M1， 中間節(jié)點(diǎn)Ml再分別通過(guò)經(jīng)典信道T6、T7同時(shí)將P傳輸給兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)A1和A2。
[0075] S44、解碼和量子對(duì)話：目的節(jié)點(diǎn)Β1和Β2根據(jù)編碼消息R和輔助消息Χ2、XI對(duì)應(yīng)的 經(jīng)典信息進(jìn)行解碼操作，得到Χ1、Χ2,然后根據(jù)自己的測(cè)量結(jié)果和Χ1、Χ2相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果 在表格中查找所隸屬的結(jié)果集合，通過(guò)自己的初態(tài)和操作推斷出源節(jié)點(diǎn)Α1和Α2的秘密信 息;源節(jié)點(diǎn)Α1和Α2根據(jù)編碼消息Ρ和輔助消息Υ2、Υ1對(duì)應(yīng)的經(jīng)典信息進(jìn)行解碼操作，得到Υ1、 Υ2,然后根據(jù)自己的測(cè)量結(jié)果和Υ1、Υ2相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果在表格中查找所隸屬的結(jié)果集合， 通過(guò)自己的初態(tài)和操作推斷出目的節(jié)點(diǎn)Β1和Β2的秘密信息。
[0076] 應(yīng)用舉例
[0077]假設(shè)源節(jié)點(diǎn)Α1的兩比特信息為01，目的節(jié)點(diǎn)Β1的兩比特信息為10,源節(jié)點(diǎn)Α2的兩 比特信息為00,目的節(jié)點(diǎn)Β1的兩比特信息為01。
[0078]當(dāng)源節(jié)點(diǎn)Α1對(duì)粒子Α1;1進(jìn)行ΙΛ操作，目的節(jié)點(diǎn)Β1對(duì)粒子Β1>2進(jìn)行1] 2操作得到
[0080]當(dāng)源節(jié)點(diǎn)Α2對(duì)粒子Α2>1進(jìn)行Uo操作，目的節(jié)點(diǎn)Β2對(duì)粒子Β2, 2進(jìn)行山操作得到
[0082]接下來(lái)，源節(jié)點(diǎn)A1和目的節(jié)點(diǎn)Β1，源節(jié)點(diǎn)A 2和目的節(jié)點(diǎn)Β 2分別對(duì)自己的粒子A!, 1八1,2、81』1, 2和42,42,2』2,此, 2進(jìn)行此11基測(cè)量，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)41和目的節(jié)點(diǎn)81，源節(jié)點(diǎn)42和 目的節(jié)點(diǎn)B2的測(cè)量結(jié)果分別為k丨〉較|%〉￥:對(duì)應(yīng)為經(jīng)典信息XI、 Y1:01、10和X2、Y2:10、11，中間節(jié)點(diǎn)Ml、M2處封裝信息為R: Xl<9 JT2為0110和P: W十> 2為 1011；
[0083]源節(jié)點(diǎn)A1將得到的封裝信息P(1011)和輔助信息Y2(ll)得到Y(jié)1 (10)，然后獲知目 的節(jié)點(diǎn)Β1的測(cè)量結(jié)果為，根據(jù)雙方的測(cè)量結(jié)果|奶〉^叫6〉￥12隸屬集合Ζ3,再 根據(jù)初態(tài)都是I Φ〇>、對(duì)粒子Αι,ι進(jìn)行的操作U!從圖4中可以唯一確定目的節(jié)點(diǎn)B1的操作為U2， 據(jù)此獲得目的節(jié)點(diǎn)B1的秘密信息為U2(10)。同樣地，目的節(jié)點(diǎn)B1根據(jù)封裝信息R(0110)和輔 助信息X2(10)得到Xl(01)，然后獲知源節(jié)點(diǎn)A1的測(cè)量結(jié)果為，根據(jù)雙方的測(cè)量結(jié)果 l%>,,,; ?kilA2隸屬集合Ζ3,自己對(duì)Β1>2的操作為U2從圖4中可以唯一確定源節(jié)點(diǎn)Α1的操 作為U1，據(jù)此目的節(jié)點(diǎn)Β1獲得源節(jié)點(diǎn)Α1的秘密信息為Ul(01)。因此，他們成功安全地交換了 各自的秘密信息。
[0084]源節(jié)點(diǎn)A2將得到的封裝信息P(1011)和輔助信息Y1 (10)得到Y(jié)2(ll)，然后獲知目 的節(jié)點(diǎn)Β2的測(cè)量結(jié)果為,根據(jù)雙方的測(cè)量結(jié)果gk3>Sii 2隸屬集合Ζ1， 再根據(jù)初態(tài)都是|也>、對(duì)粒子A2>1進(jìn)行的操作U〇從圖5中可以唯一確定目的節(jié)點(diǎn)B2的操作為 U1，據(jù)此獲得目的節(jié)點(diǎn)B1的秘密信息為Ul(01)。同樣地，目的節(jié)點(diǎn)B2根據(jù)封裝信息R(0110) 和輔助信息Xl(〇l)得到X2(10)，然后獲知源節(jié)點(diǎn)A2的測(cè)量結(jié)果|r2〉4A2，根據(jù)雙方的測(cè)量結(jié) 果16 t ? I % 隸屬集合Z1，自己對(duì)B2,2的操作為U1從圖5中可以唯一確定源節(jié)點(diǎn)A2 的操作為U0，據(jù)此目的節(jié)點(diǎn)B2獲得源節(jié)點(diǎn)A2的秘密信息為U0(00)。因此，他們成功安全地交 換了各自的秘密信息。
[0085]從信息泄露分析，每一條通信鏈源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)借助于共享的Bell信道，屬于哪個(gè) 測(cè)量結(jié)果的集合共有16種組合，從信息論角度也就是說(shuō)有
比特秘密信息，這剛好與每一條通信過(guò)程中通信雙方的互相交換的秘密信息總數(shù)相等，所 以不存在信息泄露問(wèn)題。該方法可以大大增強(qiáng)量子對(duì)話的安全性，從而能避免信息泄露。
[0086] 從傳輸效率分析，網(wǎng)絡(luò)編碼提高了通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和經(jīng)典鏈路的傳輸效率。該 方法極大地利用了網(wǎng)絡(luò)編碼的蝶形網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典模型，然后進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)兩條通信過(guò) 程同時(shí)進(jìn)行互不干涉地交叉對(duì)話，充分地利用中間節(jié)點(diǎn)，所以傳輸效率大大地提高了。
[0087] 從資源利用分析，這種新穎的全雙工通信方式，每一條通信過(guò)程中源節(jié)點(diǎn)與目的 節(jié)點(diǎn)都可以利用共享的兩對(duì)Bell態(tài)這個(gè)四比特信息高效安全地傳輸四比特秘密信息，所以 整個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子安全對(duì)話方案可以實(shí)現(xiàn)容量為八比特秘密信息每輪通信，這種交 叉信息交流方式極大地利用了信道，尤其中間節(jié)點(diǎn)的作用，利用更少的資源實(shí)現(xiàn)更多的信 息對(duì)話，大大地節(jié)省了資源開(kāi)銷，節(jié)約了成本。
[0088] 因此綜合信息泄露、傳輸效率和資源利用等問(wèn)題來(lái)考慮，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì) 話方法具有很大的優(yōu)勢(shì)，在通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用空間。
[0089] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技 術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和 變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法，其特征在于包括步驟： 51、 構(gòu)建蝶形網(wǎng)絡(luò)模型，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)預(yù)先共享兩對(duì)最大糾纏Bell態(tài)作為量子信 道； 52、 源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別對(duì)各自的粒子根據(jù)所要傳送的秘密信息進(jìn)行相應(yīng)的么正操 作，然后源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別對(duì)各自的粒子實(shí)施Bell基測(cè)量，并分別將測(cè)量結(jié)果傳輸給 中間節(jié)點(diǎn)； 53、 兩中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼操作，分別將來(lái)自兩源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行 封裝編碼，并將編碼后的測(cè)量結(jié)果同時(shí)傳送給兩目的節(jié)點(diǎn)或源節(jié)點(diǎn)； 54、 源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)利用輔助信息進(jìn)行解碼，根據(jù)解碼后的信息、本身的測(cè)量結(jié) 果以及初態(tài)和操作，從表格中進(jìn)行推斷，得到對(duì)方的秘密信息，實(shí)現(xiàn)雙向通信，所述表格為 任意2個(gè)Bell態(tài)幺正操作后的測(cè)量結(jié)果的集合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的量子對(duì)話方法，其特征在于具體包括步驟： S11、量子信道準(zhǔn)備:構(gòu)建源節(jié)點(diǎn)A1和A2、中間節(jié)點(diǎn)M1和M2、目的節(jié)點(diǎn)B1和B2，源節(jié)點(diǎn)A1 和目的節(jié)點(diǎn)Bl以及源節(jié)點(diǎn)A2和目的節(jié)點(diǎn)B2分別共享兩對(duì)最大糾纏Bell態(tài)作為信道，使源節(jié) 點(diǎn)Al和A2分別擁有粒子A 1,和A2,lAw，目的節(jié)點(diǎn)Bl和B2分別擁有粒子B1,和B2,i、 B2.2； S22、秘密信息編碼:源節(jié)點(diǎn)Al和目的節(jié)點(diǎn)BI分別對(duì)粒子根據(jù)自己要傳送的秘 密信息進(jìn)行相應(yīng)的么正操作得到A1, 的十六種組合方式，源節(jié)點(diǎn)Al和目的節(jié)點(diǎn)Bl 分別對(duì)每一種組合方式進(jìn)行Bell基測(cè)量，然后源節(jié)點(diǎn)Al和目的節(jié)點(diǎn)Bl分別將各自的測(cè)量結(jié) 果對(duì)應(yīng)成經(jīng)典信息Xl、Yl，通過(guò)經(jīng)典信道Q2、T3傳輸給中間節(jié)點(diǎn)Ml和M2，并將經(jīng)典信息Xl、Yl 作為輔助消息，通過(guò)經(jīng)典信道Ql、T4發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)B2以及源節(jié)點(diǎn)A2;同時(shí)，源節(jié)點(diǎn)A2和目 的節(jié)點(diǎn)Β2分別對(duì)粒子A 2,根據(jù)自己要傳送的秘密信息進(jìn)行相應(yīng)的幺正操作得到A2,A2, 2Β2>1Β2,2的十六種組合方式，源節(jié)點(diǎn)Α2和目的節(jié)點(diǎn)Β2分別對(duì)每一種組合方式進(jìn)行Bell基測(cè) 量，然后源節(jié)點(diǎn)Α2和目的節(jié)點(diǎn)Β2分別將各自的測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)成經(jīng)典信息Χ2、Υ2,通過(guò)經(jīng)典信 道Q3、T2傳輸給中間節(jié)點(diǎn)Ml和M2,并將經(jīng)典Χ2、Υ2作為輔助消息，通過(guò)經(jīng)典信道Q4、T1發(fā)送給 目的節(jié)點(diǎn)Bl以及源節(jié)點(diǎn)Al; S33、測(cè)量信息編碼：中間節(jié)點(diǎn)Ml對(duì)接收到的信息Xl和X2進(jìn)行編碼處理，得到編碼后的 消息J? = X1ΦΧ2，通過(guò)經(jīng)典信道Q5將消息R傳輸給中間節(jié)點(diǎn)M2，中間節(jié)點(diǎn)M2再分別通過(guò)經(jīng) 典信道Q6、Q7同時(shí)將消息R傳輸給兩個(gè)目的節(jié)點(diǎn)Β2、Β1;同時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)M2對(duì)接收到的信息Yl 和Υ2進(jìn)行編碼處理，得到編碼后的消息P =Tiey2,通過(guò)經(jīng)典信道Τ5將消息F傳輸給中間節(jié) 點(diǎn)Ml，中間節(jié)點(diǎn)Ml再分別通過(guò)經(jīng)典信道Τ6、Τ7同時(shí)將消息F傳輸給兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)Al和Α2; S44、解碼和量子對(duì)話：目的節(jié)點(diǎn)Bl和B2根據(jù)編碼消息R和輔助消息X2、X1對(duì)應(yīng)的經(jīng)典信 息進(jìn)行解碼操作，得到X1、X2,然后根據(jù)自己的測(cè)量結(jié)果和X1、X2相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果在表格 中查找所隸屬的結(jié)果集合，通過(guò)自己的初態(tài)和操作推斷出源節(jié)點(diǎn)A1、A2的秘密信息;源節(jié)點(diǎn) Al和A2根據(jù)編碼消息F和輔助消息Y2、Y1對(duì)應(yīng)的經(jīng)典信息進(jìn)行解碼操作，得到Y(jié)1、Y2,然后 根據(jù)自己的測(cè)量結(jié)果和Υ1、Υ2相對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果在表格中查找所隸屬的結(jié)果集合，通過(guò)自 己的初態(tài)和操作推斷出目的節(jié)點(diǎn)Bl和Β2的秘密信息。
【文檔編號(hào)】H04B10/85GK106027163SQ201610264015
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年4月26日
【發(fā)明人】姜敏, 丁夢(mèng)曉
【申請(qǐng)人】蘇州大學(xué)