一种基于量子失谐的量子网络编码方法技术

本发明专利技术公开一种基于量子失谐的量子网络编码方法，充分发挥量子失谐的特性，结合基于分离态的纠缠分配，设计一种基于量子失谐的量子网络编码方法，降低纠缠分配的量子资源消耗，提高通信网络的鲁棒性和吞吐量。本发明专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本发明专利技术从量子关联作为通信资源的角度，采用量子失谐作为量子关联的度量进行纠缠分配，从而降低纠缠分配的量子资源消耗，提高通信网络的鲁棒性和吞吐量。(2)本发明专利技术采用基于分离态的纠缠分配，设计量子网络编码方法，在纠缠建立的过程中不涉及任何的量子纠缠，只在结束时在源节点和目的节点之间产生纠缠粒子对，充分发挥量子隐形传态在实现信息传输方面的优势。

A quantum network coding method based on quantum detuning

The invention discloses a quantum network coding method based on quantum detuning, which fully utilizes the characteristics of quantum detuning and combines entanglement allocation based on separated states, designs a quantum network coding method based on quantum detuning, reduces the consumption of quantum resources of entanglement allocation, and improves the robustness and throughput of communication network. Compared with the prior art, the invention has the following advantages: (1) From the point of view of quantum correlation as communication resource, the invention uses quantum detuning as measurement of quantum correlation for entanglement allocation, thereby reducing the consumption of quantum resources for entanglement allocation and improving the robustness and throughput of communication network. (2) The present invention adopts entanglement assignment based on separated states, designs quantum network coding method, does not involve any quantum entanglement in the process of entanglement establishment, only generates entangled particle pairs between source node and destination node at the end of entanglement, and gives full play to the advantages of quantum teleportation in information transmission.

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子失谐的量子网络编码方法
本专利技术涉及一种基于量子失谐的量子网络编码方法，属于通信网络

技术介绍
量子网络编码是一种提高量子通信网络传输效率的关键技术。虽然量子网络编码与经典网络编码的基本思想大致相同，但是量子的特殊物理性质使得量子网络编码具有很多新的特点。例如，量子信息理论中量子不可克隆定理，使得量子通信网络中广播和多播不可能无损实现。在通信网络节点上，实现未知量子态的复制，必须通过牺牲保真度来实现。由于薛定谔方程是典型的时间可逆方程，在量子力学中的任何量子操作均是可逆的。对于一些不可逆的逻辑运算，例如“与”和“或”，在量子力学里就没有与之对应的操作。由于缺乏这些基本的逻辑操作，量子信息的处理受到了很大的限制。早期的研究人员探讨了量子网络编码的可行性。在2006年，M.Hayashi等人提出了第一个量子网络编码协议XQQ。该协议实现了两个量子比特交叉通过蝶形网络的瓶颈链路，证明了在两条线路上保真度严格小于1，最终得出结论：网络编码是可行的，但需要以牺牲保真度作为代价。随后，研究人员将量子网络编码的范围扩展到一类允许非线性操作的图上，并且这类图都存在对应的经典网络编码方案。所提出的一般图量子网络编码是该图上的经典的量子通信，仍不能实现无损的量子通信。通过研究量子特性，研究人员利用不同的量子通信资源，设计了实现完美传输的量子网络编码。2007年，M.Hayashi提出了一个无损的量子网络编码方案。该方案借助两个信息源之间共享的纠缠对，实现两个量子比特完美地交叉通过蝶形网络的瓶颈链路。H.Kobayashi等人将经典通信引入量子网络编码，证明了对于任意一种网络通信结构，只要其k-pair问题存在于经典网络编码方案，采用合适的量子操作，一定能够实现该网络结构的量子网络编码。T.Satoh等人提出了一种量子中继器方案，主要思想是通过控制纠缠的形成，在源节点和目的节点之间建立量子纠缠，实现量子隐形传态，进而实现量子信息的无损传输。该方案需要使用多对纠缠粒子，消耗资源很多。分析表明量子中继器方案的鲁棒性，甚至弱于仅用纠缠交换的协议。现有量子通信协议都是使用理论的量子纯态来实现量子纠缠。量子纯态需要所处系统是一个孤立系统，即不与外界有任何物质和能量的交流，这样在实际操作中不可能实现。因此，量子纠缠作为很好的通信资源前提是必须解决纠缠分配问题。虽然量子纠缠在量子通信里处于核心地位是无可辩驳的，最新的研究表明，超越量子纠缠的更一般的量子关联(Quantumcorrelation)才是造成量子通信和量子计算优异性能的关键因素，使得量子技术超越了经典技术。相关研究从量子信息论和量子通信技术两个方向展开。在量子信息论研究领域，1955年，冯.诺依曼在《量子力学的数学基础》中定义了冯.诺依曼(vonNeumann)熵，标志着量子信息论的开端。然后，G.Lindbad发现，关于互信息熵，在经典信息论里等价的两个表达式在量子信息论里有着不同的含义且不再等价。研究人员认为这种差异来源于量子纠缠。进一步，L.Henderson和V.Vedral发现，这种差异不仅仅来源于量子纠缠，而是来源于更一般的量子关联。Ollivier和Zurek将两个表达式的差值定义为量子失谐(Quantumdiscord)，用来作为更一般的量子关联的一种度量。K.Modi等人比较了多种量子关联的度量方法，指出量子失谐是目前最合适的方法。与此同时，在量子计算和量子通信技术研究领域，研究人员也提出了不使用量子纠缠也能实现性能提升的新技术。T.S.Cubitt等人首次提出了仅使用分离态量子来实现纠缠分配，揭示了量子纠缠又一奇特性质。E.Knill等人使用一个量子比特就能实现量子计算性能的提升，其中不牵涉到任何纠缠现象。D.A.Meyer提出了一种不使用量子纠缠的量子搜索算法。越来越多的证据表明量子纠缠不是造成量子技术性能提升的根本原因，采用量子失谐作为量子关联的度量，成为了量子研究领域关注的焦点。其中最重要的成果是B.Dakic等人明确指出量子失谐是比量子纠缠更一般的量子通信资源。利用量子失谐作为资源，他们实现了远程量子态的制备。目前，关于量子失谐作为量子通信资源的研究方兴未艾。虽然已经提出了很多利用量子关联作为通信资源的协议，但距离实现不使用量子纠缠、只利用量子关联达到量子态无损传输的目标还比较遥远。量子隐形传态在实现量子态传输的技术中还是占据着重要地位。考虑到利用量子中继器的量子网络编码技术使用的量子纠缠资源数量较多且鲁棒性不强，本专利技术致力于使用量子关联作为资源进行纠缠分配，设计基于纠缠分配的量子网络编码方法。在整个纠缠建立过程中不涉及任何的量子纠缠，只在结束时在源节点和目的节点之间产生纠缠粒子对。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于量子失谐的量子网络编码方法，以解决：利用分离态量子实现的纠缠分配目前还主要停留在抽象协议层次，关于协议具体操作的研究较少，而且利用分离态量子实现的纠缠分配仅限于实现点到点的纠缠。为了设计相应的量子网络编码协议，需要能够具体实施操作的纠缠分配方案，需要将量子比特通过复杂的网络结构，实现多个源节点和多个目的节点之间量子纠缠的同时产生。在网络传输的过程中进行适当的量子操作，并且不破坏量子比特之间的量子关联。本专利技术采取的技术方案是：一种基于量子失谐的量子网络编码方法，它包含以下步骤：步骤1：构建蝶形网络模型，si(i＝1,2)为网络中源节点，ti(i＝1,2)为si的目的节点。s0和t0是中间节点，源节点与目的节点的两个节点间将共享EPR(EinsteinPodolskyRosen)纠缠对，用于信息传输。步骤2：节点s1,t1准备量子比特a1,b1,c1，节点s2,t2准备量子比特a2,b2,c2，使量子之间处于具有经典关联的分离态。系统的密度矩阵表示为：其中，步骤3：节点s1对a1,c1进行CNOT即受控非门操作，其中a1为控制比特。节点s2对a2,c2进行CNOT操作，其中a2为控制比特。操作完成后，系统的状态为：其中，Πjkl＝|jkl><jkl|，除了β001＝β010＝β101＝β110＝1/6，βjkl＝0。步骤4：节点s1和s2分别将c1,c2发送给节点s0。步骤5：节点s0引入新的量子系统c3，其中c3的初始状态为|0>，对c1,c2,c3进行量子酉变换Uf。步骤6：节点s0将c1经过节点s1发送给节点t2，将c2经过节点s1发送给节点t1，并将c3发送给节点t0。步骤7：节点t0对c3进行概率性克隆，得到c31,c32，并将c31,c32分别发送给节点t1,t2。步骤8：节点t1对c2,c31进行CNOT操作，其中c2为控制比特。节点t2对c1,c32进行CNOT操作，其中c1为控制比特。操作完成后系统的状态为：此时a1,b1之间的量子纠缠建立完毕，即s1,t1直接的量子隐形传态通道建立完毕。步骤9：节点t1对c31,b1进行CNOT操作，其中b1为控制比特。节点t2对c32,b2进行CNOT操作，其中b2为控制比特。操作完成后系统的状态为：此时a2,b2之间的量子纠缠建立完毕，即s2,t2直接的量子隐形传态通道建立完毕。本专利技术充分发挥量子关联的特性，设计一种基于量子失本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子失谐的量子网络编码方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：步骤1：构建蝶形网络模型，si(i＝1,2)为网络中源节点，ti(i＝1,2)为si的目的节点；s0和t0是中间节点，源节点与目的节点的两个节点间将共享EPR纠缠对，用于信息传输；步骤2：节点s1,t1准备量子比特a1,b1,c1，节点s2,t2准备量子比特a2,b2,c2，使量子之间处于具有经典关联的分离态；系统的密度矩阵表示为：

【技术特征摘要】
1.一种基于量子失谐的量子网络编码方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：步骤1：构建蝶形网络模型，si(i＝1,2)为网络中源节点，ti(i＝1,2)为si的目的节点；s0和t0是中间节点，源节点与目的节点的两个节点间将共享EPR纠缠对，用于信息传输；步骤2：节点s1,t1准备量子比特a1,b1,c1，节点s2,t2准备量子比特a2,b2,c2，使量子之间处于具有经典关联的分离态；系统的密度矩阵表示为：其中，步骤3：节点s1对a1,c1进行CNOT即受控非门操作，其中a1为控制比特；节点s2对a2,c2进行CNOT操作，其中a2为控制比特；操作完成后，系统的状态为：其中，Πjkl＝|jkl><jkl|，除了β001＝β010＝β101＝β110＝1/6，βjkl＝0；步骤4：节点s1和s2分别s2将c1,c2发送给节点s0；步骤5：节点s0引入...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚涛，刘然，陈然一鎏，孙海正，刘建伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11