一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方法技术

本发明专利技术一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，步骤1.有通信需求的多个节点N1，N2，…，Nk组建起网络。步骤2.根据所有节点Ni(1≤i≤k)的通信需求，协商出通信模式，即确定一对多模式或者多对一模式。如果进行一对多模式，则进入步骤3；否则进入步骤4。步骤3.网络执行一对多模式，此模式适用于网络中某个节点Ns(1≤s≤k)需要向其他节点发送消息的场景。步骤4.网络执行多对一模式，该模式适用于只有一个接收节点Nr(1≤r≤k)，其余节点Ni(1≤i≤k,i≠r)为发送节点的场景。本发明专利技术充分利用相邻节点间的EPR资源，动态组建量子网络，利用量子纠缠交换技术实现多点协同传输。网络结构灵活可变，具体参与节点数目没有限制，可根据节点意愿自发组成网络。在节点协作前提下，方案满足协同通信基本安全需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案
本专利技术涉及一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，属于通信网络

技术介绍
自从第一个量子密钥分配协议BB84被提出以来，量子通信因其基于物理性质的安全性保证而获得越来越多的关注和研究。从基本的安全通信需求出发，量子信息学发展出了量子密钥分配(QuantumKeyDistribution，QKD)、量子安全直接通信(QuantumSecureDirectCommunication，QSDC)等分支。基于拓展通信参与者的需求，量子多方通信自然而然地进入人们的视野，其中的典型应用是量子秘密共享(QuantumSecretSharing，QSS)。QSS是经典密码学中秘密共享在量子信息科学中的结合和应用，其基本思想是消息的发送者担心众多接收者中可能会存在恶意的破坏者，于是它将消息分成多份，每一份消息都相互独立且分别分配给一个接收者，只有全部接收者诚实协作才能共同恢复出秘密消息，任意单独的接收者都无法独立恢复出信息，因此有效预防了恶意接收者对其他参与者的破坏。进一步来说，QSS是一种一对多的安全通信方法，即一个发送者向多个接收者发送消息，所有接收者协同合作接收消息。多点协同(CoordinatedMulti-point，CoMP)是LTE网络中的一项重要技术，旨在通过协同多个基站共同为小区用户提供服务，从而极大改善通信服务质量，该技术在LTE网络中有深入的研究和应用。CoMP的核心思想之一是令多个基站协同合作，同时为一个用户发送有效消息，这与QSS的需求相反，是一种多对一的工作方式，但是与一对多工作方式相同，它也需要多个节点协同合作。量子纠缠是量子固有的物理特性，它是量子信息能够发挥巨大作用的基础。量子纠缠交换是量子信息科学中的关键技术，它允许通过对两个粒子的测量操作，使另外两个原本没有纠缠关系的量子产生纠缠效应，此外，新产生的纠缠粒子对的状态和纠缠交换的测量操作结果有着特定的关联，即通过测量结果可以推断出新纠缠粒子的状态。这种特性常被用于各种量子通信协议的设计，在量子安全直接通信、量子秘密共享、量子签名等领域都有广泛应用。考虑到多点协同通信的功能需求以及量子网络的特殊性和量子资源的珍贵性，量子多点协同传输方案应尽可能满足以下需求：(1)保密性，当有多个发送者时，发送者的消息只有接收者可获得，其余发送者不可获得；(2)高效性，有效利用网络中现有的量子资源；(3)动态性，发送者的数量没有固定的限制和要求，可根据需要调节协同网络的节点数量。本专利技术受到QSS和CoMP的启发，利用纠缠交换技术，在量子通信网络中构造灵活的多点协同传输方案。多个节点协同合作，既能够进行类似于QSS的一点对多点的消息传输，也能够进行类似于CoMP的多点对一点的消息传输。多点协同通信方案拓展了量子网络的多方通信模式，并有效提高量子网络的传输性能。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：基于拓展量子网络通信参与者的需要，面向量子通信网络提出一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，其中如何实现一方对多方的消息传输和多方对一方的消息传输是必须解决的关键问题。本专利技术采取的技术方案是：一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，它包含以下步骤：步骤1.有通信需求的多个节点N1，N2，…，Nk组建起网络，网络结构如下：相邻节点之间具有EPR(Einsten-Podolsky-Rosen)纠缠信道，即Ni(2≤i≤k-1)分别与Ni-1和Ni+1具有EPR纠缠信道，N1分别与N2和Nk具有EPR纠缠信道，Nk分别与N1和Nk-1具有EPR纠缠信道。网络节点通过EPR信道首尾相连，形成封闭环状。步骤2.根据所有节点Ni(1≤i≤k)的通信需求，协商出通信模式，即确定一对多模式或者多对一模式。如果进行一对多模式，则进入步骤3；否则，如果进行多对一模式，进入步骤4。步骤3.网络执行一对多模式，此模式适用于网络中某个节点Ns(1≤s≤k)需要向其他节点发送消息的场景。将发送消息的节点Ns(1≤s≤k)重新命名为S，剩余节点Ni(1≤i≤k,i≠s)为接收节点，令m＝k-1，并将剩余节点Ni(1≤i≤k,i≠s)重新命名为R1，R2，…，Rm。发送者S向接收节点Ri(1≤i≤m)发送的消息长度为2l位，l＞0。其中步骤3所述的一对多模式的具体执行步骤如下：步骤3.1.发送节点S准备好和左右相邻节点的各l个EPR纠缠粒子和为粒子编号。全部接收节点Ri(1≤i≤m)分别准备好和左右相邻节点的各l个EPR纠缠粒子和为粒子编号。步骤3.2.发送节点S将2l位消息分成l份，每份2位，然后S将每份2位消息按顺序执行编码操作UX至粒子上，每个编码操作代表2位消息。步骤3.3.所有接收节点Ri(1≤i≤m)分别对自己的粒子进行Bell测量，得到l份测量结果每个接收节点Ri将自己的全部测量结果按顺序组合成其长度为2l。然后，每个接收节点Ri将各自的进行广播。步骤3.4.发送节点S对自己的粒子进行Bell测量，得到l份测量结果拼接后得到MS。根据编码操作UX，S将恢复至编码前的状态然后，S对等式进行检验，其中O2l是全为0组成的长度为2l的序列。如果等式不成立，S终止通信，反之，S广播测量结果MS。步骤3.5.每个接收节点Ri(1≤i≤m)根据全部接收节点广播的测量结果和S的测量结果MS，得到再通过对比MS和M′S，由得到l个编码操作UX，从而得到S编码的2l位消息。则全部接收节点Ri(1≤i≤m)都获得发送节点S的2l位消息。步骤4.网络执行多对一模式，该模式适用于只有一个接收节点Nr(1≤r≤k)，其余节点Ni(1≤i≤k,i≠r)为发送节点的场景。将该接收节点Nr(1≤r≤k)重新命名为节点R，令m＝k-1，将发送节点Ni(1≤i≤k,i≠r)重新命名为S1，S2，…，Sm。每个发送节点Si(1≤i≤m)发送的消息长度为2l位。步骤4所述的多对一模式的具体实施步骤如下：步骤4.1.接收节点R准备好和左右相邻节点的各l个EPR纠缠粒子和为粒子编号。全部发送节点Si(1≤i≤m)分别准备好和左右相邻节点共享的各ml个粒子和为粒子编号。步骤4.2.每个发送节点Si(1≤i≤m)分别将自己的2l消息编码至粒子编码操作为UX。每个编码操作编码2位消息。步骤4.3.每个发送节点Si(1≤i≤m)对自己的粒子进行Bell测量，得到ml个测量结果组合得到成并将其广播。步骤4.4.接收节点R接收到所有的后，对自己的粒子进行Bell测量，得到并组合成MR。步骤4.5.接收节点R通过获得编码前的状态通过在第2(i-1)l+1至2il位上的对比有得到l个编码操作UX，每个UX对应2位消息，则R得到每个Si(1≤i≤m)的各2l位消息。本专利技术充分发挥量子纠缠交换的特性，设计一种基于量子纠缠交换技术的多点协同传输方案，既能实现类似于QSS的一方对多方的消息传输，又能实现多方对一方的消息传输。每个参与方协同合作，在一对多模式中，所有的接收者协同合作，共同恢复出发送的消息；在多对一模式中，所有的发送者协同合作，共同向接收者发送各自的消息，只有接收者可以读出所有发送者的消息。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术充分利用相邻节点间的EPR资源，动态地组建本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，它包含以下步骤：步骤1.有通信需求的多个节点N

【技术特征摘要】
1.一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，它包含以下步骤：步骤1.有通信需求的多个节点N1，N2，…，Nk组建起网络，网络结构如下：相邻节点之间具有EPR纠缠信道，即Ni(2≤i≤k-1)分别与Ni-1和Ni+1具有EPR纠缠信道，N1分别与N2和Nk具有EPR纠缠信道，Nk分别与N1和Nk-1具有EPR纠缠信道；网络节点通过EPR信道首尾相连，形成封闭环状；步骤2.根据所有节点Ni(1≤i≤k)的通信需求，协商出通信模式，即确定一对多模式或者多对一模式；如果进行一对多模式，则进入步骤3；否则，如果进行多对一模式，进入步骤4；步骤3.网络执行一对多模式，此模式适用于网络中某个节点Ns(1≤s≤k)需要向其他节点发送消息的场景；将发送消息的节点Ns(1≤s≤k)重新命名为S，剩余节点Ni(1≤i≤k,i≠s)为接收节点，令m＝k-1，并将剩余节点Ni(1≤i≤k,i≠s)重新命名为R1，R2，…，Rm；发送者S向接收节点Ri(1≤i≤m)发送的消息长度为2l位，l＞0；步骤4.网络执行多对一模式，该模式适用于只有一个接收节点Nr(1≤r≤k)，其余节点Ni(1≤i≤k,i≠r)为发送节点的场景；将该接收节点Nr(1≤r≤k)重新命名为节点R，令m＝k-1，将发送节点Ni(1≤i≤k,i≠r)重新命名为S1，S2，…，Sm；每个发送节点Si(1≤i≤m)发送的消息长度为2l位。2.根据权利要求1所述的一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，其特征在于：其中步骤3所述的一对多模式的具体执行步骤如下：步骤3.1.发送节点S准备好和左右相邻节点的各l个EPR纠缠粒子和为粒子编号；全部接收节点Ri(1≤i≤m)分别准备好和左右相邻节点的各l个EPR纠缠粒子和为粒子编号；步骤3.2.发送节点S将2l位消息分成l份，每份2位，然后S将每份...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚涛，杜岗，李珂，雷奇，关振宇，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