一种分层量子信息分发方法技术

本发明专利技术公开了一种分层量子信息分发方法，发送方把一个携带量子信息的量子态，通过分层结构逐层分发到多个代理节点，量子信息由分层结构的每一层中的所有代理方共享，只有每一层中的代理方一起合作才能恢复量子信息，实现了量子信息安全性传递；本发明专利技术使用相对容易制备的“四粒子GHZ”状态使得方案在实际中的可行性提高，利用分层结构来实现多次快速的量子信息分发，为无线网络中量子信息的快速分发提供了理论基础。

A layered quantum information distribution method

The invention discloses a layered quantum information distribution method, the sender to a carrying quantum information quantum state, through the hierarchical structure layer is distributed to a plurality of agent nodes, quantum information is shared by all agents in each layer of the hierarchical structure, each layer only in the agency work together to recover quantum information, quantum information security to achieve transfer; the invention is relatively easy to use to improve the feasibility of the preparation of four particle GHZ state makes the scheme in practice, to achieve multiple quantum information fast distribution using hierarchical structure for quantum information in wireless network provides a theoretical basis for fast distribution.

【技术实现步骤摘要】
一种分层量子信息分发方法
本专利技术涉及量子通信和信息分发
，尤其是一种分层量子信息分发方法。
技术介绍
量子秘密共享QSS是量子密码学的一个重要的分支。量子秘密共享主要研究如何借助量子力学，将一个秘密分拆给多个接收方，并且只有多个接收方合作时才能重建这个秘密。1999年，提出了第一个量子秘密共享协议(HBB协议)。在他们的协议中，Alice的秘密信息，在两个接收者Bob和Charlie之间实现了共享，接受者Bob和Charlie合作便可以将秘密恢复出来。同年，一个阈值为(k，n)的量子秘密共享协议被提出，一个秘密被分为n部分，只有任意的k部分联合才能重构秘密，k-1部分不能够获取秘密。2004年，提出了一种基于纠缠交换的多方的秘密共享的协议。2006年，提出了一个对于任意m量子位状态的对称多方量子秘密共享，需要利用m粒子的GHZ态。2011年，提出了一种高效的用cluster态对任意的m个量子比特状态实现五个接收方量子状态共享。2017年，提出了一个利用本地操作和一个n个量子比特正交对的GHZ态实现量子秘密共享。现有的各种方案中，量子秘密共享按照所使用的量子资源不同，可分为基于纠缠态和基于非纠缠态两种。按共享的信息种类的不同分为两类：第一类是多个参与者共享经典信息，利用量子特性实现经典信息的秘密共享，弥补传统的秘密共享安全性差、实现效率低等问题；第二类是多个参与者共享一个未知的量子态，利用量子的纠缠特性来实现量子信息的秘密共享，共享的载体是量子态。现有的这些协议都在理论上实现了量子秘密共享，但一些方案中所使用的多粒子最大纠缠态在实际中是不容易制备的，这将使得方案在实际中不可实现。同时，目前的方案研究多次分发量子信息的较少，大多数是在一次分发实现的，而在实际中，在一些复杂的网络中一次分发可行性较低，连续多次分发将快速的实现量子信息的共享。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种分层量子信息分发方法，能够利用分层结构来实现多次快速的量子信息分发，实现了量子信息安全性传递。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种分层量子信息分发方法，包括如下步骤：(1)发送方拥有一个携带1量子比特信息的粒子(1)和一个制备在四粒子(1',2,3,4)态上的GHZ态，发送方将GHZ态中的三个粒子分别分配给分层结构的第一层中的三个代理节点形成一个五粒子的初始状态；(2)发送方对拥有的粒子(1,1')执行Bell测量，使传递的量子信息分发到三个代理节点，三个代理节点的三个粒子共享1量子比特信息，三个代理节点执行幺正变换将其变为指定的信息态；(3)第一层的三个代理节点准备三个四粒子GHZ态，分别制备在粒子(2',5,6,7),(3',8,9,10),(4'11,12,13)上，第一层的三个代理节点将三个四粒子GHZ态中的九个粒子5-13分别分配给第二层的9个代理节点，形成一个十五粒子的初始状态；(4)第一层的三个代理节点对拥有的六个粒子(2,3,4,2',3',4')执行六粒子的扩展Bell测量，使传递的量子信息分发到九个代理节点，九个代理节点拥有的九个粒子共享1量子比特信息，九个代理节点执行幺正变换将其变为指定的信息态；(5)第二层的九个代理节点分别准备9个四粒子制备的GHZ态，将指定的粒子分配给27个第三层代理节点，对有用的18个粒子进行广义Bell测量，使得量子信息传递到第三层的27个代理节点中；按照此方法继续分发信息，实现分层结构的每一层代理的数量以公比为3的等比数列增长。优选的，GHZ态为三粒子的GHZ态，分层结构中的每一层的代理的数量以公比为2的等比数列增长。优选的，步骤(1)中的携带1量子比特信息的粒子的状态为：|ψ1>＝α|0＞+β|1>其中，α和β是复数满足归一化条件，α2+β2＝1。优选的，步骤(1)和(3)中的四粒子GHZ态为：优选的，步骤(2)中的两粒子的Bell测量具体为：假设两粒子分别为粒子A和B，两态的四个Bell基为：当发送方对粒子A和B实施Bell测量，粒子A和B将随机的坍缩至上式中四个Bell态之一。优选的，步骤(2)和(4)中的幺正变换为：优选的，步骤(4)中的六粒子的扩展Bell测量具体为：六粒子的扩展Bell基可以分成八个组，每组有8个相同的基矢量，基向量前面有8种不同的符号形成了64个正交的基；当三个代理节点执行六粒子的扩展Bell测量，六粒子的状态将随机坍缩至64个基态之一。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种分层量子信息分发方法，发送方把一个携带量子信息的量子态，通过分层结构逐层分发到多个代理节点，量子信息由分层结构的每一层中的所有代理方共享，只有每一层中的代理方一起合作才能恢复量子信息，实现了量子信息安全性传递；本专利技术使用相对容易制备的“四粒子GHZ”状态使得方案在实际中的可行性提高，利用分层结构来实现多次快速的量子信息分发，为无线网络中量子信息的快速分发提供了理论基础。附图说明图1为本专利技术的分层结构中第一层量子信息的分发示意图。图2为本专利技术的分层结构中第二层量子信息的分发示意图。图3为本专利技术在无线网络中量子信息的分发示意图。具体实施方式一种分层量子信息分发方法，包括如下步骤：(1)发送方拥有一个携带1量子比特信息的粒子(1)和一个制备在四粒子(1',2,3,4)态上的GHZ态，发送方将GHZ态中的三个粒子分别分配给分层结构的第一层中的三个代理节点形成一个五粒子的初始状态；(2)发送方对拥有的粒子(1,1')执行Bell测量，使传递的量子信息分发到三个代理节点，三个代理节点的三个粒子共享1量子比特信息，三个代理节点执行幺正变换将其变为指定的信息态；(3)第一层的三个代理节点准备三个四粒子GHZ态，分别制备在粒子(2',5,6,7),(3',8,9,10),(4'11,12,13)上，第一层的三个代理节点将三个四粒子GHZ态中的九个粒子5-13分别分配给第二层的9个代理节点，形成一个十五粒子的初始状态；(4)第一层的三个代理节点对拥有的六个粒子(2,3,4,2',3',4')执行六粒子的扩展Bell测量，使传递的量子信息分发到九个代理节点，九个代理节点拥有的九个粒子共享1量子比特信息，九个代理节点执行幺正变换将其变为指定的信息态；(5)第二层的九个代理节点分别准备9个四粒子制备的GHZ态，将指定的粒子分配给27个第三层代理节点，对有用的18个粒子进行广义Bell测量，使得量子信息传递到第三层的27个代理节点中；按照此方法继续分发信息，实现分层结构的每一层代理的数量以公比为3的等比数列增长。GHZ态为三粒子的GHZ态，分层结构中的每一层的代理的数量以公比为2的等比数列增长。步骤(1)中的携带1量子比特信息的粒子的状态为：|ψ1>＝α|0>+β|1>其中，α和β是复数满足归一化条件，α2+β2＝1。步骤(1)和(3)中的四粒子GHZ态为：步骤(2)中的两粒子的Bell测量具体为：假设两粒子分别为粒子A和B，两态的四个Bell基为：当发送方对粒子A和B实施Bell测量，粒子A和B将随机的坍缩至上式中四个Bell态之一。步骤(2)和(4)中的幺正变换为：步骤(4)中的六粒子的扩展Bell测量具体为：六粒子的扩展Bell基可以分成八个组，每组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分层量子信息分发方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)发送方拥有一个携带1量子比特信息的粒子(1)和一个制备在四粒子(1',2,3,4)态上的GHZ态，发送方将GHZ态中的三个粒子分别分配给分层结构的第一层中的三个代理节点形成一个五粒子的初始状态；(2)发送方对拥有的粒子(1,1')执行Bell测量，使传递的量子信息分发到三个代理节点，三个代理节点的三个粒子共享1量子比特信息，三个代理节点执行幺正变换将其变为指定的信息态；(3)第一层的三个代理节点准备三个四粒子GHZ态，分别制备在粒子(2',5,6,7),(3',8,9,10),(4'11,12,13)上，第一层的三个代理节点将三个四粒子GHZ态中的九个粒子5‑13分别分配给第二层的9个代理节点，形成一个十五粒子的初始状态；(4)第一层的三个代理节点对拥有的六个粒子(2,3,4,2',3',4')执行六粒子的扩展Bell测量，使传递的量子信息分发到九个代理节点，九个代理节点拥有的九个粒子共享1量子比特信息，九个代理节点执行幺正变换将其变为指定的信息态；(5)第二层的九个代理节点分别准备9个四粒子制备的GHZ态，将指定的粒子分配给27个第三层代理节点，对有用的18个粒子进行广义Bell测量，使得量子信息传递到第三层的27个代理节点中；按照此方法继续分发信息，实现分层结构的每一层代理的数量以公比为3的等比数列增长。...

【技术特征摘要】
1.一种分层量子信息分发方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)发送方拥有一个携带1量子比特信息的粒子(1)和一个制备在四粒子(1',2,3,4)态上的GHZ态，发送方将GHZ态中的三个粒子分别分配给分层结构的第一层中的三个代理节点形成一个五粒子的初始状态；(2)发送方对拥有的粒子(1,1')执行Bell测量，使传递的量子信息分发到三个代理节点，三个代理节点的三个粒子共享1量子比特信息，三个代理节点执行幺正变换将其变为指定的信息态；(3)第一层的三个代理节点准备三个四粒子GHZ态，分别制备在粒子(2',5,6,7),(3',8,9,10),(4'11,12,13)上，第一层的三个代理节点将三个四粒子GHZ态中的九个粒子5-13分别分配给第二层的9个代理节点，形成一个十五粒子的初始状态；(4)第一层的三个代理节点对拥有的六个粒子(2,3,4,2',3',4')执行六粒子的扩展Bell测量，使传递的量子信息分发到九个代理节点，九个代理节点拥有的九个粒子共享1量子比特信息，九个代理节点执行幺正变换将其变为指定的信息态；(5)第二层的九个代理节点分别准备9个四粒子制备的GHZ态，将指定的粒子分配给27个第三层代理节点，对有用的18个粒子进行广义Bell测量，使得量子信息传递到第三层的27个代理节点中；按照此方法继续分发信息，实现分层结构的每一层代理的数量以公比为3的等比数列增长。2.如权利要求1所述的分层量子信息分发方法，其特征在于，GHZ态...

【专利技术属性】
技术研发人员：余旭涛，安隆熙，张在琛，王霄峻，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32