基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法及系统，该方法包括：建立量子网络的量子网络模型；所述量子网络模型包括源量子节点和若干目的量子节点；源量子节点从发送序列中随机选择校验位，发送序列编码进行通讯初始化；源量子节点生成稳定字码生成元以及校验矩阵，发送全部量子比特序列，目的量子节点确认接收量子比特序列，源量子节点与目的量子节点间进行量子网络路由节点通讯；目的量子节点返回数据确认包ACK至源量子节点，源量子节点发送校验比特序列至目的量子节点，进行经典网络通讯辅助纠错；目的量子节点使用校验矩阵判断传输错误，使用翻转门纠正错误量子位，反向编码获得正确比特数据。

Routing Method and System of Small Quantum Networks Based on Stable Quantum Error Correction Code

The invention discloses a small quantum network routing method and system based on stabilizer quantum error correction code, which includes: establishing quantum network model of quantum network; the quantum network model includes source quantum nodes and several destination quantum nodes; source quantum nodes randomly select check bits from transmission sequence, and transmit sequence coding for communication initialization; and source quantum nodes. Generate stable word code generator and check matrix, send all qubit sequence, target qubit node confirms receiving qubit sequence, source qubit node communicates with destination qubit node in qubit network routing node, destination qubit node returns data confirmation packet ACK to source qubit node, source qubit node sends check bit sequence to destination qubit node, and carries on classical research. Network communication aids error correction; objective quantum nodes use check matrix to judge transmission errors, use flip gates to correct erroneous quantum bits, and reverse coding to obtain correct bit data.

【技术实现步骤摘要】
基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法及系统
本公开属于量子网络路由通信的
，涉及一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。在传统网络模型中，网络协议是保证通讯信息正常、准确传递的重要保证。对于传统信道路由通讯，经典的协议有RIP(路由信息)协议、OSPF(开放式最短路径优先)协议等。随着量子信息技术的发展，量子网络是未来互联网的一个重要的发展方向。由于量子物理机制上的优势，量子隐形传态的可保证通讯的高度安全。对于如何进行可靠的量子网络通讯，目前国内外已经有了较多的相关研究成果。在实际量子信道通讯过程中，信道噪声是不可避免的。信道噪声会直接影响到量子比特的传输结果，降低传输正确率。另外窃听者Eve的存在也可能会影响量子比特的传输结果。因此，如何纠正比特传输误码是一个必须要解决的问题。已有的量子纠错技术如CSS量子纠错码，以经典纠错码为基础，缺点在于无法从一步测量中同时修正X翻转(比特翻转)、Z翻转(相位翻转)和Y翻转(比特相位翻转)三种错误，需要多次测量，因此译码效率相对较低。实现量子比特信息在小型量子网络路由器之间的准确传输，关键需要解决以下技术问题：第一，如何编码使得任意一个量子态信息生成n位量子态编码进行传输。第二，如何使用经典网络通道来协助判断误码率，实现高质量的量子通讯。第三，如何获得误码在比特序列中的位置。第四，如何准确纠错。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本公开的一个或多个实施例提供了一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法及系统，选择有着更高译码效率、适用范围更普遍的量子纠错码—稳定子量子纠错码，有效提高译码效率。根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法。一种基于稳定子量子纠错码的小型量子路由方法，该方法包括：建立量子网络的量子网络模型；所述量子网络模型包括源量子节点和若干目的量子节点；源量子节点从发送序列中随机选择校验位，发送序列编码进行通讯初始化；源量子节点生成稳定字码生成元以及校验矩阵，发送全部量子比特序列，目的量子节点确认接收量子比特序列，源量子节点与目的量子节点间进行量子网络路由节点通讯；目的量子节点返回数据确认包ACK至源量子节点，源量子节点发送校验比特序列至目的量子节点，进行经典网络通讯辅助纠错；目的量子节点使用校验矩阵判断传输错误，使用翻转门纠正错误量子位，反向编码获得正确比特数据。进一步地，在该方法中，所述量子网络模型各个节点间同时存在量子信道与经典信道，量子信道依靠量子纠缠态传递信息，基于稳定子量子纠错码，经典网络信道的通讯依靠经典路由信息协议，基于距离矢量算法的RIP协议，量子信道与经典信道共同完成量子比特传输。进一步地，在该方法中，所述量子网络模型还包括信息通讯路由表，所述信息通讯路由表包括目的量子节点列、当前路由表到目的量子节点代价值列和下一量子节点列；该方法根据所述信息通讯路由表选择代价值最小的路径。进一步地，在该方法中，所述源量子节点从发送序列中随机选择校验位的具体步骤包括：源量子节点发送m个量子比特，每个量子比特可编码扩展为n位，其中k位是有效编码位，其余的n-k位用于误码检测，m个量子比特组成量子比特序列，从量子比特序列中随机挑选位量子比特，作为协助经典信道判断误码率的校验量子比特序列。进一步地，在该方法的通讯初始化中，源量子节点发送m个量子比特中第i个量子态为对于任意的M(M∈W)，存在M为稳定子W群内的n-k个生成元，由算子X、Y、Z组成；稳定子码C(W)是M所有本征值值为1的本征向量张成的向量空间。进一步地，在该方法中，所述源量子节点与目的量子节点间进行量子网络路由节点通讯的具体步骤包括：源量子节点确定n-k个稳定子生成元；源量子节点生成元在源量子节点发送n位量子比特前，使用生成元将量子比特编码；源量子节点发送将经过上述编码后的量子隐形传态编码序列，通过量子信道发送给目的量子节点；目的量子节点确认接收量子隐形传态编码序列。进一步地，在该方法中，所述经典网络通讯辅助纠错的具体步骤包括：当目的量子节点接收完所有的量子比特序列后，通过经典网络信道向源量子节点返回一个数据确认帧ACK；源量子节点收到数据确认帧ACK后，将初始化中随机选择的位的校验量子比特序列和相应校验位构建成数据包，发送给目的量子节点；目的量子节点接收数据包，根据对应数据包中的数据计算误码率P＝e/n，其中e为误码数，是集合U＝{|φi>≠|ψi>,|φi>∈Q,|ψi>∈λ}中元素的个数，其中|φi>和|ψi>在序列中的比特位数对应，若P≥t，则启动重传机制，量子比特序列重新传输，若P<t，则进行后续的传输误码纠正操作，t为预设阈值。进一步地，在该方法中，所述目的量子节点使用校验矩阵判断传输错误的具体步骤包括：依次对于所有的在量子比特传输过程中发生的翻转错误的出错态采用稳定子W的n-k个生成元测量，诊断出所有的错误信息以及纠错位；所述使用翻转门纠正错误量子位，反向编码获得正确比特数据的具体步骤包括：使用校验矩阵H作用于接受到的量子比特序列，可以得到所有稳定子生成元的本征值矩阵H′，根据H′判断各种翻转错误的所有出错量子位；。将测量结果与诊断量子伴随式对照，同时判断X、Z、Y三种翻转的所有出错量子位，对出错量子位进行相应的纠正翻转门操作，最后反向编码即可获得最终的正确量子比特数据。进一步地，在该方法中，采用量子低密度奇偶校验码替代稳定子码。根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，还提供一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由系统。一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由系统，应用所述的一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法。本公开的有益效果：本专利技术所述的一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法及系统，针对小型量子网络，解决了在量子隐形传态中如何安全准确的编码、传输、纠错等问题。在误码纠错过程中，基于稳定子生成元测量出错比特位，对照出错量子伴随式，可方便的指出量子比特出错位的位置，并可直接获得其错误类型(X、Z、Y)。相对而言，稳定子纠错有着更高的效率和更好的适应性。因此，本量子网络通讯协议在有着高安全性的同时，还保证了较好的译码效率。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是根据一个或多个实施例的一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法流程图。具体实施方式：下面将结合本公开的一个或多个实施例中的附图，对本公开的一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开的一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于稳定子量子纠错码的小型量子路由方法，其特征在于，该方法包括：建立量子网络的量子网络模型；所述量子网络模型包括源量子节点和若干目的量子节点；源量子节点从发送序列中随机选择校验位，发送序列编码进行通讯初始化；源量子节点生成稳定字码生成元以及校验矩阵，发送全部量子比特序列，目的量子节点确认接收量子比特序列，源量子节点与目的量子节点间进行量子网络路由节点通讯；目的量子节点返回数据确认包ACK至源量子节点，源量子节点发送校验比特序列至目的量子节点，进行经典网络通讯辅助纠错；目的量子节点使用校验矩阵判断传输错误，使用翻转门纠正错误量子位，反向编码获得正确比特数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于稳定子量子纠错码的小型量子路由方法，其特征在于，该方法包括：建立量子网络的量子网络模型；所述量子网络模型包括源量子节点和若干目的量子节点；源量子节点从发送序列中随机选择校验位，发送序列编码进行通讯初始化；源量子节点生成稳定字码生成元以及校验矩阵，发送全部量子比特序列，目的量子节点确认接收量子比特序列，源量子节点与目的量子节点间进行量子网络路由节点通讯；目的量子节点返回数据确认包ACK至源量子节点，源量子节点发送校验比特序列至目的量子节点，进行经典网络通讯辅助纠错；目的量子节点使用校验矩阵判断传输错误，使用翻转门纠正错误量子位，反向编码获得正确比特数据。2.如权利要求1所述的一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法，其特征在于，在该方法中，所述量子网络模型各个节点间同时存在量子信道与经典信道，量子信道依靠量子纠缠态传递信息，基于稳定子量子纠错码，经典网络信道的通讯依靠经典路由信息协议，基于距离矢量算法的RIP协议，量子信道与经典信道共同完成量子比特传输。3.如权利要求1所述的一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法，其特征在于，在该方法中，所述量子网络模型还包括信息通讯路由表，所述信息通讯路由表包括目的量子节点列、当前路由表到目的量子节点代价值列和下一量子节点列；该方法根据所述信息通讯路由表选择代价值最小的路径。4.如权利要求1所述的一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法，其特征在于，在该方法中，所述源量子节点从发送序列中随机选择校验位的具体步骤包括：源量子节点发送m个量子比特，每个量子比特可编码扩展为n位，其中k位是有效编码位，其余的n-k位用于误码检测，m个量子比特组成量子比特序列，从量子比特序列中随机挑选位量子比特，作为协助经典信道判断误码率的校验量子比特序列。5.如权利要求1所述的一种基于稳定子量子纠错码的小型量子网络路由方法，其特征在于，在该方法的通讯初始化中，源量子节点发送m个量子比特中第i个量子态为对于任意的M(M∈W)，存在M为稳定子W群内的n-k个生成元，由算子X、Y、Z组成；稳定子码C(W)是M所有本征值值为1的本征向量张成的向量空间。6.如权利要求1所述的一种基于稳定子量子纠错码的小...

【专利技术属性】
技术研发人员：王淑梅，李嘉鑫，徐鹏翱，马鸿洋，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37