一种基于非最大纠缠团簇态的多跳无损隐形传态方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非最大纠缠团簇态的多跳无损隐形传态方法，涉及一种在量子传输路径中，相邻节点之间共享一个四比特非最大纠缠团簇态，Alice和Bob之间没有直接共享的纠缠态，需要借助与中间若干个节点的帮助，通过并行纠缠交换和巧妙地构造矩阵形成在发送方和接收方之间共享的直接纠缠团簇态信道，大大降低了计算复杂度和资源消耗，同时本发明专利技术还引入了辅助粒子来执行复杂的高维量子操作通过各个通信节点协同合作完成信息传送。本方法能够在隐形传态失败的情况下保留传送的原始未知态信息，降低了发送方和接收方的技术要求。降低了发送方和接收方的技术要求。降低了发送方和接收方的技术要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非最大纠缠团簇态的多跳无损隐形传态方法


[0001]本专利技术涉及通信网络及信息传播方法领域，特别是涉及基于非最大纠缠团簇态的多跳无损隐形传态方法。

技术介绍

[0002]量子通信具有高速传输、高可靠保密、高抗干扰性等特点，目前已成为各国信息技术未来发展的重要趋势。当Alice和Bob要传输密钥的时候，若有人监听，监听者就会对进行密钥传输的信道带来干扰而被发现，所以通信双方就可以丢弃有监听者出现时建立的密钥位，并重新确定密钥。最引人瞩目是对量子纠缠现象的研究，纠缠现象是量子力学独有的资源。
[0003]从信息学的角度看，量子信息基于量子力学，具有量子力学的一些特征，如量子的叠加态，量子的相干性、量子的不可克隆定理和量子的纠缠性。量子纠缠最初由爱因斯坦(Einstein)，波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)三位科学家提出[1]，用于证明量子力学的不完备性概念。将处于纠缠状态的两个粒子在空间中分开任意远的距离，测量其中一个粒子的状态，则可以立即得到另一个粒子的状态。这种微观粒子间的“超距作用”赋予了量子通信以高效的特性。纠缠态使得量子力学系统具有呈指数增长的存储能力，使得量子计算具有并行计算能力，是量子力学系统与经典系统之间最重要的区别之一，妙物理特性使之被广泛的应用在量子通信、量子密码和量子计算等领域。量子信息的传输并没有超光速，原因就是发送方需要将测量结果通过经典信道发送给接收方，经典信道必然光速的限制。量子信息主要又包含两部分，一是量子通信，二是量子计算。量子通信是利用量子的不可克隆，不可分割等相关特点借助量子测量，量子幺正操作等实现两个终端节点的量子信息的编码、处理和传输，它基于量子力学原理，将微观世界的物质特性运用到通信技术上，由量子论和信息论相结合而产生[2]。而量子计算的主要核心思想是利用量子的叠加态来实现类似于计算机的计算功能。相较于经典计算利用计算机等硬件设备都会存在一定的寿命和性能方面的限制，量子计算具有更广阔的可能性，同时量子计算的速度也具有一定的优势。
[0004]目前量子通信理论包含三个主要分支：量子秘钥分发[3]‑
[7]，量子安全直接通信[8]‑
[11]以及量子隐形传态[12]。量子安全直接通信的目的是借助量子信道在通信终端之间传输经典消息，与之相对应的是在通信者之间直接传输量子态信息。早在1993年Bennett等[12]学者首次发表量子隐形传态的概念，即通信双方共享纠缠量子态，发送方不需要发送粒子本身就能将未知量子态传送到远端的另一个粒子上。特别是1997年底奥地利Zeilinger研究小组首先在实验上成功的演示量子隐形传态[13]‑
[15]。
[0005]量子隐形传态在量子通信和量子信息中起着重要作用，它代表了许多量子技术发展的基本要素，例如量子中继器[16]，量子门隐形传态[17]，基于测量的计算[18]，端口
‑
基于量子隐形传态[19]等。量子隐形传态的过程如下：发送者 Alice和接收者Bob共享一个最大纠缠的Bell对信道。Alice利用Bell测量基对她的两个粒子执行联合测量，然后将结果告
拥有粒子中间节点Relay
i
(i＝1,2,3,
…
,K)拥有粒子,K)拥有粒子为实现一个未知两比特量子态的无损隐形传送，首先Alice、中间节点 Relay
i
和Bob需要形成直接的纠缠信道；无损隐形传送过程分为以下步骤：
[0012]步骤1：目的是形成直接纠缠信道，系统中完整的团簇态纠缠信道可以表示为
[0013][0014]让所有中间节点Relay
i
(i＝1,2,3,
…
,K)对所持有的粒子对和和分别执行标准Bell态测量，每对粒子Bell态测量能得到四种测量结果，
[0015]即|00>
12
，|01>
12
，|10>
12
，|11>
12
；
[0016]然后将所有测量结果通过经典信道通知Alice，Alice根据中间节点的测量结果，对所持有的粒子和粒子执行相应的幺正操作，幺正操作可以表示为矩阵形式，如(1
‑
4)所示，式中s的取值范围为s＝{1,2}
[0017][0018]执行完上述幺正操作和从式1
‑
4可以得知，Alice与Bob之间成功建立了直接纠缠信道，直接纠缠信道由粒子坍缩为
[0019][0020]为便于分析，简化表达，本文重新定义系数以及相关粒子的书写方式为
[0021][0022]并且粒子此时直接纠缠信道可以简单的表示为
[0023][0024]然后Alice对粒子A1和A2执行CZ门操作，发送方和接收方就形成了直接纠缠信道，CZ门和团簇态信道可以表示为：
[0025][0026][0027]假设发送方Alice想要传送一个未知的两比特态，该未知两比特态表示为
[0028][0029]其中α，β，μ和ν是未知参数并且满足归一化条件|α|2+|β|2+|μ|2+|ν|2＝1；此时由粒子t1t2A1A
2 B1和B2组成的整个系统表示为
[0030][0031]发送方与接收方就形成了直接纠缠信道，为了实现两比特信息的无损传送， Alice与Bob需要执行如下操作；
[0032]步骤2：Alice对粒子对(t1，A1)和(t2，A2)分别执行Bell态测量，然后一共得出16种测量结果，将测量结果之一通知接收方；
[0033]步骤3：接下来，Bob通过引入辅助粒子e来完成信道调制，辅助粒子的状态为|0>，对粒子e和粒子B1执行如下的信道调制操作：
[0034][0035]因为上述16种测量结果会得到四种不同形式的系数，式中的取值范围 x1x2＝{0,1}代表着不同的状态；
[0036]执行完信道调制后，对辅助粒子e执行单粒子测量，如果测量结果为|0>
e
，则Bob根据测量结果执行步骤4，即可成功地接收未知量子态信息，如果测量结果为|1>
e
，则隐形传送失败，发送方只需要执行步骤4
’
就可以恢复未知量子态的信息，减少量子资源的浪费；
[0037]步骤4：如果辅助粒子的测量结果为|0>
e
，Alice会将持有粒子的测量结果告诉Bob，Bob根据Alice的测量结果实施幺正操作
[0038]Bob执行完幺正操作后，粒子B1B2将会坍缩为
[0039][0040]接着Bob让持有的粒子B1B2通过CZ门，最终Bob成功接收未知量子态信息，即
[0041]步骤4
’
：如果辅助粒子的测量结果为|1>
e
，则隐形传送失败，Bob端不能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非最大纠缠团簇态的多跳无损隐形传态方法，其特征在于，包括：发送方Alice和接收方Bob之间共享K+1(K＞0)个两维非最大纠缠团簇态，非最大纠缠四比特团簇态具体形式如下式中系数式中系数是实数并满足归一化条件即并且Alice拥有粒子t1,t2,Bob拥有粒子中间节点Relay
i
(i＝1,2,3,
…
,K)拥有粒子,K)拥有粒子为实现一个未知两比特量子态的无损隐形传送，首先Alice、中间节点Relay
i
和Bob需要形成直接的纠缠信道；无损隐形传送过程分为以下步骤：步骤1：目的是形成直接纠缠信道，系统中完整的团簇态纠缠信道可以表示为让所有中间节点Relay
i
(i＝1,2,3,
…
,K)对所持有的粒子对和和分别执行标准Bell态测量，每对粒子Bell态测量能得到四种测量结果，即|00>
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，|01>
12
，|10>
12
，|11>
12
；然后将所有测量结果通过经典信道通知Alice，Alice根据中间节点的测量结果，对所持有的粒子和粒子执行相应的幺正操作，幺正操作可以表示为矩阵形式，如(1
‑
4)所示，式中s的取值范围为s＝{1,2}执行完上述幺正操作和从式1
‑
4可以得知，Alice与Bob之间成功建立了直接纠缠信道，直接纠缠信道由粒子坍缩为
为便于分析，简化表达，本文重新定义系数以及相关粒子的书写方式为并且粒子此时直接纠缠信道可以简单的表示为然后Alice对粒子A1和A2执行CZ门操作，发送方和接收方就形成了直接纠缠信道，CZ门和团簇态信道可以表示为：和团簇态信道可以表示为：假设发送方Alice想要传送一个未知的两比特态，该未知两比特态表示为其中α，β，μ和ν是未知参数并且满足归一化条件|α|2+|β|2+|μ|2+|ν|2＝1；此时由粒子t1t2A1A
2 B1和B2组成的整个系统表示为发送方与接收方就形成了直接纠缠信道，为了实现两比特信息的无损传送，Alice与Bob需要执行如下操作；步骤2：Alice对粒子对(t1，A1)和(t2，A2)分别执行Bell态测量，然后一共得出16种测量结果，将测量结果之一通知接收方；
步骤3：接下来，Bob通过引入辅助粒子e来完成信道调制，辅助粒子的状态为|0>，对粒子e和粒子B1执行如下的信...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宗一，汪澳，刘芹，丁祎，姜敏，陈虹，黄旭，孙兵，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：