专利名称：无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法
技术领域：
本发明涉及量子通信和信息传播技木，尤其涉及ー种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法。
背景技术：
量子远程传态是ー种全新的通信方式，它利用收发双方所共同拥有的纠缠量子对传送量子信息，因其非局域性、不可逆性和瞬时性，被广泛应用于量子通信网络中。在量子远程传态基础上，结合纠缠交换和纠缠纯化可以实现多节点远距离通信。1993年利用量子纠缠的概念提出了量子态远程传输理论方案，实现了量子远程传态。1993年基于量子远程传态提出了量子纠缠交換的方案。基于纠缠交換和纠缠纯化的量子中继器就可以用来解决在长程通讯时的光子数的损耗和量子信道消相干效应的影响等。1997在国际上首次实验实 现了量子远程传态和量子纠缠交換。1998年，提出了利用量子远程传态和量子纠缠交换实现量子中继器的理论方案，2000年提出了多粒子远程传态理论方案。2003年首次实验实现了基于纠缠交換的量子中继器。2010年实现了 16公里自由空间量子态隐形传输，2011年实现了 8个纠缠态光子的制备。上述这些研究从理论和实验上验证了构建量子通信网络的可行性，为量子通信网络提供了理论依据和实现方法。但目前这些工作大部分基于简单网络拓扑结构，主要为点对点网络拓扑，以及少量包含几个节点的星形或总线型网络拓扑。目前对复杂网络结构下的量子通信网络研究较少，对无线量子通信网络的研究更加不充分。在无线量子通信网络研究中，研究工作主要集中在网络安全领域，对网络结构、协议等研究较少。无线自组织网络作为得到广泛应用的主流无线网络，该网络中节点可以自行构建网络，具有高度的灵活性。无线自组织量子通信网络定义如下网络具有自组织动态拓扑结构，网络节点为具有无线通信功能的移动量子设备，节点间存在量子信道和经典无线信道，网络中传输的信息加载到量子态上通过量子信道传输，经典无线信道作为辅助信道。无线自组织量子通信网络网络结构遵循无线自组织网络结构，网络中没有严格的中心控制节点，所有节点地位平等，每个节点都具有路由功能，相邻节点间可以直接通信，非相邻节点需要通过其它节点进行转发。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供ー种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，从源和目的节点相邻节点两端开始通过纠缠交換建立量子信道，通过量子远程传态传输量子信息，減少了量子信道的建立时间并保证了信息传输的安全性。本发明采用的技术方案是ー种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，包括如下步骤
(I)从源和目的节点的相邻节点开始进行纠缠交換，将测量结果沿中间节点方向传递至下ー节点；(2)节点判断是否收到来自两个方向的測量結果；若是，在该节点进行最后一次纠缠交换，这将使源节点与目的节点中两个本来不纠缠的粒子纠缠起来，建立源和目的节点间量子信道，跳转至步骤(3)，否则就进行纠缠交換，将测量结果沿中间节点方向传递至下ー节点，跳转至步骤(2)；(3)该节点将测量结果所对应的源节点与目的节点间的粒子纠缠态，通过无线信道分别传送至目的节点和源节点；(4)源节点收到该测量结果后，通过量子远程传态传递携帯信息的量子态，使得携带信息的量子态传送到目的节点。所述相邻节点间拥有纠缠粒子对。携帯信息的量子态通过量子信道传递，所述步 骤(2 )、( 3 )和(4)中的測量结果通过无线信道传递。所述步骤(I)和(2)中，纠缠交換的方法如下假设节点A拥有粒子I，节点B拥有粒子2和3，节点C拥有粒子4。粒子I和2处于纠缠态I Φ〉12，3和4处于纠缠态I Ψ〉34，此时在节点B对粒子2和3做ー个Bell基的測量，原来毫无关系的粒子I和4就纠缠起来，成为ー对纠缠粒子。该过程可表示为\Φ)12 \ψ)Μ = IΣ (び, ,)丨 Φ}14 (び, Ι)\ψ L其中Oi表示I (不操作)，ο χ (绕χ轴旋转180度)，Oy (绕y轴旋转180度)和σ z (绕z轴旋转180度)四个Pauli算符。在纠缠交换过程中，所用到的Bell基测量的方法如下两态的两粒子体系有如下四个Bell基I 参〉=(I 00〉土 111〉)=-^(I οι)± I ο))每个Bell基态都是双粒子体系中最大的纠缠态，它们是四维空间的正交完备基，可用之对任意两粒子态I Ψ〉Ab实施正交測量，称为Bell基測量。所述步骤(4)中，对携带信息的量子态进行远程传态，步骤如下a)源节点对携帯信息的粒子和源和目的节点纠缠粒子对中源节点所拥有的粒子进行测量，将测量结果通过无线信道传送到目的节点；b)目的节点根据收到的測量结果，对源和目的节点纠缠粒子对中目的节点所拥有的粒子进行么正变换，得到携帯信息的粒子态，从而完成了量子信息的传递。在步骤b)中，粒子么正变换的方法如下两态单个粒子可实施如下的幺正变换(用Pauli矩阵表示)
(O I) fo -A (I O] (\ O)
_] ^ = U oP=[i oP=[o —i/lo ij其中σ z的作用是使相对相位倒转\φ) ^·\φΥ
权利要求
1.ー种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，其特征在于该方法包括如下步骤 (1)从源和目的节点的相邻节点开始进行纠缠交換，将测量结果沿中间节点方向传递至下ー节点； (2)节点判断是否收到来自两个方向的測量结果；若是，在该节点进行最后一次纠缠交换，这将使源节点与目的节点中两个本来不纠缠的粒子纠缠起来，建立源和目的节点间量子信道，跳转至步骤(3)，否则就进行纠缠交換，将测量结果沿中间节点方向传递至下ー节点，跳转至步骤(2); (3)该节点将测量结果所对应的源节点与目的节点间的粒子纠缠态，通过无线信道分别传送至目的节点和源节点； (4)源节点收到该测量结果后，通过量子远程传态传递携帯信息的量子态，使得携帯信息的量子态传送到目的节点。
2.根据权利要求I所述的用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，其特征在于所述相邻节点间拥有纠缠粒子对。
3.根据权利要求I所述的用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，其特征在于携帯信息的量子态通过量子信道传递，所述步骤(2)、(3)和(4)中的測量结果通过无线信道传递。
4.根据权利要求I所述的用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，其特征在于所述步骤(4)中进行量子远程传态步骤如下 a)源节点对携帯信息的粒子和源和目的节点纠缠粒子对中源节点所拥有的粒子进行測量，将测量结果通过无线信道传送到目的节点； b)目的节点根据收到的測量结果，对源和目的节点纠缠粒子对中目的节点所拥有的粒子进行么正变换，得到携帯信息的粒子态，从而完成了量子信息的传递。
全文摘要
本发明公开了一种用于无线自组织量子通信网络建立量子信道以及传递量子信息的方法，包括(1)从源和目的节点的相邻节点开始进行纠缠交换，将测量结果沿中间节点方向传递至下一节点；(2)节点判断是否收到来自两个方向的测量结果；(3)该节点将测量结果所对应的源节点与目的节点间的粒子纠缠态，通过无线信道分别传送至目的节点和源节点；(4)源节点收到该测量结果后，通过量子远程传态传递携带信息的量子态，使得携带信息的量子态传送到目的节点。本发明方法建立量子信道传递量子信息所节省的无线传输开销越显著，可以降低无线信道需要传送的数据包，降低无线信道中数据包冲突概率。
文档编号H04B10/30GK102694605SQ20121016152
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者余旭涛, 张在琛, 徐进, 谈敏 申请人:东南大学