基于未知参数四比特团簇态的隐形传送方法与流程

本发明涉及通信网络及信息传播方法，特别是涉及基于未知参数四比特团簇态的隐形传送方法。

背景技术：

量子信息学是由量子力学和信息科学形成的交叉学科。量子信息学为信息科学与通信技术的持续发展和不断变革提供了新的原理与方法。目前，量子信息学的主要研究方向为量子通信、量子计算与量子密码术。其中，量子通信主要包括量子隐形传态、量子密集编码和量子密钥分发三部分，量子计算主要包括量子计算机和量子计算方法两部分。量子信息学自诞生之日起便受到了国内外众多机构与学者的格外关注。尤其在量子通信方面，由于其在信息传输过程中具有高效率与绝对安全等特性，因此，自上世纪90年代开始，各国科学家便着力于将其由理论变为现实。

量子隐形传态是目前量子信息中最引人注目的课题之一，它是量子信息理论的重要组成部分，也是量子计算的基础。1993年，bennett等四个国家的六位科学家联合在《phys.rev.lett》上发表了一篇题为“由经典和epr通道传送未知量子态”的论文[1],开创了人们研究量子隐形传态(quantumteleportation)的先河，也因此激发了人们对量子隐形传态的研究兴趣。在bennett等人的开创性论文发表之后，人们对量子隐形传态进行了广泛深入地研究，关于量子隐形传态的方案相继出现：1995年brassardg等人提出了利用受控非门和单个量子比特操作所构成的量子回路来实现量子隐形传态方案[2]；1997年，郑仕标提出了基于腔qed的量子隐形传态方案[3]；1998年，nielsen等提出了通过非最大纠缠态实现隐形传态的方案[4]；2000年与2002年郭光灿小组分别提出了两粒子纠缠态的隐形传态方案[5]与三粒子ghz态的隐形传态方案[6]；2005年，bae等人提出了在任意非对称态下的三方量子隐形传态方案[7]；2005年以来,余旭涛小组针对复杂结构的无线量子通信网络,提出了无线自组织量子通信网络并研究了该网络的相关协议[8-10]。量子隐形传态是利用共享纠缠、局域操作和经典通信来传送量子态。在量子隐形传态中，不需要知道待传送量子比特的状态信息，但是alice必须传送经典信息给bob，bob才能执行局域操作重现未知多维多量子比特纠缠态。

团簇态[11]是hjbriegel和rraussendorf在2001年提出的一种新的量子纠缠态，并且证明团簇态在量子数目n>3时，有一些更加特殊的性质，团簇态可由多种方法制备得到，如利用光学系统，腔qed系统和离子阱系统等[12-15]。四比特团簇态同时具有ghz(greenberger-horne-zeilinger)态[16]和w态的属性，且已经被证明比ghz态有更强的抵御消相干的能力[17]，抵抗量子比特损失[18]，最大连通性和持续纠缠性，同时四比特团簇态也可以作为一种强大的工具来执行非局域测试[19-20]。四比特团簇态除了在单向量子计算中具有重要的作用，在其它领域也有广泛应用，例如它也可用于量子直接安全通信中。近年来国内和国外的一些学者和研究人员也开展了一系列关于cluster态浓缩的研究，并提出了一系列的方案。印度科学家choudhury和dhara提出了基于线性光学的cluster态浓缩方案[21]。我国延边大学的量子信息专家zhangshou课题组提出了基于cross-kerr介质的有效的三步cluster态纠缠浓缩方案[22]。xutingting等提出基于cross-kerr非线性的两步的纠缠浓缩方案[23]。

本发明参考参考文献如下：

[1]bennettch,brassardg,crepeauc,jozsar,peresa,wootterswk.teleportinganunknownquantumstateviadualclassicalandeinstein-podolsky-rosenchannels[j].phys.rev.lett.,1993,70(13):1895～1899.

[2]brassardg,manna.measurementofthebelloperatorandquantumteleportation[j].phys.rev.a,1995,51(3):1727～1731

[3]zhengsb,guogc.teleportationofatomicstatethroughtheramanatom-cavity-filedinteraction[j].phys.lett.a,1997,232(3):171～174

[4]nielsenma,knille,laflammer.completequantumteleportationbynuclearmagneticresonance[j].nature,1998,396:52～55

[5]hongl,guogc.teleportationofatwo-particleentangledstateviaentanglementswapping[j].phys.lett.a,2000,276(6):209～212

[6]liujm,guogc.quantumteleportationofathree-particleentangledstate[j].chin.phys.lett.,2002,19(4):456～459

[7]baej,jinj,kimj,etal.three-partyquantumteleportationwithasymmetricstates[j].chaossolitons&fractals,2005,24(4):1047～1052

[8]余旭涛,张在琛,毕光国等.一种提高能量效率的adhoc网络mac层协议[j].计算机学报,2006,29(2):256～266

[9]余旭涛,徐进,张在琛等.基于量子远程传态的无线自组织量子通信网络路由协议[j].物理学报,2012,61(22):50～57

[10]余旭涛,张在琛,毕光国等.一种新的均衡流量提高网络能量效率的adhoc网络路由建立算法[j].电子与信息学报,2005,27(12):1988～1993

[11]briegelhj，raussendorfr.persistententanglementinarraysofinteractingparticles[j].physicalreviewletters，2001，86(5)：910—913.

[12]borhanim,lossd.clusterstatesfromheisenberginteractions[j].physicalreviewa,2005,71:032308.

[13]waltherp,reschkj,rudolpht,schenecke,weinfurterh,vedralv,aspelmeyerm,zeilingera.experimentalone-wayquantumcomputing[j].nature,2005,434:169-176.

[14]brownede,rudolpht.efficientlinearopticalquantumcomputation[j].physicalreviewletters,2005,95:010501.

[15]zouxb,mathisw.schemesforgeneratingtheclusterstatesinmicrowavecavityqed[j].physicalreviewa,2005,72:013809.

[16]nieyy，liyh，wangas.semi-quantuminformationsplittingusingghz-typestates[j].quantuminformationprocessing，2013，12(1)：437—448.

[17]dürw,briegelhj.stabilityofmacroscopicentanglementunderdecoherence[j].physicalreviewletters,2004,92(18):180403.

[18]raussendorfr,briegelhj.persistententanglementinarraysofninteractingparticle[j].physicalreviewletters,2001,86:910-913.

[19]waltherp,aspelmeyerm,reschkj.experimentviolationofaclusterstatebellinequality[j].physicalreviewletters,2005,95(2):020403

[20]kieseln,schmidc,weberu.experimentanalysisofafour-qubitphotonclusterstate[j].physicalreviewletters,2005,95(21):210502.

[21]choudhurybs,dharaa.anentanglementconcentrationprotocolforclusterstates[j].quantuminformationprocessing,2013,12(7):2577-2585.

[22]sib,susl,sunll.efficientthree-stepentanglementconcentrationforanarbitraryfour-photonclusterstate[j].chinesephysicsb,2013,22(3):030305.

[23]xutt,xiongw,yel.concentratingarbitraryfour-photonless-entanglementclusterstatebyonlysinglephotons[j].modernphysicslettersb,2012,26(32):1250214.

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于未知参数四比特团簇态的隐形传送方法。

一种基于未知参数cluster态的隐形传送方法，包括如下步骤：

步骤1、信道准备，终端用户alice与终端用户bob为通信双方，粒子a和粒子b携带未知量子态由所述终端用户alice持有，未知二粒子态形式为网络中心资源调度方制备多组相同的四比特团簇态|c4>1234、|c4>1'2'3'4'、|c4>＝a0|0000>+b0|0011>+c0|1100>-d0|1111>作为量子纠缠信道，其中参数a0,b0,c0,d0未知，其中所述终端用户alice拥有粒子1与粒子3，其余归所述终端用户bob所有；

步骤2、匹配测量，所述终端用户alice对粒子对(a,1)与粒子对(b,3)执行bell基测量，并公布测量结果，此时量子系统有如下形式：

所述终端用户bob根据所述终端用户alice的测量结果，可以得到不同形式的之后bob将获得的与一组未知参数四比特团簇态|c4>1'2'3'4'执行bell基测量，根据bell测量结果，可以得到不同形式的

具体地，所述终端用户bob根据alice的测量结果获得的形式有16种情况，当bob忽略局部操作时，根据测量结果的参数形式，可以分为4类，之后bob将与一组未知参数四比特团簇态|c4>1'2'3'4'执行bell基测量后，得到的形式有256种可能，当bob忽略i,z,xz,x等局部操作时，根据测量结果的参数形式，一共可以分为16类，具体如下：

从上述表达式中可以看出当的形式为时，此时的参数形式中带有平方，对于这种形式将无法实现未知参数四比特团簇态的隐形传送需要将其剔除。

所述终端用户bob根据测量结果，准备匹配信道，bob利用拥有的多组未知参数四比特团簇态两两匹配组合并进行bell测量，找到与之前测量结果相同或者等价组合的信道；以其中两组未知参数cluster态具体说明：所述终端用户bob对粒子对(b1,a2)与粒子对(d1,c2)执行bell基测量，并对粒子a1与粒子c1执行相应的幺正操作，经过幺正操作后，得到四种不同形式的

从上述表达式中可以看出当的形式为|c1>时，此时的参数形式中带有平方，对于这种形式将无法实现未知参数四比特团簇态的隐形传送需要将其剔除；当的形式为|c2>时，此时的参数形式与相匹配；当的形式为|c3>时，此时的参数形式与相匹配；当的形式为|c4>时，此时的参数形式与相匹配。

步骤3、恢复未知量子态，完成匹配测量后所述终端用户bob可以成功制备出多种形式的|c>；所述终端用户bob选择与形式相配的|c>执行bell测量并进行恢复操作，就有可能实现未知二粒子态的隐形传送。

以的形式为且的形式为|c2>，举例说明：

其中，

用户bob对粒子对(2’,a1)与粒子对(4’,c1)执行bell测量，根据bell测量结果不同，对粒子b2与粒子d2执行相应的幺正操作，得到两种不同形式的

当时，此时在未知信道参数的情况下成功恢复了传送的未知二粒子量子态。

上述基于未知参数四比特团簇态的隐形传送方法，能够在未知参数的信道下实现未知二粒子态的隐形传送，避免对最大纠缠信道的需求以及降低量子通信环境噪声对量子通信的干扰；采用的所有测量方式为bell基测量，极大地减少了具体通信操控的难度，使得未知二粒子态的隐形传送更易于物理实现。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于未知参数四比特团簇态的隐形传送方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的一种基于未知参数四比特团簇态的隐形传送方法的终端用户alice、bob的粒子分配示意图。

图3为本申请实施例提供的一种基于未知参数四比特团簇态的隐形传送方法的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1到图3:

1、四比特未知参数团簇态

本发明采用的四比特部分纠缠团簇态的形式如下：

|c>＝a0|0000>+b0|0011>+c0|1100>-d0|1111>

2、bell基

bell基是由两粒子构成的最大纠缠态，它构成了四维hilbert空间的一组完备正交基，具体形式如下：

3、控制相位门

控制相位门(cz门)，它拥有两个输入量子比特，分别是控制量子比特和目标量子比特。其作用是：当控制量子比特与目标量子比特同时处于|1>时，将这两个体态的相位反转π。其对应的矩阵形式为：

4、pauli阵

本发明中还会用到一些幺正矩阵，也即pauli阵。具体形式如下：

如图1所示，一种基于未知参数四比特团簇态的隐形传送方法，该方法实现了终端用户alice通过未知参数四比特团簇态信道给另一终端用户bob传送未知二粒子态，具体步骤：

步骤1、信道准备，终端用户alice与bob为通信双方，粒子a和粒子b携带未知量子态由alice持有，alice通过未知参数信道传送该未知二粒子态给bob，未知二粒子态形式为网络中心资源调度方制备多组相同的四比特未知参数团簇态|c4>1234、|c4>1'2'3'4'、|c4>＝a0|0000>+b0|0011>+c0|1100>-d0|1111>作为量子纠缠信道，参数a0,b0,c0,d0未知，其中所述终端用户alice拥有粒子1与粒子3，其余归所述终端用户bob所有；

步骤2、匹配测量，所述终端用户alice对粒子对(a,1)与粒子对(b,3)执行bell基测量，并公布测量结果，此时量子系统有如下形式：

其中

表1:终端用户bob执行幺正变换的关系对照表

所述终端用户bob根据所述终端用户alice的测量结果，可以得到不同形式的之后bob将获得的与一组未知参数四比特团簇态|c4>1'2'3'4'执行bell基测量，根据bell测量结果，可以得到不同形式的

具体地，所述终端用户bob根据alice的测量结果获得的形式有16种情况，当bob忽略局部操作时，根据测量结果的参数形式，可以分为4类，之后bob将与一组未知参数四比特团簇态|c4>1'2'3'4'执行bell基测量后，得到的形式有256种可能，当bob忽略i,z,xz,x等局部操作时，根据测量结果的参数形式，一共可以分为16类，具体如下：

表2:终端用户bob的测量结果与测量结果对照表

从上表中可以看出当的形式为时，此时的参数形式中带有平方，对于这种形式将无法实现未知参数四比特团簇态的隐形传送需要将其剔除。

所述终端用户bob根据测量结果，准备匹配信道，bob利用拥有的多组未知参数四比特团簇态两两匹配组合并进行bell测量，找到与之前测量结果相同或者等价组合的信道；以bob拥有的其中两个未知参数四比特团簇态具体说明：

其中

bob对粒子对(b1,a2)与粒子对(d1,c2)执行bell基测量，并对粒子a1与粒子c1执行相应的幺正操作，经过幺正操作后，得到四种不同形式的

表3：bell测量结果与参数形式对照表

从上表可以看出当的形式为|c1>时，此时的参数形式中带有平方，对于这种形式将无法实现未知参数四比特团簇态的隐形传送需要将其剔除；当的形式为|c2>时，此时的参数形式与相匹配；当的形式为|c3>时，此时的参数形式与相匹配；当的形式为|c4>时，此时的参数形式与相匹配。

步骤3、恢复未知量子态，完成匹配测量后所述终端用户bob可以成功制备出多种形式的|c>；所述终端用户bob选择与形式相配的|c>执行bell测量并进行恢复操作，就有可能实现未知二粒子态的隐形传送。

以的形式为且的形式为|c2>，举例说明：

其中，

用户bob对粒子对(2’,a1)与粒子对(4’,c1)执行bell测量，根据bell测量结果不同，对粒子b2与粒子d2执行相应的幺正操作，得到两种不同形式的

表4：bell测量结果与参数形式对照表

当时，此时在未知信道参数的情况下成功恢复了传送的未知二粒子量子态。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。