基于量子中继器的一般图网络编码方案的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于量子中继器的一般图网络编码方案，属于通信网络技术领域。
【背景技术】
[0002] 量子网络编码可以提高量子通信的安全性和效率，正逐渐成为近年来量子通信领 域的研宄热点，并在理论研宄方面已取得重大的成果。2006年Hayashi等人针对蝶形拓扑 中量子比特的传输问题进行分析，提出了XQQ(CrossingTwoQubits)协议，实现了两个任 意量子态交叉概率性传输，使量子网络编码成为可能。2007年Hayashi又从新的角度将量 子隐形传态（QuantumTeleportation)应用于量子网络编码中，设计了基于发送方预共享 纠缠态（PriorEntanglement)的量子网络编码方案，实现了量子态的完美传输。2013年 Nishimura明确了基于蝶形网络的量子网络编码中可达速率的界限，并指出研宄一般网络 结构的量子网络编码更具有现实意义。已有量子网络编码方案研宄的网络模型主要是蝶形 网络，关于复杂拓扑网络模型的研宄极少。随着量子网络迅速的发展，实际网络拓扑结构的 复杂性给量子网络编码带来了新的挑战，即如何安全高效地实现一般网络上的量子通信将 成为关键的研宄问题。
[0003] 目前，在探索一般网络结构方面，已经有了一些初步的研宄成果。2006年Iwama等 人突破网络编码的经典蝶形网络模型，对一般图网络进行了研宄，引入了一种新的量子克 隆协议EFC(Etanglement-Free Cloning)，解决了量子网络中复制出的量子态的纠缠问题， 并提出了相应的一般图量子网络编码方案。2007年阎毅等人提出了一种用于量子通信系 统的量子中继器方案，使用这种中继器的量子通信系统可以用于长距离量子通信。然后他 们在已有研宄的基础上提出了一种基于纠缠态的量子中继通信系统，该系统以纠缠为基本 资源，利用纠缠交换和纠缠钝化在系统的发信者和受信者之间建立光子对的纠缠，应用量 子隐形传态的原理传输量子信息。2009年Kobayashi等人证明对于任何图而言，完美的量 子网络编码都是可行的。2012年Satoh等人提出了蝶形网络上的量子中继网络编码方案， 提高了量子网络的传输距离与速率。虽然已有的一般图网络编码方案中采用了一般图的度 3(D3)图分解方法，并采用EFC的克隆方式，但是EFC的最优性依然没有解决，因此一般图量 子网络编码方案的效率问题依然存在。研宄表明，图的分解在复杂算法设计中有着极其重 要的意义，应该发挥更大的作用。
[0004] 本发明在现有研宄基础之上，将量子中继网络编码方案的网络模型由蝶 形网络拓展到一般图网络，根据图论知识将一般图转化为〇 3图，以相邻中继器共享 EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)对和经典通信L0CC(LocalOperationandClassical Communication)方法构造纠缠态信道，借助量子隐形传态的特性对03图网络进行编码，实 现量子信息在多源模型上的远程通信。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题：突破现有量子网络编码方案使用的蝶形网络结构，设计 支持一般网络结构的量子网络编码方案。如何设计支持远距离量子通信的通用性网络节 点，如何设计面向一般网络结构的量子信道生成，是保证实现一般网络结构的量子网络编 码必须解决的关键问题。
[0006] 本发明采取的技术方案是：基于量子中继器的一般图网络编码方案，它包含以下 步骤：
[0007] 步骤一.将复杂拓扑结构网络抽象为一般图，采用一般图转化成D3图的方法简化 网络模型。
[0008] 其中，步骤一中的一般图转化成仏图的方法具体步骤如下：
[0009] 步骤1. 1，定义节点类型。源节点是度（入度，出度）为（0, 1)的节点，汇节点是度 为（1，〇)的节点，叉节点是度为（1，2)的节点，聚节点是度为（2, 1)的节点，传输节点是度 为（1，1)的节点。
[0010] 步骤1.2,对于源节点，如果它有m彡2个输入，则需要在这个源节点上加m个父节 点成为m个新的源节点，且每个源节点均只有一个输入；同理，对于汇节点，如果它有m多2 个输入，则需要在这个汇节点下加上m个子节点成为m个新的汇节点，且每个汇节点只有一 个输出。
[0011] 步骤1. 3,对于度大于等于4的节点，拆分成若干叉节点和聚节点，拆分后的所有 节点的度数最大为3。
[0012] 步骤1. 4,对于聚节点，可以转化成三个节点：两个传输节点（UjPu2)和一个聚节 点（U3)，则七和u2是u3的父节点，uJPu2节点的操作为系统的传输函数算法，u3节点的操 作为代数和" + "。
[0013] 步骤1. 5,对于叉节点，以传输节点作为突破口来完成叉节点的转化，即从相邻节 点是传输节点的那个叉节点的输出边逐渐做输入的复制操作。如果相邻节点是汇节点，则 中间加一个传输节点。经过传输节点的转化操作，输出值会发生改变。
[0014] 步骤二.对转化后的D3网络进行编码操作，在信源节点和信宿节点之间生成量子 纠缠信道。为了构建量子隐形传态网络，信源节点和信宿节点须拥有一个共享的EPR对，通 过任意两个相邻节点之间共享的EPR对和LOCC算法对D3图进行操作，使得信源节点和信 宿节点之间产生EPR对，形成量子信道。D3图的量子信道生成方法分为以下三种情形：
[0015] (1) -对多结构
[0016]-对多结构的初始设定如图2所示。此D3图中，信源节点s:分别与信宿节点tp t2,t3通信，任意两个相邻节点之间都有共享EPR对，为实现信源节点到三个信宿节点的通 信，信源节点S1与中继节点F1之间共享三个EPR对Iit+>AB、k+〉ASi和，中继节点巧和r2之间共享两个EPR对I也+>EF和|^>_。采用一对多结构的量子信道生成方法操作之后，S1 和L(81和12,~和13)共享一个EPR对I力+>AD (Ir+I，)，形成量子信道。
[0017] (2)多对一结构
[0018] 多对一结构的初始设定如图3所示。此D3图中，信源节点sps2,S3分别与信宿节 点h通信，任意两个相邻节点之间都共享EPR对，为实现三个信源节点到信宿节点的通信， 中继节点:^和r2之间共享两个EPR对I力+>EF和，中继节点r2与中继节点ti之间共 享三个EPR对I*+>"、k+〉w^nk+〉w:。采用多对一结构的量子信道生成方法操作之后，S1 和L(82和ti，&和ti)共享一个EPR对IIt+>A: (k+L，k+L),形成量子信道。
[0019] (3)多对多结构
[0020] 多对多结构的初始设定如图4所示。此D3图中，信源节点sps2,S3分别与信宿节 点h，t2通信，任意两个相邻节点之间都共享EPR对，为实现三个信源节点到两个信宿节点 的通信，中继节点：^和r2之间共享两个EPR对I力+>EF和|v+〉￡iFi，中继节点r2与中继节点r3 之间共享三个EPR对I力+>"、和k+〉#，中继节点r3和信宿节点ti之间共享两个EPR 对I力+>!^、k+〉Mi。假设信源节点S1,S2均与信宿节点ti通信，信源节点s3与信宿节点12通 信，采用多对多结构的量子信道生成方法操作之后，81和ti(82和t巧和12)共享一个EPR 对I步( ，I步+>?)，形成量子信道。
[0021] 所述内容（1)中的一对多结构的量子信道生成方法的具体步骤如下：
[0022] (I. 1) -对多结构的03图的量子初态为Iitinit>如下式所示：
[0023] IU++〉」勺J ++〉CD, ++〉"
[0024] (I. 2)对量子初态I也init>进行Co"/../)，Co/7/f厂，厂丨操作，得到量子态 I1V:
[0025] \￥l) JGHZ)A[Bip |6WZ)^?|^
[0026] 其中，Con是通过控制非门对两个中继器间的量子比特进行非么正操作的一种算 法，具体计算过程为：对由两个EPR对I和I力+>m构成的量子系统? 进 IABfLD 行Com1/>操作，得到量子态IGHZ>ABD。
[0027] (1. 3)对量子态I边！>进行Rc/"《 ...丨，Remw. >4，也操作，得到量子态 屯2> :
[0028] k2)=k+Lk+),iFk+L?k+Lk+L
[0029] 其中，Rem是通过Hadamard算子和Pauli算子对两个中继器间的量子比特进行 非幺正操作的一种算法，具体计算过程为：对一个