一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案的制作方法

本发明涉及一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，属于通信网络技术领域。

背景技术：

自从第一个量子密钥分配协议BB84被提出以来，量子通信因其基于物理性质的安全性保证而获得越来越多的关注和研究。从基本的安全通信需求出发，量子信息学发展出了量子密钥分配(Quantum Key Distribution，QKD)、量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication，QSDC)等分支。基于拓展通信参与者的需求，量子多方通信自然而然地进入人们的视野，其中的典型应用是量子秘密共享(Quantum Secret Sharing，QSS)。QSS是经典密码学中秘密共享在量子信息科学中的结合和应用，其基本思想是消息的发送者担心众多接收者中可能会存在恶意的破坏者，于是它将消息分成多份，每一份消息都相互独立且分别分配给一个接收者，只有全部接收者诚实协作才能共同恢复出秘密消息，任意单独的接收者都无法独立恢复出信息，因此有效预防了恶意接收者对其他参与者的破坏。进一步来说，QSS是一种一对多的安全通信方法，即一个发送者向多个接收者发送消息，所有接收者协同合作接收消息。

多点协同(Coordinated Multi-point，CoMP)是LTE网络中的一项重要技术，旨在通过协同多个基站共同为小区用户提供服务，从而极大改善通信服务质量，该技术在LTE网络中有深入的研究和应用。CoMP的核心思想之一是令多个基站协同合作，同时为一个用户发送有效消息，这与QSS的需求相反，是一种多对一的工作方式，但是与一对多工作方式相同，它也需要多个节点协同 合作。

量子纠缠是量子固有的物理特性，它是量子信息能够发挥巨大作用的基础。量子纠缠交换是量子信息科学中的关键技术，它允许通过对两个粒子的测量操作，使另外两个原本没有纠缠关系的量子产生纠缠效应，此外，新产生的纠缠粒子对的状态和纠缠交换的测量操作结果有着特定的关联，即通过测量结果可以推断出新纠缠粒子的状态。这种特性常被用于各种量子通信协议的设计，在量子安全直接通信、量子秘密共享、量子签名等领域都有广泛应用。

考虑到多点协同通信的功能需求以及量子网络的特殊性和量子资源的珍贵性，量子多点协同传输方案应尽可能满足以下需求：(1)保密性，当有多个发送者时，发送者的消息只有接收者可获得，其余发送者不可获得；(2)高效性，有效利用网络中现有的量子资源；(3)动态性，发送者的数量没有固定的限制和要求，可根据需要调节协同网络的节点数量。

本发明受到QSS和CoMP的启发，利用纠缠交换技术，在量子通信网络中构造灵活的多点协同传输方案。多个节点协同合作，既能够进行类似于QSS的一点对多点的消息传输，也能够进行类似于CoMP的多点对一点的消息传输。多点协同通信方案拓展了量子网络的多方通信模式，并有效提高量子网络的传输性能。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：基于拓展量子网络通信参与者的需要，面向量子通信网络提出一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，其中如何实现一方对多方的消息传输和多方对一方的消息传输是必须解决的关键问题。

本发明采取的技术方案是：一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案，它包含以下步骤：

步骤1.有通信需求的多个节点N₁，N₂，…，N_k组建起网络，网络结构如下：相邻节点之间具有EPR(Einsten-Podolsky-Rosen)纠缠信道，即N_i(2≤i≤k-1)分别与N_i-1和N_i+1具有EPR纠缠信道，N₁分别与N₂和N_k具有EPR 纠缠信道，N_k分别与N₁和N_k-1具有EPR纠缠信道。网络节点通过EPR信道首尾相连，形成封闭环状。

步骤2.根据所有节点N_i(1≤i≤k)的通信需求，协商出通信模式，即确定一对多模式或者多对一模式。如果进行一对多模式，则进入步骤3；否则，如果进行多对一模式，进入步骤4。

步骤3.网络执行一对多模式，此模式适用于网络中某个节点N_s(1≤s≤k)需要向其他节点发送消息的场景。将发送消息的节点N_s(1≤s≤k)重新命名为S，剩余节点N_i(1≤i≤k,i≠s)为接收节点，令m＝k-1，并将剩余节点N_i(1≤i≤k,i≠s)重新命名为R₁，R₂，…，R_m。发送者S向接收节点R_i(1≤i≤m)发送的消息长度为2l位，l＞0。

其中步骤3所述的一对多模式的具体执行步骤如下：

步骤3.1.发送节点S准备好和左右相邻节点的各l个EPR纠缠粒子和 为粒子编号。全部接收节点R_i(1≤i≤m)分别准备好和左右相邻节点的各l个EPR纠缠粒子和为粒子编号。

步骤3.2.发送节点S将2l位消息分成l份，每份2位，然后S将每份2位消息按顺序执行编码操作U_X至粒子上，每个编码操作代表2位消息。

步骤3.3.所有接收节点R_i(1≤i≤m)分别对自己的粒子进行Bell测量，得到l份测量结果每个接收节点R_i将自己的全部测量结果按顺序组合成其长度为2l。然后，每个接收节点R_i将各自的进行广播。

步骤3.4.发送节点S对自己的粒子进行Bell测量，得到l份测量结果拼接后得到M_S。根据编码操作U_X，S将恢复至编码前的状态然后，S对等式 进行检验，其中O_2l是全为0组成的长度为2l的序列。如果等式不成立，S终止通信，反之，S广播测量结果M_S。

步骤3.5.每个接收节点R_i(1≤i≤m)根据全部接收节点广播的测量结果 和S的测量结果M_S，得到再通过对比M_S和M′_S，由得到l个编码操作U_X，从而得到S编码的2l位消息。则全部接收节点R_i(1≤i≤m)都获得发送节点S的2l位消息。

步骤4.网络执行多对一模式，该模式适用于只有一个接收节点N_r(1≤r≤k)，其余节点N_i(1≤i≤k,i≠r)为发送节点的场景。将该接收节点N_r(1≤r≤k)重新命名为节点R，令m＝k-1，将发送节点N_i(1≤i≤k,i≠r)重新命名为S₁，S₂，…，S_m。每个发送节点S_i(1≤i≤m)发送的消息长度为2l位。

步骤4所述的多对一模式的具体实施步骤如下：

步骤4.1.接收节点R准备好和左右相邻节点的各l个EPR纠缠粒子和 为粒子编号。全部发送节点S_i(1≤i≤m)分别准备好和左右相邻节点共享的各ml个粒子和为粒子编号。

步骤4.2.每个发送节点S_i(1≤i≤m)分别将自己的2l消息编码至粒子

编码操作为U_X。每个编码操作编码2位消息。

步骤4.3.每个发送节点S_i(1≤i≤m)对自己的粒子进行Bell测量，得到ml个测量结果组合得到成并将其广播。

步骤4.4.接收节点R接收到所有的后，对自己的粒子 进行Bell测量，得到并组合成M_R。

步骤4.5.接收节点R通过获得编码前的状态通过在第2(i-1)l+1至2il位上的对比有得到l个编码操作U_X，每个U_X对应2位消息，则R得到每个S_i(1≤i≤m)的各2l位消息。

本发明充分发挥量子纠缠交换的特性，设计一种基于量子纠缠交换技术的多点协同传输方案，既能实现类似于QSS的一方对多方的消息传输，又能实现多方对一方的消息传输。每个参与方协同合作，在一对多模式中，所有的接收者协同合作，共同恢复出发送的消息；在多对一模式中，所有的发送者协同合作，共同向接收者发送各自的消息，只有接收者可以读出所有发送者的消息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明充分利用相邻节点间的EPR资源，动态地组建量子网络，并利用量子纠缠交换技术实现多点协同传输。网络结构灵活可变，具体的参与节点数目没有限制，可根据节点的意愿自发地组成网络。

(2)本发明可实现一对多的传输或者多对一的协同传输，以适应不同的网络需要。另外，在节点协作的前提下，方案满足协同通信的基本安全需求。

附图说明

图1本发明的量子网络结构示意图。

图2a、图2b本发明的一对多通信模式示意图。

图3本发明的测量结果组成图。

图4a、图4b本发明的多对一通信模式示意图。

图5a、图5b本发明的多对一后续共享模式示意图。

图6为本发明的流程框图。

图中符号说明如下：

N₁，N₂，…，N_(k-1)，N_k为量子网络中的节点；

S为一对多通信模式中的消息发送者；

R₁，R_(m-1)，R_m为消息的接收者；

分别为R₁，R_(m-1)，R_m的测量结果；

为接收节点R_i对编号为j的粒子1和2进行Bell测量的测量结果；

R为多对一通信模式中的接收节点；

S₁，S_(m-1)，S_m为多对一通信模式中的发送节点；

分别为S₁，S_(m-1)，S_m的测量结果；

S₁，S_p，S_m为多对一后续共享模式中的接收节点，其中灰色节点表示需要共享消息的消息节点。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明所提出的一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案需解决以下问题：针对量子通信网络中的多点通信需求，既能实现类似于QSS的一方对多方的消息传输，又能实现多方对一方的消息传输。即在每个参与方协同合作的前提下，在一对多模式中，所有的接收者都能收到单一发送者的消息；在多对一模式中，单一接收者能够收到所有的发送者的消息。

量子纠缠交换是量子通信中的关键技术，其基本思想是通过联合测量两个纠缠对中各一个粒子，使得另外两个没有直接关联的粒子产生纠缠效应。利用测量结果之间的关联关系，纠缠交换可以通过对粒子进行编码从而实现消息传输，因而在量子安全直接通信、量子秘密共享、量子签名等领域有大量应用。

多方交缠交换将纠缠交换技术拓展到多个参与方，多方纠缠交换的建立必须满足两个条件：(1)参与多方纠缠交换的量子网络中每个节点与相邻节点间存在EPR纠缠信道；(2)节点首尾相连形成闭环，即第一个节点与最后一个节点之间存在EPR纠缠对。在多方纠缠交换中，所有节点的测量结果需要满足特定联系，以图1为例，节点N₁，N₂，…，N_k分别对自己的粒子1，2进行Bell测量，则测量结果满足以下关系：

其中表示节点N_i对自己的粒子1，2进行Bell测量的测量结果，表示由节点N_i的粒子2和节点N_j的粒子1组成的纠缠 对的初始量子态。四个Bell态分别对应于2位二进制数字：

|φ⁺>→00，|φ^->→01，|ψ⁺>→10，|ψ^->→11

本发明一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案的主要实现思想是：以量子通信网络现有的EPR纠缠信道为基础，节点之间相互合作，利用纠缠交换技术实现消息编码，进一步实现多节点协同传输。该方案支持一对多和多对一两种工作模式，以适应量子通信网络的不同需求。本发明的流程框图如图6所示，该方案具体实施步骤如下：

步骤1.主要用于在参与通信的多个节点之间组建起网络，以便进行后续的消息传输。见图1，量子网络中有通信需求的多个节点N₁，N₂，…，N_(k-1)，N_k之间组建起网络。网络结构满足条件：相邻节点之间具有EPR纠缠信道，即N_i(2≤i≤k-1)分别与N_i-1和N_i+1具有EPR纠缠信道，N₁分别与N₂和N_k具有EPR纠缠信道，N_k分别与N₁和N_k-1具有EPR纠缠信道，所有EPR纠缠对的初始状态为|φ⁺>，对应于二进制信息00。

步骤2.主要用于网络节点确定最终的通信模式。根据节点的通信需求，协商决定通信模式为选择一对多模式或多对一模式。两种模式的定义如下：

一对多模式：网络中存在一个发送节点，剩余节点为接收节点，发送节点向全部接收节点发送消息。

多对一模式：网络中存在一个接收节点，剩余节点为发送节点，接收节点同时接收来自全部发送节点的消息。

若网络选择一对多通信模式，则进入步骤3；否则，若网络选择多对一模式，则进入步骤4。

步骤3.一对多模式。该模式实现一个发送节点向剩余接收节点发送消息。假定发送节点为N_s(1≤s≤k)，将N_s重新命名为S，剩余(k-1)个节点N_i(1≤i≤k,i≠s)为接收节点，令m＝k-1，并将剩余节点N_i(1≤i≤k,i≠s)分别重新命名为R₁，R₂，…，R_m。令发送节点S向接收节点R_i(1≤i≤m)发送的消息长度为2l位。然后按照如下步骤进行：

(1)如图2a所示，发送节点S和接收节点们R_i(1≤i≤m)准备好和左右相邻节纠缠的l个EPR纠缠粒子，粒子编号为j(1≤j≤l)，此时整个量子系统的状态为：

其中上标j(1≤j≤l)表示粒子的编号，下标1，2表示节点的粒子1和粒子2，每个节点的粒子1和前一个节点的粒子2是EPR纠缠对，粒子2和后一个节点的粒子1为纠缠对。如表示标号为j的节点S的粒子2和节点R₁的粒子1组成的纠缠对的状态。

(2)发送节点S将2l位消息分成份，每份2位，然后S将每个2位消息按顺序分别编码至粒子上，每个编码操作代表2位消息，具体的编码操作如下：

若发送节点S的发送消息为“101101…”，它将对进行编码操作U₁₀，对进行编码操作U₁₁，对进行编码操作U₀₁…

(3)每个接收节点R_i(1≤i≤m)分别对自己的粒子进行Bell测量，得到l份测量结果接着R_i(1≤i≤m)将自己的全部测量结果 按顺序拼接组合成的组成图如图3所示。然后，所有接收节点R_i将各自的广播。

(4)为了防止因各个节点之间的EPR信道损坏或者恶意接收节点导致的破坏，发送节点S需要对测量结果的正确性进行检验。

如图2b所示，发送节点S对自己的粒子进行Bell测量，得到l份测量结果按照顺序拼接得到M_S。根据编码操作U_X，S可由得到例如，若发送节点S对某一特定粒子的 进行编码操作U_X为U₀₁，对的Bell测量结果为|ψ^->，对应于二进制信息11，则计算为在得到所有后，将它们按顺序组合得到M′_S。

发送节点S检测测量结果是否满足多方纠缠交换的规律：

其中，O_2l是全为0组成的长度为2l的序列。S对上式等式进行检验，若等式不成立，则信道受到干扰或者有的接收者谎报了测量结果，则S终止通信，若等式成立，则通信继续，S将测量结果M_S进行广播。

(5)所有接收节点R_i(1≤i≤m)根据掌握的测量结果计算出M′_S：

通过对比M′_S和M_S：

根据上式可得到l个U_X，每个U_X对应着2位消息，则最后所有接收节点R_i(1≤i≤m)均可得到发送节点S发送的2l位消息，一对多模式结束。

步骤4.多对一模式。该模式实现多个发送节点向一个接收节点发送消息。多对一通信模式也是通信网络常见的需求之一。例如，一个节点要收集其余节点的消息，或者所有节点都有信息需要汇聚至一个中心节点。该模式适用于只有一个接收节点N_r(1≤r≤k)，其余节点N_i(1≤i≤k,i≠r)为发送节点的场景。将该接收节点N_r(1≤r≤k)重新命名节点R，令m＝k-1，将发送节点N_i(1≤i≤k,i≠r)重新命名为S₁，S₂，…，S_m。令每个发送节点S_i(1≤i≤m)发送的消息长度为2l位，方案按如下步骤进行：

(1)如图4a所示，接收节点R和全部发送节点S_i(1≤i≤l)分别准备好和左右相邻节点共享的各ml个粒子，粒子编号为j。此时整个量子系统的状态为：

(2)每个发送节点S_i(1≤i≤m)需要发送2l位消息，需要对l个执行编码操作U_X，具体来说，每个S_i将2l位消息编码至即发送节点S₁将自己的2l位消息编码至粒子节点S₂将自己的2l位消息编码至

(3)编码完成后，每个发送节点S_i(1≤i≤m)对自己的粒子 进行Bell测量，得到ml个测量结果组合得到成并将其广播。

(4)如图4b所示，接收到所有的后，R对自己的粒子 进行Bell测量，得到组合成M_R。

(5)根据多方纠缠交换的测量结果规律，下式在2(i-1)l+1至2il位上成立：

其中是编码之前的测量结果。接着，接收节点R通过对比和 获得l个编码操作U_X，从而获得来自S_i的2l位消息：

若要获得S₁的消息，下式在在第1位至第2l位上成立

接着，R通过对比M′_Si与M_Si，可获得l个编码操作，由此获得S₁的2l位消息。

R获得每个发送节点S_i(1≤i≤m)的2l位消息，对多一模式结束。

一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案可以实现多模式的量子通信，具有如下性质：

(1)全网共享

在本发明一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案中，一对多模式实现了类似于QSS的一点对多点的秘密通信，多对一模式实现了多个发送节点通过协同合作向一个接收节点发送消息。在多对一模式完成之后，唯一的接收节点R可能希望将收到的消息共享给某些发送节点S_i(1≤i≤m)，将这些需要消息共享的节点定义为消息节点。接收节点R只需将测量结果M_R通过隐形传态方式发送给消息节点，它们即可获得所有发送节点S_i(1≤i≤m)的消息。

令传输M_R所需要进行的隐形次数为T，最好情况如图5a中消息节点S₁所示，当与R直接共享EPR信道时，R可将M_R直接通过隐形传态方式发送给它，此时T＝1。最坏情况如图5a中的消息节点S_p所示，其在全部接收节点的中间位置，距离R最远，此时R需要利用S₁，S₂，S_(p-1)作为中继节点建立路由，它们需要使用EPR资源协助R与S_p的隐形传态，因此其中符号表示将结果向上取整。对于任意一个消息节点，需要使用隐形传态次数为

当R希望将消息共享给全部S_i，消息节点个数为m，即全协同网络逐步完成消息共享，此时T＝m。如图5b所示，此时只需要R将M_R通过EPR信道以隐形传态方式发送给相邻的两个节点，即S₁和S_m，然后S₁，S_m再分别将M_R发送给S₂和S_m-1，依此类推直至全部节点接收到M_R。由于每个节点都与相邻节点直接进行隐形传态，没有用到中继节点，因此T＝m。

(2)资源利用

方案中用到的资源主要为EPR纠缠对和经典比特，这些都是量子通信网络的基本资源，在以往的量子通信网络中，节点的EPR资源主要有两个用途：一是和直接共享EPR信道的节点进行通信；二是作为中继节点帮助没有直接EPR信道的远程节点实现通信，此时中继节点的EPR资源为其他节点的通信提供帮助，而不发送自己的消息。

为了方便描述资源利用，我们定义EPR对的使用效率G如下：

其中M是所有节点接收的消息总量，R是网络消耗的EPR纠缠对的数量。G刻画了EPR对的使用效率，即每个消耗的EPR对实现了多少的信息传输。令网络中节点数量为(m+1)个，其中包括发送节点和接收节点，m≥0。令每个发送者的发送消息长度为l位，l＞0。方案的资源消耗和效率总结如表1.

表1

(3)安全性分析

本发明一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案旨在实现量子通信网络中的多点协同通信。具体来说，方案通过多节点协同合作，实现一点对多点或者多点对一点的消息传输，因此协同合作是保证方案得以顺利进行的前提。

方案基本的安全性需求如下：在一对多模式中，若有接收节点R_i(1≤i≤l)被劫持而谎报自己的测量结果这将会破坏方案，发送节点S应能够检测出是否存在撒谎的节点，从而避免带来的危害；在多对一模式中，所有发送节点S_i(1≤i≤m)无法获知其他节点的消息，只有接收节点R能够接收所有的消息。

在一对多通信模式中，如果存在外部攻击者攻击了EPR纠缠信道，或者某个接收节点R_i被劫持，从而谎报了自己的测量结果则会影响所有 接收节点R_i的解码结果，给方案带来破坏。因此在一对多模式中引入了步骤3.4，在所有接收节点R_i广播了自己的后，发送节点S对自己的粒子进行Bell测量得到M_S，S可根据M_S和编码操作恢复出M_S′，接着检验多方纠缠交换测量结果规律是否成立：

若上式成立，说明测量结果满足多方纠缠交换的测量结果规律，信道没有受到攻击，接收节点R_i没有谎报测量结果，方案可继续进行。

在多对一通信模式中，需要保证发送节点S_i(1≤i≤m)之间互相不知道彼此的发送消息，只有接收节点R可以接收到全部发送节点S_i(1≤i≤m)的消息。接收节点R根据如下的两个式子可得到每个发送节点S_i(1≤i≤m)的2l位消息：

由于R并没有对外公布M_R，所有发送节点S_i都无法知道其他发送节点的发送消息，从而保证了多对一模式的安全需求。

根据上述分析，本方案能够满足多对一模式和一对多模式对通信安全的基本需求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明一种基于量子纠缠交换的多点协同传输方案的保护范围。