一种基于七比特量子信道的三方通信方法与流程

本发明涉及一种基于量子信道的通信方法，具体涉及一种基于七比特量子态的三方通信方法。

背景技术

量子通信是量子信息学中重要的研究领域。量子通信理论是1993年由美国ibm的研究人员提出的。在量子通信中，除了需要传统的经典信道外，更为主要的还需要建立通信各方之间的量子信道。所谓量子信道实际上就是通信各方之间的量子纠缠。量子纠缠是一种有用的信息“资源”，在量子通信和量子计算中都起着关键作用。量子纠缠现象在通讯中的应用使量子信息学已经发展成为内容丰富的新学科。

量子隐形传输是量子信息理论的重要组成部分。目前世界上已有许多实验机构成功地进行了隐形传输的实验。

量子密集编码是量子信息学的另一个重要分支。1992年，在文献c.h.bennett，s.j.wiesner，communicationviaoneandtwoparticleoperatorsoneinstein—podolsky-rosenstates，physrev.lett.，1992，69(20)：2881—2884中，基于量子纠缠态的非定域空间特性，提出了用一个光子传递两比特信息的量子方法一一量子密集编码。量子密集编码利用量子信道可以加速经典信息的传输，而且具有保密性强的优点。在文献haojc,licf,guogc.controlleddensecodingusingthegreenberger-horne-zeilingerstate.physicalreviewa,63(63)(2001)中提出了控制量子稠密编码，该方案通过控制量子纠缠度来控制传输的信息量。目前，量子密集编码己经由原来的两方之间通信推广到多方之间；由发送者hilbert空间为二维情形推广到任意维情形。

考虑到如果通信方式是双向的可以传递更多的信息，信道利用率自然更高，因此有学者提出了双向量子隐形传态，通信双方可以同时隐形传输量子信息。文献choudhurybs,dharaa.abidirectionalteleportationprotocolforarbitrarytwo-qubitstateunderthesupervisionofathirdparty.int.j.theor.phys.55(4)(2016)2275-2285.中公开了在控制方同意的情况下双方才可以进行量子态隐形传输的方案，提高了安全性。文献wangxy,mozw.bidirectionalcontrolledjointremotestatepreparationviaaseven-qubitentangledstate[j].internationaljournaloftheoreticalphysics,2017,56(4):1-7.证明了利用七粒子纠缠态可以实现不对称双向控制的确定性的远程态制备，也就是说，在控制方charlie的帮助下，alice可以远程地为bob制备任意单粒子量子态，同时bob可以为alice远程制备任意双粒子量子态。文献wuh,zhaxw,yangyq.controlledbidirectionalhybridofremotestatepreparationandquantumteleportationviaseven-qubitentangledstate[j].internationaljournaloftheoreticalphysics,2018,57(1):28-35.提出了一种在控制方的帮助下，利用七比特纠缠态实现联合远程态制备的同时实现受控量子隐形传态。即，在控制方的帮助下，alice希望将一个任意的单量子态传送到bob，而同时bob希望为alice远程制备已知的量子态。

如果能够基于七比特量子态实现三方通信，通过信道复用提高信道的利用率，对于量子通信的应用有着重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于七比特量子信道的三方通信方法，三方之间传送的信息可以是已知量子信息、未知量子信息和经典信息的任意一种形式，实现基于七比特量子信息的三方远程控制态制备、量子隐形传输、量子信息编码以及三方混合信息交流。

为达到上述发明目的，本发明在第四方duke控制下，alice需要为bob隐形传送单比特量子态，bob希望为charlie远程制备单比特量子态，charlie希望通过量子编码技术，将经典信息发送给alice。第四方duke是不知道任何信息的，但在完成任务时起着至关重要的作用。显然，alice、bob、charlie和duke中的任何一人都不能单独地完成任务，只有他们四人合作才能完成任务。

具体地，本发明采用的技术方案是：一种基于七比特量子信道的三方通信方法，通信方为alice、bob、charlie，控制方为duke，用于三方混合通信。假设alice需要为bob隐形传输单比特量子态形式为：bob希望为charlie远程制备单比特量子态|>＝(γ|0>+δe^iθ|1>)，charlie希望将两比特编码信息(00,01,10,11)传送给alice，以上需求都在第四方duke控制下进行。

七比特量子纠缠信道为：

其中，alice拥有粒子1和粒子6，和携带的未知量子态粒子a，bob拥有粒子2和粒子3，charlie拥有粒子4和粒子5，duke拥有粒子7；

所述通信方法包括以下步骤：

(a)进行信道调制：

bob首先引入辅助粒子r，其初始态为|0>，然后对粒子对(3,r)执行cnot操作，其中粒子3作为控制粒子，粒子r作为目标粒子，使辅助粒子r和与式(1)中的粒子纠缠在一起，整个系统的量子信道成为：

(b)为了实现量子隐形传送，alice利用bell基对其拥有的两个粒子1和a进行bell测量；

为了实现远程态制备，bob首先利用测量基{|μh>；h∈{0,1}}(即{|μ0>＝γ|0>+δ|1>,|μ1>＝δ|0>-γ|1>})，对其拥有的粒子3进行单比特投影测量，当bob完成对粒子3的测量之后，将测量结果用经典信息发送给charlie；

为了获得待制备态的虚部信息，bob根据对粒子3的测量结果，结合拥有的虚部信息θ重新构造一组测量辅助粒子r的测量基

为了实现量子密集编码操作，charlie对她拥有的粒子5施行四种可能的幺正变换：

通过幺正变换，当量子信道是|φ⁺>，该信道相应地变为下列四个正交态中的一个：

上述幺正操作实际上是对两个比特的经典信息(00，01，10，1l)进行了编码，整个量子系统可以写成：

接着，charlie将她的粒子5发送给alice，alice对粒子5和她所拥有的粒子6实施bell测量；与此同时，第四方duke利用测量基{|χw>；w∈{0,1}}：对控制粒子7实施单比特测量；

依据上述{|μh>；h∈{0,1}}，{|χw>；w∈{0,1}}测量基，整个系统的量子态写成：

测量完成后，如果第四方duke同意alice、bob和charlie之间的量子信息交流，则将粒子7的测量结果公开；同时，alice将对粒子1和a的测量结果通过经典信息发送给bob；bob将对粒子3和r的测量结果分别通过经典信息发送给charlie；值得注意的是，在该过程中，bob采用“前馈”测量策略，即测量粒子r的测量基的选择从根本上都依赖于先前对粒子3的测量结果。charlie经过编码操作后将她的粒子5发送给alice；

(c)进行信息恢复操作和解码，

在第四方duke的控制下，bob根据alice的测量结果,对粒子2执行合适的幺正操作获得alice处待传输的未知量子态charlie根据bob的测量结果,对粒子4执行合适的幺正操作获得待制备的量子态|μ>＝(γ|0>+δe^iθ|1>)。同时，alice根据自己对粒子对(5，6)的测量结果可以确认charlie所做的幺正变换，于是他可以获得charlie发送给他的2个比特的经典信息。

在第四方duke控制下，根据alice的测量结果，bob所需执行相应的幺正变换以及根据bob的测量结果，charlie所需执行相应的幺正变换具体见表格1。

表1alice、bob和duke的测量结果与bob和charlie恢复操作对应关系

同时，在第四方duke的测量结果基础上，alice根据自己对粒子对(5，6)的测量结果可以确认charlie所做的幺正变换，于是他可以获得charlie发送给他的2个比特的经典信息。在第四方duke的测量结果基础上，根据alice的测量结果，charlie的编码信息具体见表格2。

表2alice和duke的测量结果与charlie的编码信息对应关系

上述技术方案中，步骤(a)中，所述cnot操作的作用是，如果控制量子比特为|1>，目标量子比特将翻转，用矩阵表达为：

步骤(b)中，

当bob对粒子3的测量结果是|μh>＝|μ0>时，

当bob对粒子3的测量结果是|μh>＝|μ1>时，

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明实现了基于七比特量子态的三方通信方法，主要采用的是三方通信的信道复用技术，有效地提高了信道的利用率，扩展了通信方式。alice到bob，bob到charlie，charlie到alice的信息可以是已知量子信息、未知量子信息和经典信息的任意一种形式。

附图说明

图1是本发明实施例中基于七比特量子态的三方混合通信的流程图。

图2是实施例中三方混合通信的量子信息交流示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1，参见附图1和附图2所示，一种基于七比特量子态的三方混合通信方法，在第四方duke的控制下，alice需要为bob隐形传输单比特量子态形式为：bob希望为charlie远程制备单比特量子态charlie希望将两比特编码信息(01)传送给alice。

如图2(a)所示，alice、bob、charlie和duke共享的七比特量子纠缠态为：

假设alice拥有粒子1和粒子6，bob拥有粒子2和粒子3，charlie拥有粒子4和粒子5，duke拥有粒子7。

步骤1：进行信道调制，如图2(b)所示。

bob首先引入辅助粒子r，将其初始态为|0>，然后对粒子对(3,r)执行cnot操作，其中粒子3作为控制粒子，粒子r作为目标粒子。这样辅助粒子r和与式(17)中粒子纠缠在一起，从而整个系统的量子信道可以写成：

步骤2：alice和bob完成各自的测量操作，charlie执行合适的编码操作，第四方duke执行单比特投影测量，如图2(c)所示。

为了实现量子隐形传输，alice对其拥有的两个粒子1和a利用bell基进行bell测量；同时，为了实现远程态制备，bob首先对其拥有的粒子3利用测量基{|μh>；h∈{0,1}},即，{|μ0>＝γ|0>+δ|1>,|μ1>＝δ|0>-γ|1>}进行单比特投影测量，当bob完成对粒子3的测量之后，将测量结果通过经典信息发送给charlie，为了获得待制备态的虚部信息，bob根据对粒子3的测量结果，结合拥有的虚部信息θ重新构造一组测量辅助粒子r的测量基这里，当bob对粒子3的测量结果是：|μh>＝|μ0>，有：

当bob对粒子3的测量结果是：|μh>＝|μ1>，有：

接下来，为了实现量子密集编码操作，charlie对她拥有的粒子5可以施行一种幺正变换：u2＝σx。通过幺正变换，整个量子系统可以写成：

上述幺正操作实际上是对两个比特的经典信息(01)进行了编码。接着，charlie将她的粒子5发送给alice，alice对粒子5和她所拥有的粒子6实施bell测量。在alice和bob完成测量以及charlie完成量子密集编码之后，第四方duke利用测量基{|χw>；w∈{0,1}}对控制粒子7实施单比特测量，其中，

依据上述{|μh>；h∈{0,1}}，{|χw>；w∈{0,1}}测量基，整个系统的量子态可以写成：

测量完成后，测量完成后，如果第四方duke同意alice、bob和charlie之间的量子信息交流，则将粒子7的测量结果公开。同时，alice将对粒子1和a的测量结果通过经典信息发送给bob。bob将对粒子3和r的测量结果分别通过经典信息发送给charlie。charlie经过幺正变换u2＝σx后，将她的粒子5发送给alice，然后alice根据自己对粒子对(5，6)的测量结果可以确认charlie所做的幺正变换，于是他可以获得charlie发送给他的2个比特的经典信息(01)。

步骤3：进行信息恢复操作和解码，如图2(d)所示。

具体地，在第四方duke的控制下，bob根据alice的测量结果,对粒子2执行合适的幺正操作获得目标量子态charlie根据bob的测量结果,对粒子4执行合适的幺正操作获得待制备量子态|μ>＝(γ|0>+δe^iθ|1>)。同时，alice根据自己对粒子对(5，6)的测量结果可以确认charlie所做的幺正变换，于是他可以获得charlie发送给他的2个比特的经典信息。例如，第四方duke的测量结果为|χ0>，alice对粒子(1，a)的测量结果为bob对粒子3和r的测量结果分别是|μ0>3和charlie的编码操作为u2＝σx，alice测得粒子对(5，6)的测量结果为：|10>+|01>，则最后的系统塌缩态为：

为了实现量子密集编码，在第四方duke的控制下，alice根据自己对粒子对(5，6)的测量结果可以确认charlie所做的幺正变换，于是他可以获得charlie发送给他的2个比特的经典信息(01)。然而，为了实现量子隐形传输，如果bob手中的粒子2的状态为β|0>+α|1>，实施x门操作恢复目标态：α|0>+β|1>，为了实现远程态制备，如果charlie手中的4粒子为γ|0>-δe^iθ|1>，实施z门操作恢复待制备量子态：γ|0>+δe^iθ|1>，至此，基于七比特量子态的三方混合通信的方法成功实施。

本实例采用的是一种三方通信的信道复用技术，有效地提高了信道的利用率，扩展了通信方式，三方之间的信息可以是已知量子信息，未知量子信息和经典信息的任意一种形式。