一种三维双向非对称受控量子隐形传态的方法

本发明涉及量子通信，尤其涉及一种三维双向非对称受控量子隐形传态的方法

背景技术：

1、量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，由于量子纠缠是非局域的，即两个纠缠的粒子无论相距多远，甚至可以在没有物理连接的情况下测量其中一个粒子的状态必然能同时获得另一个粒子的状态，这个“信息”的获取是不受光速限制的。量子通信与传统通信技术相比具有时效性高、增大信道容量、抗干扰性能强、提高通信速率、超高隐蔽性等特点。量子通信主要涉及量子隐形传态，量子超密编码，量子密钥分发等研究领域，其中量子隐形传态又是最引人瞩目的研究方向之一，近年来，量子通信技术日益成熟，技术方案已逐渐从实验室走向了实用化。因此，量子通信具有广阔的应用前景。

2、1993年，bennett等人首次提出通过epr纠缠信道实现量子隐形传态的方案，随后基于不同类型纠缠态的许多理论协议并相继提出，通过如ghz态，bell态和w态等纠缠态实现量子隐形传态协议。在量子纠缠态的研究基础上，参与方的数量与是否受控相继被研究，同时，研究者对传输高维量子态产生了浓厚的兴趣，并提出了各种不同的传输方案。

3、2013年，zha等人结合了受控与双向传态的思想利用最大纠缠态和冯诺依曼测量提出了第一个双向受控量子隐形传态方案，在协议中，通信双方在第三方的控制下相互传输量子态，该通信方案因添加第三方控制方而具有更高的安全性。此后，双向受控量子隐形传态方向的研究得到学者的广泛关注，但其中这些方案考虑的都是传输对称的量子态。2015年，zhang等人提出了一种使用七量子比特最大纠缠态的双向非对称受控量子隐形传态的方案，在协议中，alice和bob既是发送方也是接收方，alice在控制方charlie的控制下将她的单量子态传输给bob，同时，bob在控制方charlie的控制下将他的二量子纠缠态传输给alice，若若控制方同意双方通信，则通信双方对自己所持有的量子作量子测量，并通过经典信道公布测量结果，最后，通信双方根据公布的测量结果对剩余的量子作相应的幺正变换，成功在各自持有的量子态上重建对方所传输的量子态。以上所提出的方案主要在二维系统中进行和发展。近年来，已经提出了量子信息系统中高维方面的各种主题方案，高维纠缠不仅能够实现比二维情况更多的比特编码，以增加量子信道上的通信容量，而且还提高了对量子噪声的鲁棒性。因此，将量子操作的实现扩展到高维系统是必要的。2001年，周景东等人提出了一种传输未知高维单量子态的方案，此后，高维量子隐形传态的研究逐渐引起学者的兴趣。2018年，ma等人提出了一种在三维系统中实现双向受控量子隐形传态的方案。在这个方案中，两个遥远的发送方可以相互传送一个未知的单粒子给对方。

4、发现了在现有的三维量子隐形传态技术方法中，方案1(出自论文：ma,p.-c.,chen,g.-b.,li,x.-w.,zhan,y.-b.:bidirectional controlled quantum teleportationin the three-dimension system.international journal of theoretical physics.57(7),2233-2240(2018))和方案2(出自论文：jiayin,p.:bidirectional controlledteleportation of three-dimensional single-particle states.journal offrontiers of computer science&technology.13(9),1613-1620(2019))。此外，在现有的技术中，公开号为cn114598396a的专利文件公开了一种双向非对称受控量子隐形传态的方法，实现了在控制方charlie的控制下，既是发送方也是接收方的alice和bob可以相互传输三维粒子态，但是该方案以一个最大纠缠的三维七粒子态作为量子信道，量子信道的制备稳固性差，容易受到干扰与破坏，当制备多粒子的量子信道时，传输粒子的效率会较低，在该方法中，总共仅非对称传输了两个发送方所需传输的三粒子，该方法的传输效率比较低，量子信道的制备和测量过程可以进一步优化，从而提高传输效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维非对称双向受控量子隐形传态的方法，通过对量子信道制备操作的优化，提高量子信道的稳固性，从而传输效率也提高。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种三维非对称双向受控量子隐形传态的方法，包括以下步骤：

4、步骤一：建立基于alice、bob、charlie三方的量子通信联合系统；

5、步骤二：发送双方alice和bob分别对其持有的量子态进行广义bell测量与广义单量子测量，并公布测量结果；

6、步骤三：控制方charlie对其持有的量子态进行广义单量子测量并公布测量结果；

7、步骤四：alice和bob利用测量结果构造出对方发送来的原量子态的全貌；

8、步骤五：与不同信道，不同传输粒子数协议的效率分析进行比较。

9、详述步骤一：建立基于alice、bob、charlie三方的量子通信联合系统：起初，一个三维三粒子最大纠缠态和三维二粒子最大纠缠态用于制备量子信道，再通过引入辅助量子并运用三维cnot操作的方法来促进量子信道的制备，增加量子信道的量子数量，避免了初始信息的丢失，并提供了重复隐形传态过程的机会。两个三维最大纠缠态的直积作为量子信道，其中量子信道的三维粒子会分配给alice、bob和charlie，由三方共享量子通信联合系统。

10、详述步骤二：alice和bob是量子通信的双方，所述步骤一中的三方共享量子通信联合系统，alice和bob会获得分享的信道量子态，同时，alice和bob互为未知三维三粒子态与未知三维二粒子态的发送方和接收方，在整个量子系统初态制备完成后，alice和bob分别对分享获得的量子态与待发送的量子态组成的量子对基于三维bell基进行广义bell测量，双方再对剩余所持有的粒子进行广义单量子测量，并将各自测量结果通过经典信道公布。

11、详述步骤三：控制方若同意通信双方的信息传输，控制方charlie会对自身持有的粒子做广义单量子测量，并通过经典信道公布测量结果。

12、详述步骤四：alice和bob通过自身和对方测量结果，在控制方charlie执行完单量子测量并公布测量结果后，再通过三维酉变换就能重构对方的原始态。

13、详述步骤五：通过传输的量子比特的数量、量子资源消耗和经典资源消耗计算出隐形传态方法的效率，并结合量子信道、量子传输数量以及效率与其他方法进行比较。

14、具体的，alice向bob传输一个未知的三维三量子纠缠态为同时bob要在监督者charlie的控制下向alice传输一个未知的三维二量子纠缠态为：其中个系数均为基态的振幅，并且满足归一化条件|a0|2+|a1|2+|a2|2＝1,|b0|2+|b1|2+|b2|2＝1。

15、本发明采用的三维cnot操作为：

16、cij|00>ij＝|00>ij，cij|01>ij＝|01>ij，cij|02>ij＝|02>ij，

17、cij|10>ij＝|11>ij，cij|11>ij＝|12>ij，cij|12>ij＝|10>ij，

18、cij|20>ij＝|22>ij，cij|21>ij＝|20>ij，cij|22>ij＝|21>ij。

19、具体的，本发明在步骤二中的广义bell测量是指在高维系统中的bell测量，三维隐形传态最关键的一步是执行光子的联合测量，这个过程称为三维bell状态测量(bsm)，它将测量的光子随机投射到九个三维bell态之一上。然后，alice可以经典地公布三维bell测量结果，这允许bob相应地应用酉变换来重建他所在位置的原始量子态，九个三维bell测量基为：

20、

21、

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、

29、具体的，步骤二和步骤三中的广义单量子测量是在希尔伯特空间中的对应hadamard变换，在变换的影响下，三维量子态可以从初始计算基态变换为叠加态，三个单量子测量基为：

30、

31、

32、

33、具体的，步骤四中alice和bob利用测量结果构造出对方发送来的原始量子态，需要通过weyl算子执行酉变换重构对方的原始态：

34、unm|ψ00>＝|ψnm>。

35、本发明的有益效果：

36、1.本发明的三维双向非对称受控量子隐形传态的方法，由于采用两个三维最大纠缠态的直积态作为alice、bob、控制方charlie共享的量子信道，该方法提出了一种引入辅助量子的方法来方便量子信道的制备，避免了初始信息的丢失，并提供了重复隐形传态过程的机会，从而实现量子信息的同时双向传递。由于alice和bob既是发送方又是接收方，alice向bob传输一个未知的三维三量子纠缠态，同时bob要在监督者charlie的控制下向alice传输一个未知的三维二量子纠缠态，alice和bob分别将分享到的量子信道的量子态和待发送的粒子进行广义bell测量和广义单量子测量，通过经典信道公布测量结果，从而实现量子信息的同时双向传递。一般情况下传输五个量子态外加控制方所持有的量子态需要一个十一量子纠缠态作为量子信道，本发明采用一个直积态为九量子纠缠态作为量子信道，通过效率分析比较在传递相同信息量的情况下，本发明比现有技术具有更高的传递效率。由于控制方charlie同意通信双方进行信息传递，需要对所拥有的三维纠缠态的粒子进行单量子测量，并将测量结果通过经典信道传递给alice和bob，从而为待传递量子态的重新构建提供帮助。结合三方的最终测量结果会将整个量子系统初态一步步坍缩为能还原成原始态的乘积态，最后通信双方通过酉变换实现原始态的重建。本发明的量子信息的传递和还原初始态的成功概率为1。

37、2.本发明中通信双方仅使用简单的广义bell测量和单量子态测量，易于实现；三维通信方法不仅增加量子信道上的通信容量，而且提高了量子逻辑门实现的效率，通过加入控制方提高方法的安全性。通过相应的与其他方法效率分析比较，得出本发明具有更高的本征效率，节省了量子信息处理的资源。