量子通信网络多跳传输及组网研究

发布时间：2020-07-16 09:29

【摘要】：量子通信将量子力学引入到传统通信中,以更高的安全性和潜在的高效性得到了国内外的广泛关注,正逐步从理论研究和实验验证阶段,向实用化和工程化方向发展。量子通信包括量子隐形传态、量子密集编码和量子保密通信等。本文主要利用量子纠缠作为通信资源,研究量子通信网络中实现远距离通信的多跳传输问题,以及如何部署纠缠粒子对分发节点位置的组网问题。针对量子通信网络多跳传输研究。通信双方通过共享三量子位纠缠GHZ态和两体纠缠Bell态,构建GHZ-Bell量子信道,本文首先提出一种传输任意二量子比特态的单跳量子隐形传态方案。但是由于信道损耗限制了通信效率和距离,为解决量子通信网络中长距离通信问题,本文通过引入中间节点来建立多跳量子路径,实现了基于GHZ-Bell态的高效多跳隐形传态方案。多跳传输过程中,源节点和中间节点可并行进行纠缠测量和结果传输,并且仅在目的节点根据所有测量结果计算并实施量子门操作。传输性能分析结果表明,与逐跳传输方案相比,该多跳方案可以减少传输延迟并节省传输开销。针对量子通信网络组网研究。为提高网络中量子链路的连通性,本文通过分析和建立量子通信网络数学模型,提出两种优化部署纠缠粒子对分发节点位置的算法。第一种是基于节点位置的优化算法,通过保证纠缠粒子分发范围的重叠区域内存在中间节点,实现两区域间通信节点的全连通;第二种是基于遗传算法的改进优化算法,通过划分网络区域为多个网格,将连续变量转化为离散变量来解决分发节点部署问题。仿真结果显示,相比于随机部署方案,基于节点位置的优化算法量子连通性平均提高213.73%,基于遗传算法的改进优化算法量子连通性平均提高248.83%,两种算法均获得了更高的连通性。因此,本文主要为量子通信网络中没有共享纠缠粒子对的通信节点,提供了一种基于GHZ-Bell量子信道的多跳隐形传态方案,并设计部署纠缠粒子对分发节点的优化算法来提高网络连通性,以提高量子通信网络的传输效率。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413;TN91
【图文】：

过程图,量子隐形传态,粒子,过程

｜Ｇ／／Ｚ＞为粒子扇，NB２，５４组成的三量子位纠缠态，卜＋＞为粒子Ａ，５５组成的Ｂｅｌｌ态。逡逑然后，系统把粒子山，先，NB３分发给Ａｌｉｃｅ，把粒子说，分发给Ｂｏｂ。因此，基于逡逑ＧＨＺ－Ｂｅｌｌ态传输任意二量子比特态的单跳量子隐形传态方案，如图２－２所示，粒子１和逡逑２构成待传输的量子态，Ａｌｉｃｅ持有粒子１，２４，先，土，Ｂｏｂ持有粒子说，及，粒子扃，成逡逑５４构成ＧＨＺ态，以及粒子NB３，５５组成Ｂｅｌｌ态，从而在Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ之间建立ＧＨＺ－Ｂｅｌｌ逡逑态量子信道。逡逑１１逡逑

量子信道

逦Ｂｏｂ逡逑Ｗ邋＾逡逑纠缠粒子对分发节点逡逑图２－１：基于Ｂｅｌｌ态的量子隐形传态过程逡逑２．４基于ＧＨＺ＾Ｂｅｌｌ态传输双粒子的单跳量子隐形传态过程逡逑假设信息发送者Ａｌｉｃｅ要传输一个未知的二量子比特态给信息接收者Ｂｏｂ，粒子１和逡逑粒子２组成的待传输未知量子态为逡逑｜＾＞ｕ＝（ａ｜00）邋＋邋Ｚ，｜0ｌ）邋＋邋Ｃ｜ｌ0）邋＋邋ｊ｜ｌｌ））ｕ逦（２－１）逡逑其中，参数为未知复数，且满足归一化条件｜ａ｜２＋｜Ｚ？｜２＋｜ｃ｜２邋＋邋｜＜邋＝邋ｌ。逡逑首先，系统通过纠缠制备，把作为量子信道的五粒子七，５４，５５制备在三量子逡逑位ＧＨＺ态和Ｂｅｌｌ态的直积上（以下简称ＧＨＺ－Ｂｅｌｌ态），ＧＨＺ－Ｂｅｌ丨态表示为逡逑丨邋Ｃ邋Ｓ邋４，万４，NB３，方５逡逑＝士邋（卜〉＋ｌ【＂Ｕ邋士邋（ｈ〉＋｜ｉ0Ｕ逦（２＇２）逡逑＝N（丨邋０００００〉＋１０００１１〉＋１１１１００〉＋１１１１１１〉）逡逑其中

量子隐形传态,中间节点,粒子,方案

故不存在直接量子信道，也就不能直接进行量子通信。但是，Ａｌｉｃｅ和Ｃｉｎｄｙ同时与第三逡逑方Ｂｏｂ之间存在ＧＨＺ－Ｂｅｌｌ量子信道，故可以借助中间节点Ｂｏｂ在发送方和接收方之间逡逑建立两跳的量子路径。如图３－１所示，粒子１和２携带需要传输的量子信息，Ａｌｉｃｅ持有逡逑粒子１，２，NB１，七，NB３，８0１３持有粒子５１，５２，５３，５４，５５，（：丨１１￡＾持有粒子匚４，０５。人１以和８（＾逡逑共享粒子５４构成的纠缠ＧＨＺ粒子对，以及共享粒子如５５构成的纠缠ＥＰＲ对，逡逑五个粒子建立ＧＨＺ－Ｂｅｌｌ信道。Ｃｉｎｄｙ和Ｂｏｂ共享粒子历，５２邋，邋Ｃ４构成的纠缠ＧＨＺ粒子逡逑对，以及共享粒子５３，Ｃ５构成的纠缠ＥＰＲ对，五个粒子建立ＧＨＺ－Ｂｅｌｌ信道。Ｂｏｂ作为逡逑中间节点协助Ａｌｉｃｅ和Ｃｉｎｄｙ传输量子信息，使得两者之间存在一条跳数为２的量子路逡

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