基于近似克隆的量子网络编码协议研究

发布时间：2020-11-05 22:03

　　 随着量子通信技术的不断进步,全球化通信网络的搭建成为必然趋势。伴随着网络用户规模越来越大,网络链路传输面临着严重的传输阻塞和信道噪声等通信问题,网络编码应孕而生。网络编码在解决网络拥堵等问题表现出了十分优越的性能,为大规模网络传输成为可能。把网络编码的思想应用在量子通信领域,出现了量子网络编码,量子网络编码结合了网络编码和量子通信的优点。在量子网络编码研究中,研究者们力图在量子通信网络的高效性方面取得突破。由于目前量子信息的完美无损传输还处于理想状态,因此实现量子信息的近似克隆(接近于无损传输)就成了一种可行的替代方案。本文主要关注基于近似克隆的量子网络编码的协议的设计、传输效率、资源消耗、安全性和模拟演示问题。在前人研究的基础上,提出了基于近似克隆的量子网络编码协议,并针对协议性能(包括传输保真度、资源消耗和安全性)进行分析和对协议过程模拟演示。本论文的主要研究工作包括以下两个方面:一、提出了基于近似克隆的量子网络编码协议。首先,通过把普适克隆应用在杯型网络和蝶形网络中,提出了基于近似克隆的量子网络编码协议;其次,设计了ACR操作,这个操作是预共享纠缠的扩展,用于完美传输信息,并把这个操作应用在协议中,提出了基于近似克隆的量子网络编码协议的改进协议,并考虑推广到更一般的网络模型中;最后,对提出的量子网络编码协议进行性能分析。通过理论分析,基于近似克隆的量子网络编码协议是可行的,并且具有较高的传输效率和安全性。二、设计实现了基于近似克隆的量子网络编码协议的模拟演示。综合考虑这个演示的功能要求,主要包括网络拓扑的演示,详细协议过程演示,输入输出的详细过程以及对各个协议传输保真度的比较。首先,设计展示了协议中设计到的编码操作的定义和解释;其次,设计展示了协议过程每一步的操作和结果,使得过程更加明朗;最后,设计实现了协议性能的对比效果展示。考虑到上述模拟演示功能,采用更容易实现图形界面的计算机编程语言来编写这个模拟演示。通过分析,设计实现的模拟演示可以完成协议过程的演示任务。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413;TN918
【部分图文】：

通过描述可知，Ｈａｙａｓｈｉ等人的协议通过相应的量子操作，特别是普适克隆??操作、施乐测量和群操作，实现了信息的传输。这个协议借助于蝶形网络来实现。??但是杯型网络，如图３－３所示，比蝶形网络具有更多的瓶颈信道，所以如果还是??按照这些量子操作来实现信息传输，必然要以降低传输保真度为代价。为此，设??计了下面的量子操作。??／丨Ｚ??图３－３杯型网络??３．２?ＡＣＲ操作??在设计协议的过程中，发现在提高保真度的过程中，源节点之间的共享信息??成为了一个问题，因此借鉴Ｈａｙａｓｈｉ等人Ｗ在２００７年的设计思路提出了一种新??的编码操作，这个编码操作不同于在源节点之间预共享纠缠，可以适用于其他情??形。这个操作的主要特性是连接节点，以共享信息，由此想到了英语单词ａｃｒｏｓｓ，??故称这个操作为ＡＣＲ操作。在介绍ＡＣＲ协议之前，先给出Ｈａｙａｓｈｉ等人⑵设计??的协议，此协议是Ｈａｙａｓｈｉ等人在前一节设计的协议之后提出的传输协议，与前??文的协议在设计思想、设计操作等方面都存在很大不同

通过描述可知，Ｈａｙａｓｈｉ等人的协议通过相应的量子操作，特别是普适克隆??操作、施乐测量和群操作，实现了信息的传输。这个协议借助于蝶形网络来实现。??但是杯型网络，如图３－３所示，比蝶形网络具有更多的瓶颈信道，所以如果还是??按照这些量子操作来实现信息传输，必然要以降低传输保真度为代价。为此，设??计了下面的量子操作。??／丨Ｚ??图３－３杯型网络??３．２?ＡＣＲ操作??在设计协议的过程中，发现在提高保真度的过程中，源节点之间的共享信息??成为了一个问题，因此借鉴Ｈａｙａｓｈｉ等人Ｗ在２００７年的设计思路提出了一种新??的编码操作，这个编码操作不同于在源节点之间预共享纠缠，可以适用于其他情??形。这个操作的主要特性是连接节点，以共享信息，由此想到了英语单词ａｃｒｏｓｓ，??故称这个操作为ＡＣＲ操作。在介绍ＡＣＲ协议之前，先给出Ｈａｙａｓｈｉ等人⑵设计??的协议，此协议是Ｈａｙａｓｈｉ等人在前一节设计的协议之后提出的传输协议，与前??文的协议在设计思想、设计操作等方面都存在很大不同

以和中间节点传输经典信息。为此设计了下面的操作，并给这种操作取名为ＡＣＲ??操作，主要适用于三种情形，这种操作的前提是信道既可以传输量子信息也可以??传输经典信息。如图３－５所示，其具体描述如下。??ｉ）?ａ?ＥＰＲＰ—厂?．?ｈｉ）?＾?ＥＰＲ?ｐａｉｒｓ??Ａ＇ＢＺＣ???ｑｕａｎｔｕｍ?ｃｈａｎｎｅｌ?—ｑｕａｔｕｗｎ?ｃ／］ｃｎｗｅｉ?——ｑｕａｎｔｕｍ?ｃｈａｎｎｅｌ??ｖｉｒｔｕａｌ?ｃｈａｎｎｅｌ?．?？ｖ／ｚ?／ｗａ／?ｃｈａｎｎｅｌ?ｖｉｒｔｕａｌ?ｃｈａｎｎｅｌ??图３－５?ＡＣＲ橾作??ｉ．?这种情形即为上述Ｈａｙａｓｈｉ等人协议所述的在源节点处预共享纠缠。在??该情形下，有三个节点儿凡Ｃ，要实现的目的是节点Ｊ和Ｃ共享信??息，但是节点Ｊ和Ｃ之间没有直接相连的通道。在这种情形下，中间节??点５就起到了桥梁的作用。通过预共享纠缠，节点ｄ和Ｃ仅仅发送经??典信息通过节点５就可以实现儿Ｃ信息的互通，完美的实现了这个操??作。假设节点Ｊ拥有信息，节点Ｃ拥有信息那么执行完这个??操作之后的结果为３Ｃ７？（｜ｖ／丨〉，｜％〉）?。??ｉｉ．?这种情形是由前种情形归纳总结得到的。在该情形下，同样的，有三个??节点儿５
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本文编号：2872247