基于x態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于x態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，步驟包括：發(fā)送者發(fā)起通信要求，資源調(diào)度方制備獲得四粒子最大糾纏x態(tài)作為量子信令；調(diào)度方對(duì)粒子進(jìn)行幺正操作，引入輔助粒子，實(shí)施控制非變換操作得到新的系統(tǒng)狀態(tài)；調(diào)度方將相關(guān)粒子分發(fā)給發(fā)送方、接收方和授權(quán)節(jié)點(diǎn)；發(fā)送方對(duì)獲得的粒子進(jìn)行幺正變換，完成信息編碼，再將編碼后的粒子發(fā)送給接收方；對(duì)接收方進(jìn)行身份認(rèn)證，如果接收方通過(guò)身份認(rèn)證，授權(quán)方對(duì)粒子進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給接收方進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，結(jié)合控制方的結(jié)果來(lái)得到發(fā)送方的真實(shí)信息，實(shí)現(xiàn)解碼，否則控制方拒絕合作，無(wú)法解碼。本發(fā)明編碼效率高、容量大、安全性高，且可擴(kuò)展性好，可用于量子移動(dòng)通信的信令系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種量子稠密編碼技術(shù)，具體涉及一種基于X態(tài)的量子并行多方可控 稠密編碼方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 量子通信技術(shù)建立在"測(cè)不準(zhǔn)原理"和"不可克隆定理"上，相比于經(jīng)典通信技術(shù)， 量子通信技術(shù)具有更高的安全性，美國(guó)、歐盟、日本及我國(guó)科研機(jī)構(gòu)都對(duì)量子通信項(xiàng)目進(jìn)行 了深入研究。量子稠密編碼技術(shù)作為量子通信的一個(gè)重要研究分支，即通過(guò)特定的量子態(tài) 操作和編碼處理，使一個(gè)量子位攜帶多位經(jīng)典信息，從而提高信息容量，量子稠密編碼技 術(shù)在提高量子信息傳送效率上起到關(guān)鍵作用。
[0003] 自1993年出現(xiàn)基于量子糾纏的第一個(gè)量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)方案以來(lái)，量子通信 業(yè)已成為前沿信息技術(shù)發(fā)展最迅速的研究領(lǐng)域，但是目前的進(jìn)展主要集中基于點(diǎn)與點(diǎn)之間 的通信行為。在研究過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)，如果在量子通信過(guò)程設(shè)置可信任的控制方，可極大 提高量子通信傳輸過(guò)程的安全性，因而需要基于已有無(wú)監(jiān)控的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，擴(kuò)展到有多個(gè) 授權(quán)方參與的聯(lián)合監(jiān)控模式下，這也為量子網(wǎng)絡(luò)安全通信在金融和國(guó)防領(lǐng)域發(fā)揮重要作用 奠定基礎(chǔ)。
[0004] X態(tài)作為量子通信中的重要糾纏資源之一，具有與GHZ態(tài)和W態(tài)完全不同的糾纏性 質(zhì)和很好的穩(wěn)定性；當(dāng)前實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家借助于離子阱技術(shù)或者量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，已經(jīng)成 功地制備出X態(tài)，被視為量子通信中的潛在的重要糾纏資源之一。因此，將X態(tài)和稠密編碼 方法結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)授權(quán)方聯(lián)合監(jiān)控下的高容量通信行為就顯得很有必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，利用 X態(tài)的穩(wěn)定性，并融合多方可控技術(shù)，提高通信系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和安全性。
[0006] 為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于X態(tài)的量子并行多方 可控稠密編碼方法，包括如下步驟： (1) 發(fā)送者利用經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)中心資源調(diào)度方發(fā)起通信要求，并給出授權(quán)方與 接收方地址信息； (2) 網(wǎng)絡(luò)中心資源調(diào)度方制備四粒子最大糾纏 X態(tài) ，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的酉變換，隨后根據(jù)授權(quán)方的數(shù)量引入相應(yīng)數(shù)量初態(tài)為I 〇>的 輔助粒子C3, C4, . . .，Cn，實(shí)施控制非變換，得到多粒子糾纏態(tài)，調(diào)度方對(duì)所持 有的粒子進(jìn)行分配，將粒子A分配給發(fā)送方Alice，將粒子B發(fā)送給接收方Bob，將粒子C1, C2, ···, Cn 分配給各個(gè)授權(quán)方 Charlie1, Charlie；^··，CharlieN ; (3) 發(fā)送方Alice根據(jù)要發(fā)送的信息對(duì)自己手中的粒子A進(jìn)行么正操作，完成信息編 碼，且將自己手中的粒子A傳送給接收方Bob ; (4) 接收方與授權(quán)方進(jìn)行身份認(rèn)證，如果接收方通過(guò)授權(quán)方的身份認(rèn)證，相應(yīng)授權(quán)方分 別對(duì)自己手中的粒子進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)經(jīng)典信道將自己的測(cè)量結(jié)果告知接收方Bob，否則拒絕 測(cè)量和告知結(jié)果； (5) 接收方Bob對(duì)自己手中的粒子A和B進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，測(cè)得結(jié)果后，Bob結(jié)合所有授 權(quán)方的測(cè)量信息，解碼恢復(fù)獲得Alice傳送的真實(shí)消息。
[0007] 上述技術(shù)方案中，所述步驟（2)中采用離子阱技術(shù)或者量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)制備四 粒子最大糾纏 X態(tài)。
[0008] 上述技術(shù)方案中，所述步驟（2)中的四粒子最大糾纏 X態(tài)，其量子態(tài)表達(dá) 式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 發(fā)送者利用經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)中心資源調(diào)度方發(fā)起通信要求，并給出授權(quán)方與 接收方地址信息； (2) 網(wǎng)絡(luò)中心資源調(diào)度方制備四粒子最大糾纏 X態(tài) IfILaqqi，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的酉變換，隨后根據(jù)授權(quán)方的數(shù)量引入相應(yīng)數(shù)量初態(tài)為I 〇>的 輔助粒子c3, c4,...，cN，實(shí)施控制非變換，得到多粒子糾纏態(tài)，調(diào)度方對(duì)所持 有的粒子進(jìn)行分配，將粒子A分配給發(fā)送方Alice，將粒子B發(fā)送給接收方Bob，將粒子C1, C2, ···, Cn 分配給各個(gè)授權(quán)方 Charlie1, Charlie；^··，CharlieN ; (3) 發(fā)送方Alice根據(jù)要發(fā)送的信息對(duì)自己手中的粒子A進(jìn)行么正操作，完成信息編 碼，且將自己手中的粒子A傳送給接收方Bob ; (4) 接收方與授權(quán)方進(jìn)行身份認(rèn)證，如果接收方通過(guò)授權(quán)方的身份認(rèn)證，相應(yīng)授權(quán)方分 別對(duì)自己手中的粒子進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)經(jīng)典信道將自己的測(cè)量結(jié)果告知接收方Bob，否則拒絕 測(cè)量和告知結(jié)果； (5) 接收方Bob對(duì)自己手中的粒子A和B進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，測(cè)得結(jié)果后，Bob結(jié)合所有授 權(quán)方的測(cè)量信息，解碼恢復(fù)獲得Alice傳送的真實(shí)消息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，其特征在 于：所述步驟（2)中采用離子阱技術(shù)制備四粒子最大糾纏 X態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，其特征在 于：所述步驟（2)中采用量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)制備四粒子最大糾纏 X態(tài)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，其特征在 于：所述步驟（2)中的四粒子最大糾纏 X態(tài)，其量子態(tài)表達(dá)式為：
其中，在離子阱技術(shù)或者量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中，|〇>表示原子或者離子的基態(tài)，11>表 示原子或者離子的激發(fā)態(tài)； 將其表達(dá)式重組為：
接著，資源調(diào)度方對(duì)上述重組后的X態(tài)進(jìn)行酉操作使之成為如下量子態(tài)：
其中酉操作矩陣t/可表示為：
在變?yōu)闋顟B(tài)后，資源調(diào)度方根據(jù)實(shí)際控制方的數(shù)量/Viw入引入個(gè)初態(tài)為 〇>的輔助粒子c3, C4, ...，Cn，并對(duì)其進(jìn)行CNOT操作，其中，C1或C2為控制粒子，C 3. .. Cn為 目標(biāo)粒子， OTOT= |00}{00|+|01}{01|+|11)(10|+|10)(11|, 忽略掉全局因子，從而獲得如下量子狀態(tài)：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，其特征在 于：所述步驟（3)中發(fā)送方Alice將自己手中的粒子A進(jìn)行么正操作，從而實(shí)現(xiàn)傳送一個(gè)量 子比特?cái)y帶兩位經(jīng)典比特信息，利用4個(gè)么正操作分別進(jìn)行編碼，其中編碼信息與么正操 作的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：4)編碼為〇〇, 4編碼為〇1，^編碼為1〇,各編碼為Il ; 幺正操作的集合為：
① 當(dāng)編碼信息為〇〇時(shí)候，系統(tǒng)狀態(tài)為：
② 當(dāng)編碼信息為01時(shí)候，系統(tǒng)狀態(tài)為：
③ 當(dāng)編碼信息為10時(shí)候，系統(tǒng)狀態(tài)為：
④ 當(dāng)編碼信息為11時(shí)候，系統(tǒng)狀態(tài)為：
根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，其特征在于： 所述步驟（4)中如果控制方同意此次通訊，則對(duì)自己手中的粒子進(jìn)行Hadamard變換，
(對(duì)和為分別包含有偶數(shù)個(gè)1和奇數(shù)個(gè)1的O和1構(gòu)成的序列，再以{}為基底 進(jìn)行測(cè)量，向Bob告知測(cè)量結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X態(tài)的量子并行多方可控稠密編碼方法，其特征在 于：所述步驟（5)接收方Bob對(duì)自己手中的粒子A和B進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，測(cè)得結(jié)果后，Bob結(jié) 合授權(quán)方的測(cè)量信息，解碼恢復(fù)得到Alice傳送的真實(shí)消息，所描述的聯(lián)合測(cè)量，其聯(lián)合測(cè) 量基為Bell測(cè)量基的任一種，其解碼的規(guī)則為：如果授權(quán)方所得的1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)個(gè)時(shí)，則 對(duì)應(yīng)的規(guī)則為丨病。>4〇〇,|4>4〗；如果授權(quán)方所得的1的個(gè)數(shù)為奇數(shù) 個(gè)時(shí)，則對(duì)應(yīng)的解碼規(guī)則為I也〉-^0〗柄I) |^〇〉HI冉，其中
【文檔編號(hào)】H04L9/08GK104393957SQ201410695870
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】姜敏, 魏玉震, 薛禮鵬, 丁夢(mèng)曉 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)