基于蛛网结构的量子卫星广域网构建策略及性能仿真

量子卫星通信是通信领域的研究热点和前沿,具有理想的信息安全性和覆盖面广的优势,对于构建全球范围的量子卫星广域网具有重要意义,而远距离传输信息时网络的可靠性、安全性和路由中继等问题仍需改进.为了构建性能良好的量子卫星广域网,本文提出利用蜘蛛网作为一种独特的自然通信拓扑结构,将自然界蛛网演进为人工蛛网拓扑,量子信息的传输采用N阶量子隐形传态路由方案,其传输时延基本不变,在此基础上构建蛛网网络拓扑量子广域网传输模型,并对构建的网络模型的误码率、吞吐率、安全密钥生成率进行仿真分析.用抗毁度作为衡量网络拓扑结构可靠性的指标,以9节点环型网和9节点蛛网为例进行定量和定性分析,得出蛛网拓扑具有更高的可靠性.当噪声的平均功率谱密度给定且不存在中继时,量子态的传输距离越大误码率越大,这时要考虑引入中继;当传输距离和噪声功率谱密度一定的情况下,误码率随着中继节点个数的增多而减小,因此在蛛网拓扑下要选择合适的路由过程.随着量子卫星分发纠缠光子对成功概率的增大,吞吐率逐渐增加;随着网络中传输时延的增大,吞吐率逐渐减小,但在该路由方案下传输时延基本不变,且蛛网结构的传输时延很小,因此本文中提出的基于N阶量子隐形传态的蛛网网络拓扑量子广域网的吞吐率不会有明显的降低.当量子信息的传输距离不断增大时,网络密钥生成率逐渐减小;随着网络中继节点个数的增多,密钥生成率逐渐增加.由此可见,利用蛛网拓扑以及N阶量子隐形传态路由方案构建量子卫星广域网具有很好的优势.     

基于极化-空间模超纠缠的量子网络多跳纠缠交换方法研究

基于纠缠交换方法进行多跳量子信息传输,是实现远距离量子网络通信的基本方式之一.传统的多跳量子网络通常使用单自由度极化光子纠缠态作为量子信道,信息传输容量较低且容易受到噪声的干扰.本文提出一种基于超纠缠的高效量子网络多跳纠缠交换方法,利用极化-空间模式两自由度的纠缠光子,建立超纠缠量子多跳信息传输通道.以远程超纠缠隐形传态的信道建立需求为例,首先给出了基础的逐跳超纠缠交换方案,为降低该方案的端到端超纠缠建立时延,提出在中间量子节点进行同时测量的并行超纠缠交换方案.在此基础上,为降低并行超纠缠交换的经典信息开销,进一步提出一种分级并行超纠缠交换方案.理论分析及仿真结果表明该方案的纠缠建立时延接近于并行超纠缠交换方案,但可以减少经典信息传输量,在一定程度上实现两者的平衡.相比传统的纠缠交换方法,本文方案有利于解决远程超纠缠通信的需求,对未来构建更高效率的量子网络有积极意义.     

基于最大权重值纠缠分发的量子无线多跳网络路由协议研究

针对量子节点间建立链路所消耗纠缠资源的差异,使用权重数值来量化现实环境对各个量子节点的影响,并根据权值确定纠缠粒子的分发。在此基础上提出一种针对量子无线多跳网络的路由协议,该协议以纠缠利用率作为路由度量条件,通过基于最大权重值的纠缠粒子分发方式和并行纠缠交换建立量子信道,实现量子态的传输。仿真分析表明,使用该路由协议可以精确找出网络中符合度量条件的量子链路,同时该路由协议中使用并行纠缠交换的交换方式降低了量子态传输的时延,在节点数为15时,并行交换比串行交换的平均时延降低了50%,而且随着链路中节点数的增加,两者的时延差异将会越来越大。为方便分析各仿真节点的权重值均设置为1至15的随机整数,通过对5节点的链路进行多次仿真发现使用基于最大权重值纠缠粒子分发方式能够传送的量子态的平均个数为14,基于串行的分发方式能够传送的量子态的平均个数为7。     

基于量子远程传态的无线自组织量子通信网络路由协议

针对复杂结构的无线量子通信网络,提出了无线自组织量子通信网络概念并设计其路由协议．该路由协议为按需路由协议,路由度量基于相邻节点问的纠缠粒子对数目．需要发送携带信息的量子态的节点发起路由请求和建立过程,由目的节点根据路由度量选择路径．目的节点选择路径后,沿所选路径发送路由应答信息至源节点并通知路径中其他节点．信息传输过程中,若所选路径中相邻节点问无线信道或者量子信道中断,将重新发起一个路由发现过程．建立新路由．路径中节点收到路由应答信息后,利用纠缠交换和两端逼近方法,从路径两端向中间节点方向进行纠缠交换,建立量子信道后,通过量子远程传态传输携带信息的量子态,从而实现无线自组织量子通信网络中任意两节点问信息的传递．     

基于最少中继节点约束的量子VoIP路由优化策略

量子信息的传输过程中,由于拥塞、链路故障等原因,导致数据分组在路由器排队,产生时延、丢包.为了保证量子Vo IP系统的性能,本文提出了基于最少中继节点约束的路由优化策略.采用基于纠缠交换的中继技术,通过优先选择最少中继节点的量子信道,实现多用户量子Vo IP通信.理论分析和仿真结果表明,当链路出现故障和拥塞时,基于M/M/m型排队系统,采用本策略,当设定量子比特的误码率为0.2,共用信道数目从4增加到8时,量子网络的呼损率由0.25下降到0.024,量子网络的最大吞吐量由64 kbps增加到132 kbps.当设定共用信道数目为4,控制量子比特的误码率从0.3到0.1时,可使量子网络最大吞吐量从41 kbps增加到140 kbps.由此可见,本策略能够极大地提高量子Vo IP网络的性能.     

一种基于纠缠态的量子中继通信系统

提出了一种基于纠缠态的量子中继通信系统,该系统应用纠缠为基本资源.纠缠为量子隐形传态和绝对安全的量子通信提供了保证.量子中继器用来延长高纠缠度的纠缠光子对的纠缠距离,利用纠缠交换和纠缠纯化在系统的发信者与受信者之间建立光子对的纠缠.应用量子隐形传态的原理传输量子信息.系统分析表明,量子通信系统的吞吐率随着通信双方成功建立纠缠的概率增大而显著增加,量子信号的传输距离取决于量子中继节点的级数.     

量子信令交换机模型设计及性能分析

本文提出了量子信令交换机的模型, 该交换机由经典信息控制模块、交换控制模块和量子交换模块三部分组成. 经典控制模块负责将纠缠初态信息传送给纠缠测量及交换单元并更新路由信息. 交换控制模块实现通路选择, 为纠缠对的分发提供通路. 量子交换模块制备纠缠对, 进行Bell态的测量, 完成纠缠交换. 量子信令交换机可以实现多用户间的信令传输及局域网通信. 通过对交换机的性能分析与仿真, 结果表明该交换机结构简单、安全保密、便于扩展、时延小, 对于构建量子通信网有很好的支撑作用. 关键词： 量子通信 量子信令网 量子信令交换机 纠缠交换     

基于分组交换的量子通信网络传输协议及性能分析

量子纠缠交换能够建立可靠的量子远程传输信道, 实现量子态的远程传输. 然而, 基于纠缠交换的量子信道要求网络高度稳定, 否则会浪费大量纠缠资源. 为节省纠缠资源, 本文根据隐形传态理论, 提出了一种基于分组交换的量子通信网络传输协议, 建立了发送量子态所需的纠缠数目与所经过的路由器数、链路错误率的定量关系, 并与纠缠交换传输协议进行了比较. 仿真结果表明, 在链路错误率为0.1% 时, 分组传输协议所使用的纠缠数目少于纠缠交换的数目, 另外, 随着错误率的升高, 分组传输协议所需的纠缠数比纠缠交换协议明显减少. 由此可见, 基于分组交换的量子通信网络传输协议在网络不稳定时, 能够节省大量纠缠资源, 适用于链路不稳定的量子通信网络.     

基于量子隐形传态的数据链路层选择重传协议

提出了数据链路层中基于量子隐形传态的量子选择重传协议.即在量子网络的两个站点进行通信时,发送方通过加入辅助量子比特位,把一系列的量子比特分成m帧.在连续传送m个量子帧后,接收方根据发送方所提供的经典信息,判断自己是否收到正确无误的量子帧.若接收方收到了正确的量子帧, 则用量子信道返回确认帧;若接收方没有收到量子帧或收到错误的量子帧, 则不返回否认帧.发送方在设定的时间内,根据收到的确认帧判断需要重发的量子帧.由于只重发丢失或出错的量子帧,该协议减少了通信过程的传播时延,提高了通信效率.在整个通信过程中,仅用经典信道传送测量信息,从而降低了经典信道的负担.     

基于纠缠的数据链路层量子通信协议

利用量子力学中的纠缠关联性，提出了数据链路层的量子通信协议. 该协议把线路分为忙闲时段，量子纠缠态的分发预先在闲时段完成，数据经由经典链路发送，确认帧经由量子纠缠信道发送. 量子信息的传输可以是瞬时的，因此两个发送成功的数据帧之间的最小时间间隔可以大为减小. 研究表明该协议能有效地提高数据链路的最大吞吐量，改善数据链路层停止等待协议的性能. 关键词： 量子通信 纠缠 停止等待协议 数据链路     

量子信道容量的数值计算方法

无论在经典信息论中,还是在量子信息论中,信道容量的确都是一个重要的问题.根据量子信息辅助资源的选择,传输协议的选择,及信号携带的是经典信息还是量子信息,一个量子信道上面可以定义多种容量.比如量子信道量子容量、量子信道经典容量、纠缠辅助的量子信道容量和经典辅助量子容量.其中量子信道的经典容量和纠缠辅助的量子信道容量的计算公式已经给出.但是,利用这些公式并不能容量地算出信道容量,这就要用到数值计算的方法.     

基于量子隐形传态的无线通信网络身份认证方案

提出了有中心的结构化量子通信网络概念,并在经典认证基础之上,结合量子隐形传态技术实现了无线通信网络的身份认证.此认证方案通过对无线局域网的认证进行探讨进而推广至整个无线通信网络中.在无线局域网中,在已获得SK与EPR对的前提下,STA与AP两端通过量子信道进行信息传输,然后AP对手中的量子态进行幺正变换后将得到的信息与原先的备份信息进行保真度计算,从而判定是否认证成功.     

基于吸收型量子存储器的多模式量子中继

正量子网络的基本资源是远程的量子纠缠态,它可以支持包括量子密钥分发、量子计算机互联、分布式量子精密测量等众多量子信息的应用~([1])。光子是量子信息传输的最佳载体,然而由于不可避免的信道损耗,目前基于光纤的纠缠分发距离被限制在百千米量级~([2])。在经典通信中,     

量子信令中继器模型及性能仿真

为了解决量子信令远程传输损伤问题,提出了一种量子信令中继器模型. 在该模型中,首先对接收到的信令量子态进行纠缠纯化和纠缠分发,这样就可在收发双方之间建立纠缠信道. 其次,通过纠缠交换,传送所要发送的量子信令,从而完成量子信令的中继. 仿真结果表明,在保真度为0.98、纠缠对成功建立概率为0.98的条件下, 信令中继成功率可以达到97%以上;在纠缠交换概率、纯化概率和纠缠对成功建立概率都为0.98时, 量子信令中继器的吞吐量可达到183kbps,以上各项指标能够有效满足量子通信对信令中继的要求. 关键词： 量子通信 量子信令 纠缠纯化 纠缠分发     

利用四原子Cluster态概率隐形传送两原子纠缠态

提出两个二能级原子纠缠态的隐形传态方案,方案中选用由四个全同二能级原子组成的非最大纠缠Cluster态作为量子信道.研究表明,接收者根据发送者传送的经典信息,通过引入一个附加原子并实施相应的幺正变化,即可以一定的概率重构原子态,此概率由Cluster态中绝对值最小的两个系数决定.该方案中使用的是Cluster非最大纠缠态作为量子信道,因此与其他方案相比该方案可以节约更多的纠缠资源和经典信息.如果使用Cluster最大纠缠态作为量子信道,那么此方案即为一般的量子传态方案,成功传送的概率为100％.     

量子通信研究进展与应用

量子通信利用量子信道进行信息的编码、传输和处理,具有安全性高和信道容量高等特点。量子保密通信以信息安全为主要目的,包括量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享等模式。利用量子纠缠,量子隐形传态根据事先已经分发的纠缠粒子对实现不传输实物粒子而传输未知粒子的状态,量子密集编码通过传输一个粒子而实现两个粒子信息的传输,这些是经典通信无法实现的任务。文章简单介绍量子通信的内容和进展情况。     

利用三粒子纠缠态建立量子隐形传态网络的探讨

利用W态纠缠源可以产生三纠缠粒子，用这些相互纠缠的粒子作为量子信道，再辅以经典信道传送Bell基联合测量信息和von Neumann测量信息，便可实现量子隐形传态网络.基于上述思想，研究了三纠缠粒子量子隐形传态网络的物理基础，得到了基于三粒子W 关键词： 量子通信 量子隐形传态 W态')" href="#">W态     

一种新的基于系数矩阵的量子无线广域网桥接方案

本文提出了一种新的网络纠缠桥接方案,利用量子纠缠交换技术,在任意贝尔态的基础上实现量子链路的构建,通过定义一组系数矩阵,使目的节点可直接获得所需的恢复操作,更方便地实现初始态的重建,并对更为一般的n跳通信情况进行了研究,解决了远距离的量子信息传输的问题.     

一种网络多用户量子认证和密钥分配理论方案

提出了一种网络多用户量子认证和密钥分配理论方案.类似于现代密码学中的网络认证体系结构提出了一种基于网络中用户与所属的可信服务器之间共享Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)纠缠对进行身份认证和密钥分配的分布式客户机/服务器体系结构.基于该体系结构实现网络中任意用户之间的身份认证和密钥分配.可信服务器只提供用户的身份认证以及 交换粒子之间的纠缠使得两个想要秘密通信的用户的粒子纠缠起来.密钥的生成由发起请求 的用户自己完成.网络中的用户只需和所属的可信服务器共享EPR纠缠对通过经典信道和量子 信道与服务器通信.用户不需要互相共享EPR纠缠对，这使得网络中的EPR对的数量由O(n²)减小到O(n). 关键词： 量子认证 量子密钥分配 客户机/服务器 纠缠交换     

三维类猫态的受控概率量子隐形传态

提出两种对三维三粒子类猫态的受控概率隐形传态方案.首先用一个部分三维五粒子纠缠态作为量子信道来实现,再用两个部分三维两粒子态和一个部分三维三粒子态作为量子信道来实现.两种方案的经典信息代价不同,成功的概率也不同.