专利名称：一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法
技术领域：
本发明属于计算机及光通信领域，具体涉及一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法。
背景技术：
不同于普通光缆线路，电力通信所用的光缆线路大多为架空光缆，主要是OPWG或都ADSS光缆。同时，在电力系统中还有独特的性质，通信线路通常是沿着电力线路架设，通信站大多基于变电站。在电力变电站的通信，由于环境与公网不同，其通信方式也应有所变化。在近年来由于保密通信的发展前景，量子通信技术将是非常看好的一种真正的保密通信方式，但是QKD技术应用于电力行业的最大缺陷是通信距离受限，还存在着高压电磁环境的干扰，如何解决电力线路量子通信难题是当前急需解决的问题之一。一种可行的解决方案是通过编码技术延长量子信号的长距离衰减。同时解决变电站内的电磁干扰问题。量子编码技术目前已经非常成熟，但是还是尚未达到经典编码技术的应用程度。本发明所要解决的就是将目前的量子编码技术方案进行研究，提出适合于电力系统的改进方案，解决通信环境的依赖性难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，易于实现，编码效率高，适合于电力环境线路。本发明的编码方案具有以下重要特征I)通信线路环境是沿电力架空线的光缆线路，通信的两端站点均为电力变电站；2)通信线路距离较长；3)电力架空线路为高电压、高电场度强环境；4)通信协议采用量子密钥分发技术；5)量子信道编码采用量子纠错码技术。在以上的电力架空环境下的光纤量子信道，由于环境的特殊复杂，光纤中量子信号所受噪声模型与公网相比有明显的不同，该环境噪声对光纤特性影响体现在以下方面I)长距离的光纤信道对量子信号的衰减作用；2)架空环境下的温度、应力应变等对量子信号的作用；3)低频率高电压、高电场强度对量子信号的作用；在以上的环境作用影响下，量子信道所承载的量子比特信息，在传输中的体现是会发生比特翻转、相位翻转等错误。但由于其环境作用方式的特殊性，出错方式与公网环境有所不同。为解决该编码所处环境的特殊性 ，经过对现有量子编码技术的系统分析，本发明采用稳定子码方案。可以一步从测量中同时得到比特与相位翻转结果，译码效率高，成本低，易于实现，在一定程度上解决了电力环境量子编码的难题。
本发明通过下述方案实现本发明提供的一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，其改进之处在于，所述方法是在电力架空线路的通信光缆两端的变电站内分别设置量子设备，其中一端为发送端，另一端为接收端；所述发送端和所述接收端通信时采用[5，I]稳定子量子纠错编码技术。其中，所述[5，I]稳定子量子纠错编码技术是指用5位量子态编码I位量子信息。其中，所述发送端包括依次连接的量子光源、编码单元和加密终端I。其中，所述接收端包括依次连接的探测器、译码单元和加密终端II ；所述译码单元由量子伴随式产生电路和纠错电路两部分构成；所述探测器接收发送端编码单元发送的量子信号后，传给译码单元进行译码与纠错，再通过与加密终端获取的经典测量基信息筛选得到最终密钥输出。其中，发送端的编码单元稳定子编码信息的步骤包括(I)编码线路内部通过量子比特循环转换得到4个稳定子生成元，即W1 = XZZXI,M2 = IXZZX, M3 = XIXZZ, M4 = ZXIXZ ；(2)将所述4个稳定子生成元转换成4X 10量子检验矩阵H ；(3)利用所述4个稳定子生成兀作用到任意量子态a | 0>+b | 1>,生成5位量子态编码编码，形成量子比特|1>。和量子比特|0>。；(4)编码后量子态变成a I 0>c+b I 1>。，选择比特翻转转换又= XXXXX，形成稳定子码，包括码字1>L和0>L；(5)将所述码字I 1\和I 发送给接收端。其中，步骤(3)所述利用所述4个稳定子生成元作用到任意量子态a I 0>+b | 1>，生成5位量子态编码编码，形成量子比特|1>。和量子比特10>。是指设Xf为比特翻转转换，SP编码后的|1>。对态10>。的逐比特翻转；编码公式如下|0>c = (I+M4) (I+M3) (I+M2) (M1) | 00000〉；|l)c = 1(/ + M4)(/ + M3)(/ + M2)(/ + M1) |00000)。其中，步骤(2)所述4X 10量子检验矩阵H的表达式为
003权利要求
1.一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，其特征在于，所述方法是在电力架空线路两端的变电站内分别设置量子设备，其中一端为发送端，另一端为接收端；所述发送端和所述接收端通信时采用[5，I]稳定子量子纠错编码技术。
2.如权利要求1所述的量子纠错编码方法，其特征在于，所述[5，I]稳定子量子纠错编码技术是指用5位量子态编码I位量子信息。
3.如权利要求1所述的量子纠错编码方法，其特征在于，所述发送端包括依次连接的量子光源、编码单元和加密终端I。
4.如权利要求1所述的量子纠错编码方法，其特征在于，所述接收端包括依次连接的探测器、译码单元和加密终端II ； 所述译码单元由量子伴随式产生电路和纠错电路两部分构成； 所述探测器接收发送端编码单元发送的量子信号后，传给译码单元进行译码与纠错，再通过与加密终端获取的经典测量基信息筛选得到最终密钥输出。
5.如权利要求1所述的量子纠错编码方法，其特征在于，发送端的编码单元稳定子编码信息的步骤包括 (1)编码线路内部通过量子比特循环转换得到4个稳定子生成元，即=M1= XZZXIjM2 =IXZZX, M3 = XIXZZ, M4 = ZXIXZ ； (2)将所述4个稳定子生成元转换成4X10量子检验矩阵H ； (3)利用所述4个稳定子生成元作用到任意量子态aI 0>+b 11>，生成5位量子态编码编码，形成量子比特11>。和量子比特|0>。； (4)编码后量子态变成a|0>e+b|1>。，选择比特翻转转换文= XXXXX，形成稳定子码，包括码字1>L和0>L； (5)将所述码字|1\和|0\发送给接收端。
6.如权利要求5所述的量子纠错编码方法，其特征在于，步骤(3)所述利用所述4个稳定子生成元作用到任意量子态a I 0>+b 11>，生成5位量子态编码编码，形成量子比特11>C和量子比特I 0>。是指设f为比特翻转转换，即编码后的|1>。对态I 0>。的逐比特翻转；编码公式如下0>c = (I+M4) (I+M3) (I+M2) (!+M1) | 00000〉；|1}C = X(I + M4)(7 + M3)(7 + M2)(7 + M1) 100000) 0
7.如权利要求5所述的量子纠错编码方法，其特征在于，步骤(2)所述4X10量子检验矩阵H的表达式为
8.如权利要求1或4所述的量子纠错编码方法，其特征在于，所述接收端的译码单元接收到信息后，通过纠错电路进行纠错编码的步骤包括 I)对于比特翻转X，确定量子检验矩阵H的左边对应列的值，查看其与出错算子Ea对易性；2)根据所述量子检验矩阵H测量各个稳定子生成元Mi的本征值，得到X出错量子伴随式； 3)对于相位翻转Z，确定所述量子检验矩阵H的右边对应列的值，测量四个稳定子生元本征值，得到Z出错量子伴随式； 4)对于Y 出错，将所述量子检验矩阵H的左边和右边在该列相加，测量四个稳定子生元本征值，得到Y出错量子伴随式； 5)将得出的出错算子在检验矩阵H下的四个稳定子生成元本征值，再与出错态的量子伴随式进行比较，得到出错态的量子位以及该位发生的错误类型。
全文摘要
本发明公开了一种适用于高压架空电力线路的量子纠错编码方法，是在电力架空线路两端的变电站内分别设置量子设备，其中一端为发送端，另一端为接收端；所述发送端和所述接收端通信时采用[5,1]稳定子量子纠错编码技术。本发明首次在电力系统中进行了系统分析，选择了适合电力架空光缆环境下的量子纠错编码技术；解决了电力高压环境所造成的量子噪声中信号错误检测与恢复难题；探索了一条适合变电站间长距离量子信号编解码方案。本发明的重要意义在于将量子通信技术应用于电力系统提供了一条便利通道。
文档编号H04B10/70GK103067093SQ20121057645
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者卢利锋 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司