基于非最大纠缠态的量子通信隐形传态优化方法与流程

1.本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及基于非最大纠缠态的非对称双向隐形传态及优化。


背景技术：

2.量子信息是利用微观粒子的状态表示信息。它是以量子力学为基础的学科，研究如何通过量子体系的各种方式进行计算、编码和信息传输的学科。量子信息是相对于经典信息而言的，是量子力学与经典信息学结合的新型学科。量子通信是量子论与通信论相结合的一门新兴交叉科学。它主要涉及量子隐形传态，量子超密编码，量子态分享，量子信息集中等研究领域，其中量子隐形传态又是最引人瞩目的课题之一。量子隐形传态是利用量子纠缠在量子通信领域中最奇妙的应用，它能实现瞬时离物传输。早在1993年bennett等就提出了量子隐形传态的概念，其是一种利用经典信道和量子纠缠资源实现远程传态的方式。在这开创性工作之后，研究者利用不同类型的量子通道，提出了许多传送未知量子态的方案，比如单向隐形传态，单向受控隐形传态，双向隐形传态等。2002年，huelga等首次提出了双向量子隐形传态，许多学者对双向量子隐形传态的研究产生了浓厚的兴趣，并提出了大量的基于不同量子信道的方案。直到2013年，zha等结合受控和双向隐形传态思想提出了第一个量子双向受控隐形传态方案:信息传输的两方在第三方的控制下，可以同时交换他们的任意单粒子未知态。量子双向受控隐形传态作为量子隐形传态的一个新的方向，得到极大关注。此后一些学者提出以不同量子纠缠态为信道的双向隐形传态的若干方案，但这些方案都是对称的，针对这种情况，在2015年，zhang等首先提出非对称的双向受控隐形传态方案，该方案以7粒子最大纠缠态为信道，在控制者的控下，alice传送她的单粒子态给bob，同时，bob也能传送他的二粒子态给alice。在2019年，peng提出9量子团簇态信道的非对称的双向量子信息传输方案，其优点是alice采用特殊的测量基，使得选择的信道粒子数相对更少，提高了传输效率。现有技术存在协议的信道稳固性差，易受到干扰或破坏，传输效率较低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供提供一种优化非对称量子隐形传态的方法的方法，从而进一步使协议的信道更加的稳固而不易受到干扰或破坏，相应传输效率也更高。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于非最大纠缠态的量子通信隐形传态优化方法，包括以下步骤：步骤一：建立基于alice、bob的量子通信联合系统；步骤二：alice和bob分别对其拥有的粒子进行联合bell测量并公布测量结果；步骤三：alice和bob利用测量结果构造出对方发送来的原量子态的全貌。
5.具体的，所述步骤一具体为：建立基于alice、bob的量子通信联合系统，alice、bob
互为未知任意n粒子态和m粒子态的发送方和接收方，一个非最大2m+2n粒子态作为量子信道，将待传态和信道通过张量积组成量子通信联合系统。
6.具体的，所述步骤二具体为：alice和bob在量子通信联合系统中，将其分享的信道态和待发送的未知任意粒子态中的粒子组成粒子对，在bell基下对粒子对进行bell测量，alice和bob将各自bell测量结果通过经典信道公布。
7.具体的，所述alice和bob用自身和对方bell测量结果，引入辅助粒子，构造酉变换，对辅助粒子进行单粒子测量，将所有测量后由2m+2n粒子态组成的粒子联合体的塌陷态分离成由alice和bob分享的两个纠缠态粒子量子信息的乘积态，再通过幺正变换就能以一定概率重构对方的原始态。
8.具体的，步骤一中，当n=2，m=1时，alice，bob分别互为未知任意2粒子态和1粒子态的发送方和接收方，一个非最大6粒子态作为量子信道，将待传态和信道通过张量积组成量子通信联合系统。
9.具体的，所述量子通信联合系统中还以一个非最大4粒子态作为量子信道，alice和bob分别对对应粒子进行三粒子正交基测量和单粒子投影测量并公布测量结果；alice和bob在量子通信联合系统中，将其分享的信道态和待发送的未知任意粒子态中的粒子组成粒子对，分别在三粒子正交基和单粒子下对粒子对进行投影测量，alice和bob将各自测量结果通过经典信道公布；alice和bob用自身和对方测量结果，引入辅助粒子，构造酉变换，对辅助粒子进行单粒子测量，将所有测量后由4粒子态组成的粒子联合体的塌陷态分离成由alice和bob分享的两个纠缠态粒子量子信息的乘积态，再通过幺正变换就能以一定概率重构对方的原始态，对于n=2，m=1的情况，通过效率分析对比可以知道以一个非最大4粒子态作为量子信道效率更高。
10.本发明的有益效果：1、本发明的基于非最大纠缠态非对称量子隐形传态及优化的方法，由于采用2n+2m粒子态作为alice、bob共享的量子信道，从而实现量子信息的非对称双向传递；由于alice和bob互为发送方和接收方，alice和bob分别将拥有的纠缠态的粒子和待发送的粒子进行联合bell测量，通过经典信道公布测量结果，从而实现量子信息的同时双向传递，特别是针对alice，bob分别互为未知任意2粒子态和1粒子态的发送方和接收方，一般情况下需要一个非最大6粒子态作为量子信道，本发明采用一个4粒子态作为量子信道，通过效率分析比较在传递相同信息量的情况下，本发明比现有技术具有更高的传递效率；由于alice和bob结合自己bell测量结果将任意未知2n+2m粒子的塌陷态还原成原始量子信息的乘积态，引入辅助粒子，构造酉变换，对辅助粒子进行单粒子测量，将所有测量后由2m+2n粒子态组成的粒子联合体的塌陷态分离成由alice和bob分享的两个纠缠态粒子量子信息的乘积态，再通过幺正变换就能以一定概率重构对方的原始态。当信道为最大纠缠态时，本实施方式的量子信息的传递和还原的成功概率为1。
11.2、本发明为了探究6粒子非最大纠缠态信道和4粒子非最大纠缠态信道的关系，通过对相应的效率进行分析比较，得出4粒子非最大纠缠态信道方案更优化的结论。
附图说明
12.图1是本发明的方法流程图；图2是本发明的未知任意2n+2m粒子态的信道制备图；图3是非对称双向隐形传态流程图。
具体实施方式
13.为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
14.实施例一：本实施例中，如图1所示，基于非最大纠缠态的量子通信隐形传态优化方法，包括以下步骤：步骤一：建立基于alice、bob的量子通信联合系统；步骤二：alice和bob分别对其拥有的粒子进行联合bell测量并公布测量结果；步骤三：alice和bob利用测量结果构造出对方发送来的原量子态的全貌。
15.光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。
16.量子隐形传态( quantum teleportation) 又称量子远程传态或量子离物传态，是利用量子纠缠的不确定特性，将某个量子的未知量子态通过epr对（纠缠量子对）的一个量子传送到另一个地方（即epr对中另一个量子），而原来的量子仍留在原处。alice想和bob通信，具体流程如下：(1) 制备两个有纠缠的epr量子（粒子）对，然后将其分开，alice和bob各持一个，分别是粒子1和粒子2。
17.(2) alice粒子1和某一个未知量子态的粒子3进行联合测量，然后将测量结果通过经典信道传送给接bob。
18.bob持有的粒子2将随着alice测量同时发生改变，由一量子态变成新的量子态。这是由于量子纠缠的作用，粒子2和粒子1之间如同有一根无形。
19.(3) bob根据接收的息和拥有粒子2做相应幺正变换（一种量子计算变换），根据这些信息，可以重构出粒子3的全貌。
20.量子通信与传统通信技术相比，具有如下主要特点和优势：(1) 时效性高。量子通信的线路时延近乎为零，量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍，传输速度快。
21.(2) 抗干扰性能强。量子通信中的信息传输不通过传统信道（如传统移动通信为
了使得通信不被干扰，需要约定好频率，而量子通信不需要考虑这些因素），与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能。
22.(3) 保密性能好。根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现。
23.(4) 隐蔽性能好。量子通信没有电磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测。
24.(5) 应用广泛。量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子隐形传态通信还能穿越大气层。因此，量子通信应用广泛，既可在太空中通信，又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信。
25.本发明实施时，包括建立基于alice、bob的量子通信联合系统，信道态的制备alice和bob分别对其拥有的粒子进行联合bell测量并公布测量结果，引入二能级辅助粒子，alice和bob利用测量结果构造出对方发送来的原粒子态子态的全貌，不同信道下协议的效率分析比较等几个步骤，具体如下：假设alice，bob分别有待传态为：（1）其中非零复数a,b,c,d满足。
26.他们共享一个(2n+2m)粒子态的量子信道:（2）其中，非零复数a1,a2,...,a
n+m
，b1,b2,...,b
n+m
满足,...,，规定|ai|《|bi|(i=1,2,
⋯
,n+m),|aj|《|a
j+1
|(j=1,2,
⋯
,n+m-1)。如图3所示，为了实现非对称双向隐形传态,需要进行如下步骤:步骤1，信道制备阶段。要实现非对称双向隐形传态,需本地制备(2n+2m)粒子纠缠态信道。通过对初始态|00
⋯0〉
12
⋯
2n+2m
中序号为1,3,
⋯
,2n+2m-1的粒子进行hardmard操作,再对粒子对(1,2),(3,4),
⋯
,(2n+2m-1,2n+2m)进行受控非门操作,则能成功制备该信道。具体操作流程如下:对序号为1,3,...,2n+2m-1的粒子进行hardmard操作,结果初始态变为:。
27.对粒子对(1,2),(3,4),...,(2n+2m-1,2n+2m)进行受控非门操作,其中1,3,
⋯
,2n+2m-1为控制比特,结果为:。
28.则本地制备成功.制备过程如图2所示。
29.步骤2，测量阶段。粒子x1,x2,
⋯
,xn,1,3,
⋯
,2n+2m-1属于alice,粒子y1,y2,
⋯
,ym,2,
4,
⋯
,2n+2m属于bob,整个系统态可表示为:（3）alice对粒子对(x1,1),(x2,3),
⋯
,(xn,2n-1)实施bell测量,同时bob对粒子对(y1,2n+2),(y2,2n+4),
⋯
,(ym,2n+2m)实施bell测量,测量结果共有4
n+m
种,其中bell基为。
30.步骤3，经典信息传输阶段。alice将她测量结果编码成经典信息,通过经典信道发送给bob；同时，bob将他测量结果编码成经典信息,通过经典信道发送给alice.编码规则如下:步骤4，重构量子态阶段。bob根据alice的测量结果,分别对粒子2,4,
⋯
,2n实施相应的幺正变换。同时,alice根据bob的测量结果,分别对粒子2n+1,2n+3,
⋯
,2n+2m-1实施相应的幺正变换.规则如下:注意:δi=|0
〉〈
0|+|1
〉〈
1|；δz=|0
〉〈
0|-|1
〉〈
1|;δ
x
=|0
〉〈
1|+|1
〉〈
0|；iδy=|0
〉〈
1|-|1
〉〈
0|。
31.例如，alice的测量结果为,bob的测量结果为，余下粒子坍塌为:为:。
32.根据收到的测量结果，bob需对粒子(2,4,
…
,2n)进行幺正变换，同时，alice需对粒子(2n+1,2n+3,
⋯
,2n+2m-1)进行幺正变换，可得到:（4）为重建最初的粒子态，bob和alice应分别引进一个初始态为|0
〉b和|0
〉a的二能级粒子b和a，并分别对式(4)在基矢矢|00
〉
2b
，|01
〉
2b
，|10
〉
2b，|11
〉
2b
和|00
〉
(2n+1)a
，|01
〉
(2n+1)a
，|
10
〉
(2n+1)a
，|11
〉
(2n+1)a
实施如下幺正变换u1和u2:（5）（6）式(4)演化为：随后，bob和alice利用计算基|0
〉
，|1
〉
分别对各自引入的辅助粒子b和a进行测量。如果测量结果分别都为|0
〉
，则传送成功,否则失败。此时，alice传送成功概率为，bob传送成功概率为。
33.对于alice和bob的其他的测量结果,bob和alice只需根据接收到的测量结果分别
对粒子(2,4,
⋯
,2n)和粒子(2n+1,2n+3,
⋯
,2n+2m-1)实施相应的幺正变换,并引入一个辅助粒子再做一次单粒子测量,即可以通过一定概率分别恢复出alice和bob想传输的粒子态.特别地,当信道为最大纠缠态时,即,...，，双方成功率达到1。
34.当n=2，m=1时，alice，bob分别有待传态为:（7）其中非零复数a，b，c，d满足|a|2+|b|2=1，|c|2+|d|2=1.他们共享一个6粒子非最大纠缠态的量子信道，其量子信道为:（8）其中非零复数c1，c2，c3，c4，a3，b3满足|c1|=|a1a2|，|c2|=|a1b2|，|c3|=|a2b1|，|c4|=|a2b2|，|a1|2+|b1|2=1，|a2|2+|b2|2=1，|a3|2+|b3|2=1，规定|ai|《|bi|(i=1,2,3)，|aj|《|a
j+1
|(j=1,2)，显然alice传送成功总概率为2|c1|2+2|c2|2，bob传送成功总概率为2|a3|2。若对应的信道为最大纠缠态,则非对称双向传态成功传送的概率为1。
35.考虑alice和bob分别同时互传2粒子态和单粒子态给对方，采用粒子数更少的信道，如4粒子态。假设alice，bob分别有待传态为：（9）其中非零复数a，b，c，d满足|a|2+|b|2=1，|c|2+|d|2=1。
36.他们共享一个4粒子非最大纠缠态的量子信道,其量子信道为:（10）其中非零复数a1,b1,a2,b2满足|a1|2+|b1|2=1,|a2|2+|b2|2=1，且规定|a1|《|b1|，|a2|《|b2|,为了实现非对称双向隐形传态，需进行以下步骤:步骤1，测量阶段。假设粒子1，2，4，5属于alice，粒子3，6，7属于bob。整个系统态可表示为:（11）下列8个ghz态构成三粒子正交基:下列8个ghz态构成三粒子正交基:alice需要对粒子2施行hadamard操作,然后用三粒子正交基对粒子对(1,2,5)实施测量，同时bob对粒子3实施单粒子投影测量可想而知测量结果有16种。
37.步骤2，经典信息传输阶段。alice将他测量结果编码成经典信息，通过经典信道发送给bob，同时，bob将他测量结果编码成经典信息，通过经典信道发送给alice。编码规则如下:步骤3，重构量子态阶段。bob根据alice的测量结果,对粒子(6,7)实施相应的幺正变换，同时，alice根据bob的测量结果，对粒子(4)实施相应的幺正变换。规则如下:注意:；；。
38.不失一般性，假设alice的测量结果为|λ
+
〉
1,2,5
,bob的测量结果为|0
〉3，余下粒子坍塌为:根据收到的测量结果，bob对粒子(6,7)进行幺正变换，同时，alice对粒子(4)进行幺正变换可得到：（12）为重建最初的粒子态，bob和alice需分别引进一个初始态处于|0
〉b和|0
〉a的二能级粒子b,a，并分别对式(13)在基矢|00
〉
6b
，|01
〉
6b
，|10
〉
6b
，|11
〉
6b
和|00
〉
4a
，|01
〉
4a
，|10
〉
4a
，|11
〉
4a
实施如下幺正变换u3和u4: (13)
（14）式(13)演化为式(13)演化为随后，bob和alice利用计算基|0
〉
，|1
〉
分别对各自引入的辅助粒子b和a进行测量。如果测量结果都为|0
〉
，则传送成功，此时，alice传送成功概率为，bob传送成功概率为|a1|2；否则失败。
39.同理，对于alice和bob的其他的测量结果，bob和alice只需根据接收到的测量结果分别对粒子(6,7)和粒子(4)实施相应的幺正变换，并引入一个辅助粒子再做一次单粒子测量，即可分别恢复出alice和bob想传输的粒子态，传送成功的总概率分别为2|a2|2和2|a1|2。特别地，当信道为最大纠缠态时,双方成功率达到1。
40.本方法就非对称双向隐形传态的一般形式的方案进行讨论。根据所得一般性结论，在n=2，m=1时，其信道需要6粒子态，实际上，我们发现采用4粒子态为信道也能予以实现。为了更好探讨6粒子态信道和4粒子态信道所构造方案之间的关系，我们以传输效率为工具得到表1。传输效率定义为。其中，p代表要交换的量子信息组成粒子数，q代表信道的粒子个数，t的含义是传送的经典资源消耗的比特个数。从信道角度容易得出以4粒子态作为信道的方案更加优化。
41.表1:传输效率比较表
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。