基于隐形传态的量子网络用户监控研究

黄尚江 周小清 胡晓欢

摘 要

利用纠缠交换原理和量子交换机的特点，以通信双方为控制对象，设计多对纠缠粒子隐形传态网络传输流程，并且重新设计了通信帧，通过新设计的经典通信帧与多对纠缠粒子网络传输流程解决了经典流量大小计算和消耗时间，同时通过监测纠缠粒子对数解决了量子流量大小计算，为以后电信公司计费方法提出参考方案。最后通过服务器与交换机逐级分享发送方源地址和目的地址，有效地進行用户安全通信监控。

关键词

隐形传态;量子网络;流量计算;用户监控

中图分类号： TN918;O413       文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.057

0 引言

量子信息的发展始于20世纪80年代，是一门由物理学和信息科学的交叉学科。由于量子世界的奇妙特性，使得量子信息具有许多和经典信息不同的特点，而量子通信是量子信息学非常重要的分支，而隐形传态又是量子通信里面最直接最易操作的通信方法。为了实现量子网络替代传统网络，科学家和科研人员为此做了许多研究。1993年Bennett[1]等人首次提出了隐形传态的方案，使隐形传态成为量子信息领域的重要研究对象之一，1997年Bouwmeester[2]等人首次利用隐形传态实现了量子通信，从而引起人们对其进行了更深的研究，使隐形传态及隐形传态网络在理论和实验上都取得了很大进展。在中国，量子通信作为可以替代经典网络也受到格外重视，因此也产生了许多理论和实验的结果。郭光灿院士[3]领导的科研小组在2005年实现125km量子通信原理性试验，潘建伟[4]在2009年在安徽合肥实现了15公里5个节点的量子通信网络。此实验证明了量子信息在自由空间远距离传输是完全可以实现的。2017年“墨子号”率先在国际上实现千公里级量子纠缠分发，量子通讯由点对点通讯方式扩展为点对多点的组网[5]连接也成了量子通讯的必然趋势。周小清[8-9]在量子网络和量子信息方面做了许多工作，对网络通信方案进行了逐步完善。

1 互联网中的任意两主机建立量子信道

纠缠交换技术的基本原理是将两对或多对纠缠粒子，经过某种量子操作，使相互独立的两个粒子或多个粒子成为纠缠粒子。基于此原理，亦可设计一种基于C粒子（控制粒子Cliff）的纠缠交换，假设A粒子和B粒子处于独立状态，但都与C粒子处于纠缠态，通过一系列操作，也能使A粒子和B粒子实现纠缠，从而建立量子信道，此操作由量子交换机实现，具体连接如图1所示。

1.1 量子态交换过程

控制粒子C可以与多个用户处于纠缠状态，同时交换机也可以产生多个控制粒子C1C2C3…Ci，交换机根据自己子网用户数量来合理分配控制粒子纠缠对象。Alice需要与哪个用户对话，则通过经典信道来发送的连接帧，其中包含目的地址和源地址。若通话对象在一根总线上（同一个纠缠粒子发生器网络下），可以直接通过纠缠粒子发生器发送纠缠粒子，从而建立量子信道。如通话双方不在同子网上，则需要通过交换机利用纠缠交换模块使其通话双方粒子产生纠缠。网络模型图如下：

2 网络通信过程

通过量子隐形传态可以实现利用2bit经典信息传递1qbit量子信息，但现实中利用经典网络传递信息，除了数据部分还需附加上各种网络协议的附加信息，这就造成了每传送1qbit量子信息需消耗经典信息远远不止2bit量子通信中，通过经典信道发送的量子态测量信息帧的数量并不必随着纠缠粒子数的增加而增加。因此可以通过增加通信双方的纠缠粒子数，通信时同时测量多对纠缠粒子态，再通过同一经典帧发送至接收方，这样既可只需使用1个帧发送多对qubit信息，又节省了经典网络中数据传输量。

由于信息在网络传递中必然会经过多个节点，而在上节提出传递方式中发送至Alice与Bob双方纠缠粒子数需一致，因此建立量子信道前需先确定网络路径上最小纠缠粒子对数的节点纠缠粒子数是多少，多对纠缠粒子网络传输流程如下：

（1）通信请求：在这一阶段通信发起者Alice需向服务器提出通信请求，服务器返回确认后才可开始通信。

（2）建立链接：通过发送经典帧建立与接收者Bob之间的量子信道，为正式通信做准备，帧格式如表1。

标识为该帧标志，包括标示出帧版本若为0x0时，记为请求帧;Alice在帧中记录下自己能使用纠缠粒子位数然后发送该帧至（量子交换机处）Cliff。Cliff收到帧后比较自身能使用粒子对数与帧中粒子对数大小，记录较小值至帧中。在本地建立列表记录帧中目的地址、源地址、虚电路号（没有则记为空）、上一节点地址（地址在路由列表中）、自身虚电路号，将自身虚电路号写入帧中。自身虚电路号为节点自动设计用来区分经过该节点的其他虚电路，该虚电路号不应与自身已有的虚电路号与送达帧中记录虚电路号相同。记录本节点地址即节点号至路由列表中，将帧按路由发送至下一节点David处。David收到帧后重复以上过程，将帧发送至Bob处。Bob收到帧后按路由路径返回确认帧，确认帧格式如表2。

其中虚电路号为上一节点虚电路号。标识为0xff，在帧中添加一个应答位用来储存应答结果。应答位也设置为通过三种数据表达三种意思：0x0代表同意建立、0xff代表拒绝建立、0xaa代表请等待。同时当Cliff收到帧后记录最小纠缠粒子数，按序列选择相应数目纠缠粒子与下一节点进行多位纠缠粒子隐形传态，将与Alice纠缠的粒子组传递至下一节点。重复以上过程直至Bob处。Cliff发送返回确认帧至Alice处。

（3）开始通信：当Alice收到返回确认帧后即可开始通信，通信帧如表3，通信结束时Alice通知交换机，交换机到后撤销链接。

（4）撤销链接：交换机关闭Alice与Bob之间虚电路，虚电路关闭完成后记录时间。

（2）安全部门同时也要进行目的地址判定，判定通信接收方Bob是否为安全用户，若不是安全用户，则对Alice的连接进行切断和重新记录Alice信息。

（3）当Alice与Bob已经进行数据交换，安全部门通过随时信息更替才发现Alice和Bob存在不安全通信。则需要马上告知通信公司切断通信，同时通过源地址和目的地址对通信双方进行定位，通信公司通过流量和时间统计来判定不安全通信内容大小。

4 结语

笔者根据纠缠交换的原理，了解了量子交换机的特点，提出了通过量子交换机（QS）分发纠缠粒子（EPR对）的隐形传态的量子网络通信流程设计。对于隐形传态网络，测量信息由经典信道传输，量子信息由量子信道传输。基于隐形传态原理，经典网络在节点加入纠缠粒子分发器，将传统的交换机用量子交换机替代即可实现升级为量子网络。设计网络层传输方案，最后采用了监控经典信道方法监控用户量子网络通信，在设计帧格式的基础上计算流量大小，在通信流程中计算通信时间，为以后经典网络升级量子网络提供用户安全监测参考方案和流量时间计算方法。

参考文献

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[3]C.H.Bennett et al，Teleporting an unknown quantum state via dual classical and EPR.Phys.Rev.Lett，1993，70：1859-1899.

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[8]周小清，邬云文，赵晗.量子隐形传态网络的互联与路由策略[J].物理学报， 2011，60（4）：040304.

[9]张沛，周小清，陈玺，赵晗.多级量子无线网络传输[J].物理学报，2013.