基于隱形傳態的量子網絡用戶監控研究

黃尚江 周小清 胡曉歡

摘 要

利用糾纏交換原理和量子交換機的特點，以通信雙方為控制對象，設計多對糾纏粒子隱形傳態網絡傳輸流程，并且重新設計了通信幀，通過新設計的經典通信幀與多對糾纏粒子網絡傳輸流程解決了經典流量大小計算和消耗時間，同時通過監測糾纏粒子對數解決了量子流量大小計算，為以后電信公司計費方法提出參考方案。最后通過服務器與交換機逐級分享發送方源地址和目的地址，有效地進行用戶安全通信監控。

關鍵詞

隱形傳態;量子網絡;流量計算;用戶監控

中圖分類號： TN918;O413? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.057

0 引言

量子信息的發展始于20世紀80年代，是一門由物理學和信息科學的交叉學科。由于量子世界的奇妙特性，使得量子信息具有許多和經典信息不同的特點，而量子通信是量子信息學非常重要的分支，而隱形傳態又是量子通信里面最直接最易操作的通信方法。為了實現量子網絡替代傳統網絡，科學家和科研人員為此做了許多研究。1993年Bennett[1]等人首次提出了隱形傳態的方案，使隱形傳態成為量子信息領域的重要研究對象之一，1997年Bouwmeester[2]等人首次利用隱形傳態實現了量子通信，從而引起人們對其進行了更深的研究，使隱形傳態及隱形傳態網絡在理論和實驗上都取得了很大進展。在中國，量子通信作為可以替代經典網絡也受到格外重視，因此也產生了許多理論和實驗的結果。郭光燦院士[3]領導的科研小組在2005年實現125km量子通信原理性試驗，潘建偉[4]在2009年在安徽合肥實現了15公里5個節點的量子通信網絡。此實驗證明了量子信息在自由空間遠距離傳輸是完全可以實現的。2017年“墨子號”率先在國際上實現千公里級量子糾纏分發，量子通訊由點對點通訊方式擴展為點對多點的組網[5]連接也成了量子通訊的必然趨勢。周小清[8-9]在量子網絡和量子信息方面做了許多工作，對網絡通信方案進行了逐步完善。

1 互聯網中的任意兩主機建立量子信道

糾纏交換技術的基本原理是將兩對或多對糾纏粒子，經過某種量子操作，使相互獨立的兩個粒子或多個粒子成為糾纏粒子。基于此原理，亦可設計一種基于C粒子（控制粒子Cliff）的糾纏交換，假設A粒子和B粒子處于獨立狀態，但都與C粒子處于糾纏態，通過一系列操作，也能使A粒子和B粒子實現糾纏，從而建立量子信道，此操作由量子交換機實現，具體連接如圖1所示。

1.1 量子態交換過程

控制粒子C可以與多個用戶處于糾纏狀態，同時交換機也可以產生多個控制粒子C1C2C3…Ci，交換機根據自己子網用戶數量來合理分配控制粒子糾纏對象。Alice需要與哪個用戶對話，則通過經典信道來發送的連接幀，其中包含目的地址和源地址。若通話對象在一根總線上（同一個糾纏粒子發生器網絡下），可以直接通過糾纏粒子發生器發送糾纏粒子，從而建立量子信道。如通話雙方不在同子網上，則需要通過交換機利用糾纏交換模塊使其通話雙方粒子產生糾纏。網絡模型圖如下：

2 網絡通信過程

通過量子隱形傳態可以實現利用2bit經典信息傳遞1qbit量子信息，但現實中利用經典網絡傳遞信息，除了數據部分還需附加上各種網絡協議的附加信息，這就造成了每傳送1qbit量子信息需消耗經典信息遠遠不止2bit量子通信中，通過經典信道發送的量子態測量信息幀的數量并不必隨著糾纏粒子數的增加而增加。因此可以通過增加通信雙方的糾纏粒子數，通信時同時測量多對糾纏粒子態，再通過同一經典幀發送至接收方，這樣既可只需使用1個幀發送多對qubit信息，又節省了經典網絡中數據傳輸量。

由于信息在網絡傳遞中必然會經過多個節點，而在上節提出傳遞方式中發送至Alice與Bob雙方糾纏粒子數需一致，因此建立量子信道前需先確定網絡路徑上最小糾纏粒子對數的節點糾纏粒子數是多少，多對糾纏粒子網絡傳輸流程如下：

（1）通信請求：在這一階段通信發起者Alice需向服務器提出通信請求，服務器返回確認后才可開始通信。

（2）建立鏈接：通過發送經典幀建立與接收者Bob之間的量子信道，為正式通信做準備，幀格式如表1。

標識為該幀標志，包括標示出幀版本若為0x0時，記為請求幀;Alice在幀中記錄下自己能使用糾纏粒子位數然后發送該幀至（量子交換機處）Cliff。Cliff收到幀后比較自身能使用粒子對數與幀中粒子對數大小，記錄較小值至幀中。在本地建立列表記錄幀中目的地址、源地址、虛電路號（沒有則記為空）、上一節點地址（地址在路由列表中）、自身虛電路號，將自身虛電路號寫入幀中。自身虛電路號為節點自動設計用來區分經過該節點的其他虛電路，該虛電路號不應與自身已有的虛電路號與送達幀中記錄虛電路號相同。記錄本節點地址即節點號至路由列表中，將幀按路由發送至下一節點David處。David收到幀后重復以上過程，將幀發送至Bob處。Bob收到幀后按路由路徑返回確認幀，確認幀格式如表2。

其中虛電路號為上一節點虛電路號。標識為0xff，在幀中添加一個應答位用來儲存應答結果。應答位也設置為通過三種數據表達三種意思：0x0代表同意建立、0xff代表拒絕建立、0xaa代表請等待。同時當Cliff收到幀后記錄最小糾纏粒子數，按序列選擇相應數目糾纏粒子與下一節點進行多位糾纏粒子隱形傳態，將與Alice糾纏的粒子組傳遞至下一節點。重復以上過程直至Bob處。Cliff發送返回確認幀至Alice處。

（3）開始通信：當Alice收到返回確認幀后即可開始通信，通信幀如表3，通信結束時Alice通知交換機，交換機到后撤銷鏈接。

（4）撤銷鏈接：交換機關閉Alice與Bob之間虛電路，虛電路關閉完成后記錄時間。

（2）安全部門同時也要進行目的地址判定，判定通信接收方Bob是否為安全用戶，若不是安全用戶，則對Alice的連接進行切斷和重新記錄Alice信息。

（3）當Alice與Bob已經進行數據交換，安全部門通過隨時信息更替才發現Alice和Bob存在不安全通信。則需要馬上告知通信公司切斷通信，同時通過源地址和目的地址對通信雙方進行定位，通信公司通過流量和時間統計來判定不安全通信內容大小。

4 結語

筆者根據糾纏交換的原理，了解了量子交換機的特點，提出了通過量子交換機（QS）分發糾纏粒子（EPR對）的隱形傳態的量子網絡通信流程設計。對于隱形傳態網絡，測量信息由經典信道傳輸，量子信息由量子信道傳輸。基于隱形傳態原理，經典網絡在節點加入糾纏粒子分發器，將傳統的交換機用量子交換機替代即可實現升級為量子網絡。設計網絡層傳輸方案，最后采用了監控經典信道方法監控用戶量子網絡通信，在設計幀格式的基礎上計算流量大小，在通信流程中計算通信時間，為以后經典網絡升級量子網絡提供用戶安全監測參考方案和流量時間計算方法。

參考文獻

[1]陳漢武.量子信息與量子計算簡明教程[M].南京：東南大學出版社，2006，8-12.

[2]Bennett C H，Brassard G，Crepeau C，et al.Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels[J].Physical Review Letters，1993，70（13）：1895-1899.

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

[4]Brassard G，Bussieres F，Godbout N et al.Multi-user quantum key distributio nusing wave-length division multiplexing.Proc.SPIE.2003，5260（6）：149-153.

[5]Z.Q.Yin，Y.B.Zhao，Z.W.Zhou，et al.Decoy states quantum key distribution with modified coherent state[J].Phys.Rev.A，2007，76（1）：014304.

[6]S.L.Braunstein，H.J.Kimble.Teleportation of continuous quantum variables[J].Phys.Rev.Lett.，1998，80（4）：869-872鄭亦莊，戴玲玉，郭光燦.三粒子糾纏W態的隱形傳態[J].物理學報，2003，52（11）：2678 -2682.

[7]周南潤，曾貴華，龔黎華等.基于糾纏的數據鏈路層量子通訊協議[J].物理學報，2007，56（9）：5066-5070.

[8]周小清，鄔云文，趙晗.量子隱形傳態網絡的互聯與路由策略[J].物理學報， 2011，60（4）：040304.

[9]張沛，周小清，陳璽，趙晗.多級量子無線網絡傳輸[J].物理學報，2013.