[发明专利]基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法及架构

说明书

本发明属于量子通信技术领域，公开了一种基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法及架构，以无线量子mesh网络中的节点跳数，往返时间参数的综合权值作为路由的开销值，利用最小生成树的方法使各节点逐级入网，构建网络中的经典信道；然后网络中的部分节点作纠缠粒子的制备和分发，另一部分节点做量子纠缠交换和测量，构建量子信道；最后通过量子隐形传态的方法，在源节点和目的节点之间进行量子信息的传输。本发明可以将具有复杂结构的无线量子mesh网络早逻辑上视为一种树状无环的网络拓扑，从而避免了网络风暴的产生；提出了“两两结合”方案来建立源节点和目的节点之间的量子信道。

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种基于纠缠交换的量子无线mesh网络路由方法及架构。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

量子通信是经典信息理论和量子力学相结合的一门交叉学科，是利用量子态携带信息的全新通信方式，在通信安全性、计算能力、信息传输、通道容量、测量精度等方面突破经典通信技术的极限，已成为21世纪通信与信息领域发展的新方向和主流。相比于经典通信，量子通信的一个重大优势是可以实现严格数学证明下的安全性。量子通信是以量子态独有特性突破传统安全通信技术的束缚(使用微观粒子携带的量子态信息实现安全通信)，具有不可窃听、不可复制性和理论上的“无条件安全性”，从而保证了通信的安全，在网络技术、信息安全领域有着重大的应用价值。

量子纠缠状态(Quantum entangled state)是两个或多个量子系统之间的非定域、非经典的关联，是量子系统内各子系统或各自由度之间关联的力学属性。量子纠缠状态是微观世界物质之间的一种特有的现象，因此也是量子信息理论中的特有概念。在1993年，Bennett等人就以量子纠缠为基础，首次提出了量子隐形传态(Quantum Teleportation,QT)^[1]。稍后，就以量子隐形传态为研究基础，提出了量子纠缠交换(Quantum Swapping)^[2]的思想。

关于量子隐形传态、纠缠交换的研究被人们提出以后，就引起了广泛的关注。比方说，2000年，杨等人就研究了量子隐形传态的多粒子泛化问题^[3]，P.van Loock等人就研究了连续变量的隐形传态^[4]。2001年周等人就通过2能级纠缠态实现S能级的量子纯态隐形传态方案^[5]。2003年赵等人首次实验验证四光子Greenberger-Horne-Zeilinger纠缠中量子非局域性^[6]，并且提出了了基于纠缠交换的量子中继器模型。2012年，潘建伟团队在国际上首次成功实现百公里级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定了技术基础^[7]。在2016年，Frédéric Grosshans等人提出了连续量子变量的量子克隆和隐形传态准则^[8]。

就目前而言，对于纠缠交换、量子隐形传态的研究已经是比较成熟的。伴随着量子通信技术的不断发展，将纠缠交换、隐形传态作为理论基础和重要技术手段，已然成为了人们探究构建量子通信网络以及节点间路由策略的主要思路。上述这些研究，在理论上和实验上都验证了构建量子通信网络的可行性,人们以这些研究成果为基础,开始了对量子通信网络拓扑结构和通信协议的研究。朱畅华等人就提出了一种量子局域网的方案并对其进行性能分析^[9]。Frédéric Dupuis等人就研究了量子广播信道协议的问题，并提出方案^[10]，周南润等人设计了基于纠缠关联的数据链路层量子通信协议^[11]。周小清等人用纠缠交换的思想对量子隐形传态网络的互联和路由策略进行了探究，并且以此为研究基础，结合经典网络，提出了量子隐形传态网络中组播和广播协议^[12,13]。