一种高维光量子态非最大纠缠信道的隐形可控传态方法

本发明涉及光量子通信，具体为一种高维光量子态非最大纠缠信道的隐形可控传态方法。

背景技术：

1、量子态是量子通信与量子计算的信息载体，加载在量子态上信息的安全受到了不确定性关系、不可克隆原理等量子力学基本原理的保障，因此保证了通讯的绝对安全。由于现有的光量子隐形传态方案大多数是单向、低维、不分等级的，而且是在最大纠缠信道下完成的，所以现有技术方案大多存在以下缺陷：第一、最大纠缠信道只能是理想状态下，而在实操过程中都会受到噪声的影响，噪声会对信道产生干扰，因此最大纠缠信道无法消除干扰，现有技术方案实施的可行性很低；第二、由于不分等级，所以保密性较差；第三、低维时光量子态只能取两个数值即0或1，因此单次能传递的信息较少，信息传输效率低，同时现有的技术方案中通常只有两个通讯方，造成纠缠态的信道容量较小，导致信息传输量较少。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明一种高维光量子态非最大纠缠信道的隐形可控传态方法，通过扩大量子态的取值范围即高维，分等级且摒弃最大纠缠信道作为通讯信道转而采用部分纠缠量子态作为通讯信道，同时还设置多个通讯方等技术手段来大幅提高了方案的可行性、稳定性，扩大信息的传输量以提高传输效率，显著加强了信息传输的保密性，从而有效解决了上述问题。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种高维光量子态非最大纠缠信道的隐形可控传态方法，包括五个通讯方，分别是第一通讯方alice、第二通讯方bob、第三通讯方charlie、第四通讯方david和第五通讯方eric，其中第一通讯方alice拥有第一粒子a1、第二粒子a2和第一传输粒子φ1，所述第一传输粒子φ1的量子态为|φ1>，第二通讯方bob拥有第三粒子b1和第四粒子b2，第三通讯方charlie拥有第五粒子c1和第六粒子c2，第四通讯方david拥有第七粒子d1和第八粒子d2，第五通讯方eric拥有第九粒子e，其中第一通讯方alice为等级待定的通讯方，第二通讯方bob为高级通讯方，第三通讯方charlie和第四通讯方david均为低级通讯方，第五通讯方eric为总控制方，其特征在于包括以下两种情形：

4、ⅰ、高等级方案：当第一通讯方alice和第二通讯方bob为发送方时，由于第二通讯方bob为高级通讯方因此第一通讯方alice亦为高级通讯方，发送方同时也是重建方，第三通讯方charlie和第四通讯方david均为控制方，此时第二通讯方bob还拥有第二传输粒子φ2，所述第二传输粒子φ2的量子态为|φ2>，完成量子传态的具体步骤如下：

5、步骤(1)：第五通讯方eric对第九粒子e执行广义x-基测量，并将测量结果分别发送给第一通讯方alice和第二通讯方bob；

6、步骤(2)：第一通讯方alice分别对第一粒子a1、第一传输粒子φ1执行广义贝尔基测量并将测量结果发送给第二通讯方bob，第二通讯方bob分别对第四粒子b2、第二传输粒子φ2执行广义贝尔基测量并将测量结果发送给第一通讯方alice，第三通讯方charlie对第五粒子c1执行广义z-基测量并将测量结果发送给第二通讯方bob，第三通讯方charlie对第六粒子c2执行广义z-基测量并将测量结果发送给第一通讯方alice，第四通讯方david对第七粒子d1执行广义z-基测量并将测量结果发送给第二通讯方bob，第四通讯方david对第八粒子d2执行广义z-基测量并将测量结果发送给第一通讯方alice；

7、步骤(3)：第一通讯方alice根据第二通讯方bob发送过来的广义贝尔基测量结果、第五通讯方eric发送过来的广义x-基测量结果以及第三通讯方charlie或者第四通讯方david其中任意一方发送过来的广义z-基测量结果，对第二粒子a2执行酉正操作，与此同时，第二通讯方bob根据第一通讯方alice发送过来的广义贝尔基测量结果、第五通讯方eric发送过来的广义x-基测量结果以及第三通讯方charlie或者第四通讯方david其中任意一方发送过来的广义z-基测量结果，对第三粒子b1执行酉正操作；

8、步骤(4)：此时第一通讯方alice还拥有第一附加粒子a，所述第一附加粒子a的初始状态为|0>a，第二通讯方bob还拥有第二附加粒子b，所述第二附加粒子b的初始状态为|0>b，然后第一通讯方alice对第二粒子a2和第一附加粒子a执行联合酉正演化，第二通讯方bob对第三粒子b1和第二附加粒子b执行联合酉正演化，最后第一通讯方alice对第一附加粒子a进行广义z-基测量，第二通讯方bob对第二附加粒子b进行广义z-基测量，若两个广义z-基测量结果均为0则表示已完成单粒子高等级部分纠缠信道的双向可控隐形传态，即第一通讯方alice将量子态|φ1>在第三粒子b1上完成了重建，第二通讯方bob将量子态|φ2>在第二粒子a2上完成了重建；

9、ⅱ、低等级方案：当第一通讯方alice作为发送方，第三通讯方charlie或第四通讯方david中的任意一方作为发送方时，剩下的另一方为控制方，那么由于第三通讯方charlie或第四通讯方david均为低级通讯方，因此第一通讯方alice亦为低级通讯方，第二通讯方bob为控制方，发送方同时也是重建方，第三通讯方charlie或第四通讯方david作为发送方时还拥有第二传输粒子φ2，所述第二传输粒子φ2的量子态为|φ2>，完成量子传态的具体步骤如下：

10、步骤(1)：选择第四通讯方david作为发送方，则第三通讯方charlie为控制方，第五通讯方eric对第九粒子e执行广义x-基测量，并将测量结果分别发送给第一通讯方alice和第四通讯方david；

11、步骤(2)：第一通讯方alice分别对第一粒子a1、第一传输粒子φ1执行广义贝尔基测量并将测量结果发送给第四通讯方david，第四通讯方david对第八粒子d2、第二传输粒子φ2执行广义贝尔基测量并将测量结果发送给第一通讯方alice，第二通讯方bob对第三粒子b1执行广义z-基测量并将测量结果发送给第四通讯方david，第二通讯方bob对第四粒子b2执行广义z-基测量并将测量结果发送给第一通讯方alice，第三通讯方charlie对第五粒子c1执行广义x-基测量并将测量结果发送给第四通讯方david，第三通讯方charlie对第六粒子c2执行广义x-基测量并将测量结果发送给第一通讯方alice；

12、步骤(3)：第一通讯方alice根据第四通讯方david发送过来的广义贝尔基测量结果、第五通讯方eric和第三通讯方charlie各自发送过来的广义x-基测量结果、第二通讯方bob发送过来的广义z-基测量结果，对第二粒子a2执行酉正操作，与此同时，第四通讯方david根据第一通讯方alice发送过来的广义贝尔基联合测量结果、第五通讯方eric和第三通讯方charlie各自发送过来的广义x-基测量结果、第二通讯方bob发送过来的广义z-基测量结果，对第七粒子d1执行酉正操作；

13、步骤(4)：此时第一通讯方alice还拥有第一附加粒子a，所述第一附加粒子a的初始状态为|0>a，第四通讯方david还拥有第三附加粒子d，所述第三附加粒子d的初始状态为|0>d，然后第一通讯方alice对第二粒子a2和第一附加粒子a执行联合酉正演化，第四通讯方david对第七粒子d1和第三附加粒子d执行联合酉正演化，最后第一通讯方alice对第一附加粒子a进行广义z-基测量，第四通讯方david对第三附加粒子d进行广义z-基测量，若两个广义z-基测量结果均为0则表示已完成单粒子低等级部分纠缠信道双向可控隐形传态，即第一通讯方alice将量子态|φ1>在第七粒子d1上完成了重建，第四通讯方david将量子态|φ2>在第二粒子a2上完成了重建，在步骤(1)中，若选择第三通讯方charlie作为发送方，整个传态过程亦是如此。

14、本技术方案中所有通讯方分别拥有的粒子均属于它们所共享的部分纠缠的量子态，由所有通讯方的粒子组成的部分纠缠量子态即为本技术方案中所使用的通讯信道。本技术方案的两位发送方同时也是重建方，在进行量子隐形传态之前，两位发送方(重建方)要进行传送的量子态是未知的，因此希望互传自己未知的量子态即第一传输粒子φ1的量子态|φ1>和第二传输粒子φ2的量子态|φ2>给对方。

15、由于本方案为两个反向且同时进行的过程即发送方(重建方)重建方(发送方)，具有分等级的特性，而当与固定发送方即第一通讯方alice搭档的另一位发送方的等级为高等级时，第一通讯方alice的等级也为高等级，当与固定发送方搭档的另一位发送方的等级为低等级时，固定发送方的等级同为低等级。

16、进一步的，根据广义贝尔基测量公式

17、

18、其中r,s＝0,1,…,d-1表示d2个广义贝尔态，表示j+r的模d；

19、所述第一传输粒子φ1的量子态|φ1>和第二传输粒子φ2的量子态|φ2>分别用公式(2)和公式(3)表示，

20、

21、

22、其中αj、βj(j＝0,1,…,d-1)是任意复数，且分别满足公式(4)和公式(5)，

23、

24、

25、被所有通讯方共享的部分纠缠量子态即通讯信道表示为

26、

27、其中，m为第九粒子e的量子态；

28、将第一传输粒子φ1的量子态|φ1>、第二传输粒子φ2的量子态|φ2>与粒子a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2、e组成的复合系统状态即通讯信道表示为

29、

30、根据广义x-基测量公式

31、

32、其中l＝0,1,…,d-1，|lx>表示相互正交的量子态，

33、所述高等级方案的步骤(1)，第五通讯方eric对第九粒子e执行广义x-基测量，测量结果为qx且分别发送给第一通讯方alice和第二通讯方bob，则通讯信道变为

34、

35、进一步的，所述高等级方案的步骤(2)，第一通讯方alice对第一粒子a1、第一传输粒子φ1执行广义贝尔基测量的结果分别为u1、v1且发送给第二通讯方bob，量子态表示为第二通讯方bob对第四粒子b2、第二传输粒子φ2执行广义贝尔基测量的结果分别为u2、v2且发送给第一通讯方alice，量子态表示为则通讯信道坍缩为

36、

37、根据广义z-基测量公式{0>，|1>，…|d-1>}，第三通讯方charlie对第五粒子c1和第四通讯方david对第七粒子d1执行广义z-基测量的结果均为j2且发送给第二通讯方bob，量子态分别为第三通讯方charlie对第六粒子c2和第四通讯方david对第八粒子d2执行广义z-基测量的结果均为j4且发送给第一通讯方alice，量子态分别为分别为则通讯信道坍缩为

38、

39、进一步的，所述高等级方案的步骤(3)，第一通讯方alice根据测量结果对qx、u2、v2、j4，第二通讯方bob根据测量结果qx、u1、v1、j2，对第二粒子a2和第三粒子b1执行酉正操作，如公式12所示，

40、

41、第一通讯方alice和第二通讯方bob执行酉正操作后将|ψ4>转换为|ψ5>，此时第一传输粒子φ1的量子态为|δ1>，第二传输粒子φ2的量子态为|δ2>，

42、

43、进一步的，所述高等级方案的步骤(4)，对于初始状态为|0>a的第一附加粒子a和初始状态为|0>b的第二附加粒子b，若γn满足公式14的条件，

44、

45、则第一通讯方alice对第二粒子a2和第一附加粒子a在基下执行联合酉正演化umax1，如公式15所示，

46、

47、(15)，第一通讯方alice作为高级重建方执行联合酉正演化umax1后，可将第二传输粒子φ2的量子态为|δ2>和第一附加粒子a的量子态为|0>a转变为

48、

49、同时第二通讯方bob对第三粒子b1和第二附加粒子b在基下执行联合酉正演化umax2，如公式17所示，

50、

51、(17)，第二通讯方bob作为高级重建方执行联合酉正演化umax2后，可将第一传输粒子φ1的量子态为|δ1>和第二附加粒子b的量子态为|0>b转变为

52、

53、最后，第一通讯方alice对第一附加粒子a执行广义z-基测量，第二通讯方bob对第二附加粒子b执行广义z-基测量，若两个测量结果均为0，则表明技术方案实施成功即第一通讯方alice将量子态为|φ1>在第三粒子b1完成重建，第二通讯方bob将量子态为|φ2>在第二粒子a2上完成重建，否则方案实施失败。

54、进一步的，低等级方案所采用的通讯信道、通讯信道的粒子分配以及第五通讯方eric对第九粒子e执行广义x-基测量均与高等级方案相同，所述低等级方案的步骤(2)，第一通讯方alice对第一粒子a1、第一传输粒子φ1执行广义贝尔基测量，第四通讯方david对第八粒子d2、第二传输粒子φ2执行广义贝尔基测量，则通讯信道变为

55、

56、第一粒子a1、第一传输粒子φ1的广义贝尔基测量结果分别为u1、v1且发送给第四通讯方david，量子态表示为第八粒子d2和第二传输粒子φ2的广义贝尔基测量结果分别为u3、v3且发送给第一通讯方alice，量子态表示为其中u1、v1、u3、v3＝0,1,…,d-1，则通讯信道坍缩为

57、

58、然后第二通讯方bob对第三粒子b1、第四粒子b2执行广义z-基测量的结果分别为t1、t2，其中t1发送给第四通讯方david，t2发送给第一通讯方alice，t1、t2＝0,1,…,d-1，则通讯信道坍缩为

59、

60、最后第三通讯方charlie对第五粒子c1、第六粒子c2执行广义x-基测量，则通讯信道变为

61、

62、第五粒子c1、第六粒子c2的广义x-基测量结果分别为k1、k2，其中k1发送给第四通讯方david，k2发送给第一通讯方alice，k1、k2＝0,1,…,d-1，则通讯信道坍缩为

63、

64、进一步的，所述低等级方案的步骤(3)，第一通讯方alice根据接收到的测量结果qx、v3、u3、k2、t2，第四通讯方david根据接收到的测量结果qx、v1、u1、k1、t1对第二粒子a2和第七粒子d1执行酉正操作，如公式24所示，

65、

66、然后第一通讯方alice和第四通讯方david执行酉正操作后可将|ψ10>转化成|ψ11>，如公式25所示，此时第一传输粒子φ1的量子态为|χ1>，第二传输粒子φ2的量子态为|χ2>，

67、

68、进一步的，所述低等级方案的步骤(4)，对于初始状态为|0>a的第一附加粒子a和初始状态|0>d的第三附加粒子d，若γn满足公式26的条件，

69、

70、则第一通讯方alice对第二粒子a2和第一附加粒子a在基下执行联合酉正演化umax3，如公式27所示，

71、

72、(27)，第一通讯方alice作为低级重建方执行联合酉正演化umax3后，可将此时第二传输粒子φ2的量子态为|χ2>和第一附加粒子a的量子态|0>a转变为

73、

74、同时第四通讯方david对第七粒子d1和第三附加粒子d在基下执行联合酉正演化umax4，如公式29所示，

75、

76、(29)，第四通讯方david作为低级重建方执行联合酉正演化umax4后，可将此时第一传输粒子φ1的量子态为|χ1>和第三附加粒子d的量子态|0>d转变为

77、

78、最后第一通讯方alice对第一附加粒子a执行广义z-基测量，第四通讯方david对第三附加粒子d执行广义z-基测量，若两个测量结果均为0，则表明技术方案已实施成功即第一通讯方alice将量子态为|φ1>在第七粒子d1上完成重建，第四通讯方david将量子态为|φ2>在第二粒子a2上完成重建，否则技术方案实施失败，在低等级方案中，若选择第三通讯方charlie作为发送方时，整个量子传态过程亦是如此。

79、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果：

80、本发明一种高维光量子态非最大纠缠信道的隐形可控传态方法，与现有的技术方案相比，第一、选择了非最大纠缠信道即部分纠缠信道作为通讯信道，并且为了消除外界环境比如噪声的影响，特别在方案的实施过程中引入了附加粒子，因此具有技术方案实施的可行性更高、稳定性更高等优点；第二、由于低维时光量子态只能取两个数值即0或1，而本方案里的求和符号是从0到d-1，这就代表了本方案的高维量子态的取值有d个，因此具有单次传递信息量更大、传输信息效率更高的优点；第三、本方案设置有5个通讯方，使得量子纠缠态的信道容量更大，因此能显著提高信息的传输量，提高了通信效率；第四、本方案设置有一个固定发送方(重建方)，而其等级是由搭档来决定的，即搭档为低等级时其为低等级，搭档为高等级是其亦高等级，这种分等级的方式具有保密性更高的优点，提高了信息传输的安全性，未来可广泛应用到军事通信、卫星通信等需要高度加密的通信领域。