[0002] 目前,业内常用的现有技术是这样的:
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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]。
[0006] 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[12,13]典网络,提出了量子隐形传态网络中组播和广播协议 。
[0007] 随着人们对量子通信网络拓扑,路由策略和通信协议的不断深入研究,提出了一些更具特色的量子通信网络研究方案。例如,余旭涛等人提出了一种基于量子隐形传态的无线自组织量子通信网路由协议[14]。刘晓辉等提出了无线量子广域网的构建及其路由策略[15],聂敏等研究了基于分组交换的量子通信网络传输协议并进行了性能分析[16]。
[0008] 综上所述,现有技术存在的问题是:
[0009] (1)由于无线Mesh网络是近年来得到迅速发展的一种无线宽带接入网络技术,对无线量子Mesh网络的研究还比较少。另外,文献[14]中提出的解决方案,路由发现过程基于广播机制。如果在大型网络中使用一次路由请求,则整个网络中的大多数节点都可能加入。传入时,大量的请求消息占用信道,降低了网络的通信能力。文献[16],在文献[14]的基础上,将经典通信网络中的分组传输思想应用于量子通信网络。要发送的信息被分成由源主机发送的多个消息以及中间路由节点。分别转发到达目标主机。但是,该解决方案并不能解决如何避免路由发现期间可能发生的环路。
[0010] (2)现有无线量子Mesh网络技术中,没有通过最小生成树的思想选择合适的通信路径,将节点路由器进行编号,标记,从而使合适的节点路由器制备和分配纠缠量子对建立量子信道,传输量子信息。(3)现有无线量子网络中,建立量子信道大多是从源节点开始向目的节点逐一进行量子纠缠交换操作,直到目的节点收到测量信息的方法;或者分别从源节点和目的节点开始向中间节点进行量子纠缠交换,当中间某一节点收到来自两方的测量信息的方法。然而,这些方法要进行很多次测量,这些测量信息会经过经典信道进行传输,消耗很多网络资源,增加了网络的负荷。
[0011] 解决上述技术问题的难度在于:
[0012] (1)如何将通信网络转换成树状无环的网络拓扑结构。现有的最小生成树方法有很多种,如何选择一种合适的方法来将通信网络在逻辑上转换成一种树状无环的网络结构,从而建立节点之间的经典信道。
[0013] (2)在建立好经典信道之后,如何选择合适的节点路由器制备和分配纠缠粒子对,从而建立量子信道。本方案建立量子信道的方法需要将节点路由器进行编号,分组,从而进行纠缠交换。而如何选择分组的方法,使不同的节点路由器所持有的粒子产生纠缠,是构建量子信道的关键。
[0014] 而解决上述技术问题的意义在于:将量子通信技术运用到无线Mesh网络,能够提高建立量子信道的效率,减少经典信道的网络负载,提高网络的利用率。除此之外,还能够保证网络中的用户能够进行安全通信。
[0015] 参考文献:
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