基于隱形傳態(tài)的量子網(wǎng)絡(luò)用戶監(jiān)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(jī)的特點(diǎn)，以通信雙方為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)多對(duì)糾纏粒子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳輸流程，并且重新設(shè)計(jì)了通信幀，通過(guò)新設(shè)計(jì)的經(jīng)典通信幀與多對(duì)糾纏粒子網(wǎng)絡(luò)傳輸流程解決了經(jīng)典流量大小計(jì)算和消耗時(shí)間，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)糾纏粒子對(duì)數(shù)解決了量子流量大小計(jì)算，為以后電信公司計(jì)費(fèi)方法提出參考方案。最后通過(guò)服務(wù)器與交換機(jī)逐級(jí)分享發(fā)送方源地址和目的地址，有效地進(jìn)行用戶安全通信監(jiān)控。

關(guān)鍵詞

隱形傳態(tài);量子網(wǎng)絡(luò);流量計(jì)算;用戶監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TN918;O413? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.057

0 引言

量子信息的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代，是一門由物理學(xué)和信息科學(xué)的交叉學(xué)科。由于量子世界的奇妙特性，使得量子信息具有許多和經(jīng)典信息不同的特點(diǎn)，而量子通信是量子信息學(xué)非常重要的分支，而隱形傳態(tài)又是量子通信里面最直接最易操作的通信方法。為了實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)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(tài)的方案，使隱形傳態(tài)成為量子信息領(lǐng)域的重要研究對(duì)象之一，1997年Bouwmeester[2]等人首次利用隱形傳態(tài)實(shí)現(xiàn)了量子通信，從而引起人們對(duì)其進(jìn)行了更深的研究，使隱形傳態(tài)及隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了很大進(jìn)展。在中國(guó)，量子通信作為可以替代經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)也受到格外重視，因此也產(chǎn)生了許多理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。郭光燦院士[3]領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在2005年實(shí)現(xiàn)125km量子通信原理性試驗(yàn)，潘建偉[4]在2009年在安徽合肥實(shí)現(xiàn)了15公里5個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子通信網(wǎng)絡(luò)。此實(shí)驗(yàn)證明了量子信息在自由空間遠(yuǎn)距離傳輸是完全可以實(shí)現(xiàn)的。2017年“墨子號(hào)”率先在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)，量子通訊由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式擴(kuò)展為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的組網(wǎng)[5]連接也成了量子通訊的必然趨勢(shì)。周小清[8-9]在量子網(wǎng)絡(luò)和量子信息方面做了許多工作，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信方案進(jìn)行了逐步完善。

1 互聯(lián)網(wǎng)中的任意兩主機(jī)建立量子信道

糾纏交換技術(shù)的基本原理是將兩對(duì)或多對(duì)糾纏粒子，經(jīng)過(guò)某種量子操作，使相互獨(dú)立的兩個(gè)粒子或多個(gè)粒子成為糾纏粒子。基于此原理，亦可設(shè)計(jì)一種基于C粒子（控制粒子Cliff）的糾纏交換，假設(shè)A粒子和B粒子處于獨(dú)立狀態(tài)，但都與C粒子處于糾纏態(tài)，通過(guò)一系列操作，也能使A粒子和B粒子實(shí)現(xiàn)糾纏，從而建立量子信道，此操作由量子交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，具體連接如圖1所示。

1.1 量子態(tài)交換過(guò)程

控制粒子C可以與多個(gè)用戶處于糾纏狀態(tài)，同時(shí)交換機(jī)也可以產(chǎn)生多個(gè)控制粒子C1C2C3…Ci，交換機(jī)根據(jù)自己子網(wǎng)用戶數(shù)量來(lái)合理分配控制粒子糾纏對(duì)象。Alice需要與哪個(gè)用戶對(duì)話，則通過(guò)經(jīng)典信道來(lái)發(fā)送的連接幀，其中包含目的地址和源地址。若通話對(duì)象在一根總線上（同一個(gè)糾纏粒子發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)下），可以直接通過(guò)糾纏粒子發(fā)生器發(fā)送糾纏粒子，從而建立量子信道。如通話雙方不在同子網(wǎng)上，則需要通過(guò)交換機(jī)利用糾纏交換模塊使其通話雙方粒子產(chǎn)生糾纏。網(wǎng)絡(luò)模型圖如下：

2 網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程

通過(guò)量子隱形傳態(tài)可以實(shí)現(xiàn)利用2bit經(jīng)典信息傳遞1qbit量子信息，但現(xiàn)實(shí)中利用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，除了數(shù)據(jù)部分還需附加上各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的附加信息，這就造成了每傳送1qbit量子信息需消耗經(jīng)典信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止2bit量子通信中，通過(guò)經(jīng)典信道發(fā)送的量子態(tài)測(cè)量信息幀的數(shù)量并不必隨著糾纏粒子數(shù)的增加而增加。因此可以通過(guò)增加通信雙方的糾纏粒子數(shù)，通信時(shí)同時(shí)測(cè)量多對(duì)糾纏粒子態(tài)，再通過(guò)同一經(jīng)典幀發(fā)送至接收方，這樣既可只需使用1個(gè)幀發(fā)送多對(duì)qubit信息，又節(jié)省了經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸量。

由于信息在網(wǎng)絡(luò)傳遞中必然會(huì)經(jīng)過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，而在上節(jié)提出傳遞方式中發(fā)送至Alice與Bob雙方糾纏粒子數(shù)需一致，因此建立量子信道前需先確定網(wǎng)絡(luò)路徑上最小糾纏粒子對(duì)數(shù)的節(jié)點(diǎn)糾纏粒子數(shù)是多少，多對(duì)糾纏粒子網(wǎng)絡(luò)傳輸流程如下：

（1）通信請(qǐng)求：在這一階段通信發(fā)起者Alice需向服務(wù)器提出通信請(qǐng)求，服務(wù)器返回確認(rèn)后才可開始通信。

（2）建立鏈接：通過(guò)發(fā)送經(jīng)典幀建立與接收者Bob之間的量子信道，為正式通信做準(zhǔn)備，幀格式如表1。

標(biāo)識(shí)為該幀標(biāo)志，包括標(biāo)示出幀版本若為0x0時(shí)，記為請(qǐng)求幀;Alice在幀中記錄下自己能使用糾纏粒子位數(shù)然后發(fā)送該幀至（量子交換機(jī)處）Cliff。Cliff收到幀后比較自身能使用粒子對(duì)數(shù)與幀中粒子對(duì)數(shù)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(hào)（沒有則記為空）、上一節(jié)點(diǎn)地址（地址在路由列表中）、自身虛電路號(hào)，將自身虛電路號(hào)寫入幀中。自身虛電路號(hào)為節(jié)點(diǎn)自動(dòng)設(shè)計(jì)用來(lái)區(qū)分經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)的其他虛電路，該虛電路號(hào)不應(yīng)與自身已有的虛電路號(hào)與送達(dá)幀中記錄虛電路號(hào)相同。記錄本節(jié)點(diǎn)地址即節(jié)點(diǎn)號(hào)至路由列表中，將幀按路由發(fā)送至下一節(jié)點(diǎn)David處。David收到幀后重復(fù)以上過(guò)程，將幀發(fā)送至Bob處。Bob收到幀后按路由路徑返回確認(rèn)幀，確認(rèn)幀格式如表2。

其中虛電路號(hào)為上一節(jié)點(diǎn)虛電路號(hào)。標(biāo)識(shí)為0xff，在幀中添加一個(gè)應(yīng)答位用來(lái)儲(chǔ)存應(yīng)答結(jié)果。應(yīng)答位也設(shè)置為通過(guò)三種數(shù)據(jù)表達(dá)三種意思：0x0代表同意建立、0xff代表拒絕建立、0xaa代表請(qǐng)等待。同時(shí)當(dāng)Cliff收到幀后記錄最小糾纏粒子數(shù)，按序列選擇相應(yīng)數(shù)目糾纏粒子與下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多位糾纏粒子隱形傳態(tài)，將與Alice糾纏的粒子組傳遞至下一節(jié)點(diǎn)。重復(fù)以上過(guò)程直至Bob處。Cliff發(fā)送返回確認(rèn)幀至Alice處。

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

（4）撤銷鏈接：交換機(jī)關(guān)閉Alice與Bob之間虛電路，虛電路關(guān)閉完成后記錄時(shí)間。

（2）安全部門同時(shí)也要進(jìn)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(duì)Alice的連接進(jìn)行切斷和重新記錄Alice信息。

（3）當(dāng)Alice與Bob已經(jīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，安全部門通過(guò)隨時(shí)信息更替才發(fā)現(xiàn)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(shí)通過(guò)源地址和目的地址對(duì)通信雙方進(jìn)行定位，通信公司通過(guò)流量和時(shí)間統(tǒng)計(jì)來(lái)判定不安全通信內(nèi)容大小。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者根據(jù)糾纏交換的原理，了解了量子交換機(jī)的特點(diǎn)，提出了通過(guò)量子交換機(jī)（QS）分發(fā)糾纏粒子（EPR對(duì)）的隱形傳態(tài)的量子網(wǎng)絡(luò)通信流程設(shè)計(jì)。對(duì)于隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量信息由經(jīng)典信道傳輸，量子信息由量子信道傳輸。基于隱形傳態(tài)原理，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)加入糾纏粒子分發(fā)器，將傳統(tǒng)的交換機(jī)用量子交換機(jī)替代即可實(shí)現(xiàn)升級(jí)為量子網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層傳輸方案，最后采用了監(jiān)控經(jīng)典信道方法監(jiān)控用戶量子網(wǎng)絡(luò)通信，在設(shè)計(jì)幀格式的基礎(chǔ)上計(jì)算流量大小，在通信流程中計(jì)算通信時(shí)間，為以后經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)升級(jí)量子網(wǎng)絡(luò)提供用戶安全監(jiān)測(cè)參考方案和流量時(shí)間計(jì)算方法。

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