可靠的三方量子网络通信协议设计与分析

摘要

随着多媒体业务的迅速发展,许多通信业务都要求网络具有可靠的、安全的、高效的多播通信能力。然而,经典的多播通信网络利用多播帧在不可靠的物理链路上实现可靠通信,具有效率低、安全性不高等特点,难以实现多方之间的同步通信。将经典通信与量子通信相结合构造量子通信网络以提高网络的性能,这是量子通信网络实用化的必然趋势。在深入分析现有的经典多播网络通信协议及量子网络通信协议的基础上,本文利用量子力学中纠缠态的非定域关联性,借助量子隐形传态、量子态远程制备和量子信息传输的瞬时性等基本原理和特性,致力于设计安全、高效和可靠的三方量子网络通信协议。取得的主要研究结果如下:
　　提出一种三方量子确认帧传送和检测方法。接收方Bob和Charlie仅需对自己的粒子执行Bell基测量和X基测量就能分别返回量子确认帧和量子否认帧给发送方Alice。在允许破坏量子态的情况下,选取恰当的系数,Alice能同时收到和准确地区分Bob和Charlie返回的量子确认帧或量子否认帧。三方量子确认帧传送和检测方法能实现三方之间的同步通信并缩短通信者之间总的传播时延及对确认帧的处理时延。
　　设计一个三方量子隐形传态方案及两个三方量子态远程制备方案,两个接收方能同时收到发送方发送的量子态。量子隐形传态方案允许发送方Alice将量子态?0,?1?同时发送给接收方Bob和Charlie。两个三方量子态远程制备方案分别为单粒子量子态三方远程制备方案和两粒子纠缠态三方远程制备方案,需制备的量子态分别为01???和0011???,仅需消耗三个经典比特,有效地减少经典通信开销,并能抵抗截获重发和纠缠测量攻击。
　　设计两类可靠的三方量子网络通信协议,分别为基于GHZ态的可靠的三方量子网络通信协议和基于量子隐形传态或量子态远程制备的三方量子网络通信协议。利用三方量子确认帧的传送和检测方法,通过量子纠缠信道返回量子确认帧和量子否认帧;量子帧的发送及量子确认帧和量子否认帧的返回都是瞬时完成的,缩短传输时间,提高通信效率。在基于量子隐形传态或量子态远程制备的可靠的三方量子网络通信协议中,传送的是比经典数据帧编码更多信息的量子帧,并引入量子帧的透明传输机制,提高传送过程中信息量和传输信息的安全性,且整个过程中仅用经典信道传送量子测量结果,降低经典信道的负担;通过三方量子隐形传态或三方量子态远程制备方案传输量子帧,两个接收者能同时收到发送方发送的量子帧。研究表明两类三方量子网络通信协议能实现安全的、可靠的通信,有效提高三方之间链路的最大吞吐量和信道利用率,改善网络的性能。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 论文的主要工作及结构

第2章 量子通信与计算机网络通信基础

2.1 量子通信基础理论

2.2 计算机网络通信基础

2.3 本章小结

第3章 三方量子确认帧传送和检测方法

3.1 三方量子确认帧传送

3.2 三方量子确认帧检测

3.3 本章小结

第4章 三方量子隐形传态和三方量子态远程制备方案

4.1 三方量子隐形传态方案

4.2 基于纠缠的三方量子态远程制备方案

4.3 本章小结

第5章 可靠的三方量子网络通信协议

5.1基于GHZ态的可靠三方量子网络量子通信协议

5.2基于量子隐形传态(量子态远程制备)的三方量子网络通信协议

5.3 可靠的三方量子网络通信协议性能分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果