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基于纠缠交换协议的令牌环局域网络传输模型.pdf
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2020-05-05
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《基于纠缠交换协议的令牌环局域网络传输模型》这篇论文主要探讨了在多节点局域网络中如何利用量子纠缠交换协议实现安全的通信。它建立了一个令牌环局域网络模型,该模型融合了量子纠缠交换协议,目的是解决多个用户在局域网中的量子保密通信问题,以避免通信冲突。 在传统局域网中,令牌环网络是一种有效防止数据包碰撞的方法,而论文提出的模型则是将这一机制与量子纠缠的概念相结合。通过引入“令牌”概念,使得量子无线基站可以在特定时间间隔内向两个节点分配纠缠态资源,允许它们进行无冲突的量子通信。这种方法的关键在于,纠缠态是量子通信中实现密钥分发和隐形传态的基础,它可以确保信息在传输过程中的安全性。 论文深入分析了网络性能,并推导出了网络信息吞吐率与量子隐形传态成功率和信道纠缠度之间的数学关系。通过MATLAB仿真,作者对吞吐率的数值进行了分析,验证了模型的可行性。研究发现,提高通信双方创建纠缠资源、成功执行贝尔态测量以及接收测量信息的概率,缩短信息传输时间,以及优化信道质量以提高信道的纠缠度,都能有效提升网络的吞吐率,从而更好地满足量子通信的保密需求。 此外,该模型对于未来量子通信领域的发展具有一定的指导意义,特别是对于提高网络容量和保障通信安全性的研究提供了新的视角。论文指出,随着技术的进步,优化这些参数可以进一步提升量子网络的性能,适应更复杂和安全的通信场景。 这篇论文提出了一个创新的量子通信模型,将经典计算机网络的令牌环结构与量子纠缠交换协议相结合,为实现大规模、高效率且安全的量子局域网络提供了一条可能的途径。这一研究不仅在理论上有所贡献,而且在实际应用中具有重要的潜在价值,特别是在军事航空通信和作战任务规划等领域。
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函
第 18 卷第 4 期 空 军 工 程 大 学 学 报(自然科学版) Vol .18 No .4
2017 年 8 月
JOU RNAL OF AIR FORCE ENGINEERING U NIVERSIT Y(NA T URAL SCIENCE EDITION)
Aug .2017
收稿日期 : 2016‐09‐11
基金项目 : 国家自然科学基金(51475470)
作者简介 : 张 帅 (1993 — ) ,男 ,重庆人 ,硕士生 ,主要从事量子通信理论研究 。 E‐mail :17098332566@ 163 .com
通信作者 : 吴 军 (1972 — ) ,男 ,湖南长沙人 ,副教授 ,主要从事军事航空通信 、作战任务规划研究 。 E‐mail :w uboy0210@ 163 .com
引用格式
: 张帅 ,吴军 ,张欢 ,等 .基于纠缠交换协议的令牌环局域网络传输模型 [J] .空军工程大学学报 (自然科学版 ) ,2017 ,18 (4) :46‐
52 .Z H ANG Shuai ,WU Jun ,ZHANG Huan ,et al .A T ransmission M odel of LAN of Token‐Ring Based on Quantum Entanglement Swapping
Protocol [J] .Journal of Air Force Engineering University (Natural Science Edition) ,2017 ,18 (4) :46‐52 .
基 于 纠 缠 交 换 协 议 的 令 牌 环 局 域 网 络 传 输 模 型
张 帅
1
,吴 军
1
,张 欢
1
,李一鸣
1
,田越洋
2
(1 .空军工程大学航空航天工程学院 ,西安 ,710038 ;2 .西华大学 ,成都 ,610039)
摘要 针对多节点在局域网中的量子保密通信 ,建立了一种基于纠缠交换协议的令牌环局域网络传输模型 。
该模型结合纠缠交换协议 ,通过引入令牌环原理 ,进而使得量子无线基站可以在确定的时隙内分发纠缠资源
给 2 个节点 ,进行无冲突通信 。 分析了网络的性能 ,推导得到了网络信息吞吐率与量子隐形传态成功概率和
信道纠缠度之间的关系 ,通过 MATLAB 仿真实验对吞吐率的数值进行了分析 ,证明该模型的可行性 ,结果
表明 :提高通信双方建立纠缠资源 、Bell 态测量及成功接收测量信息的概率以及缩短信息的传输时间和优化
信道的质量提高信道的纠缠度 ,可以增加网络的吞吐率 ,能有效满足量子通信的保密需求 ,对该领域的后续
研究具有一定的参考价值 。
关键词 量子保密通信 ;纠缠交换 ;局域网 ;令牌环网 ;吞吐率
DOI 10畅3969/
j
畅issn畅 1009桘3516畅2017畅04畅009
中图分类号 TN967畅1 ;O437 文献标志码 A 文章编号 1009‐3516(2017)04‐0046‐07
A Transmission Model of LAN of Token‐Ring Based on Quantum Entanglement
Swapping Protocol
ZHANG Shuai
1
, WU Jun
1
,ZHANG Huan
1
, LI Yiming
2
, TIAN Yueyang
2
(1 .Aeronautics and Astronautics Engineering College ,Air Force Engineering University ,
Xi’an 710038 ,China ;2 .Xihua University ,Chengdu 610039 ,China)
Abstract : A token‐ring local area network transmission model based on entanglement swapping protocol is
established for multiple user quantum communication over LAN .This model with entanglement swapping
p
rotocol utilizes the token‐ring principle to distribute the entanglement resources onto two nodes in a deter‐
mined time interval without conflict .This paper analyzes the transmission performance of the two sides es‐
tablishing entanglement resources ,and derives the relationship between network throughput and quantum
teleportation and entanglement .The simulation results from MATLAB show that the model enables to
achieve Bell state measurement ,successfully receive measurement result ,reduce transmission time and im‐
p
rove the channel entanglement to optimize signal path .Simultaneously ,the method can improve the net‐
work throughput rate effectively and meet the needs of the security of quantum communication ,and has a
certain reference value for the follow‐up study in this field .
Key words :
q
uantum secure communication ;entanglement swapping ;LAN ;Token‐Ring ;throughput rate
万方数据
VI!cG
由、p鼻单
BGII{;0j0菩
EbK3
Bop
量子通信技术现如今正突飞猛进地发展
[1‐2]
,自
1984 年 BB84 协议
[3]293
提出以来 ,运用量子测不准
原理和不可克隆定理
[4]
在理论上证明了量子密钥分
发的安全性 ,但在实际中由于诸多环境因素的影响 ,
加上相关技术尚未成熟 ,BB84 协议并非绝对安全 。
因 此 研 究 者 相 继 又 提 出 了 E91
[5]
、B92
[6]
和
BBM92
[7]
等协议 ,这些协议都在一定程度上改善了
量子通信的保密性和抗干扰性能 。
近年来 ,量子通信技术在计算机网络领域应用
广泛
[8‐11]
,如应用于分组交换
[12]
、IP 多播
[13]
、重传协
议
[14]
等等 ,它们大多基于量子纠缠交换原理 。 运用
纠缠交换技术
[15]
(Entanglement Swapping)能够在
通信节点与节点之间建立量子信道 ,从而使多节点
所组成量子网络得以实现 ,这项技术也应用在量子
中继器
[16]
和量子交换器
[17]
等领域中 。 但目前面对
的主要问题是量子网络中的多个节点进行通信需要
占用大量的储存资源 ,如今量子储存技术
[18 ]
的发展
尚有瓶颈 ;在纠缠资源有限的情况下 ,如何在量子网
络中对多节点进行量子资源地有效分配 ,以保障节
点与节点之间能可靠通信 ,而不发生冲突 。 针对这
些问题 ,本文结合经典通信中令牌环网技术
[19]
,建
立了基于纠缠交换协议的令牌环局域网络传输模
型 ,对该网络传输模型性能进行了分析 ,推导出网络
的吞吐率的公式 ,并提出了增加网络吞吐率的方法 。
1 纠缠交换传输协议
1畅1 纠缠交换原理
如图 1 所示 ,纠缠交换原理是指 2 个原本没有
纠缠关系的量子系统通过 Bell 态测量以一定概率
产生纠缠 ,由于它操作容易和检测形式简单 ,使得这
一技术在量子通信界得到广泛应用 。
图 1 纠缠交换原理
Fig畅1 Entanglement swapping principle
EPR 对是拥有最大纠缠态的双量子系统 ,它以
等概率处于下列的 4 种状态中任一种 ,这 4 个贝尔
态构成了双量子系统的一个完备正交基 ,用这组基
来测量双量子位系统的状态称为 Bell 态测量 。
|
矱
+
枛 =
1
2
(|00枛 + |11枛) ; |
矱
-
枛 =
1
2
(|00枛 - |11枛)
|
ψ
+
枛 =
1
2
(|01枛 + |10枛) ; |
ψ
-
枛 =
1
2
(|01枛 - |10枛)
(1)
假使我们在中心节点处已制备得到一贝尔态为
|
矱
+
枛
12
的 EPR 对 1 、2 粒子 ,和另一贝尔态为 |
ψ
-
枛
34
的 EPR 对 3 、4 粒子 。 现将 2 粒子分发给 Alice ,将 3
粒子分发给 Bob ,中心节点保留 1 、4 粒子 。
|
矱
+
枛
12 、
|
ψ
-
枛
34
两贝尔态直积 :
|
矱
+
枛
12
碅 |
ψ
-
枛
34
=
1
2
(
|
00枛
12
+ |
11枛
12
)(
|
01枛
34
- |
10枛
34
) =
1
2
(
|
φ
+
枛
14
|
ψ
-
枛
23
+ |
φ
-
枛
14
|
ψ
+
枛
23
-
|
ψ
+
枛
14
|
矱
-
枛
23
+ |
ψ
-
枛
14
|
矱
+
枛
23
) (2)
由式(2)可知粒子 1 、2 、3 、4 处于这个新系统的
量子态中 ,在中心节点对 1 、4 粒子进行贝尔测量 ,1 、
4 粒子会等概率地处于 |
矱
+
枛
14
、|
矱
-
枛
14
、|
ψ
+
枛
14
或
|
ψ
-
枛
14
中任意一个态 。 现假使测量后中心节点粒子
态为 |
ψ
-
枛
14
态 ,则相应的 Alice 和 Bob 端的 2 、3 粒
子态相应处于 |
矱
+
枛
23
态 ,即两粒子建立起纠缠关系 。
通过这个方法可以使得原本没有纠缠关系的
EPR 对 1 、2 粒子量子系统和 EPR 对 3 、4 粒子量子
系统建立纠缠关系 ,这就是纠缠交换的过程 。
1畅2 量子逻辑门
受控非门是量子力学中常用的门运算 ,它包含
控制比特 |x枛和目标比特 |
y
枛 ,满足特性 :当 |x枛为 0
的时候 ,不改变 |
y
枛的状态 ;当 |x枛为 1 时 ,改变 |
y
枛
的状态 。 表达式为 :
CNOT (
|
x枛
|
y
枛) =
|
x枛
|
x
碄
y
枛 (3)
它的矩阵形式 :
CNOT
=
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
(4)
Hadamard 门是量子线路模型里的一基本量子
门 ,这个门只能对单个量子比特进行操作 ;通过该量
子门 ,将量子比特 |0枛变为(|0枛 + |1枛)/ 2态 ,将 |1枛
变为(|0枛 - |1枛)/ 2态 。
它的矩阵形式 :
H
=
1
2
1 1
1
-
1
(5)
由于 H 矩阵满足正交关系 ,因此该矩阵是一个
酉矩阵 。
1畅3 传输协议流程
已知中心节点已生成 2 对纠缠粒子序列 ,1 对
74
第 4 期
张帅 ,等 :基于纠缠交换协议的令牌环局域网络传输模型
万方数据
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