本發(fā)明涉及量子通信，通過結(jié)合量子隱形傳態(tài)和遠(yuǎn)程態(tài)制備技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)量子態(tài)在兩個通信方之間的非對稱雙向傳輸，特別是指一種非對稱的雙向混合量子通信方法。

背景技術(shù)：

1、量子糾纏，作為量子信息科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)非凡的資源，其應(yīng)用廣泛令人矚目。在這一前沿探索中，量子隱形傳態(tài)與遠(yuǎn)程態(tài)制備兩種通信技術(shù)尤為突出。1993年，bennett等人首次提出量子隱形傳態(tài)(qt)的概念，用于安全地傳輸一個未知量子態(tài)從一個發(fā)送方到另一個遙遠(yuǎn)的接收方。在量子隱形傳態(tài)中，發(fā)送方擁有傳輸?shù)牧孔討B(tài)，但對態(tài)的信息一無所知。2000年，lo基于量子隱形傳態(tài)的思想，首次提出遠(yuǎn)程態(tài)制備(rsp)方法，它可以傳輸一個已知的量子態(tài)給空間距離遙遠(yuǎn)的接收方。不同于量子隱形傳態(tài)，由于發(fā)送方知道待傳輸態(tài)的信息，進(jìn)而可以選擇合適的測量基來測量量子比特。近年來，研究者對各種各樣的qt和rsp協(xié)議進(jìn)行了廣泛研究。

2、除了單一的qt和rsp通信協(xié)議之外，qt與rsp思想相結(jié)合的通信協(xié)議也被陸續(xù)報道。2017年，sang基于qt和rsp思想設(shè)計(jì)一種新穎的雙向受控量子信息傳輸方案，在控制者charlie的幫助下，alice可以傳送一個未知的任意單比特量子態(tài)給bob，同時bob可以遠(yuǎn)程為alice制備一個已知的任意單比特量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)的雙向傳輸。雙向量子通信允許信息在通信雙方之間進(jìn)行雙向的安全傳輸，進(jìn)而增加了通信的靈活性和效率。

3、基于sang的思想，許多學(xué)者提出了各種各樣的雙向混合量子通信方案。多數(shù)的雙向混合量子通信方案實(shí)現(xiàn)了對稱的信息傳輸，兩個通信方可以互相發(fā)送相同比特數(shù)目的量子態(tài)。然而，在實(shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)中，為滿足通信網(wǎng)絡(luò)中通信用戶的不同通信需求，研究新型的雙向混合量子通信方案是非常有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)中存在的通信需求受限的問題，本發(fā)明將量子隱形傳態(tài)與遠(yuǎn)程態(tài)制備兩種通信方式相結(jié)合，提出了一種非對稱的受控雙向混合量子通信方法。在通信網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置一個控制方frank，兩個通信方alice和bob，其中alice和bob既可以作為發(fā)送方也可以作為接收方。在控制者frank的幫助下，基于七比特的最大糾纏態(tài)作為量子信道，alice想要傳輸一個未知的單比特量子態(tài)給bob，同時，bob愿意為alice遠(yuǎn)程制備一個已知的兩比特量子態(tài)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)量子信息的非對稱雙向傳輸。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種非對稱的受控雙向混合量子通信方法，構(gòu)建基于量子隱形傳態(tài)與遠(yuǎn)程態(tài)制備的混合量子通信模型，兩個通信方和控制方事先共享七比特的最大糾纏態(tài)，其中，一個通信方作為發(fā)送方，另一個通信方作為接收方；通過執(zhí)行一系列的量子測量和恢復(fù)酉變換操作，接收方能夠成功重建不同比特數(shù)目的目標(biāo)量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)了量子信息的非對稱傳輸，包括以下步驟：

4、步驟s1：構(gòu)建雙向通信模型，兩個通信方alice和bob既扮演發(fā)送方又扮演接收方，在控制方frank的幫助下，alice要為bob隱形傳輸一個未知的單比特量子態(tài)同時，bob愿意為alice遠(yuǎn)程制備一個已知的兩比特量子態(tài)y>＝x|00>+y|01>+z|10>+w|11>；其中，表示待傳輸?shù)奈粗膯伪忍亓孔討B(tài)，|·>表示右矢，f表示實(shí)系數(shù)，g表示復(fù)系數(shù)，并且滿足歸一化條件|f|2+|g|2＝1；y表示待傳輸?shù)囊阎膬杀忍亓孔討B(tài)，x表示實(shí)系數(shù)，y、z、w表示復(fù)系數(shù)，且滿足歸一化條件|x|2+|y|2+|z|2+|w|2＝1；

5、步驟s2：預(yù)共享量子糾纏態(tài)，給定通信方alice和bob，以及控制方frank之間共享七比特的最大糾纏態(tài)作為量子信道進(jìn)行信息傳輸；

6、步驟s3：bob引入兩個輔助粒子執(zhí)行cnot門操作進(jìn)行信道調(diào)制；

7、步驟s4：alice執(zhí)行聯(lián)合bell基測量；同時bob執(zhí)行四比特的投影測量；

8、步驟s5：控制方frank執(zhí)行單比特測量，得到測量結(jié)果；

9、步驟s6：根據(jù)測量結(jié)果，alice和bob分別對各自的量子比特執(zhí)行恢復(fù)酉變換操作，進(jìn)而重建正確的目標(biāo)量子態(tài)。

10、優(yōu)選地，所述步驟s2中共享的七比特最大糾纏態(tài)為：

11、

12、其中，θ表示量子信道，表示張量運(yùn)算，(·)12表示量子比特1、2所處的狀態(tài)，(·)34表示量子比特3、4所處的狀態(tài)，(·)56表示量子比特5、6所處的狀態(tài)，|·>7表示量子比特7所處的狀態(tài)。

13、優(yōu)選地，所述步驟s2中的七比特糾纏態(tài)|θ>的分配方法為：粒子(1，4，6)分配給通信方alice，粒子(2，3，5)分配給通信方bob，粒子7由控制者frank自己保存。

14、優(yōu)選地，所述步驟s3中bob引入兩個輔助粒子|0>3'和|0>5'執(zhí)行cnot門操作后的量子信道為：

15、

16、其中，(·)33'4表示量子比特3、3’、4所處的狀態(tài)，(·)55'6表示量子比特5、5’、6所處的狀態(tài)；粒子3和5作為控制比特，3’和5’作為相應(yīng)的目標(biāo)比特；

17、因此，整個量子系統(tǒng)表示為：

18、

19、根據(jù)權(quán)利要求4所述的非對稱的受控雙向混合量子通信方法，其特征在于優(yōu)選地，所述步驟s3中，cnot門操作采用密度算子的形式，表示為cnot＝|00><00|+|01><01|+|10><11|+|11><10|；其中，<·|表示左矢。

20、優(yōu)選地，所述步驟s4中的聯(lián)合bell測量基為{|φkl>,k,l∈{0,1}}，具體表示如下：

21、

22、優(yōu)選地，所述步驟s4中的四比特的投影測量采用的測量基為{|ωmnst>,m,n,s,t∈{0,1}}，其具體形式表示如下：

23、

24、其中，矩陣p和q均為酉矩陣，表達(dá)式分別為：

25、

26、其中，p1·p2＝x,p1·q2＝y(tǒng),p2·q1＝z,q1·q2＝w；p1表示實(shí)數(shù)，q1表示復(fù)數(shù)，q1*表示復(fù)數(shù)q1的共軛，p2表示實(shí)數(shù)，q2表示復(fù)數(shù)，q2*表示復(fù)數(shù)q2的共軛，并且它們還滿足條件|p1|2+|q1|2＝1,|p2|2+|q2|2＝1。

27、優(yōu)選地，所述步驟s5中的單比特測量基為{|r>,r∈{0,1}}。

28、優(yōu)選地，所述步驟s6中alice和bob分別對各自的量子比特執(zhí)行恢復(fù)酉操作，其表達(dá)式為rb＝(xkzl⊕r)2；其中，ra表示alice執(zhí)行的恢復(fù)酉變換操作，rb表示bob執(zhí)行的恢復(fù)酉變換操作，x和z是pauli矩陣，并且x0＝z0＝i，分別用密度算子形式進(jìn)行表示：i＝|0><0|+|1><1|,x＝|0><1|+|1><0|,z＝|0><0|-|1><1|。

29、本發(fā)明的有益效果：

30、1)本發(fā)明結(jié)合量子隱形傳態(tài)和遠(yuǎn)程態(tài)制備兩種通信模式，通過在兩個通信方和控制方之間共享最大糾纏態(tài)，在控制方的幫助下，兩個通信方可以同時為對方發(fā)送兩個不同比特數(shù)目的量子態(tài)，經(jīng)過一系列的量子測量以及酉變換操作，可以成功構(gòu)建正確的目標(biāo)量子態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的非對稱完美雙向混合傳輸。

31、2)本發(fā)明同時支持量子隱形傳態(tài)和遠(yuǎn)程態(tài)制備兩種通信模式，僅需七比特的量子糾纏態(tài)作為信息傳輸載體，即可實(shí)現(xiàn)量子信息的非對稱傳輸；無需大量的量子糾纏資源；無需復(fù)雜的量子操作，本發(fā)明操作相對簡單，只需要執(zhí)行bell基測量、單粒子測量、四粒子投影測量以及基本的pauli運(yùn)算即可完成通信任務(wù)，這些簡單的操作更利于物理實(shí)現(xiàn)。