基于部分纠缠信道的量子隐形传态网络中的量子路由算法及量子态传输方法研究

Quantum teleportation transfers quantum information based on entanglement, where entanglement generation and distribution, projective measurements, classical information transmission and unitary operations are necessary. Considering the challenges existing in entanglement generation and distribution, in this project we focus on some key problems regarding quantum teleportation networks with partially entangled states. The research areas include: (1) quantum routing protocols will be proposed pursuing high efficiency of quantum states transfer, low implementation complexity, and long network lifetime. At the same time, the quantum routing protocols will be simulated and optimized based on the OPNET simulation platform. (2) The quantum state transmission method with high success probability will be proposed for quantum teleportation network based on partially entangled states. Some key problems will be solved, such as quantum routing design, simulation of the quantum teleportation networks using the OPNET, designing the method of quantum states transmission with high success probability. All the results will be applied to practical quantum teleportation network.

量子隐形传态基于量子纠缠特性进行量子信息传输，其主要过程包括纠缠制备与分发、投影测量、经典信息传送以及酉变换等几个阶段。考虑到实际实现中纠缠态制备和分发时的困难，本项目研究基于部分纠缠态的量子隐形传态网络中的关键问题。主要内容包括：（1）提出能够兼顾高的量子态传输效率、低的实现复杂性和较长的网络生存时间的量子路由算法，并利用OPNET仿真平台对量子路由算法进行仿真评估及优化。（2）面向基于部分纠缠态的量子隐形传态网络，提出高成功率的量子态传输方法。拟突破量子隐形传态网络中的量子路由设计、基于OPNET的量子隐形传态网络仿真和高成功率的量子态传输方法等关键技术和相关理论，为实用化量子隐形传态网络奠定基础。

随着量子计算和量子通信的快速发展以及量子Internet构想的提出和逐渐付诸实践，基于量子隐形传态的量子通信网络的研究越来越受到人们的关注。本项目着力于研究基于量子隐形传态的量子通信网络中的量子路由算法和高效的量子态传输方法。所取得的研究成果如下：.（1）基于类Bell态提出了一种可靠的量子信息传输方法，适用于异质信道的量子通信网络。采用辅助量子比特和自动重传请求机制，理论上实现了近确定性的量子比特传输。.（2）提出了一种基于六粒子部分纠缠信道的层次化联合远程量子态制备方法。设计了量子逻辑线路，得到的六粒子部分纠缠态作为量子信道。构造了完备正交的投影测量基，发送方执行投影测量，接收方执行Pauli酉操作，实现了确定性的层次化远程量子态制备,量子态制备的成功概率与部分纠缠量子信道的参数无关。.（3）提出了基于GHZ态和量子隐形传态的多跳量子信息传输协议。不同于逐跳传输的方式，发送方和中间节点执行并行量子测量，并将测量结果独立地发送给接收方，为接收方构建了本地重建机制，接收方对本地粒子执行酉操作，即可恢复出目标量子态。该协议可以扩展至全双工的量子态传输以及多量子比特的传输。该方法明显降低了端到端的量子通信时延。.（4）充分考虑量子通信的特性，提出新的量子路由度量函数，即基于跳数-纠缠的链路度量函数。量子路由算法能够平衡量子网络中纠缠态的消耗和量子通信的阻塞概率。.上述研究成果揭示了基于纠缠的量子通信网络的信息传输能力，为建立量子Internet、进行量子网络通信和分布式量子计算提供了理论指导。