量子网络编码理论及其应用研究

Quantum network coding is one of scientific frontiers in the quamtum communication. It is significant in both theoretical value and application prospect. In this project, we will investigate the basic theory of quantum network coding and its potential applications. The investigation includes four main aspects.Firstly, we study several key subjects of quantum communications, including quantum cloning, quantum teleportation, remote state preparation and quantum coding theory. The above researches provide theoretical foundations for quantum network coding. Secondly,novel quantum network coding protocols with compatibility, scalability and randomness will be investigated. Two crucial problems, i.e., "K-pair problem" and "quantum multicast problem", will be solved by this project. Thirdly, using the theory of quantum network coding, we will give the efficient way to establish quantum entangled channel, and design the optimal quantum network communication protocols. Finally, based on the quantum network coding, several protocols of network secure communication will be proposed. Moreover, a general model for network communications will be introduced. The cryptanalysis will be investigated.The emphasis is to study the multi-collusion attacks with various combinations in the quantum network secure communication. In order to prevent the attacks, we will give the efficient solutions by means of the quantum network coding. This project focuses on the key problems in quantum network coding. It will produce new ideas for designing quantum network protocols, and contribute to the vast development of quantum network communications.

量子网络编码是量子通信中一个崭新的发展方向，具有很高的理论价值与应用前景。本项目将对量子网络编码理论及其应用进行深入研究。首先，针对量子信息与经典信息的差异性，研究量子克隆、量子隐形传态、量子远程制备和量子编码等内容，为研究量子网络编码协议奠定关键性理论基础。其次，设计满足兼容性、扩展性、随机性等性能指标的新型量子网络编码协议，着重解决两个关键问题，即"K-对问题"与"量子多播问题"。然后，利用量子网络编码理论，给出网络通信中量子纠缠信道的高效建立方案；研究量子网络通信协议的优化。最后，应用量子网络编码理论，研究量子网络安全通信协议的设计，归纳出一种通用设计模型；研究量子通信安全性分析方法，重点研究多用户之间不同组合方式的内部合谋攻击；针对量子网络通信中的安全性隐患，给出有效解决方案。本项目将解决目前量子网络编码研究中的关键理论，能为量子网络通信的蓬勃发展提供全新思路与可借鉴的研究成果。

网络编码是当前网络通信的热门研究方向之一。本项目主要针对量子网络编码理论及其应用展开研究。主要包括：量子网络编码基础理论与协议设计、量子网络编码理论在优化量子多方通信协议中的应用和量子网络编码在网络安全通信协议中的应用。. 首先，研究了量子网络编码基础理论与协议设计。（1）研究了无环网络中的多单播问题(k-对问题)，提出新型的量子多单播网络传输协议。（2）以广义蝶形网络为模型，构造了一类独立于经典解的量子网络编码协议。（3）以若干具有瓶颈信道的抽象网络为模型，设计了基于测量的量子网络编码协议。（4）利用蝶型网络，设计了量子合作多播的网络编码协议。. 其次，研究了量子网络编码理论在优化量子多方通信协议中的应用。（1）设计了高效的量子网络多方通信协议，如超纠缠浓缩协议，量子联合远程制备协议，非对称的量子信息拆分协议等。（2）利用量子网络编码理论提出了两个量子直接通信协议和容错确定安全量子通信方案。（3）研究了多种新型量子秘密共享方案。（4）设计了具有普适性、低耗、高效的量子私密比较协议。. 最后，研究了量子网络编码在网络安全通信协议中的应用。（1）设计了量子no-go定理限制之外的高保真量子网络广播协议。（2）设计了满足多种网络传输任务及安全需要的量子秘密传输协议。（3）基于多量子比特GHZ态研究了多用户量子无线网络通信。（4）研究了量子网络安全通信中量子态的秘密传输问题。（5）研究了量子网络安全通信中多方量子密钥管理问题。. 总之，本项目主要针对量子网络编码及其应用和量子网络通信中的协议及其安全性分析方法，解决了一些重要的关键理论问题，给出了一些有效的解决方案，为量子网络通信的发展提供了一些可借鉴的理论研究思路。