專利名稱：基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特指一種基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法。
背景技術(shù)：
量子通信是量子論和信息論相結(jié)合的產(chǎn)物，是通信和信息領(lǐng)域研究的前沿。其中，量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution, QKD)技術(shù)是現(xiàn)今發(fā)展比較成熟的量子通信技術(shù)。量子密鑰分發(fā)能夠在兩個遠距離通信方之間絕 對安全的共享密鑰，這個過程是由量子力學(xué)的不可克隆原理和測不準原理保證而不是經(jīng)典密鑰分配所依賴的計算復(fù)雜度，從而讓密鑰系統(tǒng)的安全性提高到了一個新的高度。目前有限節(jié)點(n< 10)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到實現(xiàn)部署。量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)在民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前所實現(xiàn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)大致可以分為三類基于無源光學(xué)器件的、基于可信中繼的和基于量子中繼器的?；跓o源光學(xué)器件的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)其節(jié)點可以利用光學(xué)開關(guān)、波分復(fù)用器件、同時采用時分復(fù)用技術(shù)、頻分復(fù)用技術(shù)等來實現(xiàn)。利用經(jīng)典光學(xué)器件(例如光分束器/合束器。光開光，光波分復(fù)用設(shè)備等)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處構(gòu)造的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)多用戶之間的量子密鑰分發(fā)；其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有環(huán)型、總線型、樹型、星型等。由信任節(jié)點構(gòu)成的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是利用多個“點到點”量子密鑰分發(fā)裝置為鏈路，在節(jié)點處利用信任的中繼方來進行“路由”而組成的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，每組密鑰在相鄰兩個節(jié)點之間進行獨立分發(fā)。信任中繼是在現(xiàn)實技術(shù)條件下對點對點量子密鑰分配的網(wǎng)絡(luò)擴展模式，其核心目標(biāo)是利用點到點量子密鑰分發(fā)技術(shù)來建立任意長距離的安全通信，這種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由信任方進行中繼量子密鑰，即信任節(jié)點功能是獨立地存儲、發(fā)送、以及管理生產(chǎn)的密鑰。目前利用糾纏光子對進行密鑰傳輸，在光纖中有效距離可達100km，在自由空間內(nèi)有效距離可達144km。光子吸收和去相干隨信道長度指數(shù)衰減，經(jīng)典通信中可以利用中繼器來放大和重生信號。量子的特殊物理特性，直接對量子信息進行操作是不行的，由此提出了量子中繼器的概念。利用糾纏光子對的糾纏交換等一系列操作來擴展量子密鑰的最大分發(fā)距離?；诹孔又欣^器的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建未來全球量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)也是必然發(fā)展趨勢。由于量子狀態(tài)的不可克隆和測不準原理，以上類型的量子網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)都是由點對點量子鏈路構(gòu)成的，也就是只能實現(xiàn)點對點之間的量子密鑰分發(fā)，無法實現(xiàn)類似經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中遠距離通信方之間，可以經(jīng)過多個中間節(jié)點的信息傳遞和分發(fā)功能。目前已經(jīng)實現(xiàn)的量子網(wǎng)絡(luò)中，量子節(jié)點內(nèi)部無存儲功能，量子信息無法在不同量子節(jié)點之間進行“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)-存儲…”操作，進而無法通過中間量子節(jié)點來完成遠距離通信方之間的量子密鑰分發(fā)功能。為了克服量子信息在量子信道傳輸過程中衰落，利用量子節(jié)點代替光學(xué)節(jié)點對量子信息進行變換能夠有效的提高傳輸距離，具有這種功能的量子節(jié)點通常稱之為量子中繼器(Quantum Repeater) 0量子節(jié)點間的鏈路傳輸利用糾纏光子源為信息載體進行密鑰分發(fā)。這些糾纏光子到達節(jié)點時不免夾雜部分噪聲，為了使得在這些鏈路之間傳輸?shù)募m纏光子具有非常好的糾纏性能，需要利用量子存儲器，量子非破壞測量技術(shù)，以及糾纏純化技術(shù)來提高糾纏光子對的純度。在經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中，為了能夠擴展量子狀態(tài)在鏈路中的傳輸距離，基于原子系綜和線性光的量子中繼器得到廣泛關(guān)注和研究。利用原子之間的糾纏來存儲光子之間的糾纏，原子系綜可以作為量子中繼器內(nèi)部所需的量子存儲器。有從業(yè)者提出了一種基于光腔體的原子-光子量子接口的實現(xiàn)，使用它來糾纏一個原子和一個光子。然后，把原子的量子狀態(tài)映射到第二個光子，也就是單個靜止原子作為量子存儲器，單個飛行的光子作為量子使者。理想的光量子存儲器1.能夠接收和重造光量子比特；2.能夠比其他經(jīng)典設(shè)備更好的存儲未知量子比特。目前量子存儲器的發(fā)展單光量子和物質(zhì)之間的信息交換。這種存儲器用于實際應(yīng)用的根本好處1.反對不可避免的損耗和有限的效率，可以采用預(yù)示機 制，通過測量狀態(tài)的方法，來指示一個光子的存儲是否成功；2.允許獨立的量子比特操作。最新研究表明這種量子存儲器的基本實現(xiàn)通過映射光的偏振狀態(tài)到一個原子或者從原子讀出，這個原子是受困在光腔中的。采用全量子過程層析成像來分析性能，平均保真度達93%，低消相干速率使得存儲時間可達180μ S。這使得該系統(tǒng)可用于量子門和量子中繼器。雖然目前該類型量子存儲器實現(xiàn)的各項指標(biāo)還不是很高，但是該量子存儲器的演示實現(xiàn)具有重大意義。如果量子通信網(wǎng)絡(luò)中的量子節(jié)點中包含該量子存儲器，那么量子信息就可以在量子節(jié)點之間“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)-存儲…”。這樣量子節(jié)點具有了存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能。那么基于該量子存儲器的量子通信網(wǎng)絡(luò)在一定條件下可以和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)進行類比。目前，部署的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)其節(jié)點都是有限的。不同用戶之間的量子密鑰分發(fā)如果是基于光學(xué)器件的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，用戶之間的鏈路切換采用的是光交換開關(guān)；如果是采用信任中繼的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，首先是點對點之間協(xié)商密鑰，產(chǎn)生的密鑰傳輸?shù)缴蠈?，由上層?jīng)典網(wǎng)絡(luò)來完成遠距離用戶之間的密鑰分發(fā)。這里就遇到一個問題，如果量子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模變得復(fù)雜和龐大時，不同用戶之間如何在眾多不同量子鏈路中，尋找一條最佳的路線就成了一個棘手的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種原理簡單、操作簡便、易實現(xiàn)、適用范圍廣、能夠增強量子網(wǎng)絡(luò)實用性和可擴展性的基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法，其流程為(I)組建基于單原子腔體的量子密鑰分發(fā)層，構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)；所述量子網(wǎng)絡(luò)中的量子節(jié)點由單原子腔體構(gòu)成；(2)建立經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層相結(jié)合的模型；所述經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層形成上、下層架構(gòu)，經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層之間通過上、下行鏈路連接；量子節(jié)點在經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中存在一一對應(yīng)的經(jīng)典節(jié)點，使用經(jīng)典節(jié)點標(biāo)識量子節(jié)點的存在；(3)量子密鑰分發(fā)層中的量子節(jié)點、量子鏈路性能通過上行鏈路映射到經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和經(jīng)典鏈路上，然后將經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)抽象成一個加權(quán)有向圖；(4)經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行最高分發(fā)效率路徑路由算法；由于節(jié)點性能和鏈路性能是相互獨立的，那么表示節(jié)點的權(quán)值和表示鏈路的權(quán)值可以做乘法，生成新的權(quán)值賦值給邊作為新的權(quán)值，在有向圖中找到一條效率最高的路徑；即，在經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中可以找到一條分發(fā)效率最聞的路徑；
(5)獲取的經(jīng)典路由信息通過下行鏈路傳輸?shù)搅孔用荑€分發(fā)層并協(xié)助對應(yīng)的量子節(jié)點；(6)量子節(jié)點之間按照得到的經(jīng)典信息在量子密鑰分發(fā)層建立合適的量子路徑；(7)量子路徑建立后，進行后續(xù)的量子密鑰分發(fā)操作。作為本發(fā)明的進一步改進在所述量子密鑰分發(fā)層中，量子節(jié)點具備存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能；在遠距離通信方之間鏈路上的中間量子節(jié)點采用“存儲一轉(zhuǎn)發(fā)”的模式，在需要通信雙方之間進行量子信息的傳輸。所述最高分發(fā)效率路徑路由算法的流程為(4. I)初始化；集合S保留已知的所有頂點權(quán)值，d[]已經(jīng)是最高分發(fā)效率路徑的值的頂點，集合Q包含其他所有頂點；開始時，集合Q包含所有頂點，集合S為空；量子節(jié)點和相鄰量子鏈路的值做乘積變成新的邊權(quán)，即最高分發(fā)效率w ;把源點s放入集合S中；(4. 2)將每個量子節(jié)點的頂點權(quán)值d[]賦值為從源點s到該節(jié)點的最高分發(fā)效率值w ;與源點s不相鄰，則該量子節(jié)點的頂點權(quán)值d[]為O ;開始時，與源點s相鄰的頂點權(quán)值有非零值，其他量子節(jié)點的頂點權(quán)值為O ;(4. 3)從所有集合S中頂點權(quán)值d[]中取權(quán)值最大的量子節(jié)點，把該量子節(jié)點放入集合S，并在集合Q中刪除該量子節(jié)點；以該量子節(jié)點為中間節(jié)點更新從源點s能夠到達集合Q中的頂點權(quán)值；如果新的權(quán)值比已經(jīng)存在的權(quán)值大，則用新的權(quán)值更新已經(jīng)存在的權(quán)值；(4. 4)判斷頂點集合Q是否為空；如果為是，則輸出從源節(jié)點到其他節(jié)點的最高分發(fā)效率值及路徑；如果為否，則重復(fù)執(zhí)行步驟(4.3)；(4. 5)算法結(jié)束。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法，原理簡單、操作簡便、易實現(xiàn)、適用范圍廣，解決了基于單原子腔體大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)問題及量子網(wǎng)絡(luò)中任意通信雙方尋找最高分發(fā)效率路徑的問題。即，能夠解決在大規(guī)?；趩卧忧惑w量子網(wǎng)絡(luò)中，不同量子節(jié)點通信方之間尋找最優(yōu)路徑的問題，因此能夠增強量子網(wǎng)絡(luò)實用性和可擴展性，可以滿足軍事、金融、政府安全等多領(lǐng)域中保密通Ih的需求。


圖I是本發(fā)明方法流程的示意圖。
圖2是本發(fā)明中經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層相結(jié)合的模型的示意圖。圖3是本實施例中量子節(jié)點和量子鏈路性能指標(biāo)抽象圖。圖4是本發(fā)明中最高分發(fā)效率路徑路由算法的流程示意圖。圖5是在具體應(yīng)用實例中量子網(wǎng)絡(luò)抽象后的有向加權(quán)圖模型示意圖。圖6是在具體應(yīng)用實例中節(jié)點A內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)表的示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進ー步詳細說明。本發(fā)明基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法，是根據(jù)量子節(jié)點和量子鏈路 的性能指標(biāo)信息，首先在經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中找到最佳路由的信息；然后，通過下行鏈路傳輸該經(jīng)典路由信息，并在該經(jīng)典路由信息的協(xié)助下，在量子密鑰分發(fā)層中找出一條分發(fā)效率最高的路徑。最后，在通信方之間建立該路徑，進而保證量子信息盡可能多的在通信方之間進行傳輸。如圖I所示，本發(fā)明基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法，其具體步驟為(I)組建基于單原子腔體的量子密鑰分發(fā)層，構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)；該量子網(wǎng)絡(luò)中的量子節(jié)點由單原子腔體構(gòu)成。最新研究表明，單原子腔體可以具備存儲轉(zhuǎn)發(fā)光子的功能。本發(fā)明的量子密鑰分發(fā)層中，量子節(jié)點具備存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能。在遠距離通信方之間鏈路上的中間量子節(jié)點，可以采用“存儲一轉(zhuǎn)發(fā)”的模式，在需要通信雙方之間進行量子信息的傳輸。(2)建立經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層相結(jié)合的模型。如圖2所示，經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層形成上、下層架構(gòu)，經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層之間通過上、下行鏈路連接；量子節(jié)點在經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中存在一一對應(yīng)的經(jīng)典節(jié)點，使用經(jīng)典節(jié)點標(biāo)識量子節(jié)點的存在。(3)參見圖3，為量子密鑰分發(fā)層中量子節(jié)點和量子鏈路性能指標(biāo)的抽象圖。量子密鑰分發(fā)層中的量子節(jié)點、量子鏈路性能通過上行鏈路映射到經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和經(jīng)典鏈路上，然后將經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)抽象成一個加權(quán)有向圖。(4)經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行最高分發(fā)效率路徑路由算法；由于節(jié)點性能和鏈路性能是相互獨立的，那么表示節(jié)點的權(quán)值和表示鏈路的權(quán)值可以做乘法，生成新的權(quán)值賦值給邊作為新的權(quán)值。由此可以將問題簡化，從而根據(jù)本發(fā)明所提出的算法可以在有向圖中找到一條效率最高的路徑。其實，也就是在經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中可以找到一條分發(fā)效率最高的路徑。(5)獲取的經(jīng)典路由信息通過下行鏈路傳輸?shù)搅孔用荑€分發(fā)層并協(xié)助對應(yīng)的量子節(jié)點；(6)量子節(jié)點之間按照得到的經(jīng)典信息在量子密鑰分發(fā)層建立合適的量子路徑；即，在通信雙方的量子節(jié)點之間建立一條分發(fā)效率最高的量子路徑，進而解決大規(guī)?；趩卧忧惑w量子網(wǎng)絡(luò)中，不同量子節(jié)點通信方之間尋找最優(yōu)路徑的問題。(7)量子路徑建立后，進行后續(xù)的量子密鑰分發(fā)操作。在本發(fā)明的最高分發(fā)效率路徑路由算法中，關(guān)鍵是量子節(jié)點和量子鏈路本身性能指標(biāo)的確定。本發(fā)明中量子節(jié)點的性能主要由量子生產(chǎn)效率、存儲效率、量子狀態(tài)保真度及存儲時間決定，而量子鏈路的性能主要由光子傳輸損耗決定。本發(fā)明只考慮在單因素條件下，最優(yōu)路徑的確定，即特定條件約束下的路由選擇算法。假設(shè)每個量子節(jié)點的量子存儲時間及量子狀態(tài)保真度都是確定的，不同的僅是量子生產(chǎn)效率和存儲效率。用偏振自由度來編碼量子比特，光子損耗降低量子協(xié)議的效率，但是不會降低它的保真度。鏈路對保真度的影響，在本發(fā)明的最高分發(fā)效率路徑路由算法中予以忽略，鏈路性能僅考慮傳輸損耗。本發(fā)明的最高分發(fā)效率路徑路由算法主要用于尋找量子網(wǎng)絡(luò)最高分發(fā)效率路徑。綜上所述在確定量子節(jié)點的存儲時間及量子節(jié)點量子狀態(tài)保真度條件下，影響傳輸效率的因素為1.量子生產(chǎn)效率；2.存儲效率；3.量子鏈路的損耗。假設(shè)量子信息傳輸過程中，光子是由專門的發(fā)生器來產(chǎn)生的，從尋找效率最高路徑的角度看，僅需考慮存儲效率和量子鏈路的損耗這兩個因素即可，而且存儲效率和量子鏈路損耗這兩個分量是相互獨立的。量子網(wǎng)絡(luò)的量子密鑰分發(fā)層中通信雙方之間尋找效率最高路徑的問題，可以抽象為圖論上邊加權(quán)有向圖尋找最佳路徑的問題。在具體實施例中，上述量子密鑰分發(fā)層與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合模型抽象出來的有向圖如圖3所示。按照特點約束情況，量子節(jié)點和量子鏈路都有ー個獨立性能指標(biāo)，由于量子節(jié)點 存儲效率Rstoage和量子鏈路傳輸效率Rfeansmit這兩個性能指標(biāo)相互獨立，可以對該雙性能指標(biāo)進行RstorageXRtransmit處理，得到的結(jié)果作為新的唯一考慮的指標(biāo)，進而將求多參數(shù)約束下最高效率路徑的問題轉(zhuǎn)化為單參數(shù)條件下的問題。如圖3所示，圖中邊上的數(shù)值都是由邊權(quán)W = f (Rstorage R transmitノ ^storage 父 ^transmit
這個函數(shù)得到。如圖4所示，為本發(fā)明最高分發(fā)效率路徑路由算法的流程示意圖，根據(jù)該算法流程圖，對該算法進行詳細的說明。步驟I :初始化；集合S保留已知的所有頂點權(quán)值，d[]已經(jīng)是最高分發(fā)效率路徑的值的頂點，集合Q包含其他所有頂點。開始時，集合Q包含所有頂點，集合S為空。量子節(jié)點和相鄰量子鏈路的值做乘積變成新的邊權(quán)，即最高分發(fā)效率w ;把源點s放入集合S中。步驟2 :將每個量子節(jié)點的頂點權(quán)值d[]賦值為從源點s到該節(jié)點的最高分發(fā)效率值w;與源點s不直接相鄰，則該量子節(jié)點的頂點權(quán)值d□為O。開始時，與源點s相鄰的頂點權(quán)值有非零值，其他量子節(jié)點的頂點權(quán)值為O。步驟3 :從所有集合S中頂點權(quán)值d[]中取權(quán)值最大的量子節(jié)點，把該量子節(jié)點放入集合S，并在集合Q中刪除該量子節(jié)點；以該量子節(jié)點為中間節(jié)點更新從源點s能夠到達集合Q中的頂點權(quán)值。如果新的權(quán)值比已經(jīng)存在的權(quán)值大，則用新的權(quán)值更新已經(jīng)存在的權(quán)值。步驟4 :判斷頂點集合Q是否為空；如果為是，則輸出從源節(jié)點到其他節(jié)點的最高分發(fā)效率值及路徑；如果為否，則重復(fù)執(zhí)行步驟3。步驟5:算法結(jié)束。上述算法是通過為每個頂點V保留目前為止所找到的從源點s到頂點V的最高分發(fā)效率路徑來工作的。初始時，若存在能直接到達的邊(s，m)，則把頂點權(quán)值d[m]設(shè)為節(jié)點s到m的分發(fā)效率值w(s，m)，同時把所有其他(頂點s不能直接到達的)頂點的權(quán)值設(shè)為0，即表示不知道任何通向這些頂點的路徑。當(dāng)算法結(jié)束時，頂點權(quán)值d[v]中存儲的便是從頂點s到頂點V的最高效率路徑權(quán)值，或者如果路徑不存在的話是O。上述算法中維護著兩個頂點集S和Q。集合S保留了已知的所有頂點權(quán)值d[]的值已經(jīng)是最高分發(fā)效率路徑的值頂點，而集合Q則保留其他所有頂點。集合S初始狀態(tài)為空，而后每一步都有一個頂點從集合Q移動到集合S。這個被選擇的頂點是集合Q中擁有最高分發(fā)效率的頂點權(quán)值d[u]的頂點。當(dāng)一個頂點u從集合Q中轉(zhuǎn)移到了集合S中，算法對每條外接邊(U，v)進行擴展。因為,所有邊權(quán)0 < w < I,如果權(quán)值w(u, V) > w(u, y),那么必定不會出現(xiàn)權(quán)值w (u, v) < w (u, y) Xw (y, v)也就是說，如果存在源點出發(fā)的A —B的當(dāng)前最高分發(fā)效率路徑，必然不會出現(xiàn)從A — C — B的分發(fā)效率比A — B更高。這一特點僅限于從源節(jié)點開始的相鄰節(jié)點的邊權(quán)。其他路徑不在此討論范圍內(nèi)。 以下將結(jié)合圖5和一個具體應(yīng)用實例，來描述從一個源點A到節(jié)點E方向上的最高分發(fā)效率路徑的算法詳細實現(xiàn)步驟。其中，圖中的邊權(quán)w = F(Rstoragf5XRtransmit)=RStorageXRtranSmit對于不同方向如A — B和B — A的邊權(quán)是不同的。步驟一、集合S集合選入節(jié)點A，此時集合S = {A}，以節(jié)點A為中間點，從節(jié)點A開始找，集合 Q = {B，C，D，E，F(xiàn)，G，H}，A —B = 0.81,A-F = 0. 855，A —其他集合 Q 中的頂點=0，發(fā)現(xiàn)A — F = 0. 855的權(quán)值最高。步驟二、選入節(jié)點F，此時集合S = {A，F(xiàn)}，此時最高效率路徑A — F = 0. 855，以節(jié)點F為中間點，從A — F = 0. 855這條最高效率路徑開始找，集合Q = {B，C，D，E，G，H}，A — F — G = 0. 53865，A — F — D = 0. 69255，A — F — B = 0. 761805，A — F —其他集合Q中的頂點=0，發(fā)現(xiàn)A — B = 0. 81的權(quán)值最高。步驟三、選入節(jié)點B，此時集合S= {A，F(xiàn)，B}，此時最高效率路徑A — F = 0. 855A —B = 0.81Q = {C，D，E，G，H}A — B — C = 0. 3969A — F — D = 0. 69255A — F — G = 0. 53865A — F —其他集合Q中的頂點=0，發(fā)現(xiàn)A — F — D = 0. 69255的權(quán)值最高。步驟四、選入節(jié)點D，此時集合S= {A，F(xiàn)，B，D}，此時最高效率路徑A — F = 0. 855A —B = 0.81A-F-D = 0.69255，以節(jié)點D為中間點，從A — F —D這條最高效率路徑開始找，集合 Q= {C，E，G，H}；A — F — D — E = O. 387828A — F — G = 0. 53865A — F — D — C = O. 436307A —到剩余其他頂點=0，發(fā)現(xiàn)A — F — D的權(quán)值為最高。步驟五、選入節(jié)點G，此時集合S= {A，F(xiàn)，B，D，G}，此時最高效率路徑A — F = 0. 855A —B = 0.81A — F — D = 0. 69255
A — F — G = 0. 53865集合Q= {C，E，H}，A — F — G — H = 0. 486131625，A — F — G —到其他節(jié)點權(quán)值=0，A — F — D — C = O. 436307，發(fā)現(xiàn) A — F — G — H 的權(quán)值最大。步驟六、選入節(jié)點H，此時集合S = {A，F(xiàn)，B，D，G，H}，此時最高效率路徑A — F = 0. 855A —B = 0.81A — F — D = 0. 69255 A — F — G = 0. 53865A — F — G — H = 0. 486131625 ;集合Q= {C, E}；A — F — G — H — E = O. 3937666625 ；A —F —G —H —D = 0. 2625110775 ;取A — F — D = O. 69255，A — F — D — C = O. 436307，A — F — G — H —到其他節(jié)點權(quán)值=0，發(fā)現(xiàn)A — F — D — C = O. 436307的權(quán)值最大。步驟七、選入節(jié)點C，此時集合S = {A，F(xiàn)，B，D，G，H，C}，此時最高效率路徑A — F = 0. 855A —B = 0.81A — F — D = 0. 69255A — F — G = 0. 53865A — F — G — H = 0. 486131625A — F — D — C = 0. 436307A —F —G —H —E = 0. 3937666625集合Q= {E}。步驟八、選入節(jié)點E，此時集合S = {0}，算法結(jié)束，節(jié)點A到所有其他點的最高效率路徑全部找到。當(dāng)上述結(jié)束時，對于每個節(jié)點，都可以得到從源節(jié)點沿著它的最高效率路徑的前一節(jié)點。對于每個前一節(jié)點，又得到它的前一節(jié)點，按照此方式就可以構(gòu)造從源節(jié)點到所有目的節(jié)點的完整路徑。通過為每個目的節(jié)點存放從節(jié)點A到它的最高效率路徑上的下一跳節(jié)點，可以構(gòu)造一個節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)表。如圖6所示，為上述實例中最高效率路徑和節(jié)點A中的轉(zhuǎn)發(fā)表。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法，其特征在于，流程為 (1)組建基于單原子腔體的量子密鑰分發(fā)層，構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)；所述量子網(wǎng)絡(luò)中的量子節(jié)點由單原子腔體構(gòu)成； (2)建立經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層相結(jié)合的模型；所述經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層形成上、下層架構(gòu)，經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層之間通過上、下行鏈路連接；量子節(jié)點在經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中存在一一對應(yīng)的經(jīng)典節(jié)點，使用經(jīng)典節(jié)點標(biāo)識量子節(jié)點的存在； (3)量子密鑰分發(fā)層中的量子節(jié)點、量子鏈路性能通過上行鏈路映射到經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和經(jīng)典鏈路上，然后將經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)抽象成一個加權(quán)有向圖； (4)經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行最高分發(fā)效率路徑路由算法；由于節(jié)點性能和鏈路性能是相互獨立的，那么表示節(jié)點的權(quán)值和表示鏈路的權(quán)值可以做乘法，生成新的權(quán)值賦值給邊作為新的權(quán)值，在有向圖中找到一條效率最高的路徑；即，在經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中可以找到一條分發(fā)效率最聞的路徑； (5)獲取的經(jīng)典路由信息通過下行鏈路傳輸?shù)搅孔用荑€分發(fā)層并協(xié)助對應(yīng)的量子節(jié)占. (6)量子節(jié)點之間按照得到的經(jīng)典信息在量子密鑰分發(fā)層建立合適的量子路徑； (7)量子路徑建立后，進行后續(xù)的量子密鑰分發(fā)操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法，其特征在于，在所述量子密鑰分發(fā)層中，量子節(jié)點具備存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能；在遠距離通信方之間鏈路上的中間量子節(jié)點采用“存儲一轉(zhuǎn)發(fā)”的模式，在需要通信雙方之間進行量子信息的傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法，其特征在于，所述最高分發(fā)效率路徑路由算法的流程為 (4. I)初始化；集合S保留已知的所有頂點權(quán)值，d[]已經(jīng)是最高分發(fā)效率路徑的值的頂點，集合Q包含其他所有頂點；開始時，集合Q包含所有頂點，集合S為空；量子節(jié)點和相鄰量子鏈路的值做乘積變成新的邊權(quán)，即最高分發(fā)效率w ;把源點s放入集合S中； (4. 2)將每個量子節(jié)點的頂點權(quán)值d[]賦值為從源點s到該節(jié)點的最高分發(fā)效率值w ；與源點s不相鄰，則該量子節(jié)點的頂點權(quán)值d□為O ;開始時，與源點s相鄰的頂點權(quán)值有非零值，其他量子節(jié)點的頂點權(quán)值為O ; (4.3)從所有集合S中頂點權(quán)值d[]中取權(quán)值最大的量子節(jié)點，把該量子節(jié)點放入集合S，并在集合Q中刪除該量子節(jié)點；以該量子節(jié)點為中間節(jié)點更新從源點s能夠到達集合Q中的頂點權(quán)值；如果新的權(quán)值比已經(jīng)存在的權(quán)值大，則用新的權(quán)值更新已經(jīng)存在的權(quán)值； (4. 4)判斷頂點集合Q是否為空；如果為是，則輸出從源節(jié)點到其他節(jié)點的最高分發(fā)效率值及路徑；如果為否，則重復(fù)執(zhí)行步驟(4. 3)； (4. 5)算法結(jié)束。
全文摘要
一種基于大規(guī)模單原子腔體量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法，其流程為(1)組建基于單原子腔體的量子密鑰分發(fā)層，構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)；(2)建立經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子密鑰分發(fā)層相結(jié)合的模型；(3)量子密鑰分發(fā)層中的量子節(jié)點、量子鏈路性能通過上行鏈路映射到經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和經(jīng)典鏈路上；(4)經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行最高分發(fā)效率路徑路由算法；(5)獲取的經(jīng)典路由信息傳輸?shù)搅孔用荑€分發(fā)層并協(xié)助對應(yīng)的量子節(jié)點；(6)量子節(jié)點之間按照得到的經(jīng)典信息在量子密鑰分發(fā)層建立合適的量子路徑；(7)量子路徑建立后，進行后續(xù)的量子密鑰分發(fā)操作。本發(fā)明具有原理簡單、操作簡便、易實現(xiàn)、適用范圍廣、能夠增強量子網(wǎng)絡(luò)實用性和可擴展性等優(yōu)點。
文檔編號H04L9/08GK102769527SQ20121028906
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者伍典策, 劉波, 吳純青, 彭偉, 胡曉峰, 虞萬榮, 趙寶康 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)