[發明專利]基于張量網絡態動態壓縮的量子秘密共享方法及系統

有效

• 申請號: 202011168665.5
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112367167B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 賴紅;張強;劉紫豪
• 申請（專利權）人: 西南大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 重慶敏創專利代理事務所(普通合伙) 50253
• 代理人: 陳千

本發明公開了一種基于張量網絡態動態壓縮的量子秘密共享方法及系統，方法包括以下步驟：S1：分發者將需要共享的量子態秘密信息按照矩陣乘積態的形式進行局域等距變換，并根據參與者的數量分解成對應的秘密份額；S2：分發者將分解后的秘密份額分發給對應的參與者；S3：各個參與者之間相互共享各自獲得的秘密份額；S4：獲得所有秘密份額的參與者從分發者處獲取局域等距變換的過程信息，并聯合解壓恢復出共享的量子態秘密信息。其效果是：所有經典和量子的參與者一起就可以用比他們接收到的數量指數更高的量子比特來解壓態，具備明顯的存儲優勢，提高了量子通信的效率和精度，大大減少了量子存儲器的大小。

技術領域

本發明涉及量子通信技術，更具體地說，涉及一種基于張量網絡態動態壓縮的量子秘密共享方法及系統。

背景技術

眾所周知，對于一個經典系統，能夠被提取的信息的數量必須與精確描述系統狀態所需的信息量相同。而對于一個量子系統，并非如此。完全描述量子比特的狀態需要的信息量是無限的，但是通過測量量子態所能提取的信息不超過1個bit。量子系統與經典系統的這種本質區別，為不需要經典模擬的新型數據壓縮提供了可能。在量子力學中，雖然系統集合中包含的所有信息不能被壓縮到單個量子副本中，但是能夠實現指數級的存儲。更糟糕的是，對于量子秘密共享和量子密鑰分發等基于量子力學的量子通信來說，對量子態的測量是昂貴的。因為量子態難以制備，并且在某種程度上，每次測量都會使量子態坍縮或受到干擾。因此，量子通信在實際應用中具有極大的挑戰性。

最近，許多研究人員對量子多體態展現出極大的興趣，并且取得了重大進展。然而，量子多體態的方法并沒有運用到量子態秘密共享上。需要注意的是，如果我們簡單地用量子比特數量很少的量子多體態來替代秘密共享態，那么相應的希爾伯特空間呈指數增長，使得秘密共享難以處理。因此，開發壓縮算法來減少系統的指數增長是重要且緊迫的。

幸運的是，張量網絡態(主要包括矩陣乘積態(MPS)，樹張量網絡(TTN)，投影糾纏對態(PEPS)和多尺度糾纏重整化試驗態(MERA))已經被提出來解決這個問題。張量網絡態被認為是描述量子多體系統最有希望的工具，具體可以參考文獻：

[1]Chabuda,K.,Dziarmaga,J.,Osborne,T.J.,Demkowicz-Dobrzaski,R.Tensor-network approach for quantum metrology in many-body quantumsystems.Nature Communications,11(1),1-12(2020).

[2]Ran,S.J.,Piga,A.,Peng,C.,Su,G.,Lewenstein,M.Few-body systemscapture many-body physics:Tensor network approach.Physical Review B,96(15),155120(2017).

張量網絡是通過張量收縮連接起來的，由導線連接的圖形(圓形、正方形、橢圓形、菱形或三角形)表示。張量網絡提供了相關量子特性的高度精確編碼，比如量子糾纏。一個量子多體系統的狀態可以用數學圖形表示。更重要的是，張量網絡具有明顯的計算優勢，該優勢來源于這樣一個事實：張量網絡能夠用一個更簡單的結構來近似一個復雜的量子態。從本質上講，張量網絡能夠看作是一種數據壓縮協議，只保留那些足以描述量子態行為的性質。壓縮操作能夠顯著降低計算復雜度的增長。這意味著一種有效管理資源的策略，以獲得盡可能高保真度的量子態。但是，現有的量子態秘密共享方案并沒有使用量子態壓縮。

發明內容

有鑒于此，本發明首先提供一種基于張量網絡態動態壓縮的量子秘密共享方法，充分利用壓縮張量網絡態的思想，壓縮張量網絡態這種技術手段在共享秘密的內存難以獲得或成本昂貴時特別有用，它能夠大大壓縮需要的數據，從而提高信息傳輸效率，通過設計關于張量網絡參數族態的量子壓縮算法，使其能夠在不同參與者之間產生高保真量子態共享，而且與距離無關。

為實現上述目的，本發明所采用的具體技術方案如下：