專利名稱：一種適用于高壓架空電力線路的量子糾錯(cuò)編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)及光通信領(lǐng)域，具體涉及一種適用于高壓架空電力線路的量子糾錯(cuò)編碼方法。
背景技術(shù)：
不同于普通光纜線路，電力通信所用的光纜線路大多為架空光纜，主要是OPWG或都ADSS光纜。同時(shí)，在電力系統(tǒng)中還有獨(dú)特的性質(zhì)，通信線路通常是沿著電力線路架設(shè)，通信站大多基于變電站。在電力變電站的通信，由于環(huán)境與公網(wǎng)不同，其通信方式也應(yīng)有所變化。在近年來(lái)由于保密通信的發(fā)展前景，量子通信技術(shù)將是非?？春玫囊环N真正的保密通信方式，但是QKD技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)的最大缺陷是通信距離受限，還存在著高壓電磁環(huán)境的干擾，如何解決電力線路量子通信難題是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題之一。一種可行的解決方案是通過(guò)編碼技術(shù)延長(zhǎng)量子信號(hào)的長(zhǎng)距離衰減。同時(shí)解決變電站內(nèi)的電磁干擾問(wèn)題。量子編碼技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，但是還是尚未達(dá)到經(jīng)典編碼技術(shù)的應(yīng)用程度。本發(fā)明所要解決的就是將目前的量子編碼技術(shù)方案進(jìn)行研究，提出適合于電力系統(tǒng)的改進(jìn)方案，解決通信環(huán)境的依賴性難題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種適用于高壓架空電力線路的量子糾錯(cuò)編碼方法，易于實(shí)現(xiàn)，編碼效率高，適合于電力環(huán)境線路。本發(fā)明的編碼方案具有以下重要特征I)通信線路環(huán)境是沿電力架空線的光纜線路，通信的兩端站點(diǎn)均為電力變電站；2)通信線路距離較長(zhǎng)；3)電力架空線路為高電壓、高電場(chǎng)度強(qiáng)環(huán)境；4)通信協(xié)議采用量子密鑰分發(fā)技術(shù)；5)量子信道編碼采用量子糾錯(cuò)碼技術(shù)。在以上的電力架空環(huán)境下的光纖量子信道，由于環(huán)境的特殊復(fù)雜，光纖中量子信號(hào)所受噪聲模型與公網(wǎng)相比有明顯的不同，該環(huán)境噪聲對(duì)光纖特性影響體現(xiàn)在以下方面I)長(zhǎng)距離的光纖信道對(duì)量子信號(hào)的衰減作用；2)架空環(huán)境下的溫度、應(yīng)力應(yīng)變等對(duì)量子信號(hào)的作用；3)低頻率高電壓、高電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)量子信號(hào)的作用；在以上的環(huán)境作用影響下，量子信道所承載的量子比特信息，在傳輸中的體現(xiàn)是會(huì)發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)、相位翻轉(zhuǎn)等錯(cuò)誤。但由于其環(huán)境作用方式的特殊性，出錯(cuò)方式與公網(wǎng)環(huán)境有所不同。為解決該編碼所處環(huán)境的特殊性 ，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有量子編碼技術(shù)的系統(tǒng)分析，本發(fā)明采用穩(wěn)定子碼方案。可以一步從測(cè)量中同時(shí)得到比特與相位翻轉(zhuǎn)結(jié)果，譯碼效率高，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，在一定程度上解決了電力環(huán)境量子編碼的難題。
本發(fā)明通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提供的一種適用于高壓架空電力線路的量子糾錯(cuò)編碼方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法是在電力架空線路的通信光纜兩端的變電站內(nèi)分別設(shè)置量子設(shè)備，其中一端為發(fā)送端，另一端為接收端；所述發(fā)送端和所述接收端通信時(shí)采用[5，I]穩(wěn)定子量子糾錯(cuò)編碼技術(shù)。其中，所述[5，I]穩(wěn)定子量子糾錯(cuò)編碼技術(shù)是指用5位量子態(tài)編碼I位量子信息。其中，所述發(fā)送端包括依次連接的量子光源、編碼單元和加密終端I。其中，所述接收端包括依次連接的探測(cè)器、譯碼單元和加密終端II ；所述譯碼單元由量子伴隨式產(chǎn)生電路和糾錯(cuò)電路兩部分構(gòu)成；所述探測(cè)器接收發(fā)送端編碼單元發(fā)送的量子信號(hào)后，傳給譯碼單元進(jìn)行譯碼與糾錯(cuò)，再通過(guò)與加密終端獲取的經(jīng)典測(cè)量基信息篩選得到最終密鑰輸出。其中，發(fā)送端的編碼單元穩(wěn)定子編碼信息的步驟包括(I)編碼線路內(nèi)部通過(guò)量子比特循環(huán)轉(zhuǎn)換得到4個(gè)穩(wěn)定子生成元，即W1 = XZZXI,M2 = IXZZX, M3 = XIXZZ, M4 = ZXIXZ ；(2)將所述4個(gè)穩(wěn)定子生成元轉(zhuǎn)換成4X 10量子檢驗(yàn)矩陣H ；(3)利用所述4個(gè)穩(wěn)定子生成兀作用到任意量子態(tài)a | 0>+b | 1>,生成5位量子態(tài)編碼編碼，形成量子比特|1>。和量子比特|0>。；(4)編碼后量子態(tài)變成a I 0>c+b I 1>。，選擇比特翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換又= XXXXX，形成穩(wěn)定子碼，包括碼字1>L和0>L；(5)將所述碼字I 1\和I 發(fā)送給接收端。其中，步驟(3)所述利用所述4個(gè)穩(wěn)定子生成元作用到任意量子態(tài)a I 0>+b | 1>，生成5位量子態(tài)編碼編碼，形成量子比特|1>。和量子比特10>。是指設(shè)Xf為比特翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，SP編碼后的|1>。對(duì)態(tài)10>。的逐比特翻轉(zhuǎn)；編碼公式如下|0>c = (I+M4) (I+M3) (I+M2) (M1) | 00000〉；|l)c = 1(/ + M4)(/ + M3)(/ + M2)(/ + M1) |00000)。其中，步驟(2)所述4X 10量子檢驗(yàn)矩陣H的表達(dá)式為
003權(quán)利要求
1.一種適用于高壓架空電力線路的量子糾錯(cuò)編碼方法，其特征在于，所述方法是在電力架空線路兩端的變電站內(nèi)分別設(shè)置量子設(shè)備，其中一端為發(fā)送端，另一端為接收端；所述發(fā)送端和所述接收端通信時(shí)采用[5，I]穩(wěn)定子量子糾錯(cuò)編碼技術(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的量子糾錯(cuò)編碼方法，其特征在于，所述[5，I]穩(wěn)定子量子糾錯(cuò)編碼技術(shù)是指用5位量子態(tài)編碼I位量子信息。
3.如權(quán)利要求1所述的量子糾錯(cuò)編碼方法，其特征在于，所述發(fā)送端包括依次連接的量子光源、編碼單元和加密終端I。
4.如權(quán)利要求1所述的量子糾錯(cuò)編碼方法，其特征在于，所述接收端包括依次連接的探測(cè)器、譯碼單元和加密終端II ； 所述譯碼單元由量子伴隨式產(chǎn)生電路和糾錯(cuò)電路兩部分構(gòu)成； 所述探測(cè)器接收發(fā)送端編碼單元發(fā)送的量子信號(hào)后，傳給譯碼單元進(jìn)行譯碼與糾錯(cuò)，再通過(guò)與加密終端獲取的經(jīng)典測(cè)量基信息篩選得到最終密鑰輸出。
5.如權(quán)利要求1所述的量子糾錯(cuò)編碼方法，其特征在于，發(fā)送端的編碼單元穩(wěn)定子編碼信息的步驟包括 (1)編碼線路內(nèi)部通過(guò)量子比特循環(huán)轉(zhuǎn)換得到4個(gè)穩(wěn)定子生成元，即=M1= XZZXIjM2 =IXZZX, M3 = XIXZZ, M4 = ZXIXZ ； (2)將所述4個(gè)穩(wěn)定子生成元轉(zhuǎn)換成4X10量子檢驗(yàn)矩陣H ； (3)利用所述4個(gè)穩(wěn)定子生成元作用到任意量子態(tài)aI 0>+b 11>，生成5位量子態(tài)編碼編碼，形成量子比特11>。和量子比特|0>。； (4)編碼后量子態(tài)變成a|0>e+b|1>。，選擇比特翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換文= XXXXX，形成穩(wěn)定子碼，包括碼字1>L和0>L； (5)將所述碼字|1\和|0\發(fā)送給接收端。
6.如權(quán)利要求5所述的量子糾錯(cuò)編碼方法，其特征在于，步驟(3)所述利用所述4個(gè)穩(wěn)定子生成元作用到任意量子態(tài)a I 0>+b 11>，生成5位量子態(tài)編碼編碼，形成量子比特11>C和量子比特I 0>。是指設(shè)f為比特翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，即編碼后的|1>。對(duì)態(tài)I 0>。的逐比特翻轉(zhuǎn)；編碼公式如下0>c = (I+M4) (I+M3) (I+M2) (!+M1) | 00000〉；|1}C = X(I + M4)(7 + M3)(7 + M2)(7 + M1) 100000) 0
7.如權(quán)利要求5所述的量子糾錯(cuò)編碼方法，其特征在于，步驟(2)所述4X10量子檢驗(yàn)矩陣H的表達(dá)式為
8.如權(quán)利要求1或4所述的量子糾錯(cuò)編碼方法，其特征在于，所述接收端的譯碼單元接收到信息后，通過(guò)糾錯(cuò)電路進(jìn)行糾錯(cuò)編碼的步驟包括 I)對(duì)于比特翻轉(zhuǎn)X，確定量子檢驗(yàn)矩陣H的左邊對(duì)應(yīng)列的值，查看其與出錯(cuò)算子Ea對(duì)易性；2)根據(jù)所述量子檢驗(yàn)矩陣H測(cè)量各個(gè)穩(wěn)定子生成元Mi的本征值，得到X出錯(cuò)量子伴隨式； 3)對(duì)于相位翻轉(zhuǎn)Z，確定所述量子檢驗(yàn)矩陣H的右邊對(duì)應(yīng)列的值，測(cè)量四個(gè)穩(wěn)定子生元本征值，得到Z出錯(cuò)量子伴隨式； 4)對(duì)于Y 出錯(cuò)，將所述量子檢驗(yàn)矩陣H的左邊和右邊在該列相加，測(cè)量四個(gè)穩(wěn)定子生元本征值，得到Y(jié)出錯(cuò)量子伴隨式； 5)將得出的出錯(cuò)算子在檢驗(yàn)矩陣H下的四個(gè)穩(wěn)定子生成元本征值，再與出錯(cuò)態(tài)的量子伴隨式進(jìn)行比較，得到出錯(cuò)態(tài)的量子位以及該位發(fā)生的錯(cuò)誤類型。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于高壓架空電力線路的量子糾錯(cuò)編碼方法，是在電力架空線路兩端的變電站內(nèi)分別設(shè)置量子設(shè)備，其中一端為發(fā)送端，另一端為接收端；所述發(fā)送端和所述接收端通信時(shí)采用[5,1]穩(wěn)定子量子糾錯(cuò)編碼技術(shù)。本發(fā)明首次在電力系統(tǒng)中進(jìn)行了系統(tǒng)分析，選擇了適合電力架空光纜環(huán)境下的量子糾錯(cuò)編碼技術(shù)；解決了電力高壓環(huán)境所造成的量子噪聲中信號(hào)錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)難題；探索了一條適合變電站間長(zhǎng)距離量子信號(hào)編解碼方案。本發(fā)明的重要意義在于將量子通信技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)提供了一條便利通道。
文檔編號(hào)H04B10/70GK103067093SQ20121057645
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者盧利鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司