基于纠缠的选择自动重传量子同步通信协议

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1、周南润曾宾阳王立军龚黎华(南昌大学电子信息工程系，南昌330031)(2009年4月29日收到;2009年8月15日收到修改稿)分析经典选择重传自动请求重传(automaticrepeat-request，ARQ)协议之后，利用量子力学中纠缠态的非定域关联性，提出了数据链路层的选择重传ARQ量子同步通信协议.该协议把链路分为准备阶段和发送阶段.在线路准备阶段完成EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)关联对的分发，建立量子信道;在发送阶段完成数据帧和量子确认帧的传送.从吞吐量和信道利用率等方面比较分析了几种常见的数据链路层通信协议的性能.研究表明，该协议可以有效地提高数据链

2、路层的最大吞吐量和信道利用率，改善选择重传ARQ协议的性能，在受时间瓶颈限制的通信中有着重要的应用价值.关键词:量子通信，量子纠缠，选择自动重传协议，同步通信PACC:0367，0365，4250IPI)技术来延长量子安全直接通信的距离，并证明所需的资源为距离的多项式函数.文献［14—17］对量子加密算法进行了研究，能对经典数据和量子比特进行有效保护.2001年，Gisin等［18］提出了一种在经典情况下被证明是无法解决的Byzantine问题的量子解决方案.量子时钟同步可以按指数提高精度，能有效减少同步所需的传输次数［19，20］.2003年，Long等［21］利用共享纠缠量子比特提出了同

3、时进行时间和空间方向同步的量子方案.2006年，文1.引言量子通信是利用量子态编码和携带信息，进行信息加工、处理、传输和提取的通信方式.量子通信在理论和实验上都取得重大进展［1—13］.2004年，BBN公司、Harvard大学和Boston大学合作实现了世界上第一个量子通信网络［8］，保证了传输过程中数据的绝对安全性.2008年，欧盟赞助的SECOQC计划把数个量子密钥分发(quantumkeydistribution，QKD)连接器件集成在一起，将几个分布在奥地利的西门子子公司连接成一个量子网络，以实现安全的长距离量子密钥分发［9］.王金东等采用偏振短脉冲相干光源和双FM差分密钥分配方案

4、，实现了稳定的低噪声自由空间量子密钥分发实验，为空间量子保密通信提供了一个有价值的实施方案［10］.曾和平等［11］利用光子计数分析光纤中的偏振变化情况并通过反馈控制的方式进行补偿，实现了基于BB84协议的偏振编码长时间稳定的长距离(100km)量子密钥分发实验.文献［12］提出了一个随机多通道方案，有效解决了部分可信中继网络中量子密钥分发的致命性安全问题.2009年，Long等［13］提出利用献［22］利用量子力学中Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)关联对的非定域关联性以及量子远程通信，设计了一个量子同步通信协议，它的信道包括不可靠信道和通过在不可靠信道上传输EPR粒

5、子而建立的可靠的、“无形”的EPR量子纠缠信道，有效地解决了两军问题.文献［23］提出了一种基于纠缠的数据链路层量子通信协议，改善了停止等待协议的性能，在时间起关键作用的通信过程中该协议能发挥明显优势.停止等待协议中信道的利用率不高，而且当传播时延很大时，停止等待协议不实用.选择重传自动请求重传(automaticrepeat-request，ARQ)通信协议可以适当地克服这些缺点，但需要在接收方设置具有相当容量的缓存空间，增加了成本.随着存储单元的大幅下降和硬盘容量的巨幅扩(inspectionandpowerinsertion，校验与功率插入T=Mt+MtΣp.i(3)议的量子改进方法的

6、研究，本文利用量子力学中纠缠态的非定域关联性和量子信息传输的瞬时性，提出一种基于数据链路层的选择重传ARQ量子同步通信协议，并对该协议性能进行分析.i=1不难得出，在选择重传ARQ通信协议的情况下，正确传送一个数据帧所需的平均时间为tf(1－β1)=T(4)t=.avM1－p在发送方处于饱和状态下，最大吞吐量和用时间tf进行归一化的吞吐量ρ1分别为2.选择重传ARQ通信协议1－p1－p选择重传ARQ通信协议是建立在连续ARQ通信协议的基础之上.在连续ARQ通信协议中，当发送方发送完一个数据帧后，不是停止发送并等待确认帧，而是连续发送若干个数据帧.如果发送方在此过程中又收到了接收方发来的确认帧

7、，那么还可以接着发送数据帧.这样减少了等待时间，提高了信道传输效率，但当传输过程中有数据帧出错时，出错帧之后传送的数据帧要全部重传.而选择重传ARQ通信协议只重传出错帧和超时的数据帧，避免重传那些本来就已经正确到达接收方的数据帧，减少重传的帧数，缩短了传输时间，提高了信道利用率.对于数据链路层的选择重传ARQ通信协议，假设待传送的数据帧串包含了M个数据帧，每个数据帧在传输过程中出错及丢失的概率均为p.设每个数