复杂结构量子通信网络容量问题研究

Quantum communication network capacity refers to the maximum amount of information transmitted by a quantum communication network under limited resource conditions, which is the critical factor while designing and deploying a network. In this project, we study the network capacity of quantum communication networks with complex structure. First, we construct the network topology model based on the node and link characteristics and construct quantum network transmission model by analyzing the quantum information transmission process and quantum channel capacity. Then, based on topological model and transmission model, we define and solve the capacity of complex structure quantum communication network from the perspective of network information transmission. It is expected to obtain the tight upper and lower bounds of the capacity under different topology and different transport models. Finally, through the large-scale teleportation quantum communication network, the results of the obtained capacity are tested and simulated. This project describes the transmission process of quantum network through the abstract mathematical model. It is the first analysis of complex quantum communication network capacity. It is able to help reveal the operational mechanism of quantum communication network and main factors limiting the performance of that. This project is conducive to the development of quantum information technology engineering and provides theoretical basis for the large-scale application of quantum communication network in the future, which is of innovation and practicability.

量子通信网络容量是指在特定资源条件限制下量子通信网络所能达到的最大信息传输量，是设计和部署量子通信网络的重要基础指标。本项目对复杂结构量子通信网络的网络容量问题展开理论研究。首先基于量子节点特性和链路特性构建网络拓扑模型，通过对量子信息传输过程和量子信道容量分析构建量子网络传输模型；然后在拓扑模型和传输模型基础之上，从网络信息传输的角度出发，对复杂结构量子通信网络容量进行定义和求解，预期得到不同拓扑、不同传输模型下量子网络紧致的容量上下界；最后通过大规模隐形传态量子通信网络对所求得的容量结果进行应用检验和仿真验证。本项目通过抽象化的数学模型描述量子通信网络传输过程，是首次对复杂结构量子通信网络容量进行分析研究。研究工作揭示影响量子通信网络传输性能的主要因素，有利于推动量子信息技术工程化的发展，为未来量子通信网络的大规模应用实现提供理论依据，具有创新性和实用性。

量子通信网络容量是指在特定资源条件限制下量子通信网络所能达到的最大信息传输量，是设计和部署量子通信网络的重要基础指标。本项目首先研究了无线量子通信网络的拓扑模型，对其中的节点和链路分布进行了讨论，并且对不同分布情况下的网络性能进行了仿真验证。 其次，本项目研究了无线量子通信网络中的信息传输模型并提出了两种多跳情况下的信息传输方案，分别为逐跳隐形传态方案和改进的多跳隐形传态方案，本项目还对上述两种传输方案进行了对比和仿真分析，结果表明，两种协议都可以在多跳情况下有效传输量子信息，并且改进后的多跳隐形传态协议具有更高的保密性和更低的通信延迟。 然后，本项目对无线分布式量子通信网络的容量进行了定义和求解。针对分布式无线量子通信网络，本项目分别定义了吞吐容量和传输容量的概念，其中传输容量侧重于单个节点的传输能力，吞吐容量侧重于网络整体的数据传输能力，并推导了上述网络的传输容量和吞吐容量边界。此外，受经典无线蜂窝网络的启发，本项目提出了量子蜂窝网络的概念，并对单小区情况下的量子蜂窝网络容量进行了定义，对该容量进行了分析求解和仿真验证，得出了量子蜂窝网络小区终端数目与通信拥堵概率之间的关系。 最后，本项目设计并实现了一个针对无线量子通信网络容量的仿真系统。本系统采用模块化设计，具有高度的可扩展性。本项目还利用该仿真系统分析了不同的网络参数和通信协议对网络容量和通信能力的影响，并给出了一些特定条件下的无线量子组网指标优化的建议。 本项目的相关研究成果具有重要的理论和工程价值。具体来说，本项目针对无线量子通信网络的信息传输过程进行了详细刻画和建模，相应成果可以作为后续研究的理论基础；本项目对不同无线量子通信网络的容量所进行的定义和求解，可以作为未来部署量子通信网络的理论支撑；本项目设计的无线量子通信网络容量仿真系统可以为未来无线量子通信网络的设计提供高效的验证工具。