一种基于投影几何调控的拓扑编码量子隐形传态方法及其系统与流程

本发明涉及量子信息传输技术和拓扑光子学，具体涉及一种基于投影几何调控的拓扑编码量子隐形传态方法及其系统。本发明可应用于量子通信网络、量子中继节点、量子互联网、分布式量子计算、高维量子态传输等领域，尤其适用于将量子态编码为拓扑不变量以实现抗退相干、高保真度量子隐形传态的应用场景。

背景技术：

1、量子隐形传态是量子信息科学的核心协议之一，通过共享量子纠缠和经典通信，将量子态从一个节点传输到另一个节点，而无需传输物理载体本身。近年来，量子隐形传态已从单量子比特扩展到多粒子纠缠态，芯片间量子隐形传态已在12.3公里光纤上得到实验验证。然而，现有量子隐形传态方案在面临环境扰动、退相干和传输损耗时，保真度显著下降。

2、（一）现有量子隐形传态方案缺乏统一的拓扑保护机制

3、现有量子隐形传态方案主要依赖纠缠分发和贝尔态测量实现量子态传输，量子态本身以原始形式编码在光子或粒子的自由度中（如偏振、时间片、路径等）。这种编码方式对环境扰动敏感，传输过程中量子态容易退相干。虽然已有基于马约拉纳零能模的拓扑保护量子隐形传态协议，以及将量子态加载到拓扑不变量中的片上方案，但现有方案尚未将拓扑编码与投影几何调控进行系统整合。

4、（二）量子态编码方式固定，缺乏动态调控

5、现有量子隐形传态方案中，量子态的编码方式在传输前确定，传输过程中无法动态调整。当信道条件变化或噪声特性改变时，编码参数无法自适应优化，导致传输保真度下降。缺乏基于量子几何参量的实时编码调控手段。

6、（三）拓扑信息编码路径尚未工程化

7、2025年有学者提出了宏观量子隐形传态的三条替代路径，其中“拓扑信息编码”（topological information encoding）被明确列为可行路径之一。该路径的核心思想是将量子态编码到拓扑不变量中，利用拓扑保护对抗退相干。然而，拓扑信息编码的工程化实现方案——如何将任意量子态编码为拓扑不变量、如何在传输中维持拓扑编码的稳定性、如何在接收端从拓扑不变量中解码出原始量子态——尚未形成完整的技术方案。

8、（四）缺乏从拓扑编码到拓扑解码的全链路架构

9、现有拓扑光子学研究已证明光子拓扑结构可以与量子隐形传态兼容，但缺乏将量子态编码为拓扑不变量、在拓扑保护下传输、在接收端解码的完整全链路方法。

10、针对上述问题，本发明提供了一种基于投影几何调控的拓扑编码量子隐形传态方法及其系统。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明旨在解决现有量子隐形传态方案中缺乏统一的拓扑保护机制、量子态编码方式固定无法动态调控、拓扑信息编码路径尚未工程化、缺乏全链路拓扑编码架构等技术问题，提供一种基于投影几何调控的拓扑编码量子隐形传态方法及其系统，通过投影几何调控将量子态编码为拓扑不变量，在拓扑保护下完成量子隐形传态的全链路传输。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种基于投影几何调控的拓扑编码量子隐形传态方法，其特征在于，包括以下步骤：

5、步骤1：确定目标量子态的拓扑编码方案

6、根据待传输量子态的维度d和保真度要求，确定拓扑编码的目标拓扑不变量类型。所述拓扑不变量包括拓扑陈数c、拓扑荷数l（轨道角动量）、缠绕数w（berry相位）中的至少一种。

7、步骤2：通过投影几何调控将量子态编码为拓扑不变量

8、通过投影几何调控模块调控拓扑光子晶体器件的投影角θ，将待传输量子态|ψ>编码为拓扑不变量t(θ)：

9、|ψ> → |t(θ)> = (θ) · |ψ>

10、其中(θ)为投影映射算子，由投影角θ决定；|t(θ)>为编码后的拓扑态，其拓扑不变量t(θ)与投影角θ满足：

11、t(θ) = t_max · sin(θ - θ0)

12、其中t_max为最大拓扑不变量，θ0为理论最优投影角。

13、所述投影角θ定义为：

14、θ = arctan(β_s / β_r)，β_r² + β_s² = 1

15、步骤3：拓扑编码态的纠缠分发与拓扑保护传输

16、将编码后的拓扑态|t(θ)>与共享纠缠对进行贝尔态测量，测量结果通过经典信道传输至接收端。在传输过程中，拓扑态受拓扑陈数c保护，对局域扰动和退相干具有免疫性。

17、步骤4：拓扑态接收与投影角同步

18、接收端通过投影几何调控模块将接收端拓扑光子晶体器件的投影角同步调制至θ’ = θ，确保接收端的拓扑结构与发送端匹配：

19、θ’ = θ，c’ = c

20、步骤5：通过投影几何调控从拓扑不变量解码量子态

21、接收端通过逆投影映射⁻¹(θ’)将拓扑态|t(θ’)>解码为原始量子态：

22、|t(θ’)> → |ψ> = ⁻¹(θ’) · |t(θ’)>

23、步骤6：保真度验证

24、通过量子态层析或贝尔态测量验证解码后量子态的保真度f。当f ≥ 1-ε时，确认拓扑编码量子隐形传态成功。

25、核心数学框架：

26、投影角定义：

27、所述投影角θ定义为：

28、θ = arctan(β_s / β_r)，β_r² + β_s² = 1

29、拓扑不变量与投影角的关系：

30、所述拓扑不变量t(θ)通过投影角θ调控：

31、t(θ) = t_max · sin(θ - θ0)

32、其中t_max为最大拓扑不变量，θ0为理论最优投影角。拓扑不变量包括拓扑陈数c、拓扑荷数l（轨道角动量）、缠绕数w（berry相位）中的至少一种。

33、投影映射算子：

34、所述投影映射算子(θ)将量子态|ψ>投影到拓扑态空间：

35、(θ) = exp(i · t(θ) · φ) · |t(θ)>

36、其中φ为拓扑相位，|t(θ)>为拓扑基态。

37、投影角变化率：

38、在拓扑编码量子隐形传态过程中，投影几何调控模块持续监测投影角的动态变化率：

39、

40、当超出预设阈值时，表明系统受到外部扰动，自动触发补偿调整。

41、拓扑稳定性判据：

42、本发明采用以下拓扑稳定性判据判断拓扑编码态是否处于稳定拓扑态：

43、γ² ≥ |1−k||∂c/∂θ|||·h/2

44、其中γ为拓扑损耗率，为投影角变化率，c为拓扑陈数，k为恢复系数，h为普朗克常数。

45、当所述判据满足时，拓扑编码态处于稳定拓扑态，量子隐形传态保真度有保障；当所述判据不满足时，触发反馈调整。

46、拓扑编码保真度：

47、所述拓扑编码量子隐形传态的保真度f由以下公式确定：

48、f = f_encode · f_channel · f_decode · (1 - ε_topological)

49、其中f_encode为拓扑编码保真度，f_channel为拓扑保护传输保真度，f_decode为拓扑解码保真度，ε_topological为拓扑退相干误差。

50、拓扑非平凡条件：

51、所述拓扑编码态处于拓扑非平凡相的条件为：

52、|θ - θ0| < σ_θ，c ≠ 0

53、其中σ_θ为拓扑保护带宽。

54、（三）有益效果

55、拓扑编码保护：将量子态编码为拓扑不变量，利用拓扑保护机制对抗退相干和环境扰动，传输保真度显著提升；

56、动态编码调控：通过投影几何调控实时调整拓扑编码参数，适应变化的信道条件和噪声环境；

57、全链路拓扑架构：从拓扑编码到拓扑保护传输到拓扑解码的完整全链路方法，支持高维量子态的拓扑隐形传态；

58、与q00140协同：利用q00140的轨道角动量量子态操控能力，支持oam拓扑编码的量子隐形传态；

59、拓扑稳定性判据：首次建立了拓扑编码态在量子隐形传态过程中的稳定性定量判据，实时保障传输可靠性；

60、工程化可行：基于拓扑光子晶体器件和投影几何调控模块，可在现有硅光子平台上实现。