Synchronization and Multichannel Secure
Communication of Quantum Cellular Neural Network
Sen Wang, Li Cai, Nan Zhang, Chao Wen Feng, Xia Kuo Yang
The Science Institute, Air Force Engineering University, Xi’ an, Shaanxi, China (wangsen1979@gmail.com)
Abstract—The synchronization of hyperchaos in three-cell coupled quantum cellular neural network is studied; a
three-dimensional nonlinear controller is designed to make the controlled hyperchaotic system realize self synchronization and it’s
proved by means of Lyapunov function that this method can make the system approach to any desired smooth orbit at an exponent rate.
A multichannel secure communication system based on the hyperchaotic synchronization of the quantum cellular neural network is
presented; numerical simulations are given to illustrate the effectiveness of the secure communication. It is more secure and economic
due to the use of hyperchaos and multichannel communication.
Keywords—quantum cellular automata, quantum cellular neural network, self synchronization, secure communication
量子细胞神经网络超混沌系统同步
及多信道保密通信研究
王森 蔡理 张楠 冯朝文 杨晓阔
空军工程大学理学院,西安,陕西,中国
摘 要 研究了三细胞耦合量子细胞神经网络超混沌系统的同步问题,设计了一个三维非线性控制器,使得受控系统能实现自同
步,并利用 Lyapunov 方法从理论上证明了该系统同步误差按指数速度收敛,最后提出了一种基于量子细胞神经网络超混沌自同步的多
信道保密通信系统,数值仿真结果表明了该保密通信系统的有效性。由于采用了复杂的超混沌系统以及多信道保密通信,因此具有更
高的保密性能和较好的经济性。
关键词 量子细胞自动机,量子细胞神经网络,自同步,保密通信
1.引言
1
量子细胞自动机(Quantum Cellular Automata, QCA)
[1]
是一种基于纳米级的新型电子器件,具有超高集成密度和
超低功耗等特点。近年来有学者以 Schrödinger 方程为基础
利用蔡氏细胞神经网络(Cellular Neural Network, CNN)
[2]
的
结构用 QCA 构造了细胞局部耦合的网络,即所谓的量子
细胞神经网络(Quantum Cellular Neural Network, QCNN)
[3]
。
其具有超高集成密度、超低功耗,易于超大规模集成实现,
可对信号进行实时处理以及并行计算等特点,将是 CNN 纳
*
国家自然科学基金支持(资助号:61172043);陕西省自然科学
基础研究计划重点项目支持(资助号:2011JZ015);空军工程大
学理学院博士科研资助基金支持(资助号:2013BSKYQD10)
米级实现的一个重要的候选者。另外,由于 QCA 细胞间的
量子相互作用,使得 QCNN 具有复杂的动力学特性,文[4]
研究了三个 QCA 耦合而成的 QCNN,发现其具有丰富的混
沌动力学行为,可产生超混沌振荡。
近年来,混沌控制和同步是当前自然科学基础研究的
热门课题之一,它在通讯、信息科学、医学、生物、工程
等领域中都具有巨大的应用潜力和发展前途。特别地,由
于混沌对初始条件的高度敏感性、宽带频谱性、长期不可
预测性,其在保密通信中的应用研究得到了广泛的关注
[5-7]
。但进一步研究表明:只有一个正的 Lyapunov 指数的
低维混沌系统就其安全度来说不太令人满意,同利用伪随
机噪声的扩频通信系统相差不大。而含有多个正的
Lyapunov 指数的超混沌系统能够产生更为复杂的动力学行