基于DSL的量子通信协议设计与研究

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随着近年来量子通信技术的高速发展,大量基于量子特性的通信协议被设计提出。受到实验条件和设备限制,绝大多数量子领域研究人员需要借助经典计算机对相关协议进行模拟仿真,这就需要研究人员与开发团队进行沟通,但有时因需求不明确或专业性太强,导致沟通存在较大问题,降低了开发人员和研究人员的工作效率。为解决上述问题,本文基于Eclipse开发环境下的Xtext插件,应用Ecore模型驱动的开发方式,设计实现了描述量子通信协议的领域特定语言QDSL(Quantum Domain Specific Language)。QDSL依据量子通信协议的原理设计开发,为量子通信协议的模拟仿真提供了一种更高效的选择。本文设计并实现了描述量子通信协议的领域专用语言(QDSL),该语言主要功能用于量子通信协议的仿真。1)根据量子通信协议的执行流程,通过Java语言实现BB84协议、B92协议等量子通信协议的模拟仿真,并将仿真过程中的Java实现类封装供QDSL调用,以减少语言规模和语法复杂性。2)对量子通信协议的原理进行领域特征分析,通过领域特征提取出领域Ecore元模型,并使用EMF(Eclipse Modeling Framework)建模框架对量子通信领域元模型进行构建。根据搭建的EMF框架,自主设计QDSL的EBNF语法规则范式,并通过Xtext语言开发插件完成QDSL的语法实现。3)设计实现与QDSL语法规则相匹配的代码生成器和语法检查器。语法检查器主要完成源码的语法检查和类型匹配功能,对规定的语法规则项进行检查,以避免开发过程中可能遇见的语法错误,提高开发效率。代码生成器可将QDSL代码映射为Java目标代码,实现领域专用语言到通用汇编语言的转换。通过对比实验,在基础性(包含抽象性、功能性、简洁性)和协议仿真的准确性两个指标上,对设计的QDSL与Java、C++、Python之间进行对比评估。实验结果表明,相较于常用编程语言,QDSL更加的易学易用,开发效率更高,所需的代码量更少,且仿真结果与理论结果基本相同,验证了QDSL模拟仿真的准确性。说明QDSL是一种高效率的量子通信协议仿真解决方案,具有一定的工程应用价值和研究意义。
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