CN103684743B - 基于非最大纠缠信道和信号重排技术的多方控制量子隐写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非最大纠缠信道和信号重排技术的多方控制量子隐写协议,包括信息准备模块、信息隐藏模块、检测监听模块和信息解码恢复模块,利用非最大纠缠信道和信号位置重排建立安全信道,实现多方控制下的量子安全通信。本发明只需要用到单光子检测器,避免使用技术上难以实现的多粒子联合测量和纠缠交换。
Description
技术领域
本发明涉及一种量子安全通信协议,具体涉及一种基于非最大纠缠信道和信号重排技术的多方控制量子隐写协议。
背景技术
量子安全通信(QSDC)将经典通信与量子力学性质结合在一起,利用量子态奇异的性质,借助已有的技术,实施量子保密通信,其目标是利用微观粒子的量子属性实现信息保护的一种新型安全通信体制。由量子不可克隆定理和测不准原理保证其绝对安全性 。然而,作为量子密码的重要研究分支,QSDC与量子密码中量子密钥分配(QKD)有着明显的区别。QKD是指通信双方以量子态为信息载体, 利用量子力学原理在通信双方之间建立无条件安全的共享密钥。与QKD 不同的是, QSDC 可以实现秘密消息的直接传送而不需要首先建立密钥再对秘密消息进行加密。基于纠缠粒子系统的QSDC协议大多采用最大纠缠态。事实上,由于消相干及噪声, 基于现有的实验技术,往往很难得到最大纠缠态, 利用纠缠提纯也只能从部分纠缠的态中提取出近似的最大纠缠态。
现有技术中,如中国发明专利CN102801518A公开了一种基于GHZ态密集编码和纠缠交换的量子隐写协议,上述技术方案的超量子信道是通过将隐藏信道建立在原始量子安全直接通信协议上形成的,基于原始的QSDC,秘密消息的传送通过结合GHZ态密集编码和GHZ态纠缠交换来实现。然而,量子纠缠交换就现有的技术来说,实现推广起来很困难,因此,基于现有技术搭建的量子通信网络中,不可能所有的节点都能进行多粒子联合测量,如GHZ态联合测量。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种基于非最大纠缠信道和信号重排技术的多方控制量子安全通信方法,通过利用非最大纠缠信道和信号位置重排建立安全信道,实现多方控制下的量子安全通信,避免使用技术上难以实现的多粒子联合测量和纠缠交换。
为达到上述发明目的,本发明采用的技术方案是:一种基于非最大纠缠信道和信号重排技术的多方控制量子隐写协议,包括如下步骤:
(1)信息准备模块:Alice准备了大量(n)的,S A 和S B 分别表示粒子A和B的序列,相应地,S A =[A 1, A 2,… A n],S B =[B 1, B 2,… B n],同时Alice另外准备若干(k)个检测粒子S C =[C 1, C 2,… C k],每个粒子随机地处于和的基态之一, Alice记录序列里的每个粒子所处的状态,并将检测粒子随机地插入S B ,记下位置,形成一组新的粒子序列G B ={G 1, G 2,… G n+k};
(2)信息隐藏模块:Alice保留S A ,把G B 的粒子G B ={G 1, G 2,… G n+k}传送给第一个控制节点Charlie1,Charlie1收到G B ,把G B 中的粒子顺序重新排列,记住各个粒子位置重排次序P 1,得到粒子, 然后把G B 发送给Charlie2 ,Charlie2实施与Charlie1类似的操作,在Chalie1的基础上进一步打乱粒子顺序,重新排序得到,依次类推,直至到达最后一个控制方Charlieq把重排后的粒子序列,再发送给接收方Bob;
(3)检测监听模块;采用BB84协议检测监听,当各个控制方都同意本次安全通信时,将序列置换规则发送给Bob,此时Bob恢复出初始排序粒子G B ={G 1, G 2,… G n+k},提取其中的检测粒子序列S C =[C 1, C 2,… C k];
(4)信息解码恢复模块:(a)Alice利用Z基作为测量基,对S A 中的粒子执行Z基测量,当要发送的消息与测量结果一致的时候,则编码信息比特0,要发送的消息与测量结果不一致的时候,编码信息比特1,通过经典信道直接发送给Bob,Bob得到Alice传送的经典消息;(b)Bob利用Z基作为测量基,对S B =[B 1, B 2,… B n]中的粒子执行Z基测量;(c)Bob根据收到的Alice的信息以及测量结果,解码得到Alice传送的秘密信息。
上述技术方案中,在检测信息过程中,即使Eve可以从量子信道中截获粒子,并且对其进行测量,也不可能成功窃听。由于非正交态不可区分,Eve不能辨别每个粒子处于中的哪个态,因此要想通过窃听得到信息,一定会干扰量子态而被发现。例如,假设Alice产生的某个粒子处于态,当Eve选择两组基中的一个进行测量,然后把测量后的结果发送给Bob,如果Eve是选择了正确的基底,即,她能正确测得光子所处的状态而不引起干扰;但是如果Eve选择了错误的基底,即 量子态会随机地塌缩为或,即Eve的行动已经干扰了光子的状态。因此当Bob用基对粒子测量时,则有1/2的概率得到,1/2的概率得到。如果后者发生,则在其检测时就会找到出现错误。因此,Alice和Bob选择相同基底的那些有效粒子,Eve的如上窃听会以1/4的概率引入错误,必然会被发现。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
本发明的量子通信协议为利用非最大纠缠信道和避免使用多粒子联合测量进行安全通信提供了全新的途径。当存在多个控制方时,控制方能够利用粒子位置置换来监控安全通信。该协议考虑到了目前在技术上存在的障碍,比如信道退相干和量子态联合操作能力不够充分,其信息的隐藏仍然能利用充分量子纠缠的显著特征,避免实施了多比特操作,例如Bell态测量和GHZ态测量操作,有效地实现了多方控制量子安全通信,具有良好的安全性和实用性。
附图说明
图1是实施例一中本发明的量子隐写协议的流程图。
图2是实施例一中本发明的信息发送方Alice的工作流程图。
图3是实施例一中本发明的各个控制方的工作流程图。
图4是实施例一中本发明的信息接收方Bob的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例一:参见图1所示,一种基于非最大纠缠信道和信号重排技术的多方控制量子隐写协议,包括如下步骤:
(1)信息准备模块:Alice准备了大量(n)的,S A 和S B 分别表示粒子A和B的序列,相应地,S A =[A 1, A 2,… A n],S B =[B 1, B 2,… B n],同时Alice另外准备若干(k)个检测粒子S C =[C 1, C 2,… C k],每个粒子随机地处于和的基态之一, Alice记录序列里的每个粒子所处的状态,并将检测粒子随机地插入S B ,记下位置,形成一组新的粒子序列G B ={G 1, G 2,… G n+k};
(2)信息隐藏模块:Alice保留S A ,把G B 的粒子G B ={G 1, G 2,… G n+k}传送给第一个控制节点Charlie1,Charlie1收到G B ,把G B 中的粒子顺序重新排列,记住各个粒子位置重排次序P 1,得到粒子, 然后把G B 发送给Charlie2 ,Charlie2实施与Charlie1类似的操作,在Chalie1的基础上进一步打乱粒子顺序,重新排序得到,依次类推,直至到达最后一个控制方Charlieq把重排后的粒子序列,再发送给接收方Bob;
(3)检测监听模块;采用BB84协议检测监听,当各个控制方都同意本次安全通信时,将序列置换规则发送给Bob,此时Bob恢复出初始排序粒子G B ={G 1, G 2,… G n+k},提取其中的检测粒子序列S C =[C 1, C 2,… C k];
(4)信息解码恢复模块:(a)Alice利用Z基作为测量基,对S A 中的粒子执行Z基测量,当要发送的消息与测量结果一致的时候,则编码信息比特0,要发送的消息与测量结果不一致的时候,编码信息比特1,通过经典信道直接发送给Bob,Bob得到Alice传送的经典消息;(b)Bob利用Z基作为测量基,对S B =[B 1, B 2,… B n]中的粒子执行Z基测量;(c)Bob根据收到的Alice的信息以及测量结果,解码得到Alice传送的秘密信息。
参见图2所示,Alice制备出大量的非最大纠缠态,
从每个非最大纠缠Bell态{A i, B i}中取出粒子{A i,}组成S A 序列,保存在自己手中,取出{B i}组成S B 信息序列,在经过一系列控制转发,经过安全检测监听,最后Bob获取S B 信息序列,Alice对{A i,}粒子进行Z基测量,当测量结果与要传达的信息一致时,即测量结果为,要表达的信息为,此时通过经典信息告知给Bob的信息为0。反之,即当测量结果与要传达的信息一致时,即测量结果为,要表达的信息为,此时通过经典信息告知给Bob的信息为1。当Bob对{B i}中的粒子执行Z基测量,将测量信息和收到的Alice传来的信息,每位对应执行或操作,可提取获得Alice原始要表征的信息。
Alice可利用其余如下三种非最大纠缠态
来完成编码。当采用时,编码方案与一样。当采用或者,Bob首先需要对{B i}中的粒子进行Z基的结果和收到的Alice传来的信息执行或操作,执行或1运算,方可提取Alice原始要表征的信息。
参见图3所示,控制方在信息传送过程中,对接收到的粒子序列,进行信号位置重排,再转发给下个控制者或者接收方Bob,由Bob根据置换合成规则进行重排,恢复得到初始的序列。置换重排过程可以通过近似代数的置换群理论来分析。
令第一个控制者Charlie1从接收到的粒子序列G B ={G 1, G 2,… G n+k},对粒子进行位置重排置换。初始第i个位置的粒子移到第个位置,则置换位置后的粒子序列为, 一个置换可以表示为一个函数,表示为:
然后发给第二个控制者Charlie2,类似地,Charlie2对接收到的粒子进行位置重排,表示为:
按照先后的顺序进行合成,则得到置换
其中
类似地,当有个控制方参与位置重排时候,如果置换操作分别表示(i=1,2,…, )则合成置换为
由于每个置换都是一对一的,所以必然存在逆函数。通过交行2*n阵列的第一行和第二行,并重新排列使得第一行的整数以自然顺序1,2,…,n出现,便得到了行2*n阵列。如图4所示,当Bob收到每个控制方的置换阵列,则计算可以得到合成置换规则及其逆置换,对收到的粒子序列进行逆置换操作,就可以恢复出原始的粒子序列。
协议的安全包括窃听者Eve得不到Alice的秘密消息,以及Bob只有在所有控制方同意的情形下才能得到Alice的秘密消息。
该协议的安全性可以由量子不可克隆定理和传输光子的秘密顺序置换保证。类似于BB84协议,传输序列中检测光子随机地处于两组非正交测量基中的一个。根据Stinespring dilation定理,Eve的窃听等价于Eve在量子信号和辅助系统组成的一个大的Hilbert空间上执行幺正操作。假设Eve的辅助态为,则
Eve的幺正操作可以写为
由于是幺正操作,复数,,和必须满足,由此可得以及,那么Eve的窃听造成的错误率。
控制方随机地改变粒子序列,即改变了粒子态的变换。相当于各个控制方都重新置换制备了光子序列。只有在控制方的合作下,Bob对粒子序列重新排列,得到Alice初始的粒子序列。否则无论是Eve窃听控制方的粒子序列,或者并非所有控制方都参额与合作,那么Bob得到的都是新的光子序列。Eve的窃或者存在不合作的参与方,都将不可避免地产生错误率。
事实上,该协议的安全性等同于BB84协议的安全性。只是我们的协议利用粒子序列的重新秘密来排列来完成多方控制,利用Bob在各方协助下恢复的粒子序列中提取检测来自来进行安全侦测。假设Eve截获了粒子序列,并制备一个假的粒子序列发送给下个控制方或者Bob,那么因为Eve没有对粒子序列重排,只能得到错误的信息。而其将假的粒子序列发送,在窃听检测中,其窃听会被通信双方发现。
本方面的安全性可以进一步用BB84协议来证明。在检测信息过程中,即使Eve可以从量子信道中截获粒子,并且对其进行测量,也不可能成功窃听。由于非正交态不可区分,Eve不能辨别每个粒子处于中的哪个态,因此要想通过窃听得到信息,一定会干扰量子态而被发现。例如,假设Alice产生的某个粒子处于态。当Eve选择两组基中的一个进行测量,然后把测量后的结果发送给Bob。如果Eve是选择了正确的基底,即,她能正确测得光子所处的状态而不引起干扰。但是如果Eve选择了错误的基底,即 量子态会随机地塌缩为或。即Eve的行动已经干扰了光子的状态。当Bob用基对光子测量时,则有1/2的概率得到,1/2的概率得到。如果后者发生,则在其检测时就会找到出现错误。对Alice和Bob选择相同基底的那些有效粒子,Eve的如上窃听会以1/4的概率引入错误,必然会被发现。
实施例二:假设经过三个控制方Charlie1,Charlie2和Charlie3,Alice要传送给Bob的秘密信息为1101,首先Alice准备四组,其中每组各提取一个粒子一个形成序列S A ={A 1, A 2, A 3, A 4}和S B ={B 1, B 2, B 3, B 4},然后准备随机处于中四个检测粒子S C ={C 1, C 2, C 3, C 4},将S C 中的粒子随机插入到S B 中,组成新的信息粒子序列G B ={G 1, G 2, G 3, G 4, G 5, G 6, G 7, G 8}。接下来在信号重排隐藏模块中,Alice把G B 发送给Charlie1,Charlie1随机打乱粒子排序,置换规则为,接下来Charlie1把打乱排序后的粒子序列发送给Charlie2,Charlie2随机打乱粒子排序,其排序规则为,发送给Bob。如果各个控制方都同意Alice和Bob的本次通信行为,则把置换规则发送给Bob。
结合控制方Charlie1和Charlie2 的置换规则,计算得到最后的重排序列为:
其逆置换为
当Bob得到原始排序的粒子G B ={G 1, G 2, G 3, G 4, G 5, G 6, G 7, G 8},分为检测序列S C 和信息序列S B ,首先进行检测监听,如果发现安全,则Alice对S A 执行Z基测量,假设其测量得到的结果为{0110},那么通过经典信道传送的消息为1011,根据纠缠态性质,Bob对S B 实施Z基测量,必然测量得到的结果为{0110}。结合Alice编码后的信息,Bob进行解码操作,1011和0110进行异或操作,即可解码得到Alice要表达的真实信息1101。
综上可知,本发明的量子通信协议具有很好实用性,充分考虑到目前在技术上存在的障碍,比如信道退相干和量子态操作能力不够充分,当参与各方经过了充分的身份鉴定之后,在环境的干扰下,信道为噪声信道时候,其信息的隐藏仍然能利用充分量子纠缠的显著特征,避免实施了复杂的提纯获取最大纠缠信道的过程。本发明的协议只需要用到单光子检测器。这方面的研究已经较为深入, 光子的时延可以通过光纤中的时间延续来解决,以现有的技术,可实现多方控制下的量子隐写协议。
Claims (1)
1.一种基于非最大纠缠信道和信号重排技术的多方控制量子隐写方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)信息准备模块:Alice准备数量为n的|φ+>,SA和SB分别表示粒子A和B的序列,相应地,SA=[A1,A2,...An],SB=[B1,B2,...Bn],同时Alice另外准备k个检测粒子SC=[C1,C2,...Ck],每个粒子随机地处于{|0>,|1>}和{+>,|->}的基态之一,Alice记录序列里的每个粒子所处的状态,并将检测粒子随机地插入SB,记下位置,形成一组新的粒子序列GB={G1,G2,...Gn+k};
(2)信息隐藏模块:Alice保留SA,把GB的粒子GB={G1,G2,...Gn+k}传送给第一个控制节点Charlie1,Charlie1收到GB,把GB中的粒子顺序重新排列,记住各个粒子位置重排次序P1,得到粒子然后把GB发送给Charlie2,Charlie2实施与Charlie1类似的操作,在Chalie1的基础上进一步打乱粒子顺序,重新排序得到依次类推,直至到达最后一个控制方Charlieq把重排后的粒子序列再发送给接收方Bob;
(3)检测监听模块;采用BB84协议检测监听,当各个控制方都同意本次安全通信时,将序列置换规则发送给Bob,此时Bob恢复出初始排序粒子GB={G1,G2,...Gn+k},提取其中的检测粒子序列SC=[C1,C2,...Ck];
(4)信息解码恢复模块:(a)Alice利用Z基{|0>,|1>}作为测量基,对SA中的粒子执行Z基测量,当要发送的消息与测量结果一致的时候,则编码信息比特0,要发送的消息与测量结果不一致的时候,编码信息比特1,通过经典信道直接发送给Bob,Bob得到Alice传送的经典消息;(b)Bob利用Z基{|0>,|1>}作为测量基,对SB=[B1,B2,...Bn]中的粒子执行Z基测量;(c)Bob根据收到的Alice的信息以及测量结果,解码得到Alice传送的秘密信息。
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