CN106850197A - 一种对称并行控制双向量子安全直接通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称并行控制量子安全直接通信方法，利用多粒子GHZ态张量积作为量子通道，中心服务器负责分发构建量子信道的粒子，且利用窃听检测来保证粒子的安全发送，对话双方及控制方使用两个多粒子GHZ态张量积作为量子通道，只有在所有控制方的同意下，合法通信的对话双方才能够安全交换彼此的秘密信息。本发明采用并行控制的对话方法，所有持有GHZ态粒子中的一方都可能作为对话参与方或者控制方，因此参与各方地位完全对称等价，而一旦对话方确定下来，其它参与方作为控制方即可并行独立地完成控制操作和控制信息传送，控制并行操作可以保证时间最少。

Description

一种对称并行控制双向量子安全直接通信方法

技术领域

本发明涉及量子安全通信领域，具体涉及一种对称并行控制的量子安全直接通信方法。

背景技术

量子安全直接通信(quantum secure direct communication,QSDC)允许发送者以确定并安全的方式直接发送秘密消息给接收者，而不需要事先(或同步)建立一个密钥进行加密。最初的QSDC协议完成的都是单向通信,以至于两个用户不能同时交换秘密信息。2004年Zhang等和Nguyen提出量子对话即BQSDC这一概念来克服这一问题，在这种协议里合法通信双方可同时交换他们的秘密信息，参见Zhang Z J,Man Z X,Secure directbidirectional communication protocol using the Einstein-Podolsky-Rosen pairblock.arXiv:quant-ph/0403215v1(2004)；Zhang Z J,Man Z X,Secure BidirectionalCommunication Protocol without Quantum Channel.arXiv:quant-ph/0403217v4(2004)；Zhang Z J,Man Z X,LiY,Secure direct bidirectional communicationprotocol using the Einstein-Podolsky-Rosen pair block.arXiv:quant-ph/040618v1(2004)。为实现量子安全直接通信，大量研究人员对此进行了深入的研究，但研究主要集中在基于两个Bell态纠缠交换的无信息泄露量子对话上。

中国发明专利CN103297226A公开了一种无信息泄露的受控双向量子安全直接通信方法，利用3个Bell态纠缠交换后的测量相关性来克服信息泄露问题，通信双方Alice和Bob在控制者Charlie的控制下实现秘密信息交换。

这些方法都只能在确定的通信双方之间进行量子安全直接通信，当存在多个通信方之间的通信时，需要分别构建量子信道，导致通信控制的复杂性以及消耗时间的增加。

因此，对于多个通信参与方，如果能够通过构建并行控制量子信道的方式，实现其中任意两个参与方之间的量子安全直接通信，对于秘密信息通信技术的发展将起到积极作用。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种对称并行控制量子安全直接通信方法，使得所有的通信参与方都可以成为潜在的对话方或者控制方，在通信地位角色未确定之前，控制方可以并行完成控制操作，以减少信道准备的消耗时间。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种对称并行控制量子安全直接通信方法，利用多粒子GHZ态张量积作为量子通道，包括以下步骤：

S1)准备量子信道：

提供中心服务器和N+2个通信参与方，其中N为正整数；

中心服务器制备2N+4个光子对A₁A₂，B₁B₂，C₁C′₁C₂C′₂…C_NC′_N，这些光子对组成的量子态如下：

其中粒子A₁，B₁，C₁，C₂，…，C_N构成N+2个粒子GHZ态，粒子A₂，B₂，C′₁，C′₂，…，C′_N同样构成N+2个粒子GHZ态，中心服务器将所有粒子分成N+2组有序的粒子序列S_A、S_B、S_C1、S_C2、…、S_CN，分别为

S_A＝{A₁A₁'}，S_B＝{B₁B₁'}，

S_C1＝{C₁C₁'}，S_C2＝{C₂C'₂}，…，S_CN＝{C_NC'_N}；

S2)粒子分发与窃听检测：

在N+2个通信参与方中确定两个对话方，分别为Alice和Bob，其余为控制方Charlie_t，t＝1,2,…,N；

中心服务器对所持有的粒子进行并行分配，将序列S_A分配给Alice，序列S_B分配给Bob，S_Ct(t＝1,2,..,N)分配给Charlie_t(t＝1,2,..,N)，在分发粒子时执行以下步骤：

对于Alice，

(1)中心服务器在序列S_A中随机加入若干诱骗粒子，形成序列S_A传送给Alice，并告诉Alice诱骗粒子的位置，其中诱骗粒子为随机的四种量子态(|0>,|1>,|+>,|->)中的一种；为防止窃听，中心服务器暂不公开发送粒子的状态；

(2)Alice在接收端随机地选择Z基(|0>,|1>)或X基(|+>,|->)测量；

(3)Alice通过普通的公共信道告诉中心服务器每次测量的测量结果；

(4)中心服务器计算步骤(3)中得到的测量结果的误码率，如果误码率超过预先设定的阈值，则表示存在窃听者，中心服务器放弃这次通信，重新执行步骤(1)；

对于Bob，Charlie_t(t＝1,2,..,N)分别针对对应分配的序列进行同样的操作；即，

对于Bob，

(1)中心服务器在序列S_B中随机加入若干诱骗粒子，形成序列S_B’传送给Bob，并告诉Bob诱骗粒子的位置，其中诱骗粒子为随机的四种量子态(|0>,|1>,|+>,|->)中的一种；

(2)Bob在接收端随机地选择Z基(|0>,|1>)或X基(|+>,|->)测量；

(3)Bob通过普通的公共信道告诉中心服务器每次测量的测量结果；

(4)中心服务器计算步骤(3)中得到的测量结果的误码率，如果误码率超过预先设定的阈值，则表示存在窃听者，中心服务器放弃这次通信，重新执行步骤(1)；

对于Charlie_t(t＝1,2,..,N)，

(1)中心服务器在序列S_Ct中随机加入诱骗粒子，形成序列S_Ct’传送给Charlie_t(t＝1,2,..,N)，并告诉Charlie_t(t＝1,2,..,N)诱骗粒子的位置，其中诱骗粒子为随机的四种量子态(|0>,|1>,|+>,|->)中的一种；

(2)Charlie_t(t＝1,2,..,N)在接收端随机地选择Z基(|0>,|1>)或X基(|+>,|->)测量；

(3)Charlie_t(t＝1,2,..,N)通过普通的公共信道告诉中心服务器每次测量的测量结果；

(4)中心服务器计算步骤(3)中得到的测量结果的误码率，如果误码率超过预先设定的阈值，则表示存在窃听者，中心服务器放弃这次通信，重新执行步骤(1)；

S3)对话方编码

Alice拥有粒子A₁,A₂，Bob拥有粒子B₁,B₂，他们在对话之前约定好各自的编码信息，Alice，Bob分别对粒子A₁，B₂施行幺正操作U_i(i＝1,2,3,4)来编码各自的两比特秘密信息，相应地A₁，B₂分别转变为U_iA₁,U_iB₂；

S4)控制方操作及测量来实现控制对话过程

各个控制方Charlie_t(t＝1,2…N)各自对所拥有的两个粒子C_t,C_t'(t＝1,2…N)进行H操作，实现量子态转换如下，

然后，Charlie_t(t＝1,2…N)对粒子C_t,C_t'以{|0>,|1>}为基底进行单比特测量，Alice和Bob向Charlie_t(t＝1,2…N)做出对话请求，如果Charlie_t(t＝1,2…N)同意Alice与Bob之间的对话，则各自独立地将测量结果通过经典信息发送给Alice与Bob，如果不同意，则拒绝发送；

在S3)和S4)步骤中，Alice和Bob的编码操作，以及各个控制方Charlie_t(t＝1,2…N)的控制操作是可以独立并行完成的，因此时间最少。

S5)对话方解码

Alice，Bob分别对粒子对(A₁A₂)，(B₁B₂)进行Bell基测量，并向对方公布测量结果，Alice和Bob根据对方和自己的测量结果，并结合自己所做的U变换及粒子C₁,C′₁,C₂,C′₂,…,C_N,C′_N的测量结果推断出对方的秘密信息。

如果任何一个控制方不同意对话则无法获取对方秘密信息，对话失败。

因为GHZ态良好的强对称性以及实验上的可制备性，例如，参见文献林秀、李洪才，利用V形三能级原子与光场Raman相互作用制备多原子GHZ态[J].《物理学报》.50(2001)1689，其中提出了利用V形三能级原子与光场Raman相互作用制备多原子GHZ态。因此，本发明提出了一种完全对称且并行控制的量子对话协议，其中持有GHZ态粒子中的所有参与方都可以作为潜在的对话方或者控制方，即地位角色在未确定之前全部等价，控制方可以并行完成控制操作，以达到消耗时间最少。

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：

1、本发明通过构建多原子GHZ态，实现了由N+2个通信参与方构成的量子信道，使所有通信参与方都可以作为潜在的对话方或者控制方，在地位角色在未确定之前全部等价，在通信时确定对话方和控制方，不需要单独构建信道，从而减少了时间消耗。

2、本发明可以在未确定对话方和控制方之前就并行地对各通信参与方进行窃听检测，既保证了通信安全，又使消耗时间减至最少。

3、本发明采用并行控制的对话方法，所有持有GHZ态粒子中的一方都可能作为对话参与方或者控制方，因此参与各方地位完全对称等价，而一旦对话方确定下来，其它参与方作为控制方即可并行独立地完成控制操作和控制信息传送，控制并行操作可以保证时间最少。

附图说明

图1是本发明实施例的通信系统结构示意图；

图2是实施例的对称并行控制量子对话方法流程示意图。

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，为实现对称并行控制量子安全直接通信方法的系统结构示意图，其中包括一台中心服务器，N+2个通信参与方。在通信进行时，通信参与方分别构成对话方Alice和Bob，以及控制方Charlie₁、Charlie₂、……、Charlie_N。

本实施例的量子安全直接通信方法包括以下步骤：

S1)准备量子信道

中心服务器制备2N+4光子对(A₁A₂,B₁B₂,C₁C₁'C₂C'₂…C_NC'_N)这写光子对组成的量子态如下：

A₁,B₁,C₁,C₂,…,C_N构成N+2粒子GHZ态。粒子A₁',B₁',C'₂,C'₂,…,C'_N同样构成N+2粒子GHZ态。中心服务器将所有粒子分成N+2组有序的粒子序列S_A，S_B，S_C1，S_C2…S_CN

S_A＝{A₁A₁'}，S_B＝{B₁B₁'}

S_C1＝{C₁C₁'}，S_C2＝{C₂C'₂}，S_C3＝{C₃C₃'}，…，S_CN＝{C_NC'_N}

S2)粒子分发与信道调制

中心服务器对所持有的粒子进行分配，将序列S_A分配给Alice,序列S_B分配给Bob,S_Ct(t＝1,2,..,N)分配给Charlie_t(t＝1,2,..,N)。为防止窃听，在分发粒子时还需执行以下步骤：

以Alice为例，对于Bob，Charlie_t(t＝1,2,..,N)有同样的操作。

(1)中心服务器在序列S_A中加入足够多的诱骗粒子，并告诉Alice诱骗粒子的位置，其中诱骗粒子为随机的四种量子态(|0>,|1>,|+>,|->)。这样S_A变成S'_A传送给Alice。为防止Eve窃听，中心服务器暂不公开发送粒子的状态。

(2)Alice在接收端随机地选择Z基(|0>,|1)或X基(|+>,|->)测量。

(3)Alice通过普通的公共信道告诉中心服务器他每次测量的测量结果。

(4)中心服务器通过计算误码率是否超过预先设定的阈值，判断这次通信是否存在窃听。如果误码率超过阈值，则表示存在窃听者，那么中心服务器就放弃这次通信，重新开始，否则进行下一步。

S3)对话方编码

Alice拥有粒子A₁A₂，Bob拥有粒子B₁B₂。他们在对话之前约定好各自的编码信息。Alice，Bob分别对粒子A₁，B₂施行幺正操作U_i(i＝1,2,3,4)来编码各自的两比特秘密信息，相应地A₁，B₂分别转变为U_iA₁，U_iB₂。我们定义U₁＝I，U₂＝σ_x，U₃＝iσ_y，U₄＝σ_z，其中I，σ_x，iσ_y，σ_z是四个单粒子酉操作。

I＝|0><0|+|1><1|、σ_z＝|0><0|+|1><1|、σ_x＝|0><1|+|1><0|、iσ_y＝|0><1|-|1><0|。Alice与Bob的编码操作见表1。

表1表明Alice/Bob的编码消息与U变换的对应关系

表1

S4)控制方操作及测量以实现控制对话

各个控制方Charlie_t(t＝1,2…N)对掌握的两个粒子C_t,C_t'(t＝1,2…N)进行H操作，这里对H操作有

Charlie_t(t＝1,2…N)同时分别对拥有的两个粒子C_t,C_t'(t＝1,2…N)以{|0>,|1>}为基底进行单比特测量，共有四种不同的测量结果组合，不同的测量结果组合对应的系统坍缩态见表2。

表2

Charlie_t(t＝1,2…N)同时分别对粒子C_t,C_t'以{|0>,|1>}为基底进行单比特测量后，如果Charlie_t同意Alice与Bob的对话，则将测量结果通过经典信息发送给Alice与Bob。在对话的时候，Alice和Bob对各自手中的粒子做局域幺正变换，塌缩之后的系统会演变成其他形式的纠缠态，忽略各个纠缠态的各项系数可得到表3～表6。表格中|ψ₀>，|ψ₁>，|ψ₂>，|ψ₃>为Bell态，Bell态是两粒子最大纠缠态，可以用如下式子表示：

表3表示统计粒子C₁,C₂,…,C_N与粒子C₁',C'₂,…,C'_N的测量结果为组合a，Alice和Bob对各自手中的粒子做局域幺正变换后的各项表达式。

表3

表4表示粒子C₁,C₂,…,C_N与粒子C₁',C'₂,…,C'_N的测量结果为组合b时，Alice和Bob对各自手中的粒子做局域幺正变换后的各项表达式。

表4

表5表示粒子C₁,C₂,…,C_N与粒子C₁',C'₂,…,C'_N的测量结果为组合c时，Alice和Bob对各自手中的粒子做局域幺正变换后的各项表达式。

表5

表6表示粒子C₁,C₂,…,C_N与粒子C₁',C'₂,…,C'_N的测量结果为组合d时，Alice和Bob对各自手中的粒子做局域幺正变换后的各项表达式。

表6

S5)对话方解码

Alice，Bob分别对粒子对(A₁A₂)，(B₁B₂)进行Bell基测量，并向对方公布测量结果。如果控制方都同意对话，则Alice和Bob根据测量结果和自己所做的U变换，并对照表3～表6，可推断出对方的秘密信息。如任何一个控制方不同意对话则无法获取对方秘密信息，对话失败。值得说明的是在S3)和S4)步骤中，Alice和Bob的编码操作，以及各个控制方Charlie_t(t＝1,2…N)的控制操作是可以独立并行完成的，因此时间最少。

以下对解码作进一步举例说明：

如果粒子C₁,C₂,…,C_N，C₁',C'₂,…,C'_N的测量结果是C₁,C₂,…,C_N中有偶数个|1>，C₁',C'₂,…,C'_N中也有偶数个|1>，则系统塌缩为

Alice对粒子A₁进行U₂操作，Bob对粒子B₂进行U₃操作，系统变化为

之后,Alice与Bob分别对各自的粒子作Bell基测量并将结果发送给对方，如果Alice测出自己的粒子为|ψ₃>，Bob测出自己的粒子为|ψ₂>，由于Alice知道自己的编码操作为U₂，结合表格3，根据粒子A₁A₂B₁B₂的初态与末态Alice可推算出Bob执行的编码操作为U₃。类似的Bob也能推断出Alice执行的编码操作为U₂。最后双方结合表1便可同时知道对方的秘密信息分别为10与01。

Claims (1)

1.一种对称并行控制双向量子安全直接通信方法，利用多粒子GHZ态张量积作为量子通道，其特征在于，包括以下步骤：

S1)准备量子信道：

提供中心服务器和N+2个通信参与方，其中N为正整数；

中心服务器制备2N+4个光子对， 其中粒子构成N+2个粒子GHZ态，粒子同样构成N+2个粒子GHZ态，中心服务器将所有粒子分成N+2组有序的粒子序列S _A 、S _B 、S _C1、S _C2、…、S _CN ，分别为

，，

，，…，；

S2）粒子分发与窃听检测：

在N+2个通信参与方中确定两个对话方，分别为Alice和Bob，其余为控制方Charlie_t，t=1,2,…,N；

中心服务器对所持有的粒子进行分配，并行将序列S _A 分配给Alice，序列S _B 分配给Bob，S _Ct (t=1,2,..,N)分配给Charlie_t(t=1,2,..,N)，在分发粒子时执行以下步骤：

对于Alice，

(1) 中心服务器在序列S _A 中随机加入若干诱骗粒子，形成序列S _A ’传送给Alice，并告诉Alice诱骗粒子的位置，其中诱骗粒子为随机的四种量子态中的一种；

(2) Alice在接收端随机地选择Z基或X基测量；

(3) Alice通过普通的公共信道告诉中心服务器每次测量的测量结果；

(4) 中心服务器计算步骤(3)中得到的测量结果的误码率，如果误码率超过预先设定的阈值，则表示存在窃听者，中心服务器放弃这次通信，重新执行步骤(1)；

对于Bob，Charlie_t(t=1,2,..,N)分别针对对应分配的序列进行同样的操作；

S3) 对话方编码

Alice拥有粒子A ₁, A ₂，Bob拥有粒子B ₁, B ₂，他们在对话之前约定好各自的编码信息，Alice，Bob分别对粒子A ₁，B ₂施行幺正操作U _i (i=1,2,3,4)来编码各自的两比特秘密信息，相应地A ₁，B ₂分别转变为U _i A ₁，U _i B ₂；

S4)控制方操作及测量来实现控制对话过程

各个控制方Charlie_t（t=1,2…N）各自对所拥有的两个粒子C _t , C _t ’（t=1,2…N）进行H操作，实现量子态转换如下，

然后，Charlie_t (t=1,2…N)对粒子C _t , C _t ’以为基底进行单比特测量，Alice和Bob向Charlie_t (t=1,2…N)做出对话请求，如果Charlie_t (t=1,2…N)同意Alice与Bob之间的对话，则并行独立地将测量结果通过经典信息发送给Alice与Bob，如果不同意，则拒绝发送；

S5)对话方解码

Alice，Bob分别对粒子对(A ₁ A ₂)，(B ₁ B ₂)进行Bell基测量，并向对方公布测量结果，Alice和Bob根据对方和自己的测量结果，并结合自己所做的U变换及粒子的测量结果推断出对方的秘密信息。