CN107786280A - 一种基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，包括：用户1随机制备N个超纠缠贝尔态，并将其拆分成两条序列；用户1利对第一条序列路径编码发送至用户2；用户2确认无窃听后对其路径编码发送至用户3；用户3确认无窃听后通知用户1发送第二条序列；用户1对第二条序列极化编码发送给用户3；用户3对第二条序列进行极化编码，对两条序列做联合超纠缠贝尔态测量并公布测量结果；用户1分别获取用户2和3的编码信息；用户1公布初始态Ri以及用户2异或上用户3的编码信息R；用户2和3获取其他两方的编码信息。本发明仅传输三次，大大降低了由于信道损耗引起的光子丢失的概率，且具备安全性检测，充分提高了传输的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，属于量子通信的技术领域。
背景技术
量子通信是量子信息学的一个主要分支，主要涉及量子密钥分发、量子隐形传态、量子安全直接通信等方面。量子密钥分发和量子隐形传态研究起步早，发展已经相当成熟。量子安全直接通信的概念是由龙等人在2002年首次提出，一直是近几年来研究的热点。不同于量子密钥分发，量子安全直接通信不需要通信双方事先生成密钥，而是通过直接建立量子信道的方式进行通信，从而将一般意义上的量子通信过程简化为一步量子通信过程，能够在量子信道中直接传递秘密信息。通信的首要前提是确保安全，量子安全直接通信的安全性同样基于量子不可克隆原理、量子测不准原理以及纠缠粒子的关联性和非定域等，因此可以保证通信的绝对安全。
目前，量子安全直接通信的研究主要针对于双方通信，对三方通信的研究还在起步阶段。
而对三方量子安全直接通信的研究工作，目前主要集中在单光子或者单自由度上。王等人在文献“Three-party Quantum Secure Direct Communication with singlePhotons in both Polarizationand Spatial-mode Degrees ofFreedom”(基于单光子极化和空间两个自由度的三方量子安全直接通信)中提出了一种三方量子安全直接通信方法，该方法首次利用单光子的两个自由度，对其进行编码信息，实现了三方通信，即一方可同时获得另外两方的信息。若是希望任何一方都能够同时获取另外两方的信息，则需要三方同时制备一条单光子序列，并行传输三次，且每个用户皆需编码两次才可实现三方时时通信。此方案要求每个用户都要准备量子发生器来制备量子态，成本较高；其次，传输次数越多，对通信的安全性要求越高，且由于信道损耗引起的光子丢失的概率也就越高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，解决现有的量子通信方法中需要三方同时制备一条单光子序列，分别进行多次传输才可实现通信，导致信道损耗引起的光子丢失的概率较高的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，该方法基于用户1和用户2、用户3，包括以下步骤：
步骤1、用户1随机制备N个超纠缠贝尔态，且每个超纠缠贝尔态包含路径和极化两个自由度，并将其拆分成第一和第二两条序列及每条序列包含N个单光子；
步骤2、所述用户1利用四个幺正操作对第一条序列进行路径编码，并随机置入若干个诱骗态光子后发送至用户2；
步骤3、所述用户2对接收的第一条序列进行安全性检测，确认无窃听后对其进行路径编码，并随机置入若干个诱骗态光子后发送至用户3；
步骤4、所述用户3对用户2所发送的第一条序列进行安全性检测，确认无窃听后通知用户1发送第二条序列；
步骤5、所述用户1对第二条序列进行极化编码，利用四个幺正算子编码2个比特的信息，随机置入若干个诱骗态光子后发送给用户3；
步骤6、所述用户3对用户1所发送的第二条序列进行极化编码；
步骤7、所述用户3对所接收的两条序列做联合超纠缠贝尔态测量并公布测量结果Rq；
步骤8、所述用户1根据制备的N个超纠缠贝尔态的初始态Ri和对两条序列的路径和极化编码信息，及用户3所公布的测量结果Rq，分别获取用户2和用户3的编码信息；
步骤9、所述用户1公布其制备的N个超纠缠贝尔态的初始态Ri以及用户2异或上用户3的编码信息R；
步骤10、所述用户2和用户3分别根据N个超纠缠贝尔态的初始态Ri、用户3所公布的测量结果Rq，及用户2异或上用户3的编码信息R推断获取其他两方的编码信息。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2中用户1随机置入的诱骗态光子中量子态与第一条序列中的光子保持一致。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤3中用户2根据用户1公布诱骗态光子的信息设置测量基，测量对应位置的诱骗态光子以计算错误率，及根据计算的错误率与预设阈值的大小判断是否存在窃听。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤6中还包括用户3对用户1所发送的第二条序列进行安全性检测，确认无窃听后进行极化编码。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明提供的基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，用于在量子安全直接通信中任意三方传输携带信息的超纠缠贝尔态。本发明中利用贝尔态的两个自由度进行编码信息，仅传输三次，大大降低了由于信道损耗引起的光子丢失的概率。每传递一次信息就做一次安全性检测，充分提高了传输的安全性。
本发明相对于现有的两方量子通信方法，可以实现三方通信，每个用户都能同时收到另外两个用户的信息，提高了信道容量，且其中一方用户传输给另外两方信息可以是不同的，这是现有的通信方案无法做到的，不论是两方通信还是多方通信。其次，在安全性检测时，选取的测量基也不同，因此就困难度而言，本发明相对于要复杂的多但安全性能更好，因为本方案实行的是单线程传输，且每一次传输之后都进行了安全性检测。由于超纠缠贝尔态测量理论上已经能够做到，所以本发明的方案是完全可行。
因此，本发明信息只传输了三次，就可实现用户1、用户2以及用户3三方同时通信，在传统双向通信的基础上显著提高了通信效率，且大大确保了传输过程的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法的流程示意图。
图2为本发明中三方通信的原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明提供一种基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，该方法基于用户1和用户2、用户3，包括以下步骤：
步骤1、用户1随机制备N个超纠缠贝尔态，且每个超纠缠贝尔态包含路径和极化两个自由度，并将其拆分成第一和第二两条序列及每条序列包含N个单光子。
为了用户1、用户2和用户3之间实现互通信息，首先，用户1需要随机制备N个超纠缠贝尔态，每个超纠缠贝尔态包含路径和极化两个自由度。用户1将其拆分成两条序列，每条序列包含N个单光子，每个单光子亦同时处于路径和极化两个自由度。
步骤2、所述用户1利用四个幺正操作对第一条序列进行路径编码，并随机置入若干个诱骗态光子后发送至用户2。
用户1利用四个幺正操作对第一条序列进行路径编码，极化自由度不做任何处理。四个幺正操作分别对应的编码信息为：为了保证安全性，用户1随机置入一定数量的诱骗态单光子，其量子态与第一条序列中的光子保持一致，均是同时处于路径和极化两个自由度的超纠缠态，但是诱骗态光子不携带用户1的任何有效信息，然后发送至用户2。
步骤3、所述用户2对接收的第一条序列进行安全性检测，确认无窃听后对其进行路径编码，并随机置入若干个诱骗态光子后发送至用户3。
确认用户2收到第一条序列后，用户1公布诱骗态光子信息包括其位置以及具体的量子态。用户2根据用户1告知的诱骗态光子信息采取合适的测量基，测量对应位置的诱骗态光子以计算错误率，及根据计算的错误率与预设阈值的大小判断是否存在窃听。若错误率超出预设阈值，则确定为存在窃听，放弃本次通信；否则，在错误率低于预设阈值时，用户2继续对第一条序列进行路径编码，并随机置入一定数量的诱骗态光子，方法同步骤2。然后用户2将编码后的第一条序列发送给用户3。
步骤4、所述用户3对用户2所发送的第一条序列进行安全性检测，确认无窃听后通知用户1发送第二条序列。
为保证传输不被窃听，每一次传输完成后都要先检测其安全性。检测同步骤3，用户3根据用户2告知的诱骗态光子信息采取合适的测量基，其用户2告知的信息包括诱骗态的位置以及对应的量子态，用户3测量对应位置的诱骗态光子以计算错误率，及根据计算的错误率与预设阈值的大小判断是否存在窃听。若错误率超出预设阈值，则确定为存在窃听，放弃本次通信；若在错误率低于预设阈值时，确认传输安全，用户3通知用户1发送第二条序列。
步骤5、所述用户1对第二条序列进行极化编码，利用四个幺正算子编码2比特信息，及随机置入若干个诱骗态光子后发送给用户3。
确认用户3安全接收第一条序列后，用户1对第二条序列进行极化编码，利用四个幺正算子编码2个比特的信息，同时对路径自由度不做处理。然后随机置入一定数量的诱骗态光子，同步骤2，并将其发送给用户3。本发明中所置入的诱骗态光子和发送第一条序列路径编码时置入的诱骗态光子的量子态的形式一样，都编码了两个自由度，但是诱骗态光子不携带任何信息，仅用来检测安全性。
步骤6、所述用户3对用户1所发送的第二条序列进行极化编码。
优选地，用户3收到第二条序列后进行安全性检测，安全性检测过程同步骤3，用户3根据用户1告知的诱骗态光子信息采取合适的测量基，测量对应位置的诱骗态光子以计算错误率，及根据计算的错误率与预设阈值的大小判断是否存在窃听。若错误率超出预设阈值，则确定为存在窃听，放弃本次通信；若在错误率低于预设阈值时，确认传输安全。即在确认无窃听后，对第二条序列进行极化编码；否则，放弃本次通信。
步骤7、所述用户3对所接收的两条序列做联合超纠缠贝尔态测量并公布测量结果Rq。
此时，第一条序列和第二条序列都在用户3，第一条序列分别经过用户1和用户2路径编码，第二条序列分别经过用户1和用户3极化编码。用户3对两条序列做联合超纠缠贝尔态测量，并公布测量结果Rq。
步骤8、所述用户1根据制备的N个超纠缠贝尔态的初始态Ri和对两条序列的路径和极化编码信息，及用户3所公布的测量结果Rq，分别获取用户2和用户3的编码信息。
由用户1知道自己制备的N个超纠缠贝尔态的初始态Ri以及对两条序列的编码信息，再根据用户3公布的测量结果Rq，可推测出用户2和用户3的编码信息。
步骤9、所述用户1公布其制备的N个超纠缠贝尔态的初始态Ri以及用户2异或上用户3的编码信息
步骤10、所述用户2和用户3分别根据N个超纠缠贝尔态的初始态Ri、用户3所公布的测量结果Rq、及用户2异或上用户3的编码信息R推断获取其他两方的编码信息。
由于编码信息R2是用户2的编码信息，用户2根据N个超纠缠贝尔态的初始态Ri、用户3公布的测量结果Rq以及编码信息R2可推断出用户1的编码信息R1，根据编码信息R和R2推断出用户3的编码信息R3；编码信息R3是用户3的编码信息，用户3根据N个超纠缠贝尔态的初始态Ri、用户3公布的测量结果Rq以及编码信息R3可推断出用户1的编码信息R1，根据编码信息R和R3推断出用户2的编码信息R2。
为了验证本发明的通信方法能够利用贝尔态的两个自由度进行编码信息，仅传输三次就可实现在量子安全直接通信中任意三方传输通信，特列举一验证例进行说明。
如图2所示，包含了用户A、用户B以及用户C三个用户，序号表示操作顺序，表示对第一条序列进行路径编码；表示对第二条序列进行极化编码。Alice为制备方，假设Alice制备了一条包含N个超纠缠光子对序列，对应的量子态为其可能的量子态一共有16种，只是其中的一种，且并不公开，只有用户A知道具体的量子态。表示光子a，b对应的极化态，表示光子a，b对应的路径态。极化编码和路径编码对应的四种幺正算符分别如下：
利用幺正操作可以实现任意贝尔态之间的转换。这里定义四个幺正算符分别表示2个比特信息编码：则传输该量子态过程如下：
步骤1、用户A将N个超纠缠贝尔态拆分成Sa和Sb两条序列。每条序列由N个单光子组成，每个单光子同时包含极化和路径两个自由度。用户A根据需要利用上述幺正算符对Sa中所有的粒子进行路径编码。编码完成后，随机制备一定数量的诱骗态单光子，其量子态包括极化和路径两个自由度，但是不包含用户A的任何编码信息。然后将诱骗光子随机置入Sa序列中，并发给用户B。
步骤2、确认用户B全部接收完，用户A通过经典信道公布诱骗态光子的位置和具体的量子态。用户B根据用户A告知的信息，用合适的测量基测量对应位置的诱骗光子，记录下来并计算出错率。如果出错率超出预设阈值，则表明传输过程中存在窃听，那么放弃本次通信；否则用户B对Sa序列进行第二次路径编码。
步骤3、假设传输安全，用户B根据需要利用四个幺正算符对Sa序列进行第二次路径编码。为了检测传输是否存在窃听，参照步骤2。用户B随机制备一定数量的诱骗态单光子，将其随机置入Sa序列中，并发给用户C。
步骤4、用户C接收完第一条序列后，用户B公开全部诱骗态光子的具体位置和量子态。用户C有针对性的选择合适的测量基测量对应位置的单光子，并判断是否被窃听。若存在窃听，则放弃本次通信；否则，用户C通知用户A发送Sb序列。
步骤5、用户A确认用户C安全接收Sa序列后，首先选取合适的幺正算符对Sb序列中的所有粒子进行极化编码。然后随机随机制备一定数量的诱骗态单光子，将其随机置入Sb序列中，并发给用户C。
步骤6、此时两条序列都在用户C处，用户C首先检测传输是否安全。在安全的前提下，用户C先对Sb序列进行极化编码。
步骤7、然后对用户C两条序列做联合超纠缠贝尔态测量，并记录测量结果Rq。假设测量结果
步骤8、用户A公开其制备的初始态根据初始态Ri，测量结果Rq以及自己选取的用来编码的幺正算符，假设用户A分别对Sa、Sb序列分别编码00和01，用户A可推算出用户B和用户C的编码信息分别为10和11。
步骤9、用户A公开用户B异或上用户C的编码信息01。
步骤10、用户B根据初始态Ri，测量结果Rq、及用户2异或上用户3的编码信息01以及自己的编码信息10，可推算出用户A在路径上的编码信息为00，根据用户A公布的异或信息01及自身编码信息10，可推断出用户C的信息为11；同样，用户C根据初始态Ri，测量结果Rq以及自己的编码信息11，可推算出用户A在极化上的编码信息为01，根据A公布的异或信息01及自身编码信息11，可推断出用户B的信息为10。
到此为止，用户A，用户B和用户C同时收到了另外两个用户传输的信息，本次传输过程结束。
综上，本发明利用贝尔态的两个自由度进行编码信息，信息只传输了三次，就可实现用户1、用户2以及用户3三方同时通信，即任何一方都可同时接收到另外两方的信息，在传统双向通信的基础上显著提高了通信效率。其次，用户1发送给用户2和用户3的信息可以是不同的，提高了通信的灵活性；最后，在每一次传输完成后，本发明都对其进行了安全性检测，即使之前的传输被窃听，窃听者也得不到任何有效的信息，大大确保了传输过程的可靠性和安全性。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，其特征在于，该方法基于用户1和用户2、用户3，包括以下步骤：
步骤1、用户1随机制备N个超纠缠贝尔态，且每个超纠缠贝尔态包含路径和极化两个自由度，并将其拆分成第一和第二两条序列及每条序列包含N个单光子；
步骤2、所述用户1利用四个幺正操作对第一条序列进行路径编码，并随机置入若干个诱骗态光子后发送至用户2；
步骤3、所述用户2对接收的第一条序列进行安全性检测，确认无窃听后对其进行路径编码，并随机置入若干个诱骗态光子后发送至用户3；
步骤4、 所述用户3对用户2所发送的第一条序列进行安全性检测，确认无窃听后通知用户1发送第二条序列；
步骤5、所述用户1对第二条序列进行极化编码，利用四个幺正算子编码2个比特的信息，并随机置入若干个诱骗态光子后发送给用户3；
步骤6、所述用户3对用户1所发送的第二条序列进行极化编码；
步骤7、所述用户3对所接收的两条序列做联合超纠缠贝尔态测量并公布测量结果Rq；
步骤8、所述用户1根据制备的N个超纠缠贝尔态的初始态Ri和对两条序列的路径和极化编码信息，及用户3所公布的测量结果Rq，分别获取用户2和用户3的编码信息；
步骤9、 所述用户1公布其制备的N个超纠缠贝尔态的初始态Ri以及用户2异或上用户3的编码信息R；
步骤10、所述用户2和用户3分别根据N个超纠缠贝尔态的初始态Ri、用户3所公布的测量结果Rq，及用户2异或上用户3的编码信息R推断获取其他两方的编码信息。
2.根据权利要求1所述基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，其特征在于：所述步骤2中用户1随机置入的诱骗态光子中量子态与第一条序列中的光子保持一致。
3.根据权利要求1所述基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，其特征在于：所述步骤3中用户2根据用户1公布诱骗态光子的信息设置测量基，测量对应位置的诱骗态光子以计算错误率，及根据计算的错误率与预设阈值的大小判断是否存在窃听。
4.根据权利要求1所述基于超纠缠贝尔态的三方量子安全直接通信方法，其特征在于：所述步骤6还包括用户3对用户1所发送的第二条序列进行安全性检测，确认无窃听后进行极化编码。
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