CN108540281B - 一种测量设备无关的量子安全直接通信系统 - Google Patents

一种测量设备无关的量子安全直接通信系统 Download PDF

Info

Publication number
CN108540281B
CN108540281B CN201810403333.7A CN201810403333A CN108540281B CN 108540281 B CN108540281 B CN 108540281B CN 201810403333 A CN201810403333 A CN 201810403333A CN 108540281 B CN108540281 B CN 108540281B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sequence
photon
photon sequence
party
sending
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810403333.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108540281A (zh
Inventor
龙桂鲁
殷柳国
牛鹏皓
周增荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201810403333.7A priority Critical patent/CN108540281B/zh
Publication of CN108540281A publication Critical patent/CN108540281A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108540281B publication Critical patent/CN108540281B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H04L9/0855—Quantum cryptography involving additional nodes, e.g. quantum relays, repeaters, intermediate nodes or remote nodes

Abstract

本发明实施例提供一种测量设备无关的量子安全直接通信系统，包括：发送端，接收端，和第三方，其中，发送端和接收端分别制备用于安全检测的第一光子序列和第三光子序列并发送给第三方进行测量，进而发送端和接收端根据测量结果进行安全检测，当安全检测通过后，发送端将需要传输的信息加载到预先构建好的第二光子序列中，并发送给第三方，接收端将第四光子序列发送给第三方，第三方将第二光子序列和第四光子序列的测量结果发送给接收端，以完成一次通信过程，其中，第一光子序列和第二光子序列中包含相互纠缠的光子对；第三光子序列和第四光子序列中包含相互纠缠的光子对。本发明可以在保证通信安全的前提下避免探测设备造成的安全漏洞。

Description

一种测量设备无关的量子安全直接通信系统
技术领域
本发明实施例涉及量子通信领域，尤其涉及一种测量设备无关的量子安全直接通信系统。
背景技术
经典信息传输安全的实现方案大多是信息发送方把明文用密钥加密为密文，经过传输后，信息接收方用密钥把密文解密为明文。该过程的密钥产生与分发所依赖的密钥体系，其安全性属于计算安全性。即以现有的经典计算机水平无法在有效时间内破解密钥。但是随着量子计算机相关研究的发展，以及量子算法的出现，导致传统意义上依赖于计算安全性的经典密钥体系受到了威胁。
量子保密通信是量子力学与信息论相结合的交叉学科，其目的在于提供一种新的依靠物理机制来保证信息传输安全的方法。量子安全保密通信方案主要分为三类，分别是量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD),量子秘密共享(Quantum secret share,QSS)以及量子安全直接通信(Quantum secure direct communication,QSDC)。
量子保密通信保证信息传输安全的原理主要依赖于物理中的“量子随机性”与“量子不可克隆原理”。不过在其应用中，实际器件与理论上有一定偏差，导致其实际安全性受到一定威胁。量子通信系统一般使用单光子源或纠缠光源作为信息载体，包括光源、传输信道与测量装置三大部分，每一个部分都存在部分安全漏洞。针对这些漏洞，部分研究者已经提出了一些量子攻击方案，这些方案大多针对探测设备的缺陷展开。测量设备无关(Measurement device independent,MDI)技术主要是为了解决测量设备漏洞问题而提出的一种技术，最早应用在QKD方案上。所谓的MDI，实际上是把原先处于通信方的探测过程交由第三方来进行探测并公开相应探测结果。第三方不一定是可信的，因此所有针对探测设备的攻击手段都可以等价为第三方的攻击行为。由于通信双方不再拥有任何探测设备，故在此环境下设计的，可以保证安全的量子保密通信方案相当于屏蔽掉了针对探测器漏洞的量子攻击手段。量子安全直接通信在理论上具有诸多优点，但是由于在实际应用中仍然需要依赖物理器件，因此器件特别是探测器本身缺陷带来的漏洞无法避免。
发明内容
本发明实施例提供一种测量设备无关的量子安全直接通信系统，用以解决现有技术中量子通信时探测器本身缺陷造成的安全漏洞问题。
本发明实施例提供一种测量设备无关的量子安全直接通信系统，包括：
发送端，用于制备第一光子序列和第二光子序列，所述第一光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第二光子序列用于加载信息，并发送给第三方以完成通信。
接收端，用于制备第三光子序列和第四光子序列，所述第三光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第四光子序列用于发送给第三方与所述第二光子序列进行测量，通过接收第二光子序列和第四光子序列的测量结果，以完成通信。
第三方，用于接收所述第一光子序列和第三光子序列，对所述第一光子序列和第三光子序列进行测量，并公布测量结果，同时用于接收第二光子序列和第四光子序列，并对所述第二光子序列和第四光子序列进行测量，将所述第二光子序列和第四光子序列的测量结果发送给接收方。
其中，所述第一光子序列和所述第二光子序列中包含相互纠缠的光子对；所述第三光子序列和第四光子序列中包含相互纠缠的光子对。
其中，所述制备第一光子序列和第二光子序列，所述第一光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第二光子序列用于加载信息，并发送给第三方以完成通信具体包括：
制备处于纠缠态的光子序列L1和L2，序列长度为N，在所述光子序列L1中随机加入M个单光子，构成第一光子序列，将所述第一光子序列发送给第三方，并将所述第一光子序列的序列信息发送给接收端；
接收所述第三方的测量结果和接收端发送的第三光子序列的序列信息，并根据所述第三光子序列的序列信息和所述第三方的测量结果，对所述第三方进行安全检测；
若判断获知所述安全检测通过，则将所述光子序列L2中的光子加载第一操作，将所述光子序列L2中所有光子的初始状态统一为第一状态，并在所述光子序列L2中加载信息，并将加载信息后的光子序列L2发送给所述第三方；
其中光子序列L2即为第二光子序列；其中，M和N均为正整数。
其中，所述制备第三光子序列和第四光子序列，所述第三光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第四光子序列用于发送给第三方与所述第二光子序列进行测量，通过接收第二光子序列和第四光子序列的测量结果，以完成通信具体包括：
制备处于纠缠态的光子序列L3和L4，序列长度为N，在所述光子序列L3中随机加入M个单光子，构成第三光子序列，将所述第三光子序列发送给第三方，并将所述第三光子序列的序列信息发送给发送端；
接收所述第三方的测量结果和接发送端发送的第一光子序列的序列信息，并根据所述第一光子序列的序列信息和所述第三方的测量结果，对所述第三方进行安全检测；
若判断获知所述安全检测通过，则将所述光子序列L4中的光子随机加载第一操作，并将随机加载了第一操作的光子序列L4发送给所述第三方，并接收所述第三方对第二光子序列和第四光子序列的测量结果；
其中，所述光子序列L4即为第四光子序列，其中，M和N均为正整数。
其中，所述接收所述第一光子序列和第三光子序列，对所述第一光子序列和第三光子序列进行测量，并公布测量结果，同时用于接收第二光子序列和第四光子序列，并对所述第二光子序列和第四光子序列进行测量，将所述第二光子序列和第四光子序列的测量结果发送给接收方具体包括：
接收所述发送端发送的第一光子序列和接收端发送的所述第三序列，对所述第一光子序列和第三光子序列的光子进行配对并进行测量，将测量结果发送给所述发送端和所述接收端；
接收所述发送端发送的第二光子序列和接收端发送的所述第四光子序列，对所述第二光子序列和第四光子序列的光子进行配对并进行测量，将测量结果发送给所述接收端。
其中，所述发送端和所述接收端还用于，若判断获知所述安全检测不通过，则终止本次通信。
其中，所述对所述第一光子序列和第三光子序列的光子进行配对并进行测量具体包括：将第一光子序列和第三光子序列的光子进行匹配后，进行M+N次Bell基联合测量，获得测量结果。
其中，所述对所述第二光子序列和第四光子序列的光子进行配对并进行测量，具体包括：将第二光子序列和第四光子序列的光子进行匹配后，进行Bell基联合测量，获得信息传输测量结果。
其中，所述发送端和所述接收端还用于，若判断获知所述安全检测通过，将所述光子序列L2和所述光子序列L4中无法实现纠缠转移的光子从光子序列中移除，将所述光子序列L2中剩余的光子构成第二光子序列，将所述光子序列L4中剩余的光子构成第四光子序列。
其中，所述接收端还用于，根据所述第四光子序列的序列信息，对所述信息传输测量结果进行解码，获取所述发送端在所述第二光子序列中加载的信息。
本发明实施例提供的测量设备无关的量子安全直接通信系统，涉及到光探测的过程均交由第三方完成，并通过安全性检测来保证信道安全和第三方无法得到有效信息，可以在保证通信安全的前提下去掉探测设备不完美造成的安全漏洞。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种测量设备无关的量子安全直接通信系统的结构图；
图2为本发明另一实施例提供的一种测量设备无关的量子安全直接通信系统的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，图1为本发明一实施例提供的一种测量设备无关的量子安全直接通信系统的结构图，本实施例提供的系统包括：发送端11，接收端12和第三方13。
其中，发送端11用于制备第一光子序列和第二光子序列，所述第一光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第二光子序列用于加载信息，并发送给第三方以完成通信。
其中，接收端12用于制备第三光子序列和第四光子序列，所述第三光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第四光子序列用于发送给第三方与所述第二光子序列进行测量，通过接收第二光子序列和第四光子序列的测量结果，以完成通信。
其中，第三方13用于接收所述第一光子序列和第三光子序列，对所述第一光子序列和第三光子序列进行测量，并公布测量结果，同时用于接收第二光子序列和第四光子序列，并对所述第二光子序列和第四光子序列进行测量，将所述第二光子序列和第四光子序列的测量结果发送给接收方。
其中，所述第一光子序列和所述第二光子序列中包含相互纠缠的光子对；所述第三光子序列和第四光子序列中包含相互纠缠的光子对。
具体的，在一次量子通信过程中，包含发送端，接收端和第三方，其中，发送端需要制备用于安全检测的第一光子序列和用于信息传递的第二光子序列，其中，第一光子序列中包含与第二光子序列中光子相互纠缠的光子。接收端需要制备用于安全检测的第三光子序列和用于信息传输的第四光子序列，其中，第三光子序列中包含与第四光子序列中的光子相互纠缠的光子。第一光子序列和第三光子序列的序列长度相同，第二光子序列和第四光子序列的序列长度相同。
发送端和接收端分别将第一光子序列和第三光子序列发送给第三方，由第三方进行测量，并将测量结果公布，公布可以为通过广播信道进行广播，也可以通过常规通信的信道，将测量结果发送给发送端和接收端，发送端和接收端通过对测量结果进行验证，从而可以判断第三方的安全性。
当安全性判定通过以后，发送端将需要传输的信息加载到第二光子序列中，并将第二光子序列发送给第三方，接收端在第四光子序列中随机加载信息，并将第四光子序列发送给第三方，第三方再对第二光子序列和第四光子序列进行测量，并将测量结果发送给接收端，从而完成信息从发送端到接收端的传输
本系统的安全性保证在于第三方无法区分发送端发送的光子序列中每个光子是单光子或是纠缠光子对中的一个光子，因为它们的密度矩阵是相同的，在物理上无法分辨，而发送端随机打乱单光子和纠缠光子对中的一个光子的发送顺序可以保证第三方随机猜对单光子位置的概率将随着序列长度的增大而指数减小，从而保证了安全性。
通过此系统，涉及到光探测的过程均交由第三方完成，并通过安全性检测来保证信道安全和第三方无法得到有效信息，可以在保证通信安全的前提下去掉探测设备不完美造成的安全漏洞。
在上述实施例的基础上，所述制备第一光子序列和第二光子序列，所述第一光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第二光子序列用于加载信息，并发送给第三方以完成通信具体包括：
制备处于纠缠态的光子序列L1和L2，序列长度为N，在所述光子序列L1中随机加入M个单光子，构成第一光子序列，将所述第一光子序列发送给第三方，并将所述第一光子序列的序列信息发送给接收端。
接收所述第三方的测量结果和接收端发送的第三光子序列的序列信息，并根据所述第三光子序列的序列信息和所述第三方的测量结果，对所述第三方进行安全检测。
若判断获知所述安全检测通过，则将所述光子序列L2中的光子加载第一操作，将所述光子序列L2中所有光子的初始状态统一为第一状态，并在所述光子序列L2中加载信息，并将加载信息后的光子序列L2发送给所述第三方。其中光子序列L2即为第二光子序列；其中，M和N均为正整数。
具体的，发送端首先随机制备处于|ψ+>，|ψ->的纠缠态序列，纠缠光子对中的一半光子组成序列L1，将余下的光子构成序列L2，在序列L1中随机加入M个单光子，单光子随机的处于|0>，|1>，|+>和|->四种状态上，构建第一光子序列，随后将第一光子序列发送给第三方进行测量，在第三方公布测量结果后，将第一光子序列的序列信息发送给接收端，其中，序列信息具体为序列中单光子的位置和每个光子的量子态。
接收第三方对第一序列和第三序列的测量结果，同时从接收端接收第三光子序列的序列信息，从而可以对第三方的测量结果进行验证，具体的验证过程为对第三方发送的测量结果进行误码率估计，若误码率低于预设阈值，则判定第三方为按照要求执行了Bell测量操作，并公布了正确的测量结果。
在确认了第三方按要求执行了相关操作并公布正确结果之后，发送端在剩余的光子序列L2中，对初始状态为|ψ+>的光子进行σz操作，该操作相当于把序列L2中光子的初始状态统一为|ψ->。随后在序列L2中使用四种操作加载通信信息。四种操作具体形式为U0＝I，U1＝σx，U2＝iσy，U3＝σz，随后把加载了信息的序列L2发送给第三方，完成通信过程。其中，σz操作即为第一操作，|ψ->为第一状态。
在上述实施例的基础上，所述制备第三光子序列和第四光子序列，所述第三光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第四光子序列用于发送给第三方与所述第二光子序列进行测量，通过接收第二光子序列和第四光子序列的测量结果，以完成通信具体包括：
制备处于纠缠态的光子序列L3和L4，序列长度为N，在所述光子序列L3中随机加入M个单光子，构成第三光子序列，将所述第三光子序列发送给第三方，并将所述第三光子序列的序列信息发送给发送端。
接收所述第三方的测量结果和接发送端发送的第一光子序列的序列信息，并根据所述第一光子序列的序列信息和所述第三方的测量结果，对所述第三方进行安全检测。
若判断获知所述安全检测通过，则将所述光子序列L4中的光子随机加载第一操作，并将随机加载了第一操作的光子序列L4发送给所述第三方，并接收所述第三方对第二光子序列和第四光子序列的测量结果；其中，所述光子序列L4即为第四光子序列，其中，M和N均为正整数。
具体的，接收端随机制备处于|ψ+>，|ψ->的纠缠态序列，纠缠光子对中的一半光子组成序列L3，将余下的光子构成序列L4，在序列L3中随机加入M个单光子，单光子随机的处于|0>，|1>，|+>和|->四种状态上，构建第三光子序列，随后将第三光子序列发送给第三方进行测量，在第三方公布测量结果后，将第三光子序列的序列信息发送给接收端，其中，序列信息具体为序列中单光子的位置和每个光子的量子态。
接收所述第三方的测量结果和发送端发送的第一光子序列的序列信息，并根据所述第一光子序列的序列信息和所述第三方的测量结果，对所述第三方进行安全检测。
在确认了第三方按要求执行了相关操作并公布正确结果之后，接收端在剩余的光子序列L4中，对光子随机加载σz操作，随后把光子序列L4发送给第三方，并接收第三方对光子序列L2和光子序列L4的测量结果。
在上述实施例的基础上，所述接收所述第一光子序列和第三光子序列，对所述第一光子序列和第三光子序列进行测量，并公布测量结果，同时用于接收第二光子序列和第四光子序列，并对所述第二光子序列和第四光子序列进行测量，将所述第二光子序列和第四光子序列的测量结果发送给接收方具体包括：
接收所述发送端发送的第一光子序列和接收端发送的所述第三序列，对所述第一光子序列和第三光子序列的光子进行配对并进行测量，将测量结果发送给所述发送端和所述接收端；
接收所述发送端发送的第二光子序列和接收端发送的所述第四光子序列，对所述第二光子序列和第四光子序列的光子进行配对并进行测量，将测量结果发送给所述接收端。
具体的，第三方首先接收发送端发送的第一光子序列，同时接收从接收端发送的第三光子序列，第一光子序列和第三光子序列中各自包含M+N个光子，对这些光子做M+N次配对，同时做M+N次Bell基联合测量，并公布测量结果，测量结果可以通过常规广播信道向发送端和接收端进行发送。
发送端和接收端在收到测量结果后，在确认了第三方按要求执行了相关操作并公布正确结果之后，发送端会向第三方发送加载了信息的序列L2，同时接收端会向第三方发送随机加载σz操作后的光子序列L4，第三方将序列L2和序列L4进行配对后，进行Bell基联合测量，并将序列L2和序列L4的测量结果发送给接收端。
在上述实施例的基础上，若所述发送端和所述接收端判断获知所述安全检测不通过，则终止本次通信。
具体的，当第三方对第一光子序列和第三光子序列匹配后进行测量获得的测量结果，在发送端和接收端都判断误码率过高，超过预设阈值的情况下，则可以判定第三方存在安全问题，终止本次通信。
在上述实施例的基础上，所述对所述第一光子序列和第三光子序列的光子进行配对并进行测量具体包括：将第一光子序列和第三光子序列的光子进行匹配后，进行M+N次Bell基联合测量，获得测量结果。
具体的，第三方在接收到第一光子序列和第三光子序列时，通过安全检测，具体过程中，将发送端的M+N个光子和接收方的M+N个光子配对做M+N次贝尔基联合测量，并且通过经典广播信道按对应顺序公布测量结果。
第一光子序列和第三光子序列两方都是单光子进而进行Bell基测量的情况下，单光子极化的不同将导致不同的探测结果。例如探测结果为|ψ->的情况下，意味着发送端和接收端制备的单光子极化是相互正交的。记|0>和|+>代表0，|1>和|->代表1。则根据测量结果，并进行比特翻转操作，发送端和接收端将会生成一段相同的随机数密钥，该过程为MDI-QKD过程。发送端和接收端可以通过公布单光子位置确定用于生成密钥的测量结果，随后发送端和接收端公布并比对密钥，从而可以对第三方进行安全检测，判断是否存在窃听。
在上述实施例的基础上，所述对所述第二光子序列和第四光子序列的光子进行配对并进行测量，具体包括：将第二光子序列和第四光子序列的光子进行匹配后，进行Bell基联合测量，获得信息传输测量结果。
具体的，将发送端的第二光子序列中的光子和接收方的第四光子序列中的光子配对并进行贝尔基联合测量，将测量结果发送给接收端。
在上述实施例的基础上，所述发送端和所述接收端还用于，
若判断获知所述安全检测通过，将所述光子序列L2和所述光子序列L4中无法实现纠缠转移的光子从光子序列中移除，将所述光子序列L2中剩余的光子构成第二光子序列，将所述光子序列L4中剩余的光子构成第四光子序列。
具体的，在第三方对第一光子序列和第三光子序列进行测量时，由于纠缠转移(Entanglement swapping),发送端和接收端中的部分光子将纠缠起来，具体关系如下：
Figure BDA0001646254880000111
Figure BDA0001646254880000112
Figure BDA0001646254880000113
Figure BDA0001646254880000114
如果安全性检测通过，则进行下一步，发送端和接收端去除无法实现纠缠转移的位置上的光子，随后将剩下的光子序列分布记为第二光子序列和第四光子序列。
随后，发送端对初始状态为|ψ+>的光子进行σz操作，该操作相当于把第二光子序列中光子的初始状态统一为|ψ->，此时，第二光子序列中的光子和第四光子序列中的光子的具体所处的Bell态只有接收端知道。发送端在第二光子序列上，可以使用四种操作加载通信信息，四种操作具体形式为U0＝I，U1＝σx，U2＝iσy，U3＝σz。
在上述实施例的基础上，所述接收端还用于，根据所述第四光子序列的序列信息，对所述信息传输测量结果进行解码，获取所述发送端在所述第二光子序列中加载的信息。
具体的，在安全检测通过后，接收端对光子序列L4中的光子随机加载σz操作，随后将光子序列L4发送给第三方，第三方在接收到加载了信息的光子序列L2和光子序列L4后，进行联合测量，并将测量结果发送给接收端，接收端根据测量结果，利用自身加载的随机操作的信息，对测量结果进行解码，从而获得发送端在光子序列L2中加载的信息。
在本发明的另一实施例中，可以使用只能区分|ψ+>和|ψ->的线性光学器件来实现Bell态测量。该方法并不影响系统的安全性检测。此外，加载信息步骤中，发送端可以使用的操作变为U0和U3，传输的信息量变为1bit。
具体的系统结构如图2所示，其中，各附图标记具体为，A：发送方，B：接收方，C：第三方，21：光源(纠缠光源与单光子源)，22：量子存储，23：波晶片，24：光线分束器(BS)，25：量子信道，26：极化分束器(PBS)，27：光子探测器(SPD)。
A和B分别制备光子序列SA,SB,SC和SD，发送SC,SD给C，C公布测量结果，测量结果只有|ψ+>和|ψ->有效。
去除SA和SB中无法实现纠缠转移的光子，构建MA和MB，A加载信息使用的操作为U0＝I，U3＝σz，B加载随机σz操作，把MA和MB发送给C进行测量。
利用C的探测结果，B进行解码，获取A要传递的信息，完成通信过程。
在具体实施中，发送方A利用光源21制备纠缠光子对序列L1和L2，同时在L1中混入21制备的单光子序列。接收方B利用21制备纠缠光子对序列L3和L4，同时在L3中混入21制备的单光子序列。第三方C的光线分束器24，极化分束器26和光子探测器27共同组成Bell基测量装置。发送方A将序列L1通过量子信道25发送给第三方C的24，接收方B将序列L3通过25发送给第三方C的24，L1和L3同时到达24，发生光学干涉，干涉光将从24的两个出口中的一个出射，进入极化分束器26，具体的出射方向取决于光子的具体状态。进入26的光子将根据极化方向的不同，在26处发生透射或反射，进而从26的两个出口中的一个出射，进入光子探测器27。27的不同探测结果响应意味着不同的探测结果。L2和L4在发送给第三方之前，存储在量子存储22中。安全性检测通过后，A和B通过波晶片23对光子进行加载信息等操作，之后A和B各自把L2和L4发送给C进行测量，完成通信过程。
其中，A和B中的光源部分可以使用单光子源，即能够发射单光子的物理器件。包括基于量子点及类似系统的单光子源，以及可预报式单光子源。除了单光子源，还可以考虑使用弱脉冲激光器。利用弱脉冲激光替代单光子，相应的激光器制作技术目前已经比较成熟。纠缠光源的产生可以使用单光子源泵浦非线性晶体，可以利用但不限于自发参量下转换过程产生纠缠光源。以上提到的光源其发射速率可以依据实际通信需求进行调整。
量子信道指方案执行过程中光子传输的信道。根据光量子具体编码维度的不同，可以采用不同的物理介质来传输。如果使用偏振编码(即编码在光子极化维度上)，则一般选择自由空间(如大气、外太空)；如果使用相位编码(即编码在光子相位维度上)，则一般选择光纤传输(单模光纤、保偏光纤等)。也可以使用上述两种传输介质的结合，在整个协议执行过程中的光路里，同时包含上述两种介质。
经典信道指方案执行过程中一些必要的信息交互，如光子基矢、极化、操作完成与否、测量结果、通信方与第三方两两之间的时间同步信息等，一般使用电信号进行传输。但是也可以利用经典光通信，使用光来进行传输。或者使用两者结合的方式，即部分信号使用电传输，部分信号使用光传输。如果使用光传输，还可以使用波分复用或时分复用技术。例如，同步信号使用光来传输，则可以考虑使得同步光和信号光在同一个信道中传输，利用复用技术区分二者，实现所需的功能。
探测模块的具体实现一般使用单光子探测器(single photon detector，SPD)。可以用于本方案的单光子探测器包括但不限于硅探测器、雪崩二极管探测器以及超导探测器等。
本通信方案执行过程中，需要对光子进行操作的部分称为光量子调控模块。在执行过程中，为等待安全性检测结果，需要对光子序列存储一定时间，待到相应执行步骤的前置步骤完成后再将光子发出。主要包括以下几个部分。
一，光子基矢选择与状态选择，该部分要求实现X基与Z基的选择，光子在各自基矢下正交状态的制备等。其中X基指处于|+>和|->的单光子，Z基指处于|+>和|->的单光子。相关功能可以通过光学器件实现。如光线分束器、偏振分束器、波晶片、相位调制器等等。
二、Bell测量的前置操作，探测模块的单光子探测器只能区分入射光子数和光子的有无，为了使得探测结果具有信息表达意义，一般需要将光子提前进行一些前置操作，使得其探测结果能够被不同探测器区分。例如区分不同极化的光子态|0>和|1>，可以使得光子经过一个偏振分束器，偏振分束器后置两个单光子探测器。不同的光子态将进入不同路径，并进入不同单光子探测器，实现0和1的区分。该部分前置操作主要依赖于光学器件，如光线分束器、偏振分束器、波晶片、偏振控制器、相位调制器、移相器、环形器等等。
光子的存储技术一般较为简单的实现方案是使用一定长度的光纤引入系统延时，使得通信方案执行过程中各步骤之间时序正确。此外还可以通过把光子(如纠缠光子对)存储信息转移到退相干时间较长的一些物理系统中存储起来，在需要使用时将其信息提取出来恢复为光量子载体，进入实际执行程序中。
除了以上阐述的实现方案外，实际方案执行过程中还需要配套的电路控制部分，一般使用FPGA作为主控电路，辅以相应的配套电路实现通信方案目标功能。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种测量设备无关的量子安全直接通信系统，其特征在于，包括：
发送端，用于制备第一光子序列和第二光子序列，所述第一光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第二光子序列用于加载信息，并发送给第三方以完成通信；
接收端，用于制备第三光子序列和第四光子序列，所述第三光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第四光子序列用于发送给第三方与所述第二光子序列进行测量，通过接收第二光子序列和第四光子序列的测量结果，以完成通信；
第三方，用于接收所述第一光子序列和第三光子序列，对所述第一光子序列和第三光子序列进行测量，并公布测量结果，同时用于接收第二光子序列和第四光子序列，并对所述第二光子序列和第四光子序列进行测量，将所述第二光子序列和第四光子序列的测量结果发送给接收方；
其中，所述第一光子序列中包含与所述第二光子序列中的光子相互纠缠的光子，所述第三光子序列中包含与所述第四光子序列中的光子相互纠缠的光子，所述相互纠缠的光子成对；所述第一光子序列和所述第三光子序列的序列长度相同，所述第二光子序列和所述第四光子序列的序列长度相同。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制备第一光子序列和第二光子序列，所述第一光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第二光子序列用于加载信息，并发送给第三方以完成通信具体包括：
制备处于纠缠态的光子序列L1和L2，序列长度为N，在所述光子序列L1中随机加入M个单光子，构成第一光子序列，将所述第一光子序列发送给第三方，并将所述第一光子序列的序列信息发送给接收端；
接收所述第三方的测量结果和接收端发送的第三光子序列的序列信息，并根据所述第三光子序列的序列信息和所述第三方的测量结果，对所述第三方进行安全检测；
若判断获知所述安全检测通过，则将所述光子序列L2中的光子加载第一操作，将所述光子序列L2中所有光子的初始状态统一为第一状态，并在所述光子序列L2中加载信息，并将加载信息后的光子序列L2发送给所述第三方；
其中光子序列L2即为第二光子序列；其中，M和N均为正整数。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制备第三光子序列和第四光子序列，所述第三光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第四光子序列用于发送给第三方与所述第二光子序列进行测量，通过接收第二光子序列和第四光子序列的测量结果，以完成通信具体包括：
制备处于纠缠态的光子序列L3和L4，序列长度为N，在所述光子序列L3中随机加入M个单光子，构成第三光子序列，将所述第三光子序列发送给第三方，并将所述第三光子序列的序列信息发送给发送端；
接收所述第三方的测量结果和接发送端发送的第一光子序列的序列信息，并根据所述第一光子序列的序列信息和所述第三方的测量结果，对所述第三方进行安全检测；
若判断获知所述安全检测通过，则将所述光子序列L4中的光子随机加载第一操作，并将随机加载了第一操作的光子序列L4发送给所述第三方，并接收所述第三方对第二光子序列和第四光子序列的测量结果；
其中，所述光子序列L4即为第四光子序列，其中，M和N均为正整数。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述接收所述第一光子序列和第三光子序列，对所述第一光子序列和第三光子序列进行测量，并公布测量结果，同时用于接收第二光子序列和第四光子序列，并对所述第二光子序列和第四光子序列进行测量，将所述第二光子序列和第四光子序列的测量结果发送给接收方具体包括：
接收所述发送端发送的第一光子序列和接收端发送的所述第三序列，对所述第一光子序列和第三光子序列的光子进行配对并进行测量，将测量结果发送给所述发送端和所述接收端；
接收所述发送端发送的第二光子序列和接收端发送的所述第四光子序列，对所述第二光子序列和第四光子序列的光子进行配对并进行测量，将测量结果发送给所述接收端。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发送端和所述接收端还用于，若判断获知所述安全检测不通过，则终止本次通信。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述对所述第一光子序列和第三光子序列的光子进行配对并进行测量具体包括：将第一光子序列和第三光子序列的光子进行匹配后，进行M+N次Bell基联合测量，获得测量结果。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述对所述第二光子序列和第四光子序列的光子进行配对并进行测量，具体包括：将第二光子序列和第四光子序列的光子进行匹配后，进行Bell基联合测量，获得信息传输所述的测量结果。
8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述制备第三光子序列和第四光子序列，所述第三光子序列用于发送给第三方并进行安全检测，所述第四光子序列用于发送给第三方与所述第二光子序列进行测量，通过接收第二光子序列和第四光子序列的测量结果，以完成通信具体包括：
制备处于纠缠态的光子序列L3和L4，序列长度为N，在所述光子序列L3中随机加入M个单光子，构成第三光子序列，将所述第三光子序列发送给第三方，并将所述第三光子序列的序列信息发送给发送端；
接收所述第三方的测量结果和接发送端发送的第一光子序列的序列信息，并根据所述第一光子序列的序列信息和所述第三方的测量结果，对所述第三方进行安全检测；
若判断获知所述安全检测通过，则将所述光子序列L4中的光子随机加载第一操作，并将随机加载了第一操作的光子序列L4发送给所述第三方，并接收所述第三方对第二光子序列和第四光子序列的测量结果；
其中，所述光子序列L4即为第四光子序列，其中，M和N均为正整数；
所述接收所述第一光子序列和第三光子序列，对所述第一光子序列和第三光子序列进行测量，并公布测量结果，同时用于接收第二光子序列和第四光子序列，并对所述第二光子序列和第四光子序列进行测量，将所述第二光子序列和第四光子序列的测量结果发送给接收方具体包括：
接收所述发送端发送的第一光子序列和接收端发送的所述第三序列，对所述第一光子序列和第三光子序列的光子进行配对并进行测量，将测量结果发送给所述发送端和所述接收端；
接收所述发送端发送的第二光子序列和接收端发送的所述第四光子序列，对所述第二光子序列和第四光子序列的光子进行配对并进行测量，将测量结果发送给所述接收端；
所述发送端和所述接收端还用于：
若判断获知所述安全检测通过，将所述光子序列L2和所述光子序列L4中无法实现纠缠转移的光子从光子序列中移除，将所述光子序列L2中剩余的光子构成第二光子序列，将所述光子序列L4中剩余的光子构成第四光子序列。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述接收端还用于，根据所述第四光子序列的序列信息，对所述信息传输测量结果进行解码，获取所述发送端在所述第二光子序列中加载的信息。
CN201810403333.7A 2018-04-28 2018-04-28 一种测量设备无关的量子安全直接通信系统 Active CN108540281B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810403333.7A CN108540281B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种测量设备无关的量子安全直接通信系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810403333.7A CN108540281B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种测量设备无关的量子安全直接通信系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108540281A CN108540281A (zh) 2018-09-14
CN108540281B true CN108540281B (zh) 2020-06-09

Family

ID=63476009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810403333.7A Active CN108540281B (zh) 2018-04-28 2018-04-28 一种测量设备无关的量子安全直接通信系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108540281B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109462473A (zh) * 2018-10-30 2019-03-12 成都华安永信信息技术有限公司 一种量子秘密信息平等互换方法及系统
CN110401494B (zh) * 2019-08-30 2020-11-24 北京邮电大学 高维子空间上的测量设备无关的量子安全直接通信方法
CN111092664B (zh) * 2019-12-06 2022-02-11 南京邮电大学 一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法
CN111181633B (zh) * 2020-01-22 2022-02-01 南京邮电大学 一种时间-极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法
CN112491536B (zh) * 2020-11-05 2022-03-18 清华大学 量子密钥分发方法、装置和系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103441819A (zh) * 2013-08-28 2013-12-11 北京航空航天大学 基于epr对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置
CN107222307A (zh) * 2017-06-06 2017-09-29 西北大学 一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103297226B (zh) * 2013-06-03 2016-03-23 浙江工商大学 一种无信息泄露的受控双向量子安全直接通信方法
CN103281176B (zh) * 2013-06-03 2016-01-20 浙江工商大学 基于利用纠缠交换测量相关性和降低传输效率的无信息泄露受控量子对话方法
US9696133B2 (en) * 2014-08-14 2017-07-04 Kabushiki Kaisha Toshiba Interference system and an interference method
CN104753935A (zh) * 2015-03-23 2015-07-01 电子科技大学 一种多体量子隐私比较协议的验证方法
GB2546514B (en) * 2016-01-20 2020-03-25 Toshiba Res Europe Limited Quantum communication system and method
US10333701B2 (en) * 2016-02-29 2019-06-25 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Reconfigurable free-space quantum cryptography system
CN106712940B (zh) * 2016-12-28 2022-11-25 清华大学 一种测量与设备无关的量子密钥分发系统及方法
CN107359985B (zh) * 2017-05-27 2020-06-05 西北大学 一种基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103441819A (zh) * 2013-08-28 2013-12-11 北京航空航天大学 基于epr对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置
CN107222307A (zh) * 2017-06-06 2017-09-29 西北大学 一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Measurement-device-independent quantum communication without encryption》;Peng-Hao Niu et al.;《Science Bulletin》;20180915;第63卷(第20期);全文 *
《W-state Analyzer and Multi-party Measurement-device-independent Quantum Key Distribution》;Changhua Zhu et al.;《SCIENTIFIC REPORTS》;20151208;全文 *
《量子安全直接通信》;邓富国等;《北京师范大学学报（自然科学版）》;20161231;第52卷(第6期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108540281A (zh) 2018-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108540281B (zh) 一种测量设备无关的量子安全直接通信系统
JP6602410B2 (ja) 光量子通信システム
Xu et al. Experimental quantum key distribution with source flaws
JP5558579B2 (ja) 量子通信システムおよび方法
US10848303B2 (en) Methods and apparatuses for authentication in quantum key distribution and/or quantum data communication
US8374350B2 (en) Quantum communication system
US11411724B2 (en) Continuous variable quantum secret sharing
CN105897411B (zh) 用于量子密码通信的方法和设备
US11095439B1 (en) Systems and methods for centralized quantum session authentication
KR102063031B1 (ko) 단일 큐빗을 이용한 양자 직접 통신 장치 및 방법
KR20110057448A (ko) 사용자 인증 양자 키 분배 방법
Pljonkin Vulnerability of the synchronization process in the quantum key distribution system
JP6708062B2 (ja) 量子鍵配送システム
US11240013B1 (en) Systems and methods for passive quantum session authentication
CN108683461B (zh) 一种基于单光子的测量设备无关量子通信系统
US11190349B1 (en) Systems and methods for providing randomness-as-a-service
EP4047863A1 (en) Quantum communications system using pulse divider and associated methods
JP5475837B2 (ja) 光パルス発生装置
JP6257042B2 (ja) 量子鍵配送システムおよび量子鍵配送方法
Gilbert et al. Secrecy, computational loads and rates in practical quantum cryptography
KR102148861B1 (ko) 인증 큐빗을 통한 인증 방법 및 이를 이용하는 양자 통신 시스템
US10728029B1 (en) Systems and methods for multi-server quantum session authentication
Jacak et al. Quantum cryptography: Theoretical protocols for quantum key distribution and tests of selected commercial qkd systems in commercial fiber networks
US11502758B2 (en) Communications system using pulse divider and associated methods
KR102251540B1 (ko) 제3자 없이 수행할 수 있는 상호 양자 개체 인증 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant