CN108696321B - 基于连续变量的两步量子安全直接通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于连续变量的两步量子安全直接通信方法，包括：发送方随机选择压缩算符S(r)制备双模压缩态光S_AS_B，将检测光S_B发送给接收方进行信道检测和身份认证；确认信道安全并完成身份认证后；发送方采用块传输将信息编码在信号光S_A上并发送给接收方，接收方通过比对信息块中的检测比特从而恢复出原始信息序列。本发明在信道检测阶段同时完成身份认证，可以有效避免中间人攻击；信息传输阶段，接收方通过检测比特判断是否存在窃听，并且通过联合测量，在光束的振幅和相位上均可得到秘密消息，其通信效率可以达到100％。

Description

基于连续变量的两步量子安全直接通信方法

技术领域

本发明属于量子安全通信技术领域，具体涉及一种基于连续变量的两步量子安全直接通信方法。

背景技术

量子通信利用量子力学原理进行信息传输和处理，具有高安全、高容量等优点。量子安全直接通信在量子信道中直接传输秘密信息，是一种新式的量子通信模式，近年来得到了迅速的发展。

“Yuan L,Ji C,Ji S,et al.Continuous Variable Quantum Secure DirectCommunication in Non-Markovian Channel[J].International Journal ofTheoretical Physics,2015,54(6):1968-1973.”提出了一种非马尔科夫信道下基于双模连续变量相关性的连续变量量子安全直接通信协议。该方案利用两组高斯连续变量在合法通信方之间传输消息，且该方案仅通过对比发送方双模光的纠缠度和接收方双模光的纠缠度来保证安全性，可以有效抵御不同环境下的高斯克隆攻击。

“王朝,刘建伟,刘潇,et al.A Novel Deterministic Secure QuantumCommunication Scheme with Einstein–Podolsky–Rosen Pairs and Single Photons[J].Communications in Theoretical Physics,2013,60(10):397-404.”提出了一个基于Bell态和单光子的量子安全直接通信方案，该方案采用离散变量且通过两步传输将信息发送到接收方。在理想信道下，该方案可以抵抗截取重发攻击、纠缠测量攻击在内的各种攻击。该方案除检查窃听的诱骗粒子外，所有粒子都用来传输秘密信息，但其通信效率为50％。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于连续变量的两步量子安全直接通信方法，解决现有技术中通信效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于连续变量的两步量子安全直接通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，发送方随机选择双模压缩算符S(r)作用于真空态|0>₁、|0>₂，得到双模压缩态光S_A、S_B；

步骤2，发送方保留双模压缩态光S_A、S_B中的S_A，并将S_B发送给接收方；

步骤3，发送方以时间间隙t_A对S_A的振幅或相位进行测量，得到第一次S_A的测量结果；

步骤4，发送方发送的S_B经信道传输后，接收方接收到S_B′，选取与步骤3相同的时间间隙t_A对S_B′的振幅或相位进行测量，得到第一次S_B′的测量结果，并与步骤3得到的S_A的测量结果进行对比，若第一次S_B′的测量结果与第一次S_A的测量结果的纠缠度不变或未超过预设的错误门限，则接收方相信发送方和量子信道，执行步骤5；否则，放弃此次通信；

步骤5，接收方随机选择时间间隙t_B测量S_B′的振幅或相位，得到第二次S_B′的测量结果；

步骤6，发送方选取与步骤5相同的时间间隙t_B测量S_A的振幅或相位，得到第二次S_A的测量结果，并与步骤5得到的第二次S_B′的测量结果进行对比，若第二次S_B′的测量结果与第二次S_A的测量结果的纠缠度不变或未超过预设的错误门限，则发送方相信接收方和量子信道，执行步骤7；否则，放弃此次通信；

步骤7，发送方将秘密信息分块编码在S_A振幅和相位上，产生态S_Info，并将态S_Info发送给接收方；

步骤8，发送方发送的态S_Info经信道传输后，接收方接收到S_I′_nfo，对S_I′_nfo和S_B′做联合测量，得到带有检测比特的秘密信息；

步骤9，若接收方接收到的带有检测比特的秘密信息中的检测比特以及检测比特所在信息序列块中的位置相同，则接收方删掉信息序列块对应位置上的检测比特，得到信息序列块。

进一步地，所述步骤1中发送方随机选择双模压缩算符S(r)作用于真空态|0>₁、|0>₂，通过式(1)得到双模压缩态光S_A、S_B：

式(1)中，r是压缩系数，|0>₁、|0>₂分别表示真空态；

分别为|0>₁、|0>₂的厄米共轭；cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数。

所述步骤7中发送方将秘密信息分块编码在S_A振幅和相位上，包括：

发送方将秘密信息分成m块信息序列块，并在每块信息序列块中随机插入检测比特；

将码重为奇数的信息序列块编码在S_A的振幅上，将码重为偶数的信息序列编码块在S_A的相位上。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

1.本发明所使用的连续变量信号，其压缩系数在一定范围内，模间纠缠度随压缩系数的增大而增大，能够很好满足量子通信对模间纠缠度的要求。

2.本发明在信道检测阶段，同时完成了发送方和接收方的身份认证，可以有效地避免中间人攻击，提升了方案的安全性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法的框图。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

本发明采用的量子态为连续变量，由于双模压缩纠缠态其压缩系数在一定范围内，模间纠缠度随压缩系数的增大而增大，能够很好满足量子通信对模间纠缠度的要求。本发明中的发送方没有借助纠缠交换，而是将信息直接编码在纠缠光场的振幅或者相位发送给合法接收方，而接收方只有在散粒噪声方差安全范围内才恢复原始信息。因此本发明是无条件安全的，且根据通信效率的计算和分析，可以证明它优于现有技术。

实施例1：

本实施例提供了一种基于连续变量的两步量子安全直接通信方法，本实施例假定Alice和Bob分别为量子通信过程中合法的发送方和接收方，如图1、图2所示，包括以下步骤：

步骤1，发送方Alice随机选择双模压缩算符S(r)作用于真空态|0>₁、|0>₂，得到双模压缩态光S_A、S_B；

步骤1中发送方随机选择双模压缩算符S(r)作用于真空态|0>₁、|0>₂，通过式(1)得到双模压缩态光S_A、S_B：

式(1)中，r是压缩系数，|0>₁、|0>₂分别表示真空态；

分别为|0>₁、|0>₂的厄米共轭；

为双模压缩变换；a₁、a₂为产生算符；

为湮灭算符；cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数。

步骤2，发送方Alice保留双模压缩态光S_A、S_B中的S_A，并将S_B发送给接收方Bob；

其中，双模压缩态光中的S_A为信息光，S_B为检测光。

步骤3，发送方Alice随机选择时间间隙t_A对S_A的振幅或相位进行测量，得到第一次S_A的测量分量和测量结果；

步骤4，发送方Alice发送的S_B经信道传输后，接收方Bob接收到S_B′，选取与步骤3相同的时间间隙t_A对S_B′的振幅或相位进行测量，得到第一次S_B′的测量分量和测量结果，并与步骤3得到的S_A的测量结果进行对比，若第一次S_B′的测量结果与第一次S_A的测量结果的纠缠度不变或未超过预设的错误门限，则接收方Bob相信发送方和量子信道，执行步骤5；否则，放弃此次通信；

步骤5，接收方Bob随机选择时间间隙t_B测量S_B′的振幅或相位，得到第二次S_B′的测量分量及测量结果；

步骤6，发送方Alice选取与步骤5相同的时间间隙t_B测量S_A的振幅或相位，得到第二次S_A的测量分量和测量结果，并与步骤5得到的第二次S_B′的测量结果进行对比，若第二次S_B′的测量结果与第二次S_A的测量结果的纠缠度不变或未超过预设的错误门限，则发送方Alice相信接收方和量子信道，执行步骤7；否则，放弃此次通信；

步骤7，若上述条件都满足，则可说明该信道安全。

发送方Alice将秘密信息分块编码在S_A振幅和相位上，产生态S_Info，并将态S_Info发送给接收方Bob；

本实施例的步骤7中发送方将秘密信息分块编码在S_A振幅和相位上，编码规则包括：

发送方将秘密信息分成m块信息序列，并在每块信息序列块中随机插入检测比特；

将码重为奇数的信息序列块编码在S_A的振幅A上，将码重为偶数的信息序列块编码在S_A的相位φ上。

在复平面上对应于正则位置X和正则动量P，即：

由于检测比特的存在，信息序列转变为随机序列，因而窃听者得不到任何秘密信息。

步骤8，发送方Alice发送的态S_Info经信道传输后，接收方Bob接收到S_I′_nfo，对S_I′_nfo和S_B′做联合测量，得到带有检测比特的秘密信息；

联合测量结果表示为：

其中，x_u表示振幅的联合测量结果，p_u表示相位的联合测量结果。

步骤9，若接收方接收到的带有检测比特的秘密信息中的检测比特以及检测比特所在信息序列块中的位置相同，则接收方删掉信息序列块对应位置上的检测比特，得到信息序列块，并继续通信；否则，放弃此次通信或者重新发送该信息块。

Claims (1)

1.一种基于连续变量的两步量子安全直接通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，发送方随机选择压缩系数r，通过双模压缩算符S(r)作用于真空态|0＞₁、|0＞₂，得到双模压缩态光S_A、S_B；

步骤2，发送方保留双模压缩态光S_A、S_B中的S_A，并将S_B发送给接收方；

步骤3，发送方以时间间隙t_A对S_A的振幅或相位进行测量，得到第一次S_A的测量结果；

步骤4，发送方发送的S_B经信道传输后，接收方接收到S_B′，选取与步骤3相同的时间间隙t_A对S_B′的振幅或相位进行测量，得到第一次S_B′的测量结果，并与步骤3得到的S_A的测量结果进行对比，若第一次S_B′的测量结果与第一次S_A的测量结果的纠缠度不变或未超过预设的错误门限，则接收方相信发送方和量子信道，执行步骤5；否则，放弃此次通信；

步骤5，接收方随机选择时间间隙t_B测量S_B′的振幅或相位，得到第二次S_B′的测量结果；

步骤6，发送方选取与步骤5相同的时间间隙t_B测量S_A的振幅或相位，得到第二次S_A的测量结果，并与步骤5得到的第二次S_B′的测量结果进行对比，若第二次S_B′的测量结果与第二次S_A的测量结果的纠缠度不变或未超过预设的错误门限，则发送方相信接收方和量子信道，执行步骤7；否则，放弃此次通信；

步骤7，发送方将秘密信息分成若干块，并在每个信息块中插入检测比特，然后依照每个信息块的码重将其编码在S_A的振幅或相位，产生态S_Info，并将态S_Info发送给接收方；

步骤8，发送方发送的态S_Info经信道传输后，接收方接收到S′_Info，对S′_Info和S_B′做联合测量，得到带有检测比特的秘密信息；

步骤9，若接收方接收到的带有检测比特的秘密信息中的检测比特以及检测比特所在信息序列块中的位置相同，则接收方删掉信息序列块对应位置上的检测比特，得到信息序列块；

所述步骤1中发送方随机选择压缩系数r，通过双模压缩算符S(r)作用于真空态|0＞₁、|0＞₂，通过式(1)得到双模压缩态光S_A、S_B：

式(1)中，r是压缩系数，|0＞₁、|0＞₂分别表示真空态；

分别为|0＞₁、|0>₂的厄米共轭；cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数；

所述步骤7中发送方将秘密信息分成若干块，并在每个信息块中插入检测比特，然后依照每个信息块的码重将其编码在S_A的振幅或相位，包括：

发送方将秘密信息分成m块信息序列块，并在每块信息序列块中随机插入检测比特；

将码重为奇数的信息序列块编码在S_A的振幅上，将码重为偶数的信息序列编码块在S_A的相位上。

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