CN108768623A - 一种基于5粒子Brown态传输4粒子态的量子隐形通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5粒子Brown态传输4粒子态的量子隐形通信方法，发送方Alice制备量子态信道，发送方Alice通过所述的量子态信道将携带秘密信息序列G的4粒子|W_ijkl＞_1,2,3,4态传送给接收方Bob，其中所述的量子态信道由5粒子Brown态组成，在通信过程中发送方保留1个量子比特，可以进行4个量子比特的通信交换，从而实现5个经典比特秘密信息的传输。同时，采用二进制密集编码的方式实现5比特秘密信息传输，本发明提供的通信方法通信效率达到33％，在通信过程中能够有效防止信息在传输过程的窃听攻击。

Description

一种基于5粒子Brown态传输4粒子态的量子隐形通信方法

技术领域

本发明涉及一种量子隐形通信方法，具体涉及一种基于5粒子Brown态传输4粒子态的量子隐形通信方法。

背景技术

自Bennet等六人首次提出量子隐形传态思想之后，量子隐形传输成为了量子通信领域重要的研究对象中的一个，人们陆续地提出许多不同实验上可行的方案传送未知粒子态，例如：非最大纠缠信道下的粒子态隐形传输，多能级单粒子态的隐形传输，多粒子态的隐形传输，连续变量的隐形传输，相干态的隐形传输等。

现有技术提出了确定性安全量子通信协议，其中一种使用5个量子比特的Brown态，为保证信息的安全传输，使用多粒子隐形传态技术以2个量子比特或者3个量子比特为单位进行信息传输。在该方案中，对应5粒子Brown态仅传输3粒子态，传输效率为21.43％。另外，现有技术还提出以Brown态作为纠缠信道，提出两种针对可控远程态制备的方案。该方案中，对应关系为5粒子Brown态传输2粒子态，传输效率为达到27.28％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于5粒子Brown态传输任意4粒子态的量子隐形通信方法，用以解决现有技术中量子隐形通信方法信息通信效率不高等问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于5粒子Brown态传输4粒子态的量子隐形通信方法，发送方Alice制备量子态信道，发送方Alice通过所述的量子态信道将携带秘密信息序列G的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态传送给接收方Bob，其中所述的量子态信道由5粒子Brown态组成。

进一步地，所述的秘密信息序列G的长度为L个量子比特，其中L为5的倍数，包括以下步骤：

步骤1、制备量子态信道，发送方Alice制备5粒子Brown态{S₁,S₂,…,S_m,…,S_M}，其中S_m由5个Brown态粒子P_mγ组成，其中{m|m∈(1,2,3,…,M)}表示粒子P_mγ在M组5粒子Brown态中的位置，γ∈{a,b,c,d,e|a,b,c,d,e∈N}，发送方Alice将1个序列T_γ＝{P_mγ|m＝(1,2,…,M)、γ＝a或b或c或d或e}保留，将其余4个序列发送给接收方Bob；

步骤2、检测信道安全，发送方Alice利用所述的M组5粒子Brown态中的任意多组进行粒子测量，根据测量结果的正确率确定所述的量子态信道是否安全，若正确率小于阈值，则量子态信道不安全，结束本次通信；若正确率大于阈值，则量子态信道安全，执行步骤3；

步骤3、发送秘密信息，发送方Alice根据秘密信息序列G选择测量基，采用选择的测量基对处于|W_ijkl>_1,2,3,4态的4个粒子与序列T_γ中任意1个未测量过的粒子P_mγ进行5粒子联合测量，发送方Alice将5粒子联合测量结果以及被测量的粒子P_mγ的位置{m}发送给接收方Bob；

步骤4、接收秘密信息，接收方Bob在其持有的4个粒子序列的相应位置{m}寻找4个Brown态粒子所塌缩的态，接收方Bob根据所述的5粒子联合测量结果选择对应的幺正变换，采用选择的幺正变换对所述4个Brown态粒子所塌缩的态进行变换，获得4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4量子态；

步骤5，恢复秘密信息，接收方Bob根据获得的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4量子态与秘密信息序列G的对应关系，恢复发送方Alice传送的秘密信息序列G。

进一步地，所述的步骤1中，发送方Alice准备的5粒子Brown态表示为：

其中， 分别表示四种Bell态。

进一步地，所述的步骤2、信道安全检测，具体包括：

步骤21、发送方Alice随机选取其保留的序列T_γ中的多个粒子P_mγ分别进行单粒子测量，将被测量粒子P_mγ的位置{m}通过经典信道传送给接收方Bob；

步骤22、接收方Bob对其保留的4个序列在相应位置{m}进行4粒子联合测量，将4粒子联合测量结果通过经典信道发送给发送方Alice；

步骤23、发送方Alice根据接收方Bob传回的4粒子联合测量结果与发送方Alice的单粒子测量结果进行对比，计算接收方Bob的4粒子联合测量的正确率，若正确率大于等于阈值n，代表当前信道安全，执行步骤3，若正确率小于阈值n，代表当前信道不安全，结束本次通信，其中0<n<1。

进一步地，所述的步骤3、秘密信息发送，具体包括：

步骤31、发送方Alice将所述的秘密信息序列G拆分成多个长度为5个量子比特的单位序列g；

步骤32、发送方Alice建立单位序列g与测量基的对应关系表；

步骤33、发送方Alice在所述的单位序列g与测量基的对应关系表选择所述秘密信息序列G中每一个单位序列g对应的测量基；

步骤34、发送方Alice制备多组5粒子集，所述的5粒子集包括处于4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的4个粒子与序列T_γ中任意1个未测量过的粒子P_mγ；

步骤35、发送方Alice利用选择的测量基对所述的5粒子集进行5粒子联合测量，直至将所有选择的测量基使用一遍，执行步骤36；

步骤36、发送方Alice将5粒子联合测量结果以及被测量粒子P_mγ的位置{m}通过经典信道发送给接收方Bob。

进一步地，所述的步骤4、接收秘密信息，具体包括：

步骤41、接收方Bob在其持有4个序列的位置{m}上寻找与每一个被测量粒子P_mγ相应的4个Brown态粒子所塌缩的态；

步骤42、接收方Bob建立5粒子联合测量结果与幺正变换形式的对应关系表；

步骤43、接收方Bob在所述5粒子联合测量结果与幺正变换形式的对应关系表中选择与步骤36中获得的每一个5粒子联合测量结果相应的幺正变换形式；

步骤44、接收方Bob利用选择的每一个幺正变换形式对其对应的4个Brown态的粒子所塌缩的态进行幺正变换，在4个Brown态的粒子上还原所述4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态。

进一步地，所述的步骤5，恢复秘密信息，具体包括：

步骤51、接收方Bob建立4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与单位序列g的对应关系表；

步骤52、接收方Bob根据获得的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态，在4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与单位序列g的对应关系表中得到对应的秘密信息单位序列g；

步骤53、接收方Bob根据获得的单位序列g恢复发送方Alice传送的秘密信息序列G。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点:

本发明提供的量子隐形通信方法将最大纠缠Brown态作为量子态信道，实现了任意多粒子态的隐形传送。根据5粒子Brown态和任意4粒子态的对应关系，采用密集编码的方式，使得通信效率随着粒子数目的增多而最大。传输协议可以抵抗三种攻击，粒子仅在信道分发阶段传输一次，窃听者在此阶段的攻击不能获取任何秘密信息，从而保证了通信协议的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的量子隐形通信方法的流程图。

具体实施方式

4粒子态：该4粒子的状态是不确定的、任意的，当对4粒子态进行测量之后会得到4粒子精确态。

粒子测量：确定粒子所处的状态，经过测量后的粒子状态为精确的。

遵从上述技术方案，如图1所示，本发明公开了一种基于5粒子Brown态传输4粒子态的量子隐形通信方法，发送方Alice制备量子态信道，发送方Alice通过所述的量子态信道将携带秘密信息序列G的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态传送给接收方Bob，其中所述的量子态信道由5粒子Brown态组成。

本申请提供的量子隐形通信方法将最大纠缠Brown态作为量子态信道，实现了任意多粒子态的隐形传送。在通信过程中发送方Alice保留1个量子比特，可以进行4个量子比特的通信交换，从而实现5个经典比特秘密信息的传输。根据5粒子Brown态和4粒子态的对应关系，采用密集编码的方式，使得通信效率随着粒子数目的增多而呈现指数形式的增加。

可选地，发送方Alice制备量子态信道，发送方Alice通过所述的量子态信道将携带秘密信息序列G的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态传送给接收方Bob，其中所述的量子态信道由5粒子Brown态组成，包括以下步骤：

步骤1、制备量子态信道，发送方Alice制备5粒子Brown态{S₁,S₂,…,S_m,…,S_M}，其中S_m由5个Brown态粒子P_mγ组成，其中{m|m∈(1,2,3,…,M)}表示粒子P_mγ在M组5粒子Brown态中的位置，γ∈{a,b,c,d,e|a,b,c,d,e∈N}，发送方Alice将1个序列T_γ＝{P_mγ|m＝(1,2,…,M)、γ＝a或b或c或d或e}保留，将其余4个序列发送给接收方Bob；

在本步骤中，γ表示5个Brown态粒子P_mγ的序号，γ为1个自然数。

在本实施例中，发送方Alice向接收方Bob发送秘密信息序列G的长度为10位二进制数G＝{1001100010}。

在本实施例中，发送方Alice首先制备5粒子Brown态,其中M＝5，即m∈{1,2,3,4,5}，该5粒子Brown态为|B>_5,6,7,8,9＝{S₁,S₂,S₃,S₄,S₅}，其中S₁＝P₁₅,P₁₆,P₁₇,P₁₈,P₁₉,S₂＝P₂₅,P₂₆,P₂₇,P₂₈,P₂₉,S₃＝P₃₅,P₃₆,P₃₇,P₃₈,P₃₉S₄＝P₄₅,P₄₆,P₄₇,P₄₈,P₄₉,S₅＝P₅₅,P₅₆,P₅₇,P₅₈,P₅₉,即γ∈{5,6,7,8,9}，将其中一个Brown态的粒子6序列{P₁₆,P₂₆,P₃₆,P₄₆,P₅₆}＝T₆保留，其余Brown态的粒子{T₅,T₇,T₈,T₉}序列发送给Bob。

可选地，发送方Alice制备的5粒子Brown态为：

其中， 分别表示四种Bell态。

将该5粒子Brown态拆写为：

发送方Alice将Brown态的粒子6序列{P₁₆,P₂₆,P₃₆,P₄₆,P₅₆}＝T₆保留，将其余的{T₅,T₇,T₈,T₉}序列发送给Bob。

通过上式对5粒子Brown态的改写，将Brown态的粒子6序列T₆与其他粒子序列分离开。

步骤2、检测信道安全，发送方Alice利用所述的M组5粒子Brown态中的任意多组进行粒子测量，根据测量结果的正确率确定所述的量子态信道是否安全，若正确率小于阈值，则量子态信道不安全，结束本次通信；若正确率大于阈值，则量子态信道安全，执行步骤3；

在本步骤中，检测5粒子Brown态纠缠信道是否安全，若当前信道不安全，则结束本次通信，重新分配信道；若当前信道安全，则可以进行信息传送。

具体地，所述的步骤2、信道安全检测，包括以下步骤：

步骤21、发送方Alice随机选取其保留的序列T_γ中的多个粒子P_mγ分别进行单粒子测量，将被测量粒子P_mγ的位置{m}通过经典信道传送给接收方Bob；

其中被测量粒子P_mγ的位置{m}是指被测量粒子所在的序列的编号m，即一个粒子P_mγ的下标m，在本实施例中m∈{1,2,3,4,5}。

在本实施例中，发送方Alice选取其保留的Brown态的6粒子序列{P₁₆,P₂₆,P₃₆,P₄₆,P₅₆}＝T₆中的P₁₆,P₂₆进行单粒子测量，对单粒子P₁₆的测量结果为|0>，对单粒子P₂₆的测量结果为|1>，发送方Alice将P₁₆,P₂₆的位置{1,2}通过经典信道发送给接收方Bob。

步骤22、接收方Bob对其保留的4个序列在相应的位置{m}进行4粒子联合测量，将4粒子联合测量结果通过经典信道发送给发送方Alice；

在本实施例中，接收方Bob接收到由发送方Alice发来的位置{1,2}，对其保留的4粒子Brown态序列在相应的位置{P₁₅,P₁₇,P₁₈,P₁₉}以及{P₂₅,P₂₇,P₂₈,P₂₉}进行4粒子联合测量，对4粒子{P₁₅,P₁₇,P₁₈,P₁₉}进行联合测量的结果为|W₀₁₀₁>，对4粒子{P₂₅,P₂₇,P₂₈,P₂₉}联合测量的结果为|W₀₀₀₁>，接收方Bob将测量结果发送给发送方Alice。

步骤23、发送方Alice根据接收方Bob传回的4粒子联合测量结果与发送方Alice的单粒子测量结果进行对比，计算接收方Bob的4粒子联合测量的正确率，若正确率大于等于阈值，代表当前信道安全，执行步骤3，若正确率小于阈值，代表当前信道不安全，结束本次通信。

其中，所述的阈值根据对系统安全性的需求程度设定。

在本实施例中，根据5粒子Brown态的纠缠关系，准确的测量结果为其中，|W₀₁₀₁>|0>₆表示第6个粒子态为|0>时，5,7,8,9粒子态应为|W₀₁₀₁>，|W₀₀₀₀>|1>₆表示6粒子态为|1>时，5,7,8,9粒子态为|W₀₀₀₀>。

而在本实施例中，发送方Alice测量P₁₆的结果为|0>，接收方Bob测量{P₁₅,P₁₇,P₁₈,P₁₉}的结果为|W₀₁₀₁>，符合纠缠关系，Bob的4粒子联合测量是正确的；发送方Alice测量P₂₆的结果为|1>，接收方Bob测量{P₂₅,P₂₇,P₂₈,P₂₉}的结果为|W₀₀₀₁>，不符合纠缠关系，Bob的4粒子联合测量是错误的，因此接收方Bob的4粒子联合测量的正确率为50％，在本实施例中，设定的阈值为0.5，因此当前的5粒子Brown态纠缠信道安全，继续执行步骤3。

发送方Alice保留的粒子T_γ中的一个粒子P_mγ与接收方Bob接收到的{T₅,T₇,T₈,T₉}序列原本是处于Brown纠缠态，也就是说，当发送方Alice对其保留的一个粒子进行测量并获得该粒子的测量结果时，由于粒子纠缠关系在接收方Bob保留的对应的四个粒子的状态也可以同时确定。在本方案中，通过将发送方Alice对其保留的一个粒子与4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态进行5粒子联合测量，发送方Alice保留的一个粒子与4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态产生粒子纠缠关系，将发送方Alice保留的一个粒子作为中间桥梁，将4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态传送至接收方Bob保留的对应的四个Brown态粒子上，以实现将携带秘密信息序列G的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态由发送方Alice传送给接收方Bob。

步骤3、发送秘密信息，发送方Alice根据秘密信息序列G选择测量基，采用选择的测量基对处于4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的4个粒子与序列T_γ中任一未测量过的粒子P_mγ进行5粒子联合测量，发送方Alice将5粒子联合测量结果以及被测量的粒子P_mγ的位置{m}发送给接收方Bob，具体包括：

步骤31、发送方Alice将所述的秘密信息序列G拆分成多个长度为5个量子比特的单位序列g；

在本实施例中，发送方Alice两个单位序列g长度的秘密信息序列G＝{1001100010}，将秘密信息序列G以5个量子比特为单位拆分程两个单位序列g₁＝{10011}，g₂＝{00010}。

步骤32、发送方Alice建立单位序列g与测量基的对应关系表；

在本实施例中，单位序列g为5位的二进制数，从00000-11111一共有32种不同的单位序列g，发送方Alice建立单位序列g与测量基的对应关系表见表1。

表1单位序列g与测量基对应关系表

另外，单位序列g与测量基的对应关系不限于上述实施例中所表示的关系，也可以是5位10进制数、字母等形式。

步骤33、发送方Alice在所述的单位序列g与测量基的对应关系表选择所述秘密信息序列G中每一个单位序列g对应的测量基；

在本实施例中，发送方Alice通过查表1选择g₁＝{10011}对应的|ξ₂₀>测量基以及g₂＝{00010}对应的|ξ₃>测量基。

步骤34、发送方Alice制备多组5粒子集，所述的5粒子集包括处于4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的4个粒子与序列T_γ中任意1个未测量过的粒子P_mγ；

在本实施例中，选择|ξ₂₀>以及|ξ₃>的测量基对4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态和发送方Alice保留的一个粒子序列T₆中的一个粒子Brown态进行5粒子联合测量，由于发送方Alice发送的秘密信息序列的长度两个单位序列g的长度，因此在发送方Alice进行5粒子联合测量时需要进行两次，也就是说，需要两组4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态和粒子序列T₆中的两个粒子P_mγ。

在本实施例中，由于在信道安全检测时，已经将粒子序列T₆中的两个粒子P₁₆和P₂₆进行了测量，则这两个粒子的状态已知，无法继续测量，因此在本步骤中在粒子序列T₆的剩下三个粒子P_mγ中选择两个粒子P_mγ进行测量，分别是P₃₆和P₄₆。

具体地，所述的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态为：

其中，a₁,a₂,…,a₁₆为4粒子处于当前态|W_ijkl>的概率值。

步骤35、发送方Alice利用选择的测量基对所述的5粒子集进行5粒子联合测量，直至将所有选择的测量基使用一遍，执行步骤36；

在本实施例中，对单位序列g₁＝{10011}采用|ξ₂₀>测量基进行5粒子联合测量，测量结果为也就是说对发送方Alice保留的一个6粒子测量结果为|0>时，4粒子态的测量结果为|W₁₀₁₁>，发送方Alice保留的一个6粒子测量结果为|1>时，4粒子态的测量结果为|W₁₁₁₀>。

对单位序列g₂＝{00010}采用|ξ₃>测量基进行5粒子联合测量，测量结果为也就是说对发送方Alice保留的一个6粒子测量结果为|0>时，4粒子态的测量结果为|W₀₁₀₀>，发送方Alice保留的一个6粒子测量结果为|1>时，4粒子态的测量结果为|W₀₀₀₁>。

在本实施例中，采用表1中的32种测量基进行5粒子测量时，测量结果见表2。

表2 5粒子测量结果

步骤36、发送方Alice将所有5粒子联合测量结果以及所有被测量粒子P_mγ的位置{m}通过经典信道发送给接收方Bob。

在本实施例中，发送方Alice将5粒子联合测量结果以及被测量粒子P_mγ的位置{3,4}通过经典信道发送给接收方Bob。

步骤4、接收秘密信息，接收方Bob在其持有的4个序列的相应位置{m}寻找4个Brown态粒子所塌缩的态，接收方Bob根据所述的5粒子联合测量结果选择对应的幺正变换，采用选择的幺正变换对所述4个Brown态粒子所塌缩的态进行变换，获得4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态，具体包括：

步骤41、接收方Bob在其持有4个序列的相应位置{m}寻找4个Brown态粒子所塌缩的态；

在本实施例中，发送方Alice测量的Brown态的粒子的位置{3,4}，接收方Bob在其持有的4个粒子序列{T₅,T₇,T₈,T₉}中相应的{3,4}位置寻找4个Brown态粒子所塌缩的态，即{P₃₅,P₃₇,P₃₈,P₃₉}与{P₄₅,P₄₇,P₄₈,P₄₉}这两组4粒子态为接收方Bob持有的Brown态粒子所塌缩的态。

步骤42、接收方Bob建立5粒子联合测量结果与幺正变换形式的对应关系表；

在本实施例中，发送方Alice提供了32种测量基，分别对应32种发送方Alice的5粒子联合测量结果，也就是说，接收方Bob需要针对32种发送方Alice的5粒子联合测量结果进行32种幺正变换，接收方Bob建立的5粒子联合测量结果与幺正变换形式的对应关系表见表3。

表3 5粒子联合测量结果与幺正变换形式的对应关系表

步骤43、接收方Bob在所述5粒子联合测量结果与幺正变换形式的对应关系表中选择步骤36中每一个5粒子联合测量结果相应的幺正变换形式；

在本实施例中，发送方Alice将5粒子联合测量结果通过经典信道发送给接收方Bob，接收方Bob根据发送方Alice发送的5粒子联合测量结果，在表3中选择相应的幺正变换形式对以及进行变换以获得4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态在4个Brown态的粒子上的量子态。

步骤44、接收方Bob利用选择的每一个幺正变换形式对其对应的4个Brown态的粒子所塌缩的态进行幺正变换，在4个Brown态的粒子上还原所述4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态。

在本步骤中，幺正变换形式对应的4个Brown态的粒子所塌缩的态为幺正变换形式对应的5粒子联合测量结果中，被测量粒子P_mγ对应的4个Brown态的粒子在粒子纠缠关系的作用下所塌缩的态。

在本实施例中，针对Alice的5粒子联合测量结果通过查表3的方式选择幺正变换形式，其对应的4个Brown态的粒子所塌缩的态为位置{3}的4个Brown态的粒子{P₃₅,P₃₇,P₃₈,P₃₉}所塌缩的态，因此经过变换后获得4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态在4个Brown态的粒子{P₃₅,P₃₇,P₃₈,P₃₉}上的量子态|W²⁰>_5,7,8,9＝a₁₂|W₁₀₁₁>-a₁₅|W₁₁₁₀>。

针对Alice的5粒子联合测量结果通过查表3的方式选择幺正变换形式，其对应的4个Brown态的粒子所塌缩的态为位置{4}的4个Brown态的粒子{P₄₅,P₄₇,P₄₈,P₄₉}所塌缩的态，因此经过变换后获得4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态在4个Brown态的粒子{P₄₅,P₄₇,P₄₈,P₄₉}上的量子态|W³>_5,7,8,9＝a₅|W₀₁₀₀>+a₂|W₀₀₀₁>。

在本实施例中，Bob通过32种幺正变换在4个Brown态的粒子上的量子态见表4。

表4接收方Bob所作幺正变换与4粒子量子态对应关系表

步骤5，秘密信息恢复，接收方Bob根据获得的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与所述秘密信息序列G的关系，恢复发送方Alice传送的秘密信息序列G，具体包括：

步骤51、接收方Bob建立4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与单位序列g的对应关系表；

在本实施例中，接收方Bob建立的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与单位序列g的对应关系表见表5。

表5接收方Bob 4粒子量子态与单位序列g对应关系表

步骤52、接收方Bob根据获得的4粒子|W_ijkl>_{1，2，3，4}态的量子态，在4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与单位序列g的对应关系表中选择对应的秘密信息单位序列g；

在本实施例中，接收方Bob获得的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态为|W²⁰>_5,7,8,9＝a₁₂|W₁₀₁₁>-a₁₅|W₁₁₁₀>以及|W³>_5,7,8,9＝a₅|W₀₁₀₀>+a₂|W₀₀₀₁>，在表5中查询对应的单位序列g分别是10011以及00010。

步骤53、接收方Bob根据获得的单位序列g恢复发送方Alice传送的秘密信息序列G。

在本步骤中，将单位序列通过首尾拼接的方式恢复发送方Alice传送的秘密信息序列G。

在本实施例中，接收方Bob恢复发送方Alice传送的秘密信息序列G为{1001100010}。

本发明提供的量子隐形通信方法安全性分析如下，假设窃听者是Eve。

(1)测量重发攻击：在信道准备阶段，Alice将5粒子Brown态中的其中一个粒子保留，剩下的4个粒子发送给Bob，此过程前并未进行信道安全性检测。Alice和Bob共享的5个Brown态粒子具有确定性纠缠关系。在信道纠缠粒子发送前并未加载秘密信息，即使Eve截获了4粒子序列，并且测量并重发给Bob一个相同的4粒子序列。在此过程中，Eve没有得到任何有用的秘密信息，并且在信道检测阶段，通过Bob的测量，Alice也会发现Eve的存在。

(2)截获重发攻击：截获重发与测量重发类似，只可能出现在信道准备阶段。Eve此时通过截获信道中的4粒子序列与Alice构成纠缠关系，并且随机发送给Bob一串未知粒子序列。在信道检测阶段，Alice与Bob在相同位置测量并通过经典信道比对结果时，根据Brown态纠缠关系，Alice就可以以较大概率发现Eve的存在，从而终止通信保证通信安全。

(3)纠缠攻击：在5粒子Brown态中，Alice将粒子6进行保留，粒子序列(T₅,T₆,T₇,T₈)通过信道发送给Bob。纠缠攻击过程中，Eve需要准备4个辅助粒子序列T_a,T_b,T_c,T_d分别对T₅,T₆,T₇,T₈通过CNOT操作产生纠缠。所以，粒子T₅,T₆,T₇,T₈为控制比特，辅助粒子T_a,T_b,T_c,T_d为靶比特，假设T_a,T_b,T_c,T_d为|0000>_abcd序列时，Eve攻击的量子系统可以表示为：

同理，假设T_a,T_b,T_c,T_d为|1111>_abcd序列时，Eve攻击的量子系统可以表示为：

Eve为了保证在纠缠操作后能够使得辅助粒子T_a,T_b,T_c,T_d产生与粒子T₅,T₆,T₇,T₈相同的纠缠态，分别对其做CNOT操作。根据上面两个公式可以看出，在CNOT操作后，Eve攻击后的量子系统有4种形式，但是能够满足纠缠关系的仅有两种，即Eve攻击过程存在50％的错误率。并且，在信道检测阶段，Alice与Bob在检测对应结果时，如果错误率高于50％，可以进行终止通信来保证通信安全。

以下是对本发明提供的通信方法的效率分析：

本方案的量子通信传输效率：其中，b_s是通信双方需要交换的经典信息比特数，q_t是协议中总的量子比特数，b_t是总的经典比特数。编码规则是用4个量子比特来传送5个经典比特信息。

例如，在5粒子Brown态传送任意4粒子态的协议中，可以传输的秘密信息为5bit，则b_s＝5。在信道分发阶段，Alice和Bob分别保留1qubit和4qubit。假设1个qubit所对应的位置和测量结果的经典信息为1bit，则信道检测共需要交换5bit经典信息，则b_t＝5+5。本发明提供的方法在信道检测阶段使用原有的5qubit序列，并未引入新的粒子，所以通信过程总共需要准备5qubit粒子，则q_t＝5。

Claims (7)

1.一种基于5粒子Brown态传输4粒子态的量子隐形通信方法，其特征在于，发送方Alice制备量子态信道，发送方Alice通过所述的量子态信道将携带秘密信息序列G的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态传送给接收方Bob，其中所述的量子态信道由5粒子Brown态组成。

2.如权利要求1所述的量子隐形通信方法，其特征在于，所述的秘密信息序列G的长度为L个量子比特，其中L为5的倍数，包括以下步骤：

步骤1、制备量子态信道，发送方Alice制备M组5粒子Brown态{S₁,S₂,…,S_m,…,S_M}，其中S_m由5个Brown态粒子P_mγ组成，其中{m|m∈(1,2,3,…,M)}表示粒子P_mγ在M组5粒子Brown态中的位置，γ∈{a,b,c,d,e|a,b,c,d,e∈N}，发送方Alice将1个序列T_γ＝{P_mγ|m＝(1,2,…,M)、γ＝a或b或c或d或e}保留，将其余4个序列发送给接收方Bob；

步骤2、检测信道安全，发送方Alice利用所述的M组5粒子Brown态中的任意多组进行粒子测量，根据测量结果的正确率确定所述的量子态信道是否安全，若正确率小于阈值，则量子态信道不安全，结束本次通信；若正确率大于阈值，则量子态信道安全，执行步骤3；

步骤3、发送秘密信息，发送方Alice根据秘密信息序列G选择测量基，采用选择的测量基对处于4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的4个粒子与序列T_γ中任意1个未测量过的粒子P_mγ进行5粒子联合测量，发送方Alice将5粒子联合测量结果以及被测量的粒子P_mγ的位置{m}发送给接收方Bob；

步骤4、接收秘密信息，接收方Bob在其持有的4个粒子序列的相应位置{m}寻找4个Brown态粒子所塌缩的态，接收方Bob根据所述的5粒子联合测量结果选择对应的幺正变换，采用选择的幺正变换对所述4个Brown态粒子所塌缩的态进行变换，获得4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态；

步骤5，恢复秘密信息，接收方Bob根据所述4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与所述秘密信息序列G的对应关系，恢复发送方Alice传送的秘密信息序列G。

3.如权利要求2所述的量子隐形通信方法，其特征在于，所述的步骤1中，发送方Alice制备的5粒子Brown态为：

其中， 分别表示四种Bell态。

4.如权利要求2所述的量子隐形通信方法，其特征在于，所述的步骤2、信道安全检测，具体包括：

步骤21、发送方Alice在其保留的序列T_γ中随机选取多个粒子P_mγ分别进行单粒子测量，将被测量粒子P_mγ的位置{m}通过经典信道传送给接收方Bob；

步骤22、接收方Bob在其保留的4个序列的相应位置{m}进行4粒子联合测量，将4粒子联合测量结果通过经典信道发送给发送方Alice；

步骤23、发送方Alice根据接收方Bob传回的4粒子联合测量结果与发送方Alice的单粒子测量结果进行对比，计算接收方Bob的4粒子联合测量的正确率，若正确率大于等于阈值，代表当前信道安全，执行步骤3，若正确率小于阈值，代表当前信道不安全，结束本次通信。

5.如权利要求2所述的量子隐形通信方法，其特征在于，所述的步骤3、发送秘密信息，具体包括：

步骤31、发送方Alice将所述的秘密信息序列G拆分成多个长度为5个量子比特的单位序列g；

步骤32、发送方Alice建立单位序列g与测量基的对应关系表；

步骤33、发送方Alice在所述的单位序列g与测量基的对应关系表选择所述秘密信息序列G中每一个单位序列g对应的测量基；

步骤34、发送方Alice制备多组5粒子集，所述的5粒子集包括处于4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的4个粒子与序列T_γ中任意1个未测量过的粒子P_mγ；

步骤35、发送方Alice利用选择的测量基对所述的5粒子集进行5粒子联合测量，直至将所有选择的测量基使用一遍，获得多个5粒子联合测量结果，执行步骤36；

步骤36、发送方Alice将每一个5粒子联合测量结果以及每一个被测量粒子P_mγ的位置{m}通过经典信道发送给接收方Bob。

6.如权利要求5所述的量子隐形通信方法，其特征在于，所述的步骤4、接收秘密信息，具体包括：

步骤41、接收方Bob在其持有4个序列的位置{m}上寻找与每一个被测量粒子P_mγ相应的4个Brown态粒子所塌缩的态；

步骤42、接收方Bob建立5粒子联合测量结果与幺正变换形式的对应关系表；

步骤43、接收方Bob在所述5粒子联合测量结果与幺正变换形式的对应关系表中选择与步骤36中获得的每一个5粒子联合测量结果相应的幺正变换形式；

步骤44、接收方Bob利用选择的每一个幺正变换形式对其对应的4个Brown态的粒子所塌缩的态进行幺正变换，在4个Brown态的粒子上还原所述4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态。

7.如权利要求6所述的量子隐形通信方法，其特征在于，所述的步骤5，恢复秘密信息，具体包括：

步骤51、接收方Bob建立4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与单位序列g的对应关系表；

步骤52、接收方Bob根据获得的4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态，在4粒子|W_ijkl>_1,2,3,4态的量子态与单位序列g的对应关系表中选择对应的单位序列g；

步骤53、接收方Bob根据获得的单位序列g恢复发送方Alice传送的秘密信息序列G。