CN109714158A - 一种基于Bell态的半量子隐私比较方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于数据信息技术领域，公开了一个基于Bell态的半量子隐私比较方法及系统，利用Bell态的属性实现半量子用户之间隐私信息地比较；在保证完成隐私比较的基础上，本发明提高了量子比特效率，简化了协议过程；在保证完成隐私比较的同时，保证第三方TP以及外来窃听者无法获取用户的部分乃至全部隐私信息。本发明使得该协议能够被应用到当前的实际网络环境中，推动量子技术的实用化进程；半可信的TP可以通过简单的Bell测量即可完成隐私比对和窃听检测，且他无法获取额外的隐私信息；TP最后只需公布一位经典粒子既可以表示双方的隐私信息是否相等。

Description

一种基于Bell态的半量子隐私比较方法及系统

技术领域

本发明属于量子保密通信技术领域，尤其涉及一种基于Bell态的半量子隐私比较方法及系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

在量子技术日趋完善的背景下，我国现已建成两千公里长的京沪量子通信干线，城域光纤量子通信技术已成熟，量子通信网络已从实验室研究阶段进入实际应用阶段。量子密码学是结合了量子物理学和经典秘密学的一门交叉学科，它是利用量子物理学的基本特性来实现密码思想的一种新型密码体制。与经典密码学依赖计算复杂度来实现通信的安全性相比，量子密码学是以量子物理为基础，主要由量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理来保证通信的安全性，因此当前量子安全通信研究已成为业界的热点。

量子隐私比较是量子安全多方计算的一个重要研究方向，其主要利用第三方在不公布隐私信息的前提下，比较隐私信息。在2007年，Boyer等人发表了第一篇基于经典的BB84协议的半量子密码协议。在这篇论文中，作者允许部分参与者不具备完备的量子处理能力即可参与量子密钥分发，并且提出了在量子信道中半量子的操作规则。半量子协议一方面降低了协议实现成本；一方面使得量子通信的使用范围更加广泛，在从经典通信到全量子通信的过渡阶段，为经典参与者提供便携方案。从2016年开始，利用半量子通信的隐私比较协议逐渐引起研究者的兴趣。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)用户的硬件成本要求高：现有的基于量子技术的隐私比较方案通常需要用户具有全量子处理能力，即配备高级量子设备，如量子发生器、量子存储器、酉操作器等。但用户无法负担如此昂贵的量子设备，这就一定程度上限制了量子隐私比较协议的使用范围。

(2)量子比特效率不高：现有的量子隐私比较协议，通常需要在每一步都添加防窃听和防信息泄漏措施，从而需要协议设计巧妙，甚至需要大量的量子比特去辅助完成这些工作，但能检测的隐私信息确极少。

(3)现有量子隐私比较协议实现较为复杂：隐私比较的实现通常需要多串量子序列进行异或，从而隐藏用户的隐私信息。不止是需要防止外在窃听攻击，而且需要通过协议的复杂度抵制用户之间的相互窃取，以及第三方TP在执行协议过程中截取隐私信息。

解决上述技术问题的意义：

(1)将半量子设定为比较隐私的最低参与标准：与传统全量子用户在进行隐私比较协议相比，半量子用户无需配备昂贵的高级量子设备，在达到相同结果的前提下，最大程度上降低了隐私比较的实现成本。

(2)无需诱骗光子的参与，利用半量子本身设定的操作规则就能够提高比特效率：在该方案中，协议无需诱骗光子协助检验量子信道中是否存在窃听，利用半量子本身的操作属性即可将发现窃听者的概率提升到50％，与类似使用Bell态作为传输资源的隐私查询协议相比，该方案的量子比特效率更好。

(3)半量子的操作规则使得协议实现简单化：由于隐私比较者只需要依照事先规定的操作对接受的粒子进行直接返回或测量。而第三方TP需要完成的事情也只有比对。所以从协议实现的复杂程度上来看，该方案更为简洁。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于Bell态的半量子隐私比较方法及系统。

本发明是这样实现的，一种基于Bell态的半量子隐私比较方法，包括：

协议是由两个半量子参与者Alice和Bob以及一个半可信的全量子TP组成。Alice和Bob想要通过TP比较隐私信息A＝{a₁,a₂,…,a_n}和B＝{b₁,b₂,…,b_n}(a_i,b_i∈{0,1})，其中n表示秘密信息的长度。半可信的TP始终会遵循的协议流程，即使会记录中间传输信息，也不会被外部窃听者破坏。在执行协议之前，让Alice和Bob利用半量子密钥分发协议(SQKD)分享一串2n位主密钥K_AB(K_AB∈{0,1}²ⁿ)。Alice和Bob根据K_AB的值选择MEASURE或者REFLECT操作。

协议流程如下所示：

Step 1：半量子TP随机制备2n位Bell态|φ^±>、|ψ^±>，并将每一个Bell态拆分成第一粒子q₁和第二粒子q₂组成序列S₁和S₂。随后，TP分别将S₁和S₂发送给Alice和Bob。

Step2：依据K_AB序列的值，Alice(Bob)对收到的S₁(S₂)序列中对应的粒子选着MEASURE或者REFLECT操作。当Alice(Bob)将会对该粒子选择MEASURE操作以获得测量结果c_i(d_i)，并计算最后依据K_A ⁱ的值制备新的单光子发给TP(如果K_A ⁱ＝0，制备|0>；否则，制备|1>)；当Alice(Bob)直接返回该位粒子给TP而不做任何处理。

Step3：TP对返回粒子序列中相同位置的粒子进行Bell基测量，并记录测量结果。随后，通过公共信道公布一位经典比特0，表示测量完成。

Step4：收到确认信息后，Alice和Bob通过公共信道公布各自的K_AB序列。当发现两串K_AB序列不相等时，TP将终止协议；否则执行下一步。

Step5：通过Alice和Bob公布的K_AB值，TP将Step2中测量的结果分成MEASURE(M)序列和REFLECT(R)序列(M,R∈{|φ^±>,|ψ^±>}ⁿ)。与Alice和Bob的操作相似，当TP将会该结果归于M序列；当TP则将测量结果归于R序列。接下来分为窃听检测和隐私比较两步：

(1)通过比对R_i以及在同一位置的初始Bell态是否相同来检测信道的安全性。假设TP制备的初始Bell态为|φ⁺>，但对应位置上的测量结果R_i≠|φ⁺>，TP将认为信道中存在窃听者。当TP完成所有n位测量结果和初始Bell态的比对之后，计算错误率。如果错误率高于预定的阈值，TP将终止协议。否则，认为信道中不存在窃听者并执行步骤(2).

(2)通过比较M_i以及在同一位置的初始Bell态是否相同，从而公布Alice和Bob的隐私信息是否相同。假设TP制备的初始Bell态为|φ⁺>，当相应位置上的M_i≠|φ⁺>，那么TP将认为Alice和Bob在该位置上的秘密信息比特是相同的。当TP完成所有n位测量结果和初始Bell态的对比之后，TP将会通过公共信道公布一位经典比特0或1。如果它们全部相同，TP公布0；否则，公布1。

本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述基于Bell态的半量子隐私比较方法的处理器。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于Bell态的半量子隐私比较方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于Bell态的半量子隐私比较方法的量子发生器。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于Bell态的半量子隐私比较方法的量子存储器

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于Bell态的半量子隐私比较方法的酉操作器。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提出了一个基于Bell态的半量子隐私比较方案，利用Bell态的属性实现半量子用户之间隐私信息地比较。

在保证完成隐私比较的基础上，本发明提高了量子比特效率。通过计算与对比发现，本发明的量子比特效率值为而对比类似协议的效率仅为2.17％。

在保证完成隐私比较的同时，第三方TP以及外来窃听者无法获取用户的部分乃至全部隐私信息。由于对窃听者检测的方法为单粒子测量，所以窃听者被发现的概率为50％，而传统含有Bell态的隐私比较协议，窃听者被发现的概率通常为25％。此外，由于隐私比较的双方用户没有机会接触对方的加密信息，所以无法直接获得对方隐私信息。第三方TP只能接收到加密信息，无法恢复出初始隐私信息。

为实现对各自隐私信息的隐藏，隐私信息比较者通过对部分单光子进行测量之后与秘密信息异或来隐藏秘密信息。半量子的操作规则降低了终端用户的硬件成本，使得经典用户能够参与量子通信，此外本发明使得该协议能够被应用到当前的实际网络环境中，推动了量子技术的实用化进程。

半可信的TP可以通过简单的Bell测量即可完成隐私比对和窃听检测。通过R序列的Bell测量结果与初始Bell态的比较以及M序列的测结果与初始Bell态的比较完成隐私比较和窃听检测。并且TP最后只用公布一位经典粒子既可以表示双方的隐私信息是否相等。0表示相同，1表示不同。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于Bell态的半量子隐私比较方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

用户的硬件成本要求高：现有的基于量子技术的隐私比较方案通常需要用户具有全量子处理能力，即配备高级量子设备，如量子发生器、量子存储器、酉操作器等。但普通用户无法负担如此昂贵的量子设备，这就一定程度上限制了量子隐私比较协议的使用范围。

下面结合具体分析对本发明的应用作进一步描述。

图1，本发明实施例提供的基于Bell态的半量子隐私比较方法，包括：

Step 1：半量子TP随机制备2n位Bell态|φ^±>、|ψ^±>，并将每一个Bell态拆分成第一粒子q₁和第二粒子q₂组成序列S₁和S₂。随后，TP分别将S₁和S₂发送给Alice和Bob。

Step 2：依据K_AB序列的值，Alice(Bob)对收到的S₁(S₂)序列中对应的粒子选着MEASURE或者REFLECT操作。当Alice(Bob)将会对该粒子选择MEASURE操作以获得测量结果c_i(d_i)，并计算最后依据K_A ⁱ的值制备新的单光子发给TP(如果K_A ⁱ＝0，制备|0>；否则，制备|1>)；当Alice(Bob)直接返回该位粒子给TP而不做任何处理。

Step3：TP对返回粒子序列中相同位置的粒子进行Bell基测量，并记录测量结果。随后，通过公共信道公布一位经典比特0，表示测量完成。

Step4：收到确认信息后，Alice和Bob通过公共信道公布各自的K_AB序列。当发现两串K_AB序列不相等时，TP将终止协议；否则执行下一步。

Step5：通过Alice和Bob公布的K_AB值，TP将Step2中测量的结果分成MEASURE(M)序列和REFLECT(R)序列(M,R∈{|φ^±>,|ψ^±>}ⁿ)。与Alice和Bob的操作相似，当TP将会该结果归于M序列；当TP则将测量结果归于R序列。接下来分为窃听检测和隐私比较两步：

(1)通过比对R_i以及在同一位置的初始Bell态是否相同来检测信道的安全性。假设TP制备的初始Bell态为|φ⁺>，但对应位置上的测量结果R_i≠|φ⁺>，TP将认为信道中存在窃听者。当TP完成所有n位测量结果和初始Bell态的比对之后，计算错误率。如果错误率高于预定的阈值，TP将终止协议。否则，认为信道中不存在窃听者并执行步骤(2).

(2)通过比较M_i以及在同一位置的初始Bell态是否相同，从而公布Alice和Bob的隐私信息是否相同。假设TP制备的初始Bell态为|φ⁺>，当相应位置上的M_i≠|φ⁺>，那么TP将认为Alice和Bob在该位置上的秘密信息比特是相同的。当TP完成所有n位测量结果和初始Bell态的对比之后，TP将会通过公共信道公布一位经典比特0或1。如果它们全部相同，TP公布0；否则，公布1。

图1为协议的执行过程示意图。

下面结合具体实施例对本发明的应用作进一步描述。

为了进一步更清楚的说明协议过程，列举实例说明，其中还包含了安全检测部分。假设TP制备的Bell态为|φ⁺>、|φ⁺>、|ψ⁺>、|ψ^->、|φ⁺>、|φ⁺>、|ψ⁺>、|ψ^->，Alice和Bob各自的秘密信息为A＝{0,1,1,0}和B＝{1,1,1,1}，并且共享的密钥为K_AB＝{0,0,1,1,1,0,1,0}。则Alice和Bob会在第一、二、六、八位异或自己的隐私信息，其他位不做处理，全部返回给TP。TP对返回的相同位置的粒子做Bell基测量，并记录结果。随后通过Alice和Bob公布的K_AB，将测量结果拆分成M序列和R序列。通过比对第三、四、五、七位的测量结果和初始Bell态的状态判定是否存在窃听者。在此，判定标准为，若测量结果不为|ψ⁺>、|ψ^->、|φ⁺>、|ψ⁺>，则TP认为信道中存在窃听者，停止协议。若通过检测，TP则比较第一、二、六、八位的测量结果和初始Bell态，若两者相同，则测量序列应该为|φ^±>、|φ^±>、|φ^±>、|ψ^±>。

最后完成比对之后，若相同，TP通过公共信道公布一位经典比特信息0；否则公布1。在此过程中，虽然TP知道Alice和Bob的哪一位信息是相同或者不相同，但由于TP无法知道Alice和Bob测量后的状态，所以无法直接获取隐私信息。同样，作为窃听者Eve也不能获取。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于Bell态的半量子隐私比较方法，其特征在于，所述基于Bell态的半量子隐私比较方法包括：

第一步，半量子TP随机制备2n位Bell态|φ^±>、|ψ^±>，并将每一个Bell态拆分成第一粒子q₁和第二粒子q₂组成序列S₁和S₂；随后，TP分别将S₁和S₂发送给第一半量子参与者和第二半量子参与者；

第二步，依据K_AB序列的值，第一半量子参与者和第二半量子参与者对收到的S₁和S₂序列对应的粒子随机选着MEASURE或者REFLECT操作；当第一半量子参与者和第二半量子参与者对所述对应的粒子选择MEASURE操作，分别获得测量结果c_i和d_i，并计算或其中A＝{a₁,a₂,…,a_n}和B＝{b₁,b₂,…,b_n}分别表示第一半量子参与者和第二半量子参与者的秘密信息；最后第一半量子参与者和第二半量子参与者依据K_A ⁱ和K_B ⁱ的值制备新的光子发给TP；如果Kⁱ＝0，他制备|0>；否则，他就会制备|1>)；当第一半量子参与者和第二半量子参与者直接返回该位粒子给TP而不做任何处理；

第三步，TP对两个返回序列中相同位置的量子进行Bell基测量，并记录测量结果；随后，通过公共信道公布一位经典比特0，表示测量完成；

第四步，收到确认信息后，第一半量子参与者和第二半量子参与者通过公共信道公布各自的K_AB序列；当发现两串K_AB序列不相等时，TP将终止协议；否则执行下一步；

第五步，通过第一半量子参与者和第二半量子参与者公布的K_AB值，TP将第二步中测量的结果分成MEASURE(M)序列和REFLECT(R)序列；与第一半量子参与者和第二半量子参与者的操作相同，当TP将该结果归于M序列；当TP则将测量结果归于R序列。

2.如权利要求1所述的基于Bell态的半量子隐私比较方法，其特征在于，第五步包括：

(1)通过比对R_i以及在同一位置的初始Bell态是否相同来检测信道的安全性；假设TP制备的初始Bell态为|φ⁺>，但对应位置上的测量结果R_i≠|φ⁺>，TP将认为信道中存在窃听者；当TP完成所有n位测量结果和初始Bell态的比对之后，计算错误率；如果错误率高于预定的阈值，TP将终止协议；否则，他会认为信道中不存在窃听者并执行步骤(2)；

(2)通过比较M_i以及在同一位置的初始Bell态是否相同，从而公布第一半量子参与者和第二半量子参与者的隐私信息是否相同；假设TP制备的初始Bell态为|φ⁺>，当相应位置上的M_i≠|φ^±>，TP将认为第一半量子参与者和第二半量子参与者在该位置上的秘密信息是相同的；当TP完成所有n位测量结果和初始Bell态的对比之后，TP将会通过公共信道公布一位经典比特0或1；如果全部相同，TP公布0；否则，公布1。

3.一种基于Bell态的半量子隐私比较计算机程序，其特征在于，所述基于Bell态的半量子隐私比较计算机程序实现权利要求1～2任意一项所述的基于Bell态的半量子隐私比较方法。

4.一种终端，其特征在于，所述终端至少搭载实现权利要求1～2任意一项所述基于Bell态的半量子隐私比较方法的处理器。

5.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-2任意一项所述的基于Bell态的半量子隐私比较方法。

6.一种实现权利要求1～2任意一项所述基于Bell态的半量子隐私比较方法的量子发生器。

7.一种实现权利要求1～2任意一项所述基于Bell态的半量子隐私比较方法的量子存储器

8.一种实现权利要求1～2任意一项所述基于Bell态的半量子隐私比较方法的酉操作器。