CN110460389B - 一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于簇态的受控双向量子安全直接通信方法及系统，通过一控制端控制两两进行交互的2n个通信端之间的通信，通信双方仅需要通过一次信号粒子的传输，就可以实现双方秘密消息的互传，获得了更高的传输效率，并且由控制端分配通信端之间进行通信用到的粒子序列，并且只有在被控制端验证通过后，通信端才能获得到正确的粒子序列，并在正确的粒子序列中嵌入秘密信息，在公开量子信道中传输的信号粒子并未嵌入秘密消息，窃听者无法通过对该粒子的攻击来获得秘密消息，保证了量子安全直接通信的安全性，实现了高效安全的量子安全直接通信。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法及系统。
背景技术
量子安全直接通信(QSDC)是量子通信的一个重要分支，它是指通信双方以量子态为信息载体，通过量子信道来直接传输秘密消息。相对于量子密钥分发，量子安全直接通信取得了更高的通信效率。因为量子密钥分发传输的是一串随机密钥，所以通信双方还需再进行一次经典通信才能完成秘密消息的传输。但是，由于QSDC传输的是秘密消息，如果部分信息被窃听(即便可被检测到)都将是致命的。因此，与量子密钥分发相比，量子安全直接通信具有更高的安全要求。
2002年，
等人提出了著名的“乒乓”(ping-pong)QSDC协议。该协议简单方便，但遗憾的是它存在一些安全漏洞。随后，人们巧妙的利用量子力学特性设计了一些各具特色的QSDC协议。2017年6月，中国科技大学郭光灿等人首次利用量子存储成功验证量子安全直接通信的理论方案，同年12月，清华大学与南京邮电大学联合小组首次在500米环形光纤中实现量子信息的直接安全传送。这些成果的取得标志着QSDC在理论和实验方面均取得了突破性进展。量子独有的优良特性使量子安全直接通信具有巨大的发展潜力与广阔的应用前景，它将成为未来一个主要的通信技术，引领未来通信发展主流趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法及系统，能够实现高效安全的量子安全直接通信。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法，包括步骤：
S1、控制端设置一预设长度的有序2n粒子簇态序列，所述有序2n粒子簇态序列处于预设状态；
S2、所述控制端从所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中取出一个粒子，分别形成2n个有序的粒子序列，并保存每一个有序的粒子序列的粒子顺序，每一个粒子序列中包含了所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中的一个粒子；
S3、所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，将打乱顺序后的2n个粒子序列分别发送给2n个通信端；
S4、控制端分别与所述2n个通信端进行安全验证，安全验证通过后，所述控制端分别将2n个粒子序列未打乱前的粒子顺序发送给所述2n个通信端；
S5、所述2n个通信端分别根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列各自的粒子序列，并分别根据各自重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统，包括控制端和2n个通信端；
所述控制端包括第一存储器、第一处理器及存储在第一存储器上并可在第一处理器上运行的第一计算机程序，所述通信端包括第二存储器、第二处理器及存储在第二存储器上并可在第二处理器上运行的第二计算机程序，所述第一处理器执行所述第一计算机程序时实现以下步骤：
S1、设置一预设长度的有序2n粒子簇态序列，所述有序2n粒子簇态序列处于预设状态；
S2、从所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中取出一个粒子，分别形成2n个有序的粒子序列，并保存每一个有序的粒子序列的粒子顺序，每一个粒子序列中包含了所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中的一个粒子；
S3、分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，将打乱顺序后的2n个粒子序列分别发送给所述2n个通信端；
S4、分别与所述2n个通信端进行安全验证，安全验证通过后，分别将2n个粒子序列未打乱前的粒子顺序发送给所述2n个通信端；
所述第二处理器执行所述第二计算机程序时实现以下步骤：
S5、根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列从所述控制端接收的粒子序列，根据所述重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
本发明的有益效果在于：通过一控制端控制进行两两交互的2n个通信端之间的通信，通信双方仅需要通过一次信号粒子的传输，就可以实现双方秘密消息的互传，获得了更高的传输效率，由控制端分配通信端之间进行通信用到的粒子序列，并且只有在被控制端验证通过后，通信端才能获得到正确的粒子序列，并在正确的粒子序列中嵌入秘密信息，在公开量子信道中传输的信号粒子并未嵌入秘密消息，窃听者无法通过对该粒子的攻击来获得秘密消息，保证了量子安全直接通信的安全性，实现了高效安全的量子安全直接通信。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统中2n个通信端之间的相互交互关系示意图；
图4为本发明实施例实际应用场景的通信系统的架构图；
标号说明：
1、通信端；2、第二存储器；3、第二处理器；4、控制端；5、第一存储器；6、第一处理器；7、一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法，包括步骤：
S1、控制端设置一预设长度的有序2n粒子簇态序列，所述有序2n粒子簇态序列处于预设状态；
S2、所述控制端从所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中取出一个粒子，分别形成2n个有序的粒子序列，并保存每一个有序的粒子序列的粒子顺序，每一个粒子序列中包含了所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中的一个粒子；
S3、所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，，将打乱顺序后的2n个粒子序列分别发送给2n个通信端；
S4、控制端分别与所述2n个通信端进行安全验证，安全验证通过后，所述控制端分别将2n个未打乱前的粒子顺序发送给所述2n个通信端；
S5、所述2n个通信端分别根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列各自粒子序列，并分别根据各自重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
由上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过一控制端控制进行两两交互的2n个通信端之间的通信，通信双方仅需要通过一次信号粒子的传输，就可以实现双方秘密消息的互传，获得了更高的传输效率，并且由控制端分配通信端之间进行通信用到的粒子序列，并且只有在被控制端验证通过后，通信端才能获得到正确的粒子序列，并在正确的粒子序列中嵌入秘密信息，在公开量子信道中传输的信号粒子并未嵌入秘密消息，窃听者无法通过对该粒子的攻击来获得秘密消息，保证了量子安全直接通信的安全性，实现了高效安全的量子安全直接通信。
进一步的，所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱包括：
所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，并将诱饵粒子分别随机插入所述顺序打乱后的2n个粒子序列；
控制端分别与所述2n个通信端进行安全验证包括：
所述控制端分别发送诱饵粒子的位置和预设的第一测量基给所述2n个通信端；
所述2n个通信端分别根据所述诱饵粒子的位置和第一测量基对各自的粒子序列进行测量，并将第一测量结果发送给所述控制端；
所述控制端分别根据所述第一测量结果评估控制端与所述2n个通信端之间量子信道的错误率，根据所述错误率分别对所述2n个通信端进行验证。
进一步的，若所述错误率超过预设阈值，则验证不通过，否则，验证通过。
由上述描述可知，通过在粒子序列中随机插入诱饵粒子，并在控制端和通信端之间基于诱惑粒子进行验证，保证了粒子序列传输的安全性。
进一步的，所述步骤S5包括：
所述2n个通信端分别根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列各自的粒子序列；
第t通信端从重新排列后的粒子序列随机选取预设个数的粒子作为样本，并选取预设的第二测量基测量所述样本中的每个样本粒子，t＝1,2,…,2n；
所述第t通信端将所述样本的位置以及第二测量基发送给其余2n-1个通信端；
所述其余2n-1个通信端根据所述样本的位置以及预设的测量基从各自重新排列后的粒子序列中选取对应的粒子作为样本，并测量，将第二测量结果发送给所述第t通信端；
所述第t通信端根据所述第二测量结果确定所述2n个通信端上的粒子序列是否都处于所述预设状态，若是，则所述2n个通信端分别根据各自重新排列后并且删除各自的样本后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
由上述描述可知，通过在通信端间随机选取样本并根据预设的测量基对样本进行测试，根据测试结果确定通信端中的粒子序列是否确实处于预设状态，若是，才基于确定过状态的粒子序列进行通信，进一步提高了量子安全直接通信的安全性和可靠性。
进一步的，所述根据各自重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递包括：
所述通信端采用预设的第三测量基对所述重新排列后的粒子序列进行测量，得到第三测量结果；
所述通信端将待传递的信息与所述第三测量结果进行异或运算，得到已编码信息，将所述已编码信息发送给对应的通信端；
所述对应的通信端采用预设的第四测量基对重新排列后的粒子序列进行测量，得到第四测量结果；
所述对应的通信端将所述第四测量结果与所述已编码信息进行异或运算，得到所述通信端发送给所述对应的通信端的信息。
由上述描述可知，只需要控制端发送一次粒子序列给进行相互通信的通信端，通信发送端将所述粒子序列的测量结果与要传递的信息进行异或运算，得到编码信息，通信接收端只需要将自身的粒子序列进行测量得到测量结果，将测量结果与编码信息异或即能够实现对编码信息的解码，得到通信发送端发送的信息，大大提高了通信效率。
请参照图2，一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统，包括控制端和2n个通信端；
所述控制端包括第一存储器、第一处理器及存储在第一存储器上并可在第一处理器上运行的第一计算机程序，所述第一通信端包括第二存储器、第二处理器及存储在第二存储器上并可在第二处理器上运行的第二计算机程序，所述第一处理器执行所述第一计算机程序时实现以下步骤：
S1、设置一预设长度的有序2n粒子簇态序列，所述有序2n粒子簇态序列处于预设状态；
S2、从所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中取出一个粒子，分别形成2n个有序的粒子序列，并保存每一个有序的粒子序列的粒子顺序，每一个粒子序列中包含了所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中的一个粒子；
S3、分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，将打乱顺序后的2n个粒子序列分别发送给所述2n个通信端；
S4、分别与所述2n个通信端进行安全验证，安全验证通过后，分别将2n个未打乱前的粒子顺序发送给所述2n个通信端；
所述第二处理器执行所述第二计算机程序时实现以下步骤：
S5、根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列从所述控制端接收到的粒子序列，根据所述重新排列后的第一粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
由上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过一控制端控制进行两两交互的2n个通信端之间的通信，通信双方仅需要通过一次信号粒子的传输，就可以实现双方秘密消息的互传，获得了更高的传输效率，并且由控制端分配通信端之间进行通信用到的粒子序列，并且只有在被控制端验证通过后，通信端才能获得到正确的粒子序列，并在正确的粒子序列中嵌入秘密信息，在公开量子信道中传输的信号粒子并未嵌入秘密消息，窃听者无法通过对该粒子的攻击来获得秘密消息，保证了量子安全直接通信的安全性，实现了高效安全的量子安全直接通信。
进一步的，所述分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱包括：
分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，并将诱饵粒子分别随机插入所述顺序打乱后的2n个粒子序列；
所述分别与所述2n个通信端进行安全验证包括：
分别发送诱饵粒子的位置和预设的第一测量基给所述2n个通信端；
接收所述2n个通信端发送的分别根据所述诱饵粒子的位置和第一测量基对各自的粒子序列进行测量后得到的第一测量结果；
分别根据所述第一测量结果评估所述控制端和所述2n个通信端之间量子信道的错误率，根据所述错误率分别对所述2n个通信端进行验证。
进一步的，若所述错误率超过预设阈值，则验证不通过，否则，验证通过。
由上述描述可知，通过在粒子序列中随机插入诱饵粒子，并在控制端和通信端之间基于诱惑粒子进行验证，保证了粒子序列传输的安全性。
进一步的，所述步骤S5包括：
根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列从所述控制端接收到的粒子序列；
从重新排列后的粒子序列随机选取预设个数的粒子作为样本，并选取预设的第二测量基测量所述样本中的每个样本粒子；
将所述样本的位置以及第二测量基发送给其余2n-1个通信端；
接收所述其余2n-1个通信端发送的根据所述样本的位置以及预设的测量基从重新排列后的粒子序列中选取对应的粒子作为样本，并测量得到的第二测量结果；
根据所述第二测量结果确定所述2n个通信端上的粒子序列是否都处于所述预设状态，若是，则根据重新排列后并且删除样本后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
由上述描述可知，通过在通信端间随机选取样本并根据预设的测量基对样本进行测试，根据测试结果确定通信端中的粒子序列是否确实处于预设状态，若是，才基于确定过状态的粒子序列进行通信，进一步提高了量子安全直接通信的安全性和可靠性。
进一步的，所述根据所述重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递包括：
采用预设的第三测量基对所述重新排列后的粒子序列进行测量，得到第三测量结果；
将待传递的信息与所述第三测量结果进行异或运算，得到已编码信息，将所述已编码信息发送给对应的通信端，使得对应的通信端将第四测量结果与所述已编码信息进行异或运算，得到发送给所述对应的通信端的信息；
所述第四测量结果是所述对应的通信端采用预设的第四测量基对重新排列后的粒子序列进行测量。
由上述描述可知，只需要控制端发送一次粒子序列给进行相互通信的通信端，通信发送端将所述粒子序列的测量结果与要传递的信息进行异或运算，得到编码信息，通信接收端只需要将自身的粒子序列进行测量得到测量结果，将测量结果与编码信息异或即能够实现对编码信息的解码，得到通信发送端发送的信息，大大提高了通信效率。
实施例一
请参照图1，一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法，包括步骤：
S1、控制端设置一预设长度的有序2n粒子簇态序列，所述有序2n粒子簇态序列处于预设状态
其中，σz＝|0><0|-|1><1|，
S2、所述控制端从所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中取出一个粒子，分别形成2n个有序的粒子序列，并保存每一个有序的粒子序列的粒子顺序，每一个粒子序列中包含了所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中的一个粒子；
S3、所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，，将打乱顺序后的2n个粒子序列分别发送给2n个通信端，即将第t个打乱顺序后的粒子序列发送给第t个通信端，t＝1,2…,2n；
其中，所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱包括：
所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，并将诱饵粒子分别随机插入所述顺序打乱后的2n个粒子序列，生成2n个新粒子序列；
S4、控制端分别与所述2n个通信端进行安全验证，安全验证通过后，所述控制端分别将2n个粒子序列未打乱前的粒子顺序发送给所述2n个通信端；
其中，控制端分别与所述2n个通信端进行安全验证包括：
所述控制端分别发送诱饵粒子的位置和预设的第一测量基给所述2n个通信端；
所述2n个通信端分别根据所述诱饵粒子的位置和第一测量基对各自的粒子序列进行测量，并将第一测量结果发送给所述控制端；
所述控制端分别根据所述第一测量结果评估控制端与所述2n个通信端之间量子信道的错误率，根据所述错误率分别对所述2n个通信端进行验证；
若所述错误率超过预设阈值，则验证不通过，否则，验证通过；
S5、所述2n个通信端分别根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列各自粒子序列，并分别根据各自重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递；
具体的，所述第t(t＝1,2,…,n)通信端和第t+n通信端分别根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列各自的第t粒子序列和第t+n粒子序列，并分别根据各自重新排列后的第t粒子序列和第t+n粒子序列与对方进行信息的传递；
具体的，所述步骤S5包括：
所述第t通信端分别根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列从控制端接收的粒子序列，即第t粒子序列；
所述第t通信端从重新排列后的第t粒子序列随机选取预设个数的粒子作为样本，并选取预设的第二测量基测量所述样本中的每个样本粒子；
所述第t通信端将所述样本的位置以及第二测量基发送给其余2n-1个通信端；
所述其余2n-1个通信端根据所述样本的位置以及预设的测量基从重新排列后的各自粒子序列中选取对应的粒子作为样本，并测量，将第二测量结果发送给所述第t通信端；
所述第t通信端根据所述第二测量结果确定所述2n个通信端上的粒子序列是否都处于所述预设状态，若是，则所述第t通信端和其余2n-1个通信端分别根据各自重新排列后并且删除各自的样本后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递；
其中，所述根据各自重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递包括：
所述通信端采用预设的第三测量基对所述重新排列后的粒子序列进行测量，得到第三测量结果；
所述通信端将待传递的信息与所述第三测量结果进行异或运算，得到已编码信息，将所述已编码信息发送给对应的通信端；
所述对应的通信端采用预设的第四测量基对重新排列后的粒子序列进行测量，得到第四测量结果；
所述对应的通信端将所述第四测量结果与所述已编码信息进行异或运算，得到所述通信端发送给所述对应的通信端的信息；
具体的，2n个通信端中，第t通信端与第t+n通信端进行交互，其具体的相互交互关系如图3所示，则第t通信端根据重新排列后的第t粒子序列与第t+n通信端进行信息的传递：
所述第t通信端采用预设的第三测量基对所述重新排列后的第t粒子序列进行测量，得到第三测量结果；
所述第t通信端将待传递的信息与所述第三测量结果进行异或运算，得到已编码信息，将所述已编码信息发送给所述第t+n通信端；
所述第t+n通信端采用预设的第四测量基对所述重新排列后的第t+n粒子序列进行测量，得到第四测量结果；
所述第t+n通信端将所述第四测量结果与所述已编码信息进行异或运算，得到所述第t通信端发送给所述第t+n通信端的信息；
如果在进行通信之前，第t通信端有选取样本进行各个通信端状态的测量验证，则通信双方进行通信时采用的粒子序列为重新排列后并且删除了所选取的样本后的粒子序列；
其中，通信双方传递信息时测量基的选择使得通信双方进行通信时满足以下条件：将通信双方各自的测量基对各自的粒子序列测量后得到的测量结果进行异或之后值为0。
实施例二
请参照图2，一种基于簇态的受控双向量子安全直接通信系统7，包括控制端4和2n个通信端1；
所述控制端4包括第一存储器5、第一处理器6及存储在第一存储器6上并可在第一处理器6上运行的第一计算机程序，所述通信端1包括第二存储器2、第二处理器3及存储在第二存储器2上并可在第二处理器3上运行的第二计算机程序，所述第一处理器6执行所述第一计算机程序时实现实施例一中控制端4执行的步骤；
所述第二处理器2执行所述第二计算机程序时实现实施例一中通信端1执行的步骤。
实施例三
将上述基于簇态的四方受控双向量子安全直接通信方法应用于实际的应用场景：
步骤S1：如图4所示，有四个通信端分别为Alice、Bob、Charlie和David，即用户，一个半可信的控制端Trent，即管理员，Alice和Charlie，Bob和David之间都通过Trent进行双向信息传递；Alice把秘密信息
发送给Charlie，同时，Charlie把秘密信息
发送给Alice；Bob把秘密信息
发送给David，同时，David把秘密信息
发送给Bob；
步骤S2：管理员Trent准备一个长度为l＝2N+4δ的有序四粒子簇态序列，每个序列都处于
状态。Trent从每个四粒子纠缠态中取出一个粒子，形成四个有序的粒子序列：A＝{a1,a2,…,al}，B＝{b1,b2,…,bl}，C＝{c1,c2,…,cl}和D＝{d1,d2,…，dl}；然后，Trent打乱四个粒子序列的顺序，得到了A′，B′，C′和D′四个新的粒子序列；与此同时，他记录了四个粒子序列的粒子顺序，这对Trent以外的任何人都是完全保密的；
步骤S3：为了保证粒子序列传输的安全性，Trent准备了足够多的诱饵粒子，这些诱饵粒子随机处于|0>、|1>、
和
四种状态之一，他将这些诱饵粒子随机插入到四个序列中，这样就得到了四个新的粒子序列A″、B″、C″和D″，分别发送给4个用户Alice、Bob、Charlie、David；
步骤S4：在接收到上述粒子序列之后，四个用户和Trent执行如下描述的第一次窃听检测过程：
首先，Trent向四个用户宣布了诱饵粒子的位置和测量基；然后，四个用户测量这些诱饵粒子并公布测量结果；最后，管理员Trent根据测量结果和初始状态评估各个用户的测量结果的错误率；如果错误率超过预先设定的阈值，则中止协议；否则，四个用户获得粒子序列A′、B′、C′和D′，并继续协议；
步骤S5：Trent分别向四个用户宣布用户各自接收到的粒子序列的粒子次序；根据这一信息，四个用户重新排列手中的粒子，分别得到A、B、C和D四个有序的粒子序列，并用它们来传递秘密信息；
步骤S6：为确保用户手中的粒子确实处于|Ω4>态，每个用户根据|Ω4>的相关性执行类似于步骤S3的第二次窃听检测过程；在这个过程中,每个用户随机选择δ个粒子作为样本,并随机选择测量基BZ＝{|0>，|1>}或BX＝{|+>，|->}去测量每个样本粒子，测量基是一组具有基特性的量子态，用于测量粒子；然后，向其他三个用户宣布样本的位置以及选择的测量基，并要求其他三个用户对各自手中对应的粒子序列进行测量：例如，Alice在BX基上测量一个样本粒子，并要求其他三个用户分别在BZ、BX和BZ测量基上测量相对应粒子，根据公式(1)，如果信号粒子处于真实的|Ω4>状态，则其测量结果应该是|+0+0>，|-0-0>，|+1-1>和|-1+1>这四种状态之一，这是量子纠缠特性导致的，根据公式(1)，当前两个粒子测量结果是+，0时，后面两个粒子必然塌缩到+，0上；
步骤S7：丢弃4δ个样本粒子后，每个用户持有剩余的2N个粒子，因为检测时，一个用户用δ个粒子作为样本，此时其它三个用户也要从自己的手中的粒子序列中拿出对应的δ个粒子协助这个用户进行检测，所以检测完后，每个用户一共要丢弃4δ个样本粒子，最终剩余的是2N个粒子，同理，其它三个用户进行检测时也分别选δ个粒子作为样本进行窃听检测；
丢弃样本粒子后，Alice(Bob,Charlie,David)选择基BZ去测量这2N个粒子并记录结果为
运用测量结果和经典的异或操作，Alice(Bob,Charlie,David)对秘密消息SA(SB,SC,SD)进行编码，得到最终结果为：
其中，
最后，他们向对应的通信交互方宣布所述最终结果；
步骤S8：根据步骤S7中对应通信方的公开信息以及自己的测量结果，每个用户就可以获得对应通信方传输的秘密消息；为了清楚的说明这一点，以想要获得秘密消息SC的Alice为例：通过以上步骤，她得到了由Charlie宣布的公共消息RC和自己的测量结果OA。根据|Ω>态的第一个量子位与第三个量子位的相关性，可以得到如下方程：
基于公式(2)和(3)，Alice计算公式(4)
从而推导出Charlie发送的消息SC。
综上所述，本发明提供的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法及系统，通过一控制端控制进行两两交互的2n个通信端之间的通信，通信双方仅需要通过一次信号粒子的传输，就可以实现双方秘密消息的互传，获得了更高的传输效率，并且由控制端分配通信端之间进行通信用到的粒子序列，在进行分配之前先对粒子序列进行随机打乱顺序，并随机插入诱饵粒子，并且只有在通信端被控制端基于诱饵粒子验证通过后，通信端才能获得到正确的粒子序列，同时在获得正确的粒子序列后，进行通信的双方对粒子序列进行采样并测试，在验证粒子序列的状态为预设状态后，才在删除了采样样本的粒子序列中嵌入秘密信息，保证了粒子序列传输的可靠性和安全性，防止被窃听，在公开量子信道中传输的信号粒子并未嵌入秘密消息，窃听者无法通过对该粒子的攻击来获得秘密消息，利用四粒子簇态的特性，在半可信第三方的控制下完成量子网络中任意两个用户之间双向秘密消息的传递，通过两次窃听检测过程，保证传输的安全性和确保用户手中的粒子确实处于|Ω>态，最后，利用|Ω>态的相关性，实现秘密消息的双向传递，保证了量子安全直接通信的安全性，实现了高效安全的量子安全直接通信。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法，其特征在于，包括步骤：
S1、控制端设置一预设长度的有序2n粒子簇态序列，所述有序2n粒子簇态序列处于预设状态；
S2、所述控制端从所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中取出一个粒子，分别形成2n个有序的粒子序列，并保存每一个有序的粒子序列的粒子顺序，每一个粒子序列中包含了所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中的一个粒子；
S3、所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，将打乱顺序后的2n个粒子序列分别发送给2n个通信端；
S4、控制端分别与所述2n个通信端进行安全验证，安全验证通过后，所述控制端分别将2n个未打乱前的粒子顺序发送给所述2n个通信端；
S5、所述2n个通信端分别根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列各自粒子序列，并分别根据各自重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
2.根据权利要求1所述的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法，其特征在于，所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱包括：
所述控制端分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，并将诱饵粒子分别随机插入所述顺序打乱后的2n个粒子序列；
控制端分别与所述2n个通信端进行安全验证包括：
所述控制端分别发送诱饵粒子的位置和预设的第一测量基给所述2n个通信端；
所述2n个通信端分别根据所述诱饵粒子的位置和第一测量基对各自的粒子序列进行测量，并将第一测量结果发送给所述控制端；
所述控制端分别根据所述第一测量结果评估控制端与所述2n个通信端之间量子信道的错误率，根据所述错误率分别对所述2n个通信端进行验证。
3.根据权利要求2所述的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法，其特征在于，若所述错误率超过预设阈值，则验证不通过，否则，验证通过。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
所述2n个通信端分别根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列各自的粒子序列；
第t通信端从重新排列后的粒子序列随机选取预设个数的粒子作为样本，并选取预设的第二测量基测量所述样本中的每个样本粒子，t＝1,2,…,2n；
所述第t通信端将所述样本的位置以及第二测量基发送给其余2n-1个通信端；
所述其余2n-1个通信端根据所述样本的位置以及预设的测量基从各自重新排列后的粒子序列中选取对应的粒子作为样本，并测量，将第二测量结果发送给所述第t通信端；
所述第t通信端根据所述第二测量结果确定所述2n个通信端上的粒子序列是否都处于所述预设状态，若是，则所述2n个通信端分别根据各自重新排列后并且删除各自的样本后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信方法，其特征在于，所述根据各自重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递包括：
所述2n个通信端采用预设的第三测量基对所述重新排列后的粒子序列进行测量，得到第三测量结果；
所述2n个通信端将待传递的信息与所述第三测量结果进行异或运算，得到已编码信息，将所述已编码信息发送给对应的通信端；
所述对应的通信端采用预设的第四测量基对重新排列后的粒子序列进行测量，得到第四测量结果；
所述对应的通信端将所述第四测量结果与所述已编码信息进行异或运算，得到所述2n个通信端发送给所述对应的通信端的信息。
6.一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统，包括控制端和2n个通信端；
所述控制端包括第一存储器、第一处理器及存储在第一存储器上并可在第一处理器上运行的第一计算机程序，所述通信端包括第二存储器、第二处理器及存储在第二存储器上并可在第二处理器上运行的第二计算机程序，其特征在于，所述第一处理器执行所述第一计算机程序时实现以下步骤：
S1、设置一预设长度的有序2n粒子簇态序列，所述有序2n粒子簇态序列处于预设状态；
S2、从所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中取出一个粒子，分别形成2n个有序的粒子序列，并保存每一个有序的粒子序列的粒子顺序，每一个粒子序列中包含了所述有序2n粒子簇态序列中的每个2n粒子纠缠态中的一个粒子；
S3、分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，将打乱顺序后的2n个粒子序列分别发送给所述2n个通信端；
S4、分别与所述2n个通信端进行安全验证，安全验证通过后，分别将2n个未打乱前的粒子顺序发送给所述2n个通信端；
所述第二处理器执行所述第二计算机程序时实现以下步骤：
S5、根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列从所述控制端接收到的粒子序列，根据所述重新排列后的第一粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
7.根据权利要求6所述的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统，其特征在于，所述分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱包括：
分别将所述2n个有序的粒子序列的粒子顺序打乱，并将诱饵粒子分别随机插入所述顺序打乱后的2n个粒子序列；
所述分别与所述2n个通信端进行安全验证包括：
分别发送诱饵粒子的位置和预设的第一测量基给所述2n个通信端；
接收所述2n个通信端发送的分别根据所述诱饵粒子的位置和第一测量基对各自的粒子序列进行测量后得到的第一测量结果；
分别根据所述第一测量结果评估所述控制端和所述2n个通信端之间量子信道的错误率，根据所述错误率分别对所述2n个通信端进行验证。
8.根据权利要求7所述的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统，其特征在于，若所述错误率超过预设阈值，则验证不通过，否则，验证通过。
9.根据权利要求6或7所述的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统，其特征在于，所述步骤S5包括：
根据接收到的未打乱前的粒子顺序重新排列从所述控制端接收到的粒子序列；
从重新排列后的粒子序列随机选取预设个数的粒子作为样本，并选取预设的第二测量基测量所述样本中的每个样本粒子；
将所述样本的位置以及第二测量基发送给其余2n-1个通信端；
接收所述其余2n-1个通信端发送的根据所述样本的位置以及预设的测量基从重新排列后的粒子序列中选取对应的粒子作为样本，并测量得到的第二测量结果；
根据所述第二测量结果确定所述2n个通信端上的粒子序列是否都处于所述预设状态，若是，则根据重新排列后并且删除样本后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递。
10.根据权利要求6或7所述的一种基于簇态的多方受控双向量子安全直接通信系统，其特征在于，所述根据所述重新排列后的粒子序列与对应的通信端进行信息的传递包括：
采用预设的第三测量基对所述重新排列后的粒子序列进行测量，得到第三测量结果；
将待传递的信息与所述第三测量结果进行异或运算，得到已编码信息，将所述已编码信息发送给对应的通信端，使得对应的通信端将第四测量结果与所述已编码信息进行异或运算，得到发送给所述对应的通信端的信息；
所述第四测量结果是所述对应的通信端采用预设的第四测量基对重新排列后的粒子序列进行测量。
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