CN111092664A - 一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，包括相互通信的A方和B方制备通信所需的光子序列，其中A方制备一个由单光子和超纠缠光子对一半侧光子构成的序列SAt，和一个仅由超纠缠光子对另一半侧光子构成的序列SAh，B方制备一个只包含单光子的序列SBt；由C方对所接收到的序列SAt和序列SBt进行超纠缠贝尔态分析，并公布测量结果；经两个序列的单光子安全性检测，继而A方通过对序列SAh的光子进行幺正操作实现编码信息；B方通过C方协助单光子测量编码后序列SAh所公布的结果，解码得到信息。应用本发明的信道增容方法，每次传输时能在光子的偏振和空间自由度上同时进行编码，实现两比特的信息编码，切实提高了MDI‑QSDC的信道容量。

Description

一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法
技术领域
本发明涉及提高测量设备无关的量子安全直接通信信道容量的设计方案，属于量子通信技术领域。
背景技术
1984年Bennett和Brassard首次提出的量子密钥分发（QKD）实现了理论上绝对安全的密钥分发，这种安全性是由量子物理学所保证的。此后，量子通信成为了研究的热点并取得了很大的发展。
2002年龙桂鲁等人首先提出了量子安全直接通信（QSDC）的思想并在2003年邓富国等人提出了第一个QSDC的方案。与QKD不同的是，QSDC能够直接在通信双方之间实现信息的安全传输，而QKD只能实现密钥的安全分发。由于这一特性，QSDC获得了科研人员的广泛关注并成为了量子通信的一个重要分支。
然而，无论是QKD还是QSDC在实际条件下运作时，都会因为设备的不完美出现各种各样的安全漏洞，窃听者可以利用这些漏洞去实现密钥或者信息的窃取导致QKD和QSDC在实际条件下都不再是安全的。而大部分的攻击都是基于单光子探测器的不完美性，比如伪态攻击和时移攻击等等。2012年，Lo等人提出了著名的测量设备无关的量子密钥分发（MDI-QKD），这个方案完美地解决了基于单光子探测器的不完美的所有攻击。因此，2018年Zhou和Sheng等人这种思想用到了QSDC上，设计出了测量设备无关的安全直接通信（MDI-QSDC），这种方案可以使QSDC免疫所有基于测量设备不完美的所有攻击。同时超纠缠态在QSDC中也有着重要的应用。2011年Wang等人就通过超纠缠实现了高信道容量的QSDC。2012年Dan等人通过单光子的多自由度也实现了高信道容量的QSDC。
发明内容
本发明目的在于提高MDI-QSDC的信道容量，提出了通过超纠缠态和多自由度的单光子实现高容量的MDI-QSDC
本发明实现上述目的的技术方案为：一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，其特征在于包括：
步骤1：相互通信的A方和B方各自制备通信所需的光子序列，其中A方制备一个由单光子和超纠缠光子对一半侧光子构成的序列SAt，和一个仅由超纠缠光子对另一半侧光子构成的序列SAh，B方制备一个只包含单光子的序列SBt；
步骤2：由作为第三方的C方对所接收到的序列SAt和序列SBt进行超纠缠贝尔态分析，并公布测量结果；
步骤3：利用序列SAt中的单光子和序列SBt中的单光子进行安全性检测；
步骤4：A方通过对序列SAh的光子进行幺正操作实现编码信息；
步骤5：B方通过C方协助单光子测量编码后序列SAh所公布的结果，解码得到信息；
步骤6：正确性检测。
进一步地，步骤1中序列SAt由t1个单光子和N+t0个超纠缠光子对中一半侧光子组成，序列SAh由N+t0个超纠缠光子对中另一半侧光子组成，序列SBt由N+t0+t1个单光子组成，
单光子的量子态描述公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，下标A和B分别表示A方和B方，H和V分别表示水平偏振和垂直偏振，a1、a2、b1和b2表示各个空间模式，P和S分别表示偏振和空间自由度；
超纠缠光子对的量子态描述公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，其中At和Ah分别表示A方超纠缠态的两个光子。
进一步地，步骤2中A方和B方同时将序列SAt和序列SBt发送给C方，C方对于序列SAt中超纠缠光子对中的光子和序列SBt中的单光子进行超纠缠贝尔态分析，并公布测量结果。
进一步地，步骤3中A方和B方所选光子有一个自由度的基不同的情况，超纠缠贝尔态分析的结果有八种，而两个自由度的基都相同的情况，超纠缠贝尔态分析的结果有四种，窃听者E方测量并获取量子态的信息时错误率升高，当错误率超出预设的阈值时通信终止，当错误率保持低于预设的阈值时转入步骤4。
进一步地，步骤4中A方通过对序列SAh的光子进行幺正操作来编码信息，所述幺正操作包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中操作
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示偏振自由度的不变操作，操作
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示空间自由度的不变操作，操作
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示偏振自由度的4个BB84态的比特翻转操作，操作
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示空间自由度的4个BB84态的比特翻转操作，而U1表示00，U2表示01，U3表示10，U4表示11。
进一步地，步骤5中A方把编码后的序列SAh发给C方，然后B方公布序列SBt光子的两个自由度的基，C方根据B方公布的基进行单光子测量并公布结果，而后B方根据自己的基和C方提供的结果解码得到A方的信息。
进一步地，步骤4中A方需要选择序列SAh中t0个光子编码检验比特，而步骤6中A方比较t0个检验比特信息和从步骤5中测量并公布结果推理出来的比特信息，得到错误率，若错误率低于预设的阈值时，信息被安全且准确传输，否则判定信息传输被窃听者E方干扰，信息被丢弃并返回步骤1重新开始。
应用本发明的技术解决方案，具有以下显著的技术效果：该信道增容方法能够实现每次传输时在光子的偏振和空间自由度上同时进行编码，实现两比特的信息编码，切实提高了MDI-QSDC的信道容量。
附图说明
图1为本发明信道增容方法的总体流程图。
图2为本发明提出的产生偏振和空间自由度纠缠的超纠缠贝尔态。
图3为本发明提出的产生同时具有偏振和空间自由度的单光子。
图4为本发明提出的高容量的MDI-QSDC方案的实施状态图。
具体的实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
本方案首先在MDI-QSDC上使用了超纠缠态和具有多自由度的单光子来提高MDI-QSDC的信道容量。所利用的信道增容方法概述而言，包括步骤1：相互通信的A方和B方各自制备通信所需的光子序列，其中A方制备一个由单光子和超纠缠光子对一半侧光子构成的序列SAt，和一个仅由超纠缠光子对另一半侧光子构成的序列SAh，B方制备一个只包含单光子的序列SBt；步骤2：由作为第三方的C方对所接收到的序列SAt和序列SBt进行超纠缠贝尔态分析，并公布测量结果；步骤3：利用序列SAt中的单光子和序列SBt中的单光子进行安全性检测；步骤4：A方通过对序列SAh的光子进行幺正操作实现编码信息；步骤5：B方通过C方协助单光子测量编码后序列SAh所公布的结果，解码得到信息；步骤6：正确性检测。
更具象化地理解，如图1至图4所示的总体流程图、产生偏振和空间自由度纠缠的超纠缠贝尔态、产生同时具有偏振和空间自由度的单光子、MDI-QSDC方案的实施状态图等。
为便于表述形象化，以下A方称呼命名为Alice，B方称呼命名为Bob，C方称呼命名为Charlie，窃听者E方命名为EVE。
步骤1：通信双方Alice和Bob制备所需的光子。
如图4所示，在Alice端有两个序列分别是SAt和SAh。用来传输的序列SAt由单光子和超纠缠光子对中的一个光子组成。而另一个序列SAh由超纠缠光子对中的另一个光子组成。为了描述的方便，假设有t1个单光子，N+t0个超纠缠光子对。因此，在序列SAt中总共有N+t0+t1个光子，序列SAh中有N+t0个光子。
单光子的量子态是等式（1）中16个量子态中的随机一个量子态，比如
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，超纠缠光子对的量子态如等式（2）所示。Bob端的传输序列SBt包含了N+t0+t1个单光子。它们的量子态也是等式（1）中的随机的一个量子态，比如
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
。
Figure 929970DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；下标A和B分别表示Alice和Bob，H和V分别表示水平偏振和垂直偏振，a1、a2、b1和b2表示各个空间模式，P和S分别表示偏振和空间自由度。
Figure DEST_PATH_IMAGE028
（2），
其中At和Ah分别表示Alice端超纠缠态的两个光子。
步骤2：超纠缠贝尔态分析（HBSA），Alice和Bob同时将序列SAt和序列SBt发送给第三方Charlie。在接收到光子后，Charlie进行HBSA并且公布测量的结果。对于序列SAt中的超纠缠光子对中的一个光子和序列SBt中的单光子进行的HBSA是用来完成隐形传态的。为了在Alice端重现出Bob的初始量子态，Alice需要根据Charlie公布的HBSA的结果进行相应的幺正操作。如果不进行这一步，编码之后，Bob端解码出来的信息就可能出现错误。
步骤3：安全性检测，SAt 序列中的单光子部分和序列SBt中对应位置的单光子做超纠缠贝尔态分析是用来做安全性检测的，MDI-QSDC的安全性检测与MDI-QKD相同。在Charlie公布测量结果后，Alice公布序列SAt中的t1个单光子的位置和量子态，Bob公布序列SBt中对应位置的单光子的量子态。如果Alice和Bob的光子的量子态两个自由度的基都不相同的话，它们就不能用来做安全性检测，因为Charlie的HBSA的测量结果就会有16种。在这种情况下，Alice和Bob无法判断是否Charlie或EVE通过测量来窃取信息。对于一个自由度的基不同的情况，HBSA的结果有8种。因此，如果EVE想要通过测量来获取量子态的信息，测量的结果可能是另外8个超纠缠贝尔态，这样错误率就会变高。对于两个自由度的基都相同的情况，HBSA的结果有4种。同样地，如果Charlie或EVE对量子态进行测量，那么错误率就会提高。如果错误率超过阈值，方案就会被终止；否则，继续进行方案的下一步。
步骤4：Alice通过对序列SAh的光子进行幺正操作来编码信息。幺正操作有如下四种：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
其中操作
Figure DEST_PATH_IMAGE011A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE013A
分别表示偏振和空间自由度的不变操作。操作
Figure DEST_PATH_IMAGE015A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE017A
分别表示偏振和空间自由度的4个BB84态的比特翻转操作。这4个幺正操作可以用来编码信息，U1表示00，U2表示01，U3表示10，U4表示11。因此，每个光子可以编码两比特信息。另外，Alice需要选择SAh序列中t0个光子来编码检验比特确保信息被正确的传输。如果EVE在信息传输过程中的干扰信息，错误率就会提高。在这种情况下，EVE只能够干扰信息但是得不到有用的信息。
步骤5：解码信息，Alice把序列SAh发给Charlie。然后Bob公布序列SBt的光子的两个自由度的基。Charlie根据Bob公布的基进行单光子测量并公布测量结果。因此，Bob可以根据自己的基和Charlie的测量结果得到Alice编码的信息。
步骤6：正确性检测，Alice比较t0个检验比特信息和从测量结果推理出来的比特信息。如果错误率高于阈值，Alice编码的信息被EVE干扰了，因此传输的信息应该被丢弃掉。否则，信息被安全并准确地传输了。
综上所述，本发明涉及量子通信，提高一种高容量的测量设备无关的量子安全直接通信的设计方案。通过将原始测量设备无关的量子安全直接通信方案中只包含偏振自由度的光子替换成同时包含偏振和空间自由度的光子，并结合超纠缠态贝尔态分析来实现同时在光子的偏振和空间自由度上进行编码，因此该方案一次成功的通信可以实现两比特信息的传输，大大提高了信道容量。该高容量的量子安全直接通信方案有利于未来的量子通信发展。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，其特征在于包括：
步骤1：相互通信的A方和B方各自制备通信所需的光子序列，其中A方制备一个由单光子和超纠缠光子对一半侧光子构成的序列SAt，和一个仅由超纠缠光子对另一半侧光子构成的序列SAh，B方制备一个只包含单光子的序列SBt；
步骤2：由作为第三方的C方对所接收到的序列SAt和序列SBt进行超纠缠贝尔态分析，并公布测量结果；
步骤3：利用序列SAt中的单光子和序列SBt中的单光子进行安全性检测；
步骤4：A方通过对序列SAh的光子进行幺正操作实现编码信息；
步骤5：B方通过C方协助单光子测量编码后序列SAh所公布的结果，解码得到信息；
步骤6：正确性检测。
2.根据权利要求1所述测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，其特征在于：步骤1中序列SAt由t1个单光子和N+t0个超纠缠光子对中一半侧光子组成，序列SAh由N+t0个超纠缠光子对中另一半侧光子组成，序列SBt由N+t0+t1个单光子组成，
单光子的量子态描述公式为：
Figure 247387DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 164528DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 6582DEST_PATH_IMAGE006
，下标A和B分别表示A方和B方，H和V分别表示水平偏振和垂直偏振，a1、a2、b1和b2表示各个空间模式，P和S分别表示偏振和空间自由度；
超纠缠光子对的量子态描述公式为：
Figure 464108DEST_PATH_IMAGE008
，其中At和Ah分别表示A方超纠缠态的两个光子。
3.根据权利要求1所述测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，其特征在于：步骤2中A方和B方同时将序列SAt和序列SBt发送给C方，C方对于序列SAt中超纠缠光子对中的光子和序列SBt中的单光子进行超纠缠贝尔态分析，并公布测量结果。
4.根据权利要求1所述测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，其特征在于：步骤3中A方和B方所选光子有一个自由度的基不同的情况，超纠缠贝尔态分析的结果有八种，而两个自由度的基都相同的情况，超纠缠贝尔态分析的结果有四种，窃听者E方测量并获取量子态的信息时错误率升高，当错误率超出预设的阈值时通信终止，当错误率保持低于预设的阈值时转入步骤4。
5.根据权利要求1所述测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，其特征在于：步骤4中A方通过对序列SAh的光子进行幺正操作来编码信息，所述幺正操作包括：
Figure 278480DEST_PATH_IMAGE010
，其中操作
Figure 163259DEST_PATH_IMAGE012
表示偏振自由度的不变操作，操作
Figure 430293DEST_PATH_IMAGE014
表示空间自由度的不变操作，操作
Figure 691510DEST_PATH_IMAGE016
表示偏振自由度的4个BB84态的比特翻转操作，操作
Figure 360388DEST_PATH_IMAGE018
表示空间自由度的4个BB84态的比特翻转操作，而U1表示00，U2表示01，U3表示10，U4表示11。
6.根据权利要求1所述测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，其特征在于：步骤5中A方把编码后的序列SAh发给C方，然后B方公布序列SBt光子的两个自由度的基，C方根据B方公布的基进行单光子测量并公布结果，而后B方根据自己的基和C方提供的结果解码得到A方的信息。
7.根据权利要求1所述测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法，其特征在于：步骤4中A方需要选择序列SAh中t0个光子编码检验比特，而步骤6中A方比较t0个检验比特信息和从步骤5中测量并公布结果推理出来的比特信息，得到错误率，若错误率低于预设的阈值时，信息被安全且准确传输，否则判定信息传输被窃听者E方干扰，信息被丢弃并返回步骤1重新开始。
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