CN111245605A - 一种基于ghz纠缠态的多用户测量设备无关qkd系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统及方法，其包含N+1个发送方及N个测量方；所述第一、第二...第N发送方相互之间通过经典信道连接，N发送方与N测量方通过量子信道一一连接，第N+1发送方通过量子信道与第一、第二...第N测量方连接。所述第一、第二...第N发送方发送单光子偏振态，第N+1发送方发送GHZ纠缠态。由第一、第二...第N、第N+1发送方制备的粒子在第一、第二...第N测量方发生干涉，进行Bell态测量，形成码值。本发明大大增加了通信的距离，且能抵抗对测量设备进行的攻击，本发明中第一、第二...第N测量方均可为非可信方。

Description

一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统及方法
技术领域
本发明涉及车辆信息量子通信领域，具体涉及一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备 无关QKD系统及方法。
背景技术
量子密钥分发技术(QKD)是一种基于量子力学与信息论的应用于量子保密通信(Quantum Cryptography)中的一项重要技术。在存在窃听者(Eve)存在的情况下，通信 双方(Alice、Bob)在量子通信无条件安全性的理论基础上进行保密通信。1984年，Bennett 等人提出了第一个QKD协议——BB84协议。但由于实际系统与理论上存在着差异，使得实 际系统存在着各种各样的漏洞，从而Eve通过这些漏洞能对通信过程进行攻击。为应对系 统存在的各种问题，许多协议陆续被提出。而为了应对由测量设备所引起的攻击，2012年， Lo等人提出了测量设备无关(Measurement-Device-independent)的量子密钥分发协议， 简称MDI-QKD协议。在MDI-QKD协议中，Alice和Bob只负责制备量子态，由第三方Charlie 对Alice与Bob制备的量子态进行测量，从而产生密钥，其中第三方是可以不可信的。
随着量子保密通信的持续发展，两方的量子密钥分发已不能满足现在的需求，多方量 子密钥分发的诞生突破了单路通信的限制，使得量子保密通信真正实用化。多方量子密钥 分发可用于多方量子通信，使多用户能同时拥有统一密钥以进行多方同时的保密通信。
GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)态是1989年由Greenberger等人提出的一种多 量子纠缠态，是现今运用在多方量子保密通信中的一种常用纠缠态。在基于偏振的GHZ未 测量的情况下，状态未知，当用不同的测量基测量时会产生特有的偏振态。因此，其在Z基下的多粒子纠缠形式可表示为
Figure BDA0002351972540000011
当其由三粒子组成时，其表达形式为
Figure BDA0002351972540000012
因为在测量后量子态会随机塌缩成一种形式，则在Z基下GHZ态有八种形式
Figure BDA0002351972540000021
Figure BDA0002351972540000022
2013年，Xu等人对纠缠态的MDI-QKD协议进行了研究，其通过增加量子中继端以增加 量子保密通信的损耗容忍度，即增加了量子保密通信的距离，但是其纠缠态发送方发送的 是EPR纠缠态，而且研究只针对了两方的量子密钥分发，并没有考虑多方的量子保密通信。 2015年Fu等人对基于GHZ态的MDI-QKD协议进行了研究，主要应用于量子秘密共享(Quantum Secret Sharing，QSS)及量子保密会议(Quantum CryptographicConferencing，QCC) 之中，但其主要是用GHZ态替代了Bell态进行投影测量，并没有真正意义上运用GHZ态进 行量子密钥分发。
在专利201710034284中，其所叙述的基于GHZ态的QKD协议，其希望由第三方Charlie 发送GHZ纠缠态的方式进行密钥分发，并陈述第三方是可不可信的，但显然进行纠缠态的 分发的第三方Charlie并不可能成为不可信端。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的问题，提出了一种传输距离长、可多方密钥分发 的基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统。
所述GHZ纠缠态为基于偏振纠缠的GHZ态，在本段叙述中采用三粒子偏振纠缠的GHZ纠缠态
Figure BDA0002351972540000023
(可拓展至多粒子，如
Figure BDA0002351972540000024
及其他GHZ态粒子，如
Figure BDA0002351972540000025
进行叙述，根据量子力学的内容，该纠缠态在测量后会以等概率塌缩成
Figure BDA0002351972540000028
或
Figure BDA0002351972540000027
且不同的测量基会使GHZ 态塌缩至不同的基上，即用Z基测量会得到竖直偏振态或水平偏振态的粒子，而如果用X基 测量会得到45°偏振态或135°偏振态的粒子。同时当第一测量者对一个三粒子GHZ态进行 测量后，第二、第三及后续的测量者的测量并不会改变该GHZ粒子的偏振态。
所述测量设备无关(Measurement-Device-Independent.MDI)为一种抗测量设备攻击 的QKD方式。具体的，一组最原始的MDI-QKD系统由两个发送方Alice、Bob及一个测量方 Charlie组成，具体成码方式如下：1、Alice与Bob制备一个单光子偏振态；2、Alice、 Bob将所制备的单光子偏振态发送至Charlie端；3、来自Alice与Bob的两个单光子在 Charlie端的BS分束器上发生双光子干涉；4、通过Bell态的投影测量产生响应，根据表 1的编码方式生成初始密钥(其中√为成码，×为不成码)；5、经过监听检测、无码分析、 隐私放大等后处理过程，最终形成Alice与Bob同时拥有的统一安全密钥。
表1 MDI-QKD测量结果与编码方式的对应
测量结果 HH HV VH VV ++ +- -+ --
|ψ-＞ × √ √ × × √ √ ×
|ψ+＞ × √ √ × √ × × √
在本发明中，所述的多用户密钥分发是一种使多个合法用户能同时共享一个统一密钥 的方式。具体的，在本专利中主要叙述的是三用户(可拓展至更多用户)的量子密钥分发 方式。其包含三组原始MDI-QKD系统，将每一组的第二发送方改为连接一个共同的GHZ纠缠 源。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设 备无关QKD系统，包括N个发送方，N个测量方和一个GHZ态纠缠源，其中：
所述N个发送方彼此之间通过经典信道连接，N个发送方与N个测量方通过量子信道一 一对应连接，所述GHZ态纠缠源包括有N个输出端口，N个输出端口与N个测量方通过量子 信道一一对应连接；
所述发送方包括依次顺序连接的衰减相干光源、幅度调制器和偏振调制器；
所述测量方包括一个分束器BS、两个偏振分束器PBS、两个垂直探测器D1V、D2V和两 个水平探测器D1H、D2H；
所述一个偏振调制器与一个分束器BS连接，所述GHZ态纠缠源的一个输出端口连接一 个测量方的分束器BS连接。
优选地，两个偏振分束器PBS分别与所述分束器BS连接，任意一个偏振分束器PBS分 别连接一个垂直探测器和一个水平探测器。
所述的GHZ态纠缠源制备的不同纠缠态，其特征为：根据用户之间初始的协商可制备不 同的基于偏振纠缠GHZ纠缠态，在本申请中通过GHZ纠缠态
Figure BDA0002351972540000041
来表述实现过程，实际应用中可制备
Figure BDA0002351972540000042
等其他的GHZ纠缠态；
本申请为多用户(包括但不仅为三用户、四用户等)系统，其增加一用户的具体实施 方法为：增加一发送方以作为该用户发送方，增加一测量方以用作该用户的测量方，增加 GHZ态的纠缠粒子数(如：若是四用户QKD系统，则使用四粒子GHZ纠缠态)，增加一GHZ 纠缠源的输出端；
优选地，所述发送方为单光子源。
优选地，所述任意一个发送方制备加载了随机偏振态的单光子，并将制备的单光子发 送到与其对应连接的测量方上；
所述GHZ态纠缠源制备N粒子GHZ纠缠态，N个GHZ纠缠态粒子分别发送到N个测量方上；
所述单光子与GHZ纠缠态粒子在测量方上进行Bell态测量，并根据初始商定的GHZ态 及MDI成码方式形成原码。
优选地，所述N个发送方将部分数据公开，进行误码率计算，与理论误码范围进行比 对，若误码率超过可信范围，则终止本轮协议，重新开始；
N个发送方对所生成的密钥进行数据后处理，包括数据协商和保密增强等步骤，最终得 到m比特相同的安全密钥。
一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD方法，应用了上述的一种基于GHZ纠 缠态的多用户测量设备无关QKD系统，该方法包括以下步骤：
步骤一：制备待测量粒子：第一发送方、第二测发送方...第N发送方制备加载了随机 偏振态的单光子，所述GHZ态纠缠源制备N粒子GHZ纠缠态；
步骤二：发送待测粒子：第一发送方将制备的单光子发送至第一测量方，第二发送方 将制备的单光子发送至第二测量方，以此类推，第N发送方将制备的单光子发送至第N测量方，所述GHZ态纠缠源将制备的GHZ纠缠态的N个粒子分别通过第一输出端口、第二发 输出端口...第N输出端口发送至第一测量方、第二测量方……第N测量方；
步骤三：对待测粒子进行测量：第一发送方制备的单光子与GHZ态纠缠源发送的粒子 在第一测量方进行Bell态测量，第二发送方制备的粒子与第N+1发送方发送的GHZ纠缠态 粒子在第二发送方进行Bell态测量，依次类推...第N发送方制备的粒子与第N+1发送方发送的粒子在第N测量方进行Bell态测量；
步骤四：形成原码：根据初始商定的GHZ态及MDI成码方式形成原码；
步骤五：窃听检测：根据第一发送方、第二发送方...第N发送方将其发送过程中的部 分原始密钥公开，进行误码率计算，与设定误码范围进行比对，若误码率超过可信范围，则终止本轮协议，重新开始；
步骤六：数据后处理：第一发送方、第二发送方...第N发送方对所生成的密钥进行数 据后处理，包括数据协商和保密增强，最终得到安全密钥。
优选地，根据不同的GHZ纠缠态，用户所形成的码可能需进行比特翻转，当N＝3时制 备的GHZ纠缠态是
Figure BDA0002351972540000051
则第二发送方Send 2成码时需 进行比特翻转(若以第一发送方Send 1所成码为基准)。
本发明有益的技术效果：
本发明采用基于偏振的GHZ纠缠态实现了一种多方的量子密钥分发系统；
本发明结构简单，实现容易，技术成熟可靠；
本发明为测量设备无关系统，可抵抗针对测量设备的一切攻击；
本发明通过增加量子纠缠源的方式增大了损耗容忍度，增加了量子保密通信的距离；
本发明为多用户系统。
附图说明
图1为本发明的第一发送方——第N发送方的结构示意图；
图2为本发明的第一测量方——第N测量方的结构示意图；
图3为本发明的个GHZ态纠缠源的结构示意图；
图4为本发明的整体结构图；
图5为本发明的整体流程图。
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，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
如图4所示，一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统，包含N个发送方(第 一发送方Send 1、第二发送方Send 2...第N发送方Send N)，N个测量方(第一测量方Det 1、 第二测量方Det 2...第N测量方Det N)和一个GHZ态纠缠源，所述GHZ态纠缠源也是一个发 送方(也可以第N+1发送方Send N+1表示，附图中为第N+1发送方Send N+1)，其中所述的第 一发送方、第二发送方...第N发送方通过经典信道彼此连接；
具体的第一发送方、第二发送方...第N发送方均为单光子源。
由于真单光子源难以获取，如图1所示单光子源为伪单光子源，由弱相干脉冲(Weak Coherent Pulse，WCP)、偏振调制器(Polarization Modulator,Pol-M)以及强度调制器 (Intensity Modulator，Decoy-IM)依次顺序连接组成，其中强度调制器用于产生诱惑态 (Decoy-state)，因此具体的产生单光子的方式是：通过弱相干脉冲产生单光子，通过偏 振调制器，对光量子的偏振态进行调制，后经过强度调制器，调制出不同强度的单光子，以作为诱惑态，其中，诱惑态用于监听检测。
对于所述的对光量子进行偏振态调制，具体实施方式是：需要通过随机数发生器产生 两个随机比特，即比特0或比特1(这部分内容为现有技术，随机数发生器也是现有的设备， 因此不再详细描述)。其中一个随机比特用于随机选取Z基或X基，再根据另一个随机比特随 机选择偏振态，根据随机比特值对应的偏振态，加载于单光子上，例如：通过随机数产生 器，产生比特值0和比特值0，则选择X基，并在单光子上加载45度偏振态。
如图3所示，所述GHZ纠缠源具有N个输出端，分别为第一输出端、第二输出端...第N输 出端。其制备GHZ纠缠态粒子的具体实现过程如下：
步骤一：根据初始协商的GHZ纠缠态，通过GHZ纠缠源制备N粒子GHZ纠缠态(N个GHZ纠 缠态粒子分别为D1、D2...DN)；
步骤二：将D1从第一输出端发出，D2从第一输出端发出...DN从第N输出端发出。
如图4所示，当第一发送方Send 1(第二发送方Send 2...第N发送方Send N)将已制备 完毕的粒子发送至第一测量方Det 1(第二测量方Det 2...第N测量方Send N)的同时，第 N+1发送方Send N+1(GHZ纠缠源)也将其制备的GHZ纠缠态中的粒子D1(D2...DN)发送至 第一测量方Det 1(第二测量方Det 2...第N测量方Det N)。
如图2所示，第一测量方、第二测量方...第N测量方的结构图，每个测量方包含一个分 束器BS、两个偏振分束器PBS、四个探测器(包含两个垂直偏振态探测器及两个竖直偏振态 探测器)。当第一发送方Send 1(第二发送方Send 2...第三发送方Send N)制备的粒子及 第N+1发送方制备的GHZ纠缠态粒子D1(D2...DN)到达BS时，发生双光子干涉，基于半透半 反镜的物理原理，两个粒子发生双光子干涉后产生Bell态，触发探测器的响应(响应对应 的结果与经典MDI-QKD相同)。
即，若Send 1发送竖直偏振态|V＞且首先与Send N+1制备的纠缠态产生干涉，经过测 量，D1若塌缩成
Figure BDA0002351972540000071
则无法成码，若塌缩成
Figure BDA0002351972540000072
则有可 能触发探测器D1H、D2V，若此时第二测量方...第N测量方探测结果也为一个竖直偏振态探 测器和一个水平偏振态探测器产生响应，则可成码，由这2N个探测器的响应可推知第一发 送方、第二发送方...第N发送方发送的均为同一偏振态，则可以得到该偏振态所代表码值 即比特1。以此类推，可以得到一段由第一发送方、第二发送方...第N发送方所共有的原始 密钥。将原始密钥经过误码检测、保密增强等步骤后形成最终共有的安全密钥。
如图5所示，一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD方法，实现包括以下步骤：
步骤一：制备待测量粒子：第一发送方、第二测发送方...第N发送方通过单光子源制 备加载了随机偏振态的单光子，第N+1发送方制备N粒子GHZ纠缠态；
步骤二：发送待测粒子：第一发送方将制备的粒子发送至第一测量方，第二发送方将 制备的粒子发送至第二测量方，第N发送方将制备的粒子发送至第N测量方，第N+1发送方将制备的GHZ纠缠态的N个粒子分别通过第一输出端、第二输出端……第N输出端发送 至第一测量方、第二测量方……第N测量方；
步骤三：对待测粒子进行测量：第一发送方制备的粒子与第N+1发送方发送的粒子在 第一测量方进行Bell态测量，第二发送方制备的粒子与第N+1发送方发送的粒子在第二发 送方进行Bell态测量...第N发送方制备的粒子与第N+1发送方发送的粒子在第N测量方进行Bell态测量；
步骤四：形成原码：根据初始商定的GHZ态及MDI成码方式形成原码；
步骤五：窃听检测：根据第一发送方、第二发送方...第N发送方将部分通信过程中的 原始密钥公开，进行误码率计算，与理论误码范围进行比对，若误码率超过可信范围，则终止本轮协议，重新开始；
步骤六：数据后处理：第一发送方、第二发送方...第N发送方对所生成的密钥进行数 据后处理，包括数据协商和保密增强等步骤，最终得到安全密钥。
根据不同的GHZ纠缠态，用户所形成的码有可能需进行比特翻转，例如当N＝3时且制 备的GHZ纠缠态是
Figure BDA0002351972540000081
则第二发送方Send 2成码时 需进行比特翻转(若以第一发送方Send 1所成码为基准)。
1、本发明采用基于偏振的GHZ纠缠态实现了一种多方的量子密钥分发系统；
2、本发明结构简单，实现容易，技术成熟可靠；
3、本发明为测量设备无关系统，可抵抗针对测量设备的一切攻击；
4、本发明通过增加量子纠缠源的方式增大了损耗容忍度，增加了量子保密通信的距 离；
5、本发明为多用户系统。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进 行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些 修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一 些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，包括N个发送方，N个测量方和一个GHZ态纠缠源，其中：
所述N个发送方彼此之间通过经典信道连接，N个发送方与N个测量方通过量子信道一一对应连接，所述GHZ态纠缠源包括有N个输出端口，N个输出端口与N个测量方通过量子信道一一对应连接；
所述发送方包括依次顺序连接的衰减相干光源、幅度调制器和偏振调制器；
所述测量方包括一个分束器BS、两个偏振分束器PBS、两个垂直探测器D1V、D2V和两个水平探测器D1H、D2H；
所述一个偏振调制器与一个分束器BS连接，所述GHZ态纠缠源的一个输出端口连接一个测量方的分束器BS连接。
2.如权利要求1所述的一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，两个偏振分束器PBS分别与所述分束器BS连接，任意一个偏振分束器PBS分别连接一个垂直探测器和一个水平探测器。
3.如权利要求1所述的一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述发送方为单光子源。
4.如权利要求3所述的一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，任意一个发送方制备加载了随机偏振态的单光子，并将制备的单光子发送到与其对应连接的测量方上；
所述GHZ态纠缠源制备N粒子GHZ纠缠态，N个GHZ纠缠态粒子分别发送到N个测量方上；
所述单光子与GHZ纠缠态粒子在测量方上进行Bell态测量，并根据初始商定的GHZ态及MDI成码方式形成原码。
5.如权利要求4所述的一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述N个发送方将部分数据公开，进行误码率计算，与理论误码范围进行比对，若误码率超过可信范围，则终止本轮协议，重新开始；
N个发送方对所生成的密钥进行数据后处理，包括数据协商和保密增强等步骤，最终得到m比特相同的安全密钥。
6.一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD方法，应用了如权利要求1-5任一所述的一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：制备待测量粒子：第一发送方、第二测发送方...第N发送方制备加载了随机偏振态的单光子，所述GHZ态纠缠源制备N粒子GHZ纠缠态；
步骤二：发送待测粒子：第一发送方将制备的单光子发送至第一测量方，第二发送方将制备的单光子发送至第二测量方，以此类推，第N发送方将制备的单光子发送至第N测量方，所述GHZ态纠缠源将制备的GHZ纠缠态的N个粒子分别通过第一输出端口、第二发输出端口...第N输出端口发送至第一测量方、第二测量方……第N测量方；
步骤三：对待测粒子进行测量：第一发送方制备的单光子与GHZ态纠缠源发送的粒子在第一测量方进行Bell态测量，第二发送方制备的粒子与第N+1发送方发送的GHZ纠缠态粒子在第二发送方进行Bell态测量，依次类推...第N发送方制备的粒子与第N+1发送方发送的粒子在第N测量方进行Bell态测量；
步骤四：形成原码：根据初始商定的GHZ态及MDI成码方式形成原码；
步骤五：窃听检测：根据第一发送方、第二发送方...第N发送方将其发送过程中的部分原始密钥公开，进行误码率计算，与设定误码范围进行比对，若误码率超过可信范围，则终止本轮协议，重新开始；
步骤六：数据后处理：第一发送方、第二发送方...第N发送方对所生成的密钥进行数据后处理，包括数据协商和保密增强，最终得到安全密钥。
7.如权利要求6所述的一种基于GHZ纠缠态的多用户测量设备无关QKD方法，其特征在于，根据不同的GHZ纠缠态，用户所形成的码可能需进行比特翻转，当N＝3时制备的GHZ纠缠态是
Figure FDA0002351972530000021
则第二发送方成码时需进行比特翻转，此时比特翻转以第一发送方所成码为基准。
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