CN112272062A - 一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，通信双方分别随机制备超纠缠态和单光子，形成相应的光子序列；第三探测方对通信方发来的光子序列进行超纠缠贝尔态测量，并公布测量结果，通信方根据此测量结果进行安全检测；通信双方同时在不同自由度上编码信息并随机进行安全检测编码，该过程类似不同自由度上的量子安全直接通信；通信双方将编码后的光子序列发送给探测方，探测方再次进行超纠缠贝尔态测量并公布结果，通信方根据该结果来解码信息，完成对话。该方法可以实现双向的量子安全直接通信，有效提高了通信效率，同时可以消除与测量设备和信息泄露相关的安全漏洞，具有较高的灵活性即不同自由度上的信息编码互不影响。

Description

一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法

技术领域

本发明采用超纠缠态实现的测量设备无关的量子对话方法，可以实现双向的量子安全直接通信，属于量子安全通信领域。

背景技术

1984年，Bennett和Brassard提出了第一个量子秘钥分发(QKD)协议——BB84协议，标志着量子密码学的诞生；量子安全直接通信(QSDC)与QKD不同，是一种新的量子通信方式；QSDC与QKD的根本区别在于QSDC无需产生量子密钥，可在量子信道中安全无泄漏地直接传递秘密信息，提高了通信效率。2000年，龙桂鲁等人提出了第一个量子安全直接通信方案——高效两步QSDC方案。2003年，邓富国等人利用密集编码的思想提出了基于EPR纠缠对的两步QSDC协议；2004年该研究小组又提出了基于单光子的一次一密QSDC方案；2005年，满忠晓等人提出了基于纠缠交换的QSDC方案等等。2011年，施锦等提出了利用两粒子两自由度超纠缠态的量子通信方案。总之，多种利用单光子、纠缠交换和隐形传态实现的QSDC协议纷纷涌现，而在这些QSDC协议中，两步QSDC协议更易于推广，已经发展成为量子直接对话协议，且基于单光子的QSDC协议比基于EPR对的QSDC协议更易于实现。

QSDC的安全性在理想情况下已经得到证明，然而，在实际量子通信系统中的设备会存在一些缺陷，尤其是测量设备的缺陷，会导致信息传输的泄露，窃听者可以窃取秘密信息而不会被发现。解决这一问题的方法就是使用测量设备无关(MDI)的技术，该技术也可应用于使用单光子和EPR对的QSDC协议中，即MDI-QSDC协议。

但以上QSDC协议中，秘密消息的传输是单方向的，使得QSDC的应用受限，之后双向QSDC的概念被提出，2004年，Nguyen提出了第一个量子对话(QD)的方案，实现了通信双方同时交换他们的秘密信息。2005年，Man等人提出这个协议在截获重发攻击情况下是不安全的，并给出一种改进方案。随后基于单光子的QD协议得到广泛研究。2006年，计新等人提出了基于一组单光子序列的QD协议；2007年，杨宇光等人提出基于单光子的准安全的QD协议。另一方面是基于纠缠态实现QD协议。但2008年，高飞等人指出很多QD协议存在信息泄露问题，即任何窃听者都可以从合法通信者的公开声明中提取到部分秘密信息。2009年，Shi和Xi等提出了一种改进的利用EPR对实现的QD协议；2010年，他们又提出了一种用单光子实现的QD协议；高干基于EPR对提出两个分别具有两步特性的和Ping——Pong特性的QD方案；2014年，Zheng Chao提出了一种采用EPR对块的两步量子安全直接对话协议；2017年，ArpitaMaitra提出了一种能抵抗信息泄漏和侧信道攻击的MDI-QD方案。之后很多能克服信息泄露问题的QD方案被陆续提出，如何设计简单易行、高效率、高安全性的无信息泄露的QD协议也成为了研究重点方向。

而在现有QD协议中，虽有部分协议解决了信息泄露和侧信道攻击的安全性问题，但是其通信效率不高。

发明内容

本发明提出了基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，该方法可形成对话协议，不仅可以同时解决信息泄露和探测设备带来的安全性问题，而且可以提高通信信道的容量。本发明目的在于扩展量子安全通信领域的范畴，主要通过基于超纠缠的双向QSDC方案，以实现安全的量子对话过程，其中要解决探测设备的安全漏洞问题、部分信息泄露的安全漏洞问题以及通信双方同时交互私密信息的实现。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：提出了一种基于超纠缠的MDI的量子对话方法，该方法使用超纠缠态可使通信双方同时交互信息，并且采用第三探测方和为防止信息泄露执行的δ_x或I操作的方法，有效解决了QD存在的安全性问题。

一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，所述方法包括如下步骤：

S01，通信双方分别随机制备超纠缠态和单光子，形成相应的光子序列；

S02，第三探测方对通信方发来的光子序列进行超纠缠贝尔态测量，并公布测量结果，通信方根据此测量结果进行安全检测；

S03，通信双方同时在不同自由度上编码信息并随机进行安全检测编码，该过程类似不同自由度上的量子安全直接通信；

S04，通信双方将编码后的光子序列发送给探测方，探测方再次进行超纠缠贝尔态测量并公布结果，通信方根据该结果来解码信息，完成对话。

进一步的，所述一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法具体包括如下步骤：

步骤1：通信方A和通信方B分别随机制备n个超纠缠光子对和m个单光子，这些光子对随机处于16种极化和空间自由度上的超纠缠态之一，光子对和单光子形成两组序列，其中一组为S_A和C_A、另一组为S_B和C_B序列；

步骤2：向探测方C发送C_A和C_B序列，同时通信方A和通信方B控制S_A和S_B序列；

步骤3：探测方C收到C_A和C_B序列后，对每一对光子进行超纠缠贝尔态测量(HBSM)，并公布测量结果；

步骤4：通信方A和通信方B根据测量结果和单光子对基操作进行安全检测；

步骤5：通信方A在M_AM_B序列极化自由度上编码信息，通信方B在M_AM_B序列空间自由度上编码信息；为了防止信息泄露，通信方A向通信方B发送信息时，通信方B需对M_B序列光子在极化自由度上随机进行δ_x或I操作，同样地，在另一自由度编码信息时，执行类似操作。

步骤6：通信方A和通信方B分别将编码后的M_A和M_B序列发送给探测方C，探测方C进行超纠缠贝尔态测量，通信方A和通信方B根据测量结果来解码信息。

优选的，其中步骤1中所述的16种极化和空间自由度上的超纠缠贝尔态可描述为：

其中|Θ>_P表示偏极化自由度下的四种贝尔态之一：

式中，H和V分别表示为光子水平方向上的偏振和垂直方向上的偏振，下标P表示极化自由度，下标AB表示A和B两个单光子。

|Ξ>_S表示空间自由度下的四种贝尔态之一：

式中，a₁(b₁)和a₂(b₂)分别表示光子A(B)的上路径和下路径状态，下标S表示空间自由度，下标AB表示A和B两个单光子。

极化和空间模式下的单光子态：

其中|κ>_P∈{Z_P,X_P},|ω>_S∈{Z_S,X_S}，下标P、下标S分别表示极化和空间自由度。

极化自由度下两个非正交的测量基：

Z_P＝{H>,|V>}；

式中,Z_P表示直角测量基，X_P表示对角测量基。

空间自由度下两个非正交的测量基：

Z_S＝{a₁(b₁)>,|a₂(b₂)>}

式中,Z_P表示直角测量基，X_P表示对角测量基。

优选的，步骤3所述的探测方进行超纠缠贝尔态测量，可使用非线性交叉克尔介质实现的16种超纠缠态的完全区分。

优选的，步骤4所述的通信方A和通信方B根据测量结果和单光子对基操作进行安全检测，具体为通信方A和通信方B公布C_A和C_B序列中单光子的位置，对于双方在相同位置均为单光子时，通信方A和通信方B公布单光子空间和极化自由度的基矢并进行对基操作；当通信方A和通信方B在空间或极化自由度至少有一个自由度的基矢相同时，该结果才可用来安全检测；当双方自由度的基都不相同时，则舍弃该种情形。

优选的，所述步骤5具体为：通信方A和通信方B丢弃S_A和S_B序列中未产生超纠缠的光子，此时S_A和S_B序列中剩余光子分别形成M_A和M_B序列，然后通信方A和通信方B将M_A和M_B序列分成两部分，一部分是极化自由度上的M’_A和M’_B序列，用来通信方A向通信方B发送消息；另一部分是空间自由度上的M”_A和M”_B序列，用来通信方B向通信方A发送消息；如下四种幺正操作对应编码的2比特信息。

通信方A向通信方B发送消息时，通信方A使用以下四种幺正操作编码2比特信息。为了防止信息泄露，即第三方不需要任何主动攻击就能获得一半的秘密信息这种情况，通信方B对M’_B序列中的光子随机进行δ_x或I操作。此外，为了保证信息传输的完整性，通信方A需在M’_A光子序列中随机位置进行安全检测编码。

U₀＝I→00

U₁＝δ_z→01

U₂＝δ_x→10

U₃＝iδ_y→11

其中，U₀,U₁,U₂,U₃分别表示四种编码操作，编码信息对应00,01,10,11。且相关矩阵表示为

通信方B向通信方A发送消息时，通信方B同样使用以上四种幺正操作编码2比特信息。为了防止信息泄露，通信方A对M”_A序列中的光子随机进行δ_x或I操作。为保证信息传输的完整性，通信方B需在M”_B光子序列中随机位置进行安全检测编码。

优选的，步骤6所述的通信方A和通信方B根据测量结果来解码信息，具体为通信方A和通信方B根据贝尔态测量结果和各自的幺正操作完成信息的解码。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的量子对话方案，实现了由少量光子载体携带大量信息的愿望，可将信道容量提高2倍，有效的提高了通信效率；此外，该方案在一个量子比特多个自由度上进行信息编码，具有较高的灵活性，即不同自由度上的信息编码互不影响；

(2)本发明提出的量子对话方案，使用MDI的技术可以消除与测量设备有关的安全漏洞；且编码过程中随机进行的δ_x或I加密操作可以消除和信息泄露相关的安全漏洞。这在未来安全通信领域将有一定的影响，因此可产生有益的效果。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法流程图；

图2为本发明提出的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图1和附图2对本发明创造作进一步的详细说明。

如附图1所示，通信方A为Alice，通信方B为Bob，探测方为Charlie,本实施例具体量子对话实现方案包含如下步骤：

步骤1：Alice随机制备n个极化和空间自由度上的超纠缠光子对，然后从每个超纠缠光子对中取出一个光子，形成一有序光子序列S_A。另外，Alice随机制备m个处于极化和空间多自由度的单光子，并将这些单光子随机插入超纠缠光子对中除S_A序列的另一光子序列中，组成一新序列C_A。现在S_A有n个光子，C_A有m个光子。同样地，Bob也随机准备两个S_B和C_B序列，其中S_B有n个光子，C_B有m个光子。16种极化和空间自由度上的超纠缠贝尔态可描述为：

其中|Θ>_P表示偏极化自由度下的四种贝尔态之一：

式中，H和V分别表示为光子水平方向上的偏振和垂直方向上的偏振，下标P表示极化自由度，下标AB表示A和B两个单光子。

|Ξ>_S表示空间自由度下的四种贝尔态之一：

式中，a1(b1)和a2(b2)分别表示光子A(B)的上路径和下路径状态，下标S表示空间自由度，下标AB表示A和B两个单光子。

极化和空间模式下的单光子态：

其中|κ>_P∈{Z_P,X_P},|ω>_S∈{Z_S,X_S},下标PS分别表示极化和空间自由度。

极化自由度下两个非正交的测量基：

Z_P＝{|H>,|V>}

空间自由度下两个非正交的测量基：

Z_S＝{|a₁(b₁)>,|a₂(b₂)>}

步骤2：Alice和Bob分别向Charlie发送C_A和C_B序列，同时各自控制手中的S_A和S_B序列。

步骤3：Charlie收到C_A和C_B序列后，对每一对光子进行超纠缠贝尔态测量(HBSM)，并公布测量结果。由于纠缠交换，HBSM会使S_A和S_B序列中的光子产生超纠缠。并且在C_A和C_B序列中，双方均为单光子时，用于下步的安全检测。

步骤4：Alice和Bob公布C_A和C_B序列中单光子的位置，对于双方在相同位置均为单光子时，Alice和Bob公布单光子空间和极化自由度的基矢并进行对基操作。当Alice和Bob在空间或极化自由度至少有一个自由度的基矢相同时，该结果才可用来安全检测；当双方自由度的基都不相同时，则舍弃该种情形。具体关系见下表：第一次超纠缠贝尔态测量时的不同情形。

步骤5：安全检查后，Alice和Bob丢弃S_A和S_B序列中未产生超纠缠的光子，此时S_A和S_B序列中剩余光子分别形成M_A和M_B序列，然后Alice和Bob将M_A和M_B序列分成两部分，一部分是极化自由度上的M’_A和M’_B序列，用来Alice向Bob发送消息。另一部分是空间自由度上的M”_A和M”_B序列，用来Bob向Alice发送消息。

Alice向Bob发送消息时，Alice使用以下四种幺正操作编码2比特信息。为了防止信息泄露，即第三方不需要任何主动攻击就能获得一半的秘密信息这种情况，Bob对M’_B序列中的光子随机进行δ_x或I操作。此外，为了保证信息传输的完整性，Alice需在M’_A光子序列中随机位置进行安全检测编码。

U₀＝I→00

U₁＝δ_z→01

U₂＝δ_x→10

U₃＝iδ_y→11

其中，U₀,U₁,U₂,U₃分别表示四种编码操作，编码信息对应00,01,10,11。且相关矩阵表示为

Bob向Alice发送消息时，Bob同样使用以上四种幺正操作编码2比特信息。为了防止信息泄露，Alice对M”_A序列中的光子随机进行δ_x或I操作。为保证信息传输的完整性，Bob需在M”_B光子序列中随机位置进行安全检测编码。

步骤6：Alice和Bob分别编码后的M_A和M_B序列发送给Charlie，Charlie进行HBSM并公布测量结果。然后Bob(Alice)根据测量结果来解码机密信息和Alice(Bob)的安全检测编码。若安全检测编码光子的出错率高于安全通信的阈值，则表示存在窃听者，但窃听者的行为不会获取任何信息，只会干扰通信。反之，若安全检测编码序列是正确的且错误率可接受，则消息传输正确，完成本次通话过程。

如图2所示是本发明提出的基于超纠缠的MDI量子对话原理图。从图中，我们可以对编码过程作如下的演示：假设Alice和Bob最终得到的M_AM_B序列中的其中一对超纠缠光子态是

则对应的极化自由度M’_A和M’_B光子态为|ψ⁺>_P，空间自由度M”_A和M”_B光子态为|φ^->_S。

Alice向Bob发送“00”消息时，Alice对M’_A光子进行U₀操作，Bob对M’_B光子进行δ_x或I操作。同样地，Bob向Alice发送“10”消息时，Bob对M”_B光子进行U₂操作，Alice对M”_A光子进行δ_x或I操作。

Claims (8)

1.一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，所述方法包括：

通信双方分别随机制备超纠缠态和单光子，形成相应的光子序列；

第三探测方对通信方发来的光子序列进行超纠缠贝尔态测量，并公布测量结果，通信方根据此测量结果进行安全检测；

通信双方同时在不同自由度上编码信息并随机进行安全检测编码，该过程类似不同自由度上的量子安全直接通信；

通信双方将编码后的光子序列发送给探测方，探测方再次进行超纠缠贝尔态测量并公布结果，通信方根据该结果来解码信息，完成对话。

2.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，其特征在于，所述步骤具体如下：

步骤1：通信方A和通信方B分别随机制备n个超纠缠光子对和m个单光子，这些光子对随机处于16种极化和空间自由度上的超纠缠贝尔态之一，光子对和单光子形成两组序列，其中一组为S_A和C_A、另一组为S_B和C_B序列；

步骤2：向探测方C发送C_A和C_B序列，同时通信方A和通信方B控制S_A和S_B序列；

步骤3：探测方C收到C_A和C_B序列后，对每一对光子进行超纠缠贝尔态测量(HBSM)，并公布测量结果；

步骤4：通信方A和通信方B根据测量结果和单光子对基操作进行安全检测；

步骤5：通信方A在M_AM_B序列极化自由度上编码信息，通信方B在M_AM_B序列空间自由度上编码信息；为了防止信息泄露，通信方A向通信方B发送信息时，通信方B需对M_B序列光子在极化自由度上随机进行δ_x或I操作，同样地，在另一自由度编码信息时，执行类似操作；

步骤6：通信方A和通信方B分别将编码后的M_A和M_B序列发送给探测方C，探测方C进行超纠缠贝尔态测量，通信方A和通信方B根据测量结果来解码信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，其特征在于，其中步骤1中所述的16种极化和空间自由度上的超纠缠贝尔态可描述为：

其中，|Θ>_P表示偏极化自由度下的四种贝尔态之一，|Ξ>_S表示空间自由度下的四种贝尔态之一。

4.根据权利要求2所述的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，其特征在于，步骤3所述的超纠缠贝尔态测量，使用非线性交叉克尔介质完成16种超纠缠态的完全区分。

5.根据权利要求2所述的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，其特征在于，步骤4所述的通信方A和通信方B根据测量结果和单光子对基操作进行安全检测，具体为通信方A和通信方B公布C_A和C_B序列中单光子的位置，对于双方在相同位置均为单光子时，通信方A和通信方B公布单光子空间和极化自由度的基矢并进行对基操作；当通信方A和通信方B在空间或极化自由度至少有一个自由度的基矢相同时，该结果才可用来安全检测；当双方自由度的基都不相同时，则舍弃该种情形。

6.根据权利要求2所述的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，其特征在于，所述步骤5具体为：通信方A和通信方B丢弃S_A和S_B序列中未产生超纠缠的光子，此时S_A和S_B序列中剩余光子分别形成M_A和M_B序列，然后通信方A和通信方B将M_A和M_B序列分成两部分，一部分是极化自由度上的M’_A和M’_B序列，用来通信方A向通信方B发送消息；另一部分是空间自由度上的M”_A和M”_B序列，用来通信方B向通信方A发送消息；通信双方互相发动消息，通过幺正操作对应编码的2比特信息；

通信方A向通信方B发送消息时，通信方A使用四种幺正操作编码2比特信息，通信方B对M’_B序列中的光子随机进行δ_x或I操作，通信方A需在M’_A光子序列中随机位置进行安全检测编码；

通信方B向通信方A发送消息时，通信方B同样使用四种幺正操作编码2比特信息，通信方A对M”_A序列中的光子随机进行δ_x或I操作，通信方B需在M”_B光子序列中随机位置进行安全检测编码。

7.根据权利要求6所述的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，其特征在于，所述安全检测编码具体过程如下：

U₀＝I→00

U₁＝δ_z→01

U₂＝δ_x→10

U₃＝iδ_y→11

其中，U₀,U₁,U₂,U₃分别表示四种幺正编码操作，编码信息对应00,01,10,11；且相关矩阵表示为

8.根据权利要求2所述的一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法，其特征在于，步骤6所述的通信方A和通信方B根据测量结果来解码信息，具体为通信方A和通信方B根据贝尔态测量结果和各自的幺正操作完成信息的解码。

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