CN113206709B - 一种基于超纠缠辅助的量子通信方法 - Google Patents

一种基于超纠缠辅助的量子通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超纠缠辅助的量子通信方法，所述方法包括：发送端制备N对和M对贝尔态超纠缠光子，并拆分为两条序列；发送端发送光子给接收端；接收端接收光子建立与发送端之间M+N对纠缠；发送端和接收端同时对M对超纠缠光子进行安全性检测，判断是否被窃听；根据检测结果，确认不存在窃听后，发送端对N对超纠缠光子进行编码、贝尔态测量并向接收端公布贝尔态测量的结果；接收端根据测量结果和发送端公布的贝尔态测量的结果，得到发送端进行编码后的编码贝尔态；接收端根据初始贝尔态和编码贝尔态，得到发送端的编码操作，实现发送端与接收端间的量子通信。本发明只需要传输一轮光子就能够进行量子通信。

Description

一种基于超纠缠辅助的量子通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于超纠缠辅助的量子通信方法，属于量子通信技术领域。
背景技术
量子通信是利用量子力学的基本原理来进行信息传递的方式。量子通信的安全性基于量子力学基本原理，包括不可克隆定理，纠缠的非定域性等。任何窃听者试图窃听将对发送的粒子的状态进行破坏，从而发现窃听者。
量子密钥分发利用单光子或者纠缠在通信双方随机共享密码，再利用密钥采用经典一次一密的方式完成保密通信。量子密钥分发只能在通信双方分发密钥，无法直接进行通信。量子安全直接通信需要通过光子两轮传输才能实现安全通信。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于超纠缠辅助的量子通信方法，只需要传输一轮光子就能够进行量子通信。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种基于超纠缠辅助的量子通信方法，包括：
发送端Alice分别制备用于量子通信的N对贝尔态超纠缠光子和用于安全性检测的M对贝尔态超纠缠光子，并将每对贝尔态超纠缠光子拆分为两条序列，其中每条序列包含一对贝尔态超纠缠光子中的一个光子，M对贝尔态超纠缠光子中每对超纠缠光子的贝尔态相同，N对贝尔态超纠缠光子中每对超纠缠光子的贝尔态相同，N对超纠缠光子的初始贝尔态为公开信息；
发送端Alice随机混合N对和M对的超纠缠光子，得到M+N对混合后的超纠缠光子；
发送端Alice将M+N对混合后的超纠缠光子中每一对超纠缠光子中的一个光子发送给接收端Bob；
接收端Bob接收到光子后，告知发送端Alice，建立了与发送端Alice之间M+N对的纠缠；
发送端Alice告知接收端Bob用于安全性检测的M对光子的序列位置，并和接收端Bob同时对M对超纠缠光子进行安全性检测，判断是否被窃听；
根据检测结果，确认不存在窃听后，发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码，对编码后的粒子进行贝尔态测量并向接收端Bob公布贝尔态测量的结果；
接收端Bob对己方粒子进行贝尔态测量，根据测量结果和发送端Alice公布的贝尔态测量的结果，得到发送端Alice进行编码后的编码贝尔态；
接收端Bob根据N对超纠缠光子的初始贝尔态和编码贝尔态，得到发送端Alice的编码操作，即为获取到了发送端Alice的信息，实现发送端Alice与接收端Bob间的量子通信。
优选地，M对贝尔态超纠缠光子中每对超纠缠光子的贝尔态相同。
优选地，N对贝尔态超纠缠光子中每对超纠缠光子的贝尔态相同。
进一步地，所述发送端Alice将M+N对混合后的超纠缠光子中每一对超纠缠光子中的一个光子通过光纤或自由空间发送给接收端Bob。
进一步地，接收端Bob采用量子存储器存储接收到光子，采用经典通信方式告知发送端Alice已经接收到光子。
进一步地，所述安全性检测包括：
根据M对贝尔态超纠缠光子中各光子所在序列位置，将M对贝尔态超纠缠光子用于贝尔不等式进行检测；
根据检测结果，若
Figure GDA0003710363370000031
贝尔不等式没有被破坏，则不存在窃听；若
Figure GDA0003710363370000032
贝尔不等式被破坏，则存在窃听，终止发送端Alice与接收端Bob间的通信。
进一步地，所述贝尔态超纠缠光子为每一对同时在光子的极化自由度和空间自由度上纠缠的光子。
进一步地，所述发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码包括：在极化自由度上进行单量子比特幺正操作处理，在空间自由度上不做处理。
优选地，编码信息为：
Figure GDA0003710363370000033
进一步地，所述贝尔态检测包括：使用单光子探测器，利用空间自由度上的纠缠对极化自由度上的纠缠做贝尔态测量，记录出响应的单光子探测器的位置，发送端Alice与接收端Bob能够根据位置读出编码后的贝尔态。
进一步地，所述发送端Alice采用经典通信方式向接收端Bob公布贝尔态测量的结果。
进一步地，所述接收端Bob得到发送端Alice的编码操作，进行解码，得到发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码的信息，即为发送端Alice发送的信息。
优选地，所述解码操作是以下式为依据的：
R1＝UiR0 (1)
式(1)中，Ui表示发送端Alice的编码操作，为求解目标；R1表示发送端Alice进行编码后的编码贝尔态；R0表示N对超纠缠光子的初始贝尔态。
优选地，所述发送端Alice进行编码后的编码贝尔态R1，通过下述方法得到的：
接收端Bob根据发送端Alice公布的贝尔态测量的结果、以及对己方粒子进行贝尔态测量的结果，进行非局域的联合贝尔态分析，得到编码后的极化贝尔态，即为发送端Alice进行编码后的编码贝尔态R1。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种基于超纠缠辅助的量子通信方法所达到的有益效果包括：
本发明预先制备用于量子通信的N对贝尔态超纠缠光子和用于安全性检测的M对贝尔态超纠缠光子，在第一轮发送过程中，采取了安全性检测，使得窃听者无法获取任何有效信息，保证了传输过程的安全可靠性；
本发明制备的贝尔态超纠缠光子为每一对同时在光子的极化自由度和空间自由度上纠缠的光子，本发明能够利用超纠缠光子在极化自由度上纠缠的部分进行编码，利用空间自由度上纠缠的部分辅助实现贝尔态分析，能够实现高效准确的解码；
本发明只需要对光子进行一轮传输，就能够获得两个比特的信息，能够实现通信双方间的双向安全通信，简化了通信程序，提高了通信的效率。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种基于超纠缠辅助的量子通信方法的流程图；
图2是本发明实施例二提供的一种基于超纠缠辅助的量子通信方法的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于超纠缠辅助的量子通信方法，包括：
步骤1：发送端Alice分别制备用于量子通信的N对贝尔态超纠缠光子和用于安全性检测的M对贝尔态超纠缠光子，并将每对贝尔态超纠缠光子拆分为两条序列，其中每条序列包含一对贝尔态超纠缠光子中的一个光子。
贝尔态超纠缠光子为每一对同时在光子的极化自由度和空间自由度上纠缠的光子。其中，M对贝尔态超纠缠光子中每对超纠缠光子的贝尔态相同，N对贝尔态超纠缠光子中每对超纠缠光子的贝尔态相同。N对超纠缠光子的初始贝尔态为公开信息，发送端Alice和接收端Bob中N对超纠缠光子的初始贝尔态相同。
步骤2：发送端Alice随机混合N对和M对的超纠缠光子，得到M+N对混合后的超纠缠光子。
步骤3：发送端Alice将M+N对混合后的超纠缠光子中每一对超纠缠光子中的一个光子发送给接收端Bob。
发送端Alice通过光纤或自由空间将光子发送给接收端Bob。
步骤4：接收端Bob接收到光子后，告知发送端Alice，建立了与发送端Alice之间M+N对的纠缠。
具体地，接收端Bob采用量子存储器存储接收到光子，采用经典通信方式告知发送端Alice已经接收到光子。
步骤5：发送端Alice告知接收端Bob用于安全性检测的M对光子的序列位置，并和接收端Bob同时对M对超纠缠光子进行安全性检测，判断是否被窃听。
安全性检测包括：
根据M对贝尔态超纠缠光子中各光子所在序列位置，将M对贝尔态超纠缠光子用于贝尔不等式进行检测；
根据检测结果，若
Figure GDA0003710363370000061
贝尔不等式没有被破坏，则不存在窃听；若
Figure GDA0003710363370000062
贝尔不等式被破坏，则存在窃听，终止发送端Alice与接收端Bob间的通信。
步骤6：根据检测结果，确认不存在窃听后，发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码，对编码后的粒子进行贝尔态测量并向接收端Bob公布贝尔态测量的结果。
发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码包括：在极化自由度上进行单量子比特幺正操作处理，在空间自由度上不做处理。编码信息为：
Figure GDA0003710363370000063
步骤7：接收端Bob对己方粒子进行贝尔态测量，根据测量结果和发送端Alice公布的贝尔态测量的结果，得到发送端Alice进行编码后的编码贝尔态。
贝尔态检测包括：使用单光子探测器，利用空间自由度上的纠缠对极化自由度上的纠缠做贝尔态测量，记录出响应的单光子探测器的位置，发送端Alice与接收端Bob能够根据位置读出编码后的贝尔态。
具体地，发送端Alice采用经典通信方式向接收端Bob公布贝尔态测量的结果。
步骤8：接收端Bob根据N对超纠缠光子的初始贝尔态和编码贝尔态，得到发送端Alice的编码操作，即为获取到了发送端Alice的信息，实现发送端Alice与接收端Bob间的量子通信。
具体地，接收端Bob得到发送端Alice的编码操作，进行解码，得到发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码的信息，即为发送端Alice发送的信息。
所述解码操作是以下式为依据的：
R1＝UiR0 (1)
式(1)中，Ui表示发送端Alice的编码操作，为求解目标；R1表示发送端Alice进行编码后的编码贝尔态；R0表示N对超纠缠光子的初始贝尔态。
其中，发送端Alice进行编码后的编码贝尔态R1，通过下述方法得到的：
接收端Bob根据发送端Alice公布的贝尔态测量的结果、以及对己方粒子进行贝尔态测量的结果，进行非局域的联合贝尔态分析，得到编码后的极化贝尔态，即为发送端Alice进行编码后的编码贝尔态R1。
实施例二：
本实施例是将本发明实施例一提供的一种基于超纠缠辅助的量子通信方法的具体实施过程。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图2所示，PBS表示beam splitter极化分束器，D表示单光子探测器，HWP45表示45°半波片，Encode表示用于通过单比特幺正操作进行编码的编码装置，a1…a4和b1…b4为空间路径(模式)。
步骤1：发送端Alice首先制备N对超纠缠态光子。
本实施例中，假设这N对超纠缠态光子的形式为
Figure GDA0003710363370000071
且其他形式的超纠缠也能够实现本方案量子通信。
步骤2：发送端Alice再制备M对相同的用于安全性检测的超纠缠态光子，和之前的N对光子随机排序，并将M+N对混合后的超纠缠光子中每一对超纠缠光子中的一个光子发送给接收端Bob。这样发送端Alice和接收端Bob就各拥有M+N对粒子中的一个。
步骤3：发送端Alice和接收端Bob在M对超纠缠中利用贝尔不等式的方法做安全性检测。如果
Figure GDA0003710363370000081
贝尔不等式没有被破坏，那么说明没有窃听，是安全的。如果有人窃听，将降低贝尔不等式的值，即
Figure GDA0003710363370000082
Figure GDA0003710363370000083
一旦发现窃听，则终止通信。
步骤4：做完安全性检测之后，进行通信。发送端Alice在超纠缠的极化部分进行编码。其编码采用四种幺正操作如下：
Figure GDA0003710363370000084
这四种幺正操作对应的编码分别为：
Figure GDA0003710363370000085
编码含义为，假设发送端Alice加载的操作为
Figure GDA0003710363370000086
表明发送端Alice要给接收端Bob传递的信息为01。经过操作后，初始超纠缠为：
Figure GDA0003710363370000087
其中的编码操作可以用图2的编码装置“Encode”，在光学中用半波片(HWP)来完成操作。编码装置“Encode”通过单比特幺正操作进行编码。
步骤5：发送端Alice和接收端Bob用图2后续设备，利用空间纠缠对极化纠缠进行超纠缠辅助贝尔态分析。如果贝尔态是
Figure GDA0003710363370000088
则最终光子将从D1D7、D3D5、D4D6或者D2D8出口出射。
对于发送端Alice来说，光子将从D1、D2、D3或者D4中的一个出口随机出射。
假设发送端Alice探测到的光子的出口是D2，发送端Alice通过经典通信的方式告知接收端Bob其光子的出口模式为D2。
步骤6：接收端Bob根据发送端Alice告知的光子的出口模式D2，以及接收端Bob的光子出口模式为D8，则可以推断出发送端Alice编码后的编码贝尔态为
Figure GDA0003710363370000091
由于初始贝尔态为
Figure GDA0003710363370000092
已知的，接收端Bob根据初始贝尔态以及编码贝尔态，反推出发送端Alice加载的操作
Figure GDA0003710363370000093
即代表编码的信息为01。
需要说明的是，窃听者在通信过程中无法获取信息。在第一轮光子传输过程中，发送端Alice和接收端Bob共享的最大纠缠态为已知态。此时并未加载信息，窃听者无从获取任何信息。如果窃听者窃听光子，将破坏纠缠，能够通过检查贝尔不等式发现。发送端Alice进行编码后，窃听者要获取信息，需要知道编码后的纠缠态。但是要获取编码后的纠缠态，必须同时知道发送端Alice和接收端Bob双方的测量结果。由于只公开发送端Alice的测量结果，接收端Bob自身的测量结果不公开，这样窃听者就无法获取接收端Bob的测量结果，也就不知道编码后的量子态。由于不知道编码后的量子态，窃听者也就无从得知发送端Alice加载的操作，保证整个方案是安全的。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，包括：
发送端Alice分别制备用于量子通信的N对贝尔态超纠缠光子和用于安全性检测的M对贝尔态超纠缠光子，并将每对贝尔态超纠缠光子拆分为两条序列，其中每条序列包含一对贝尔态超纠缠光子中的一个光子，M对贝尔态超纠缠光子中每对超纠缠光子的贝尔态相同，N对贝尔态超纠缠光子中每对超纠缠光子的贝尔态相同， N对超纠缠光子的初始贝尔态为公开信息；
发送端Alice随机混合N对和M对的超纠缠光子，得到M+N对混合后的超纠缠光子；
发送端Alice将M+N对混合后的超纠缠光子中每一对超纠缠光子中的一个光子发送给接收端Bob；
接收端Bob接收到光子后，告知发送端Alice，建立了与发送端Alice之间M+N对的纠缠；
发送端Alice告知接收端Bob用于安全性检测的M对光子的序列位置，并和接收端Bob同时对M对超纠缠光子进行安全性检测，判断是否被窃听；
根据检测结果，确认不存在窃听后，发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码，对编码后的粒子进行贝尔态测量并向接收端Bob公布贝尔态测量的结果；
接收端Bob对己方粒子进行贝尔态测量，根据测量结果和发送端Alice公布的贝尔态测量的结果，得到发送端Alice进行编码后的编码贝尔态；
接收端Bob根据N对超纠缠光子的初始贝尔态和编码贝尔态，得到发送端Alice的编码操作，即为获取到了发送端Alice的信息，实现发送端Alice与接收端Bob间的量子通信。
2.根据权利要求1所述的基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，所述发送端Alice将M+N对混合后的超纠缠光子中每一对超纠缠光子中的一个光子通过光纤或自由空间发送给接收端Bob。
3.根据权利要求1所述的基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，接收端Bob采用量子存储器存储接收到光子，采用经典通信方式告知发送端Alice已经接收到光子。
4.根据权利要求1所述的基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，所述安全性检测包括：
根据M对贝尔态超纠缠光子的光子所在序列位置，将M对贝尔态超纠缠光子用于贝尔不等式进行检测；
根据检测结果，若贝尔不等式结果＝
Figure 338294DEST_PATH_IMAGE001
，贝尔不等式没有被破坏，则不存在窃听；若不等式结果＜
Figure 691915DEST_PATH_IMAGE001
，贝尔不等式被破坏，则存在窃听，终止发送端Alice与接收端Bob间的通信。
5.根据权利要求1所述的基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，所述贝尔态超纠缠光子为每一对同时在光子的极化自由度和空间自由度上纠缠的光子。
6.根据权利要求5所述的基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，所述发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码包括：在极化自由度上进行单量子比特幺正操作处理，在空间自由度上不做处理。
7.根据权利要求5所述的基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，所述贝尔态检测包括：使用单光子探测器，利用空间自由度上的纠缠对极化自由度上的纠缠做贝尔态测量，记录响应的单光子探测器的位置，发送端Alice与接收端Bob能够根据位置读出编码后的贝尔态。
8.根据权利要求1所述的基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，所述发送端Alice采用经典通信方式向接收端Bob公布贝尔态测量的结果。
9.根据权利要求1所述的基于超纠缠辅助的量子通信方法，其特征在于，所述接收端Bob得到发送端Alice的编码操作，进行解码，得到发送端Alice对剩下的N对超纠缠光子进行编码的信息，即为发送端Alice发送的信息。
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