CN113824510B - 一种基于中间基诱骗态的量子安全直接通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于中间基诱骗态的量子安全直接通信方法，该方法基于块传输的两步QSDC协议，本发明中，将带有中间基θi的EPR光子对在每个区块信息中都被视为诱骗态，增加了诱骗粒子以及中间基编码部分，这不仅可以降低Eve猜测正确的概率，还可以应对Eve使用中间基进行截取‑重发攻击。同时，部分诱骗态也可用来编码信息，从而提高了信息的传输速率。

Description

一种基于中间基诱骗态的量子安全直接通信方法
技术领域
本发明属于量子保密通信技术领域，具体涉及一种基于中间基诱骗态的量子安全按直接通信方法。
背景技术
量子安全直接通信是量子安全通信的一种重要形式，它基于量子力学的基本原理，可以实现无条件安全保密通信。研究者们先后提出基于EPR纠缠光子对的两步量子安全直接通信(QSDC)以及基于单光子序列的量子一次一密直接通信方案(DL04)，这两个协议成为了QSDC的主流协议。此外与测量设备无关的QSDC以及自由空间的QSDC也在研究中。
“Deng,F.G.,Long,G.L.and Liu,X.S.(2003)Two-Step Quantum DirectCommunication Protocol Using the
Figure BDA0003272254810000011
-Podolsky-Rosen Pair Block.PhysicalReview A,68,113-114.”阐明了量子安全直接通信的定义，可以在量子信道上安全地直接对秘密信息进行编码。在该方案中，首先制备初始态都相同的EPR光子对，纠缠粒子块被分为两个序列：检测序列和信息序列。发送方将检测序列发送给接收方，接收方判断传输过程是否安全。如果不存在窃听，发送方对信息序列用酉操作编码，并将编码后的粒子序列发送给接收方，接收方解码序列得到所需信息，结束通信。所述酉操作如下：
U00＝I＝|0><0|+|1><1|
U01＝σz＝|0><0|-|1><1|
U10＝σx＝|1><0|+|0><1|
U11＝σxσz＝|0><1|-|1><0|
现有技术提出了在协议制备初始态以及信息编码过程中仅使用一种纠缠对，在选择测量基时也只使用X基和Z基进行测量。这会使得窃听者猜测正确的概率达到
Figure BDA0003272254810000021
同时每个编码操作只能传输两位信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型两步QSDC方案，该方案不仅保留了原来两步QSDC方案的优点，同时在协议中采用了诱骗态思想。诱骗粒子的加入不仅可以降低窃听者猜测正确的概率，同时部分诱骗态也可用来编码信息，从而提高了信息的传输速率。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种基于中间基诱骗态的量子安全直接通信方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：将待发送的信息分成数据块；
步骤2：信息发送方形成两种纠缠对；
步骤3：信息发送方随机排列两对纠缠粒子形成一个新的序列，选择每一个纠缠对中的第一个粒子，构成序列Pn(B)发送给信息接收方，其余部分构成序列Pn(A)；
步骤4：信息接收方从序列Pn(B)中随机抽取光子，然后随机选择测量基测量所抽取的光子，并通过经典信道向信息发送方公布采样光子位置、基矢信息以及测量结果，信息发送方选择对应相同的基进行测量比对，用于确定信道中是否存在窃听者，同时信息发送方验证接收方的合法身份；
步骤5：信息发送方随机选择测量基以及Pn(A)中的测量位置进行测量，通过经典信道公布位置、测量基以及测量结果，信息接收方选择相同的基来检验Pn(B)中相同位置的粒子，以验证信息发送方的合法身份；
步骤6：信息发送方用酉操作进行编码，随机抽取纠缠对进行随机数编码，其余纠缠对进行秘密信息编码，并把包含随机数和秘密信息的编码序列发送给信息接收方；
步骤7：信息发送方将生成随机数对应的纠缠对和进行酉操作的类型通过经典信道告知信息接收方，信息接收方对Pn(A)、Pn(B)进行联合测量，通过比较随机数判断二次传输是否被中断，如果未被中断，信息接收方进行解码读取秘密信息。
所述的步骤2信息发送方形成两种纠缠对为
Figure BDA0003272254810000031
和
Figure BDA0003272254810000032
其中，中间基θi为|θi>＝cos(θi/2)|0>+sin(θi/2)|1>，
Figure BDA0003272254810000033
进一步地，步骤4中信息接收方从序列Pn(B)中随机抽取光子，然后随机选择测量基测量所抽取的光子，所述的测量基为X基、Z基、中间基θi。
进一步地，步骤6中信息发送方用酉操作进行编码，所述的酉操作编码将|ψ->和
Figure BDA0003272254810000034
分别转换为如下形式：
Figure BDA0003272254810000035
Figure BDA0003272254810000036
Figure BDA0003272254810000037
Figure BDA0003272254810000038
Figure BDA0003272254810000039
Figure BDA0003272254810000041
Figure BDA0003272254810000042
Figure BDA0003272254810000043
其中，θi为|θi>＝cos(θi/2)|0>+sin(θi/2)|1>，
Figure BDA0003272254810000044
优选地，信息发送方对|ψ->的酉操作U00、U01、U10、U11依次对应编码信息000、001、010、011；对
Figure BDA0003272254810000045
的酉操作U00、U01、U10、U11依次对应编码信息100、101、110、111。
本发明与现有技术相比具有以下技术优势：
本发明是基于块传输的两步QSDC协议，增加了诱骗粒子以及中间基编码部分。在本发明中，带有中间基θi的EPR光子对在每个区块信息中都被视为诱骗态，使得窃听者选择正确测量基的概率从
Figure BDA0003272254810000046
降低到
Figure BDA0003272254810000047
并且诱骗态的引入对接收方的安全性检测没有影响。本发明不仅增强了Pn(B)中传输粒子的安全性，而且提高了第二步信息的编码效率，从每次编码2位到编码3位。
附图说明
图1为本发明测量基范围；
图2为本发明方案流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以便本领域的技术人员更好的理解本发明。
实施例1
在本实施例中公开了一种基于中间基的诱骗量子安全直接通信方法，用于将信源处制备的带有中间基的纠缠对，通过酉操作编码发送给接收方，方法包括如下步骤：
步骤1：将待发送的信息进行分块，获得M个信息块blocki，且i∈[1,M]；
步骤2：信息发送方形成两种纠缠对，
Figure BDA0003272254810000051
以及
Figure BDA0003272254810000052
中间基θi为|θi>＝cos(θi/2)|0>+sin(θi/2)|1>，
Figure BDA0003272254810000053
步骤3：信息发送方随机排列两对纠缠粒子形成一个新的序列，选择每一个纠缠对中的第一个粒子发送给信息接收方，将其表示为{Pn(B),n＝1,2,...,N}，其余部分表示为序列{Pn(A),n＝1,2,...,N}，N是序列长度。
步骤4：接收方从序列Pn(B)中随机抽取光子，然后随机选择测量基，可以为X基、Z基或中间基θi，进行测量所抽取的光子，并通过经典信道向发送方公布采样光子位置、基矢信息以及测量结果，信息发送方选择对应相同的基进行测量比对，用于确定信道中是否存在窃听者，同时发送方也可验证接收方的合法身份。
换言之，步骤4中通过信道传输后两个粒子之间是否还存在纠缠关系来评估信道的安全性。如果窃听者存在，纠缠关系就会被破坏，发送方和接收方的测量结果不再符合EPR关系，会产生很大的量子比特误码率(QBER)。
步骤5：信息发送方随机选择测量基以及Pn(A)中的测量位置进行测量，通过经典信道公布位置、测量基以及测量结果，信息接收方选择相同的基来检验Pn(B)中相同位置的粒子，以验证信息发送方的合法身份。
步骤6：信息发送方用酉操作进行编码，所述的酉操作共有八种编码方式，|ψ->和
Figure BDA0003272254810000061
将被分别转换为如下形式：
Figure BDA0003272254810000062
Figure BDA0003272254810000063
Figure BDA0003272254810000064
Figure BDA0003272254810000065
Figure BDA0003272254810000066
Figure BDA0003272254810000067
Figure BDA0003272254810000068
Figure BDA0003272254810000069
其中，θi为|θi>＝cos(θi/2)|0>+sin(θi/2)|1>，
Figure BDA00032722548100000610
随机抽取纠缠对进行随机数编码，其余纠缠对进行秘密信息编码，并把包含随机数和秘密信息的编码序列发送给信息接收方。
步骤7：信息发送方将生成随机数对应的纠缠对和进行酉操作的类型通过经典信道告知信息接收方，信息接收方对Pn(A)、Pn(B)进行联合测量，通过比较随机数判断二次传输是否被中断，如果未被中断，接收方就可继续解码读取机密信息。
具体的，步骤4中X测量基也称对角基矢包含|D>＝|+>、|A>＝|->；Z测量基也称水平基矢包含|H>＝|0>、|V>＝|1>。
具体的，步骤6中发送方对|ψ->的酉操作U00、U01、U10、U11依次对应编码信息000、001、010、011；对
Figure BDA0003272254810000071
的酉操作U00、U01、U10、U11依次对应编码信息100、101、110、111。接收方根据获得的纠缠对对应解码信息。
本实施例中公开了一种基于块传输的两步QSDC方法，包括信源Alice、信宿Bob以及传输信息的量子信道。所述信源Alice制备两种纠缠对，增加了诱骗粒子以及中间基编码，使得窃听者选择正确测量基的概率从
Figure BDA0003272254810000072
降低到
Figure BDA0003272254810000073
将纠缠对的第一个粒子先发送给Bob进行安全检测，互相确定身份并确定无窃听行为后，再将剩下的粒子通过酉操作编码信息发送给Bob，确定信道未被中断后Bob解码读取机密信息。

Claims (3)

1.一种基于中间基诱骗态的量子安全直接通信方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1：将待发送的信息分成数据块；
步骤2：信息发送方形成两种纠缠对；所述的两种纠缠对为
Figure FDA0003772134270000011
和
Figure FDA0003772134270000012
其中，中间基θi为|θi>＝cos(θi/2)|0>+sin(θi/2)|1＞，
Figure FDA0003772134270000013
步骤3：信息发送方随机排列两对纠缠粒子形成一个新的序列，选择每一个纠缠对中的第一个粒子，构成序列Pn(B)发送给信息接收方，其余部分构成序列Pn(A)；
步骤4：信息接收方从序列Pn(B)中随机抽取光子，然后随机选择测量基测量所抽取的光子，其中测量基为X基、Z基、中间基θi，并通过经典信道向信息发送方公布采样光子位置、基矢信息以及测量结果，信息发送方选择对应相同的基进行测量比对，用于确定信道中是否存在窃听者，同时信息发送方验证接收方的合法身份；
所述的中间基θi为|θi>＝cos(θi/2)|0＞+sin(θi/2)|1＞
步骤5：信息发送方随机选择测量基以及Pn(A)中的测量位置进行测量，通过经典信道公布位置、测量基以及测量结果，信息接收方选择相同的基来检验Pn(B)中相同位置的粒子，以验证信息发送方的合法身份；
步骤6：信息发送方用酉操作对序列Pn(A)进行编码，随机抽取纠缠对进行随机数编码，其余纠缠对进行秘密信息编码，并把包含随机数和秘密信息的编码序列发送给信息接收方；
步骤7：信息发送方将生成随机数对应的纠缠对和进行酉操作的类型均将告知信息接收方，信息接收方对Pn(A)、Pn(B)进行联合测量，通过比较随机数判断二次传输是否被中断，如果未被中断，信息接收方进行解码读取秘密信息。
2.如权利要求1所述的基于中间基诱骗态的量子安全直接通信方法，其特征在于：所述的步骤6中信息发送方用酉操作进行编码，所述的酉操作编码将|ψ->和
Figure FDA0003772134270000021
分别转换为如下形式：
Figure FDA0003772134270000022
Figure FDA0003772134270000023
Figure FDA0003772134270000024
Figure FDA0003772134270000025
Figure FDA0003772134270000026
Figure FDA0003772134270000027
Figure FDA0003772134270000028
Figure FDA0003772134270000029
中间基θi为|θi>＝cos(θi/2)|0>+sin(θi/2)|1>，
Figure FDA00037721342700000211
3.如权利要求2所述的基于中间基诱骗态的量子安全直接通信方法，其特征在于：所述的信息发送方对|ψ->的酉操作U00、U01、U10、U11依次对应编码信息000、001、010、011；对
Figure FDA00037721342700000210
的酉操作U00、U01、U10、U11依次对应编码信息100、101、110、111。
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